两系杂交水稻南繁制种安全敏感期低温过程的气候特征

吴 慧，陈小敏，邢彩盈，朱晶晶，吴胜安，胡德强

（海南省气候中心/海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

两系杂交水稻制种对气象条件依赖性高[1-3]，其中，不育系育性敏感期温度是决定水稻不育系育性是否恢复，即繁殖能否成功最关键的气象指标[4-7]。根据笔者在三亚等南繁基地的走访调查，常年3月15日至4月15日是我国南繁水稻两系不育系育性安全敏感期，若该时期出现连续3 d日平均气温低于23 ℃，或气温小于20 ℃持续12～24 h，将对部分两系不育系育性安全造成影响，进而影响制种种子纯度，造成公司及制种农户财产损失。前人对海南南繁基地的气象条件进行过一些研究，如翁锦辉[8]对三亚市10月至次年4月的农业气候条件进行了初步分析；陈汇林等[9]利用海口、琼中、三亚3个国家气象观测站的日照和温度资料，初步分析了两系杂交水稻不育系在海南岛北部、中部和南部繁殖的气候适宜性；肖应辉等[10]利用陵水和三亚国家气象观测站建站至2000年的资料，分析了两地杂交水稻不同不育起点温度的水稻低温敏核不育系海南冬季繁殖的安全系数；陈小敏等[11]则利用两系杂交水稻不育系育性敏感期和抽穗杨花期的温度指标，结合综合评判法，给出海南岛两系杂交水稻南繁的气候适宜性区划图；姚克敏等[12]在鉴定‘培矮64s-05’育性指标的基础上，结合三亚1959—1988年逐日气温、日照资料和生育期预测模型，给出该品种的最佳抽穗期和播种期决策意见。前人的研究中，尚未有专门针对南繁4个主要市县水稻两系不育系育性安全敏感期的低温过程的详细分析。笔者利用1961—2020年的气象观测资料，研究了海南岛南部4个主要的南繁制种市县两系制种育性安全敏感期低温过程的基本气候特征及其变化规律，以期为气候变暖背景下两系杂交水稻不育系南繁的生产安排提供参考，并为下一步的南繁水稻两系繁殖育性转育敏感期的低温过程预测、南繁种业气象灾害风险研究[13]、以及南繁制种水稻保险[14-15]的开展提供气候背景资料。

1 材料与方法

1.1 资料来源和处理 本研究所用资料为海南省东方、乐东、陵水和三亚等4个国家级气象观测站1961—2020年的逐日平均气温资料，以及乐东、陵水、三亚的国家级气象观测站迁站后在原站址布设的区域自动站建站至2020年逐日平均气温资料。资料来源于海南省气象信息中心。由于国家站迁站后的数据与迁站前的数据存在不均一性，故在低温统计时，迁站后的数据用原站址的区域自动站数据代替。

1.2 研究方法 参考在三亚等南繁基地开展气象服务调研时获取的低温致灾阈值，同时考虑到南繁4个市县国家级气象观测站的气温在更换自动观测仪器之前的很长时间里有的站并没有逐小时观测资料，无法使用气温＜ 20 ℃ 持续 12～24 h的指标。因此，定义两系杂交水稻南繁制种安全敏感期低温过程为：3月15日至4月15日期间，连续 3 d 日平均气温＜ 23 ℃，或者 1～2 d 日平均气温＜ 20 ℃即为1次低温过程。利用FORTRAN语言编程统计并分析不同市县两系杂交水稻制种安全敏感期低温过程的气候特征。

两系杂交水稻育性安全敏感期低温气候风险等级参考GB/T 32779—2016中的5级等级标准（表1）。具体的计算公式：

式中，P为不育系育性安全敏感期间出现超过临界低温指标气象事件的概率，N为不育系育性安全敏感期间出现超过临界低温指标气象事件的年数，L为气候资料总年数。

利用线性倾向估计方法分析低温过程的气候变化趋势[16]。用yi表示样本为n的某气候变量，xi表示时间样本序列号，建立一元线性回归方程：

式中，a为回归系数，b为该线性回归中的趋势变化率(气候倾向率)，当b＞0时表示线性趋势上升，反之表示线性趋势下降。可通过计算xi与yi之间的相关系数来检验该变化趋势是否显著。

利用小波分析方法[16]分析低温过程的时频特征。小波分析能够获得低温过程的某个周期在哪一段时间最为显著，具有良好的时-频分辨性。小波变换公式及其逆变换公式为：

式中，W为小波变换系数，x为原序列，φ为小波基函数，C为常数，a为缩放参数，b为平移参数。本研究使用的小波基函数为Morlet小波变换。

2 结果与分析

2.1 时间分布特征 4 个市县两系杂交水稻南繁制种安全敏感期多年平均低温日数为3.6 d·a-1。从其逐候平均低温日数分布可以看出，3月第4候平均低温日数最多，60年中共出现了254 d低温天气，平均每个市县每年约为1.1 d，至3月第5候有所回落，平均为 0.8 d·a，3月第 6 候上升至 1.0 d·a，之后迅速回落，4月第1候至第3候，从0.4 d·a降至 0.1 d·a（表2）。分市县看，不同市县逐候低温日数的时间分布演变特征相似，但东方的平均低温日数相对最多，其次是乐东，三亚最少，陵水次少。

表2 南繁4个市县两系杂交水稻制种安全敏感期逐候平均低温日数分布(1961—2020年)

进一步对3月15日至4月15日各市县逐日低温日数的时间分布进行分析，发现近60年来，东方、乐东和陵水低温日数的高峰值均出现在3月26日，次高峰值一般出现在3月17日，三亚的高峰值则出现在3月17日，次高峰值出现在3月27日。可见对于南繁4个市县来说，3月26日前后和3月17日是低温的高发期。这种时间分布特征还存在明显的年代际变化，最近10年，低温的高发期主要出现在3月下旬，其中，东方、乐东和陵水主要出现在3月24—26日，三亚出现在3月25—28日。

2.2 不同持续时间出现概率 4 个市县两系杂交水稻南繁制种安全敏感期历次低温过程持续时间差异大，最短的仅 1 d，最长的 15 d。历次过程平均持续时间东方为5.0 d，陵水、三亚、乐东分别为4.3、3.9、4.5 d。各地低温持续时间在 3～4 d 之间的概率最大，约占过程总数的50%～80 %，其次是持续时间在5～7 d之间的概率，约占过程总数的17%～36 %。大于10 d的长时间低温过程和小于3 d的超短低温过程只出现在东方和陵水，出现概率均不足10 %（图1）。其中，东方最长低温过程持续 15 d（出现在1970年和 2011年），陵水、三亚和乐东分别为11、7和10 d，均出现在2011年。

图1 4个市县制种安全敏感期低温过程不同持续持续时间出现概率

2.3 低温过程的气候变化

2.3.1 低温过程次数 1961 年以来，4 个市县制种安全敏感期低温过程次数有显著的线性变化趋势、年际波动和阶段性变化，且各市县不完全一致。由图2-a可知，自1961年以来，东方低温过程次数大约以每10年0.2次的速率显著减少(P＜0.05)。东方低温过程次数最多的年份达到4次（1979、1988、2005年），最少的年份 0次，共计 11年；从1979—1980年，低温过程次数从4次下降至0次。1961至1988年低温过程次数基本处于偏多阶段，此阶段共有2年出现了4次低温过程、5年出现了3次低温过程，仅有3年未出现低温过程；1989—2020年大致处于低温过程次数偏少阶段，期间仅有1年出现了4次低温过程，但有8年未出现低温过程。自1961年以来，陵水低温过程次数以每10年0.2次的速率显著减少(P＜0.01)。低温过程次数最多的年份达3次（1963年和1974年），最少的年份0次，共计34年；其中，1973—1974年，低温次数从0次急剧上升至3次。低温过程次数在1961至1985年基本处于偏多阶段，有7年出现了2～3次低温过程，有9 年无低温过程出现；1986—2020年基本处于偏少阶段，仅有1年出现了2次低温过程，但有25年无低温过程出现（图2-b）。自1961年以来，三亚低温过程次数以每10年0.1次的速率显著减少(P＜0.01)。低温过程次数最多的年份达3次（1963年），有45年无低温过程出现；1963—1964年，低温过程次数从3次急剧下降至0次。1961—1985年低温过程次数基本处于偏多阶段，有3年出现了2～3次低温过程，8年出现了1次低温过程，有14年无低温过程出现；1986—2020年基本处于偏少阶段，仅有1年出现了2次低温过程，3年出现了1次低温过程，但有31年无低温过程出现（图2-c）。自1961年以来，乐东低温过程次数以每10年0.2次的速率显著减少(P＜0.01)。低温过程次数最多的年份也达3次（1963，1974），有近半数年份没有低温过程出现；1973—1974年，低温过程次数从0次急剧跃升为3次。1961—1995年基本处于偏多阶段，35年中有2年出现了3次低温过程、6年出现了2次低温过程，有10年无低温过程出现；1996—2020年基本处于偏少阶段，25年中仅有1 年出现了2次低温过程，但有19 年无低温过程出现（图2-d）。

图2 4个市县制种安全敏感期低温过程次数的逐年变化

2.3.2 低温过程总日数 自 1961 年以来，4 个市县两系杂交水稻南繁制种安全敏感期低温过程总日数也有显著的线性变化趋势、年际波动和阶段性变化。

东方低温过程总日数以每10年1.0 d的速率显著减少(P＜0.05)。年低温过程总日数最多的年份达 21 d（1970 年和 2011 年），最少的年份 0 d；从1973—1974年，低温过程总日数从0 d迅速上升至20 d。与该市低温过程次数的阶段性变化不同的是，其低温过程总日数在1961—1995年期间大致处于偏多阶段，有9年出现了14～21 d的低温，3年低温总日数为0 d；1996—2020年低温过程总日数大致处于偏少阶段，仅有2年出现了14 d以上的低温，但有8年低温总日数为0 d（图3-a）。陵水低温过程总日数以每10年减少0.9 d的速率显著减少(P＜0.01)。低温过程总日数最多的年份达 18 d（1963 年），最少的年份 0 d；从 1963—1964年，低温过程总日数从18 d急剧下降至4 d。低温过程总日数的阶段性变化与其低温过程次数的阶段性变化相同（图3-b）。三亚低温过程总日数以每10年0.5 d的速率显著减少(P＜0.05)。低温过程总日数最多的年份达11 d（2011年），最少的年份 0 d；2010—2012 年，低温过程总日数从 0 d急剧上升至11 d再急剧下降至0 d。该市低温过程总日数的阶段性变化与其低温过程次数的阶段性变化相同（图3-c）。乐东的低温过程总日数以每10年0.9 d的速率显著减少(P＜0.01)。低温过程总日数最多的年份达16 d（1974年），最少的年份 0 d；1974—1975 年，低温过程总日数从 16 d 急剧下降至0 d。该县低温过程总日数的阶段性变化与其低温过程次数的阶段性变化不同，它大致在 1961—1985年期间处于偏多阶段，1986—2020年期间处于偏少阶段（图3-d）。

图3 4个市县制种安全敏感期低温过程总日数的逐年变化

2.3.3 低温过程最长持续时间 自 1961年以来，4个市县两系杂交水稻南繁制种安全敏感期低温过程最长持续时间也有显著的线性变化趋势、年际波动和阶段性变化。但它们与低温过程次数、总日数的变化各有异同。

东方低温过程最长持续时间以每10年0.7 d的速率显著减少(P＜0.01)。最长低温过程持续时间达到15 d（1970年和2011年）；波动最剧烈的年份出现在2010—2012年，低温过程最长持续时间从 4 d 增加到 15 d 再减少到 4 d。其阶段性变化与该市低温过程总日数的变化相似，1961—1994年基本处于偏长阶段，1995—2020年基本处于偏短阶段（图4-a）。陵水低温过程最长持续时间以每10年0.6 d的速率显著减少(P＜0.01)。最长低温过程持续时间达11 d（2011年）；波动最剧烈的年份与东方相同，其低温过程最长持续时间从2010 年的 3 d 增加到 2011 年的 11 d 再减少到2012年的3 d。其阶段性变化与该县低温过程次数、总日数的阶段性变化不同，1961—1994年和2010—2018年基本处于偏长阶段，1995—2009年则处于偏短阶段（图4-b）。三亚低温过程最长持续时间以每10年0.4 d的速率显著减少(P＜0.01)。其最长低温过程持续时间达7 d（2011年）；波动最剧烈的年份与东方、陵水相同。其阶段性变化与该市低温过程平均持续时间、总次数的阶段性变化不同，1961—1994年为偏长阶段，1995—2020年基本为偏短阶段（图4-c）。乐东低温过程最长持续时间以每10年0.6 d的速率显著减少(P＜0.01)。其低温过程持续时间最长的年份达10 d（2011年）；1973—1974年、1984—1986年波动均较为剧烈。其阶段性变化与东方、三亚的变化相似，1961—1995年基本处于偏长阶段，1996—2020年基本处于偏短阶段（图4-d）。

图4 4个市县制种安全敏感期低温过程最长持续时间的逐年变化

可见，随着气候变暖，虽然4个市县制种安全敏感期低温过程的次数、总日数和最长持续时间总体均有减少和缩短的趋势，但2010年以来仍然出现平均低温过程次数偏多的气候事件（2010、2011、2016、2018年）和个别突破历史极值的长低温过程气候事件（2011年），对水稻制种产量提升不利。

2.3.4 低温过程出现范围 以发生低温的站数占总站数的百分比作为低温过程出现范围的度量，发现自1961年以来，4个市县制种安全敏感期低温过程的出现范围总体上呈现线性显著减小趋势（P＜0.001）。其中，1961—1995 年期间基本为范围偏大阶段，1995年之后基本处于范围偏小阶段（图5）。但值得警惕的是，继1996—2009年的小范围低温时期过后，2010年开始的11年中有5年出现了大范围低温过程（百分比≥75%）。

图5 4个市县制种安全敏感期低温过程出现范围的逐年变化

2.3.5 制种育性安全敏感期低温气候风险等级考虑到目前不育系育性安全敏感期的实际时间为3月15日至4月15日期间的 15～20 d，各地开始时间也不完全一致，故逐日滚动统计分析3月15日至4月15日期间，每个15 d的低温气候风险等级。1961—2020年期间，大部分时段4个市县不育系育性安全敏感期的低温气候风险等级均比较高，平均达到5级，仅三亚在3月30日至4月15日期间的3个滑动15 d处于四级风险。在气候变暖背景下，各市县低温气候风险等级总体有减小趋势，最近10年，3月30日至4月15日期间三亚和乐东处于1级低气候风险等级，4月1日至15日期间陵水处于1级低气候风险等级，但其余时段、其余市县仍处于5级的高风险等级。

2.3.6 低温过程周期分析 4个市县平均低温过程次数主要在1970年代的前中期和1980年代中期出现准 2～3 年的显著周期，以及在 2006—2014年期间出现准5～7年的显著周期（图6-a）。4市县平均低温过程总日数主要在1970年代前中期、1980年代中期出现准2～3年的显著周期，在1960年代后期至1970年代后期出现准7～8年的显著周期，在2006—2014年期间出现准4～7 年的显著周期（图6-b）。4市县平均低温过程最长时间的周期与4市县平均低温过程总日数的周期相似。

图6 4个市县平均低温过程次数(a)和平均低温过程总日数(b)的小波分析图

3 结 论

利用海南岛东方、乐东、陵水、三亚4个市县的逐日气象观测站资料，分析了1961—2020年期间南繁水稻两系制种育性安全敏感期低温过程的气候特征及其变化规律，得出如下结论：

（1）南繁4个市县制种安全敏感期多年平均低温日数为3.6 d·a-1。低温日数从多到少依次是东方、乐东、陵水、三亚。近60 年平均低温日数最多时期主要出现在3月4候和3月6候，特别是3月26日前后和3月17日是低温的高发期；但最近10年低温高发期主要出现在3月24—26日。

（2）近60年南繁4个市县制种安全敏感期低温过程持续3～4 d的概率最大，约占过程总数的50%～80 %，其次是持续 5～7 d 的概率，约占过程总数的17%～36 %。大于10 d的长低温过程和小于3 d的超短低温过程只出现在东方和陵水，出现概率均不足10 %。

（3）自1961年以来，南繁4个市县制种安全敏感期低温过程次数、总日数、最长持续时间、出现范围均具有明显的年际波动和阶段性变化，并且均呈现出显著的线性减少、缩短、减小趋势。但2010年后，仍然出现若干平均低温过程次数偏多的气候事件和个别突破历史极值的长低温过程气候事件，有近半数年份出现了大范围低温过程。在气候变暖背景下，近10年部分市县、部分时段两系杂交水稻制种育性安全敏感期低温气候风险由最高等级下降为最低等级。

（4）4个市县平均低温过程次数、总日数和最长持续时间的显著周期均为10年以下的短周期，主要出现在1970年代的前中期、1980年代中期和2006—2014年期间。

（5）在南繁水稻制种生产过程中，需密切关注制种安全敏感期重要天气气候过程、农业气象灾害监测预警及其变化背景等信息，尽早采取有效措施，规避天气和气候变化带来的风险，提高南繁水稻制种适应天气和气候变化的能力，实现南繁种业健康持续发展。