安徽省一季稻抽穗开花期高温热害分布规律

郭建茂， 李淑婷， 谢晓燕， 吴　越， 王锦杰， 申双和

(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室/南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044)

IPCC第五次评估报告指出，过去百余年来，全球几乎所有地区都经历了升温过程，1880—2012年全球地表平均温度已升高0.85 ℃，未来全球气候变暖趋势仍将持续，21世纪末全球平均地表温度在1986—2005年基础上将升高0.3～4.8 ℃[1-2]。郑国光指出，全球气候变暖将导致我国主要粮食作物生产潜力下降、不稳定性增加，如果不采取有效措施，到21世纪后半期，我国主要农作物年产量最多下降可达37%[3]。在全球气候变暖的背景下，我国水稻主产区高温热害发生的频次和强度均显著增加，尤其是长江流域水稻产区，热害已严重影响了当地水稻的安全生产[4]。

安徽省位于长江中下游地区，以淮河附近为界进行划分，淮河以北属暖温带半湿润季风气候，以南属北亚热带湿润季风气候[5]。安徽省水稻主产区分布在沿江、江淮和沿淮地区，水稻生产虽多种熟制并存，但以种植一季稻为主，并且安徽省是本流域单季中稻的集中产区之一[4，6]。水稻高温热害是指环境温度超过水稻适宜温度的上限，对水稻的生长发育造成危害，从而导致产量降低的自然灾害[7]。水稻对高温的响应在不同的发育时期表现不同，营养生长期遇35 ℃高温，地上部和地下部的生长受到抑制，会发生叶鞘变白和失绿等症状，分蘖减少、株高增加缓慢；生殖生长期受高温胁迫的影响要远大于营养生长期，穗分化期遇35 ℃以上高温，会降低花药开裂率及花粉育性而降低结实率[8-10]，抽穗开花期为水稻生殖生长最敏感的时期，高温热害对其影响在于阻碍了花粉成熟与花药开裂，并阻碍花粉在柱头上发芽、花粉管伸长，从而影响受精，导致不育[11-12]。安徽省夏季受副热带高压影响，易出现高温天气，而高温热害对水稻的危害由其强度与持续日数决定。前人对高温热害时空分布的研究主要集中在高温热害发生次数、持续时间等方面[13-14]，而对于高温热害发生强度时空变化研究较少。本研究以危害积温表示高温热害强度，运用数理统计方法及ArcGIS技术，通过研究安徽省一季稻抽穗开花期高温热害发生次数、高温热害发生期间高温天数、危害热积温分布情况，分析安徽省一季稻抽穗开花期高温热害时间和空间分布，并揭示一季稻抽穗开花期高温热害分布特征，旨在为安徽省一季稻抽穗开花期高温热害预测及防御提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　材料

研究区域主要位于安徽省沿淮、江淮及沿江区域等一季稻主产区，气象资料为安徽省江淮流域1960—2014年24个气象站点逐日气象数据，包括日最高气温、日最低气温等，数据来源于安徽省气象局气候中心及中国气象数据网。水稻发育期资料为1980—2007年安徽省江淮流域农业气象站(滁州市、六安市、寿县、天长市、五河县)一季稻全生育期资料，包括分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟成熟期等，数据来源于安徽省气象局气象科学研究所。

线性倾向估计中倾向值的大小反映变量上升或下降的速率，滑动平均拟合相当于低通滤波，可以用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势[15]。本研究运用线性趋势和5年滑动平均分析高温热害频次、天数及危害积温年际趋势变化，并运用Morlet小波分析高温热害频次周期变化特征；通过反距离权重法(IDW)对高温热害发生次数、高温热害发生天数、危害热积温进行要素插值，采用ArcGIS分析手段，从时间和空间分布揭示安徽省一季稻抽穗开花期高温热害分布特征。

1.2　研究方法

1.2.1高温热害等级划分现有的长江中下游地区的水稻研究文献中，采用日平均气温界定高温热害指标的值多有不同，因此本研究采用日最高气温≥35 ℃作为研究指标，并根据持续天数划分高温热害等级[16-17]，如表1所示。根据安徽省江淮流域生育期资料，一季稻抽穗始期最早为7月25日，最晚为9月1日；抽穗末期最早为7月31日，最晚为9月10日。因此，将7月下旬至9月上旬日最高气温≥35 ℃连续 3 d 及以上记为1次一季稻抽穗开花期高温热害过程，分别根据持续高温时间确定热害等级。

表1　安徽省一季稻抽穗开花期高温热害等级指标

1.2.2危害积温危害积温是指作物受高温危害过程中，逐时高于临界温度的有害温度累积值。危害积温综合考虑了水稻所受热害持续时间和热害强度，以高温累积来表征水稻所受到的伤害，被认为是作物高温引起热害的农业气象灾害指标[18]。本研究以危害积温表示高温热害强度。1 d内危害热积温是当天每1 h危害积温的累加。根据公式(1)、(2)[19]计算日危害积温Td(℃)。

(1)

式中：Th表示1 h的温度(℃)，h=1，2，…，24；Tmin、Tmax分别表示日最低温度、日最高温度(℃)。

因此日危害热积温Td的计算公式如下：

(2)

式中，Th>35 ℃，35表示危害积温阈值(℃)。当Th≤35 ℃时，(Th-35)以0计。

在分析时间和周期变化时，其时间序列长度为55年，以全省共24个市(县)的一季稻抽穗开花期高温热害的相关要素年累积或其平均进行计算分析，反映的是安徽省作为一个整体的情况；而在空间变化时是以24个市县每个站点55年的累积或平均的数据为基础进行计算，反映的是各站点之间的空间分布情况。

2　结果与分析

2.1　时间变化

2.1.1不同等级高温热害次数变化图1为1960—2014年安徽省一季稻抽穗开花期高温热害累积次数[共24个市(县)]年际变化。由图1-a可知，1960—2014年安徽省一季稻抽穗开花期高温热害发生总次数表现为20世纪80年代之前高温热害发生较为频繁，20世纪80年代到90年代中期一季稻抽穗开花期高温热害发生次数较少，1993年后高温热害总次数又开始增加。20世纪80年代之前，轻度高温热害发生较为频繁，20世纪80年代到90年代中期为近55年来抽穗开花期轻度高温热害发生的低值期，1993—2002年为增长期，之后次数呈下降趋势(图1-b)。20世纪70年代末期至90年代初为中度高温热害低值期，2000年后呈增长趋势(图1-c)。由图1-d可知，20世纪90年代之后，重度高温热害发生次数增加，尤其在进入2000年后，出现了几次严重的水稻高温热害；55年来重度高温热害发生次数总体呈上升趋势；相比较其他等级，重度高温热害往往造成水稻显著减产。

2.1.2高温热害发生天数及危害积温20世纪80年代之前，安徽省一季稻抽穗开花期年均高温热害发生天数较多；20世纪80年代至90年代初为55年来高温天数低值期；1997年以来高温热害发生天数呈极显著增加趋势(P<0.01)，倾向率为0.427 d/年，18年间累计增加天数7.7 d；55年中，高温热害发生天数较多的年份有1966年、1967年、1976年、1978年、2003年、2013年，高温热害发生天数超过55年平均值的有22年，占统计年份的40%(图2-a)。20世纪60年代高温热害危害积温累积较大，80年代为危害积温低值时期，1999年后，危害积温呈显著增长趋势(P<0.05)，这说明进入21世纪后高温热害强度增强；危害积温偏高的年份包括1966年、1967年、2003年、2013年，2013年为55年来的最大值(图2-b)。

2.1.3年代际变化由图3可以看出，安徽省一季稻抽穗开花期高温热害发生次数年代际变化均呈现出“上升-下降-上升”趋势，而高温日数及危害积温均呈先下降后上升趋势，三者均在20世纪80年代达到最小，这说明20世纪80年代高温热害发生频率、天数及强度均达到历史统计最低时期。除20世纪80年代外，高温热害发生次数均高于55年平均值，并且20世纪70年代高温热害发生最为频繁(图3-a)；高温热害天数在20世纪70年代之前及21世纪初期均高于55年平均值(图3-b)；危害积温值在20世纪60年代、21世纪初期均高于55年平均值，并且在进入21世纪后迅速增加(图3-d)。从图3明显可以看出，20世纪80年代以来，高温热害发生频率、天数及强度呈增加趋势，尤其是进入21世纪后，单站点一季稻抽穗开花期高温热害发生次数、高温热害天数及危害积温均高于55年平均值，这说明21世纪高温热害发生更为频繁。

由图1、图2、图3可以看出，从重度高温热害次数、高温热害发生天数、热害危害积温以及热害年代际变化，均可以看出21世纪以来高温热害发生更多、更严重，换言之，在全球变暖的气候背景下极端高温事件增多，水稻高温热害发生更加频繁，严重的水稻高温热害更易发生，加之其持续天数及强度趋势增加明显，这对水稻生产乃至粮食安全的影响将会更大。

2.2　周期变化

为了研究安徽省一季稻抽穗开花期高温热害周期变化，以每年24站高温热害次数平均值构成时间序列数据，利用Morlet小波变换进行研究，小波分析结果见图4。图4-a中，横坐标表示年份，纵坐标表示时间尺度，虚线表示负的小波系数实部等值线(表示偏少)，实线表示正的小波系数实部等值线(表示偏多)，分界线用标有“0”的实线表示。由图4-b可知，小波方差存在4个较为明显的峰值，分别对应准19、13、9、4年时间尺度，其中准13年时间尺度对应的峰值最大，表明其周期振荡最强，为安徽省一季稻抽穗开花期高温热害变化的第一主周期。由图4-a可以看出，13年时间尺度上周期振荡明显，存在6个偏少中心，7个偏多中心，并且2014年小波系数等值线(实线)未闭合，说明未来在该时间尺度下一季稻抽穗开花期高温热害发生次数将继续偏多；准19年时间尺度周期振荡在20世纪80年代末期之前表现明显，之后振荡信号呈减弱趋势；准9年时间尺度周期振荡在1973年之前以及1987—1996年期间表现明显，其他时段振荡信号比较弱；准4年时间尺度在20世纪80年代之前及2003年之后周期振荡较为明显，之间的振荡信号则比较弱。

2.3　空间变化

2.3.1不同等级高温热害频次变化由图5-a可以看出，安徽省一季稻主产区抽穗开花期各站高温热害年均分布总体表现为北少南多的空间分布格局。高温热害总频次分布由南到北逐渐递减，南北频次相差近3.1倍，其中长江以南地区高温热害发生较为频繁。宣城市高温热害发生最为频繁，安庆市、贵池市、六安市、合肥市及巢湖地区次之。天长市、五河县、寿县年均发生高温热害次数较其他地区少。一季稻主产区抽穗开花期高温热害年代际倾向率变化为-0.08～0.22次/10年，总体而言倾向率呈现由南向北递减趋势，沿江地区高温热害有增加趋势，而沿淮地区高温热害有下降趋势。当涂和无为地区高温热害增加倾向率较为明显，定远、颍上、蚌埠地区较其他区域下降趋势较为明显(图5-b)。

2.3.2高温热害发生天数及危害积温由图6-a知，安徽省一季稻主产区抽穗开花期高温热害累积日数(1960—2014年)总体表现为东南地区高温日数多，东北地区少，呈现由南向北递减趋势。高温累积日数变化范围为176～669 d，高值区与低值区相差3.8倍。宣城地区高温热害累积日数高达669 d，相当于平均每年一季稻抽穗开花期期间有12.2 d是高温天数。高温日数年代际倾向率变化分布表明，无为地区高温日数增加趋势较为明显，当涂、和县、天长地区次之，而蚌埠、六安、定远、颍上地区则为下降趋势(图6-b)。

危害积温也表现为由南向北递减趋势，说明高温热害强度也由南向北降低(图6-c)。危害积温高值区与低值区相差5.1倍。高值区主要在宣城、贵池、六安地区，低值区主要在寿县、天长及五河地区。由图6-d可以看出，总体而言危害积温年代际倾向率变化南大北小，沿江地区高温热害强度有增加趋势，无为、和县、芜湖、马鞍山、当涂地区危害积温增加趋势较为明显，说明这些地区高温热害强度增加趋势较为明显，而蚌埠、颍上地区高温热害强度降低较为明显。

3　结论与讨论

本研究表明，55年来安徽省一季稻主产区抽穗开花期高温热害年际变化表现为1993年后高温热害次数呈增加趋势，不同等级高温热害发生次数呈现出轻度高温热害发生最为频繁。进入21世纪以来，轻度高温热害发生呈下降趋势，而中度及重度高温热害发生次数增加。20世纪80年代以来，安徽省一季稻抽穗开花期高温热害发生频率、天数及强度均有所增加，尤其是进入21世纪后高温热害发生更为频繁，高温热害天数增加，高温热害强度增强较为明显。安徽省一季稻抽穗开花期高温热害存在4个时间尺度的周期变化，分别为准19、13、9、4年时间尺度。准13年时间尺度周期振荡最强，为安徽省一季稻抽穗开花期高温热害变化的第一主周期，并且在该尺度下高温热害发生次数将继续偏多。安徽省一季稻主产区抽穗开花期各站年均高温热害发生次数、55年累积高温日数及累积危害积温总体而言表现为北少南多的空间分布格局，高温热害空间分布具有较明显的地域性，并且沿江地区各站年均高温热害发生次数、累积高温日数及累积危害积温55年来有增加趋势，沿淮地区有减少趋势。

气候变化背景下，我国近地面气温上升是从20世纪80年代中期开始的，安徽省自20世纪90年代以来处于偏暖的气候环境[20-21]。本研究发现，安徽省一季稻抽穗开花期高温热害频次、天数及高温热害强度在20世纪90年代以来均有所增加，这与许多学者研究结论[22-23]一致。本研究还发现，进入21世纪以来，安徽省中度及重度高温热害发生次数增加，高温热害天数及危害积温增加趋势明显，这说明更严重的水稻高温热害发生更为频繁，同时这也反映了区域变化对气候变暖的积极响应。

本研究还发现，仅从气象角度例如以温度要素展开水稻高温热害的研究并不全面，还应该综合考虑水稻的作物特性，例如不同品种对高温的抗性强弱。本研究结果显示，2013年研究区域高温发生程度相较2003年更严重，而实际生产情况中水稻高温危害却以2003年的更严重，其中一个重要原因就是2013年种植的水稻品种对高温的抗性较强，考虑到近些年高温日益严重的趋势，农户在水稻品种上多选择有较强高温抗性的品种。不同地区或相同区域内，水稻高温热害指标标准各异，且多以气温作为界定基准，目前对于以叶温、危害积温等为基准进行定量研究水稻高温热害研究较少，这可能是未来进一步研究的方向。

参考文献：

[1]秦大河，Stocker T，沈永平，等. IPCC第五次评估报告第一工作组报告的亮点结论[J]. 气候变化研究进展，2014，10(1)：1-6.

[2]沈永平，王国亚. IPCC第一工作组第五次评估报告对全球气候变化认知的最新科学要点[J]. 冰川冻土，2013，35(5)：1068-1076.

[3]郑国光. 科学应对全球气候变暖，提高粮食安全保障能力[J]. 求是，2009(23)：47-49.

[4]高素华，王培娟. 长江中下游高温热害研究[M]. 北京：气象出版社，2009：74-75.

[5]张理华，张群，周葆华. 安徽资源环境[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2010.

[6]黄义德，曹流俭，武立权，等. 2003年安徽省中稻花期高温热害的调查与分析[J]. 安徽农业大学学报，2004，31(4)：385-388.

[7]霍治国，王石立. 农业和生物气象灾害[M]. 北京：气象出版社，2009：72.

[8]杨纯明，谢国禄. 短期高温对水稻生长发育和产量的影响[J]. 国外作物育种，1994(2)：4-5.

[9]王才林，仲维功. 高温对水稻结实率的影响及其防御对策[J]. 江苏农业科学，2004(1)：15-18.

[10]曹云英，段骅，杨立年，等. 减数分裂期高温胁迫对耐热性不同水稻品种产量的影响及其生理原因[J]. 作物学报，2008，34(12)：2134-2142.

[11]Matsui T，Kobayasi K，Hasegawa T. Stablility of rice pollination in the field under hot and dry conditions in the Riverina Region of New South Wales，Australia[J]. Plant Production Science，2007，10(11)：57-64.

[12]Koti S，Reddy K R，Reddy V R，et al. Interactive effects of carbon dioxide，temperature，and ultraviolet-Bradiationon soybean(GlycinemaxL.)flower and pollen morphology，pollen production，germination，and tube lengths[J]. Journal of Experimental Botany，2005，56(412)：725-736.

[13]于堃，宋静，高苹. 江苏水稻高温热害的发生规律与特征[J]. 气象科学，2010，30(4)：530-533.

[14]杨炳玉，申双和，陶苏林，等. 江西省水稻高温热害发生规律研究[J]. 中国农业气象，2012，33(4)：615-622.

[15]魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M]. 北京：气象出版社，1999：41.

[16]刘伟昌，张雪芬，余卫东，等. 长江中下游水稻高温热害时空分布规律[J]. 安徽农业科学，2009，37(14)：6454-6457.

[17]陈端生，龚邵先. 农业气象灾害[M]. 北京：气象出版社，1990：116.

[18]陈丹. 农业气象[M]. 北京：气象出版社，2009：95.

[19]程德瑜. 危害积温及其在作物灾害中的应用[J]. 中国农业气象，3(1)：51-58.

[20]周丹，张勃，李小亚，等. 1961—2010年中国大陆地面气候要素变化特征分析[J]. 长江流域资源与环境，2014，23(4)：549-558.

[21]刘虹，姜可隽. 安徽省气候变化形势与温室气体排放的预测[J]. 中国能源，2009，31(9)：40-43.

[22]范莉，何永坤，雷婷，等. 西南地区中稻高温热害时空分布规律研究[J]. 西南农业学报，2013，26(6)：2316-2322.

[23]万素琴，陈晨，刘志雄，等. 气候变化背景下湖北省水稻高温热害时空分布[J]. 中国农业气象，2009，30(增刊 2)：316-319.