低緯高原水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)及其時(shí)空變化規(guī)律研究

胡雪瓊 劉文英 何雨芩

摘要 針對(duì)云南水稻抽揚(yáng)期低溫冷害，結(jié)合云南氣候特點(diǎn)，采用氣象數(shù)據(jù)、空殼率數(shù)據(jù)，應(yīng)用相關(guān)分析及抽象模擬等方法，確定云南低緯高原地區(qū)水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)，并應(yīng)用該指標(biāo)分析云南水稻抽揚(yáng)期低溫冷害時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明，日最高氣溫<24 ?℃ 3 d 以上，即可能發(fā)生水稻抽揚(yáng)期低溫冷害。滇西北中北部、滇東北中南部低溫冷害頻率發(fā)生頻繁，每10年達(dá)14次以上，基本上每年都會(huì)發(fā)生低溫冷害;滇西南南部低溫冷害發(fā)生頻率較低，每10年在2次以下，其余地區(qū)每10年發(fā)生2～8次低溫冷害。從年代際特征來看，低溫冷害變化規(guī)律明顯，總體呈減弱趨勢(shì)，其中20世紀(jì)70年代、90年代較重，2000年后低溫冷害頻率大幅下降。

關(guān)鍵詞 水稻;抽揚(yáng)期;低溫冷害;指標(biāo);時(shí)空分布;低緯高原地區(qū)

中圖分類號(hào) S 162.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）12-0218-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.061

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract For the chilling damage of rice during heading and flowering period in Yunnan， combined with the characteristics of Yunnan climate， meteorological data and shell rate data of rice were adopted to establish the chilling damage index of rice in Yunnan by correlation analysis and abstract simulation， etc.， the temporal and spatial distribution of rice chilling injury in Yunnan during heading and flowering period was analyzed.The results showed the daily maximum temperature was less than 24 °C for more than 3 days， which may cause chilling damage during heading and flowering period of rice.The frequency of chilling damage in the northcentral of northwest Yunnan and southcentral of northeast Yunnan was frequent，it reached 14 times per 10 years， and basically， chilling damage occurred every year.The chilling damage occurred less in south of southwest Yunnan ， which occurred less than 2 times every 10 years.The rest of the region had two to eight times every 10 years.From the interdecadal characteristics， the chilling damage changed obviously， and the overall trend was decreasing.The 1970s and 1990s were heavier， and the chilling damage was greatly reduced after 2000.

Key words Rice;Heading and flowering period;Chilling damage;Index;Spatial and temporal distribution;Lowlatitude plateau area

云南水稻種植面積106.7萬hm2以上，稻谷總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的4～5成，水稻種植在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)是糧食安全、經(jīng)濟(jì)繁榮、民族穩(wěn)定的根本保障。云南地處低緯高原，地勢(shì)北高南低，境內(nèi)海拔差異大，最高海拔6 740 m、最低海拔76 m，平均海拔在1 000 m以上，94%為山地，海拔2 700 m以下均有水稻種植。低緯高原夏天熱量強(qiáng)度低，例如昆明最熱月平均氣溫只有20.0 ℃左右，一旦冷空氣南下，就容易造成低溫冷害，尤其7月下旬—8 月下旬，云南大部水稻進(jìn)入抽穗—揚(yáng)花期，對(duì)氣溫比較敏感，低溫會(huì)抑制或延遲水稻開花，使開花速度減慢，花期拉長(zhǎng)，降低開花率，甚至引起穎花不育，空殼率倍增，對(duì)水稻危害極大，稱為“夏季低溫”或“八月低溫”。云南省出現(xiàn)大范圍 8 月低溫的年份是1955、1965、1966、1971、1972、1974、1977、1983、1988、1993、1998、1999、2002、2005年，這些年份由于8 月低溫的影響，均造成云南各地當(dāng)年水稻產(chǎn)量不同程度的減產(chǎn)。

在氣候變化的大背景下，雖然以全球溫度升高為基本特征，但是氣候變化引起大氣環(huán)流特征的變化，加劇了極端天氣氣候?yàn)?zāi)害的發(fā)生，進(jìn)入21世紀(jì)以后，高原山地稻區(qū)盛夏仍可能頻繁出現(xiàn)低溫冷害，即使典型氣溫偏高年仍然不能避免強(qiáng)降溫和嚴(yán)重低溫冷害。云南在2002、2005年發(fā)生了較嚴(yán)重的盛夏低溫冷害，2002年云南水稻單產(chǎn)減產(chǎn)達(dá)7%，即使大旱的2009—2012年為夏季熱量較好的年份，盛夏季節(jié)仍有不同程度的低溫冷害發(fā)生。

關(guān)于水稻低溫冷害，國(guó)內(nèi)外曾進(jìn)行了大量的研究，但分析評(píng)估主要集中于東北地區(qū)[1-7]。水稻穗花期低溫冷害，國(guó)內(nèi)外已有大量研究成果[8-17]，研究表明，水稻穗花期如遭受異常低溫，會(huì)使其花器的生理機(jī)能受到抑制或破壞，造成障礙型冷害，導(dǎo)致穎花不育，形成大量空殼而嚴(yán)重減產(chǎn)。水稻在揚(yáng)花期有閉穎3 d的耐寒特性，故大部分文獻(xiàn)資料和研究成果都把連續(xù)3 d或以上的低溫作為受害的時(shí)限，我國(guó)大部分稻區(qū)把連續(xù)3 d日平均氣溫≤20～22 ℃作為秈稻受害指標(biāo);粳稻受害指標(biāo)一般低于秈稻2 ℃即連續(xù)3 d、日平均氣溫≤18～20 ℃作為粳稻受害指標(biāo)[18-21]，因氣候生態(tài)環(huán)境不同，水稻對(duì)低溫冷害的反應(yīng)（指標(biāo)）各異，同時(shí)在不同的生產(chǎn)條件和技術(shù)水平下，冷害指標(biāo)也有相應(yīng)變化。有的學(xué)者基于負(fù)積溫建立了水稻抽穗開花期的低溫冷害指標(biāo)[22]，也有學(xué)者認(rèn)為最高氣溫對(duì)于抽穗開花期的水稻低溫具有較好的指示性[23]。對(duì)于云南地區(qū)，前人也開展了一些水稻低溫冷害的探索性研究[24-25]，指出云南氣溫冷害問題上的特殊性，但均無系統(tǒng)的成果。筆者結(jié)合云南氣候特點(diǎn)，利用氣象數(shù)據(jù)和空殼率數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析及抽象模擬等方法，對(duì)云南水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)及其時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 資料與方法

1.1 低緯高原地方性氣候

云南與同緯度稻區(qū)相比，夏季熱量劣勢(shì)明顯（表1）。云南地處低緯高原，夏季日平均氣溫較低，但日照強(qiáng)烈、白天最高氣溫高、日較差大。日最高氣溫可以表征水稻一天之中的光溫生態(tài)，晴好的天氣日最高氣溫較高，多云或陰雨的天氣日最高氣溫偏低，水稻葉溫在晴天比其周圍的氣溫高5～6 ℃，多云天高2 ℃，陰天則葉溫與氣溫差別不大[26]，而葉溫決定了水稻的光合作用速率及受低溫影響的程度，相同的平均氣溫，若白天日照不同，可能導(dǎo)致日最高氣溫不同、葉溫不同，水稻花期受到的低溫影響也是不同的。云南在日平均氣溫較低的情況下仍然能種植水稻，尤其北部地區(qū)昭通市、曲靖市、大理市、麗江市等大部地區(qū)7—8月平均氣溫不足20.0 ℃，麗江甚至大部地區(qū)8月平均氣溫僅有17.5～18.5 ℃，而8月正值北部地區(qū)水稻抽穗開花期，顯然連續(xù)3 d平均氣溫≤18～20 ℃ 并不適用于云南的粳稻種植區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)選取 以云南1961—2010年125個(gè)氣象臺(tái)站逐日平均氣溫、逐日日照時(shí)數(shù)、逐日最高氣溫?cái)?shù)據(jù)和1981—2010年云南16個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的水稻生育期數(shù)據(jù)、空殼率觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)及低溫冷害時(shí)空發(fā)布規(guī)律。

1.3 研究方法 基于農(nóng)氣觀測(cè)數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析法和抽象模擬分析法探索云南盛夏水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)。

1.3.1 相關(guān)分析法。

1.3.1.1 基本原理。捕捉抽穗揚(yáng)花期內(nèi)各個(gè)低溫過程，并統(tǒng)計(jì)低溫過程中相關(guān)氣象要素，分析低溫過程各氣象要素與空殼率的相關(guān)關(guān)系，尋找空殼率形成的關(guān)鍵氣象因子，確立低溫冷害指標(biāo)。

1.3.1.2 具體方法。計(jì)算時(shí)，某個(gè)氣溫要素低于臨界值即為一個(gè)低溫過程。統(tǒng)計(jì)水稻抽穗揚(yáng)花期內(nèi)發(fā)生的低溫過程的氣象要素。最高氣溫臨界值從20～30 ℃每隔1 ℃分別計(jì)算。

1.3.1.3 統(tǒng)計(jì)氣象要素。各站各年抽穗開花時(shí)段內(nèi)發(fā)生的所有低溫天氣過程的以下氣象要素：過程平均氣溫、過程平均日照、過程平均最高氣溫、過程天數(shù)、日平均氣溫谷值、日最高氣溫谷值、日照谷值、日照<2 h日數(shù)、負(fù)積溫（氣溫低于最高氣溫臨界值）、日照<2 h的負(fù)積溫。負(fù)積溫按下式計(jì)算：

tsum=ni=1（tmi-tmc）（1）

式中，tsum為負(fù)積溫;tmi為某日最高氣溫;tmc為最高氣溫指標(biāo)，取20、21、22、…、30;n為低溫過程天數(shù)。

對(duì)統(tǒng)計(jì)的低溫過程氣象要素及空殼率進(jìn)行相關(guān)分析，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小確定關(guān)鍵氣象因子，進(jìn)而進(jìn)一步確定低溫災(zāi)害指標(biāo)。

1.3.2 抽象模擬分析法。

農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)基層人員素質(zhì)參差不齊，空殼率統(tǒng)計(jì)、生育期觀測(cè)等受人為因素影響較大，而低溫發(fā)生在水稻抽穗揚(yáng)花期內(nèi)的不同階段，水稻開花比例不同，對(duì)水稻空秕粒的影響是不一致的，為降低人為觀測(cè)誤差，更科學(xué)地分析空殼率的關(guān)鍵氣象因子，該研究對(duì)水稻抽穗開花過程進(jìn)行抽象模擬，再提取、處理低溫過程氣象要素，與空殼率進(jìn)行相關(guān)分析，尋找最優(yōu)指標(biāo)。

根據(jù)云南省農(nóng)業(yè)氣象站觀測(cè)資料及專家意見，粳稻抽穗開花低溫敏感期為15 d，秈稻抽穗開花低溫敏感期為11 d，每天開花的水稻稻穎數(shù)量不同，處于低溫敏感期的稻穎數(shù)量呈現(xiàn)一個(gè)先增再減的正態(tài)分布形式，參考馬樹慶等[27]的研究成果，結(jié)合云南省實(shí)際，采用圖1的曲線表示粳稻及秈稻處于開花低溫敏感期的稻穎比例隨時(shí)間的變化。

每天處于低溫敏感期的水稻稻穎數(shù)量比例服從正態(tài)分布：

f（x）=12πσe-（x-μ）22σ2（2）

式中，σ為均方差，μ為平均值。其中11 d抽穗開花期時(shí)，平均值取6，均方差取2;15 d抽穗開花期時(shí)，平均值取8，均方差取2。

某一天相同的低溫強(qiáng)度，但處于低溫敏感期的水稻稻穎數(shù)量不一樣，最后造成的空殼率是不一樣的，低溫時(shí)處于低溫敏感期的水稻稻穎數(shù)量越多，造成的空殼率越高。因此采用每日水稻稻穎低溫敏感百分率（表2）作為權(quán)重，對(duì)每日的低溫負(fù)積溫進(jìn)行處理：

at=ni=1pi×（tmi-tmc）（3）

式中，at為處理后負(fù)積溫;tmi 為某日最高氣溫;tmc為最高氣溫指標(biāo)，取20，21，22，…，30;pi為該日水稻稻穎低溫敏感百分率（%）;n為低溫過程天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)的確定

2.1.1 相關(guān)分析。

從空殼率與低溫過程的各氣象要素相關(guān)性（表3）來看，空殼率與負(fù)積溫（指低于某個(gè)最高溫度的負(fù)積溫）相關(guān)系數(shù)最高，平均相關(guān)系數(shù)為-0.522，最大相關(guān)系數(shù)-0.553為最高氣溫取27 ℃時(shí)的負(fù)積溫，空殼率與負(fù)積溫的相關(guān)系數(shù)隨著最高氣溫指標(biāo)的升高呈現(xiàn)一個(gè)先增后減的態(tài)勢(shì)（圖2），比較符合常理，因此負(fù)積溫應(yīng)該是一個(gè)較好的指標(biāo)，但僅憑相關(guān)系數(shù)來判斷最佳最高氣溫指標(biāo)有一定的不科學(xué)性，還需考慮其他因素，因?yàn)閺谋?來看，最高氣溫取不同值時(shí)，空殼率與低于各最高氣溫的負(fù)積溫相關(guān)系數(shù)差別很微?。?0.453～-0.553）。

低溫持續(xù)天數(shù)對(duì)于空殼率有重要影響，根據(jù)相關(guān)研究，水稻具有閉花屬性，3 d以上的低溫才會(huì)對(duì)水稻開花結(jié)實(shí)有影響，而目前一般將20%的空殼率作為水稻低溫冷害的達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，因此確定低溫冷害指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)為：最高氣溫低于某臨界值3 d以上，且出現(xiàn)20%左右的空殼率，則該臨界值為低溫冷害指標(biāo)?？疾熳罡邭鉁厝〔煌R界值時(shí)，低溫持續(xù)天數(shù)與空殼率的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在最高氣溫為20、21、22、23、24、25、26、27 ℃時(shí)，達(dá)20%空殼率所需的過程天數(shù)分別為1.1、1.5、2.2、3.3、4.8、7.0、10.0和13.5 d，可見23 ℃為水稻低溫冷害的最佳最高氣溫指標(biāo)，即最高氣溫低于23.0 ℃ 3 d以上，將出現(xiàn)水稻低溫冷害，空殼率可達(dá)20%左右。

2.1.2 抽象模擬方法及結(jié)果。從抽象模擬后的相關(guān)分析（表4）來看，空殼率與低溫過程的各氣象要素相關(guān)性負(fù)積溫明顯偏高，空殼率與負(fù)積溫平均相關(guān)系數(shù)為-0.500，最大相關(guān)系數(shù)-0.518為最高氣溫取25和23 ℃時(shí)的負(fù)積溫，空殼率與負(fù)積溫相關(guān)系數(shù)在23～25 ℃并無大的差別;考察最高氣溫取不同臨界值時(shí)低溫持續(xù)天數(shù)與空殼率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在最高氣溫為20、21、22、23、24、25、26、27、28 ℃時(shí)，達(dá)20%空殼率所需的過程天數(shù)分別為0.7、1.0、1.4、2.1、3.1、4.4、6.3、8.3和10.4 d，可見這3個(gè)指標(biāo)也較符合常理，24 ℃為最佳指標(biāo)，其3 d以上低溫過程的負(fù)積溫對(duì)水稻空殼率具有較好的指示性。

2.2 水稻盛夏低溫冷害時(shí)空分布規(guī)律研究

根據(jù)水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)1961—2010年水稻抽揚(yáng)期7—8月各年代各縣不同時(shí)段低溫冷害發(fā)生的頻率、負(fù)積溫等冷害指標(biāo)，以揭示云南水稻盛夏低溫冷害時(shí)空分布規(guī)律。

2.2.1 低溫冷害負(fù)積溫時(shí)空變化規(guī)律。

統(tǒng)計(jì)云南各站點(diǎn)各年7—8月最高氣溫低于24 ℃ 3 d以上過程的負(fù)積溫情況，分年代分析，在ArcGIS中采用反比距離插值法對(duì)各年代的負(fù)積溫繪制色斑圖（圖3）。結(jié)果顯示，云南省7—8月3 d以上低溫過程低于24 ℃負(fù)積溫南部年均在-20 ℃·d以下，滇中、滇東北大部為-40～-10 ℃·d，滇西北負(fù)積溫最多，滇西北北部達(dá)到年均-60 ℃·d以上。

從年代際變化來看，1961—2010年云南省各年代負(fù)積溫變化南部區(qū)域變化最大，南部負(fù)積溫不斷減少，2001—2010年大部不足年均-10 ℃·d。滇西北區(qū)域在各個(gè)年代負(fù)積溫變化并不明顯，在2001—2010年有明顯的減弱趨勢(shì)。滇中及以東區(qū)域則在20世紀(jì)70年代、90年代有明顯的負(fù)積溫增加趨勢(shì)，顯示冷害加重發(fā)生。

2.2.2 低溫冷害頻率時(shí)空變化規(guī)律。

為便于直觀，統(tǒng)計(jì)分析云南各站點(diǎn)各年7—8月最高氣溫低于24 ℃ 3 d以上過程的頻率情況，并繪制各年代低溫頻率分布圖。由圖4可見，云南省7—8月3 d以上最高氣溫低于24 ℃的低溫頻率各地差異較大，分布特征總體呈現(xiàn)兩高一低的特點(diǎn)，即滇西北中北部、滇東北中南部低溫冷害頻率發(fā)生較高，每10年達(dá)14次以上 ，基本上每年都會(huì)發(fā)生低溫冷害;滇西南南部低溫冷害發(fā)生頻率較低，每10年在2次以下。其余地區(qū)大部每10年發(fā)生2～8次低溫冷害。

從年代際特征來看，20世紀(jì)60—70年代各地低溫頻率變化不大;80年代北部低溫頻率有所減輕;90年代北部低溫頻率有所增加，高頻率范圍也有所擴(kuò)展，同時(shí)南部低溫頻率減輕，呈現(xiàn)兩極分化;2000年后低溫冷害頻率大幅下降，北部高頻率范圍縮減，尤其滇東北區(qū)域縮減較大，同時(shí)南部無冷害區(qū)域面積增加較大。

2.2.3 云南各地州代表站點(diǎn)低溫冷害統(tǒng)計(jì)。從云南各地州低溫代表站點(diǎn)低溫冷害統(tǒng)計(jì)值（表5）來看，低溫過程負(fù)積溫西北部的香格里拉、麗江最多，均在-1 000 ℃·d以下，其余絕大部地區(qū)站點(diǎn)均在-500 ℃·d以上;麗江低溫頻率居全省之首，中東部次之，南部最少，代表站點(diǎn)也反映出在20世紀(jì)70、90年代低溫頻率較高，其余年代偏低的變化趨勢(shì)（圖5）。

2.2.4 云南各地州代表站點(diǎn)盛夏低溫冷害逐旬變化。

從表6可以看出，中北部低溫頻率7—8月各旬均為每10年2～3遇，滇西北頻率偏高，達(dá)每10年3～6遇;9月則均上升為每10年5～6遇。云南省各地低溫頻率在水稻抽揚(yáng)期前后的7—8月隨時(shí)間沒有明顯的增多趨勢(shì)，7—8月并沒有明顯的區(qū)別，可能與云南7月處于主汛期、多雨天氣主導(dǎo)（7月全省平均雨量221 mm）、高溫不足有關(guān)，8月降雨量逐漸減少（8月全省平均雨量193 mm），多晴好天氣，因而7—8月并沒有明顯的低溫增多趨勢(shì)，自8月下旬起，低溫頻率有增加趨勢(shì)，尤其到9月中下旬，低溫頻率急劇增加，因而生產(chǎn)上保證水稻在8月中旬以前完成抽穗揚(yáng)花過程，則能避開低溫冷害高頻率時(shí)期，減輕抽揚(yáng)期低溫冷害，尤其中北部及以東地區(qū)更為明顯。

3 結(jié)論與討論

（1）針對(duì)云南水稻抽揚(yáng)期低溫冷害，結(jié)合云南氣候特點(diǎn)，采用氣象數(shù)據(jù)、空殼率數(shù)據(jù)，應(yīng)用相關(guān)分析、抽象模擬等方法，確立云南低緯高原地區(qū)水稻抽揚(yáng)期低溫冷害指標(biāo)為日最高氣溫小于24 ℃ 3 d以上。

（2）云南水稻抽揚(yáng)期低溫冷害時(shí)空分布呈現(xiàn)以下特征：滇西北中北部、滇東北中南部低溫冷害發(fā)生較頻繁，每10年達(dá)14次以上，基本上每年都會(huì)發(fā)生低溫冷害;滇西南南部低溫冷害發(fā)生頻率較低，每10年在2次以下，其余地區(qū)大部每10年發(fā)生2～8次低溫冷害。從年代際特征來看，低溫冷害變化明顯，總體呈減弱趨勢(shì)，其中20世紀(jì)70年代、90年代較重，2000年后低溫冷害大幅下降。

（3）該研究低溫冷害指標(biāo)在云南地區(qū)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮局地小氣候特征做進(jìn)一步修正。因南部低溫頻率較低，文中未做深入探討。

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