湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)分析及區(qū)劃

葉 佩，劉可群，申雙和，劉凱文,4，劉志雄，鄧艷君

（1荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，湖北 荊州 434000；2武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430074；3南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；4長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025）

0 引言

氣候系統(tǒng)的變化已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了普遍影響，導(dǎo)致作物減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)也可能進(jìn)一步增長(zhǎng)，這使得糧食安全生產(chǎn)問(wèn)題面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。而水稻(Oryza sativaL.)作為世界上重要的三大主糧經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物之一，中國(guó)又是世界上最大的生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)，水稻種植面積占世界種植總面積的26.9%，產(chǎn)量占世界稻谷總產(chǎn)量的33.9%[2]。在中國(guó)有65%以上的人口以水稻為主食，水稻的安全生產(chǎn)對(duì)保障中國(guó)糧食安全、促進(jìn)農(nóng)戶增收以及推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著舉足輕重的地位[3]?！昂V熟、天下足”，天下糧倉(cāng)，重在湖北。湖北作為中國(guó)水稻產(chǎn)區(qū)之一，常年種植面積約在213萬(wàn)hm2，播種面積占耕地總面積的一半以上，以一季中稻為主[4]。受盛夏季節(jié)副熱帶高壓及高空環(huán)流條件等因素影響，每年7月下旬—8月，湖北往往會(huì)出現(xiàn)一段高溫期，當(dāng)這段高溫期與一季中稻抽穗開(kāi)花關(guān)鍵期重合時(shí)，將造成該地區(qū)水稻結(jié)實(shí)不良而大幅度減產(chǎn)[5]。20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，在全球氣候變暖的進(jìn)程中常伴隨極端高溫事件的增加[6]，湖北極端高溫呈上升趨勢(shì)且多發(fā)生在一季中稻抽穗揚(yáng)花期[7]，導(dǎo)致穎花不育、籽粒空癟，從而使一季中稻減產(chǎn)愈加嚴(yán)重[8]。如2016年湖北出現(xiàn)了歷史上罕見(jiàn)的持續(xù)高溫天氣誘發(fā)中稻出現(xiàn)大量空殼的現(xiàn)象，74.6%的中稻花期遭遇了不同程度的高溫?zé)岷?，空秕率上升、結(jié)實(shí)率下降明顯[9]，高溫已嚴(yán)重影響湖北中稻安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

目前，已有不少學(xué)者對(duì)湖北水稻高溫?zé)岷﹂_(kāi)展研究，如李守華等[10]研究了江漢平原1954—2003年中稻花期連續(xù)3天和5天持續(xù)高溫天氣發(fā)生頻次及高溫發(fā)生隨時(shí)間變化的分布規(guī)律。萬(wàn)素琴等[11]研究了氣候變化背景下湖北早、中稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布。陳升孛等[12]研究了湖北1951—2010年水稻高溫?zé)岷Φ膭?dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明鄂東部、江漢平原部分地區(qū)水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生趨于頻繁，且除西南部地區(qū)外的湖北省其他地區(qū)水稻高溫?zé)岷ψ畲蟾怕食霈F(xiàn)的時(shí)間均有明顯提前的趨勢(shì)。沙修竹等[13]對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)一季稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與區(qū)劃，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)岷Ω唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)為湖北中南部及東北部。尹朝靜等[14]基于高溫?zé)岷ξ：Ψe溫和高溫持續(xù)日數(shù)研究了湖北2003—2011年水稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空變化特征。高溫主要影響水稻產(chǎn)量的表現(xiàn)為降低結(jié)實(shí)率、增加空癟率，產(chǎn)量構(gòu)成因素可作為表征一季稻花期高溫受害的有效指標(biāo)[15]。現(xiàn)有研究大多以前人研究的高溫閾值[16]反映高溫對(duì)水稻的危害，在氣候變暖的背景以及氣候品種不斷更新的態(tài)勢(shì)下，現(xiàn)有高溫?zé)岷χ笜?biāo)有可能不完全適用表征中稻受高溫影響程度。因此，本研究利用最新氣象數(shù)據(jù)和荊州大田高溫控制試驗(yàn)資料以產(chǎn)量構(gòu)成因素來(lái)構(gòu)建中稻抽穗開(kāi)花期響應(yīng)高溫?zé)岷χ笜?biāo)，進(jìn)而分析中稻高溫?zé)岷r(shí)空變化特征及其風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)。以期為優(yōu)化作物種植布局及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減災(zāi)實(shí)踐提供決策依據(jù)，對(duì)保障糧食生產(chǎn)安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

農(nóng)業(yè)氣象資料選用湖北省1981—2016年18個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站（圖1）中稻抽穗開(kāi)花期觀測(cè)數(shù)據(jù)；氣象資料為湖北省1960—2019年76個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù)，包括最高氣溫、平均氣溫，數(shù)據(jù)來(lái)源于湖北省氣象局氣候檔案室。大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自2016—2017年荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站開(kāi)展的中稻高溫加密觀測(cè)資料，包括中稻抽穗開(kāi)花期的氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)量構(gòu)成因素?cái)?shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)為溫度監(jiān)測(cè)儀(HOBO，UA-002-64)每30 min監(jiān)測(cè)一次的日最高氣溫，產(chǎn)量結(jié)構(gòu)要素為實(shí)粒數(shù)、空粒數(shù)、癟粒數(shù)等要素。

圖1 湖北省18個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站分布

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 研究時(shí)段 由表1可知，7月下旬—8月下旬為湖北中稻抽穗開(kāi)花期，是水稻最易受高溫危害的時(shí)段，因此，本研究將7月21日—8月31日作為中稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)研究時(shí)段。

表1 湖北18個(gè)農(nóng)氣站點(diǎn)中稻抽穗開(kāi)花期

1.2.2 高溫?zé)岷χ笜?biāo) 當(dāng)最高氣溫超過(guò)35℃時(shí)，水稻籽粒受熱害減產(chǎn)顯著，38℃為耐高溫品種臨界閾值，因此本研究將35 ～37℃的高溫劃分為間隔1℃的3個(gè)高溫量級(jí)[17]，通過(guò)探究不同高溫量級(jí)的高溫日數(shù)、高溫危害積溫與構(gòu)成因素的相關(guān)性，確定高溫?zé)岷χ笜?biāo)。高溫日數(shù)為研究時(shí)段連續(xù)3天超過(guò)高溫量級(jí)的天數(shù)，3 ～5、6 ～8天、＞8天分別為輕度、中度、重度水稻熱害指標(biāo)。高溫危害積溫為研究時(shí)段超過(guò)高溫量級(jí)部分的累和，達(dá)到16、32、48℃·d分別為輕度、中度、重度水稻熱害指標(biāo)[18]。高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率為歷年出現(xiàn)高溫的總年數(shù)與參與統(tǒng)計(jì)的總年份之比。

（1）高溫危害積溫。計(jì)算公式如式(1) ～(2)所示。

（2）高溫發(fā)生頻率。計(jì)算公式如式(3)所示。

式中：HDD為高溫危害積溫，DTi是水稻生育期內(nèi)逐日高溫危害積溫，Tmax為逐日最高氣溫，T0為高溫量級(jí)，n為研究時(shí)段水稻生育期總天數(shù)；i為水稻生育期內(nèi)第i天，i=1，2，…，n。P為高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率(%)；n為該站發(fā)生某等級(jí)高溫?zé)岷δ攴?；N為全部總年份。

1.2.3 高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型 采用各站點(diǎn)不同等級(jí)高溫?zé)岷Πl(fā)生強(qiáng)度和頻率建立高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，如式(4)所示。

式中，G表示高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)；n表示不同等級(jí)高溫?zé)岷?，n=1，2，3分別代表輕度、中度及重度高溫?zé)岷?；Wi表示不同等級(jí)高溫?zé)岷?quán)重；輕度的權(quán)重為0.1，中度為0.2，重度為0.3；Pi表示研究時(shí)段不同等級(jí)高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫?zé)岷χ笜?biāo)

中稻產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)高溫程度的響應(yīng)。圖2為2016—2017年中稻產(chǎn)量構(gòu)成因素（結(jié)實(shí)率、空殼率和空秕率）對(duì)高溫危害程度的響應(yīng)，由可見(jiàn)，高溫日數(shù)和高溫危害積溫均與結(jié)實(shí)率呈顯著線性負(fù)相關(guān)，與空殼率和秕谷率呈線性正相關(guān)，且均通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)；高溫日數(shù)和高溫危害積溫與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性大小為結(jié)實(shí)率＞空殼率＞空秕率；高溫危害積溫與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性較高溫日數(shù)更好；≥35℃量級(jí)高溫積溫危害與結(jié)實(shí)率相關(guān)性最好。其中，高溫日數(shù)與結(jié)實(shí)率、空殼率、空秕率的相關(guān)性較好的高溫量級(jí)均為36℃，其相關(guān)系數(shù)分別為0.71、0.62、0.62；而高溫危害積溫與結(jié)實(shí)率、空殼率、空秕率相關(guān)較好的高溫量級(jí)均為35℃，其相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.87、0.43，這在一定程度上說(shuō)明高溫日數(shù)在定量分析水稻受高溫影響程度方面有所限制，高溫危害積溫同時(shí)包含水稻強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間累積過(guò)程的特征，能較好定量地描述高溫?zé)岷τ绊懗潭取?/p>

圖2 高溫日數(shù)、高溫危害積溫與中稻產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)性

2.2 高溫?zé)岷?qiáng)度

2.2.1 高溫危害積溫年代際變化 由圖3a可知，1960—2019年來(lái)，湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫危害積溫呈先降后升的年代性變化，20世紀(jì)60年代偏強(qiáng)，自70年代開(kāi)始減小，在80年代降至最低，高溫危害積溫為8.24℃·d，從90年代中后期高溫危害積溫開(kāi)始上升，進(jìn)入21世紀(jì)后迅速增加，21世紀(jì)10年代明顯高于60年平均值，且達(dá)到歷史極值29.31℃·d。湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫危害積溫年際變化大，1966、2003、2013、2016、2019年高溫危害積溫值偏高，其中2013年最大，達(dá)55.57℃·d，達(dá)到重度高溫?zé)岷Πl(fā)生標(biāo)準(zhǔn)；而1965、1982、1984、1987、1993年高溫危害積溫值偏低，其中1993年最小，僅為1.21℃·d，未達(dá)到高溫?zé)岷Πl(fā)生標(biāo)準(zhǔn)。1960—2019年湖北中稻花期高溫危害積溫整體上呈上升趨勢(shì)(P＜0.05)，氣候傾向率為0.15(℃·d)/a（圖3b），這種上升趨勢(shì)很可能持續(xù)到未來(lái)，開(kāi)展未來(lái)氣候變化背景下的水稻高溫?zé)岷ρ芯渴钟斜匾?/p>

圖3 1960—2019年湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫危害積溫年代(a)、年際(b)變化

2.2.2 高溫危害積溫及傾向率空間分布 由圖4a可見(jiàn)，1960—1989年湖北中稻花期高溫危害積溫空間分布總體表現(xiàn)為東西部高、中部低，高值區(qū)主要在山峽河谷巴東、興山、秭歸和鄂東南赤壁、通山等地，最高值達(dá)到57.84℃·d，位于興山；低值區(qū)主要位于江漢平原大部地區(qū)和鄂西南中高山等地（五峰、來(lái)鳳、建始），最小值為0.01℃·d，位于利川，其余各縣市為中值區(qū)。由圖4b可以看出，1960—1989年高溫危害積溫年代際傾向率變化鄂西大、中東部小，湖北地區(qū)高溫危害積溫整體上呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，平均遞減率為4.3(℃·d)/10 a(P＜0.01)，其中鄂西北鄖縣、老河口、谷城和鄂西南巴東、秭歸、興山、當(dāng)陽(yáng)等地遞減趨勢(shì)較為明顯，遞減率為10(℃·d)/10 a；江漢平原大部（洪湖、監(jiān)利、公安、松滋）和鄂東大部（云夢(mèng)、應(yīng)城、孝感、黃梅）等地有微小遞減趨勢(shì)，遞減率僅為0.1(℃·d)/10 a，1960—1989年湖北各地區(qū)中稻高溫?zé)岷τ兴徑狻?/p>

圖4 1960—1989年湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫危害積溫(a)及氣候傾向率(b)的空間分布

1990—2019年高溫危害積溫較1960—1989年在空間分布整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（圖5a），由圖5b可知，其年代際傾向率達(dá)到7.05(℃·d)/10 a(P＜0.01)，高于前30年遞減速率，其中鄂東南的崇陽(yáng)、蘄春、陽(yáng)新等站點(diǎn)增幅較為顯著，高溫危害積溫均值分別增加了11.57、15.33、11.1℃·d；其次為鄂東北的安陸、應(yīng)城等站點(diǎn)，分別增加了7.44、6.6℃·d；江漢平原和鄂西南大部增幅較小，京山、棗陽(yáng)和長(zhǎng)陽(yáng)等站分別增加了1.57、2.43、2.96℃·d，1990—2019年湖北各地區(qū)中稻高溫?zé)岷τ兴又亍?/p>

圖5 1990—2019年湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫危害積溫(a)及氣候傾向率(b)的空間分布

2.3 高溫?zé)岷︻l率

由圖6可見(jiàn)，高溫?zé)岷︻l發(fā)區(qū)集中在鄂東南、鄂東北，其次為鄂西南、鄂西北，江漢平原發(fā)生頻率較低，高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率為輕度＞中度＞重度，輕、中、重度和全部高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率具有較好的一致性。1990—2019年中稻高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率及區(qū)域分布較1960—1989年均呈增加的趨勢(shì)，發(fā)展方向由鄂西向江漢平原和鄂東地區(qū)，其中鄂東南和鄂東北頻率增幅最大，輕、中、重、全部高溫?zé)岷︻l率增幅分別為5.4%、6.5%、8.7%、20.7%和7.6%、6.0%、9.8%、18.3%；其次為江漢平原和鄂西南，輕、中、重、全部高溫?zé)岷︻l率增幅分別為和11.2%、4.3%、1.0%、16.4%和9.0%、3.3%、1.0%、13.3%；鄂西北增幅最小，輕、中、重、全部高溫?zé)岷︻l率增幅分別為1.6%、1.6%、0.2%、3.3%。其中鄂東南和鄂東北高溫?zé)岷︻l率增幅主要以中度和重度為主，江漢平原和鄂西南地區(qū)高溫?zé)岷︻l率增幅主要以輕度為主，鄂西北高溫?zé)岷︻l率增幅較小。

圖6 1960—1989年和1990—2019年湖北中稻抽穗開(kāi)花期不同等級(jí)高溫?zé)岷︻l率空間分布

2.4 高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由圖7可知，1960—1989年和1990—2019年中稻花期高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)均呈現(xiàn)東西高、中部低的趨勢(shì)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為鄂西北部、長(zhǎng)江三峽河谷以及鄂東一帶，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為鄂西南中高山及江漢平原大部。其中1960—1989年高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為鄂西北部、三峽河谷以及鄂東南部，其風(fēng)險(xiǎn)值均超過(guò)0.12，尤以鄂西南地區(qū)的巴東—興山一帶最為嚴(yán)峻，其風(fēng)險(xiǎn)值均大于0.2。受地形及氣候差異影響，低危險(xiǎn)區(qū)位于鄂西南中高山及江漢平原大部，其中，建始、五峰、來(lái)鳳、利川、咸豐及公安等地高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)為0（圖7a）。與1960—1989年相比，1990—2019年中稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在空間分布上范圍廣、強(qiáng)度大的特點(diǎn)（圖7b）。以危險(xiǎn)性大于0.12為例，地區(qū)范圍由鄂西、鄂西南一帶擴(kuò)大到鄂東、鄂西大部。各地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)程度均有不同幅度的增加，江漢平原、鄂西南一帶由低值區(qū)增至中值區(qū)；鄂東大部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)超過(guò)0.12，鄂東地區(qū)高溫?zé)岷?yán)重危害中稻的安全生產(chǎn)，這與其高溫危害積溫及其氣候傾向率增加有關(guān)。

圖7 1960—1989年(a)、1990—2019年(b)湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

高溫主要影響水稻結(jié)實(shí)率[19]，從而使水稻減產(chǎn)嚴(yán)重，本研究以中稻產(chǎn)量構(gòu)成因素（結(jié)實(shí)率）受災(zāi)角度確定的高溫?zé)岷χ笜?biāo)，區(qū)別于前人研究的溫度閾值指標(biāo)，同時(shí)也更具有代表性，將1960—1989年和1990—2019年高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)變化進(jìn)行對(duì)比分析，較好的反映了湖北各地區(qū)中稻高溫?zé)岷δ觌H變化和空間分布變化的特征，得到了研究結(jié)果如下。

（1）≥35℃高溫危害積溫與結(jié)實(shí)率的負(fù)相關(guān)性較高溫日數(shù)更好，采用高溫危害積溫指標(biāo)來(lái)表征中稻高溫?zé)岷?qiáng)度更好。

（2）1960—2019年湖北中稻花期高溫?zé)岷?qiáng)度自20世紀(jì)70年代開(kāi)始減小，在80年代降至最低，高溫從90年代中后期開(kāi)始上升，進(jìn)入21世紀(jì)后迅速增加，高溫?zé)岷Τ尸F(xiàn)頻率增高、強(qiáng)度加大、范圍更廣的特點(diǎn)，在空間上以鄂東地區(qū)的強(qiáng)度、頻率增幅最大，江漢平原和鄂西南次之，鄂西北增幅最小，這種趨勢(shì)在氣候變暖背景下很可能持續(xù)到未來(lái)。

（3）高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為鄂西北部、長(zhǎng)江三峽河谷以及鄂東一帶為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率增幅以中度和重度為主；鄂西南中高山及江漢平原大部地區(qū)為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率增幅以輕度為主，其余為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。1990—2019年中稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)較1960—1989年有進(jìn)一步加強(qiáng)的趨勢(shì)。

3.2 討論

研究表明湖北中稻抽穗開(kāi)花期高溫危害積溫及其氣候傾向率在2000年以后較高，這與湖北地區(qū)自20世紀(jì)90年代以來(lái)氣溫處于偏暖的氣候環(huán)境[20]相一致，氣候變暖背景下，湖北中稻受高溫?zé)岷⑷遮厙?yán)重，對(duì)未來(lái)中稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究非常有必要；對(duì)于兩個(gè)時(shí)段中稻的高溫?zé)岷o(wú)論從受災(zāi)范圍或受災(zāi)程度，都是1990—2019年要比1960—1989年嚴(yán)重。表明進(jìn)入21世紀(jì)后，中稻受高溫?zé)岷τ绊憞?yán)重，這也反應(yīng)湖北中稻對(duì)于氣候變暖的響應(yīng)。

受不同地區(qū)氣候條件、地形差異等影響，中稻花期高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)空間分布有很大的差異，其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為鄂西北部、長(zhǎng)江三峽河谷以及鄂東一帶；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為鄂西南中高山及江漢平原大部地區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要與其高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率以中度、重度增加有關(guān)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要與高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率以輕度為主有關(guān)。這與李守華、陳升孛等研究有一些差異性，說(shuō)明隨著氣候變化、氣象資料更新以及研究中稻響應(yīng)熱害指標(biāo)不同，湖北中稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)發(fā)生了一定的變化。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，不利于中稻的安全種植，需要調(diào)整其種植布局[21]；通過(guò)調(diào)整播期和移栽的方式[22]，可使中稻花期避開(kāi)高溫頻發(fā)期；篩選培育抗高溫品種[23]，提高中稻抗逆性；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)且水資源充沛區(qū)可適宜擴(kuò)大中稻的種植面積，充分發(fā)揮其主糧作物優(yōu)勢(shì)，保障糧食生產(chǎn)安全。