四川單季稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷r空特征*

劉 佳，陳 超，張玉芳，龐艷梅，陳東東，賴 江

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四川單季稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷r空特征*

劉 佳1,2，陳 超1,4**，張玉芳3,5，龐艷梅2，陳東東3，賴 江1

（1．四川省氣候中心，成都 610072；2．中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都610072；3．四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，成都 610072；4．南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室，成都 610066；5．高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610072）

利用四川省84個氣象觀測站1961?2014年逐日平均氣溫、最高氣溫和日平均相對濕度等氣象資料以及1981?2014年水稻空殼率數(shù)據(jù)，通過線性回歸法、多項式回歸法、Morlet小波分析等方法，分析水稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Φ臅r空變化規(guī)律。結(jié)果表明： 1961?2014年高溫?zé)岷偞螖?shù)呈上升趨勢，不同等級熱害發(fā)生次數(shù)的年際變化特點與總次數(shù)一致，尤以2000年后增幅顯著，其中抽穗揚花期輕度熱害和灌漿結(jié)實期重度熱害的增幅最顯著，這與氣候變暖背景下，1990年以來水稻高溫?zé)岷^(qū)域增多的趨勢基本一致；不同生育期內(nèi)各等級高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)均有顯著的周期震蕩規(guī)律，方差值在16a、12a、4a時間尺度上均出現(xiàn)峰值，依據(jù)周期變化推測，2015年后高溫?zé)岷⒊掷m(xù)偏多。依據(jù)高溫?zé)岷Α吧絽^(qū)少、盆地多”的分布特征，可將盆中淺丘區(qū)及盆南丘陵區(qū)劃分為熱害頻發(fā)區(qū)，盆東嶺谷區(qū)為熱害偶發(fā)區(qū)，川西南山地為熱害少發(fā)區(qū)。在氣候變暖背景下，1990年以來不同等級高溫?zé)岷尸F(xiàn)發(fā)生頻率增多，范圍擴大，高發(fā)中心從平原向山地擴大的趨勢。本研究實現(xiàn)了水稻高溫?zé)岷ΡO(jiān)測產(chǎn)品由定性向定量化的轉(zhuǎn)變，融合常規(guī)高溫指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測，提高了空間分布的精細度，延長了研究的時效性，更具針對性和指導(dǎo)性。

水稻；高溫?zé)岷χ笖?shù)；高溫?zé)岷鄯e指數(shù)；Morlet小波分析

近年來，以氣候變暖為主要特征的氣候變化及其對自然、經(jīng)濟和人類生活產(chǎn)生的影響已經(jīng)成為各國政府和科學(xué)界共同關(guān)注的問題[1]。農(nóng)業(yè)對氣候變化十分敏感，相關(guān)研究表明，長江流域及其以南地區(qū)，從1999年至今，幾乎每年都會出現(xiàn)持續(xù)10d以上的強度大、范圍廣的極端高溫天氣。如不采取應(yīng)對措施，至2030年，中國種植業(yè)的生產(chǎn)能力總體上可能將下降5％～10％，至21世紀(jì)后半期，中國主要農(nóng)作物的產(chǎn)量最大可下降37％[2]。四川省作為中國13個糧食主產(chǎn)區(qū)之一，水稻產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)的42.6%[3]。由于單季稻生長的關(guān)鍵期處于一年中溫度最高的夏季，隨著氣候變暖和極端高溫頻率的增加，高溫?zé)岷σ殉蔀樗旧a(chǎn)的主要災(zāi)害之一，因此，探討全球氣候變化背景下的四川區(qū)域水稻生育期災(zāi)害的響應(yīng)將成為研究熱點。劉玲等[4]認為高溫?zé)岷χ饕獙﹂L江中下游地區(qū)及華南地區(qū)的早、中稻有危害；萬素琴等[5]基于1961?2005年的氣象資料揭示了湖北省水稻的高溫分布規(guī)律；金志鳳等[6]討論了浙江省水稻高溫?zé)岷Φ臅r空分布特征；于壟等[7]分析了江蘇省單季稻拔節(jié)期和孕穗揚花期高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律。譚詩琪等[8]分析長江中下游地區(qū)近32a水稻高溫?zé)岷Φ臅r空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)高溫?zé)岷Ψ植汲尸F(xiàn)南多北少、東多西少的趨勢。此外，對于西南地區(qū)高溫?zé)岷ρ葑円?guī)律及其空間分布特征的研究也逐漸增多，何永坤等[9]利用該指標(biāo)分析了1960?2008年四川盆地東部水稻熱害，發(fā)現(xiàn)不同等級熱害的年代際波段明顯，熱害重發(fā)區(qū)集中在盆地中部。羅孳孳等[10]分析了重慶水稻高溫?zé)岷Φ臅r空分布，發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)80年代中期以來，水稻高溫?zé)岷τ绕涫侵囟雀邷責(zé)岷Φ陌l(fā)生呈上升趨勢。其中重慶東北部、中部、西南部高溫?zé)岷^重；灌漿結(jié)實期，長江河谷地區(qū)高溫?zé)岷Πl(fā)生重。

綜上可見，對于高溫?zé)岷Φ难芯?，大多?shù)學(xué)者所采用的溫度指標(biāo)基本一致，即水稻處于孕穗后期和抽穗揚花期，也就是單季稻在7月下旬?8月上旬時，遭遇連續(xù)日平均氣溫＞30℃、日最高氣溫＞35℃、同時極端最高氣溫38℃以上、相對濕度70%以下的高溫天氣[11]。高溫?zé)岷χ笜?biāo)是研究和了解高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律及開展高溫?zé)岷ΡO(jiān)測預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、影響評估等的重要工具，也是評判災(zāi)害的標(biāo)準(zhǔn)，其對水稻的危害程度是由持續(xù)時間和強度共同決定的[12]，但以往關(guān)于四川省高溫?zé)岷Πl(fā)生規(guī)律的研究缺少對高溫強度和持續(xù)時間的累計綜合考慮，從而對四川盆地高溫?zé)岷觿?dǎo)致水稻減產(chǎn)的原因認識不足，難以很好地反映高溫?zé)岷υ谡麄€空間上的分布特征。此外，以往對于水稻高溫?zé)岷Φ难芯恐饕性陲L(fēng)險評估方面，較少分析氣候變化背景下高溫?zé)岷Φ淖兓?guī)律，也忽略地形差異的背景調(diào)研。本研究從水稻危害的生物學(xué)角度考慮高溫?zé)岷Φ挠绊?，結(jié)合前人研究[13-20]，引用高溫?zé)岷鄯e指數(shù)概念，綜合四川地形特征，以分析1961?2014年單季稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Φ臅r空特征，并結(jié)合四川水稻種植特征，篩選影響水稻品質(zhì)及產(chǎn)量的主要氣象因子，建立水稻高溫?zé)岷鄯e危害指數(shù)，動態(tài)監(jiān)測水稻高溫?zé)岷ξ：?，提出區(qū)域高溫?zé)岷^(qū)劃建議，以期為四川水稻的防災(zāi)、減災(zāi)和稻作制度的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域為四川省19個地市、州（不包括甘孜和阿壩兩個水稻不適宜種植區(qū)），該區(qū)域水資源較豐富，年降水量950mm以上，地貌以平原和山地為主，根據(jù)區(qū)域地形特點、農(nóng)業(yè)氣候特征，結(jié)合《全國水稻高產(chǎn)創(chuàng)建技術(shù)規(guī)范模式圖》，將研究區(qū)內(nèi)水稻種植區(qū)劃分為7個子區(qū)域（以縣級為劃分單元），水稻種植區(qū)分區(qū)及站點分布情況見圖１。盆南丘陵區(qū)包括自貢、瀘州、宜賓等市的大部分縣，樂山犍為、內(nèi)江隆昌等8個站，盆中淺丘區(qū)包括內(nèi)江、資陽、遂寧、南充的大部分縣（市、區(qū)）及巴中的西南部等17個站，盆西平丘區(qū)包括成都市全部、德陽、樂山、眉山及綿陽部分區(qū)域等10個站，盆周邊緣山地區(qū)包括巴中、廣元、雅安及樂山的部分縣（市、區(qū)）等11個站，盆東平行嶺谷區(qū)包括達州的大部分地區(qū)及廣安的鄰水、華鎣等7個站，川西南中山山地區(qū)域包括17個站，川西南中山寬谷區(qū)包括13個站。由于各區(qū)氣候特點和水稻品種熟型有一定區(qū)別，因此，根據(jù)1961?2014年水稻生育期觀測資料統(tǒng)計各區(qū)單季水稻的抽穗揚花和灌漿結(jié)實期，結(jié)果見表１。

研究范圍內(nèi)84個氣象觀測站1961?2014年逐日平均氣溫、最高氣溫、相對濕度等氣象資料以及水稻生育期，1981?2014年水稻高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)典型代表站抽穗揚花及灌漿結(jié)實期空殼率等觀測資料均來自四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)均通過基本質(zhì)量控制，對缺測值進行插補。

圖1 四川水稻種植區(qū)劃分（7個子區(qū)）及84個農(nóng)業(yè)氣象站的分布

表1 1961?2014年各子區(qū)水稻抽穗揚花期和灌漿期統(tǒng)計（月?日）

1.2 方法

1.2.1 高溫?zé)岷鄯e指數(shù)的建立

（1）抽穗揚花期高溫?zé)岷鄯e指數(shù)

將日最高氣溫35℃作為危害水稻抽穗揚花的界限溫度[21-22]，綜合考慮高溫及空氣相對濕度的共同影響，參考陽園燕等[23]研究，定義水稻抽穗揚花期高溫?zé)岷鄯e指數(shù)HISf的計算式為

式中，TDmax=35℃，RHD=70%，分別為致害最高氣溫（℃）和空氣相對濕度（%）；Timax、RHi分別為水稻抽穗揚花期第i天的日最高氣溫（℃）和空氣相對濕度，TDmax、RHD，Tmax、RHmin分別為歷年水稻抽穗揚花期極端最高氣溫（℃）、極端最低相對濕度（%），n為水稻抽穗揚花期天數(shù)，Dfi為水稻抽穗揚花期第i天高溫危害權(quán)重系數(shù)。

（2）灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷鄯e指數(shù)

結(jié)合文獻[23]，在建立水稻灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷鄯e指數(shù)時不僅考慮日最高氣溫，還要考慮日較差的影響，灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷鄯e指數(shù)HISg為

式中，TDmax=35℃，為致害最高氣溫，TD=30℃，為致害日平均氣溫，Timax為水稻灌漿結(jié)實期第i天日最高氣溫（℃），Ti為日平均氣溫（℃），Tmax為歷年灌漿結(jié)實期極端最高氣溫、Tavmax為歷年灌漿結(jié)實期日平均氣溫的最大值（℃），n為水稻灌漿結(jié)實期天數(shù)，i為水稻灌漿結(jié)實期第幾天，Dgi為水稻灌漿結(jié)實期第i天高溫?zé)岷ξ：?quán)重系數(shù)。

1.2.2 高溫?zé)岷︻l率統(tǒng)計

根據(jù)1980?2014年高溫?zé)岷鄯e指數(shù)與水稻空殼率的關(guān)系，分別確定抽穗揚花期、灌漿結(jié)實期發(fā)生高溫?zé)岷鄯e指數(shù)；進而統(tǒng)計分析1961?2014年四川各水稻種植區(qū)抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期內(nèi)某站點高溫?zé)岷Τ霈F(xiàn)頻率（Fi），即某站點i指定時段內(nèi)發(fā)生熱害的年數(shù)n（HISf＞0或HISg＞0）與指定時段內(nèi)總年數(shù)N之比[24]。其計算式為

Fi＝(n/N)×100％ （5）

采用ArcGIS10.1軟件的克里金插值方法生成空間柵格數(shù)據(jù)，繪制高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率分布圖。

此外，對于時間序列變化趨勢分析以線性趨勢法為主，并對線性趨勢進行顯著性檢驗；利用Morlet小波分析研究高溫?zé)岷χ芷谧兓?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻抽穗、灌漿期高溫?zé)岷Φ燃墑澐?/h3>

水稻生育期遭遇高溫?zé)岷υ斐僧a(chǎn)量和品質(zhì)的下降，其中對水稻空殼率的影響很明顯。由于影響水稻空殼率的氣象要素較多，如延遲性和障礙性冷害、強降水或連陰雨天氣，都有可能造成水稻空殼率增加[23]。因此，篩選水稻高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)典型代表站1980?2014年水稻抽穗揚花及灌漿結(jié)實期典型的高溫年，計算其高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)，并分別與水稻空殼率進行相關(guān)分析，結(jié)果見表2、表3。由表可見，水稻抽穗揚花期的高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)與水稻空殼率發(fā)生的相關(guān)系數(shù)達0.79，水稻灌漿結(jié)實期的高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)與水稻空殼率發(fā)生的相關(guān)系數(shù)達0.70，均通過了0.01水平的顯著性檢驗。進一步統(tǒng)計水稻高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)典型代表站1981?2009年水稻抽穗揚花及灌漿結(jié)實期典型的高溫年，計算其高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)，并分別與1981?2009年水稻空殼率對比，如圖2所示，三者均存在較好的相關(guān)關(guān)系。水稻高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)典型代表站水稻抽穗揚花及灌漿結(jié)實期典型高溫年對應(yīng)的空殼率及熱害指數(shù)關(guān)系，能夠定量說明高溫?zé)岷χ笖?shù)可以用于監(jiān)測四川水稻區(qū)高溫?zé)岷η闆r，也驗證了該指數(shù)的合理性和可靠性。

根據(jù)《中國氣象災(zāi)害大典（四川卷）》[24]，參考水稻高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)典型年份的監(jiān)測指數(shù)及陽園燕等[23]對重慶地區(qū)水稻高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)等級的劃分，結(jié)合四川省農(nóng)業(yè)氣象觀測站點對水稻空殼率的統(tǒng)計進行對比分析，確定水稻高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將其分為輕、中、重3個等級（表4）。

表2 四川高溫典型年水稻空殼率和抽穗揚花期高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)

表3 四川高溫典型年水稻空殼率和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)

表4 水稻高溫?zé)岷ΡO(jiān)測指數(shù)等級劃分

圖2 1981?2009年四川水稻空殼率（%）和抽穗揚花期、灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷χ笖?shù)

2.2 抽穗揚花期高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次的時空分布

2.2.1 年際變化

由圖3可見，1961?2014年，四川水稻種植區(qū)抽穗揚花期高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)整體呈現(xiàn)增多的趨勢，但趨勢不明顯，其中熱害發(fā)生最多的年份為2006和2013年，發(fā)生最少的年份為1987年；年代際變化呈“W”型階梯變化趨勢，其中20世紀(jì)80年代中期和21世紀(jì)初期為高溫?zé)岷Πl(fā)生較輕的年代；60?80年代高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)為先增后減，80年代平均發(fā)生站數(shù)為6；90年代到2000年后則呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢，年代際平均發(fā)生站數(shù)由10.0增至23.0；特別是21世紀(jì)00年代中期以來，高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)顯著增多，近10a平均發(fā)生站數(shù)達26。

由表5可見，四川水稻種植區(qū)各年代輕度和中度高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)均呈增多趨勢，重度高溫?zé)岷Τ?012年外，其余年份均無發(fā)生；其中，輕度熱害發(fā)生最多的年份為2006和2014年，發(fā)生最少的年份為1987和1991年；中度熱害發(fā)生最多的年份為2013和1969年，發(fā)生最少的年份為1987?1991年、1995?1999年；從年際變化趨勢看，不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)自2000年以來均呈顯著增多趨勢，以輕度熱害增幅最明顯。

表5 各年代水稻抽穗揚花期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)統(tǒng)計（站）

圖3 1961?2014年四川水稻抽穗揚花期各等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)的年際變化

2.2.2 周期變化

由圖4可見，抽穗揚花期高溫?zé)岷︻l次的年代際尺度周期震蕩比年際尺度周期振蕩顯著（圖4a），其方差值在16a、12a、10a、6a、準(zhǔn)2a時間尺度上出現(xiàn)峰值（圖4b）。由圖4a可見，16a時間尺度的周期性變化特征較明顯，近50a存在3個少發(fā)期和3個多發(fā)期，2006年以來進入多發(fā)期，表明高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)在未來5a內(nèi)將持續(xù)偏多，其后再次進入熱害偏少期，該周期震蕩與西太平洋副熱帶高壓準(zhǔn)16～20a周期震蕩一致，即當(dāng)夏季副高偏強偏西時，則四川高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次增多；12a時間尺度在整個時域上分布均勻，發(fā)生次數(shù)經(jīng)歷了“偏少-偏多”5個循環(huán)周期；10a和6a周期在1990年后變化特征明顯，并且小尺度周期變化嵌套在較大尺度中，周期特征較復(fù)雜，但中心周期未發(fā)生偏移，準(zhǔn)2a周期在2005?2010年振蕩較顯著，因此，2010年后該地區(qū)仍處于熱害多發(fā)期。分等級對比發(fā)現(xiàn)：輕度高溫?zé)岷Ρ憩F(xiàn)為準(zhǔn)6a、10a、12a、16a周期變化，中高溫?zé)岷σ?a、10a左右周期震蕩較為顯著，重高溫?zé)岷t表現(xiàn)出準(zhǔn)2a、16a的周期震蕩。

圖4 四川省1961?2014年水稻抽穗揚花期高溫?zé)岷π〔ㄗ儞Q（a）和方差（b）

2.2.3 空間分布

由圖5可知，水稻抽穗揚花期輕度熱害空間分布特征表現(xiàn)為，頻率在40%以上的區(qū)域分布在盆中淺丘區(qū)東部、盆東嶺谷區(qū)及盆南丘陵區(qū)，頻率在30%～40%的區(qū)域主要分布在盆周邊緣山地區(qū)和盆中淺丘區(qū)，頻率在10%～30%的區(qū)域主要分布在盆西平丘區(qū)和川西南中山山地，輕度熱害頻率最高為50%，位于達縣。中度熱害空間分布表現(xiàn)為，除盆東平行嶺谷區(qū)頻率最高為10%～15%，盆地邊緣山地盆中淺丘區(qū)東部以及盆南丘陵區(qū)南部頻率為5%～15%外，其余地區(qū)均低于5%。重度熱害主要集中分布在川西南中山山地區(qū)西部的甘洛，頻率為2%，其余地區(qū)均未發(fā)生。由此可見，在水稻抽穗揚花期，高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)在盆中淺丘區(qū)東部、盆東嶺谷區(qū)及盆南丘陵區(qū)南部，頻率為4～5a一遇，以輕度高溫?zé)岷橹鳌?/p>

進一步選取1961?1990年和1991?2014年兩個時間段，對比四川省水稻種植區(qū)熱害發(fā)生頻率分布特征。由圖6可以看出，1990年以前，輕度熱害頻率最高為50%以上，分布于盆東嶺谷區(qū)和盆南丘陵區(qū)的蒼溪、宣漢、寧南、興文地區(qū)；中度熱害頻率最高為17%，分布于盆周邊緣山地區(qū)的旺蒼和宣漢地區(qū)；重度熱害頻率為0；1990年以前，抽穗揚花期高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)集中在盆周邊緣山地區(qū)，頻率最高為1～2a一遇，以輕度高溫?zé)岷橹鳌?990年以后，輕度熱害頻率最高介于45%～50%，分布于盆中淺丘區(qū)南部的簡陽、達縣地區(qū)；中度熱害頻率最高也為17%，分布于盆周邊緣山地區(qū)的蒼溪和蘆山地區(qū)；重度熱害高發(fā)區(qū)位于川西南中山山地區(qū)西部，頻率低于5%；1990年后，抽穗揚花期高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)集中在盆中淺丘區(qū)，其中簡陽的頻率最高，為63%，也以輕度高溫?zé)岷橹?。由此可以看出?990年以后不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率均略高于1990年以前，且范圍擴大，盆地東北部高發(fā)區(qū)向南移。

圖5 1961?2014年四川水稻抽穗揚花期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率的空間分布

圖6 1990年前（1）、后（2）水稻抽穗揚花期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率的空間分布

2.3 灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次的時空分布

2.3.1 年際變化

圖7為四川1961?2014年水稻灌漿結(jié)實期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)統(tǒng)計，由圖可見，近50a該地區(qū)高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)整體呈現(xiàn)不顯著增多趨勢，其中熱害發(fā)生最多的年份為2006和2013年，發(fā)生最少的年份為1987年；年代際變化呈“V”型階梯變化趨勢，其中20世紀(jì)80年代中后期為高溫?zé)岷Πl(fā)生較輕的年代，平均發(fā)生站數(shù)為20.5；21世紀(jì)00年代中期以來，高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)顯著增多，近10a平均發(fā)生站數(shù)達37。

分等級統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，除輕度熱害發(fā)生站數(shù)減少外，中度和重度熱害發(fā)生站數(shù)均呈增多趨勢；其中，輕度熱害發(fā)生最多的年份為1995、1997年，發(fā)生較少的年份集中在2000年初期；中度熱害發(fā)生最多的年份為1966和2002年，發(fā)生最少的年份為1983和1987年，年代際變化呈現(xiàn)“V”型分布；重度熱害發(fā)生最多的年份為2006和2011年，發(fā)生較少的年份集中在1981?1985年。從年際變化趨勢來看，中度和重度等級的高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)自2000年以來均呈顯著增多趨勢，以重度增幅最明顯（表6）。

表6 各年代水稻灌漿結(jié)實期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站次統(tǒng)計（站）

圖7 1961?2014年水稻灌漿結(jié)實期不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)的年際變化及趨勢

2.3.2 周期變化

由圖8可見，年際尺度周期變化中，小波系數(shù)等值線密集且數(shù)值較大，表明灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷︻l次的年代際尺度周期震蕩比年際尺度周期振蕩顯著（圖8a），其方差值在16a、12a、4a時間尺度上出現(xiàn)峰值（圖8b）。由圖8a可見，在16～20a時間尺度上存在3個少發(fā)期和3個多發(fā)期，2015年處于多發(fā)期，12a時間尺度在2000年以前分布均勻，存在“偏少-偏多”3個循環(huán)周期，但2000年后熱害頻次則持續(xù)偏多；4a周期在時域上也存在類似的分布，其中2005?2010年振蕩較顯著。分等級對比發(fā)現(xiàn)，輕度高溫?zé)岷Ρ憩F(xiàn)為5a、準(zhǔn)12a、準(zhǔn)16a周期變化，中高溫?zé)岷σ詼?zhǔn)4a、準(zhǔn)12a周期震蕩較顯著，重高溫?zé)岷t表現(xiàn)出準(zhǔn)6a、10a周期震蕩。

2.3.3 空間分布

由圖9可知，水稻灌漿結(jié)實期輕度熱害空間分布特征表現(xiàn)為，發(fā)生頻率在35%以上的區(qū)域主要集中在盆南丘陵區(qū)，10%～35%的區(qū)域主要分布在盆周邊緣山地和盆東嶺谷區(qū)，5%～10%的區(qū)域主要分布在盆中淺丘區(qū)，輕度熱害頻率最高為46%，位于盆南的納溪。中度熱害空間分布特征為盆中淺丘區(qū)和川西南中山山地區(qū)頻率最高，為35%以上，盆東嶺谷區(qū)東南部次之，頻率為15%～35%，盆西平丘區(qū)以東頻率低于10%，中度熱害頻率最高為46%，位于盆南的高縣。重度熱害主要集中分布在盆中淺丘區(qū)東北部，頻率最高為50%，出現(xiàn)在蓬安，此外，盆周邊緣山地區(qū)、盆西平丘區(qū)及盆南丘陵區(qū)的熱害發(fā)生頻率為5%～10%。由此可見，水稻在灌漿結(jié)實期，高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)為盆中淺丘區(qū)及盆南丘陵區(qū)，頻率為1～2a一遇，以中度高溫?zé)岷橹鳌?/p>

圖8 四川省1961?2014年水稻灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷π〔ㄗ儞Q（a）和方差（b）

選取1961?1990年和1991?2014年兩個時間段，對比四川省水稻種植區(qū)灌漿結(jié)實期熱害發(fā)生頻率分布特征。由圖10可以看出，1990年以前，輕度熱害頻率高發(fā)區(qū)較集中，最高值為45%以上，分布于盆南丘陵區(qū)的古藺、富順地區(qū)，此外盆中淺丘區(qū)的蒼溪、蓬溪也是熱害頻率較高地區(qū)；中度熱害頻率最高為47%，主要集中在盆中淺丘區(qū)的隆昌和樂至，同時盆東嶺谷區(qū)和盆南丘陵區(qū)也是熱害高發(fā)區(qū)域，發(fā)生頻率為35%以上，范圍較大；重度熱害頻率為10%～20%，高發(fā)區(qū)域集中在盆東嶺谷區(qū)。1990以前，灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)以盆中淺丘區(qū)為主，其次為盆東嶺谷區(qū)和盆南丘陵區(qū)，頻率最高為2～4a一遇，以中度高溫?zé)岷橹鳌?990年以后，輕度熱害頻率最高介于45%～50%，分布于盆南丘陵區(qū)的隆昌、筠連地區(qū)；中度熱害頻率較高，主要分布于盆南丘陵區(qū)和盆中淺丘區(qū)，以合江和威遠為高發(fā)的典型地區(qū)，發(fā)生頻率均為50%；重度熱害高發(fā)區(qū)與1990年前相似，也位于盆東嶺谷區(qū)，但范圍更大，頻率介于10%～20%?？傮w來看，1990年以后，灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)集中在盆南丘陵區(qū)，其中合江、長寧的頻率最高，災(zāi)害范圍向西延伸至盆西平丘區(qū)，也以中度高溫?zé)岷橹?。由此可見?990年以后不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率均略高于1990年以前，災(zāi)害高發(fā)中心從盆中淺丘區(qū)向盆南丘陵區(qū)南移，且災(zāi)害影響范圍向西擴大。

圖9 四川省1961?2014年水稻灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率的空間分布

圖10 1990年前（1）、后（2）水稻灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷︻l率的空間分布

3 結(jié)論與討論

（1）1961?2014年四川地區(qū)水稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)整體均呈現(xiàn)不顯著增多趨勢。熱害發(fā)生最多的年份均為2006、2013年，發(fā)生最少的年份也都為1987年。抽穗揚花期熱害發(fā)生數(shù)量的年代際變化呈“W”型階梯變化趨勢，20世紀(jì)80年代中期和21世紀(jì)初期為高溫?zé)岷Πl(fā)生較輕的年代，灌漿結(jié)實期年代際變化呈“V”型階梯變化趨勢，其中80年代中后期為高溫?zé)岷Πl(fā)生較輕的年代；不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生站數(shù)自2000年以來均呈顯著增多趨勢，其中抽穗揚花期以輕度熱害增幅最明顯，灌漿結(jié)實期以重度熱害增幅最明顯。這與許多學(xué)者分析的氣候變暖背景下，1990年以來水稻高溫?zé)岷^(qū)域增多的趨勢基本一致[15]。

（2）不同生育期內(nèi)各等級高溫?zé)岷Πl(fā)生次數(shù)均有顯著的周期震蕩規(guī)律，方差值在16a、12a、4a時間尺度上出現(xiàn)峰值，其中輕度發(fā)生次數(shù)有準(zhǔn)6a、12 a、16a的周期變化，中度發(fā)生次數(shù)在4a、準(zhǔn)12a周期振蕩上較顯著，重度發(fā)生次數(shù)則表現(xiàn)為準(zhǔn)2a、6a、準(zhǔn)16a的周期震蕩。此外，依據(jù)16a時間尺度的周期變化和西太平洋副熱帶高壓準(zhǔn)16～20a周期震蕩一致可推測，夏季副高偏強偏西時，則四川高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次增多，2015年之后一段時間內(nèi)，高溫?zé)岷θ詫⒍喟l(fā)。

（3）四川省水稻高溫?zé)岷臻g格局總體上呈現(xiàn)“山區(qū)少、盆地多”的分布特征，水稻抽穗揚花期，高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)為盆中淺丘區(qū)東部、盆東嶺谷區(qū)及盆南丘陵區(qū)南部，頻率為4～5a一遇，以輕度高溫?zé)岷橹?；灌漿結(jié)實期，高溫?zé)岷Ω甙l(fā)區(qū)為盆中淺丘區(qū)及盆南丘陵區(qū)，頻率為1～2a一遇，以中度高溫?zé)岷橹鳌＞C上可將水稻種植區(qū)劃分盆中淺丘區(qū)及盆南丘陵區(qū)為熱害頻發(fā)區(qū)，盆東嶺谷區(qū)為熱害偶發(fā)區(qū)，川西南山地區(qū)為熱害少發(fā)區(qū)。全省水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次的空間分布特征受到四川地形影響，因此科學(xué)設(shè)計種植布局較關(guān)鍵。

（4）為了更好地研究氣候變化背景下熱害風(fēng)險的變化，對比1961?1990年和l991?2014年兩個時間段熱害發(fā)生頻率分布特征發(fā)現(xiàn)，1990年以后不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率均略高于1990年以前，且范圍擴大，其中抽穗揚花期熱害高發(fā)區(qū)從盆地東北部向南擴張，灌漿結(jié)實期的災(zāi)害高發(fā)中心從盆中淺丘區(qū)向盆南丘陵區(qū)南移，且災(zāi)害影響范圍向西擴大。

本文利用高溫?zé)岷鄯e指數(shù)概念，綜合高溫?zé)岷Πl(fā)生概率及其持續(xù)日數(shù)的影響，建立四川水稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷χ笜?biāo)，分析了四川地區(qū)水稻高溫?zé)岷Φ臅r空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)1961?2014年高溫?zé)岷偞螖?shù)呈上升趨勢，尤以2000年后增幅顯著；在氣候變暖背景下，1990年以來不同等級高溫?zé)岷尸F(xiàn)次數(shù)增多和高發(fā)中心從平原向山地擴大的趨勢。本文研究結(jié)論與羅孳孳等［10］研究結(jié)果雖然在分布范圍上有少許差異，但分布規(guī)律基本一致，差異應(yīng)該主要來自研究數(shù)據(jù)選取的不同，本文利用氣象觀測資料，結(jié)合大田生產(chǎn)實際，計算了水稻高溫?zé)岷鄯e危害指數(shù)，實現(xiàn)了水稻高溫?zé)岷ΡO(jiān)測產(chǎn)品由定性向定量化的轉(zhuǎn)變，融合常規(guī)高溫指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測，提高了空間分布的精細度，延長了研究的時效性，相比以往的熱害研究更具針對性和指導(dǎo)性。但本研究未采用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此有必要將多種觀測數(shù)據(jù)進行融合，結(jié)合氣候背景發(fā)揮各自優(yōu)勢，建立綜合的高溫?zé)岷ΡO(jiān)測模型。此外，水稻產(chǎn)量除去溫度因子的影響，其它天氣要素，如日照時數(shù)會影響輻射量，間接影響水稻生育期，其中川西南山地區(qū)域雖然溫度較其它區(qū)域偏低，但其日照時數(shù)卻較長，這在一方面大大增加了水稻生長所接受的輻射量，促進其光合作用，進而增加了光合產(chǎn)量。相對濕度也會引發(fā)高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生，過大會導(dǎo)致濕熱而致使水稻空秕率增加。其它要素如最低溫度也影響水稻正常生長發(fā)育等。同時各種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害如病蟲害、洪澇干旱災(zāi)害等時有發(fā)生，各種災(zāi)害并非獨立發(fā)生，它們相互制約、相互作用，因此，在研究高溫?zé)岷λ镜挠绊憰r應(yīng)將其它災(zāi)害的影響進行分離[25]。水稻受害還受其它條件如施肥狀況、田間管理、水稻品種等因素的影響，并且現(xiàn)有研究尚未進行高溫對不同品種水稻熱害預(yù)警，應(yīng)根據(jù)不同地域特點采用不同熟制和播期及品種的水稻進行生產(chǎn)，這樣既能避開高溫?zé)岷Φ牟焕绊?，又能調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量，以上工作有待今后做進一步研究。

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Space-time Distribution of High Temperature Disasters on Single-cropping Rice during Heading-flowering Stage and Filling-harvest Stage in Sichuan Province

LIU Jia1, 2, CHEN Chao1,4, ZHANG Yu-fang3,5, PANG Yan-mei2, CHEN Dong-dong3，LAI Jiang1

(1. Sichuan Provincial Climate Centre, Chengdu 610072, China；2. Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration, Chengdu/Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072；3.Sichuan Provincial Agricultural Meteorological Centre, Chengdu 610072；4. Provincial Key Laboratory of Water-Saving Agriculture in Hill Areas of Southern China, Chengdu 610066；5.Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072)

In this paper, spatial-temporal variation characteristics of high temperature disasters on single-cropping rice during heading-flowering stage and filling-harvest stage were analyzed with agricultural data including meteorology, rice production and agro-meteorology from 1961 to 2014 in Sichuan province by linear regression, multiple regression, Morlet wavelet analysis. The results showed that the total and different grades of high temperature disaster occurrence times were a significant upward trend from 1961 to 2014, especially after 2000. The mild heat damage increased significantly during heading-flowering stage, and the severe heat damage increased significantly during filling-harvest stage. The different grades of high temperature disaster occurrence times showed a significant periodic oscillation during growth period on 16 years, 12 years, 4 years time scale. Based on periodic changes speculated, it will remain high temperature disaster in 2015. The distribution of heat injury spatial pattern showed “l(fā)ess in mountainous and multi in basin”. Rice planting area can be divided into: high temperature disaster often occurred in central plain area and southern hilly of basin, seldom happen in eastern hilly of basin, less happened in southwest mountain. Under the background of climate warming, the frequency of different grades of high temperature disaster has increased, and frequent center has expanded from the plains to the mountain since 1990. This study has realized the transition of high temperature disasters monitoring products which from qualitative to quantitative. It combined the dynamic monitoring, improved the accuracy of the spatial distribution, and extended timeliness of the study.

Rice；High temperature disasters；High temperature heat damage accumulation index；Morlet wavelet analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.01.006

劉佳,陳超,張玉芳,等.四川單季稻抽穗揚花期和灌漿結(jié)實期高溫?zé)岷r空特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(1):46-58

2017-04-26

。E-mail:chenchao16306@sina.com

中國氣象局西南區(qū)域重大科研業(yè)務(wù)項目（2014-08）；國家重點研發(fā)計劃“糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新專項”項目“四川盆地水稻高溫干旱災(zāi)害減災(zāi)保產(chǎn)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究”（2017YFD0300409-3）；高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室開放課題（PAEKL-2017-C4）

劉佳（1985-），女，工程師，主要從事氣候變化研究。E-mail：liujia851229@163.com