唐國敏 劉永裕 黃維

摘要：分析柳州市高溫熱害的發(fā)生規(guī)律及其與水稻產(chǎn)量波動的關(guān)系，為合理安排水稻生產(chǎn)和防御高溫熱害提供科學參考。利用柳州市8個氣象觀測站1960—2014年的氣象資料，分析高溫熱害發(fā)生頻次的時空分布規(guī)律。同時，結(jié)合柳城縣、鹿寨縣2003—2016年的早稻統(tǒng)計產(chǎn)量資料，分析高溫熱害對早稻產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，高溫熱害年際發(fā)生規(guī)律主要由1960—1980年和1981—2009年兩個時段構(gòu)成，兩個時段內(nèi)都表現(xiàn)先減后增的變化趨勢，且輕、中、重和總高溫熱害頻次主要存在著一個1～4年尺度周期變化，集中發(fā)生在1980年。研究區(qū)高溫熱害南多北少，但總體頻次和強度不大，其中以2010年對柳州市南部早稻產(chǎn)量影響最為明顯。

關(guān)鍵詞：高溫熱害；年際變化；小波分析；產(chǎn)量

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）20-0069-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.015 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract： The analysis of regularity of heat damage in Liuzhou and its relationship with the fluctuation of rice yield could provide a scientific reference for rational arrangement of rice production and the defense of heat damage. Meteorological data of 8 meteorological stations from 1960 to 2014 were collected to analyze the temporal and spatial distribution of the occurrence frequency of heat damage. Meanwhile， with the statistical yield data of early rice in Liucheng county and Luzhai county from 2003 to 2016， the effects of heat damage on the yield of early rice were analyzed. The results showed that the annual occurrence of heat damage was mainly divided into two periods， namely 1960-1980 and 1981-2009. In the two periods， heat damage showed a first decreasing and then increasing trend. The frequency of light， medium， heavy and total heat damage mainly existed a period of 1～4 year scale which occur in 1980. Heat damage presented much severer in the south of study area than in the north. The total frequency and intensity were not significant. But there was a significant impact on the early rice yield in the south of Liuzhou in 2010.

Key words： heat damage； annual change； wavelet analysis； yield

高溫熱害是影響中國南方地區(qū)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[1]，由于其具有發(fā)生頻率高、強度大、影響范圍廣的特點，受到氣象部門和農(nóng)業(yè)部門的關(guān)注。水稻在抽穗開花期對高溫最為敏感，在灌漿期次之[2]。如果水稻于抽穗開花期遭遇高溫熱害，則易造成水稻穎花不育，受精過程被破壞，最終導致結(jié)實率下降[3，4]；而在灌漿期高溫熱害主要以高溫逼熟的形式影響水稻正常灌漿，由于加速了水稻的灌漿進程，縮短了灌漿時間，導致干物質(zhì)累積降低，最終子粒灌漿不飽滿、粒重減輕，此外，高溫逼熟還會造成米粒疏松，碎米率提高，堊白度增加，嚴重影響了水稻的品質(zhì)[5]。

根據(jù)統(tǒng)計，柳州市6月開始高溫日數(shù)增多，7、8月高溫日數(shù)最多[6]，早稻一般于6月下旬抽穗開花，7月下旬成熟，如在此期間遭遇高溫熱害，將直接影響早稻的最終產(chǎn)量。目前，除北部高寒山區(qū)種植一定面積的單季稻外，柳州市水稻種植主要以雙季稻為主，其中早稻常年播種面積約6萬hm2，占稻谷播種面積的45.9%，產(chǎn)量約34.8萬t，占稻谷總產(chǎn)量的47.0%，因此，早稻產(chǎn)量的高低將直接影響全市稻谷產(chǎn)量的增減。隨著全球氣候變暖的進一步加劇，柳州市夏季極端高溫天氣出現(xiàn)的頻率呈增加趨勢，高溫熱害時有發(fā)生，嚴重影響了柳州市水稻的正常生產(chǎn)。不同學者已經(jīng)對長江中下游地區(qū)一季稻高溫熱害做了大量研究[1-6]，關(guān)于雙季稻早稻高溫熱害研究較少，因此，本研究嘗試分析柳州市早稻抽穗開花期的時空分布規(guī)律，旨在為柳州市早稻高溫熱害的防御和優(yōu)化生產(chǎn)布局提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風氣候，由于受季風環(huán)流影響，夏半年盛行偏南風，高溫、高濕、多雨，冬半年盛行偏北風，寒冷、干燥、少雨。夏長冬短、雨熱同季，光、溫、水氣候資源豐富，但地區(qū)差異較大，北部各縣具有較明顯的山地氣候特征。截至2016年，早稻播種面積達6.1萬hm2，約占當年稻谷播種面積的46%，單產(chǎn)平均為5 700 kg/hm2[7]。柳州市共有8個國家氣象觀測站，其空間分布如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)

從柳州市氣象局獲取柳江、鹿寨、柳州、沙塘、柳城、融安、融水和三江共8站1960—2014年逐日氣象資料，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度等；選取柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站2001—2016年的雙季早稻生育期觀測資料作為本研究的農(nóng)氣資料，生育期主要包括出苗期、分蘗期、移栽期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期。同時，以生育期的多年平均值作為整個研究區(qū)的生育期數(shù)據(jù)源，平均生育期如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 高溫熱害指標 根據(jù)一季稻高溫敏感期生理學基礎(chǔ)和夏季高溫頻發(fā)時段，參考已有研究成果，將高溫熱害研究時段定為抽穗期前后20 d[8]。根據(jù)前人研究，采用日最高氣溫≥35 ℃且日平均氣溫≥30 ℃定義為1個高溫日，連續(xù)出現(xiàn)3 d以上的高溫日定義為1次高溫熱害，根據(jù)高溫日持續(xù)時間的長短，劃分為不同程度的高溫熱害等級[1]，3～4 d，輕度；5～7 d，中度；≥7 d，重度。

1.3.2 產(chǎn)量資料處理 從柳州市統(tǒng)計局獲取了2003—2016年柳城縣、鹿寨縣早稻統(tǒng)計產(chǎn)量，產(chǎn)量年際變化如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫熱害年際變化規(guī)律

圖3a、圖3b、圖3c、圖3d分別為輕度、中度、重度、總高溫熱害頻次的年際變化規(guī)律，并采用多項式擬合高溫熱害時間變化趨勢。從圖中可以看出，輕度高溫熱害頻次年際變化規(guī)律有一定的周期性，具體可分為1960—1980年和1981—2009年兩個時段，都呈現(xiàn)出先減后增的變化趨勢，1965和1995年擬合曲線處于谷值，而1960、1980和2009年為峰值期，在2010年后又快速下降，整個研究時段內(nèi)輕度高溫熱害平均頻次為0.275次/站，發(fā)生頻次最多的年份為1985年，達1.125次/站，但有19個年份未出現(xiàn)過輕度高溫熱害，占34.5%；中度高溫熱害變化趨勢總體跟輕度高溫熱害大體一致，可分為兩個時段，但變化趨勢稍緩，整個研究時段內(nèi)中度高溫熱害平均頻次為0.073次/站，發(fā)生頻次最多的年份為1985年，達0.750次/站，但有38個年份未出現(xiàn)過中度高溫熱害，占69.0%；重度高溫熱害變化趨勢不明顯，發(fā)生的頻次較低，僅有9個年份發(fā)了重度高溫熱害，占16.4%，頻次最多的年份為1978年，達0.625次/站，1965—1974年和1986—2002年都未出現(xiàn)重度高溫熱害；總高溫熱害變化趨勢與輕度高溫熱害基本一致，整個研究時段內(nèi)總高溫熱害平均頻次為0.393次/站，發(fā)生頻次最多的年份為1985年，達2.125次/站，有19個年份未出現(xiàn)過高溫熱害，占34.5%，且與未出現(xiàn)輕度高溫熱害年份對應(yīng)，即未發(fā)生輕度高溫熱害的年份也未曾發(fā)生過中度、重度高溫熱害。

2.2 高溫熱害周期變化規(guī)律

高溫熱害的連續(xù)小波功率譜見圖4，其中粗黑線包圍的范圍通過了α=0.05顯著性水平下紅色噪音標準譜的檢驗，細黑線為影響錐型曲線。從圖4中可以看出，輕度高溫熱害發(fā)生頻次存在著1～4年和7年尺度的顯著周期變化，其中，1～4年尺度周期變化主要發(fā)生在1982-1987年，7年尺度周期變化主要發(fā)生在1998-2005年，兩尺度的能量都較強，但7年尺度周期的部分發(fā)生年份處于影響錐形曲線以外；中度高溫熱害發(fā)生頻次存在著1～4年和6年尺度的顯著周期變化，但6年尺度周期的發(fā)生年份基本都處于影響錐形曲線以外，其中，1～4年尺度周期變化主要發(fā)生在1984-1988年；重度高溫熱害發(fā)生頻次存在著1～4年和4～7年尺度的顯著周期變化，但4～7年尺度周期的發(fā)生年份全部處于影響錐形曲線以外，其中，1～4年尺度周期變化主要發(fā)生在1975-1982年，且能量較強；總高溫熱害發(fā)生頻次存在著1～4年和6～8年尺度的顯著周期變化，其中，1～4年尺度周期變化主要發(fā)生在1982-1987年，6～8年尺度周期變化主要發(fā)生在1999-2010年，但6～8年尺度周期的發(fā)生年份基本都處于影響錐形曲線以外。

通過以上分析可知，輕度、中度、重度和總高溫熱害頻次主要存在著一個1～4年尺度周期變化，能量最強，且發(fā)生年份主要為1980年，7年左右尺度周期隨著高溫熱害等級升高發(fā)生年份往后推移，并逐漸跳出影響錐形曲線。

2.3 高溫熱害的空間分布

柳州市高溫熱害發(fā)生頻次的空間分布見圖5。從圖5可以看出，輕度高溫熱害發(fā)生頻次在0.18～5.27次/10年，平均值為2.76次/10年，南北差異明顯，從南到北逐漸遞增，其中以研究區(qū)東南方向的鹿寨地區(qū)輕度高溫熱害發(fā)生頻次最多，最高值出現(xiàn)在鹿寨站，達5.27次/10年，三江站發(fā)生頻次最少，僅0.18次/10年；中度高溫熱害發(fā)生頻次在0～1.45次/10年，平均值為0.73次/10年，空間差異顯著，頻次南多北少，但在沙塘站附近存在一個中度高溫熱害的低值區(qū)，研究區(qū)東南方向的鹿寨地區(qū)中度高溫熱害發(fā)生頻次最多，最高值分別出現(xiàn)在鹿寨站和柳州站，均為1.45次/10年，三江站在研究時段內(nèi)未發(fā)生過中度高溫熱害；重度高溫熱害發(fā)生頻次在0～1.27次/10年，平均值為0.46次/10年，南北差異明顯，從南到北逐漸遞減，其中最高值出現(xiàn)在柳州站，達1.27次/10年，三江站和融水站在研究時段內(nèi)未發(fā)生過重度高溫熱害；總高溫熱害發(fā)生頻次在0.18～7.45次/10年，平均值為3.95次/10年，南北差異明顯，從南到北逐漸遞增，其中仍以研究區(qū)東南方向的鹿寨地區(qū)總高溫熱害頻次最多，其次為柳州站和柳城站，最高值出現(xiàn)在鹿寨站，達5.27次/10年，三江站發(fā)生頻次最少，僅0.18次/10年。值得注意的是，處于研究區(qū)南部的沙塘站高溫熱害普遍偏少。

2.4 高溫熱害對產(chǎn)量的影響

以高溫熱害發(fā)生頻次較多的柳城縣和鹿寨縣為研究對象，分析近年來早稻相對氣象產(chǎn)量與高溫熱害的關(guān)系。從圖6可以看出，柳城縣早稻相對氣象產(chǎn)量與高溫發(fā)生熱害頻次大體呈反向波動趨勢，2004、2009、2010、2013年分別出現(xiàn)了2次及以上的高溫熱害過程，2010年最高，出現(xiàn)3次，但以2004和2010年的高溫熱害對柳城早稻產(chǎn)量的影響較為顯著。鹿寨縣2003、2004、2007、2010年均出現(xiàn)了兩次高溫熱害過程，但前3個年份對產(chǎn)量的波動影響不大，僅2010年的高溫熱害對產(chǎn)量影響較大。據(jù)統(tǒng)計，2010年柳城縣3次高溫熱害過程由1次輕度和2次中度等級的高溫熱害構(gòu)成，2010年鹿寨2次高溫熱害過程均是由重度等級的高溫熱害構(gòu)成，該年的高溫熱害是造成當?shù)卦绲緶p產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，其他時段基本都是發(fā)生1～2次的輕、中度高溫熱害，對早稻產(chǎn)量的影響不顯著。

3 小結(jié)與討論

丁一匯等[14]研究表明，在全球變暖的大背景下，中國近50年來的炎熱日數(shù)呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，而近20年上升較明顯。目前，水稻高溫熱害研究主要集中在長江中下游地區(qū)和西南地區(qū)的一季稻，大量研究表明，高溫熱害自20世紀60年代到80年代呈下降趨勢，此后開始呈明顯的上升趨勢[15-19]。但本研究得出，柳州市20世紀60年代和90年代高溫熱害頻次偏低，而20世紀80年代較多，與以上結(jié)論有一定出入，其原因主要有兩點：①研究區(qū)不同。長江中下游地區(qū)、西南盆地地勢平坦，高溫熱害年際變化規(guī)律較為統(tǒng)一，而柳州市多山，北部山地氣候明顯，高溫熱害頻次南北差異顯著，年際變化具有明顯的地域性；②研究對象不同。一季稻抽穗開花期一般于8月下旬開始，而此時是高溫熱害頻次最多、強度最大的時段，而柳州市早稻開花期于6月下旬開始，高溫天氣進入旺期還需一段時間，僅有少數(shù)年份極端高溫天氣集中在該時段，整體來說早稻高溫熱害頻次偏少、強度較低。

柳州市高溫熱害南多北少，其中，北部的三江地區(qū)早稻種植基本不存在高溫熱害威脅，由于該縣山多平地少，平均氣溫較柳州市南部偏低2 ℃左右，早稻生育期內(nèi)熱量水平較差，難以達到高產(chǎn)，雖無高溫熱害，但不適宜早稻大量種植，而以中稻種植較佳。通過對研究區(qū)南部的柳城縣和鹿寨縣高溫熱害與早稻產(chǎn)量關(guān)系分析可知，只有當高溫熱害頻次多、強度大時高溫熱害才成為影響產(chǎn)量的主要因素。高溫和干旱并發(fā)常常是導致水稻減產(chǎn)的重要因素，此外，田間管理、水稻品種以及病蟲害等也是造成最終產(chǎn)量差異不可忽略的因素，因此，最終水稻產(chǎn)量波動是多種因子共同影響的結(jié)果[20]。

針對柳州市南部高溫熱害多發(fā)地區(qū)，安排水稻生產(chǎn)時應(yīng)充分考慮高溫熱害的影響，提高早稻栽培技術(shù)水平，增加水稻高溫熱害的抗逆性，同時，結(jié)合種植制度，合理搭配不同熟性的水稻品種，選擇合理播期，避開花期和灌漿期高溫。此外，在水稻產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期，應(yīng)及時參考當?shù)貧庀蟛块T發(fā)布的農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報，在高溫日來臨前積極采取日灌夜排、噴灌水霧和噴灑化學藥劑等方式改善田間小氣候條件，從而減輕高溫對水稻的危害。

高溫熱害年際發(fā)生規(guī)律主要由1960—1980年和1981—2009年兩個時段構(gòu)成，兩個時段內(nèi)都呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢，且輕度、中度、重度和總高溫熱害頻次主要存在著一個1～4年尺度周期變化，集中發(fā)生在20世紀80年代。研究區(qū)高溫熱害南多北少，但總體頻次和強度不大，其中以2010年對南部早稻產(chǎn)量影響最為顯著。通過對柳州市早稻高溫熱害發(fā)生頻次時空分布規(guī)律以及與產(chǎn)量關(guān)系的分析，可為合理安排水稻生產(chǎn)和防御高溫熱害提供科學參考。

參考文獻：

[1] 高素華，王培娟.長江中下游高溫熱害及對水稻的影響[M].北京：氣象出版社，2009.

[2] 馬 寶，李茂松，宋吉青，等.水稻熱害研究綜述[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（S1）：172-176.

[3] 鄧 運，田小海，吳晨陽，等.熱害脅迫條件下水稻花藥發(fā)育異常的早期特征[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2010，18（2）：377-383.

[4] 張祖建，王晴晴，郎有忠，等.水稻抽穗期高溫脅迫對不同品種受粉和受精作用的影響[J].作物學報，2014，40（2）：273-282.

[5] 曹云英，段 驊，楊立年，等.抽穗和灌漿早期高溫對耐熱性不同秈稻品種產(chǎn)量的影響及其生理原因[J].作物學報，2009，35（3）：512-521.

[6] 張凌云，劉 蕾，王 藝，等.近56a柳州高溫天氣的氣候特征及類型分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2017，38（4）：1-6，117.

[7] 柳州市統(tǒng)計局.柳州統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2017.

[8] 孟 林，王春乙，任義方，等.長江中下游一季稻高溫熱害危險性特征及其對氣候變化的響應(yīng)[J].自然災(zāi)害學報，2015，24（6）：80-89.

[9] QX/T81-2007，小麥干旱災(zāi)害等級[S].

[10] GRINSTED A，MOORE J C，JEVREJEVA S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series[J].Nonlinear Processes in Geophysics，2004，11（5）：561-566.

[11] TORRENCE C，COMPO G P. A practical guide to wavelet analysis[J].Bulletin of the American Meteorological Society，1998， 79（1）：61-78.

[12] YUAN L W，YU Z Y，XIE Z R，et al. Enso signals and their spatial-temporal variation characteristics recorded by the sea-level changes in the northwest pacific margin during 1965-2005[J].Science in China Series D：Earth Sciences，2009，52（6）：869-882.

[13] 蘇宏新，李廣起.基于SPEI的北京低頻干旱與氣候指數(shù)關(guān)系[J].生態(tài)學報，2012，32（17）：5467-5475.

[14] 丁一匯，任國玉，石廣玉，等.氣候變化國家評估報告（Ⅰ）：中國氣候變化的歷史和未來趨勢[J].氣候變化研究進展，2006，2（1）：3-8.

[15] 張 倩，趙艷霞，王春乙.長江中下游地區(qū)高溫熱害對水稻的影響[J].災(zāi)害學，2011，26（4）：57-62.

[16] 謝曉金，李秉柏，李映雪，等.長江流域近55年水稻花期高溫熱害初探[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2009，25（1）：28-32.

[17] 張方方.湖北省水稻高溫熱害發(fā)生規(guī)律的研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2006.

[18] 于 堃，宋 靜，高 蘋.江蘇水稻高溫熱害的發(fā)生規(guī)律與特征[J].氣象科學，2010，30（4）：530-533.

[19] 沙修竹，申雙和，陶蘇林.長江中下游地區(qū)一季稻高溫熱害風險評估與區(qū)劃[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2015，31（5）：1053-1059.

[20] 霍治國，王石立.農(nóng)業(yè)和生物氣象災(zāi)害[M].北京：氣象出版社，2009.