江西双季直播稻倒春寒与寒露风灾害特征分析

郭瑞鸽,段里成,吴自明,李辉婕*

(1.江西农业大学,江西 南昌 330045;2.江西省农业气象中心,江西 南昌 330096)

江西是我国双季稻优势产区,也是全国双季稻种植比例最高的省份,在保障国家粮食安全方面占有极其重要的地位[1,2]。做好双季稻减产保产技术服务,对稳定粮食生产具有重要意义。发生于早稻播种期间的倒春寒灾害和晚稻抽穗扬花期间的寒露风灾害,是双季稻种植区主要的低温灾害;其中倒春寒灾害影响早稻的安全播种育秧[3-5],寒露风灾害影响晚稻的安全齐穗[6,7],因此也是制约双季稻茬口安排、品种熟期搭配的主要因素。自20世纪90年代以来,有关学者已针对广西[4,8]、贵州[3,9]、江苏[5]、江西[6,7]、广东[10]等地区的倒春寒、寒露风发生特点及对水稻的危害开展了一些研究,但在全球气候变暖、农业生产方式不断革新的大背景下,水稻生育期气候特点和栽培模式均发生了显著变化[2,11,12],因此需要进一步对双季稻区倒春寒和寒露风的发生规律开展研究,从而为水稻减灾保产提供技术支撑[13]。

近年来,江西水稻直播栽培方式发展迅速,直播季节由早稻直播发展到晚稻直播,直播区域由鄱阳湖地区发展到全省各地[2]。据江西省农业农村厅统计，2020年早稻直播比例约达50%。直播早稻在播种期抵御低温的能力差；直播晚稻缺少秧田期，生长季节迟,因而遭遇寒露风灾害的风险高[14]。迄今针对江西早稻倒春寒灾害特征及影响的研究报道较少，而针对江西省晚稻寒露风灾害特征及其影响的研究较多,如刘文英等[15]对1959～2008年江西寒露风的发生情况和演变趋势进行了分析；刘丹等对江西1961～2017年间寒露风初日、日数及站次的周期变化及对气候变化的响应进行了研究[13]。但以上研究均针对人工栽插、抛秧等移栽方式为主的晚稻,针对直播晚稻寒露风灾害特征的研究尚未见报道。我们以江西87个气象站1961～2018年的气象资料为基础,采用气候分析方法,研究了适用于直播方式的早稻倒春寒、晚稻寒露风的灾害特征,旨在为双季直播栽培模式水稻的减灾保产提供科学依据。

1 数据与方法

气象数据来源于江西87个国家气象站(全省共有89个站,剔除庐山、井冈山2个高山站,余87个站)1961～2018年共计58年的气象监测资料。

倒春寒灾害判别标准:根据直播早稻对气温条件的要求以及低温对直播稻秧苗生长的影响[16,18],确定本文中倒春寒灾害指标：当3月20日～4月20日间日平均气温≤12 ℃、持续天数≥5 d时,判定为1次倒春寒过程。

寒露风灾害判别标准:采用江西省地方标准DB36/T 511─2018《双季稻气象灾害指标》[17]中的规定。江西目前种植的直播晚稻品种多集中于9月抽穗扬花[19],因此灾害判别时段定为9月1～30日。

倒春寒发生频率:某站发生倒春寒的年数占总年数的比例。

倒春寒发生范围比例:某年份发生倒春寒的站点数量占总站数的比例。在本研究中，局部地区发生指1%～10%的站点发生了灾害;部分地区发生指11%～80%的站点发生了灾害;全省普遍发生指80%及以上的站点发生了灾害。

倒春寒强度:倒春寒灾害持续时间越长、发生范围越大,对直播早稻的影响程度越大。但目前尚未见明确的江西直播早稻倒春寒等级划分标准,因此采用累计站天数表征每年寒露风的强度。具体计算方法：逐年逐站计算倒春寒持续天数;当平均气温≤12 ℃的持续天数不足5 d时,未达到倒春寒灾害标准,不予统计;当平均气温≤12 ℃的持续天数超过5 d时,以最长持续天数作为灾害持续天数。某年内所有站点倒春寒最长持续天数之和为该年倒春寒灾害的累计站天数。累计站天数指标兼顾了倒春寒持续时间和发生范围,可以较好地反映倒春寒的强度。归一化后得到倒春寒强度指数,用于分析倒春寒强度的年际变化特征。

寒露风强度:寒露风灾害等级已有轻、中、重3级明确的划分,每年可能发生多次不同等级的寒露风灾害。考虑到灾害等级越高,灾害强度越大,因此对不同等级的灾害持续天数赋予阶梯权重,最终确定每年的寒露风强度指数Z，其具体计算公式如下:

Z=k1×D1+k2×D2+k3×D3

上式中：D1、D2、D3分别为1级(重度)、2级(中度)、3级(轻度)的持续天数;k1、k2、k3分别为1级、2级、3级的影响权重,分别取值4、2、1。

2 结果与分析

2.1 倒春寒的灾害特征

2.1.1 倒春寒发生频率的空间分布特征 统计1961～2018年间各台站倒春寒的发生频率,结果表明：江西全省倒春寒的平均发生频率为38%；在不同地区间倒春寒发生频率差异较大,瑞昌、德安、安义、彭泽、铜鼓、湖口、武宁等站的倒春寒发生频率较高,达50%～57%,主要位于赣西北地区；赣南中南部的发生频率较低,低于20%；其余大部分地区的发生频率为30%～50%,西部高于东部。

58年间倒春寒灾害发生频率的前后差异十分明显,分前28年、近30年分别绘制了灾害频率分布图(图1)。在前28年,赣北赣中大部倒春寒发生频率在50%以上,赣中南部、赣南北部、赣东北部分地区在40%～50%,赣南中南部低于40%。近30年,全省仅赣北北部个别站的发生频率达50%,赣西北、赣中西部为30%～50%,其余普遍低于30%。30%频率的分界线由赣南北扩至赣北大部。

图1 前28年(左)和近30年(右)倒春寒发生频率比较

2.1.2 倒春寒发生范围的年际变化特征 统计了逐年倒春寒灾害的发生范围,分析了倒春寒灾害的年际变化特征。结果(表1)表明：在1961～2018年58年间中,有29%的年份全省未发生倒春寒灾害;有21%的年份在局部地区发生了倒春寒灾害;有22%的年份在部分地区发生了倒春寒灾害;有29%的年份在全省普遍发生了倒春寒灾害。其中,全省性倒春寒灾害在20世纪80、90年代发生最为频繁,在20年中有5年均发生了全省性倒春寒。在2000年以后倒春寒灾害呈明显减少的趋势,在18年间仅2004年发生了全省性倒春寒。

表1 1961～2018年江西倒春寒灾害发生范围的统计结果

从图2可以看出：倒春寒灾害的发生范围在年际间呈显著的下降趋势(P<0.05)；在20世纪60年代，倒春寒灾害的发生范围最大,全省平均58%的站点发生了倒春寒灾害;80、90年代次之,平均有52%的站点发生了倒春寒灾害;70年代倒春寒的发生范围较小,平均37%的站点发生了倒春寒灾害；自2001年以来灾害发生范围明显减少,2001～2010年、2011～2018年分别仅有14%、11%的站点发生了倒春寒灾害。

图2 1961～2018年倒春寒灾害发生范围的年际变化

2.1.3 倒春寒灾害强度的变化特征 计算历年倒春寒累计站天数,归一化处理后分析倒春寒强度。结果(图3)表明：在58年期间全省的倒春寒强度以1996年为最强,累计站天数达1027;1992、1988、1976年分别排第2、3、4位,累计站天数分别为919、871、868；在58年间倒春寒强度指数呈减弱的趋势。

图3 1961～2018年倒春寒强度指数的年际变化

在各年代间倒春寒灾害持续天数存在明显差异，在20世纪90年代持续天数最长,累计站天数为393站天;60年代、80年代的倒春寒灾害持续天数接近,分别为325、324站天;70年代较少,为221站天；在2001年以后,持续天数较上世纪明显减少，在2001～2010和2011～2018年期间的累计站天数分别仅有77和58站天。

倒春寒持续天数最长为17 d,分别发生在1976年3月20日至4月5日和1996年3月20日至4月5日,发生区域为赣北、赣中。共有7年发生了区域性持续10 d以上的倒春寒灾害,分别为1965年(41站)、1976年(36站)、1987年(25站)、1988年(66站)、1991年(11站)、1992年(77站)、1996年(72站),详见表2。在2000年以后全省均未发生持续10 d以上的倒春寒灾害。

表2 江西省持续10 d以上的倒春寒过程

2.2 寒露风的灾害特征

2.2.1 寒露风发生频率的空间分布特征 分所有级别、重度、中度、轻度级别,分别统计了各站寒露风灾害的发生频率。结果表明：在9月1～30日间江西省寒露风灾害发生十分频繁；其中赣西北的发生频率最高,在90%以上,即几乎每年都会发生寒露风灾害；赣南大部及赣东北局部的发生频率较低,为50%～70%；其余地区的发生频率居中，为70%～90%(图4)。

图4 江西不同等级的寒露风灾害发生频率

寒露风发生程度以轻度和中度为主，其中轻度发生频率以30%～40%为主,南部高于北部；中度发生频率以30%～50%为主,北部高于南部；重度寒露风发生频率很低,在58年中仅资溪、宜黄、宜春、萍乡、宁冈、莲花等6站达10%～29%,其余站点均低于10%。

2.2.2 寒露风发生范围的年际变化特征 统计了逐年寒露风灾害的发生范围,分析了寒露风灾害的年际变化特征,见图5。结果表明,在1961～2018年间,平均每年有76%的站点发生了寒露风灾害,其中平均5%的站点发生了重度寒露风。

在不同年份之间,寒露风发生站点比例差异十分差著。有63%的年份在全省普遍发生了寒露风灾害，有28%的年份在部分地区发生了寒露风灾害，有9%的年份在局部地区发生了寒露风灾害。其中重度寒露风发生年份较少,有62%的年份所有站点均未发生重度寒露风,有24%的年份(14年)在局部地区发生了重度寒露风,有14%的年份(8年)在部分地区发生了重度寒露风，详见表3。

表3 1961～2018年江西寒露风灾害发生范围的统计结果

在整个研究期内，寒露风发生站点比例的变化趋势不明显。从各年代平均来看,20世纪70、80、90三个年代的平均发生范围接近,约占87%;2001～2010、2011～2018两个时段的平均发生范围接近,约占57%。重度寒露风的年代际特征与所有等级寒露风的不同,在2001～2010年发生站点比例最高,平均达7.2%;而在2011～2018年又降到了2.2%，详见表4。

表4 不同年代寒露风灾害发生站点所占比例 %

2.2.3 寒露风灾害强度的变化特征 统计每年各站寒露风强度指数之和,归一化后绘制了寒露风强度的年际变化图。由图6可见：在1961～2018年期间寒露风累积强度指数呈一定的下降趋势,但不显著；从70年代后期至90年代,寒露风强度指数的年际间变化幅度最大；从60年代至70年代，以及在2000年以后年际变化幅度较小；2014年以后寒露风强度指数持续低于平均值。

图6 寒露风强度指数的年际变化

寒露风强度排前10位的年份依次为1980、1997、1988、2006、1994、1967、1982、2002、1979、1965年,出现在80年代的有3次,出现在60年代、90年代、2001～2010年的各有2次,出现在70年代有1次;在2011年以后尚未出现比较强的寒露风灾害。主要低温时段出现在9月中旬和下旬,少数年份出现在9月上旬。发生范围均为全省性寒露风,在1997、1988年发生重度等级寒露风的范围达30～31站(表5)。

表5 江西寒露风强度居前10位的年份

3 结论与讨论

过去58年江西直播早稻倒春寒灾害平均发生频率为38%,赣西北山区最高,赣南最低;总体分布北部高于南部、西部高于东部,这反映出江西省东部、南部地区更适于发展直播早稻。近30年与前28年相比,倒春寒发生频率全省平均下降了24个百分点,30%频率的分界线由赣南北扩至赣西北;倒春寒灾害强度呈下降趋势,1996年以来未出现持续10 d以上的严重倒春寒灾害。说明江西直播早稻倒春寒灾害对气候变化的响应显著,这也与近年来直播稻比例不断增加的现象[2]一致。

直播晚稻寒露风灾害发生程度以轻度和中度为主,频率一般为30%～50%;重度寒露风发生频率较低,大部分地区的重度寒露风发生频率低于10%。在58年间，寒露风轻、中度灾害的发生范围大,重度灾害的发生范围小,约有24%的年份在局部地区发生了重度寒露风，有14%的年份在部分地区发生了重度寒露风,未出现全省普遍性的重度寒露风灾害。寒露风灾害强度呈下降趋势,2014年以后寒露风强度指数持续低于平均值。以上研究结果与刘文英、刘丹等[13,15]的研究结果总体一致。

在全球气候变暖的大背景下,虽然江西倒春寒、寒露风灾害均有一定程度的减轻趋势,但因极端气候事件发生频率加大,采用直播方式播种的双季稻仍有可能遭遇较为严重的低温灾害,需加以警惕。在播种前,应尽可能选用抗低温品种,在品种搭配上要选择“早熟+迟熟”或“中熟+中熟”组合,并合理安排播期,直播早稻不早于3月下旬,直播晚稻不迟于7月下旬,以降低遭遇倒春寒和寒露风灾害的风险。当直播早稻在播种后遇倒春寒天气时,可以利用水传热比较均匀、遇冷水时水温下降缓慢的特点,在降温前进行灌水防寒护秧,采取“夜灌日排”、“晴排雨灌”的措施调节田间小气候[20]。当直播晚稻遇到寒露风灾害时,可以在降温前对尚未抽穗或始穗的田块灌4～10 cm的深水层[1],同时可喷施叶面肥提高植株的抗逆能力;对受寒露风影响而出穗迟缓的田块,可在始穗期喷施调节剂以加快抽穗进度;另外在寒露风来临时可在上午9：00水稻开花前和下午15：00水稻收花后,在田间进行人工喷灌,至温度回升时停止,这样可以减少叶片干枯,防止花粉、柱头干枯而促进授粉。