未来30 a盆北山地水稻盛夏低温危害风险分析

张利平， 彭国照

(1. 达州市气象局, 四川 达州 635002; 2. 中国气象局 成都高原气象研究所, 四川 成都 610072)

未来30 a盆北山地水稻盛夏低温危害风险分析

张利平1， 彭国照2

(1. 达州市气象局, 四川 达州 635002; 2. 中国气象局 成都高原气象研究所, 四川 成都 610072)

根据气候系统模式(BCC)第五阶段试验计划(CMIP5-RCP6.0)预测的2006—2050年各格点逐日平均温度，通过订正反演出2021—2050年盆北3个市州共15个站点(县)逐日平均温度，结合盆北山地不同品种水稻抽穗杨花期的低温指标，统计各站水稻盛夏低温频率、水稻安全播种期、安全齐穗期以及安全播种期天数差，构建水稻盛夏低温危害风险指数I，并以此进行低温危害风险区划.结果表明：1) 盆北山地水稻盛夏低温频率在13%～240%之间，区域和年际之间差异较大；2) 与近30 a比较，盆北山地水稻安全播种期普遍提前10 d左右，最多提前13 d，安全齐穗期平均提前5～6 d；3) 海拔500 m以下为无风险区，500～700 m的区域为低风险区，700～900 m为中风险区，900～1 200 m为高风险区，1 200 m以上为不适宜区.

盛夏低温； 风险区划； 水稻； 盆北山地

盆北山地地处于四川盆地北部的大巴山-米仓山南麓，地跨达州、巴中和广元3市，区域内经跨和海拔高差大，地形复杂.水稻是该区主要的粮食作物之一，种植范围主要处于海拔230～1200 m的区域，常年种植面积32.2 万hm2左右，以种植籼稻(包括杂交稻)为主，占大春粮食作物种植面积的26%，总产约220万t，占大春粮食总产的35%.

盛夏低温是盆北低中山区水稻生产的主要气象灾害之一，常常造成大量减产，是水稻产量年际间波动较大的外因之一.文献[1]表明，近20 a来，盆北山地的平均温度有所升高，但盛夏低温有增多的趋势，特别是2000年以来，8月中旬平均气温比上个10 a偏低约0.5 ℃，其中有5 a显著偏低，出现低温冷害的次数和强度都在增加，水稻生产的风险也在增大.未来30 a盆北山地稻区水稻盛夏低温危害的风险是本文研究的主要内容.

国内外学者从灾害风险理论、方法及应用方面进行了大量的研究，其成果在灾害管控方面发挥了积极作用[1-11].但这些研究中，多针对的是北方玉米、小麦干旱灾害的风险分析、评估、区划，区域作物灾害风险研究主要有东北玉米低温冷害、黄淮海地区小麦晚霜冻、长江中下游地区水稻高温热害的风险分析、评估[12-13]，也有针对经济作物烟草、果树等气象灾害的风险研究以及其他气象灾害的影响风险分析等[14-15]，而盆北山地未来水稻盛夏低温危害的风险研究未见报道.本文以未来30 a气候预测资料为基础，从水稻盛夏低温频率、安全生长季长度差出发，构建水稻盛夏低温风险指数，研究未来盆北山地水稻盛夏低温危害风险区划，为当地水稻生产及应对气候变化的影响提供科学依据.

1 资料来源及处理

1.1资料来源盆北山地15个站点1961—2013年气象观测资料来自四川省气象局气象信息中心，内容包括逐日温度、日照、降水等；未来气候变化情景预测来自中国气象局北京气候中心(BCC)气候系统模式第五阶段试验计划(CMIP5-RCP6.0)，内容包括历年逐日温度和降水量，时间段从2006—2099年，本文仅使用2006—2050年的温度逐日预测,农业统计资料来自四川省农业统计年鉴.

1.2处理方法

1.2.1温度预测材料插值订正 气温的变化分布与地理区位高度相关，用适当的数理统计方法，对连续5 a以上的逐日气温资料进行转换分析或插值计算，经对比研究后表明，一般具有较好的代表性.因温度值气候情景预测格点间经度间隔为2.812 5°、纬度间隔为2.790 6°，需要将各格点温度值插值到各观测站点上去.

插值方法：首先，用各观测站点2006—2013年逐日温度资料与其周围n个格点同期预测逐日温度资料(样本2520，相关系数R为0.87～0.88)，确定回归常数a0和回归系数ai，建立以下多元线性回归方程

(1)

其中，t(d)为观测站点d的逐日温度观测值，tyi(d)为站点d周围第i格点的同期逐日温度预测值，a0为回归常数，ai为第i格点的回归系数，n=4.

然后，利用(1)式和2021—2050年的逐日格点温度预测资料，计算各站点同期的逐日预测温度.

1.2.2界限温度初终日期统计方法 利用5日滑动平均法进行统计.

1.2.3低温冷害指标的确定 文献[16-24]表明：日平均气温连续3 d低于20～22 ℃作为籼稻受害指标；日平均气温连续3 d低于18～20 ℃作为粳稻受害指标.四川盆地籼型杂交稻受害指标为22～23 ℃，盆北山地稻区籼型杂交稻受害温度指标与之基本一致，但还要以日照和相对湿度作为辅助指标.主要理由是盆北山地稻区盛夏冷害为山地湿冷型，形成低温冷害的主因是连阴雨或连续暴雨天气.通过试验研究和生产实践，确定盆北山地水稻低温冷害指标，如表1.

表 1 水稻抽穗扬花期低温冷害指标

1.2.4风险指数的构建 关于灾害风险指数的构建，基本遵循自然灾害风险由危险性和易损性共同决定的评估思路，从致灾因子、承灾体和抗灾能力等方面综合建立气象灾害的风险评估模型进行灾害风险评估.但就盆北山地水稻未来盛夏低温的风险而言，主要考虑2个方面:一是盛夏期间低温频率影响的风险指数Ip,一般情况下，低温频率P越高，风险越大,低温频率在1次/a以下时，风险指数在0.6以下，低温频率在2次/a以上时，风险接近于1；二是水稻安全生长季长度(Ns)与水稻实际播种至齐穗期的天数(Nq)之差(简称安全生长季长度差D)的影响风险指数,安全生长季长度差正差越长，可供生产上通过播期调节，以避开水稻抽穗杨花关键期的可能性就越大，实际上遭遇低温危害的风险就越小.为此分别构建2个因素的风险指数如下：

IP=1-exp(-P/100),

(2)

ID=exp(-D/100),

(3)

D=Ns-Nq,

(4)

IP为低温频率影响的风险指数，其值在0～1之间，P为低温频率或频数；ID为水稻安全生长季长度差(D)的风险指数，其值在0～1之间,当P、Dlt;0时，按0处理，当Dlt;0时，水稻安全生长季长度短于水稻实际播种至齐穗期的长度，当地气候条件不适合种植水稻.Ns和Nq根据预测逐日温度，以籼稻12 ℃、粳稻10 ℃为安全播种期，以表1指标确定安全齐穗期.

在实际生产中，最终决定低温危害风险程度的是这2个因素的组合.只要其中一个风险因子较小，则可以降低另外一个因子的风险程度；如果2个因子的风险性都较大，则会更加加重生产的风险性.因此，构建双因子综合风险指数I如下

I=exp(IP+ID-2),

(5)

I的取值范围在0～1之间.

2 结果分析

2.1未来30a水稻盛夏均温的变化特征未来30 a(2021—2050年，以下同)盆北山地盛夏均温27.0 ℃，比近30 a(1981—2010年，以下同)平均偏高0.34 ℃，各站均偏高，且总体表现为前低后高，大致以7 a为一个周期上下波动变化，其距平变化见图1.

2.2未来30a水稻盛夏低温频率风险指数的空间分布统计表明(见表2)，未来30 a盆北山地水稻盛夏低温频率在13.3%～240%之间，最高的是青川为240%，最低的是达县、渠县在15%以下，万源和剑阁为100%以上，其余在20%～50%之间.

图 1 未来30 a水稻盛夏均温距平变化图

各站不同年际之间的差异也比较大，最多达3～5次/a.连续低温过程的天数多为6～9 d/次，青川天数可达18 d/次.

从低温频率的年份平均来看，2021—2050年平均为62.0%，其中2021—2030年为73.3%，2031—2040年为54.7%，2041—2050年为58.0%，年变化特征比较明显，且具有随着年的后推而降低，其中2040年降低幅度较大.

与近30 a比较，未来30 a低温频率降低的有达川和大竹，其余均显著增加，大多增加50%～120%，青川增加最多为170%.这表明盆北山地盛夏低温风险在上升，不确定仍然很明显，这也是生产上需要引起高度重视的一个问题.

表 2 低温频率及相关极值统计

未来30 a低温频率随海拔高度的变化具有显著的地带性线型特征，海拔每升高100 m，低温频率平均增加37.2%，如图2，这主要是由气温的垂直递减率决定的.海拔升高，气温降低，高海拔区出现低温的机率越大.除此之外，低温频率还与纬度正相关，与经度呈负相关，且相关度均较高.这是因为纬度主要通过太阳高度角来影响气温，纬度升高气温降低；就盆北山地来说，经度越高，离海洋越近，气温的大陆性减弱且离冷源(青藏高原)越远，气温升高.因此，低温频率与经纬度之间出现正负相关关系.

通过回归分析，得到低温频率P的空间模型如下：

P=-7.420 31λ+4.061 846φ+
0.341 573h+559.794 3,

(6)

R=0.923 6,F(3，13)=21.3,

式中，λ为经度(单位：°)，φ为纬度(单位：°)，h为海拔高度(单位：m).(6)式通过1%显著性检验.

图 2 盛夏低温频率与海拔的关系

利用(2)和(6)式计算得出盆北山地水稻盛夏低温频率风险指数IP的的Gis空间分布，如图3.从图3看出，盆北山地大部分区域水稻盛夏IP都在0.6以上，海拔相对较高(600 m以上)的低中山区在0.8以上，主要包括达州市中北部、巴中市中北部和广元大部.达州市中南大部、巴州中部、平昌和通江以及广元市南部低山河谷区IP小于0.2；其余半低山区的低温频率风险指数为0.2～0.6.

2.3未来30a水稻安全播种期、齐穗期的分布以稳定通过12 ℃(籼稻)和10 ℃(粳稻)初日作为水稻安全播种期，以表1指标作为安全齐穗期，利用未来30 a(2021—2050年)预测订正资料统计，得到盆北山地各站点水稻安全播种期和安全齐穗期及其安全生长季天数，如表3.从表3看出，渠县、达川、巴中、苍溪等4地水稻安全播种期最早，出现在3月上旬前，万源和青川最晚，出现在3月下旬，其余各站出现在3月上旬中～3月中旬中.与近30 a比较，普遍提前7～13 d，其中南江、通江、平昌、青川和万源提前7～8 d，其余各站提前11～13 d.

图 3 IP空间分布

安全齐穗期出现最早的是达川区、渠县在8月中旬初，最晚的青川在9月中旬中，南江、广元、剑阁和万源在8月下旬末，其余站点出现在9月上旬.与近30 a比较，所有站点都提前，大多提前3～6 d，但安全生长季长度差平均延长5～6 d，对水稻生产而言，总体上是利大于弊.

2.4未来30a水稻安全生长季差风险指数的空间分布水稻安全生长季差反映了当地通过播期调节避免抽穗杨花关键期抗御低温冷害的可行性，水稻实际播种-齐穗的天数长短由多种因素决定.根据过去的有关试验研究，海拔600 m以下区域采用迟熟模型，秧龄按45 d计算，海拔600 m以上区域采用中熟模型，秧龄按40 d计算，分稻种熟性分别建立关系模型.计算表明，未来30 a盆北山区各地水稻安全生长季差值均大于10 d，其中青川13 d、万源31 d，其余各站点D值都在40 d以上，如表4.盆北山区各地都能保证水稻播期-齐穗所需的天数，水稻花期的调节空间较大.

表 3 水稻安全播种期、齐穗期及天数统计

表 4 盆地北部山地水稻发育期模型

表4中Ny为秧龄，Bd为播期，以3月1日为起点的天数表示，Nq和Tq分别表示为播种-齐穗的天数与均温，Ns和Ts分别为播种-成熟的天数与均温.**表示通过1%的显著性检验.

通过统计分析，建立D与经度λ、纬度φ、海拔h的地理回归模型如下：

D=-0.614 64λ-6.644 94φ-
0.093 38h+377.969 2，

(7)

R=0.967 2，F(3，13)=53.2.

(7)式通过1%的显著性检验.

利用(3)和(7)式计算得出水稻安全生长季差风险指数ID的Gis空间分布，如图4可看出，北部低中山区水稻安全生长季差风险指数ID都在0.8以上，属于高风险区域，南部低山、浅丘-平坝地区为0.4以下的低风险区.

2.5未来30a水稻盛夏低温风险分区

2.5.1分区指标及结果 根据前面的分析，以综合风险指数(I)作为区划指标因子，按照风险指数的大小分为无风险区、低风险区、中风险区、高风险区和不适宜区5级区域，其分区指标如表5.

表5 水稻盛夏低温风险分区指标

根据(5)式采用ArcGis按栅格计算，按表5的指标进行分级，得到盆北山地未来30 a水稻盛夏低温危害风险Gis分区结果，如图5.

2.5.2分区评述 1) 无风险区：该区海拔一般在500 m以下的浅丘河谷区，主要包括通川区东南部、达川大部、开江浅丘坝区、大竹平行谷区、渠县以及宣汉、平昌、巴州、苍溪的河谷区，该区域海拔低，热量条件很好，水稻几乎没有盛夏低温危害的风险，主要集中区分布在达州南部，可以连片种植，是盆北地区水稻的主产区.

图4ID空间分布

Fig.4ThespatialdistributionofID

图 5 盆北山地水稻未来30 a盛夏低温危害风险区划

2) 低风险区：该区域海拔一般在500～700 m的低山浅丘区，主要包括通川区西北部、宣汉中南部半山区、万源中部和南部河谷区、平昌、巴州低山区、通江中南部、南江西南部、苍溪与昭化区大部、区和利州区和朝天区低山区、剑阁、旺苍南部、青川东北部的低海拔部分.该区域热量条件较好，面积较大，也是水稻的重要产区.

3) 中风险区：该区域位于川东北的北部，海拔700～900 m的低山高丘之间，总面积不大，零散分布于万源、宣汉、通江、南江、旺苍、苍溪、朝天、利州、昭化、青川等山区中上部.该区域热量条件一般，在品种选择上应该以籼稻中熟为主.

4) 高风险区：该区域分布于盆北山区北部和西部的海拔900～1200 m的低中山区，主要包括青川-朝天的龙门山区、利州-旺苍-南江的米苍山区和通江-万源-宣汉的大巴山区这三大区域，属于籼粳稻交错区，该区中上部可种植较耐冷的粳稻.该区域热量条件和土地条件均较差，水稻种植面积较小.

5) 不适宜区：位于高风险区的上部、海拔1 200 m以上的中山区.该区以喀斯特地貌为主，地形陡峭，海拔相对高差较高、坡度大，土地资源短缺贫瘠，冷害频率随高度的变率迅速增大，不适宜也不可能大规模种植水稻.

考虑山地气候的特点，各风险区的海拔高度上下限的划分，南部低山丘陵区可适当提高，北部低中山区应适宜降低；南坡比北坡略高.

根据2010年盆北山地各县水稻面积和单产统计，盆北山地水稻种植面积32.2 万hm2，平均单产6 900 kg/hm2.其中，处于无风险和低风险区域的达川、通川、开江、大竹、渠县、平昌、巴中、利州、昭化、苍溪、剑阁等地水稻面积达到23.3 万hm2，占区域总水稻面积的72.2%，单产平均为7 212 kg/hm2，比区域平均高312 kg/hm2；处于不适宜区的旺苍，60%以上为粳稻，表明分区结果与实际情况相符.

3 结论与讨论

1) 未来30 a盆北山地水稻盛夏低温频率在13%～240%之间，区域和年际之间差异很大，有些站点最多的达3～4次/a，一次连续低温过程可持续天数为6～9 d/次，最长可达18 d/次.年代际变化特征比较明显，且具有随着年代的后推而降低，2040年降低幅度最大.与近30 a比较，除达州南部外，其余大部分地区的低温频率均显著增加.因此，在水稻生产上应该引起重视.

2) 与近30 a比较，盆北山地水稻安全播种期普遍提前10 d左右，水稻安全齐穗期普遍提前约3～6 d，安全生长季长度差平均延长5～6 d.这为水稻选择品种、适时早播提供了条件，有利于后期避开抽穗杨花关键期的低温时段，减少穗期低温的影响.对水稻生产而言，将有利于水稻扩大种植面积.

3) 按照盛夏低温危害风险指数对盆北山地水稻生产进行未来风险分区，海拔500 m以下为无风险区，海拔500～700 m的区域为低风险区，海拔700～900 m为中风险区，海拔900～1 200 m为高风险区，海拔1 200 m以上为不适宜区.无风险区和低风险区是水稻生产的主要区域；中风险区海拔较高可种面积小，以粳稻为主，下部可种植籼稻；高风险区水稻面积很少，应以种植早熟的粳稻为主.

与近30 a相比，各风险区海拔高度上下限有所提高，这与未来气候变暖的总体趋势基本一致.各风险区海拔高度上下限的划分，南部低山丘陵区可适当提高，北部低中山区应适宜降低；南坡比北坡略高.

4) 以水稻关键期低温频率和安全生长季差双因子构建的盛夏低温危害风险指数，一定程度上避免了社会因子的误差影响，在研究评价盆北山地水稻盛夏低温危害风险方面具有较强的实用性，符合当地的生产和气候生态实际.

5) 因只用温度指标对未来30 a的低温冷害频率进行了分析，没有考虑日照和相对湿度指标的影响，故低温冷害的实际发生情况要比计算值偏低一些，这是需要注意和进一步研究的问题.

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(编辑 陶志宁)

The Analysis of the Risks of the Midsummer Low Temperature Damageto Oryza sativa in Mountainous Areas of the Northern Sichuan Basin in 30 Years

ZHANG Liping1, PENG Guozhao2

(1.TheMeteorologicalBureauofDazhou,Dazhou635002,Sichuan;2.ChengduPlateauMeteorologicalResearchInstitute,ChinaMeteorologicalAdministration,Chengdu610072,Sichuan)

According to the daily average temperature of each grid from 2006 to 2050 predicted by BBC Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5-RCP6.0), by revising we got the daily average temperature from 2021 to 2050 of 3 cities and states, including 15 sites(counties) in total. Combining with heading season low temperature indicators of different species ofOryzasativain the mountainous areas of northern Sichuan basin, we collected the statistics information of the frequency of midsummer low temperature ofOryzasativa, the safe sowing period, the safe full heading time, and the difference of safe sowing period days, built the midsummer low temperature risk indexIdamaged toOryzasativa, and made division to low temperature risk areas according to information mentioned above. The result shows that: 1) the frequency of midsummerOryzasativalow temperature is between 13% and 240%, and there is a huge gap among areas and years; 2) compared with the recent 30 years, the safe sowing period ofOryzasativain the mountainous areas of the Northern Sichuan Basin commonly went 10 days ahead of normal, while on extreme circumstances it got 13 days earlier at most. And the safe full heading stage went 5 or 6 days ahead of normal on average; 3) According to the area division, areas with an altitude below 500 m are no-risk-areas, 500 to 700 m for low-risk-areas, 700 to 900 m for medium-risk-areas, 900 to 1 200 m for high-risk-areas, while areas with an altitude above 1 200 m are not suitable forOryzasativacultivation.

midsummer low temperature; risk zone division;Oryzasativa; mountainous areas of the northern Sichuan basin

S511

A

1001-8395(2017)06-0839-08

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.06.021

2016-09-09

西南区域重大科研业务项目(西南区域2013-2)和四川省科技支撑计划项目(2013NZ0046)

张利平(1968—)，男，高级工程师，主要从事气象服务与应用方面的研究,E-mail:854874815@qq.com