兩系雜交水稻南繁制種安全敏感期低溫過程的氣候特征

吳 慧，陳小敏，邢彩盈，朱晶晶，吳勝安，胡德強

（海南省氣候中心/海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海口 570203）

兩系雜交水稻制種對氣象條件依賴性高[1-3]，其中，不育系育性敏感期溫度是決定水稻不育系育性是否恢復，即繁殖能否成功最關鍵的氣象指標[4-7]。根據筆者在三亞等南繁基地的走訪調查，常年3月15日至4月15日是我國南繁水稻兩系不育系育性安全敏感期，若該時期出現連續3 d日平均氣溫低于23 ℃，或氣溫小于20 ℃持續12～24 h，將對部分兩系不育系育性安全造成影響，進而影響制種種子純度，造成公司及制種農戶財產損失。前人對海南南繁基地的氣象條件進行過一些研究，如翁錦輝[8]對三亞市10月至次年4月的農業氣候條件進行了初步分析；陳匯林等[9]利用海口、瓊中、三亞3個國家氣象觀測站的日照和溫度資料，初步分析了兩系雜交水稻不育系在海南島北部、中部和南部繁殖的氣候適宜性；肖應輝等[10]利用陵水和三亞國家氣象觀測站建站至2000年的資料，分析了兩地雜交水稻不同不育起點溫度的水稻低溫敏核不育系海南冬季繁殖的安全系數；陳小敏等[11]則利用兩系雜交水稻不育系育性敏感期和抽穗楊花期的溫度指標，結合綜合評判法，給出海南島兩系雜交水稻南繁的氣候適宜性區劃圖；姚克敏等[12]在鑒定‘培矮64s-05’育性指標的基礎上，結合三亞1959—1988年逐日氣溫、日照資料和生育期預測模型，給出該品種的最佳抽穗期和播種期決策意見。前人的研究中，尚未有專門針對南繁4個主要市縣水稻兩系不育系育性安全敏感期的低溫過程的詳細分析。筆者利用1961—2020年的氣象觀測資料，研究了海南島南部4個主要的南繁制種市縣兩系制種育性安全敏感期低溫過程的基本氣候特征及其變化規律，以期為氣候變暖背景下兩系雜交水稻不育系南繁的生產安排提供參考，并為下一步的南繁水稻兩系繁殖育性轉育敏感期的低溫過程預測、南繁種業氣象災害風險研究[13]、以及南繁制種水稻保險[14-15]的開展提供氣候背景資料。

1 材料與方法

1.1 資料來源和處理 本研究所用資料為海南省東方、樂東、陵水和三亞等4個國家級氣象觀測站1961—2020年的逐日平均氣溫資料，以及樂東、陵水、三亞的國家級氣象觀測站遷站后在原站址布設的區域自動站建站至2020年逐日平均氣溫資料。資料來源于海南省氣象信息中心。由于國家站遷站后的數據與遷站前的數據存在不均一性，故在低溫統計時，遷站后的數據用原站址的區域自動站數據代替。

1.2 研究方法 參考在三亞等南繁基地開展氣象服務調研時獲取的低溫致災閾值，同時考慮到南繁4個市縣國家級氣象觀測站的氣溫在更換自動觀測儀器之前的很長時間里有的站并沒有逐小時觀測資料，無法使用氣溫＜ 20 ℃ 持續 12～24 h的指標。因此，定義兩系雜交水稻南繁制種安全敏感期低溫過程為：3月15日至4月15日期間，連續 3 d 日平均氣溫＜ 23 ℃，或者 1～2 d 日平均氣溫＜ 20 ℃即為1次低溫過程。利用FORTRAN語言編程統計并分析不同市縣兩系雜交水稻制種安全敏感期低溫過程的氣候特征。

兩系雜交水稻育性安全敏感期低溫氣候風險等級參考GB/T 32779—2016中的5級等級標準（表1）。具體的計算公式：

式中，P為不育系育性安全敏感期間出現超過臨界低溫指標氣象事件的概率，N為不育系育性安全敏感期間出現超過臨界低溫指標氣象事件的年數，L為氣候資料總年數。

利用線性傾向估計方法分析低溫過程的氣候變化趨勢[16]。用yi表示樣本為n的某氣候變量，xi表示時間樣本序列號，建立一元線性回歸方程：

式中，a為回歸系數，b為該線性回歸中的趨勢變化率(氣候傾向率)，當b＞0時表示線性趨勢上升，反之表示線性趨勢下降。可通過計算xi與yi之間的相關系數來檢驗該變化趨勢是否顯著。

利用小波分析方法[16]分析低溫過程的時頻特征。小波分析能夠獲得低溫過程的某個周期在哪一段時間最為顯著，具有良好的時-頻分辨性。小波變換公式及其逆變換公式為：

式中，W為小波變換系數，x為原序列，φ為小波基函數，C為常數，a為縮放參數，b為平移參數。本研究使用的小波基函數為Morlet小波變換。

2 結果與分析

2.1 時間分布特征 4 個市縣兩系雜交水稻南繁制種安全敏感期多年平均低溫日數為3.6 d·a-1。從其逐候平均低溫日數分布可以看出，3月第4候平均低溫日數最多，60年中共出現了254 d低溫天氣，平均每個市縣每年約為1.1 d，至3月第5候有所回落，平均為 0.8 d·a，3月第 6 候上升至 1.0 d·a，之后迅速回落，4月第1候至第3候，從0.4 d·a降至 0.1 d·a（表2）。分市縣看，不同市縣逐候低溫日數的時間分布演變特征相似，但東方的平均低溫日數相對最多，其次是樂東，三亞最少，陵水次少。

表2 南繁4個市縣兩系雜交水稻制種安全敏感期逐候平均低溫日數分布(1961—2020年)

進一步對3月15日至4月15日各市縣逐日低溫日數的時間分布進行分析，發現近60年來，東方、樂東和陵水低溫日數的高峰值均出現在3月26日，次高峰值一般出現在3月17日，三亞的高峰值則出現在3月17日，次高峰值出現在3月27日。可見對于南繁4個市縣來說，3月26日前后和3月17日是低溫的高發期。這種時間分布特征還存在明顯的年代際變化，最近10年，低溫的高發期主要出現在3月下旬，其中，東方、樂東和陵水主要出現在3月24—26日，三亞出現在3月25—28日。

2.2 不同持續時間出現概率 4 個市縣兩系雜交水稻南繁制種安全敏感期歷次低溫過程持續時間差異大，最短的僅 1 d，最長的 15 d。歷次過程平均持續時間東方為5.0 d，陵水、三亞、樂東分別為4.3、3.9、4.5 d。各地低溫持續時間在 3～4 d 之間的概率最大，約占過程總數的50%～80 %，其次是持續時間在5～7 d之間的概率，約占過程總數的17%～36 %。大于10 d的長時間低溫過程和小于3 d的超短低溫過程只出現在東方和陵水，出現概率均不足10 %（圖1）。其中，東方最長低溫過程持續 15 d（出現在1970年和 2011年），陵水、三亞和樂東分別為11、7和10 d，均出現在2011年。

圖1 4個市縣制種安全敏感期低溫過程不同持續持續時間出現概率

2.3 低溫過程的氣候變化

2.3.1 低溫過程次數 1961 年以來，4 個市縣制種安全敏感期低溫過程次數有顯著的線性變化趨勢、年際波動和階段性變化，且各市縣不完全一致。由圖2-a可知，自1961年以來，東方低溫過程次數大約以每10年0.2次的速率顯著減少(P＜0.05)。東方低溫過程次數最多的年份達到4次（1979、1988、2005年），最少的年份 0次，共計 11年；從1979—1980年，低溫過程次數從4次下降至0次。1961至1988年低溫過程次數基本處于偏多階段，此階段共有2年出現了4次低溫過程、5年出現了3次低溫過程，僅有3年未出現低溫過程；1989—2020年大致處于低溫過程次數偏少階段，期間僅有1年出現了4次低溫過程，但有8年未出現低溫過程。自1961年以來，陵水低溫過程次數以每10年0.2次的速率顯著減少(P＜0.01)。低溫過程次數最多的年份達3次（1963年和1974年），最少的年份0次，共計34年；其中，1973—1974年，低溫次數從0次急劇上升至3次。低溫過程次數在1961至1985年基本處于偏多階段，有7年出現了2～3次低溫過程，有9 年無低溫過程出現；1986—2020年基本處于偏少階段，僅有1年出現了2次低溫過程，但有25年無低溫過程出現（圖2-b）。自1961年以來，三亞低溫過程次數以每10年0.1次的速率顯著減少(P＜0.01)。低溫過程次數最多的年份達3次（1963年），有45年無低溫過程出現；1963—1964年，低溫過程次數從3次急劇下降至0次。1961—1985年低溫過程次數基本處于偏多階段，有3年出現了2～3次低溫過程，8年出現了1次低溫過程，有14年無低溫過程出現；1986—2020年基本處于偏少階段，僅有1年出現了2次低溫過程，3年出現了1次低溫過程，但有31年無低溫過程出現（圖2-c）。自1961年以來，樂東低溫過程次數以每10年0.2次的速率顯著減少(P＜0.01)。低溫過程次數最多的年份也達3次（1963，1974），有近半數年份沒有低溫過程出現；1973—1974年，低溫過程次數從0次急劇躍升為3次。1961—1995年基本處于偏多階段，35年中有2年出現了3次低溫過程、6年出現了2次低溫過程，有10年無低溫過程出現；1996—2020年基本處于偏少階段，25年中僅有1 年出現了2次低溫過程，但有19 年無低溫過程出現（圖2-d）。

圖2 4個市縣制種安全敏感期低溫過程次數的逐年變化

2.3.2 低溫過程總日數 自 1961 年以來，4 個市縣兩系雜交水稻南繁制種安全敏感期低溫過程總日數也有顯著的線性變化趨勢、年際波動和階段性變化。

東方低溫過程總日數以每10年1.0 d的速率顯著減少(P＜0.05)。年低溫過程總日數最多的年份達 21 d（1970 年和 2011 年），最少的年份 0 d；從1973—1974年，低溫過程總日數從0 d迅速上升至20 d。與該市低溫過程次數的階段性變化不同的是，其低溫過程總日數在1961—1995年期間大致處于偏多階段，有9年出現了14～21 d的低溫，3年低溫總日數為0 d；1996—2020年低溫過程總日數大致處于偏少階段，僅有2年出現了14 d以上的低溫，但有8年低溫總日數為0 d（圖3-a）。陵水低溫過程總日數以每10年減少0.9 d的速率顯著減少(P＜0.01)。低溫過程總日數最多的年份達 18 d（1963 年），最少的年份 0 d；從 1963—1964年，低溫過程總日數從18 d急劇下降至4 d。低溫過程總日數的階段性變化與其低溫過程次數的階段性變化相同（圖3-b）。三亞低溫過程總日數以每10年0.5 d的速率顯著減少(P＜0.05)。低溫過程總日數最多的年份達11 d（2011年），最少的年份 0 d；2010—2012 年，低溫過程總日數從 0 d急劇上升至11 d再急劇下降至0 d。該市低溫過程總日數的階段性變化與其低溫過程次數的階段性變化相同（圖3-c）。樂東的低溫過程總日數以每10年0.9 d的速率顯著減少(P＜0.01)。低溫過程總日數最多的年份達16 d（1974年），最少的年份 0 d；1974—1975 年，低溫過程總日數從 16 d 急劇下降至0 d。該縣低溫過程總日數的階段性變化與其低溫過程次數的階段性變化不同，它大致在 1961—1985年期間處于偏多階段，1986—2020年期間處于偏少階段（圖3-d）。

圖3 4個市縣制種安全敏感期低溫過程總日數的逐年變化

2.3.3 低溫過程最長持續時間 自 1961年以來，4個市縣兩系雜交水稻南繁制種安全敏感期低溫過程最長持續時間也有顯著的線性變化趨勢、年際波動和階段性變化。但它們與低溫過程次數、總日數的變化各有異同。

東方低溫過程最長持續時間以每10年0.7 d的速率顯著減少(P＜0.01)。最長低溫過程持續時間達到15 d（1970年和2011年）；波動最劇烈的年份出現在2010—2012年，低溫過程最長持續時間從 4 d 增加到 15 d 再減少到 4 d。其階段性變化與該市低溫過程總日數的變化相似，1961—1994年基本處于偏長階段，1995—2020年基本處于偏短階段（圖4-a）。陵水低溫過程最長持續時間以每10年0.6 d的速率顯著減少(P＜0.01)。最長低溫過程持續時間達11 d（2011年）；波動最劇烈的年份與東方相同，其低溫過程最長持續時間從2010 年的 3 d 增加到 2011 年的 11 d 再減少到2012年的3 d。其階段性變化與該縣低溫過程次數、總日數的階段性變化不同，1961—1994年和2010—2018年基本處于偏長階段，1995—2009年則處于偏短階段（圖4-b）。三亞低溫過程最長持續時間以每10年0.4 d的速率顯著減少(P＜0.01)。其最長低溫過程持續時間達7 d（2011年）；波動最劇烈的年份與東方、陵水相同。其階段性變化與該市低溫過程平均持續時間、總次數的階段性變化不同，1961—1994年為偏長階段，1995—2020年基本為偏短階段（圖4-c）。樂東低溫過程最長持續時間以每10年0.6 d的速率顯著減少(P＜0.01)。其低溫過程持續時間最長的年份達10 d（2011年）；1973—1974年、1984—1986年波動均較為劇烈。其階段性變化與東方、三亞的變化相似，1961—1995年基本處于偏長階段，1996—2020年基本處于偏短階段（圖4-d）。

圖4 4個市縣制種安全敏感期低溫過程最長持續時間的逐年變化

可見，隨著氣候變暖，雖然4個市縣制種安全敏感期低溫過程的次數、總日數和最長持續時間總體均有減少和縮短的趨勢，但2010年以來仍然出現平均低溫過程次數偏多的氣候事件（2010、2011、2016、2018年）和個別突破歷史極值的長低溫過程氣候事件（2011年），對水稻制種產量提升不利。

2.3.4 低溫過程出現范圍 以發生低溫的站數占總站數的百分比作為低溫過程出現范圍的度量，發現自1961年以來，4個市縣制種安全敏感期低溫過程的出現范圍總體上呈現線性顯著減小趨勢（P＜0.001）。其中，1961—1995 年期間基本為范圍偏大階段，1995年之后基本處于范圍偏小階段（圖5）。但值得警惕的是，繼1996—2009年的小范圍低溫時期過后，2010年開始的11年中有5年出現了大范圍低溫過程（百分比≥75%）。

圖5 4個市縣制種安全敏感期低溫過程出現范圍的逐年變化

2.3.5 制種育性安全敏感期低溫氣候風險等級考慮到目前不育系育性安全敏感期的實際時間為3月15日至4月15日期間的 15～20 d，各地開始時間也不完全一致，故逐日滾動統計分析3月15日至4月15日期間，每個15 d的低溫氣候風險等級。1961—2020年期間，大部分時段4個市縣不育系育性安全敏感期的低溫氣候風險等級均比較高，平均達到5級，僅三亞在3月30日至4月15日期間的3個滑動15 d處于四級風險。在氣候變暖背景下，各市縣低溫氣候風險等級總體有減小趨勢，最近10年，3月30日至4月15日期間三亞和樂東處于1級低氣候風險等級，4月1日至15日期間陵水處于1級低氣候風險等級，但其余時段、其余市縣仍處于5級的高風險等級。

2.3.6 低溫過程周期分析 4個市縣平均低溫過程次數主要在1970年代的前中期和1980年代中期出現準 2～3 年的顯著周期，以及在 2006—2014年期間出現準5～7年的顯著周期（圖6-a）。4市縣平均低溫過程總日數主要在1970年代前中期、1980年代中期出現準2～3年的顯著周期，在1960年代后期至1970年代后期出現準7～8年的顯著周期，在2006—2014年期間出現準4～7 年的顯著周期（圖6-b）。4市縣平均低溫過程最長時間的周期與4市縣平均低溫過程總日數的周期相似。

圖6 4個市縣平均低溫過程次數(a)和平均低溫過程總日數(b)的小波分析圖

3 結 論

利用海南島東方、樂東、陵水、三亞4個市縣的逐日氣象觀測站資料，分析了1961—2020年期間南繁水稻兩系制種育性安全敏感期低溫過程的氣候特征及其變化規律，得出如下結論：

（1）南繁4個市縣制種安全敏感期多年平均低溫日數為3.6 d·a-1。低溫日數從多到少依次是東方、樂東、陵水、三亞。近60 年平均低溫日數最多時期主要出現在3月4候和3月6候，特別是3月26日前后和3月17日是低溫的高發期；但最近10年低溫高發期主要出現在3月24—26日。

（2）近60年南繁4個市縣制種安全敏感期低溫過程持續3～4 d的概率最大，約占過程總數的50%～80 %，其次是持續 5～7 d 的概率，約占過程總數的17%～36 %。大于10 d的長低溫過程和小于3 d的超短低溫過程只出現在東方和陵水，出現概率均不足10 %。

（3）自1961年以來，南繁4個市縣制種安全敏感期低溫過程次數、總日數、最長持續時間、出現范圍均具有明顯的年際波動和階段性變化，并且均呈現出顯著的線性減少、縮短、減小趨勢。但2010年后，仍然出現若干平均低溫過程次數偏多的氣候事件和個別突破歷史極值的長低溫過程氣候事件，有近半數年份出現了大范圍低溫過程。在氣候變暖背景下，近10年部分市縣、部分時段兩系雜交水稻制種育性安全敏感期低溫氣候風險由最高等級下降為最低等級。

（4）4個市縣平均低溫過程次數、總日數和最長持續時間的顯著周期均為10年以下的短周期，主要出現在1970年代的前中期、1980年代中期和2006—2014年期間。

（5）在南繁水稻制種生產過程中，需密切關注制種安全敏感期重要天氣氣候過程、農業氣象災害監測預警及其變化背景等信息，盡早采取有效措施，規避天氣和氣候變化帶來的風險，提高南繁水稻制種適應天氣和氣候變化的能力，實現南繁種業健康持續發展。