兩湖地區(qū)水稻抽穗開花期高溫熱害時空分布*

郭建茂，白瑪仁增，梁衛(wèi)敏，申雙和,3，江曉東

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兩湖地區(qū)水稻抽穗開花期高溫熱害時空分布*

郭建茂1,2，白瑪仁增1，梁衛(wèi)敏1，申雙和1,3，江曉東1,2

（1.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；2.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044；3.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044）

根據(jù)兩湖地區(qū)(湖北省和湖南省)34個氣象站1961?2017年逐日氣象資料和早、中稻各28個農(nóng)業(yè)氣象站1981?2011年生育期觀測資料，采用數(shù)理統(tǒng)計、線性回歸法、ArcGIS的反距離權重（IDW）空間分析功能，對兩湖地區(qū)各省早、中稻抽穗開花期高溫熱害的時空分布進行分析。結果表明：（1）湖北省、湖南省早稻高溫熱害日數(shù)和頻次在21世紀00年代最多，20世紀60年代、2010?2017年次之，80年代最少；兩省中稻高溫熱害日數(shù)和頻次在70年代最多，60年代、21世紀00年代、2010?2017年次之，80年代最少。（2）早稻高溫熱害日數(shù)和頻次高值區(qū)分布在鄂東南、湘南，低值區(qū)分布在鄂西南、湘西；中稻高溫熱害日數(shù)和頻次的高值區(qū)分布在鄂東北、鄂東南、鄂西南、湘西、湘南，低值區(qū)分布在鄂西北、湘西。（3）各級別早、中稻高溫熱害在湖北、湖南兩省的發(fā)生頻數(shù)表現(xiàn)為輕度＞中度＞重度，且湖南省發(fā)生程度比湖北嚴重；兩省均表現(xiàn)為中稻高溫熱害發(fā)生比早稻嚴重。

湖北；湖南；水稻高溫熱害；抽穗開花期；時空分布

根據(jù)有關研究[1?2]，生長季節(jié)內(nèi)溫度每升高1℃，水稻單產(chǎn)將下降4%～10%，若結實期溫度增加1～2℃，產(chǎn)量減少將達到10%～20%。當前氣候變暖已是不爭的事實[3?6]，受全球變暖的影響，水稻將面臨更高的高溫熱害風險。已有研究顯示，水稻抽穗開花期高溫主要影響結實率和千粒重[7]，且還會影響稻米的品質[8]，因此，研究氣候變化背景下水稻高溫熱害顯得十分重要。

前人對高溫熱害的研究主要集中在高溫熱害對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量的影響[9]，高溫熱害氣象指標和生理指標、品種的耐熱性等[10]。近幾年來對水稻高溫熱害時空分布規(guī)律的研究越來越多，沙修竹等[11]研究了長江中下游地區(qū)一季稻高溫熱害風險評估與區(qū)劃；楊炳玉等[12]研究了江西省水稻高溫熱害的發(fā)生規(guī)律；萬素琴等[13]研究了氣候變化背景下湖北省水稻高溫熱害的時空分布。但以往對湖北省水稻高溫熱害時空分布的數(shù)據(jù)資料局限于2010年之前，且尚未見湖南省水稻高溫熱害的報道，兩湖地區(qū)是華中地區(qū)重要的水稻生產(chǎn)基地，已有研究難以為該區(qū)域水稻高溫熱害防御和規(guī)避提供科學依據(jù)，因此，本研究利用最新數(shù)據(jù)資料分別研究湖北、湖南省早、中稻抽穗開花期高溫熱害的時空分布規(guī)律，進一步系統(tǒng)分析并總結兩湖地區(qū)水稻高溫熱害時空分布規(guī)律，提出早、中稻高溫熱害重點發(fā)生時段和區(qū)域，以期為兩湖地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災減災提供依據(jù)，有利于保障糧食生產(chǎn)安全，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取湖北省16個氣象站、湖南省18個氣象站57a（1961?2017年）逐日氣象資料，包括最高、最低氣溫、平均氣溫，缺測數(shù)據(jù)采用5d滑動平均法進行插補，所選站點氣象資料時間較長，地理位置均勻分布；選取兩省早、中稻各28個農(nóng)業(yè)氣象站1981?2011年生育期觀測資料，包括播種、出苗、移栽、返青、分蘗、拔節(jié)、孕穗、抽穗、乳熟和成熟的普遍期日期。氣象資料和水稻生育期資料均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。研究區(qū)內(nèi)氣象站點和農(nóng)業(yè)氣象站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)氣象站點和農(nóng)業(yè)氣象站點分布

1.2 研究時段

水稻最易受高溫熱害影響的時段為抽穗開花期，資料顯示，開花期在抽穗后第2天出現(xiàn)，通常為7～10d，此間正值夏季高溫頻發(fā)時段，因此，將研究時段定為一般抽穗期前3d?后11d，共15d。兩湖地區(qū)早稻抽穗開花期一般在6月中旬?7月上旬，中稻抽穗開花期一般在7月下旬?8月下旬，對生育期資料完整的站點，采用多年抽穗期的平均值作為當?shù)氐囊话愠樗肫?；對于資料缺失的地區(qū)，參考文獻[14]，考慮地形、氣候等有關因素，結合空間插值結果定義當?shù)匾话愠樗肫冢_定兩湖地區(qū)各地的研究時段。所有站點的早稻、中稻抽穗開花期高溫熱害影響時段見表1。

表1 研究區(qū)早、中稻抽穗開花期高溫熱害影響時段（月.日）

1.3 高溫熱害等級指標

國內(nèi)外學者對水稻高溫熱害指標進行了大量研究，但由于試驗的限制條件差別，得到的高溫熱害指標也不一樣。徐云碧等[15]認為抽穗后3d平均最高溫度≥35℃是早稻結實率明顯下降的臨界指標；湯昌本等[16]研究認為，連續(xù)5d以上日最高溫度≥35℃可作為早稻抽穗揚花期高溫傷害及灌漿期高溫逼熟指標；王志剛等[17]認為，水稻抽穗開花期日平均溫度大于30℃或日最高氣溫大于35℃會造成結實率下降。本研究根據(jù)大多數(shù)學者的研究結果，把日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃連續(xù)3d及以上作為水稻抽穗開花期高溫熱害發(fā)生的基礎指標，并將持續(xù)3d及以上的高溫作為一次高溫過程，參考前人研究[18]，依據(jù)早、中稻抽穗開花期日平均氣溫（Tmean）≥30℃或日最高氣溫（Tmax）≥35℃連續(xù)日數(shù)將高溫熱害程度劃分為3個等級，結果見表2。對于跨旬跨月的情況，也看作連續(xù)的日數(shù)來統(tǒng)計高溫熱害，如7月31?8月2日滿足高溫熱害發(fā)生的條件，則統(tǒng)計為一次輕度高溫熱害。

表2 研究區(qū)早、中稻抽穗開花期高溫熱害等級指標

Note: Tmax is the daily maximum temperature, Tmean is the average daily temperature.

1.4 研究方法

氣候傾向率可以定量表示氣候要素隨時間的變化特征。本研究用氣候傾向率來分析兩湖地區(qū)各省早、中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)的年際變化趨勢。運用ArcGIS工具中反距離權重插值（IDW）法進行空間插值，用自然斷點分級法將水稻高溫熱害日數(shù)和高溫熱害程度進行分級，采用ArcGIS分析手段，揭示兩湖地區(qū)早、中稻抽穗開花期高溫熱害的分布特征。

2 結果與分析

2.1 早中稻抽穗開花期高溫熱害的時間分布

2.1.1 高溫熱害日數(shù)

分別對湖北16個、湖南18個站點1961?2017年早、中稻抽穗開花期內(nèi)日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃并持續(xù)3d及以上的高溫熱害過程進行提取，統(tǒng)計每年每次高溫熱害持續(xù)日數(shù)進行分析。由圖2、圖3可見，57a中，湖北早稻、湖南早稻、湖北中稻、湖南中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)年際變化波動較大，但整體上呈現(xiàn)上升的趨勢，氣候傾向率分別達到0.15（P＜0.01）、0.18（P＜0.01）、0.17（P＜0.01）和0.29d·10a?1（P＜0.05）。湖北省早稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)最多的年份為2005年，16個站點受高溫熱害的總日數(shù)達121d，平均每站高溫熱害日數(shù)為7.6d，其次是1961年（圖2a）；湖南省早稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)最多為186d（1961年），18個站點的平均高溫日數(shù)為10.3d，其次是2006年（圖2b）；兩省早稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)在21世紀00年代（2000s）最多，20世紀60年代（1960s）、2010?2017年次之，80年代最少（1980s）。

湖北省中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)最多的年份為2013年，16個站點受高溫熱害的總日數(shù)達158d，平均每站高溫熱害日數(shù)達9.9d，其次為2016年（圖3a）；湖南省中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)最多的年份也是2013年，18個站點總共受高溫熱害的日數(shù)達214d，平均每站有11.9d發(fā)生高溫熱害，其次為1966年（圖3b）；兩省中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)在1970s最多，1960s、2010?2017年次之，1980s最少。

圖2 早稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)的年際變化（1961?2017年）

圖3 中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)的年際變化（1961?2017年）

2.1.2 高溫熱害頻次

分別統(tǒng)計兩省1961?2017年早、中稻抽穗開花期不同程度高溫熱害發(fā)生的頻次，結果見圖4和圖5。統(tǒng)計顯示，湖北省57a中有37a早稻抽穗開花期遭遇了高溫熱害（圖4a），機率為64.9%，而湖南省有46a遭遇高溫熱害（圖4b），機率為80.7%，可見湖南省早稻抽穗開花期遭遇高溫熱害的可能性更大。從高溫熱害典型年看，湖北省早稻高溫熱害發(fā)生最嚴重的是2005年，輕、中、重度高溫熱害分別為16、6、4次，全年總計26次，2005年同時也是研究期內(nèi)輕度和重度高溫熱害頻次均為最多的年份，而1961年為中度高溫熱害頻次最多的年份，達7次；而湖南省早稻高溫熱害發(fā)生最嚴重的是1961年，輕、中、重度高溫熱害分別為14、7、9次，全年總計30次，1961年同時也是研究期內(nèi)輕、中、重度高溫熱害頻次最多的年份。總的來說，湖北、湖南省早稻總頻次年際變化波動較大，兩省早稻高溫熱害頻次的高值區(qū)在2000s，1960s、2010?2017年較高，1980s最少，兩省輕、中、重度高溫熱害頻次與總頻次的變化趨勢較一致，其重度高溫熱害發(fā)生的年 份和頻次都較少，輕度高溫熱害的頻次遠大于中度和重度。

由圖5可知，研究期內(nèi)中稻抽穗開花期高溫熱害除了湖北省有3a（1980、1982、1993年）未發(fā)生之外，其它年份兩省每年都有發(fā)生。從高溫熱害典型年看，湖北省中稻抽穗開花期高溫熱害最嚴重的是2016年，輕、中、重度高溫熱害分別為7、10、9次，全年總計26次，輕、中、重度高溫熱害最嚴重的年份分別出現(xiàn)在1961年（為14次）、1966年（為12次）、2013年（為14次）；湖南省中稻抽穗開花期高溫熱害最嚴重的是2010年，其輕、中、重度高溫熱害分別為9、11、10次，全年總計30次，輕、中、重度高溫熱害最嚴重年份分別出現(xiàn)在2004年（為19次）、1967年（為14次）、1966年（為17次）。總的來說，兩省中稻抽穗開花期高溫熱害總頻次年際變化波動較大，高溫熱害總頻次的高值區(qū)在1970s，1960s、2000s、2010?2017年較高，1980s最少，兩省輕、中、重度頻次與總頻次的變化趨勢基本一致，重度、中度高溫熱害發(fā)生的年份和頻次都較少，而輕度高溫熱害的頻次遠大于中度和重度。

圖4 早稻抽穗開花期高溫熱害頻次的年際變化（1961?2017年）

圖5 中稻抽穗開花期高溫熱害頻次的年際變化（1961?2017年）

2.2 早中稻抽穗開花期高溫熱害的空間分布

2.2.1 早稻高溫熱害日數(shù)

兩湖地區(qū)57a來各省早稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)的空間分布如圖6。由圖可見，湖北省內(nèi)呈現(xiàn)出從鄂東南向四周逐漸減小的趨勢，而湖南省內(nèi)呈現(xiàn)出從湘南向湘西減少的趨勢。其中鄂西南的恩施、五峰、來鳳，鄂中南的荊州，鄂東北的英山，湘西的吉首、芷江、通道和湘中的邵陽、武岡等地高溫熱害日數(shù)較少，研究期內(nèi)高溫熱害日數(shù)集中在4～42d，年平均高溫熱害日數(shù)不到1d，兩省高溫熱害日數(shù)高值區(qū)主要分布在鄂東南的嘉魚、武漢、黃石湘南的郴州、衡陽等地，高溫熱害日數(shù)集中在144～213d，即每年至少有2.5d的高溫熱害日數(shù)，郴州高溫熱害日數(shù)達到兩湖地區(qū)之最，高溫熱害日數(shù)達213d，年均3.7d。據(jù)統(tǒng)計，湖北省平均每站每年高溫熱害日數(shù)為1.2d，湖南省為1.3d，表明湖南比湖北省早稻高溫熱害日數(shù)略高。

圖6 早稻抽穗開花期高溫熱害總日數(shù)的空間分布（1961?2017年）

2.2.2 中稻高溫熱害日數(shù)

由圖7可知，1961?2017年兩省中稻抽穗開花期高溫熱害日數(shù)高值區(qū)分布在鄂西南的巴東、鄂東南的黃石、鄂東北的麻城、湘南的衡陽、郴州、湘中的安化、雙峰和湘西的沅陵，高溫熱害日數(shù)集中在256～360d，年平均高溫熱害日數(shù)超過4d，其中衡陽高溫日數(shù)為360d，年均6.3d，為兩湖地區(qū)最高，鄂西北的房縣、老河口、棗陽、鄂西南的五峰、來鳳、鄂中南的荊州、鐘祥、天門和湘西的通道等地高溫熱害日較少，高溫熱害日數(shù)集中在13～142d，年均高溫熱害日數(shù)在2.5d以下，衡陽高溫熱害日數(shù)為360d，年均6.3d，為兩湖地區(qū)最高。高溫熱害日數(shù)在湖北省內(nèi)呈現(xiàn)鄂東北、鄂東南、鄂西南向鄂西北逐漸減少；湖南省內(nèi)呈現(xiàn)湘南、湘中向四周逐漸減小的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，湖北省平均每站每年高溫熱害日數(shù)為2.9d，湖南省平均每站每年高溫熱害日數(shù)為3.9d，并且高溫熱害日數(shù)高值區(qū)大部分落在湖南省內(nèi)，而低值區(qū)大部分落在湖北省內(nèi)，表明湖南省中稻高溫熱害日數(shù)比湖北省更高。

圖7 中稻抽穗開花期高溫熱害總日數(shù)的空間分布（1961?2017年）