安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Ψ植家?guī)律

郭建茂， 李淑婷， 謝曉燕， 吳　越， 王錦杰， 申雙和

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京 210044)

IPCC第五次評估報(bào)告指出，過去百余年來，全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過程，1880—2012年全球地表平均溫度已升高0.85 ℃，未來全球氣候變暖趨勢仍將持續(xù)，21世紀(jì)末全球平均地表溫度在1986—2005年基礎(chǔ)上將升高0.3～4.8 ℃[1-2]。鄭國光指出，全球氣候變暖將導(dǎo)致我國主要糧食作物生產(chǎn)潛力下降、不穩(wěn)定性增加，如果不采取有效措施，到21世紀(jì)后半期，我國主要農(nóng)作物年產(chǎn)量最多下降可達(dá)37%[3]。在全球氣候變暖的背景下，我國水稻主產(chǎn)區(qū)高溫?zé)岷Πl(fā)生的頻次和強(qiáng)度均顯著增加，尤其是長江流域水稻產(chǎn)區(qū)，熱害已嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厮镜陌踩a(chǎn)[4]。

安徽省位于長江中下游地區(qū)，以淮河附近為界進(jìn)行劃分，淮河以北屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，以南屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候[5]。安徽省水稻主產(chǎn)區(qū)分布在沿江、江淮和沿淮地區(qū)，水稻生產(chǎn)雖多種熟制并存，但以種植一季稻為主，并且安徽省是本流域單季中稻的集中產(chǎn)區(qū)之一[4，6]。水稻高溫?zé)岷κ侵腑h(huán)境溫度超過水稻適宜溫度的上限，對水稻的生長發(fā)育造成危害，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低的自然災(zāi)害[7]。水稻對高溫的響應(yīng)在不同的發(fā)育時(shí)期表現(xiàn)不同，營養(yǎng)生長期遇35 ℃高溫，地上部和地下部的生長受到抑制，會發(fā)生葉鞘變白和失綠等癥狀，分蘗減少、株高增加緩慢；生殖生長期受高溫脅迫的影響要遠(yuǎn)大于營養(yǎng)生長期，穗分化期遇35 ℃以上高溫，會降低花藥開裂率及花粉育性而降低結(jié)實(shí)率[8-10]，抽穗開花期為水稻生殖生長最敏感的時(shí)期，高溫?zé)岷ζ溆绊懺谟谧璧K了花粉成熟與花藥開裂，并阻礙花粉在柱頭上發(fā)芽、花粉管伸長，從而影響受精，導(dǎo)致不育[11-12]。安徽省夏季受副熱帶高壓影響，易出現(xiàn)高溫天氣，而高溫?zé)岷λ镜奈：τ善鋸?qiáng)度與持續(xù)日數(shù)決定。前人對高溫?zé)岷r(shí)空分布的研究主要集中在高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)、持續(xù)時(shí)間等方面[13-14]，而對于高溫?zé)岷Πl(fā)生強(qiáng)度時(shí)空變化研究較少。本研究以危害積溫表示高溫?zé)岷?qiáng)度，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法及ArcGIS技術(shù)，通過研究安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)、高溫?zé)岷Πl(fā)生期間高溫天數(shù)、危害熱積溫分布情況，分析安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷r(shí)間和空間分布，并揭示一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Ψ植继卣鳎荚跒榘不帐∫患镜境樗腴_花期高溫?zé)岷︻A(yù)測及防御提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料

研究區(qū)域主要位于安徽省沿淮、江淮及沿江區(qū)域等一季稻主產(chǎn)區(qū)，氣象資料為安徽省江淮流域1960—2014年24個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫、日最低氣溫等，數(shù)據(jù)來源于安徽省氣象局氣候中心及中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。水稻發(fā)育期資料為1980—2007年安徽省江淮流域農(nóng)業(yè)氣象站(滁州市、六安市、壽縣、天長市、五河縣)一季稻全生育期資料，包括分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、乳熟成熟期等，數(shù)據(jù)來源于安徽省氣象局氣象科學(xué)研究所。

線性傾向估計(jì)中傾向值的大小反映變量上升或下降的速率，滑動(dòng)平均擬合相當(dāng)于低通濾波，可以用確定時(shí)間序列的平滑值來顯示變化趨勢[15]。本研究運(yùn)用線性趨勢和5年滑動(dòng)平均分析高溫?zé)岷︻l次、天數(shù)及危害積溫年際趨勢變化，并運(yùn)用Morlet小波分析高溫?zé)岷︻l次周期變化特征；通過反距離權(quán)重法(IDW)對高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)、高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)、危害熱積溫進(jìn)行要素插值，采用ArcGIS分析手段，從時(shí)間和空間分布揭示安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Ψ植继卣鳌?/p>

1.2　研究方法

1.2.1高溫?zé)岷Φ燃墑澐脂F(xiàn)有的長江中下游地區(qū)的水稻研究文獻(xiàn)中，采用日平均氣溫界定高溫?zé)岷χ笜?biāo)的值多有不同，因此本研究采用日最高氣溫≥35 ℃作為研究指標(biāo)，并根據(jù)持續(xù)天數(shù)劃分高溫?zé)岷Φ燃塠16-17]，如表1所示。根據(jù)安徽省江淮流域生育期資料，一季稻抽穗始期最早為7月25日，最晚為9月1日；抽穗末期最早為7月31日，最晚為9月10日。因此，將7月下旬至9月上旬日最高氣溫≥35 ℃連續(xù) 3 d 及以上記為1次一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷^程，分別根據(jù)持續(xù)高溫時(shí)間確定熱害等級。

表1　安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Φ燃壷笜?biāo)

1.2.2危害積溫危害積溫是指作物受高溫危害過程中，逐時(shí)高于臨界溫度的有害溫度累積值。危害積溫綜合考慮了水稻所受熱害持續(xù)時(shí)間和熱害強(qiáng)度，以高溫累積來表征水稻所受到的傷害，被認(rèn)為是作物高溫引起熱害的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)[18]。本研究以危害積溫表示高溫?zé)岷?qiáng)度。1 d內(nèi)危害熱積溫是當(dāng)天每1 h危害積溫的累加。根據(jù)公式(1)、(2)[19]計(jì)算日危害積溫Td(℃)。

(1)

式中：Th表示1 h的溫度(℃)，h=1，2，…，24；Tmin、Tmax分別表示日最低溫度、日最高溫度(℃)。

因此日危害熱積溫Td的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Th>35 ℃，35表示危害積溫閾值(℃)。當(dāng)Th≤35 ℃時(shí)，(Th-35)以0計(jì)。

在分析時(shí)間和周期變化時(shí)，其時(shí)間序列長度為55年，以全省共24個(gè)市(縣)的一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Φ南嚓P(guān)要素年累積或其平均進(jìn)行計(jì)算分析，反映的是安徽省作為一個(gè)整體的情況；而在空間變化時(shí)是以24個(gè)市縣每個(gè)站點(diǎn)55年的累積或平均的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，反映的是各站點(diǎn)之間的空間分布情況。

2　結(jié)果與分析

2.1　時(shí)間變化

2.1.1不同等級高溫?zé)岷Υ螖?shù)變化圖1為1960—2014年安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷鄯e次數(shù)[共24個(gè)市(縣)]年際變化。由圖1-a可知，1960—2014年安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生總次數(shù)表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代之前高溫?zé)岷Πl(fā)生較為頻繁，20世紀(jì)80年代到90年代中期一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)較少，1993年后高溫?zé)岷偞螖?shù)又開始增加。20世紀(jì)80年代之前，輕度高溫?zé)岷Πl(fā)生較為頻繁，20世紀(jì)80年代到90年代中期為近55年來抽穗開花期輕度高溫?zé)岷Πl(fā)生的低值期，1993—2002年為增長期，之后次數(shù)呈下降趨勢(圖1-b)。20世紀(jì)70年代末期至90年代初為中度高溫?zé)岷Φ椭灯冢?000年后呈增長趨勢(圖1-c)。由圖1-d可知，20世紀(jì)90年代之后，重度高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)增加，尤其在進(jìn)入2000年后，出現(xiàn)了幾次嚴(yán)重的水稻高溫?zé)岷Γ?5年來重度高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)總體呈上升趨勢；相比較其他等級，重度高溫?zé)岷ν斐伤撅@著減產(chǎn)。

2.1.2高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)及危害積溫20世紀(jì)80年代之前，安徽省一季稻抽穗開花期年均高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)較多；20世紀(jì)80年代至90年代初為55年來高溫天數(shù)低值期；1997年以來高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)呈極顯著增加趨勢(P<0.01)，傾向率為0.427 d/年，18年間累計(jì)增加天數(shù)7.7 d；55年中，高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)較多的年份有1966年、1967年、1976年、1978年、2003年、2013年，高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)超過55年平均值的有22年，占統(tǒng)計(jì)年份的40%(圖2-a)。20世紀(jì)60年代高溫?zé)岷ξ：Ψe溫累積較大，80年代為危害積溫低值時(shí)期，1999年后，危害積溫呈顯著增長趨勢(P<0.05)，這說明進(jìn)入21世紀(jì)后高溫?zé)岷?qiáng)度增強(qiáng)；危害積溫偏高的年份包括1966年、1967年、2003年、2013年，2013年為55年來的最大值(圖2-b)。

2.1.3年代際變化由圖3可以看出，安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)年代際變化均呈現(xiàn)出“上升-下降-上升”趨勢，而高溫日數(shù)及危害積溫均呈先下降后上升趨勢，三者均在20世紀(jì)80年代達(dá)到最小，這說明20世紀(jì)80年代高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率、天數(shù)及強(qiáng)度均達(dá)到歷史統(tǒng)計(jì)最低時(shí)期。除20世紀(jì)80年代外，高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)均高于55年平均值，并且20世紀(jì)70年代高溫?zé)岷Πl(fā)生最為頻繁(圖3-a)；高溫?zé)岷μ鞌?shù)在20世紀(jì)70年代之前及21世紀(jì)初期均高于55年平均值(圖3-b)；危害積溫值在20世紀(jì)60年代、21世紀(jì)初期均高于55年平均值，并且在進(jìn)入21世紀(jì)后迅速增加(圖3-d)。從圖3明顯可以看出，20世紀(jì)80年代以來，高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率、天數(shù)及強(qiáng)度呈增加趨勢，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，單站點(diǎn)一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)、高溫?zé)岷μ鞌?shù)及危害積溫均高于55年平均值，這說明21世紀(jì)高溫?zé)岷Πl(fā)生更為頻繁。

由圖1、圖2、圖3可以看出，從重度高溫?zé)岷Υ螖?shù)、高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)、熱害危害積溫以及熱害年代際變化，均可以看出21世紀(jì)以來高溫?zé)岷Πl(fā)生更多、更嚴(yán)重，換言之，在全球變暖的氣候背景下極端高溫事件增多，水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生更加頻繁，嚴(yán)重的水稻高溫?zé)岷Ω装l(fā)生，加之其持續(xù)天數(shù)及強(qiáng)度趨勢增加明顯，這對水稻生產(chǎn)乃至糧食安全的影響將會更大。

2.2　周期變化

為了研究安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷χ芷谧兓?，以每?4站高溫?zé)岷Υ螖?shù)平均值構(gòu)成時(shí)間序列數(shù)據(jù)，利用Morlet小波變換進(jìn)行研究，小波分析結(jié)果見圖4。圖4-a中，橫坐標(biāo)表示年份，縱坐標(biāo)表示時(shí)間尺度，虛線表示負(fù)的小波系數(shù)實(shí)部等值線(表示偏少)，實(shí)線表示正的小波系數(shù)實(shí)部等值線(表示偏多)，分界線用標(biāo)有“0”的實(shí)線表示。由圖4-b可知，小波方差存在4個(gè)較為明顯的峰值，分別對應(yīng)準(zhǔn)19、13、9、4年時(shí)間尺度，其中準(zhǔn)13年時(shí)間尺度對應(yīng)的峰值最大，表明其周期振蕩最強(qiáng)，為安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷ψ兓牡谝恢髦芷凇Ｓ蓤D4-a可以看出，13年時(shí)間尺度上周期振蕩明顯，存在6個(gè)偏少中心，7個(gè)偏多中心，并且2014年小波系數(shù)等值線(實(shí)線)未閉合，說明未來在該時(shí)間尺度下一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)將繼續(xù)偏多；準(zhǔn)19年時(shí)間尺度周期振蕩在20世紀(jì)80年代末期之前表現(xiàn)明顯，之后振蕩信號呈減弱趨勢；準(zhǔn)9年時(shí)間尺度周期振蕩在1973年之前以及1987—1996年期間表現(xiàn)明顯，其他時(shí)段振蕩信號比較弱；準(zhǔn)4年時(shí)間尺度在20世紀(jì)80年代之前及2003年之后周期振蕩較為明顯，之間的振蕩信號則比較弱。

2.3　空間變化

2.3.1不同等級高溫?zé)岷︻l次變化由圖5-a可以看出，安徽省一季稻主產(chǎn)區(qū)抽穗開花期各站高溫?zé)岷δ昃植伎傮w表現(xiàn)為北少南多的空間分布格局。高溫?zé)岷傤l次分布由南到北逐漸遞減，南北頻次相差近3.1倍，其中長江以南地區(qū)高溫?zé)岷Πl(fā)生較為頻繁。宣城市高溫?zé)岷Πl(fā)生最為頻繁，安慶市、貴池市、六安市、合肥市及巢湖地區(qū)次之。天長市、五河縣、壽縣年均發(fā)生高溫?zé)岷Υ螖?shù)較其他地區(qū)少。一季稻主產(chǎn)區(qū)抽穗開花期高溫?zé)岷δ甏H傾向率變化為-0.08～0.22次/10年，總體而言傾向率呈現(xiàn)由南向北遞減趨勢，沿江地區(qū)高溫?zé)岷τ性黾于厔?，而沿淮地區(qū)高溫?zé)岷τ邢陆第厔?。?dāng)涂和無為地區(qū)高溫?zé)岷υ黾觾A向率較為明顯，定遠(yuǎn)、潁上、蚌埠地區(qū)較其他區(qū)域下降趨勢較為明顯(圖5-b)。

2.3.2高溫?zé)岷Πl(fā)生天數(shù)及危害積溫由圖6-a知，安徽省一季稻主產(chǎn)區(qū)抽穗開花期高溫?zé)岷鄯e日數(shù)(1960—2014年)總體表現(xiàn)為東南地區(qū)高溫日數(shù)多，東北地區(qū)少，呈現(xiàn)由南向北遞減趨勢。高溫累積日數(shù)變化范圍為176～669 d，高值區(qū)與低值區(qū)相差3.8倍。宣城地區(qū)高溫?zé)岷鄯e日數(shù)高達(dá)669 d，相當(dāng)于平均每年一季稻抽穗開花期期間有12.2 d是高溫天數(shù)。高溫日數(shù)年代際傾向率變化分布表明，無為地區(qū)高溫日數(shù)增加趨勢較為明顯，當(dāng)涂、和縣、天長地區(qū)次之，而蚌埠、六安、定遠(yuǎn)、潁上地區(qū)則為下降趨勢(圖6-b)。

危害積溫也表現(xiàn)為由南向北遞減趨勢，說明高溫?zé)岷?qiáng)度也由南向北降低(圖6-c)。危害積溫高值區(qū)與低值區(qū)相差5.1倍。高值區(qū)主要在宣城、貴池、六安地區(qū)，低值區(qū)主要在壽縣、天長及五河地區(qū)。由圖6-d可以看出，總體而言危害積溫年代際傾向率變化南大北小，沿江地區(qū)高溫?zé)岷?qiáng)度有增加趨勢，無為、和縣、蕪湖、馬鞍山、當(dāng)涂地區(qū)危害積溫增加趨勢較為明顯，說明這些地區(qū)高溫?zé)岷?qiáng)度增加趨勢較為明顯，而蚌埠、潁上地區(qū)高溫?zé)岷?qiáng)度降低較為明顯。

3　結(jié)論與討論

本研究表明，55年來安徽省一季稻主產(chǎn)區(qū)抽穗開花期高溫?zé)岷δ觌H變化表現(xiàn)為1993年后高溫?zé)岷Υ螖?shù)呈增加趨勢，不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)呈現(xiàn)出輕度高溫?zé)岷Πl(fā)生最為頻繁。進(jìn)入21世紀(jì)以來，輕度高溫?zé)岷Πl(fā)生呈下降趨勢，而中度及重度高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)增加。20世紀(jì)80年代以來，安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率、天數(shù)及強(qiáng)度均有所增加，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后高溫?zé)岷Πl(fā)生更為頻繁，高溫?zé)岷μ鞌?shù)增加，高溫?zé)岷?qiáng)度增強(qiáng)較為明顯。安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷Υ嬖?個(gè)時(shí)間尺度的周期變化，分別為準(zhǔn)19、13、9、4年時(shí)間尺度。準(zhǔn)13年時(shí)間尺度周期振蕩最強(qiáng)，為安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷ψ兓牡谝恢髦芷冢⑶以谠摮叨认赂邷責(zé)岷Πl(fā)生次數(shù)將繼續(xù)偏多。安徽省一季稻主產(chǎn)區(qū)抽穗開花期各站年均高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)、55年累積高溫日數(shù)及累積危害積溫總體而言表現(xiàn)為北少南多的空間分布格局，高溫?zé)岷臻g分布具有較明顯的地域性，并且沿江地區(qū)各站年均高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)、累積高溫日數(shù)及累積危害積溫55年來有增加趨勢，沿淮地區(qū)有減少趨勢。

氣候變化背景下，我國近地面氣溫上升是從20世紀(jì)80年代中期開始的，安徽省自20世紀(jì)90年代以來處于偏暖的氣候環(huán)境[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)，安徽省一季稻抽穗開花期高溫?zé)岷︻l次、天數(shù)及高溫?zé)岷?qiáng)度在20世紀(jì)90年代以來均有所增加，這與許多學(xué)者研究結(jié)論[22-23]一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入21世紀(jì)以來，安徽省中度及重度高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)增加，高溫?zé)岷μ鞌?shù)及危害積溫增加趨勢明顯，這說明更嚴(yán)重的水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生更為頻繁，同時(shí)這也反映了區(qū)域變化對氣候變暖的積極響應(yīng)。

本研究還發(fā)現(xiàn)，僅從氣象角度例如以溫度要素展開水稻高溫?zé)岷Φ难芯坎⒉蝗?，還應(yīng)該綜合考慮水稻的作物特性，例如不同品種對高溫的抗性強(qiáng)弱。本研究結(jié)果顯示，2013年研究區(qū)域高溫發(fā)生程度相較2003年更嚴(yán)重，而實(shí)際生產(chǎn)情況中水稻高溫危害卻以2003年的更嚴(yán)重，其中一個(gè)重要原因就是2013年種植的水稻品種對高溫的抗性較強(qiáng)，考慮到近些年高溫日益嚴(yán)重的趨勢，農(nóng)戶在水稻品種上多選擇有較強(qiáng)高溫抗性的品種。不同地區(qū)或相同區(qū)域內(nèi)，水稻高溫?zé)岷χ笜?biāo)標(biāo)準(zhǔn)各異，且多以氣溫作為界定基準(zhǔn)，目前對于以葉溫、危害積溫等為基準(zhǔn)進(jìn)行定量研究水稻高溫?zé)岷ρ芯枯^少，這可能是未來進(jìn)一步研究的方向。

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