氣候變化背景下隨州市中稻抽穗揚花適宜期研究

楊濤 鮑鳳霞 馮文麗 敖銀銀

摘要：利用隨州市2個國家氣象站1957—2017年的氣溫觀測數(shù)據(jù)，通過函數(shù)擬合的方式模擬中稻生長季內抽穗揚花期高溫熱害和低溫冷害發(fā)生幾率隨時間的變化，從而確定中稻遭遇高溫熱害和低溫冷害風險幾率較小的抽穗揚花適宜期時段，并分析其變化規(guī)律。結果表明，在氣候變化背景下，隨州市一季中稻抽穗揚花適宜期持續(xù)時間呈現(xiàn)增加趨勢，每10年平均增加2 d左右。

關鍵詞：氣候變化;中稻;抽穗揚花;適宜期;隨州市

中圖分類號：S511.3+2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0054-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.012? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the temperature data of two national meteorological observation stations in Suizhou city from 1957 to 2017， the variation of the occurrence probability of high temperature heat damage and low temperature cold damage over time in the heading and flowering stage of middle rice growing season was simulated by function fitting. And the suitable time period of heading and flowering was determined and its variation rule was analyzed. The results showed that the suitable period presented a increasing trend under the background of climate change in Suizhou city， the average increase was about 2 days every 10 years.

Key words： climate change; mid-season rice; heading and flowering; suitable period; Suizhou city

隨州市位于鄂北丘陵地帶，地處南北氣候過渡地帶。受制于溫、光、水資源條件以及季節(jié)和勞動力矛盾，其水稻生產以一季中稻為主。一季中稻由于播期靈活，生長季時間段跨度較大，中稻生長季時間段一般為4月中下旬到9月中下旬，由于受到夏季副熱帶高壓等因素的影響[1]，隨州市夏季出現(xiàn)高溫的幾率較大，而中稻的抽穗揚花期集中在7、8月，因此這個階段很容易受到高溫的影響。高溫達到一定程度就會造成中稻生殖生長出現(xiàn)障礙，影響中稻品質和產量[2-4]。同時，由于氣候變化，盛夏低溫冷害的出現(xiàn)頻率也逐漸升高，中稻在抽穗到成熟階段遭遇低溫冷害也會顯著影響中稻的產量形成過程。因此，從降低中稻抽穗揚花期高溫熱害和低溫冷害風險的角度出發(fā)，開展氣候變化背景下隨州市中稻抽穗揚花適宜期的研究，并以此評估氣候變化可能帶來的影響。在此基礎上尋找有關應對措施，對于最大程度上減少氣候變化對中稻帶來的不利影響[5，6]具有非常重要的意義。

1? 材料與方法

1.1? 資料來源

氣溫觀測數(shù)據(jù)來源于隨州市氣象臺，主要包括隨州、廣水2個國家氣象觀測站1957—2017年共61年的逐日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫觀測資料，所有數(shù)據(jù)均通過了氣象部門的基本質量檢驗。

1.2? 研究方法

1.2.1? 中稻高溫熱害和低溫冷害指標的確定? 熱害和冷害對中稻產生影響主要由兩方面構成，一是溫度大于（小于）中稻某個生育階段適宜生長的臨界溫度;二是該過程持續(xù)了一段時間，兩者共同作用對中稻產生不利影響[7]。結合湖北省氣候背景，將連續(xù)3 d及以上日最高氣溫超過35 ℃作為高溫熱害天氣的氣象指標[8];把連續(xù)3 d及以上日平均氣溫低于22 ℃作為低溫冷害天氣的氣象指標[9]。

1.2.2? 發(fā)生幾率統(tǒng)計方法? 高溫熱害和低溫冷害是一種隨機事件，可以把高溫熱害（低溫冷害）這一隨機事件出現(xiàn)的頻率作為概率的估計值。某站點資料的年數(shù)為N，以通過定義的高溫熱害（低溫冷害）的氣象指標考察N年中某個同一日期出現(xiàn)持續(xù)高溫（低溫）事件總的年數(shù)M，那么就可以將M/N作為該日期水稻高溫熱害（低溫冷害）可能發(fā)生幾率的估計值。

1.2.3? 熱害幾率隨時間變化的擬合? 從高溫熱害發(fā)生規(guī)律來看，高溫熱害幾率的分布類似于統(tǒng)計學里的正態(tài)分布曲線，在某個日期，高溫熱害天氣發(fā)生的幾率最大，距離這個日期的左右兩側越遠，發(fā)生幾率越小。結合張方方等[10]的研究成果，用式（1）擬合高溫熱害出現(xiàn)幾率隨時間的變化曲線：

式中，I為日序;I0為發(fā)生幾率最大日期的日序;A為最大幾率;D可以反映持續(xù)高溫天氣的時間長短;I0、A、D均為參數(shù)。

1.2.4? 冷害幾率隨時間變化的擬合? 根據(jù)對水稻夏季低溫冷害出現(xiàn)幾率的分析，湖北省中稻抽穗揚花期的低溫冷害基本都是從7月下旬開始出現(xiàn)，發(fā)生幾率很小。但是隨著時間往后推移，幾率逐漸增大。根據(jù)概率隨時間變化的曲線，可以看出曲線走勢類似于Logistic曲線[11]，因此采用Logistic函數(shù)式（2）模擬低溫冷害幾率隨時間變化的曲線：

式中，I為日序;K、Ic和b為模型參數(shù)。由于隨著時間推移到達秋冬季，日平均溫度逐漸降至低溫冷害界限溫度之下，則F（I）值最終趨近并等于1，因此K必然等于1。

1.2.5? 抽穗揚花適宜期的定義和計算方法? 7月下旬至8月上中旬是高溫熱害發(fā)生幾率相對較高的時期，隨后逐漸進入秋季，冷害出現(xiàn)的幾率逐漸增大，在8月底9月初低溫冷害的出現(xiàn)會對中稻生殖生長過程產生影響。因此需要確定一段使中稻在抽穗揚花關鍵時期遭遇高溫熱害和低溫冷害風險的幾率較小的安全時期，盡量規(guī)避抽穗揚花期高溫熱害和低溫冷害影響帶來的危害，將這段時期稱之為中稻抽穗揚花適宜期。

計算中稻抽穗適宜期的方法如圖1所示，根據(jù)高溫熱害和低溫冷害發(fā)生幾率公式推導計算高溫熱害發(fā)生幾率大于0.1的終止日序I1、低溫冷害發(fā)生幾率大于0.1的起始日序I2，從而得出中稻抽穗揚花期內遭受高溫熱害和低溫冷害的低風險的I1至I2區(qū)間，即中稻的抽穗揚花適宜期時段。

1.2.6? 研究目標長期變化趨勢的分析方法? 對隨州和廣水兩站的歷史資料以30年為一個時間序列，從資料起始年開始逐年滑動分段，即1957—1986年為時間序列1、1958—1987年為時間序列2、……1988—2017年為時間序列32。對每一個時段采用估算非線性參數(shù)的Levenberg-Marquardt迭代最優(yōu)化算法分別擬合式（1）和式（2），從而計算得到每個時間序列中的相關參數(shù)。

利用線性傾向估計來研究特征量的氣候變化趨勢，用yi表示第i個30年時間序列中的某個特征量，建立yi和i的一元線性回歸方程：

式中，i表示時間序列序號，i=1，2，3……n;b表示線性方程的斜率，即線性變化趨勢與速率。當b>0時，表示增加趨勢;當b<0時，表示減少趨勢;當b=0時，表示無變化趨勢[12]。將b×10定義為氣候傾向率[13]，并用F檢驗法進行顯著性檢驗。

利用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗的Mann-Kendall法檢驗長期變化趨勢。Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵循一定的分布，能夠客觀地表征樣本序列整體變化趨勢。

2? 結果與分析

2.1? 高溫熱害、低溫冷害發(fā)生幾率函數(shù)的擬合

根據(jù)前述的擬合函數(shù)，利用相關算法計算相關參數(shù)后，繪制樣本曲線和擬合函數(shù)的曲線，如圖2和圖3所示，圖中虛線為發(fā)生幾率的實際變化曲線，實線為擬合的函數(shù)曲線，可以看出式（1）和式（2）能夠很好地模擬高溫熱害、低溫冷害發(fā)生幾率隨時間的變化。

2.2? 高溫熱害發(fā)生幾率極大值、極大值出現(xiàn)日序的變化趨勢分析

根據(jù)擬合的高溫熱害幾率極大值（A）繪制A隨時間序列的變化曲線，如圖4所示，可以看出，截至第13個時間序列（1969—1998年），隨州站高溫熱害幾率極大值大于廣水站，而后開始小于廣水站。隨州站高溫熱害幾率極大值氣候傾向率為0.004/10年，但是未通過0.05的顯著性檢驗。廣水站的高溫熱害幾率極大值隨時間基本呈現(xiàn)增大趨勢，氣候傾向率為0.035/10年，并且通過了0.05的顯著性檢驗。

高溫熱害幾率極大值出現(xiàn)的日序I0隨時間序列變化如圖5所示，可以看出，在同一時間序列時，廣水站的極大值出現(xiàn)日序始終大于隨州站，這表明廣水站出現(xiàn)高溫熱害可能性最大的日期要比隨州站晚，計算可知平均晚了2 d左右。總體上而言，隨州站和廣水站I0均呈現(xiàn)減小的趨勢，即出現(xiàn)高溫熱害可能性最大的日期在不斷提前。計算I0的氣候傾向率可知隨州站為-1.6 d/10年、廣水站為-2.3 d/10年，兩者均通過了0.05的顯著性檢驗，即每10年最可能出現(xiàn)高溫熱害的日期隨州站提前1.6 d，廣水站提前2.3 d。

以1957—1986年、1988—2017年頭尾兩個時間序列為例分析，熱害幾率極大值及其出現(xiàn)的日序對應日期如表1所示，截至2017年年底，隨州站的熱害幾率極大值增加了0.04左右，其出現(xiàn)日期提前了3 d左右;廣水站熱害幾率極大值增加了0.13左右，其出現(xiàn)日期提前了8 d左右。廣水站的增大更為明顯，出現(xiàn)日期的提前程度更大。

2.3? 中稻抽穗揚花適宜期計算和分析

2.3.1? 高溫熱害發(fā)生幾率大于0.1的終止日序（I1）分析? 由圖6可以看出，總體趨勢均是隨著時間的推移，高溫熱害發(fā)生幾率大于0.1的終止日序呈現(xiàn)減小趨勢，即發(fā)生幾率大于0.1的日期提前。I1的氣候傾向率隨州站為-3.2 d/10年、廣水站為-2.1 d/10年，即每10年高溫熱害發(fā)生幾率大于0.1的終止日序隨州站提前3.2 d，廣水站提前2.1 d，兩者都通過了0.05的顯著性檢驗。

2.3.2? 低溫冷害發(fā)生幾率大于0.1的起始日序（I2）分析? 從圖7可以看出，I2的變化趨勢兩站差異比較明顯，隨州站基本呈現(xiàn)減小趨勢，即冷害幾率大于0.1的起始日序是提前的，其氣候傾向率為-1.0 d/10年，每10年起始日序提前1 d左右，并且通過了0.05的顯著性檢驗。而廣水站低溫冷害發(fā)生幾率大于0.1的起始日序，未通過0.05的顯著性檢驗，即變化趨勢不明顯，主要在240～242（對應日期為8月29—31日）上下浮動。

2.3.3? 中稻抽穗揚花適宜期分析? 根據(jù)抽穗揚花適宜期的定義可知其持續(xù)天數(shù)為I2-I1+1，對32個時間序列抽穗揚花適宜期時間進行分析，可知隨州、廣水兩站抽穗揚花適宜期持續(xù)天數(shù)均為8～18 d。適宜期起始日期兩站變幅都較大，隨州站為8月10—23日，變幅達14 d，廣水站為8月13—24日，變幅達12 d;適宜期終止日期的變幅較小，隨州站為8月27—30日，廣水站為8月29—31日。隨州、廣水兩站部分時間段中稻抽穗揚花適宜期起止時間及持續(xù)天數(shù)如表2所示。

由圖8可以看出，在同一時間序列下，廣水站的適宜期持續(xù)時間始終大于或者等于隨州站，線性傾向估計氣候傾向率，隨州站為2.2 d/10年、廣水站為2.1 d/10年，表明每10年中稻抽穗揚花適宜期持續(xù)時間隨州站增加2.2 d，廣水站增加2.1 d，均通過了0.05的顯著性檢驗。

2.4? M-K氣候變化趨勢檢驗

利用M-K檢驗法分析上述研究特征量的氣候變化趨勢，趨勢檢驗Z計算結果如表3所示，隨州站的高溫熱害幾率極大值未通過檢驗，表明其長期變化趨勢不明顯;幾率極大值出現(xiàn)日序、高溫熱害發(fā)生幾率大于0.1的終止日序隨州、廣水兩站Z都小于0，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，均通過置信度檢驗;低溫冷害發(fā)生幾率大于0.1的起始日序隨州站Z小于0，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，通過了置信度檢驗，廣水站未通過檢驗。中稻抽穗揚花適宜期持續(xù)天數(shù)Z都大于0，均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，通過置信度檢驗。將M-K趨勢檢驗結果與前述的線性回歸趨勢檢驗結果比較，可以看出二者結果完全一致。

3? 小結與討論

中稻抽穗揚花期是一季中稻產量形成的關鍵生育階段，基于降低抽穗揚花期內遭受高溫熱害和低溫冷害風險的角度出發(fā)，通過函數(shù)擬合的方式研究了氣候變化背景下隨州市中稻生育期內高溫熱害和低溫冷害發(fā)生幾率隨時間的變化規(guī)律，從而分析得出抽穗揚花適宜期時段及其變化特征。

1）高溫熱害幾率極大值變化趨勢隨州站不明顯，廣水站呈現(xiàn)增大趨勢，但是兩者高溫熱害幾率極大值出現(xiàn)的時間都呈現(xiàn)提前趨勢，在每10年中最可能出現(xiàn)高溫熱害的日期隨州站提前1.6 d，廣水站提前2.3 d。

2）中稻抽穗揚花適宜期的起始時間隨州站分布在8月10—23日，廣水站分布在8月13—24日，而且都呈現(xiàn)提前的趨勢，每10年隨州站提前3.2 d，廣水站提前2.1 d。

3）中稻抽穗揚花適宜期的終止時間隨州站分布在8月27—30日，廣水站在8月29—31日，隨州站呈現(xiàn)提前的變化趨勢，每10年隨州站提前1.0 d，廣水站的變化趨勢不明顯。

4）隨州、廣水兩站抽穗揚花適宜期持續(xù)時間均在8～18 d，在同一時期，廣水站的適宜期持續(xù)時間始終大于或者等于隨州站，持續(xù)時間都有增加的趨勢，每10年持續(xù)時間隨州站增加2.2 d，廣水站增加2.1 d。

由于一季中稻的播期非常靈活，結合氣候變化背景下隨州市中稻抽穗揚花適宜期的變化規(guī)律，可以在生產實踐中通過調整優(yōu)化播期、選擇適宜品種等方式，將當?shù)胤N植中稻的抽穗揚花期控制在低風險的適宜時段，從而降低風險以應對氣候變化對當?shù)刂械旧a可能造成的影響。

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