低纬高原水稻抽扬期低温冷害指标及其时空变化规律研究

胡雪琼 刘文英 何雨芩

摘要 针对云南水稻抽扬期低温冷害，结合云南气候特点，采用气象数据、空壳率数据，应用相关分析及抽象模拟等方法，确定云南低纬高原地区水稻抽扬期低温冷害指标，并应用该指标分析云南水稻抽扬期低温冷害时空分布规律。结果表明，日最高气温<24  ℃ 3 d 以上，即可能发生水稻抽扬期低温冷害。滇西北中北部、滇东北中南部低温冷害频率发生频繁，每10年达14次以上，基本上每年都会发生低温冷害;滇西南南部低温冷害发生频率较低，每10年在2次以下，其余地区每10年发生2～8次低温冷害。从年代际特征来看，低温冷害变化规律明显，总体呈减弱趋势，其中20世纪70年代、90年代较重，2000年后低温冷害频率大幅下降。

关键词 水稻;抽扬期;低温冷害;指标;时空分布;低纬高原地区

中图分类号 S 162.5  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）12-0218-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.061

开放科学（资源服务）标识码（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

云南水稻種植面积106.7万hm2以上，稻谷总产量占粮食总产量的4～5成，水稻种植在农业经济中占有重要的地位，水稻稳产增产是粮食安全、经济繁荣、民族稳定的根本保障。云南地处低纬高原，地势北高南低，境内海拔差异大，最高海拔6 740 m、最低海拔76 m，平均海拔在1 000 m以上，94%为山地，海拔2 700 m以下均有水稻种植。低纬高原夏天热量强度低，例如昆明最热月平均气温只有20.0 ℃左右，一旦冷空气南下，就容易造成低温冷害，尤其7月下旬—8 月下旬，云南大部水稻进入抽穗—扬花期，对气温比较敏感，低温会抑制或延迟水稻开花，使开花速度减慢，花期拉长，降低开花率，甚至引起颖花不育，空壳率倍增，对水稻危害极大，称为“夏季低温”或“八月低温”。云南省出现大范围 8 月低温的年份是1955、1965、1966、1971、1972、1974、1977、1983、1988、1993、1998、1999、2002、2005年，这些年份由于8 月低温的影响，均造成云南各地当年水稻产量不同程度的减产。

在气候变化的大背景下，虽然以全球温度升高为基本特征，但是气候变化引起大气环流特征的变化，加剧了极端天气气候灾害的发生，进入21世纪以后，高原山地稻区盛夏仍可能频繁出现低温冷害，即使典型气温偏高年仍然不能避免强降温和严重低温冷害。云南在2002、2005年发生了较严重的盛夏低温冷害，2002年云南水稻单产减产达7%，即使大旱的2009—2012年为夏季热量较好的年份，盛夏季节仍有不同程度的低温冷害发生。

关于水稻低温冷害，国内外曾进行了大量的研究，但分析评估主要集中于东北地区[1-7]。水稻穗花期低温冷害，国内外已有大量研究成果[8-17]，研究表明，水稻穗花期如遭受异常低温，会使其花器的生理机能受到抑制或破坏，造成障碍型冷害，导致颖花不育，形成大量空壳而严重减产。水稻在扬花期有闭颖3 d的耐寒特性，故大部分文献资料和研究成果都把连续3 d或以上的低温作为受害的时限，我国大部分稻区把连续3 d日平均气温≤20～22 ℃作为籼稻受害指标;粳稻受害指标一般低于籼稻2 ℃即连续3 d、日平均气温≤18～20 ℃作为粳稻受害指标[18-21]，因气候生态环境不同，水稻对低温冷害的反应（指标）各异，同时在不同的生产条件和技术水平下，冷害指标也有相应变化。有的学者基于负积温建立了水稻抽穗开花期的低温冷害指标[22]，也有学者认为最高气温对于抽穗开花期的水稻低温具有较好的指示性[23]。对于云南地区，前人也开展了一些水稻低温冷害的探索性研究[24-25]，指出云南气温冷害问题上的特殊性，但均无系统的成果。笔者结合云南气候特点，利用气象数据和空壳率数据，采用相关分析及抽象模拟等方法，对云南水稻抽扬期低温冷害指标及其时空变化规律进行研究。

1 资料与方法

1.1 低纬高原地方性气候

云南与同纬度稻区相比，夏季热量劣势明显（表1）。云南地处低纬高原，夏季日平均气温较低，但日照强烈、白天最高气温高、日较差大。日最高气温可以表征水稻一天之中的光温生态，晴好的天气日最高气温较高，多云或阴雨的天气日最高气温偏低，水稻叶温在晴天比其周围的气温高5～6 ℃，多云天高2 ℃，阴天则叶温与气温差别不大[26]，而叶温决定了水稻的光合作用速率及受低温影响的程度，相同的平均气温，若白天日照不同，可能导致日最高气温不同、叶温不同，水稻花期受到的低温影响也是不同的。云南在日平均气温较低的情况下仍然能种植水稻，尤其北部地区昭通市、曲靖市、大理市、丽江市等大部地区7—8月平均气温不足20.0 ℃，丽江甚至大部地区8月平均气温仅有17.5～18.5 ℃，而8月正值北部地区水稻抽穗开花期，显然连续3 d平均气温≤18～20 ℃ 并不适用于云南的粳稻种植区。

1.2 数据选取 以云南1961—2010年125个气象台站逐日平均气温、逐日日照时数、逐日最高气温数据和1981—2010年云南16个农业气象观测站的水稻生育期数据、空壳率观测数据为基础，分析水稻抽扬期低温冷害指标及低温冷害时空发布规律。

1.3 研究方法 基于农气观测数据及气象数据，采用相关分析法和抽象模拟分析法探索云南盛夏水稻抽扬期低温冷害指标。

1.3.1 相关分析法。

1.3.1.1 基本原理。捕捉抽穗扬花期内各个低温过程，并统计低温过程中相关气象要素，分析低温过程各气象要素与空壳率的相关关系，寻找空壳率形成的关键气象因子，确立低温冷害指标。

1.3.1.2 具体方法。计算时，某个气温要素低于临界值即为一个低温过程。统计水稻抽穗扬花期内发生的低温过程的气象要素。最高气温临界值从20～30 ℃每隔1 ℃分别计算。

1.3.1.3 统计气象要素。各站各年抽穗开花时段内发生的所有低温天气过程的以下气象要素：过程平均气温、过程平均日照、过程平均最高气温、过程天数、日平均气温谷值、日最高气温谷值、日照谷值、日照<2 h日数、负积温（气温低于最高气温临界值）、日照<2 h的负积温。负积温按下式计算：

tsum=ni=1（tmi-tmc）（1）

式中，tsum为负积温;tmi为某日最高气温;tmc为最高气温指标，取20、21、22、…、30;n为低温过程天数。

对统计的低温过程气象要素及空壳率进行相关分析，根据相关系数的大小确定关键气象因子，进而进一步确定低温灾害指标。

1.3.2 抽象模拟分析法。

农业气象观测基层人员素质参差不齐，空壳率统计、生育期观测等受人为因素影响较大，而低温发生在水稻抽穗扬花期内的不同阶段，水稻开花比例不同，对水稻空秕粒的影响是不一致的，为降低人为观测误差，更科学地分析空壳率的关键气象因子，该研究对水稻抽穗开花过程进行抽象模拟，再提取、处理低温过程气象要素，与空壳率进行相关分析，寻找最优指标。

根据云南省农业气象站观测资料及专家意见，粳稻抽穗开花低温敏感期为15 d，籼稻抽穗开花低温敏感期为11 d，每天开花的水稻稻颖数量不同，处于低温敏感期的稻颖数量呈现一个先增再减的正态分布形式，参考马树庆等[27]的研究成果，结合云南省实际，采用图1的曲线表示粳稻及籼稻处于开花低温敏感期的稻颖比例随时间的变化。

每天处于低温敏感期的水稻稻颖数量比例服从正态分布：

f（x）=12πσe-（x-μ）22σ2（2）

式中，σ为均方差，μ为平均值。其中11 d抽穗开花期时，平均值取6，均方差取2;15 d抽穗开花期时，平均值取8，均方差取2。

某一天相同的低温强度，但处于低温敏感期的水稻稻颖数量不一样，最后造成的空壳率是不一样的，低温时处于低温敏感期的水稻稻颖数量越多，造成的空壳率越高。因此采用每日水稻稻颖低温敏感百分率（表2）作为权重，对每日的低温负积温进行处理：

at=ni=1pi×（tmi-tmc）（3）

式中，at为处理后负积温;tmi 为某日最高气温;tmc为最高气温指标，取20，21，22，…，30;pi为该日水稻稻颖低温敏感百分率（%）;n为低温过程天数。

2 结果与分析

2.1 水稻抽扬期低温冷害指标的确定

2.1.1 相关分析。

从空壳率与低温过程的各气象要素相关性（表3）来看，空壳率与负积温（指低于某个最高温度的负积温）相关系数最高，平均相关系数为-0.522，最大相关系数-0.553为最高气温取27 ℃时的负积温，空壳率与负积温的相关系数随着最高气温指标的升高呈现一个先增后减的态势（图2），比较符合常理，因此负积温应该是一个较好的指标，但仅凭相关系数来判断最佳最高气温指标有一定的不科学性，还需考虑其他因素，因为從表3来看，最高气温取不同值时，空壳率与低于各最高气温的负积温相关系数差别很微小（-0.453～-0.553）。

低温持续天数对于空壳率有重要影响，根据相关研究，水稻具有闭花属性，3 d以上的低温才会对水稻开花结实有影响，而目前一般将20%的空壳率作为水稻低温冷害的达标标准，因此确定低温冷害指标的标准为：最高气温低于某临界值3 d以上，且出现20%左右的空壳率，则该临界值为低温冷害指标。考察最高气温取不同临界值时，低温持续天数与空壳率的关系，结果发现，在最高气温为20、21、22、23、24、25、26、27 ℃时，达20%空壳率所需的过程天数分别为1.1、1.5、2.2、3.3、4.8、7.0、10.0和13.5 d，可见23 ℃为水稻低温冷害的最佳最高气温指标，即最高气温低于23.0 ℃ 3 d以上，将出现水稻低温冷害，空壳率可达20%左右。

2.1.2 抽象模拟方法及结果。从抽象模拟后的相关分析（表4）来看，空壳率与低温过程的各气象要素相关性负积温明显偏高，空壳率与负积温平均相关系数为-0.500，最大相关系数-0.518为最高气温取25和23 ℃时的负积温，空壳率与负积温相关系数在23～25 ℃并无大的差别;考察最高气温取不同临界值时低温持续天数与空壳率的关系发现，在最高气温为20、21、22、23、24、25、26、27、28 ℃时，达20%空壳率所需的过程天数分别为0.7、1.0、1.4、2.1、3.1、4.4、6.3、8.3和10.4 d，可见这3个指标也较符合常理，24 ℃为最佳指标，其3 d以上低温过程的负积温对水稻空壳率具有较好的指示性。

2.2 水稻盛夏低温冷害时空分布规律研究

根据水稻抽扬期低温冷害指标，统计1961—2010年水稻抽扬期7—8月各年代各县不同时段低温冷害发生的频率、负积温等冷害指标，以揭示云南水稻盛夏低温冷害时空分布规律。

2.2.1 低温冷害负积温时空变化规律。

统计云南各站点各年7—8月最高气温低于24 ℃ 3 d以上过程的负积温情况，分年代分析，在ArcGIS中采用反比距离插值法对各年代的负积温绘制色斑图（图3）。结果显示，云南省7—8月3 d以上低温过程低于24 ℃负积温南部年均在-20 ℃·d以下，滇中、滇东北大部为-40～-10 ℃·d，滇西北负积温最多，滇西北北部达到年均-60 ℃·d以上。

从年代际变化来看，1961—2010年云南省各年代负积温变化南部区域变化最大，南部负积温不断减少，2001—2010年大部不足年均-10 ℃·d。滇西北区域在各个年代负积温变化并不明显，在2001—2010年有明显的减弱趋势。滇中及以东区域则在20世纪70年代、90年代有明显的负积温增加趋势，显示冷害加重发生。

2.2.2 低温冷害频率时空变化规律。

为便于直观，统计分析云南各站点各年7—8月最高气温低于24 ℃ 3 d以上过程的频率情况，并绘制各年代低温频率分布图。由图4可见，云南省7—8月3 d以上最高气温低于24 ℃的低温频率各地差异较大，分布特征总体呈现两高一低的特点，即滇西北中北部、滇东北中南部低温冷害频率发生较高，每10年达14次以上 ，基本上每年都会发生低温冷害;滇西南南部低温冷害发生频率较低，每10年在2次以下。其余地区大部每10年发生2～8次低温冷害。

从年代际特征来看，20世纪60—70年代各地低温频率变化不大;80年代北部低温频率有所减轻;90年代北部低温频率有所增加，高频率范围也有所扩展，同时南部低温频率减轻，呈现两极分化;2000年后低温冷害频率大幅下降，北部高频率范围缩减，尤其滇东北区域缩减较大，同时南部无冷害区域面积增加较大。

2.2.3 云南各地州代表站点低温冷害统计。从云南各地州低温代表站点低温冷害统计值（表5）来看，低温过程负积温西北部的香格里拉、丽江最多，均在-1 000 ℃·d以下，其余绝大部地区站点均在-500 ℃·d以上;丽江低温频率居全省之首，中东部次之，南部最少，代表站点也反映出在20世纪70、90年代低温频率较高，其余年代偏低的变化趋势（图5）。

2.2.4 云南各地州代表站点盛夏低温冷害逐旬变化。

从表6可以看出，中北部低温频率7—8月各旬均为每10年2～3遇，滇西北频率偏高，达每10年3～6遇;9月则均上升为每10年5～6遇。云南省各地低温频率在水稻抽扬期前后的7—8月随时间没有明显的增多趋势，7—8月并没有明显的区别，可能与云南7月处于主汛期、多雨天气主导（7月全省平均雨量221 mm）、高温不足有关，8月降雨量逐渐减少（8月全省平均雨量193 mm），多晴好天气，因而7—8月并没有明显的低温增多趋势，自8月下旬起，低温频率有增加趋势，尤其到9月中下旬，低温频率急剧增加，因而生产上保证水稻在8月中旬以前完成抽穗扬花过程，则能避开低温冷害高频率时期，减轻抽扬期低温冷害，尤其中北部及以东地区更为明显。

3 结论与讨论

（1）针对云南水稻抽扬期低温冷害，结合云南气候特点，采用气象数据、空壳率数据，应用相关分析、抽象模拟等方法，确立云南低纬高原地区水稻抽扬期低温冷害指标为日最高气温小于24 ℃ 3 d以上。

（2）云南水稻抽扬期低温冷害时空分布呈现以下特征：滇西北中北部、滇东北中南部低温冷害发生较频繁，每10年达14次以上，基本上每年都会发生低温冷害;滇西南南部低温冷害发生频率较低，每10年在2次以下，其余地区大部每10年发生2～8次低温冷害。从年代际特征来看，低温冷害变化明显，总体呈减弱趋势，其中20世纪70年代、90年代较重，2000年后低温冷害大幅下降。

（3）该研究低温冷害指标在云南地区应用时，应考虑局地小气候特征做进一步修正。因南部低温频率较低，文中未做深入探讨。

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