宜春市夏季高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律及其對中稻結(jié)實率的影響

章起明，郭水連*，汪建軍 ，廖滿庭，李明胡

(1.江西省宜春市氣象局，江西 宜春 336000；2.江西省氣象科學(xué)研究所，江西 南昌 330096；3.江西省樟樹市氣象局，江西 樟樹 331200)

江西地處長江中下游是我國重要的雙季稻生產(chǎn)種植區(qū)。近年來，隨著進(jìn)城務(wù)工人員的增加，農(nóng)村勞動力短缺，加之早秈稻在口糧消費中的比重逐年下滑，早稻種植收益低等，雙季早稻種植面積有所下降，而中稻種植比例逐年上升。中稻具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、播種期彈性大等優(yōu)點，對促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有一定優(yōu)勢，但由于生長季節(jié)原因，每年6～7月的梅雨季節(jié)一過，此時江西省中稻正處于花期，受西太平洋副熱帶高壓控制，該地區(qū)易出現(xiàn)長時間的持續(xù)高溫天氣[1-2]。而花期是水稻對外界環(huán)境條件最敏感的生育時期，此時如遇日平均氣溫≥30 ℃且日最高氣溫≥35 ℃的高溫天氣，易致使穎花發(fā)育畸形、花藥開裂、花粉活力下降，進(jìn)而抑制花粉管伸長，造成受精不良，降低了結(jié)實率和產(chǎn)量，且其影響的程度隨高溫日數(shù)的延長而增加[3-6]。IPCC第五次評估報告統(tǒng)計，1880～2012年，全球表面平均溫度升高了0.85(0.65～1.06) ℃，2003～2012年的平均溫度比1850～1990年平均溫度升高了0.78(0.72～0.85) ℃，且未來全球氣候變暖的趨勢仍將持續(xù)[7]。在此背景下，中稻種植受高溫?zé)岷τ绊懙膹?qiáng)度、頻率、區(qū)域分布不斷增大。

以往對高溫?zé)岷皩χ械痉N植影響的研究已有很多。褚榮浩等[8]對安徽省中季稻的研究發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次較高的時段主要集中在7月中、下旬和8月上旬，尤以8月上旬最高。張蕾等[9]研究表明，中稻高溫?zé)岷χ聻?zāi)程度與高溫過程的日最高溫度關(guān)系顯著。楊舒暢等[10]的認(rèn)為，長江中下游中稻各級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次的年際變化均呈開口向上的拋物線型，且江西是中稻高溫?zé)岷Πl(fā)生概率高值區(qū)之一。孟林[11]、楊軍[12]等研究指出，一季稻高溫?zé)岷ξｋU性與7～8月最高氣溫和平均氣溫存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，危險性隨著最高氣溫和平均氣溫的升高呈現(xiàn)出先慢后快地增大。盡管基于氣象資料對中稻進(jìn)行了較多的高溫?zé)岷Ψ治觯酝难芯看蠖噌槍χ械井a(chǎn)量的變化情況，而產(chǎn)量受種質(zhì)、土壤、種植技術(shù)等多方面因素影響而難以控制。因此，本研究以江西省宜春市為例，通過分析宜春市氣象觀測站1990～2019近30 a年每年6～8月的氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合江西省宜春市2004～2019年中稻結(jié)實率數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計、回歸分析、ArcGIS的空間分析功能方法，重點揭示了宜春市夏季高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律、時空變化特征及其與中稻結(jié)實率之間的關(guān)系，旨在為氣候變暖環(huán)境下中稻高溫?zé)岷Φ姆烙吧a(chǎn)布局提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究所用的氣象資料來自宜春市氣象局，包括全市10個區(qū)縣1990～2019年每年6月1日～8月31日的逐日日平均氣溫、日最高氣溫。中稻結(jié)實率數(shù)據(jù)來自《宜春市統(tǒng)計年鑒》，包括全市10個區(qū)縣2004～2019年各年份的結(jié)實率統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

1.2.1 時段分析和中稻高溫?zé)岷χ笜?biāo)選定 一般說來，7月中下旬至8月上旬為江西中稻的開花期，是受高溫?zé)岷τ绊懽钪氐臅r段，但是在氣候變暖的大背景下，加之水稻品種及耕作方式的變化，播種期跨幅大會使得各地中稻生育進(jìn)程相差比較大，故本研究選擇6～8月為水稻高溫?zé)岷Φ姆治鰰r段。

根據(jù)前人研究結(jié)果，并結(jié)合江西省氣象局業(yè)務(wù)上常用的高溫?zé)岷Φ燃壷笜?biāo)，本研究將日平均氣溫≥30 ℃且日最高氣溫≥35 ℃記為一個高溫日數(shù)。

1.2.2 氣溫距平 以1990～2019年6月1日～8月31日的逐日平均氣溫及最高氣溫為原始數(shù)據(jù)，計算每年的日平均氣溫及日最高氣溫平均值，同時計算30 a來6～8月日平均氣溫及日最高氣溫的總平均值，從而可以分析得到各年份日平均氣溫距平及日最高氣溫距平的變化情況。根據(jù)平均氣溫及最高氣溫距平值的閾值以判定高溫年和低溫年，其中平均氣溫或最高氣溫距平值≥0.50 ℃為高溫年，平均氣溫或最高氣溫距平值≤-0.50 ℃為低溫年。

1.2.3 中稻結(jié)實率 在分析逐日平均氣溫和最高氣溫的基礎(chǔ)上，利用數(shù)理統(tǒng)計法結(jié)合分析中稻結(jié)實率數(shù)據(jù)，分析結(jié)實率與各氣象指標(biāo)之間的相關(guān)性。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 利用Excel 2010、DPS19.0和ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 近16 a氣溫及中稻結(jié)實率變化情況

圖1所示為宜春市近16 a各區(qū)縣中稻結(jié)實率分布情況。由此可知，宜春市中稻的結(jié)實率具有西高東低、北高南低的分布特點。其中，又以豐城、樟樹兩地的結(jié)實率最低，分別為76.81%、75.71%；銅鼓、靖安兩地的結(jié)實率最高，分別為85.22%、82.01%。

圖1 近16 a中稻結(jié)實率分布情況

表1為近16 a各區(qū)縣6～8月日平均氣溫、日最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)的變化情況，由此可知，近16 a各區(qū)縣的平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)均以樟樹、豐城兩地最高，銅鼓、靖安兩地最低，同時中稻的結(jié)實率也以樟樹、豐城最低，銅鼓、靖安最高。

表1 近16 a氣溫及中稻結(jié)實率的變化情況

對結(jié)實率及氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，結(jié)果表明：結(jié)實率與平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)間均呈極顯著負(fù)相關(guān)，且負(fù)相關(guān)性由大到小依次為高溫日數(shù)>平均氣溫>連續(xù)最長高溫日數(shù)>最高氣溫。說明6～8月的高溫日數(shù)越多、平均氣溫越高、連續(xù)最長高溫日數(shù)越長、最高氣溫越高，中稻結(jié)實率均會越低，且以樟樹、豐城等東南部地區(qū)中稻最易受高溫?zé)岷Φ挠绊懀~鼓、靖安等西北地區(qū)發(fā)生高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險最小。

為進(jìn)一步明確中稻結(jié)實率與6～8月平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)之間的關(guān)系，分別對其進(jìn)行回歸分析。由圖2A可知，當(dāng)6～8月平均氣溫≥27.4 ℃時，中稻結(jié)實率隨著溫度升高呈下降趨勢，兩間具體關(guān)系可用一元二次方程y=0.1139x2-9.8764x+266.71能較好地表示，R2為0.9568；由圖2B可知，當(dāng)6～8月最高氣溫≥32.6 ℃時，中稻結(jié)實率隨著溫度升高呈下降趨勢，兩者間具體關(guān)系可用一元二次方程y=1.2137x2-85.583x+1580.9能較好地表示，R2為0.8914；由圖2C可知，當(dāng)6～8月高溫日數(shù)≥16 d時，中稻結(jié)實率隨著高溫日數(shù)的增加呈下降趨勢，兩者間具體關(guān)系可用線性方程y=-0.283x+86.208能較好地表示，R2為0.9676；由圖2D可知，當(dāng)6～8月連續(xù)最長高溫日數(shù)≥5 d時，中稻結(jié)實率隨著連續(xù)最長高溫日數(shù)的延長呈下降趨勢，兩者間具體關(guān)系可用一元二次方程y=0.0314x2-1.3972x+88.685能較好地表示，R2為0.9216。

2.2 近30 a氣溫距平變化情況

由圖3可知，最高氣溫與平均氣溫的距平變化規(guī)律基本一致。平均氣溫和最高氣溫最低年均為1999年，平均氣溫和最高溫氣最高年均為2019年。近30 a來，年平均氣溫和最高氣溫的距平變化情況均可分為低溫年(1990～2002年)和高溫年(2003～2019年)2個階段。

從平均氣溫來看，其中低溫年(1990～2002年)共出現(xiàn)7次低溫年和1次高溫年，出現(xiàn)頻率分別為53.85%和7.69%，期間氣溫距平平均值為-0.53 ℃；高溫年(2003～2019年)共出現(xiàn)6次高溫年和3次低溫年，出現(xiàn)頻率分別為35.29%和17.65%，期間氣溫距平平均值為0.33 ℃。近30 a平均氣溫距平值變化傾向率為0.0095 ℃/年。

從最高氣溫來看，低溫年(1990～2002年)共出現(xiàn)7次低溫年和2次高溫年，出現(xiàn)頻率分別為53.85%和15.38%，期間最高氣溫距平平均值為-0.64 ℃；高溫年(2003～2019年)共出現(xiàn)7次高溫年和3次低溫年，出現(xiàn)頻率分別為41.18%和17.65%，期間最高氣溫距平平均值為0.41 ℃。近30 a最高氣溫距平值變化傾向率為0.0105 ℃/年。

圖2 近16 a中稻結(jié)實率與平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)間的關(guān)系

圖3 近30 a(1990～2019年)年平均氣溫和最高氣溫的距平變化情況

2.3 近30 a每年6～8月高溫日數(shù)變化情況

由圖4可知，近30 a高溫日數(shù)年平均值為20.05 d，高溫日數(shù)最多的年份為2003年(37 d)，最少的年份為1997年(0.9 d)。近30 a高溫日數(shù)變化情況與圖2趨勢相一致，其中，1990～2002年，13年內(nèi)有10年的高溫日數(shù)小于等于高溫日數(shù)平均值，期間年平均高溫日數(shù)為14.58 d；2003～2019年，17年內(nèi)有14年的高溫日數(shù)大于高溫日數(shù)平均值，期間年平均高溫日數(shù)為24.24 d。由趨勢線可以看出，近30 a高溫日數(shù)隨時間呈逐年增加的趨勢，高溫日數(shù)變化傾向率為0.4429 d/年。

圖4 近30 a(1990～2019年)高溫日數(shù)變化情況

2.4 近30 a高溫日數(shù)旬變化情況

由圖5可知，近30 a不同區(qū)縣6～8月每旬均有時間長短不一的高溫日數(shù)存在。其中，高溫天氣主要集中在7、8兩月之間，按旬高溫日數(shù)從多到少排列順序為7月下旬>8月上旬>7月中旬>7月上旬>8月中旬>8月下旬。由平均總?cè)諗?shù)曲線可以看出，高溫日數(shù)最多的兩個區(qū)縣分別是樟樹(31.57 d)、豐城(27.63 d)，高溫日數(shù)最少的兩個區(qū)縣分別是銅鼓(2.90 d)、靖安(14.87 d)。由連續(xù)最長高溫日數(shù)曲線可知，近30 a除銅鼓外，其他區(qū)縣的連續(xù)最長高溫日數(shù)都在6 d以上，其中又以豐城、樟樹為最高，分別為12.53 d和9.87 d。綜上可知，7月和8月，尤其是7月下旬樟樹、豐城等東南部地區(qū)最易遭受高溫?zé)岷Φ挠绊懀矣绊懽钪兀~鼓、靖安等西北部地區(qū)受高溫?zé)岷τ绊懽钶p。

圖5 近30 a各縣市旬平均高溫日數(shù)變化情況

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

自2004年有中稻數(shù)據(jù)記錄以來，宜春市中稻結(jié)實率的分布具有西高東低、北高南低的特點，且中稻結(jié)實率與6～8月日平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)間均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。近30 a(1990～2019年)來宜春市高低溫的年際變化具有明顯的規(guī)律，其中1990～2002年內(nèi)以低溫年居多，2003～2019年內(nèi)以高溫年居多，說明進(jìn)入20世紀(jì)以來，高溫?zé)岷Πl(fā)生的概率越來越高。近30 a每年6～8月均有日數(shù)長短不同的高溫日數(shù)存在，且高溫日數(shù)隨著年份的增加而越來越多；高溫天氣主要集中在7、8兩月之間，按旬高溫日數(shù)從多到少排列依次為7月下旬>8月上旬>7月中旬>7月上旬>8月中旬>8月下旬。宜春市各區(qū)縣夏季高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生與中稻結(jié)實率分布情況剛好相反，具有西輕東重、北輕南重的特點，其中以樟樹、豐城等東南部地區(qū)最易受高溫?zé)岷Φ挠绊懀~鼓、靖安等西北部地區(qū)發(fā)生高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險最小。

3.2 討論

以往對于長江中下游地區(qū)中稻高溫?zé)岷Φ难芯看蠖技性?月中旬～8月上旬[13-15]，但近年來隨著農(nóng)村勞動力的短缺，加之種植模式及種質(zhì)資源的變化，中稻播種期不再相對固定，播種期彈性更大，進(jìn)而花期時間也相對分布更廣，故本文將高溫?zé)岷ρ芯繒r段設(shè)為6月1日～8月31日。楊炳玉等[16]認(rèn)為江西省水稻高溫?zé)岷χ饕杏?月中、下旬和8月上旬，其中7月13～24日為高溫?zé)岷Πl(fā)生概率最大的時段。謝志清等[17]指出每年7月11日至8月15日為江淮流域高溫集中時段，高溫出現(xiàn)比例超過20%。本研究發(fā)現(xiàn)7月、8月是宜春市中稻高溫?zé)岷χ饕l(fā)生時段，且其中又以7月下旬最為嚴(yán)重。

高溫能夠?qū)е旅富钚韵陆担f花發(fā)育畸形，是影響中稻種植的主要氣象災(zāi)害之一[5,18-21]，通過分析花期氣溫與中稻結(jié)實率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中稻結(jié)實率與6～8月日平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)及連續(xù)最長高溫日數(shù)間均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明高溫對中稻產(chǎn)量的影響主要是因為高溫使水稻秕谷率和空殼率顯著增加的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)，宜春地區(qū)以東南部中稻結(jié)實率為最低，最易受高溫天氣控制，且高溫和結(jié)實率有由東南至西北走向逐漸降低的趨勢。因此，本研究對于指導(dǎo)宜春地區(qū)中稻種植合理布局具有一定的參考意義，研究方法也適用于周邊中稻種植區(qū)。本文雖對宜春市近30 a氣象資料及近16 a中稻結(jié)實率數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析調(diào)查，但研究內(nèi)容尚顯單一，對于高溫?zé)岷Φ久灼焚|(zhì)的影響，及構(gòu)建中稻生長高溫?zé)岷γ{迫機(jī)理模型等方面還有待進(jìn)一步研究。