西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷r(shí)空變化特征及其影響因素

陳 翛 黃彬香，2* 潘志華，2 張藝璇 何奇瑾，2 胡 琦，2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193;2.中國(guó)氣象局—中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change)2021年發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告指出，2001—2020年全球表面溫度較1850—1900年升高了1.09 ℃[1]。在未來(lái)全球變暖背景下，極端暖事件將進(jìn)一步增多，熱浪發(fā)生頻率更高，時(shí)間更長(zhǎng)[2]，加劇了作物遭受熱害的風(fēng)險(xiǎn)[3]。自1980年以來(lái)，極端熱浪很大程度上影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加[4]，給人類社會(huì)尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的影響[5-6]。

我國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)，水稻種植面積約占全球水稻種植面積的18.5%；水稻總產(chǎn)量居全球首位，約占27.7%[7]。西南地區(qū)是我國(guó)主要的水稻種植區(qū)之一，主要種植一季中稻，2019年其種植面積和產(chǎn)量分別占糧食作物的26.2%和38.4%[8]。水稻在抽穗開花期遇到高溫，能使開花期提前[9-10]，致使花藥開裂不良、花粉萌發(fā)率低和花粉活力下降，最終造成水稻籽粒敗育[11-13]；幼穗發(fā)育期遇到高溫，會(huì)抑制穎花分化，導(dǎo)致穎花退化；在灌漿期遇到高溫，會(huì)縮短灌漿期，阻礙籽粒充實(shí)[14]，從而影響單季稻的產(chǎn)量。西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期和灌漿期正處于一年中溫度最高的夏季及初秋時(shí)段，這極大增加了高溫?zé)岷赡馨l(fā)生的概率。2000年、2003年[15]、2006年[16]以及2011年在西南地區(qū)均發(fā)生了不同程度的高溫?zé)岷Γ貏e是2006年發(fā)生的川渝地區(qū)特大高溫干旱災(zāi)害，使得單季稻嚴(yán)重減產(chǎn)。因此，研究西南地區(qū)單季稻關(guān)鍵生育階段內(nèi)高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律并分析高溫?zé)岷Φ闹饕绊懸蛩貙?duì)于科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

劉佳等[17]選用熱害累積指數(shù)對(duì)1961—2014年四川單季稻抽穗開花期和灌漿期高溫?zé)岷r(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)岷偞螖?shù)呈顯著上升趨勢(shì)；何永坤等[18]選用日平均溫度≥30 ℃且日最高溫度≥35 ℃指標(biāo)分析了1960—2008年四川盆地東部水稻熱害，發(fā)現(xiàn)不同等級(jí)熱害的年代際波動(dòng)明顯，熱害頻發(fā)區(qū)集中在盆地中部。羅孳孳等[19]選用連續(xù)3 d日最高氣溫≥35 ℃的天數(shù)作為熱害評(píng)估指標(biāo)分析了重慶水稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，水稻高溫?zé)岷τ绕涫侵囟雀邷責(zé)岷Φ陌l(fā)生呈上升趨勢(shì)。其中：水稻抽穗揚(yáng)花期重慶東北部、中部、西南部高溫?zé)岷^重；灌漿結(jié)實(shí)期，長(zhǎng)江河谷地區(qū)高溫?zé)岷Πl(fā)生較重。韓會(huì)慶等[20]選用連續(xù)3 d以上日平均溫度≥30 ℃或日最高溫度≥35 ℃的天數(shù)分析了貴州1961—2017年抽穗灌漿高溫?zé)岷r(shí)空特征，表明全省東部是高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率高值區(qū)。范莉等[21]選用日平均溫度≥30 ℃且日最高溫度≥35 ℃指標(biāo)分析了1960—2010年西南地區(qū)中稻熱害時(shí)空分布規(guī)律，表明高溫?zé)岷Ω咧抵行脑谒拇ㄅ璧貣|部。

有關(guān)高溫?zé)岷Φ难芯?，大多選用連續(xù)3 d以上日最高溫度超過(guò)35 ℃的天數(shù)作為評(píng)判指標(biāo)。然而，評(píng)判水稻遭受高溫?zé)岷Φ某潭?，?yīng)由持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度共同決定[22]，并且伴隨著氣候變化，西南稻區(qū)沿江河谷和低海拔平壩丘陵區(qū)水稻孕穗成熟期常遇高溫，嚴(yán)重影響了水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定[23]。2019年發(fā)布的GB/T 37744—2019 《水稻熱害氣象等級(jí)》[24]中的危害熱積溫指數(shù)規(guī)定以連續(xù)3 d以上日最高溫度超過(guò)水稻熱害發(fā)生的臨界溫度35 ℃部分總和劃分熱害等級(jí)。除此之外，對(duì)西南地區(qū)單季稻孕穗至開花期和灌漿期內(nèi)氣象因子對(duì)高溫?zé)岷Φ挠绊懷芯枯^少。因此，本研究擬以西南地區(qū)單季稻為研究對(duì)象，以1981—2020年逐日氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，選用危害熱積溫指數(shù)為參數(shù)，探究西南地區(qū)單季稻孕穗至開花期、灌漿期高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空變化規(guī)律，分析高溫?zé)岷Φ挠绊懸蛩兀云跒樘岣呶髂系貐^(qū)單季稻防災(zāi)減災(zāi)能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選用的單季稻生育期數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集。由于西南地區(qū)地勢(shì)海拔差異較大，為更好的分析單季稻高溫?zé)岷μ卣?，參考陳超[25]和張建平[26]對(duì)四川和西南稻區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將西南稻區(qū)分為10個(gè)區(qū)域。本研究主要考慮孕穗至開花期和灌漿期作為單季稻高溫?zé)岷﹃P(guān)鍵生育階段，各區(qū)域關(guān)鍵生育階段如表1所示。

表1 西南稻區(qū)各區(qū)域孕穗至開花期和灌漿期Table 1 Booting to flowering and grain filling stage of rice in various regions of Southwest China

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0，http:∥data.cma.cn/)，包括1981—2020年西南區(qū)域四川省(19個(gè))、云南省(25個(gè))、貴州省(31個(gè))、重慶市(11個(gè))共86個(gè)氣象臺(tái)站(不包括西藏、川西高原)的逐日平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量控制，缺測(cè)率為1‰，選用線性插值方法對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全。研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 西南地區(qū)水稻種植區(qū)劃及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Regionalization of the rice-growing areas and distribution of meteorological stations in the study region

1.2 研究方法

1.2.1危害熱積溫(Ha)的計(jì)算

參考GB/T 37744—2019《水稻熱害氣象等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)[24]，選用危害熱積溫(Accumulated hot damage temperature, Ha)作為單季稻高溫?zé)岷χ笜?biāo)。危害熱積溫定義為水稻孕穗至開花期、灌漿期連續(xù)高溫日數(shù)達(dá)3 d及以上時(shí)，日最高氣溫高于35 ℃的累積量，計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

根據(jù)GB/T 37744—2019《水稻熱害氣象等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)[24]，將高溫?zé)岷?qiáng)度等級(jí)劃分為輕度、中度、重度3個(gè)等級(jí)，詳見表2。

表2 單季稻高溫?zé)岷Φ燃?jí)劃分Table 2 Classification of high temperature damage of single-season rice

1.2.2高溫?zé)岷μ卣鞣治龇椒?/p>

熱害站次比(Pj)為某一時(shí)間尺度研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生熱害的臺(tái)站數(shù)占全部臺(tái)站數(shù)的比例，用來(lái)表征熱害影響范圍的大小，計(jì)算公式如下：

Pj=m/M×100%

(3)

式中：m為發(fā)生熱害的臺(tái)站數(shù)；M是研究區(qū)域內(nèi)總臺(tái)站數(shù)；j代表不同年份。

熱害發(fā)生頻率用于評(píng)判某臺(tái)站熱害發(fā)生的頻繁程度，用Fi表示，計(jì)算公式如下：

Fi=n/N×100%

(4)

式中：下標(biāo)i代表不同臺(tái)站；N為該站具完整氣象資料的總年數(shù)；n為該站發(fā)生熱害的年數(shù)。

熱害發(fā)生強(qiáng)度用來(lái)評(píng)估某臺(tái)站發(fā)生災(zāi)害的嚴(yán)重程度，記作S，計(jì)算公式如下：

(5)

式中：m為發(fā)生高溫?zé)岷φ緮?shù)；i代表不同臺(tái)站；Hai表示i站發(fā)生高溫?zé)岷r(shí)Ha的值。

氣候傾向率是研究某一特征量在某段時(shí)間內(nèi)變化趨勢(shì)時(shí)常用的表達(dá)方式。用X表示樣本量為n的某一氣候要素，用t表示對(duì)應(yīng)的年序，擬合得到一元線性回歸方程：

X=at+b

(6)

式中：a為回歸系數(shù);b為截距。本研究采用最小二乘法估算，以a的10倍(即10a)作為氣象要素的氣候傾向率。

采用F檢驗(yàn)法對(duì)擬合的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

1.2.3通徑分析

通徑分析實(shí)質(zhì)上是標(biāo)準(zhǔn)化的多元線性回歸分析，用于分析多個(gè)自變量和因變量之間的線性關(guān)系，找出自變量對(duì)因變量影響的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，并且可以直接或間接的描述自變量對(duì)因變量的效應(yīng)[27]。由于異常的高溫天氣往往與較高的平均氣溫、高太陽(yáng)輻射、降水虧缺等息息相關(guān)，因此本研究采用通徑分析來(lái)量化研究常見的氣象因子平均氣溫Ta、最高氣溫Tmax、降水量p、相對(duì)濕度RH、日照時(shí)數(shù)S、風(fēng)速WS對(duì)危害熱積溫指數(shù)的影響程度，具體方法參考文獻(xiàn)[28]。

1.3 空間分布圖的生成

空間分布圖采用反距離權(quán)重(IDW)插值方法進(jìn)行插值，選用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類顯示。本研究設(shè)定柵格尺寸大小均為0.01，生成空間柵格數(shù)據(jù)，最后用ArcGIS軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 危害熱積溫的時(shí)間變化特征

基于1981—2020年西南地區(qū)的逐日最高氣溫?cái)?shù)據(jù)，分別計(jì)算了四川、重慶、云南和貴州4個(gè)省市單季稻孕穗至開花期、灌漿期的Ha，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

由圖2可知：西南地區(qū)孕穗至開花期Ha的變化趨勢(shì)最大為重慶，達(dá)到每10 a變化8.3 ℃·d，P<0.01達(dá)到極顯著水平。Ha最高出現(xiàn)在2006年，達(dá)到72.0 ℃·d。其中，Ha等級(jí)達(dá)到中度的有2004年、2005年、2008年、2009年、2012年、2015年、2019年和2020年共8個(gè)年份，達(dá)到重度的有1992年、1994年、2001年、2006年、2010年、2013年、2014年、2017年和2018年共9個(gè)年份。其次為四川，每10 a傾向率變化為1.4 ℃·d，P<0.01達(dá)到極顯著水平。該地區(qū)Ha最高在2006年，達(dá)到13.8 ℃·d，2017年次之，為13.7 ℃·d。云南和貴州單季稻Ha均較低，每10 a傾向率變化分別為0.2(P>0.05) 和0.7 ℃·d(P=0.03)，等級(jí)較高的是2019年4.4 ℃·d和2013年的8.1 ℃·d，其他年份主要以輕度等級(jí)為主。

圖2 四川(a)、重慶(b)、云南(c)和貴州(d)單季稻孕穗至開花期危害熱積溫年際變化Fig.2 Annual variations of Ha on booting to flowering stage of single-cropping rice in Sichuan (a), Chongqing (b), Yunnan (c) and Guizhou (d)

由圖3可知：西南地區(qū)灌漿期Ha變化趨勢(shì)最大仍為重慶，達(dá)到每10 a變化為6.2 ℃·d，P<0.01達(dá)到極顯著水平，最高在2006年，達(dá)到90.0 ℃·d，其中危害熱積溫等級(jí)達(dá)到中度的有1990、1994、2007、2010、2012、2015、2016、2017、2018和2020年共10個(gè)年份，達(dá)到重度的有2006、2011、2013和2019年共4個(gè)年份。其次為四川，傾向率為每10 a增加1.4 ℃·d，P<0.01達(dá)到極顯著水平。該地區(qū)Ha最高在2006年，為16.4 ℃·d， 1997年次之，為14.8 ℃·d，等級(jí)最高達(dá)到中度。云南和貴州單季稻Ha，每10 a傾向率變化分別為0.1 ℃·d(P=0.03)和0.03 ℃·d(P>0.05)。

圖3 四川(a)、重慶(b)、云南(c)和貴州(d)單季稻灌漿期危害熱積溫年際變化Fig.3 Annual variations of Ha on filling stage of single-cropping rice in Sichuan (a)、Chongqing (b)、Yunnan (c) and Guizhou (d)

統(tǒng)計(jì)西南地區(qū)1981—2020年各等級(jí)高溫?zé)岷Πl(fā)生的站次比及強(qiáng)度，分析年代際變化，結(jié)果如圖4所示。由圖4(a1)可知:西南地區(qū)孕穗至開花期單季稻高溫?zé)岷Πl(fā)生的站次比平均為24.8%，最高為2017年的39.5%，最低為1987年的7.0%，每10 a傾向率為增加3.4%，P<0.01達(dá)到極顯著水平，高溫?zé)岷Πl(fā)生站次比呈上升趨勢(shì)。其中該地區(qū)輕、中、重等級(jí)高溫?zé)岷ζ骄急壤謩e為60.8%、19.7%、19.5%，每10 a傾向率變化分別為-7.9%、0.9%和7.0%，由此可知西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期發(fā)生輕度高溫?zé)岷Ψ秶^廣，但高溫?zé)岷ψ兓厔?shì)是輕度等級(jí)向中、重度等級(jí)轉(zhuǎn)變，且重度等級(jí)所占比例增幅較大。關(guān)于總站次比的年代際變化，1980年代至2010年代平均站次比分別為19.9%、21.7%、27.2%和30.2%，變化趨勢(shì)逐漸上升。由圖4(a2)可知:西南地區(qū)孕穗至開花期單季稻高溫?zé)岷?qiáng)度平均為454.3 ℃·d，最高為2017年的284.8 ℃·d，最低為1987年的33.4 ℃·d，每10 a傾向率變化為145.2 ℃·d，P<0.01達(dá)到極顯著水平，高溫?zé)岷?qiáng)度呈上升趨勢(shì)。其中各等級(jí)高溫?zé)岷ζ骄急壤謩e為33.27%、26.37%、40.36%，每10 a傾向率變化分別為-11.4%、-0.5%、11.9%，由此可知西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期發(fā)生高溫?zé)岷?qiáng)度重度等級(jí)較大，變化趨勢(shì)是輕、中度等級(jí)向重度等級(jí)轉(zhuǎn)變，重度等級(jí)所占比例上升較大。高溫?zé)岷?qiáng)度年代際變化，1980年代至2010年代分別為257.5、306.4、544.2 和709.1 ℃·d，呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。

圖4 西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷φ敬伪燃皬?qiáng)度時(shí)間變化Fig.4 Changes of station ratio and intensity of high temperature damage of single-cropping rice in Southwest China

由圖4(b1)可知:西南地區(qū)灌漿期單季稻高溫?zé)岷φ敬伪绕骄鶠?1.1%，最高為2006年的26.7%，最低為1987年的1.2%，每10 a傾向率變化為2.7%，P<0.01達(dá)到極顯著水平，高溫?zé)岷Πl(fā)生站次比呈上升趨勢(shì)。其中輕、中、重等級(jí)高溫?zé)岷ζ骄急壤謩e為65.1%、18.1%、16.8%，每10 a傾向率變化分別為-13.8%、4.1%和9.7%，由此可知西南地區(qū)單季稻灌漿期發(fā)生高溫?zé)岷p度等級(jí)范圍較廣，但其變化趨勢(shì)是輕度等級(jí)向中、重度等級(jí)轉(zhuǎn)變，且重度等級(jí)所占比例增幅較大。總站次比年代際變化，1980年代至2010年代平均站次比分別為7.7%、9.5%、10.8%和16.2%，為逐漸上升趨勢(shì)。由圖4(b2)可知:西南地區(qū)灌漿期單季稻高溫?zé)岷?qiáng)度平均為219.5 ℃·d，最高為2006年的1 359.0 ℃·d，最低為1987年的3.8 ℃·d，每10 a傾向率變化為97.9 ℃·d，P=0.011達(dá)到顯著水平，高溫?zé)岷?qiáng)度呈上升趨勢(shì)。其中各等級(jí)高溫?zé)岷ζ骄急壤謩e為47.3%、22.9%、29.9%，每10 a傾向率變化為-17.5%、1.6%和15.9%，由此可知西南地區(qū)單季稻灌漿期發(fā)生高溫?zé)岷?qiáng)度重度等級(jí)較大，變化趨勢(shì)是輕度等級(jí)向中、重度等級(jí)轉(zhuǎn)變，且重度等級(jí)所占比例上升較大。高溫?zé)岷?qiáng)度年代際變化，1980年代至2010年代分別為82.3、166.0、234.6和395.1 ℃·d，為逐漸上升趨勢(shì)。

2.2 高溫?zé)岷Φ目臻g變化特征

以連續(xù)3 d以上最高溫度大于等于35 ℃為高溫日數(shù)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算西南地區(qū)的高溫日數(shù)和變化趨勢(shì)，結(jié)果見圖5?？梢姡?981—2020年西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期高溫日數(shù)平均為1.4 d，高值區(qū)主要在四川稻區(qū)西北部和云南南部地區(qū)，達(dá)2.7 d以上，低值區(qū)在云南西北部和東北部以及四川稻區(qū)西南部地區(qū)，在1 d以下；每10 a高溫日數(shù)平均變化趨勢(shì)為-0.02 d，有44.19%的站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，其中云南瀾滄增幅最大，每10 a變化為0.28 d。灌漿期高溫日數(shù)平均為0.7 d，高值區(qū)主要在四川稻區(qū)中部和北部和云南南部以及西北部華坪等地區(qū)，達(dá)1.5 d以上，低值區(qū)在云南西北部和東北部、四川稻區(qū)西南部以及貴州大部分地區(qū)，每10 a平均變化趨勢(shì)為0.02 d，有58.14%的站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，其中重慶酉陽(yáng)增幅最大，每10 a平均變化為0.33 d。

圖5 1981—2020年西南地區(qū)單季稻高溫日數(shù)的空間分布和變化趨勢(shì)Fig.5 Spatial distribution and trends of high temperature days of single-cropping rice from 1981 to 2020 in Southwest China

西南區(qū)域單季稻孕穗至開花期、灌漿期不同等級(jí)高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率如圖6所示。由圖6(a1)可見：西南區(qū)域孕穗至開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生總頻率高值中心在四川盆地東北部、重慶大部、貴州東北部和南部部分地區(qū)以及云南元江地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為75.0%～100%。熱害發(fā)生頻率最高的站點(diǎn)為重慶的萬(wàn)州和豐都，均達(dá)到100.0%，發(fā)生頻率的站點(diǎn)平均值為24.8%，空間分布總體呈現(xiàn)東北高、西南低趨勢(shì)。由圖6(a2)可見：輕度熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在四川盆地及周圍地區(qū)、重慶西部、貴州東北部、東南部和南部，云南元江地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為37.0%～57.0%，發(fā)生頻率最高站點(diǎn)為貴州羅甸，達(dá)到57.5%。輕度熱害發(fā)生頻率總體空間分布仍呈現(xiàn)東北高、西南低的趨勢(shì)。由圖6(a3)可見：中度熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在重慶西部和中部地區(qū)、貴州東北部和東南部、云南元江地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為22.0%～38.0%。中度熱害發(fā)生頻率最高站點(diǎn)為貴州榕江，達(dá)到37.5%。由圖6(a4)可見：重度熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在重慶西部和中部地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為22.0%～38.0%。重度熱害發(fā)生頻率最高站點(diǎn)為重慶萬(wàn)州，達(dá)到55.0%。

由圖6(b1)可知：西南區(qū)域灌漿期高溫?zé)岷Πl(fā)生總頻率高值區(qū)在四川盆地的東南部、重慶大部以及云南元江地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為47.0%～73.0%。熱害發(fā)生頻率最高的站點(diǎn)為四川的敘永，達(dá)到72.5%，發(fā)生頻率的站點(diǎn)平均值為11.1%，空間分布總體呈現(xiàn)東北高、西南低趨勢(shì)。由圖6(b2)可知：輕度熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在四川盆地東南部和云南元江地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為27.0%～48.0%，發(fā)生頻率最高站點(diǎn)為四川宜賓，達(dá)到47.5%?？傮w空間分布仍呈現(xiàn)東北高、西南低的趨勢(shì)。由圖6(b3)可知：中度熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在重慶西南部和東北部地區(qū)、四川東南部，高值區(qū)發(fā)生頻率為14.0%～28.0%，發(fā)生頻率最高站點(diǎn)為重慶綦江，達(dá)到27.5%。由圖6(b4)可知：重度熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在重慶東北部、中部和西南地區(qū)以及四川盆地東南部地區(qū)，高值區(qū)發(fā)生頻率為18.0%～27.0%，發(fā)生頻率最高站點(diǎn)為重慶萬(wàn)州和豐都，均達(dá)到27.5%。

圖6 西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率空間分布Fig.6 Spatial distribution of the frequency of high temperature damage of single-cropping rice in Southwest China

2.3 氣象因子對(duì)危害熱積溫的影響貢獻(xiàn)分析

利用通徑分析方法，研究最高氣溫(Tmax)、平均氣溫(Ta)、降水量(p)、平均相對(duì)濕度(RH)、日照時(shí)數(shù)(S)、平均風(fēng)速(WS)對(duì)危害熱積溫(Ha)的影響程度。表3為在孕穗至開花和灌漿期2個(gè)時(shí)期內(nèi)各氣象因子對(duì)Ha的直接作用(通徑系數(shù))，表4為各氣象因子對(duì)Ha的總貢獻(xiàn)。

在由表3可知通徑系數(shù)正值表示氣象因子對(duì)Ha正相關(guān)，為引起高溫?zé)岷Φ臍庀笠蛩?。結(jié)合表3和表4可知：孕穗至開花期內(nèi)對(duì)Ha影響最大的因素是平均相對(duì)濕度，其對(duì)Ha作用為負(fù)相關(guān)，直接通徑系數(shù)為-0.440，對(duì)回歸系數(shù)貢獻(xiàn)值是-0.765；其次是最高氣溫，其對(duì)Ha作用是正相關(guān)，直接通徑系數(shù)為0.425，對(duì)回歸系數(shù)貢獻(xiàn)值是0.822。灌漿期內(nèi)對(duì)Ha影響最大的因素是平均相對(duì)濕度，其對(duì)Ha的作用為負(fù)相關(guān)，直接通徑系數(shù)為-1.038，對(duì)回歸系數(shù)的貢獻(xiàn)值為-0.768；其次是降水量，其對(duì)Ha的作用為正相關(guān)，直接通徑系數(shù)為0.303，對(duì)回歸系數(shù)的貢獻(xiàn)值為-0.495。表4是各氣象因素對(duì)Ha的間接影響，可以看出，在2個(gè)關(guān)鍵生育時(shí)期內(nèi)，與平均氣溫和最高氣溫相關(guān)的通徑系數(shù)基本為正值，與平均相對(duì)濕度相關(guān)的通徑系數(shù)大多為負(fù)值。

表3 氣象因子對(duì)危害熱積溫的直接通徑系數(shù)Table 3 Direct path coefficient of the meteorological factors to Ha

由各氣象因子間的間接作用可知各氣象因子間相互影響，因而Ha變化受各氣象因子共同作用。根據(jù)表4中結(jié)果，對(duì)孕穗期至開花期和灌漿期各氣象因子對(duì)Ha的正相關(guān)影響大小排序，可發(fā)現(xiàn)孕穗至開花期為:平均氣溫、最高氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速;灌漿期為：日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、平均風(fēng)速、最高氣溫。對(duì)Ha負(fù)相關(guān)影響因素大小，孕穗至開花期和灌漿期均為：相對(duì)濕度、降水量。

表4 氣象因子對(duì)危害熱積溫的相對(duì)影響Table 4 Relative contributions of meteorological factors to Ha

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究采用2019年發(fā)布的GB/T 37744—2019 《水稻熱害氣象等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合根據(jù)區(qū)域地形特點(diǎn)、農(nóng)業(yè)氣候特征劃分的西南地區(qū)單季稻生育時(shí)期，利用傾向率、通徑分析等分析方法，計(jì)算了1981—2020年西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期、灌漿期不同等級(jí)高溫?zé)岷Φ恼敬伪?、?qiáng)度、發(fā)生頻率和氣象因子對(duì)高溫?zé)岷Πl(fā)生的直接通徑系數(shù)及相對(duì)貢獻(xiàn)，研究了西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷Πl(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律及影響因素。

選用危害熱積溫指數(shù)Ha，以35 ℃作為水稻關(guān)鍵生育時(shí)期高溫?zé)岷χ聻?zāi)閾值，通過(guò)計(jì)算連續(xù)3 d以上日最高氣溫超過(guò)35 ℃的部分的和作為指標(biāo)對(duì)單季稻高溫?zé)岷M(jìn)行評(píng)估，綜合考慮了高溫?zé)岷Πl(fā)生的強(qiáng)度及持續(xù)天數(shù)，相較已有的研究進(jìn)一步量化了單季稻高溫?zé)岷Πl(fā)生的強(qiáng)度。然而，需要注意的是，隨著農(nóng)業(yè)育種水平的提高，單季稻品種耐熱性也在提高，對(duì)于量化高溫?zé)岷Φ拈撝捣秶残韪鶕?jù)實(shí)際災(zāi)情情況進(jìn)行調(diào)整。在NY/T 2915—2016 《水稻高溫?zé)岷﹁b定與分級(jí)》[29]標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于孕穗期至開花期以及灌漿結(jié)實(shí)期的高溫?zé)岷?，將閾值提高到?8 ℃，但其僅考慮了持續(xù)時(shí)間，未考慮高溫?zé)岷Φ睦鄯e強(qiáng)度。未來(lái)工作可考慮基于38 ℃閾值指標(biāo)，綜合考慮強(qiáng)度和持續(xù)天數(shù)，根據(jù)水稻實(shí)際災(zāi)損情況建立水稻高溫?zé)岷χ笜?biāo)進(jìn)行研究。

本研究結(jié)果表明，1981—2020年西南地區(qū)單季稻孕穗至開花期和灌漿期高溫?zé)岷Πl(fā)生范圍(站次比)和強(qiáng)度均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，年代際變化呈現(xiàn)階梯式上升趨勢(shì)，2個(gè)生育時(shí)期均表現(xiàn)為輕度熱害逐漸向重度熱害轉(zhuǎn)變；空間分布上，重慶和四川盆地東部是單季稻重度高溫?zé)岷︻l發(fā)區(qū)域，貴州和云南發(fā)生高溫?zé)岷︻l率較低，但在貴州東部部分地區(qū)及云南元江干熱河谷區(qū)域高溫也經(jīng)常發(fā)生。已有關(guān)于西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷Φ难芯康贸?，西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷Πl(fā)生范圍呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，四川盆地東部、盆中淺丘區(qū)及盆南丘陵區(qū)和貴州的東部為高溫?zé)岷︻l發(fā)區(qū)，本研究結(jié)果與其基本一致[17-21]。值得注意的是，云南的元江地區(qū)孕穗期至開花期和灌漿期的熱害總頻率分別為95.0%和52.5%，在2001—2020年內(nèi)相較1981—1999年，中、重度熱害發(fā)生頻率由0.0%上升至30.0%，增幅較為明顯，該地區(qū)需防范高溫對(duì)單季稻生長(zhǎng)發(fā)育造成的損害。已有研究表明西南地區(qū)高溫?zé)岷υ谶M(jìn)入21世紀(jì)后將持續(xù)偏多，本研究發(fā)現(xiàn)，在2016年以后，孕穗至開花期發(fā)生高溫?zé)岷φ敬伪瘸氏陆第厔?shì)，說(shuō)明在氣候變化背景下，極端天氣的發(fā)生規(guī)律愈加不可預(yù)測(cè)，需加強(qiáng)在單季稻不同的生育時(shí)期災(zāi)害發(fā)生規(guī)律的研究，提高氣象災(zāi)害預(yù)警技術(shù)，因地制宜，防范高溫?zé)岷?duì)單季稻生產(chǎn)的危害。

通過(guò)通徑分析方法，本研究發(fā)現(xiàn)影響西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期Ha變化最主要的氣象因子是最高氣溫，在灌漿期內(nèi)為日照時(shí)數(shù)；負(fù)相關(guān)影響因素在2個(gè)時(shí)期內(nèi)均為相對(duì)濕度和降水量。在對(duì)氣象因子對(duì)危害熱積溫的直接通徑系數(shù)分析中，發(fā)現(xiàn)降水量對(duì)Ha的直接通徑系數(shù)均為正，表明降水量為引起Ha的因素。推測(cè)其原因?yàn)樵谠兴肫谥灵_花期和灌漿期內(nèi)平均降水量處于較低水平，對(duì)空氣溫度的影響較小，而在降雨過(guò)后形成晴朗天氣，日照時(shí)數(shù)增加，從而更有利于高溫?zé)岷Φ男纬?。這也會(huì)導(dǎo)致干旱和高溫同時(shí)發(fā)生的頻率進(jìn)一步升高[30]，而高溫和干旱對(duì)單季稻的復(fù)合脅迫將大于單一脅迫的影響[31-32]。西南地區(qū)夏秋季降水呈現(xiàn)時(shí)間和空間不均一性[33-34]，若季節(jié)性干旱和高溫?zé)岷ν瑫r(shí)發(fā)生，可能引發(fā)大面積病蟲害，將嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)安全，需對(duì)復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行分析，并根據(jù)不同地域特點(diǎn)調(diào)整單季稻播期以及選用抗逆性品種進(jìn)行生產(chǎn)，以減輕災(zāi)害對(duì)單季稻產(chǎn)量的影響，以上工作有待今后做進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

本研究選用危害熱積溫指數(shù)，利用通徑分析方法，分析了西南地區(qū)單季稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空特征及其影響因素，主要結(jié)論如下：

1)1981—2020年西南地區(qū)孕穗期至開花期、灌漿期危害熱積溫、高溫?zé)岷Πl(fā)生站次比和強(qiáng)度變化總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。孕穗期至開花期和灌漿期內(nèi)危害熱積溫(Ha)增幅重慶最高，四川次之，云南和貴州處于較低水平；2)孕穗至開花期、灌漿期高溫?zé)岷Πl(fā)生站次比和強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)，孕穗期至開花期相較灌漿期增幅更為明顯。站次比和強(qiáng)度年代際變化均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；3)孕穗至開花期、灌漿期高溫日數(shù)和熱害發(fā)生頻率空間分布相近，均呈現(xiàn)東北高、西南低的分布特征；熱害發(fā)生頻率高值區(qū)在四川盆地的東北部、重慶大部及云南元江地區(qū)，重度熱害高值區(qū)主要在重慶西部和中部地區(qū)。灌漿期熱害發(fā)生總頻率高值區(qū)在四川盆地的東南部、重慶大部以及云南元江地區(qū)，重度熱害高值區(qū)主要在重慶大部以及四川盆地東南部地區(qū)；4)在各氣象因子對(duì)Ha的通徑分析中，孕穗期至開花期最高溫度對(duì)Ha相對(duì)貢獻(xiàn)達(dá)到0.822，灌漿期日照時(shí)數(shù)對(duì)Ha相對(duì)貢獻(xiàn)值達(dá)到0.541。影響西南地區(qū)單季稻孕穗期至開花期Ha變化的最主要的正相關(guān)氣象因素是最高氣溫，在灌漿期內(nèi)為日照時(shí)數(shù)；負(fù)相關(guān)影響因素在2個(gè)時(shí)期內(nèi)均為相對(duì)濕度和降水量。