長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害的時(shí)空分布

陳 斐， 楊沈斌，， 申雙和， 張 彌， 趙艷霞

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京210044;3.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

水稻是中國的主要糧食作物之一，其播種面積占糧食作物總面積的1/4，產(chǎn)量接近糧食總產(chǎn)的1/2［1-3］。水稻的安全生產(chǎn)關(guān)系到國家的穩(wěn)定和發(fā)展。然而，中國水稻種植分布廣、生長季長，水稻生產(chǎn)時(shí)常受到多種氣象災(zāi)害的威脅和影響。其中，低溫冷害是造成水稻減產(chǎn)的重要災(zāi)害之一［4］。

目前，已有大量研究集中在水稻低溫冷害致災(zāi)機(jī)理、水稻低溫冷害指標(biāo)和水稻低溫冷害監(jiān)測(cè)與評(píng)估等方面。王靜等［5］通過對(duì)灌漿期水稻進(jìn)行低溫控制試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫使水稻的光合速率和葉綠素含量下降，進(jìn)而影響水稻生理過程，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。王連喜［6］將遙感獲取的植被指數(shù)與寧夏地區(qū)1992年和1993年發(fā)生的水稻低溫冷害進(jìn)行對(duì)比分析，在評(píng)估延遲型低溫冷害方面取得了較好的效果。Bouman等［7］在水稻生長模型 ORYZA2000中，通過建立穗生長階段冷積溫與敗育率的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)來模擬穗生長階段低溫對(duì)產(chǎn)量的影響。馬樹慶等［8］通過建立日冷積溫(時(shí)積溫)與水稻空殼率的關(guān)系模型，估算成熟前25 d逐日低溫導(dǎo)致的空殼率及減產(chǎn)率。

然而，水稻低溫冷害時(shí)空分布的研究大多針對(duì)中國的北方稻區(qū)。例如，李文亮等［9］對(duì)黑龍江省低溫冷害的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了分析，并運(yùn)用灰色分析模型對(duì)其未來發(fā)生情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。王萍等［10］以黑龍江省79個(gè)氣象臺(tái)站1971～2006年5～9月平均溫度和作為低溫冷害指標(biāo)，結(jié)合緯度和海拔高度資料，計(jì)算了一般低溫冷害指示值和嚴(yán)重低溫冷害指示值，從而分析了黑龍江省低溫冷害的分布特征。針對(duì)長江中下游和南方稻區(qū)水稻低溫冷害發(fā)生特點(diǎn)，韓榮青等［11］將中國南方早稻區(qū)劃分為四川盆地、長江中下游地區(qū)、華南南部和華南北部4個(gè)區(qū)域，分別研究了各區(qū)域早稻春播時(shí)段低溫冷害的時(shí)空變化規(guī)律。楊愛萍等［12］研究了處于長江中下游稻區(qū)的湖北省水稻盛夏低溫冷害變化特征。

從已有研究結(jié)果看出，長江中下游和南方稻區(qū)水稻低溫冷害的研究多針對(duì)個(gè)別省份或區(qū)域，分析的時(shí)間尺度多在30年左右，并缺乏對(duì)該區(qū)域低溫冷害時(shí)間周期波動(dòng)特征的詳細(xì)分析。為此，本研究選用長江中下游雙季稻區(qū)47年76個(gè)觀測(cè)站的逐日氣象數(shù)據(jù)，依據(jù)春季水稻低溫冷害指標(biāo)，結(jié)合氣候統(tǒng)計(jì)和小波分析方法，重點(diǎn)探討該區(qū)域春季水稻低溫冷害的時(shí)空分布和冷害的周期波動(dòng)特征，為優(yōu)化該稻區(qū)春季水稻種植布局和農(nóng)事管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)中國水稻種植區(qū)劃［13］，本文選取長江中下游平原雙單季稻亞區(qū)、江南丘陵平原雙季稻亞區(qū)和黔東湘西高原山地單雙季稻亞區(qū)3個(gè)稻區(qū)作為研究區(qū)域(圖1)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫19.0℃，最冷月平均氣溫5.5℃，最熱月平均氣溫28.0℃，無霜期210～270 d，≥10.0℃積溫4 500～6 500℃，年日照時(shí)數(shù)700～1 500 h，年降水量1 000～1 400 mm，降水主要集中于春、夏兩季。稻區(qū)內(nèi)早稻播種面積占全國早稻播種面積的比率超過53%，是該區(qū)域內(nèi)最主要的春播作物之一，因而，受到春季反復(fù)低溫冷害的威脅較大。

圖1 研究區(qū)水稻種植區(qū)劃圖Fig.1 Rice cultivation zoning map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)獲取了研究區(qū) 76 個(gè)氣象觀測(cè)站1961～2007年(共47年)的逐日氣溫觀測(cè)資料。資料包括最低溫度、最高溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和降水量。采用常規(guī)氣候統(tǒng)計(jì)方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了缺測(cè)訂正和整理［14］。

1.2.2 春季水稻低溫冷害指標(biāo) 1961～2007年長江中下游稻區(qū)春季(3～5月)是受北方冷空氣頻繁侵?jǐn)_的活躍期。根據(jù)水稻生長對(duì)溫度的要求，當(dāng)溫度低于12℃時(shí)就會(huì)對(duì)水稻生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。為此，結(jié)合長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害發(fā)生特點(diǎn)和早稻生產(chǎn)農(nóng)事活動(dòng)，將研究時(shí)段設(shè)為早稻營養(yǎng)生長階段，即發(fā)芽——幼穗分化期(3月下旬至4月底)。同時(shí)，參考《中國災(zāi)害性天氣氣候圖集》中的低溫冷害定義方法，將該階段連續(xù)3 d或以上日平均氣溫≤12.0℃記為1次低溫冷害過程［15］。根據(jù)低溫冷害過程的持續(xù)日數(shù)，將冷害強(qiáng)度分為輕度、中度、重度3個(gè)等級(jí)，等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:3～4 d為輕度，5～6 d為中度，≥7 d為重度［16］。另外，定義各站每年總冷害頻次為該年3個(gè)等級(jí)冷害頻次的總和。

1.2.3 方法 統(tǒng)計(jì)1961～2007年3月21日至4月30日不同等級(jí)冷害出現(xiàn)的頻次，采用線性趨勢(shì)分析法，分析了低溫冷害頻次的時(shí)間變化趨勢(shì)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。趨勢(shì)變化分析用一次線性方程表示［17］:

另外，選用Morlet連續(xù)小波分析方法，分析研究區(qū)47年春季水稻不同等級(jí)低溫冷害頻次的周期特性。通過將低溫冷害頻次時(shí)間序列分解到時(shí)間頻率域內(nèi)，得出各周期信號(hào)的振幅以及這些振幅隨時(shí)間變換的信息，繪制小波系數(shù)圖和小波方差譜圖。小波系數(shù)圖能反映時(shí)間序列在不同時(shí)間尺度上的周期變化及其在時(shí)間域上的分布，圖中等值線中心為低溫冷害多發(fā)或少發(fā)中心，中心值的大小可以反映出波動(dòng)的振動(dòng)強(qiáng)度;小波方差譜圖反映了時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨尺度的分布情況，可用來確定低溫冷害波動(dòng)的主周期［18-20］。對(duì)小波方差譜，可利用 α=0.05紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜作為背景譜來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)線低于小波方差曲線時(shí)，說明該區(qū)段對(duì)應(yīng)的周期特征通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 研究區(qū)春季水稻低溫冷害空間變化特征

圖2顯示了長江中下游雙季稻區(qū)47年春季水稻低溫冷害平均發(fā)生頻次的空間分布。從圖中可以看出:1)總冷害發(fā)生頻次為 0.40～2.70次/年，空間分布緯向差異明顯，多發(fā)區(qū)位于東北部的江蘇，依次向西向南遞減，在江西達(dá)到最少，兩省平均相差1.10次/年(圖2A)。2)從不同冷害等級(jí)來看(圖2B～圖2C)，輕度和中度冷害空間差異較小，全區(qū)輕度冷害普遍偏多(均在0.30次/年以上)，中度冷害普遍偏少(最多僅0.54次/年)。重度冷害空間差異較大，呈東北-西南分布，處于高值區(qū)的江蘇發(fā)生頻次最多可比低值區(qū)的江西多7倍。從各省不同等級(jí)冷害的發(fā)生比例來看，江蘇的重度冷害發(fā)生最頻繁，所占比例最大(43.9%)，故冷害程度最重;江西、湖南輕度冷害比例最大(50.0%以上)，重度比例最小，故冷害程度最輕。3)處于研究區(qū)域東北部地區(qū)春季低溫冷害發(fā)生頻率高、程度重，主要由于其緯度相對(duì)偏高，溫度相對(duì)偏低，且地處沿海，因此春季回溫較內(nèi)陸稍慢。另外，這些地區(qū)春季多連陰雨天氣，也是其低溫發(fā)生較多的一個(gè)重要原因。

圖2 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的空間分布Fig.2 Spatial distribution of spring cold damage to rice production in the study area

2.2 研究區(qū)春季水稻低溫冷害時(shí)間變化特征

2.2.1 年際變化特征 對(duì)整個(gè)研究區(qū)域不同等級(jí)春季水稻低溫冷害的發(fā)生頻次進(jìn)行平均處理，得到其年際分布情況(圖3)。由圖3可以看出，總冷害在研究時(shí)段內(nèi)年際波動(dòng)較大，發(fā)生次數(shù)最多的年份是1969年，單站平均2.66次/站，最少的是2001年，單站平均0.29次/站，兩者相差近10倍。47年均頻次為1.57次/站，2000年以后的發(fā)生頻次均低于平均線。從低溫冷害的發(fā)生等級(jí)來看，輕度冷害1992年發(fā)生次數(shù)最少，為 0.07次/站，1969年最多，為 2.03次/站;中度冷害發(fā)生次數(shù)最少、最多的年份分別是1983年和1967年，分別為0.01次/站和1.07次/站;重度冷害發(fā)生次數(shù)最多的年份是1996年，為1.34次/站。輕度、中度和重度低溫冷害對(duì)應(yīng)的47年平均頻次分別為0.74次/站、0.35次/站和0.48次/站，說明全區(qū)以輕度冷害為主，重度次之，中度最少。

圖4為研究區(qū)域1961～2007年不同等級(jí)春季水稻低溫冷害的發(fā)生臺(tái)站數(shù)占研究區(qū)總站數(shù)的百分比，即各冷害的發(fā)生范圍。結(jié)果表明，輕度冷害發(fā)生范圍最大的是1969年，最小的是1992年，分別占研究區(qū)域的97.0%和7.0%，平均發(fā)生范圍為54.0%。中度冷害1982年發(fā)生范圍最大(72.0%)，1974年、1983年和1988年均最小(1.0%)，平均發(fā)生范圍為30.0%。1992年和1996年重度冷害的發(fā)生范圍達(dá)99.0%，為47年最大;2000年、2003年和2007年全區(qū)無重度冷害，為47年最小，重度冷害平均發(fā)生范圍為41%。各等級(jí)冷害的發(fā)生范圍都呈減少趨勢(shì)，其中輕度和中度冷害減少趨勢(shì)顯著(P＜0.05)?？偫浜Πl(fā)生范圍2001年最小，僅占研究區(qū)域的16.0%;1973年、1975年、2000年、2001年發(fā)生范圍為16.0%～46.0%，其余43年(占總年數(shù)91.0%)總冷害發(fā)生范圍都超過50.0%，其中有17年的發(fā)生范圍達(dá)100.0%。

綜合圖3和圖4可知，長江中下游雙季稻區(qū)春季水稻低溫冷害最頻繁且發(fā)生范圍廣的是1969年和1987年，冷害最少且發(fā)生范圍小的是2000年、2001年;研究區(qū)域輕度冷害頻繁、發(fā)生范圍廣，中度冷害少、發(fā)生范圍小，重度冷害居于兩者之間。

圖3 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的年際變化Fig.3 Inter-annual variations of spring cold damage to rice production in the study area

圖4 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害的發(fā)生范圍Fig.4 Incidence of spring cold damage in the study area

從長江中下游雙季稻區(qū)春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的年代統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)來看，輕度低溫冷害在20世紀(jì)60～80年代均較多，中度在60年代較多，重度則在80和90年代較多，本世紀(jì)初各等級(jí)低溫冷害都相對(duì)較少，重度尤為突出?？偫浜Υ笾鲁尸F(xiàn)出多-少-多-少-少的波動(dòng)特征，即60年代發(fā)生次數(shù)最多，70年代略有減少，80年代又增多，90代開始減少，本世紀(jì)初再次大幅減少，并且其發(fā)生頻次不足前幾個(gè)年代的1/2。由此可見，春季低溫冷害呈現(xiàn)明顯減少和減輕的態(tài)勢(shì)。

表1 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害年代際變化Table 1 Decadal changes of spring cold damage to rice production in the study area

以上分析為研究區(qū)域平均狀況，為了解時(shí)間變化趨勢(shì)的空間特征，逐站計(jì)算并繪制了研究區(qū)域47年不同等級(jí)春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的變化趨勢(shì)分布圖(圖5)。由圖5A可見，全區(qū)有54站(占該地區(qū)總臺(tái)站數(shù)的71.0%)總冷害的減少趨勢(shì)通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)(圖5中藍(lán)圈)，各個(gè)省份均有分布，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.48～0.17次，平均0.27次，最低值0.48次出現(xiàn)在浙江東部;全區(qū)沒有呈顯著增加趨勢(shì)的臺(tái)站;冷害變化趨勢(shì)不顯著的臺(tái)站占29.0%。由圖5B～圖5D可見，輕度冷害有12站呈顯著減少趨勢(shì)，主要分布在安徽、江蘇、浙江、湖南，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.28～0.16次，顯著增加的僅1站(圖5中紅圈);中度冷害顯著減少的有21站，分布于長江中下游各省，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.21～0.10次;重度冷害僅3站顯著減少，位于江蘇地區(qū)，10年春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次減少0.21～0.12次。以上分析說明，研究區(qū)近47年來各省春季水稻低溫冷害都呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì)，不同等級(jí)冷害減少的頻次大體相當(dāng)，減少范圍最廣的是中度冷害。

圖5 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的變化趨勢(shì)Fig.5 Frequency of spring cold damage to rice production in the study area

2.2.2 周期特征 圖6為長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫總冷害發(fā)生頻次的小波系數(shù)與方差分布圖。由圖6a可知，總冷害存在3年、5年、8年的年際和15年、25年以上的年代際周期振蕩特征，除1990年以后出現(xiàn)的5年尺度的周期信號(hào)表現(xiàn)為時(shí)域局部化特征外，其余4個(gè)尺度都具有全域性。3年小尺度周期信號(hào)在1993年以后振蕩強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，8年尺度周期信號(hào)的振蕩中心發(fā)生了2次偏移，振蕩尺度先從6年逐漸增大到8年，2000年后又回落至5年，振蕩能量也在此后開始減弱;15年和25年以上大尺度上，周期振蕩穩(wěn)定且能量較強(qiáng)，25年以上尺度上存在多-少-多-少的2次循環(huán)交替振蕩，分別對(duì)應(yīng)著20世紀(jì)60和80年代的冷害多發(fā)期與70、90年代及2000年以后的冷害少發(fā)期。此外，等值線基本閉合說明在未來一段時(shí)間又將進(jìn)入春季低溫總冷害多發(fā)期。由圖6b可以看出，25年以上尺度在全時(shí)域上的平均振蕩能量最強(qiáng)，3年尺度的高頻振蕩能量最弱，幾個(gè)主要振蕩周期尺度中，僅3年尺度的周期信號(hào)通過顯著性檢驗(yàn)。

圖6 研究區(qū)域春季水稻低溫冷害發(fā)生頻次的小波變換系數(shù)和方差Fig.6 Wavelet transform coefficients and variances of spring cold damage frequency in the study area

從不同等級(jí)冷害來看(如圖6c～圖6h)，春季輕度低溫冷害具有3年、8年的年際和14年的年代際振蕩周期。其中，3年尺度上的振蕩在2000年以后開始表現(xiàn)的比較明顯，8年尺度的周期信號(hào)最強(qiáng)，分布于整個(gè)時(shí)域，2000年以后強(qiáng)度有所減弱，14年尺度的周期變化在1992年以前振蕩明顯，全時(shí)域平均狀況下通過顯著性檢驗(yàn)的為3年小尺度。中度低溫冷害存在4個(gè)分布于整個(gè)研究時(shí)段的周期尺度振蕩，年際尺度變化主要表現(xiàn)在3～5年、8年尺度的周期振蕩，3～5年尺度的振蕩中心由1985年以前的5年尺度逐漸減小為3年，8年尺度的振蕩中心也發(fā)生了8年-10年-8年的偏移，其周期信號(hào)表現(xiàn)最強(qiáng);年代際尺度變化主要表現(xiàn)在16年、25年以上尺度的周期振蕩，16年尺度振蕩強(qiáng)度僅次于8年尺度，振蕩中心未發(fā)生偏移，25年以上尺度與前述中度低溫冷害的年代波動(dòng)情況吻合，因而可預(yù)測(cè)未來發(fā)生趨勢(shì)，由于其等值線尚未完全閉合，說明此后中度低溫冷害仍將保持短時(shí)間的少發(fā)期。另外，全時(shí)域平均僅3～5年尺度比較顯著;重度低溫冷害在4～5年的年際和10年、16年、25年以上的年代際尺度上振蕩明顯，4～5年尺度的顯著周期信號(hào)具有全域性，1995年以后振蕩尺度由4年偏移至5年，10年尺度的周期信號(hào)在1995年以前比較明顯，16年尺度全時(shí)域分布，但振蕩能量很弱，25年以上尺度振蕩能量最強(qiáng)，全時(shí)域分布，共出現(xiàn)2次完整的交替振蕩，可以預(yù)測(cè)，未來重度低溫冷害將會(huì)會(huì)進(jìn)入多發(fā)期。

3 討論

本研究認(rèn)為研究區(qū)春季水稻低溫冷害20世紀(jì)70年代和90年代較少、80年代較多，這與劉傳鳳等［21］對(duì)南方地區(qū)的研究一致，但劉傳鳳等認(rèn)為60年代冷害較少，說明長江中下游與南方地區(qū)春季低溫冷害年代發(fā)生情況基本一致但又存在差異。另外，韓榮青等［11］研究認(rèn)為，長江中下游1980～1999年是早稻(3月下旬～4月上旬)低溫冷害的偏多時(shí)期，與本研究結(jié)論不同，這可能是由于研究時(shí)段不同所導(dǎo)致，因此，針對(duì)低溫冷害，還可進(jìn)一步細(xì)化為月或旬來進(jìn)行冷害發(fā)生時(shí)段的研究。

溫度僅是導(dǎo)致低溫冷害的一個(gè)氣象因子，陰雨、寡照等也會(huì)在一定程度上加重低溫對(duì)早稻生長的不利影響，因此，要使研究結(jié)果能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，還需要綜合考慮其他因子的作用。此外，長江中下游雙季稻區(qū)春季低溫冷害是春季東亞乃至北半球大氣環(huán)流的作用結(jié)果，受到亞洲中高緯度環(huán)流、西太平洋副熱帶環(huán)流和太平洋熱帶環(huán)流的影響，特別是與亞洲極渦、經(jīng)向環(huán)流指數(shù)、副高北界位置及太平洋暖池的海表面溫度等因子關(guān)系密切［21］，其成因及其影響系統(tǒng)極其復(fù)雜，要深入探究南方春季水稻低溫冷害的發(fā)生規(guī)律，還需要進(jìn)一步深入研究。

本研究根據(jù)現(xiàn)有的中國水稻種植區(qū)劃，選擇單雙季稻和雙季稻區(qū)作為研究區(qū)域，排除了長江中下游部分單季稻區(qū)，使分析結(jié)果更具有參考價(jià)值。但值得提出的是，研究區(qū)域內(nèi)一些省份或地區(qū)的雙季稻面積呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，有的省份(如江蘇)在近年來已經(jīng)不種植早稻。因此，在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步調(diào)整研究區(qū)域。另外，本文所用的冷害強(qiáng)度是以天數(shù)為指標(biāo)，未考慮溫度指標(biāo)以及其他因素的影響，為此，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。

致謝: 感謝江蘇省氣象局氣象服務(wù)中心高蘋研究員在本研究中提供的幫助!

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