水稻高溫熱害指數(shù)研究
——以肇慶市為例

章文鑫，范梓豪

（1.肇慶市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東 肇慶 526000；2.肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全球約50%的人口將水稻作為主糧，水稻是中國2/3的人口的主糧，所以水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)在確保世界糧食安全中具有重要作用。水稻整個生長過程中會受到各類氣象災害影響，其中抽穗期—成熟期若遭遇異常高溫天氣會使水稻結實率降低。肇慶市年稻谷總產(chǎn)量位居廣東省第4位。肇慶市日最高氣溫≥35.0℃的高溫日數(shù)年平均22.4 d，主要集中在每年的6月—9月，此時正值水稻生殖生長期，對水稻生產(chǎn)及產(chǎn)量品質(zhì)形成極為不利，因此對水稻高溫熱害指數(shù)研究在開展科學種植、趨利避害發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有著非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

高要、廣寧、封開農(nóng)業(yè)氣象試驗站位于廣東省中西部，年平均降雨量1 484.3～1 743.5 mm，年平均氣溫21.4℃～22.7℃，屬于典型的亞熱帶季風氣候，因季候風影響，試驗站光熱資源充足，降雨豐沛，且無霜期長。

1.2 試驗數(shù)據(jù)與方法

文章選取高要、廣寧、封開國家觀測站2011年—2020年溫度數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象站2011年—2020年早晚稻生長期及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，搜集整理3個農(nóng)氣站2011年—2020年早晚稻各生長期節(jié)點數(shù)據(jù)，各生長期平均時間表見表1。

表1 肇慶地區(qū)早晚稻生長期平均時間表（月/日）Tab.1 The long term average schedule of early and late rice growth in Zhaoqing area

1.3 水稻高溫熱害積溫

水稻高溫熱害一般指的是在水稻的孕穗抽穗期前后一段時間內(nèi)日最高氣溫≥35℃時，容易造成水稻發(fā)育不良，影響水稻的品質(zhì)和產(chǎn)量[3，4]。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，肇慶地區(qū)高溫天氣開始出現(xiàn)往往是在5月中下旬，10月左右高溫天氣趨于結束。所以，早稻的孕穗到成熟期、晚稻播種到抽穗期內(nèi)均會遭受高溫天氣。在這里分別計算各受影響生長期內(nèi)的高溫熱害積溫，定義為:水稻在計算周期內(nèi)，若日最高氣溫≥Td，統(tǒng)計逐日最高氣溫Ti與Td的差額，當Ti≥Td時，記為日有效高溫差（△T=Ti-Td）。將統(tǒng)計期間有效高溫差累計，作為水稻高溫熱害積溫，即：

式中，d1、d2——計算周期起始日期；Td——熱害標準溫度35℃；Ti為最高氣溫值≥Td第i日的溫度；ST——計算周期內(nèi)水稻高溫熱害積溫。

運用SPSS軟件分析不同生長期高溫熱害積溫ST與產(chǎn)量W之間關系，旨在分析出產(chǎn)量與各生長期的關系，得出產(chǎn)量模型，之后根據(jù)產(chǎn)量模型推算出高溫熱害指數(shù)I。

2 結果與分析

2.1 早稻高溫熱害積溫與早稻產(chǎn)量之間的關系

通過表1發(fā)現(xiàn)，2011年—2020年早稻播種期均為3月上旬，拔節(jié)期也基本在5月中旬，而孕穗抽穗期時間有一些細微差異，大約是在6月中旬結束，這里將孕穗抽穗期熱害累計指數(shù)計算周期定義在5月16日—6月15日，乳熟成熟期定義為6月16日—7月15日。

排除產(chǎn)量異常年份數(shù)據(jù)，將早稻孕穗抽穗期內(nèi)ST與產(chǎn)量W進行曲線估計，盡管二次曲線和三次曲線擬合的結果更好，R2均超過0.88，但這2種曲線只能解釋目前ST未超過8℃的情況，若ST超過8℃甚至出現(xiàn)更大值，W反而會隨之增長，這顯然與實際情況不符。分析發(fā)現(xiàn)復合曲線、增長曲線、指數(shù)曲線以及l(fā)ogistic曲線能夠較好地解釋兩者相關性（見圖1），3個函數(shù)的R2值達到0.856，說明在這些模型下，孕穗抽穗期ST能夠解釋產(chǎn)量85.6%的變化關系。結合后面晚稻的擬合結果，在這里選取指數(shù)曲線來表達兩者之間關系。指數(shù)公式W=e（a+b*ST），采用最優(yōu)化因子處理[5]，得出a=6.767，b=-0.046。兩邊取對數(shù)，則ln（W）=6.767-0.046×ST。常數(shù)a和b均通過置信度0.01水平檢驗。

圖1 早稻孕穗抽穗期各曲線擬合情況Fig.1 The curve fitting of early rice at booting and heading stage

分析早稻乳熟成熟期與理論產(chǎn)量之間關系，同樣進行曲線估算，發(fā)現(xiàn)各曲線函數(shù)擬合度都較低，最高擬合曲線R2值也只有0.132，說明乳熟成熟期內(nèi)熱害積溫與理論產(chǎn)量之間沒有明顯因果關系。

2.2 晚稻高溫熱害積溫與晚稻產(chǎn)量之間關系

晚稻生長期內(nèi)從播種到孕穗期均有可能受到高溫熱害影響，對各生長期熱害積溫與產(chǎn)量分析，發(fā)現(xiàn)從播種到拔節(jié)期內(nèi)，兩者均無明顯因果關系。而在晚稻孕穗抽穗期，發(fā)現(xiàn)指數(shù)曲線擬合度較好（見圖2），能夠較好地解釋兩者相關性，其R2值達到0.660，說明在這種模型下，孕穗抽穗期ST能夠解釋產(chǎn)量66.6%的變化關系，采用最優(yōu)算法得出常數(shù)值，產(chǎn)量模型公式為ln（W）=6.682-0.054×ST。常數(shù)值均通過置信度0.01水平檢驗。

圖2 晚稻孕穗抽穗期各曲線擬合情況Fig.2 The curve fitting of late rice at booting and heading stage

結果表明，水稻在孕穗抽穗期易受高溫熱害影響，且早稻受到的影響程度要高于晚稻。這與前人研究結論較為符合，水稻孕穗抽穗期如果遇到高溫，會導致花粉粒受到傷害，花藥不破水，降低活力，影響花粉管伸長，從而導致花粉出現(xiàn)流產(chǎn)、空疫病籽粒增大，結實率降低，最終產(chǎn)量大幅下降。

2.3 水稻高溫熱害指數(shù)公式確定

通過對不同生長期積溫熱害與產(chǎn)量進行曲線估計、回歸分析，發(fā)現(xiàn)早晚稻都是在孕穗抽穗期受高溫熱害影響較為嚴重，從而降低產(chǎn)量。所以定義高溫熱害指數(shù)I為水稻減產(chǎn)量。I在0～0.1定義為輕度，0.1～0.2定義為中度，0.2～0.3定義為重度，＞0.3定義為極端，則計算公式為：

式中：W0——肇慶地區(qū)水稻完美產(chǎn)量，早、晚稻各一個常數(shù)值。

可以分析肇慶各地氣象站歷史數(shù)據(jù)，得出各地水稻可能遭受高溫熱害的影響等級。對于災害等級較高地區(qū)，可以通過中長期天氣預報計算出ST，若會對產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響，可以通過灌溉等手段降低其風險。同時，I的推出對于肇慶地區(qū)水稻高溫熱害氣象指數(shù)保險研究也有一定推動作用。另外，通過對各地歷史數(shù)據(jù)分析，可以根據(jù)I值的概率范圍，推算出各地早晚稻遭受高溫熱害風險等級，進行基于GIS的肇慶地區(qū)水稻高溫熱害風險區(qū)劃。

3 結語

定義肇慶地區(qū)水稻高溫熱害積溫ST，分析早稻晚稻各生長期ST與產(chǎn)量W之間的關系，發(fā)現(xiàn)水稻遭受高溫熱害最為敏感的生長期為水稻孕穗抽穗期，孕穗抽穗期遭受高溫熱害，W有明顯下降，且早稻受高溫熱害影響更為明顯。

水稻在播種到拔節(jié)、乳熟到成熟期對高溫天氣不敏感，在這些生長期內(nèi)，ST與W均未產(chǎn)生明顯相關性。

水稻對高溫天氣最敏感的孕穗抽穗期，需要及時關注氣象服務信息，結合中期以及短期天氣預報，當日最高氣溫達到警戒溫度且預測未來一段時間內(nèi)I值達到設定閾值時，要第一時間向外發(fā)出預報預警，為水稻保質(zhì)高量生產(chǎn)做好氣象保障服務。