長江中下游地區(qū)高溫?zé)岷?duì)水稻的影響*

張倩，趙艷霞，王春乙

(中國氣象科學(xué)研究院，北京100081)

近百年來，全球氣候呈現(xiàn)出以變暖為主要特征的顯著變化，全球變暖已經(jīng)是不爭的科學(xué)事實(shí)[1]。政府間氣候變化專門委員會(huì)第一工作組發(fā)布的第四次評(píng)估報(bào)告指出，過去100年(1906－2005年)，全球地表平均氣溫升高了0.74℃±0.18℃[2]。未來50～100年全球和我國的氣候?qū)⒗^續(xù)向變暖方向發(fā)展[3]。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，全球地表平均溫度還將上升1.4℃～5.8℃[4]。氣候變化誘發(fā)的自然災(zāi)害的增加可能會(huì)使我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更不穩(wěn)定，糧食安全變得更脆弱[5]。我國長江流域及其以南地區(qū)，從1999年至今，幾乎每年都會(huì)出現(xiàn)持續(xù)10 d以上的強(qiáng)度大、范圍廣的極端高溫天氣。預(yù)計(jì)在未來全球氣候變暖背景下，我國多數(shù)大陸地區(qū)在21世紀(jì)極端高溫、熱浪等事件的發(fā)生頻率很可能繼續(xù)增加[6]。因此深入研究水稻熱害發(fā)生的規(guī)律及其對(duì)氣候變化、農(nóng)業(yè)措施改進(jìn)的響應(yīng)、確定災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并及早采取適宜措施對(duì)水稻熱害進(jìn)行防御，對(duì)保障我國未來糧食安全生產(chǎn)意義重大[7]。

1970年以來，水稻熱害問題已有較多報(bào)道。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水稻高溫?zé)岷ι砩鷳B(tài)機(jī)制方面的研究已經(jīng)取得了較好的成果，積累了豐富的水稻熱害理論與調(diào)控技術(shù)。研究認(rèn)為高溫導(dǎo)致水稻不結(jié)實(shí)的關(guān)鍵期是在花期前后[8－9]，光合作用則是對(duì)高溫最敏感的過程之一[10]。高溫主要從兩方面影響水稻的生長發(fā)育過程:一方面高溫傷害水稻開花受精過程，導(dǎo)致空粒率增加;另一方面，高溫傷害水稻的灌漿過程，導(dǎo)致秕粒率增加，千粒重下降[11－12]。

1 材料與方法

1.1 基本資料

本文研究區(qū)域?yàn)殚L江中下游地區(qū)湖北、湖南、安徽、江西、江蘇及浙江六省。氣象資料為研究區(qū)域內(nèi)91個(gè)氣象臺(tái)站的觀測數(shù)據(jù)(1961－2006年)，主要包括:逐日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、日降水量、2 m高處風(fēng)速和水汽壓。作物資料為63個(gè)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)站的觀測數(shù)據(jù)(1981－2006年)，主要包括水稻品種熟性、主要發(fā)育期和生物量數(shù)據(jù)。土壤資料為研究區(qū)域土壤的相關(guān)物理性質(zhì)、肥力特性等數(shù)據(jù)。

1.2 作物模型及驗(yàn)證

本文選用荷蘭瓦赫寧根大學(xué)開發(fā)研制的作物模型WOFOST7.1。作物模型生長發(fā)育參數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)室或田間的控制試驗(yàn)獲得的，因此要根據(jù)實(shí)際觀測資料，先確定水稻發(fā)育期，再由發(fā)育期確定有效積溫，得到水稻生長發(fā)育的初始參數(shù)。

首先分別計(jì)算出早稻和中稻的平均播種、出苗、開花和成熟日期(儒略日)，再根據(jù)發(fā)育期計(jì)算出播種至出苗、出苗至開花、開花至成熟的有效積溫，將求出的平均值作為模型初始參數(shù)。由于生物量資料有限，特選取資料相對(duì)較長和全面的湖南常德(早稻)和安徽合肥(中稻)兩站水稻發(fā)育期及生物量資料作為參數(shù)調(diào)試時(shí)的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為使模擬結(jié)果與實(shí)際值更加接近，可利用模型中的試錯(cuò)校正工具RERUN進(jìn)行多次試調(diào)，最后確定參數(shù)取值。播種到出苗所需有效積溫:TSUMEM(早稻)=31.1，TSUMEM(晚稻)=60.7;出苗到開花所需有效積溫TSUM1(早稻)=998.5，TSUM1(晚稻)=1 800.3;開花到成熟所需有效積溫:TSUM2(早稻)=421.2，TSUM2(晚稻)=460.7。應(yīng)用同樣方法確定其他參數(shù)取值，得到出苗時(shí)臨界最低溫度:TBASEM=10，出苗時(shí)的最高有效溫度:TEFFMX=30，作物初始干物質(zhì)重:TDWI=40，出苗時(shí)的葉面積指數(shù)LAIEM=0.15。

利用湖南常德1997、1998和2001年的資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，圖1a～b分別為水稻地上部分干重和穗干重的模擬與觀測值之間的關(guān)系。由圖可以看出，WOFOST模型模擬的水稻干物質(zhì)重與觀測值吻合度較好，均通過了較高的顯著性水平(顯著水平p＜0.001)，說明模型可以較好地模擬水稻干物質(zhì)的累積和產(chǎn)量。

圖1 水稻干物質(zhì)模擬與觀測值關(guān)系

1.3 減產(chǎn)率

產(chǎn)量變化率可以用來表示實(shí)際氣象條件下作物產(chǎn)量偏離平均氣象條件下作物產(chǎn)量的波動(dòng)幅度值。其表達(dá)式為:

式中:Dt表示第t年的產(chǎn)量變化率(%)。Yt表示實(shí)際氣象條件下第t年的模擬產(chǎn)量(kg/hm2)。表示平均氣象條件下第t年的模擬產(chǎn)量(kg/hm2)。當(dāng)Dt＞0時(shí)，為增產(chǎn)率，表示該地區(qū)該年份沒有發(fā)生災(zāi)害;當(dāng)Dt＜0時(shí)，為減產(chǎn)率，表示該地區(qū)該年份發(fā)生了災(zāi)害。

1.4 高溫?zé)岷χ笜?biāo)選取

在農(nóng)業(yè)氣象工作中，通常以日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃作為判別水稻開花結(jié)實(shí)期受害的臨界溫度指標(biāo)。本文高溫?zé)岷Φ燃?jí)劃分為[13]:

日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃持續(xù)日數(shù)大于3 d為水稻輕度高溫?zé)岷?

日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃持續(xù)日數(shù)大于5 d為水稻中度高溫?zé)岷?

日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃持續(xù)日數(shù)大于8 d為水稻重度高溫?zé)岷Α?/p>

1.5 模擬方案設(shè)計(jì)

許多研究表明，水稻營養(yǎng)生長階段短期的高溫危害對(duì)水稻產(chǎn)量影響較小，孕穗期、抽穗揚(yáng)花期和灌漿成熟期是水稻對(duì)高溫比較敏感的幾個(gè)發(fā)育時(shí)期[14－18]。因此本文主要研究水稻孕穗期、抽穗開花期以及灌漿結(jié)實(shí)期三個(gè)發(fā)育階段內(nèi)高溫對(duì)水稻結(jié)實(shí)的影響。

對(duì)現(xiàn)有作物資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并結(jié)合前人研究，早稻孕穗期和抽穗開花期適宜溫度為27℃，灌漿結(jié)實(shí)期為26℃;中稻孕穗期、抽穗開花期和灌漿結(jié)實(shí)期適宜溫度分別為27℃、26℃和25℃。在應(yīng)用WOFOST模型模擬高溫對(duì)水稻產(chǎn)量影響時(shí)，根據(jù)水稻的發(fā)育進(jìn)程，首先確定孕穗期、抽穗開花期以及灌漿結(jié)實(shí)期這三個(gè)發(fā)育期所處的日序，模擬這三個(gè)發(fā)育階段在適宜溫度下的正常產(chǎn)量。然后以各發(fā)育階段的開始日序?yàn)槠鹗键c(diǎn)，在早稻和中稻1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)發(fā)育期中將溫度分別從適宜溫度升至30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃，再模擬1 d、持續(xù)3 d以及持續(xù)5 d高溫影響下的水稻產(chǎn)量，計(jì)算各種情況下的水稻減產(chǎn)率。

在開展區(qū)域高溫?zé)岷τ绊懺u(píng)估時(shí)，首先計(jì)算研究區(qū)域各臺(tái)站最低和最高溫度的多年平均值，得到各臺(tái)站平均氣象條件，分別利用平均天氣條件和實(shí)際天氣條件驅(qū)動(dòng)WOFOST模型，逐臺(tái)站模擬早稻和中稻產(chǎn)量，計(jì)算出各臺(tái)站減產(chǎn)率，開展水稻熱害區(qū)域影響評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一強(qiáng)度不同持續(xù)日數(shù)高溫對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

在模擬高溫對(duì)水稻影響時(shí)，選取生物量資料較完整且溫度接近常年的1997年湖南常德、江蘇贛榆分別作為早稻和中稻的模擬代表臺(tái)站。

圖2所示為早稻和中稻各生育期日平均溫度達(dá)30℃持續(xù)不同天數(shù)時(shí)的減產(chǎn)情況。由圖可知，單一發(fā)育階段受高溫(30℃)影響時(shí)，除早稻1 d受高溫影響情況外，早稻和中稻減產(chǎn)程度均為灌漿期最大，開花期次之，孕穗期最小。當(dāng)兩個(gè)發(fā)育期同時(shí)遭遇高溫，以開花期和灌漿期受高溫影響，早稻和中稻產(chǎn)量損失最為嚴(yán)重。此外，隨著高溫持續(xù)日數(shù)的增加，早稻和中稻各發(fā)育階段產(chǎn)量減少隨之增加，一般中稻的減產(chǎn)幅度要略大于早稻。其中，1 d高溫天氣對(duì)早稻和中稻各發(fā)育期產(chǎn)量的影響較為接近，產(chǎn)量損失都在5%左右。三個(gè)發(fā)育期同時(shí)發(fā)生高溫減產(chǎn)最為明顯，早稻減產(chǎn)最大可達(dá)14%左右，中稻減產(chǎn)最大在19%左右。

圖2 早稻(常德，1997)和中稻(贛榆，1997)各發(fā)育期平均溫度達(dá)30℃持續(xù)不同天數(shù)時(shí)的減產(chǎn)率

圖3所示為溫度達(dá)35℃持續(xù)不同天數(shù)時(shí)早稻和中稻減產(chǎn)率?？梢钥闯觯瑔我话l(fā)育期發(fā)生35℃高溫，早稻減產(chǎn)情況仍為灌漿期最大，孕穗期最小。中稻在1 d高溫天氣的影響下，各發(fā)育階段減產(chǎn)情況與早稻近似，當(dāng)高溫持續(xù)日數(shù)達(dá)3 d開始，中稻減產(chǎn)程度變?yōu)殚_花期最大，灌漿期次之，孕穗期最小，所以高溫持續(xù)日數(shù)越長，對(duì)中稻花期的影響越為顯著。當(dāng)兩個(gè)發(fā)育階同時(shí)受高溫影響仍為開花期和灌漿期均遭遇高溫時(shí)產(chǎn)量損失最為嚴(yán)重。對(duì)于不同持續(xù)日數(shù)的高溫，當(dāng)1 d高溫達(dá)35℃時(shí)，早稻和中稻各發(fā)育期減產(chǎn)比較接近，均在10%左右，隨著高溫持續(xù)日數(shù)增加，各發(fā)育期減產(chǎn)幅度也呈增加趨勢。三個(gè)發(fā)育期同時(shí)遭遇連續(xù)5 d達(dá)35℃高溫，早稻減產(chǎn)最大達(dá)37%左右，中稻減產(chǎn)最大為45%左右。

2.2 同一持續(xù)日數(shù)不同強(qiáng)度高溫對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

圖3 早稻(常德，1997)和中稻(贛榆，1997)各發(fā)育期平均溫度達(dá)35℃持續(xù)不同天數(shù)時(shí)的減產(chǎn)率

圖4分別為連續(xù)3 d出現(xiàn)不同程度高溫天氣時(shí)，早稻和中稻的產(chǎn)量損失隨日平均溫度的變化。由圖可知，早稻各發(fā)育階段受同一持續(xù)日數(shù)(3 d)高溫影響，減產(chǎn)情況也為灌漿期最大，孕穗期最小。中稻在高溫強(qiáng)度小于34℃時(shí)，各發(fā)育階段減產(chǎn)情況與早稻近似，當(dāng)高溫強(qiáng)度達(dá)34℃時(shí)，中稻開花期減產(chǎn)程度開始大于灌漿期，孕穗期減產(chǎn)仍為最小，因此強(qiáng)度較大的高溫對(duì)中稻開花期的影響更為嚴(yán)重。當(dāng)兩個(gè)發(fā)育期同時(shí)遭遇高溫時(shí)，對(duì)于早稻和中稻仍以開花期和灌漿期疊加發(fā)生熱害，產(chǎn)量損失最為嚴(yán)重。在同一持續(xù)日數(shù)高溫影響下，隨著高溫強(qiáng)度的增加，早稻和中稻減產(chǎn)幅度逐漸增大，且各強(qiáng)度高溫影響下的減產(chǎn)率曲線變化趨勢比較接近，波動(dòng)不大。多個(gè)發(fā)育期同時(shí)受高溫脅迫，溫度達(dá)36℃時(shí)，產(chǎn)量損失最為嚴(yán)重，早稻減產(chǎn)可達(dá)29%左右，中稻減產(chǎn)可達(dá)30%左右

圖4 早稻(常德，1997)和中稻(贛榆，1997)各發(fā)育期發(fā)生連續(xù)3 d不同程度高溫時(shí)的減產(chǎn)率

圖5所示為持續(xù)日數(shù)為5 d時(shí)，不同日平均溫度下早稻和中稻的產(chǎn)量損失變化。早稻各發(fā)育階段減產(chǎn)率的變化情況與連續(xù)3 d高溫時(shí)比較近似，對(duì)孕穗期影響最小，灌漿期影響最大。中稻各發(fā)育階段發(fā)生高溫，僅對(duì)孕穗期影響小，開花和灌漿期影響均較大，在溫度小于34℃時(shí)，開花期減產(chǎn)略小于灌漿期，大于34℃時(shí)，灌漿期減產(chǎn)略大于開花期。兩個(gè)發(fā)育期同時(shí)遭遇高溫時(shí)，花期和灌漿期疊加發(fā)生熱害，早稻和中稻產(chǎn)量損失最大。隨著高溫強(qiáng)度的增加，早稻和中稻減產(chǎn)幅度隨之增大。各發(fā)育期同時(shí)受高溫脅迫，當(dāng)高溫達(dá)36℃時(shí)，早稻減產(chǎn)在44%左右，中稻減產(chǎn)在45%左右。

圖5 早稻(常德，1997)和中稻(贛榆，1997)各發(fā)育期發(fā)生連續(xù)5 d不同程度高溫時(shí)的減產(chǎn)率

2.3 同一地點(diǎn)不同時(shí)段高溫對(duì)早稻和中稻產(chǎn)量的影響

圖6所示為贛榆站早稻和中稻在相同生長條件受連續(xù)3 d 35℃高溫影響時(shí)的產(chǎn)量損失情況。當(dāng)孕穗期日平均溫度連續(xù)3 d達(dá)35℃時(shí)，早稻、中稻產(chǎn)量損失均小于5%。當(dāng)抽穗開花期受高溫影響，早稻減產(chǎn)8.5%，中稻減產(chǎn)14.4%。當(dāng)灌漿結(jié)實(shí)期遭遇高溫，早稻和中稻產(chǎn)量受損均為12.1%。由圖中曲線對(duì)比情況可以看出，中稻的抽穗開花期較早稻更易受高溫影響，減產(chǎn)較早稻明顯，其他各發(fā)育階段早稻和中稻減產(chǎn)情況比較接近。當(dāng)三個(gè)發(fā)育期同時(shí)遭遇高溫時(shí)，中稻產(chǎn)量損失要大于早稻。

圖6 早稻和中稻各發(fā)育期連續(xù)3 d 35℃高溫時(shí)的減產(chǎn)率(贛榆，1997)

2.4 長江中下游地區(qū)典型高溫年份水稻高溫?zé)岷臻g分布

根據(jù)前人研究，選取1967、1978、1994以及2003年這幾個(gè)典型的高溫年份。對(duì)這些年份的水稻產(chǎn)量進(jìn)行模擬，根據(jù)減產(chǎn)情況繪制水稻的災(zāi)害等級(jí)分布圖。由于版面所限，本文僅以1994年、2003年兩年為例，對(duì)高溫?zé)岷Φ挠绊戇M(jìn)行分析。

圖7所示為1994年水稻的災(zāi)害等級(jí)分布，高溫對(duì)早稻產(chǎn)量的影響范圍明顯大于中稻。圖7a中，早稻除在長江中下游地區(qū)的湖北南部、湖南和江西北部部分地區(qū)有中度災(zāi)害外，在三省的其余大部分地區(qū)及研究區(qū)域東部的安徽、江蘇、浙江全省均為重度高溫?zé)岷?，產(chǎn)量損失最大達(dá)32%左右。圖7b中，中稻在研究區(qū)域南部的湖南、江西大部分地區(qū)為輕度災(zāi)害或無災(zāi)區(qū)，而在研究區(qū)域北部的湖北、安徽和江蘇全省則主要發(fā)生了重度災(zāi)害，減產(chǎn)最大達(dá)46%。

圖8所示為2003年水稻的災(zāi)害等級(jí)分布，2003年的高溫對(duì)中稻的影響程度明顯大于早稻。圖8a中，早稻受高溫影響減產(chǎn)區(qū)域不大，僅在長江中下游東南部分地區(qū)有減產(chǎn)出現(xiàn)，江西大部主要為輕度災(zāi)害，浙江西部為中度災(zāi)害，而在該省東部地區(qū)則主要為重度高溫災(zāi)害，早稻減產(chǎn)最大可達(dá)31%左右。圖8b中，中稻除在研究區(qū)域北部有小范圍輕度災(zāi)害和無災(zāi)區(qū)域外，整個(gè)南部大部分地區(qū)包括湖北、安徽和江蘇北部大部以及湖南、江西和浙江全省均為重度高溫?zé)岷^(qū)，產(chǎn)量損失最多在55%以上，是所研究的幾個(gè)高溫年中中稻減產(chǎn)最為嚴(yán)重的一年。

由以上各圖可以看出，在典型高溫年份，無論早稻還是中稻產(chǎn)量均受到了高溫天氣較大程度的影響，產(chǎn)量損失最大均達(dá)30%以上，在高溫?zé)岷Φ膮^(qū)域分布中，重度高溫?zé)岷υ诳偟臑?zāi)害分布范圍中分布區(qū)域也較顯著。

圖7 1994年長江中下游地區(qū)早稻(a)和中稻(b)災(zāi)害等級(jí)分布

圖8 2003年長江中下游地區(qū)早稻(a)和中稻(b)災(zāi)害等級(jí)分布

3 結(jié)論與討論

(1)在不同強(qiáng)度和持續(xù)日數(shù)高溫影響下，早稻減產(chǎn)程度依次為灌漿期最大，開花期次之，孕穗期最小;而對(duì)于中稻來說，高溫發(fā)生并不顯著時(shí)，各發(fā)育期產(chǎn)量損失與早稻類似，也為灌漿期最大，孕穗期最小，但當(dāng)高溫強(qiáng)度及持續(xù)日數(shù)達(dá)較高值時(shí)，中稻開花期的產(chǎn)量損失就開始大于灌漿期。說明高溫對(duì)中稻開花期危害更大。

(2)對(duì)于早稻和中稻來說，孕穗期受高溫影響較小，1 d的高溫天氣引起的各發(fā)育期減產(chǎn)幅度均不大。隨著高溫天氣強(qiáng)度和持續(xù)日數(shù)的增加，各發(fā)育階段產(chǎn)量損失相應(yīng)增加。

(3)在高溫?zé)岷Φ湫湍攴荩瑹o論早稻還是中稻產(chǎn)量都有明顯減少，產(chǎn)量損失最高均達(dá)30%以上。在相同高溫年份，中稻的最大減產(chǎn)率值一般要大于早稻。因此總的來說，高溫?zé)岷?duì)中稻產(chǎn)量的不利影響略大于早稻。

(4)本文在模擬高溫?zé)岷?duì)水稻各發(fā)育期的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度達(dá)37℃或是高溫持續(xù)天數(shù)達(dá)7 d開始，模型對(duì)水稻干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的模擬結(jié)果不合常理。如圖9所示，中稻各發(fā)育期遭遇38℃高溫時(shí)，產(chǎn)量損失要小于遭遇37℃高溫影響下的情況。說明WOFOST模型尚不具備對(duì)于極端氣象條件下作物生長發(fā)育進(jìn)行模擬的能力，有待進(jìn)一步對(duì)其改進(jìn)。

圖9 中稻(贛榆，1997)各發(fā)育期發(fā)生連續(xù)7 d不同程度高溫時(shí)的減產(chǎn)率

(5)目前，應(yīng)用WOFOST模型模擬水稻方面的相關(guān)研究較少，模擬過程中未考慮種植制度以及管理措施等的改進(jìn)，簡化了實(shí)際情況，且模型并未很好地考慮水稻的移栽過程。

(6)此外，長江中下游地區(qū)各種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害并非獨(dú)立發(fā)生，可能同時(shí)存在幾種災(zāi)害，有時(shí)各種災(zāi)害彼此相互作用。因此，今后研究單一農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)，應(yīng)該盡量分離其他災(zāi)害的影響，找出各種災(zāi)害的影響權(quán)重。

(7)本研究的主要意義在于提出用作物模型開展災(zāi)害影響評(píng)估的步驟和方法，文中定量的評(píng)估結(jié)論尚待今后進(jìn)一步證實(shí)。

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