遼寧水稻低溫冷害分布特征及危險(xiǎn)性評估

李雨鴻，張微瑋，李琳琳，李 輯*，胡春麗，王 婷，張曉月

（1.遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧沈陽110166；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧沈陽110866）

水稻是我國最主要的糧食作物之一，也是遼寧省第二大糧食作物，水稻產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對遼寧省糧食安全具有重要作用[1]。因水稻屬于喜溫作物，在生長發(fā)育過程中受溫度條件的制約[2]，當(dāng)生長季出現(xiàn)持續(xù)性低溫時(shí)，生長發(fā)育和灌漿成熟緩慢，則發(fā)生延遲型冷害；當(dāng)生殖生長期出現(xiàn)短期強(qiáng)低溫天氣時(shí)，生殖生長活動(dòng)受阻，結(jié)實(shí)率下降，則發(fā)生障礙型冷害[3]。目前，國內(nèi)外對冷害的研究主要涉及評價(jià)指標(biāo)、分布規(guī)律、風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃、對策及對農(nóng)業(yè)的危害機(jī)制和影響規(guī)律等[4]。受氣候變化影響，東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)空分布發(fā)生了明顯變化[5-6]，作物生長季延長、生長季內(nèi)積溫增加，大于10℃積溫帶北移，促使東北水稻種植空間北移東擴(kuò)。氣候資源的重新分配，給東北地區(qū)水稻生產(chǎn)帶來機(jī)遇的同時(shí)，也增加了水稻生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[7]。近50年來，東北地區(qū)冷害發(fā)生頻率顯著下降，但冷害強(qiáng)度卻有所增加[8]，受低溫冷害影響，水稻產(chǎn)量表現(xiàn)出一定程度的下降[9]，低溫冷害無疑成為威脅水稻穩(wěn)定生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。

近年來，國內(nèi)外開展了大量針對水稻低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)評估方面的研究[10-14]，但大多數(shù)研究區(qū)域范圍較廣，精細(xì)化程度不夠。本研究基于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論，利用遼寧省36個(gè)站點(diǎn)1961—2015年逐日氣溫資料，構(gòu)建遼寧水稻低溫冷害危險(xiǎn)性指數(shù)，利用ArcGIS軟件平臺進(jìn)行空間分析及制圖，并加載全省鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，疊加全省水田分布，剔除非水田部分，實(shí)現(xiàn)對遼寧省水稻低溫冷害的精細(xì)化至鄉(xiāng)鎮(zhèn)的危險(xiǎn)性評估，以期對遼寧水稻安全生產(chǎn)、規(guī)避災(zāi)害危險(xiǎn)提供精細(xì)化的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 冷害指標(biāo)

遼寧省水稻生育期一般為5—9月，根據(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QX/T101—2009）《水稻、玉米冷害等級》規(guī)定[15]，選取當(dāng)年5—9月平均氣溫和與同期多年平均值的距平為水稻延遲型冷害的致災(zāi)因子。根據(jù)指標(biāo)規(guī)定，當(dāng)5—9月逐月平均氣溫和的多年平均值（T）為 95＜T≤100，距平值為 -3.8＜ΔT≤-2.4時(shí)，統(tǒng)計(jì)該年為一般延遲冷害年，當(dāng)ΔT≤-3.8時(shí)，統(tǒng)計(jì)該年為嚴(yán)重延遲冷害年；當(dāng)5—9月逐月平均氣溫和的多年平均值為100＜T≤105，距平值為-4.2＜ΔT≤-2.8時(shí)，統(tǒng)計(jì)該年為一般延遲冷害年，當(dāng)ΔT≤-4.2時(shí)，統(tǒng)計(jì)該年為嚴(yán)重延遲冷害年。

選取水稻孕穗期（7月中旬至7月下旬）及抽穗開花期（8月上旬至中旬）日最低氣溫低于某一閾值的持續(xù)日數(shù)為水稻障礙型冷害發(fā)生的致災(zāi)因子，當(dāng)孕穗期日平均氣溫≤17℃（抽穗開花期日平均氣溫≤19℃）持續(xù)2 d為輕度冷害事件，持續(xù)3～4 d為中度冷害事件，持續(xù)5 d以上為重度冷害事件。

1.2 資料

氣象數(shù)據(jù)為遼寧省11個(gè)市（阜新、朝陽及葫蘆島除外）36個(gè)水稻種植站點(diǎn)1961—2015年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)，來自沈陽區(qū)域氣候中心，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

1.3 方法

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、距平、概率分布分析氣象數(shù)據(jù)。從農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)度概念出發(fā)，通過特定區(qū)域內(nèi)災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度及其概率表示致災(zāi)因子危險(xiǎn)度，對研究區(qū)域特定時(shí)間內(nèi)不同變異程度的致災(zāi)因子發(fā)生的可能性及區(qū)域分布進(jìn)行危險(xiǎn)性評估。統(tǒng)計(jì)遼寧省36個(gè)水稻種植站點(diǎn)1961—2015年發(fā)生一般型延遲冷害及嚴(yán)重型延遲冷害年份，利用ArcGIS反距離加權(quán)插值法（IDW），加載遼寧省鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，疊加水田分布，剔除非水田部分，將已有數(shù)值插值到全省各稻區(qū)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化至鄉(xiāng)鎮(zhèn)的遼寧省水稻低溫冷害危險(xiǎn)性評估。統(tǒng)計(jì)水稻抽穗開花期遼寧省36個(gè)水稻種植站點(diǎn)1961—2015年發(fā)生輕度、中度冷害年份，分別計(jì)算各站點(diǎn)這55年間發(fā)生各級冷害的概率。

延遲型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)Hx可表示為

式中：Pxi為延遲型冷害發(fā)生概率;為對應(yīng)等級延遲型冷害年份5—9月平均氣溫和負(fù)距平的平均值。

各生育期內(nèi)障礙型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)表示為

式中：Pyi表示i生育期對應(yīng)等級障礙型冷害發(fā)生概率表示i生育期對應(yīng)冷害等級持續(xù)天數(shù)的平均值；i表示孕穗期或抽穗開花期。

水稻冷害綜合危險(xiǎn)性指數(shù)H為

式中：Wi為冷害權(quán)重；Hi為冷害危險(xiǎn)性指數(shù)的歸一化結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間變化特征分析

2.1.1 延遲型冷害時(shí)間變化特征。根據(jù)水稻延遲型冷害指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)遼寧省36個(gè)水稻種植站點(diǎn)1961—2015年歷年發(fā)生一般型延遲冷害及嚴(yán)重型延遲冷害站次，年際變化特征如圖1所示。整體來看，1961年以來，遼寧省水稻發(fā)生一般延遲冷害站次及嚴(yán)重延遲冷害站次均有線性下降趨勢。發(fā)生一般延遲型冷害站次標(biāo)準(zhǔn)差為5.6，變差系數(shù)為1.5，年際變化幅度較大，其中，冷害發(fā)生站次最多的年份為1987年（24站次），其次為1976年（20站次），整個(gè)遼寧地區(qū)未發(fā)生一般延遲冷害的年份共有26年，多集中在1996年以后；發(fā)生嚴(yán)重延遲型冷害站次標(biāo)準(zhǔn)差為8.0，變差系數(shù)為2.3，年際變化幅度大于一般延遲冷害變化幅度，其中，發(fā)生站次最多的年份為1976年（36站次），其次為 1972年（29站次），整個(gè)遼寧地區(qū)未發(fā)生嚴(yán)重延遲冷害的年份共有38年，多集中在1996年以后。由此可見，遼寧水稻發(fā)生延遲型冷害年際變化在20世紀(jì)90年代以前穩(wěn)定性較小，容易出現(xiàn)異常偏多年或無冷害年，20世紀(jì)90年代后期至今，發(fā)生延遲型冷害可能性明顯減小。

圖1 1961—2015年遼寧水稻延遲型冷害發(fā)生站次的年際變化

2.1.2 障礙型冷害時(shí)間變化特征。根據(jù)水稻障礙型冷害指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)遼寧省36個(gè)水稻種植站點(diǎn)孕穗期及抽穗開花期1961—2015年歷年發(fā)生輕度、中度及重度冷害站次。計(jì)算結(jié)果顯示，1961年以來，遼寧省水稻孕穗期障礙型冷害及抽穗開花期重度障礙型冷害極少發(fā)生，可以忽略，障礙型冷害主要為抽穗開花期輕度、中度冷害（下同），冷害發(fā)生站次年際變化如圖2所示。整體來看，1961年以來，遼寧水稻抽穗期發(fā)生輕度、中度冷害站次線性變化略有下降，但并不顯著。輕度冷害發(fā)生站次標(biāo)準(zhǔn)差為4.8，變差系數(shù)為1.6，年際變化幅度較大，其中，發(fā)生站次最多的年份為1976年（20站次），其次為1989年（17站次），整個(gè)遼寧地區(qū)未發(fā)生輕度障礙型冷害的年份共有26年，年代分布不均，年代際內(nèi)均有異常偏多年份及無冷害年；中度障礙型冷害發(fā)生站次標(biāo)準(zhǔn)差為2.7，變差系數(shù)為2.6，年際變化幅度小于輕度障礙型冷害變化幅度，其中，發(fā)生站次最多的年份為1977年（15站次），其次為1972年（10站次），整個(gè)遼寧地區(qū)未發(fā)生中度障礙型冷害的年份共有43年，多集中20世紀(jì)90年代。21世紀(jì)初發(fā)生中度障礙型冷害站次略有回升，2006年后再次出現(xiàn)連續(xù)無中度障礙型冷害年。由此可見，遼寧水稻障礙型冷害主要發(fā)生在抽穗開花期，多為輕度及中度冷害，年際變化不均勻，穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)異常偏多年或無冷害年。

圖2 1961—2015年遼寧水稻抽穗開花期障礙型冷害發(fā)生站次的年際變化

2.2 空間分布特征分析

2.2.1 延遲型低溫冷害空間分布特征。如圖3、圖4所示，遼寧省發(fā)生延遲型冷害的范圍較廣，遍布全省各稻區(qū)。一般延遲型冷害的發(fā)生概率為1%～20%，沈陽康平、大連部分、錦州部分、營口大石橋稻區(qū)發(fā)生概率較高，為13%～20%；沈陽南部、鞍山北部、遼陽及盤錦北部稻區(qū)發(fā)生概率較低，為1%～7%；其他稻區(qū)發(fā)生概率為7%～13%。嚴(yán)重延遲型冷害的發(fā)生概率為1%～22%，僅鐵嶺清原及撫順新賓稻區(qū)發(fā)生概率較高，為15%～22%；大連、丹東東南部、錦州黑山、營口及盤錦稻區(qū)發(fā)生概率較低，為1%～8%；其他稻區(qū)發(fā)生概率為8%～15%。

圖3遼寧省水稻一般延遲型冷害發(fā)生概率空間分布

圖4遼寧省水稻嚴(yán)重延遲型冷害發(fā)生概率空間分布

2.2.2 障礙型低溫冷害空間分布特征。如圖5、圖6所示，遼寧省水稻抽穗開花期發(fā)生障礙型冷害的稻區(qū)主要集中在遼寧中部及遼寧北部。輕度障礙型冷害的發(fā)生概率為1%～33%，鐵嶺東北部及撫順東部稻區(qū)發(fā)生概率最大，為22%～33%；沈陽東北部及撫順西部次之，發(fā)生概率為11%～22%；遼寧中部稻區(qū)發(fā)生概率略低，為1%～11%。丹東東南部稻區(qū)發(fā)生概率極小，可以忽略。中度障礙型冷害的發(fā)生概率為1%～17%，其中，遼寧南部的大連、鞍山大部、丹東東南部、錦州、遼陽南部、營口及盤錦稻區(qū)發(fā)生概率極小，可以忽略；鐵嶺東北部及撫順東部稻區(qū)發(fā)生概率較大，為9%～17%；其他稻區(qū)發(fā)生概率為1%～9%。

圖5遼寧省水稻輕度障礙型冷害發(fā)生概率空間分布

圖6遼寧省水稻中度障礙型冷害發(fā)生概率空間分布

2.3 低溫冷害危險(xiǎn)性評估

2.3.1 延遲型冷害危險(xiǎn)性評估。根據(jù)公式（1）計(jì)算遼寧水稻延遲型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)，利用ArcGIS繪圖，并疊加全省水田分布，將已有數(shù)值插值到全省各稻區(qū)。由圖7所示，遼寧省水稻延遲型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)為0.50～1.34，其中，遼寧中部地區(qū)的沈陽南部、鞍山北部、錦州北部、遼陽及盤錦稻區(qū)為低危險(xiǎn)區(qū)，危險(xiǎn)性指數(shù)為0.50～0.75；沈陽北部、鐵嶺西北部、撫順東部、丹東局部、營口中部及錦州南部稻區(qū)為高危險(xiǎn)區(qū)，危險(xiǎn)性指數(shù)為1.00～1.34；其他稻區(qū)危險(xiǎn)性指數(shù)為0.75～1.00。

圖7遼寧水稻延遲型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)空間分布

2.3.2 障礙型冷害危險(xiǎn)性評估。根據(jù)公式（2）計(jì)算遼寧水稻障礙型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)，如圖8所示。遼寧省水稻障礙型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)為0.00～1.30，高危險(xiǎn)區(qū)主要發(fā)生在遼寧東北部地區(qū)的鐵嶺東部及撫順東部地區(qū)，指數(shù)為0.90～1.30；沈陽北部、鐵嶺西部、撫順西部及本溪地區(qū)為次高危險(xiǎn)區(qū)，指數(shù)為0.45～0.90；其他大部稻區(qū)危險(xiǎn)性較低，指數(shù)為0.00～0.45。

圖8遼寧水稻障礙型冷害危險(xiǎn)性指數(shù)空間分布

2.3.3 綜合冷害危險(xiǎn)性評估。根據(jù)公式（3）計(jì)算得到遼寧水稻低溫冷害綜合危險(xiǎn)性指數(shù)，如圖9所示。遼寧省水稻低溫冷害綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.33～0.91，其中，高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在鐵嶺東部、撫順東部、錦州南部及營口大石橋稻區(qū)，指數(shù)為0.71～0.91；低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在遼寧中部，即沈陽南部、遼陽西部、鞍山北部、錦州北部、營口北部及盤錦稻區(qū)，指數(shù)為0.33～0.52；其他稻區(qū)危險(xiǎn)性指數(shù)為0.52～0.71。

圖9遼寧水稻低溫冷害綜合危險(xiǎn)性指數(shù)空間分布

3 討論與結(jié)論

1961年以來，遼寧水稻延遲型冷害發(fā)生站次呈顯著減少趨勢，其年際變化以20世紀(jì)90年代為界，在這之前穩(wěn)定性較差，20世紀(jì)90年代以后，發(fā)生延遲型冷害范圍明顯縮?。凰驹兴肫诨緹o障礙型冷害發(fā)生，障礙型冷害主要發(fā)生在抽穗開花期，且主要表現(xiàn)為輕度及中度冷害，發(fā)生站次略有下降趨勢，但并不顯著，年際變化不均勻，穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)異常偏多年或無冷害年。

遼寧各稻區(qū)發(fā)生延遲型冷害的范圍較廣，但大部分稻區(qū)發(fā)生概率較小，高概率風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在遼寧東北部及營口局部地區(qū)。抽穗開花期障礙型冷害分布范圍主要集中在遼寧中部及北部，其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在遼寧東北部，遼南大部地區(qū)基本無中度障礙型冷害，且輕度障礙型冷害概率也較低。

遼寧水稻低溫冷害綜合危險(xiǎn)性指數(shù)為0.33～0.91，其中高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在遼寧東北部及營口大石橋稻區(qū)，低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在遼寧中部。

本研究主要針對農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估中致災(zāi)因子危險(xiǎn)性的單獨(dú)評價(jià)。事實(shí)上，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)綜合考慮致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境、承載體暴露性及脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力等因素，因此，在以后的研究中，應(yīng)構(gòu)建以多種要素為指標(biāo)的遼寧水稻低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)評估指數(shù)。