1961—2014年四川盆地春季水稻低溫冷害時空分布特征分析

摘 要：以四川盆地單季稻區(qū)為研究區(qū)域，選用1961—2014年99個氣象站逐日平均氣溫資料，研究分析春季水稻低溫冷害發(fā)生時空分布特征。依據(jù)春季水稻低溫冷害指標，將冷害強度分為輕度、中度、重度，采用EOF、小波分析、趨勢分析方法對四川盆地春季水稻低溫冷害時空特征進行分析，獲取不同程度冷害發(fā)生情況周期變化特征。結(jié)果表明：低溫冷害在緯向上的差異明顯，多發(fā)于四川盆地東北部和西部；輕度冷害在20世紀60—80年代發(fā)生較多，中度冷害在20世紀80年代發(fā)生較多，重度冷害在20世紀80—90年代發(fā)生較多，各等級冷害在21世紀初都呈現(xiàn)減少趨勢，尤其是重度冷害出現(xiàn)年份次數(shù)明顯減少。

關(guān)鍵詞：四川盆地；水稻；低溫冷害；小波分析；變化趨勢

中圖分類號：S511；S426 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909（2024）16-131-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.16.029

0 引言

低溫冷害是指農(nóng)作物發(fā)育過程中遭受低于其生長所需環(huán)境溫度的一種氣象災害，會導致農(nóng)作物生長期延遲或功能受到破壞，致使農(nóng)業(yè)減產(chǎn)［1］。在四川盆地，春季是大春作物播種和秧苗生長關(guān)鍵期，此時期低溫陰雨天氣對農(nóng)作物危害嚴重（易造成水稻爛秧、死苗和其他大春作物播種季節(jié)推遲），還會造成小春作物穗花期受災。如果出現(xiàn)3 d以上持續(xù)低溫，就會造成水稻秧苗爛秧、死苗和出苗參差不齊現(xiàn)象，使植株抵抗力降低，甚至誘發(fā)稻瘟病等病害，最終使水稻減產(chǎn)［2-3］。

低溫冷害嚴重影響水稻生產(chǎn)。要想進一步提升防范應(yīng)對能力，則亟須掌握四川盆地低溫冷害時空變化規(guī)律。該研究成果可為低溫冷害的進一步研究和相關(guān)部門做好防御工作提供參考，對保障水稻產(chǎn)量和品質(zhì)起到積極作用。

1 研究資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該研究采用的氣象資料為1961—2014年四川盆地99個地面氣象站點日平均氣溫資料，數(shù)據(jù)來自四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心。

1.2 低溫冷害的計算

當溫度低于12 ℃時，水稻生長發(fā)育不能正常進行。因此，結(jié)合四川盆地單季作物低溫災害特點和早稻生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)活動特點，重點研究早稻的營養(yǎng)生長階段，即抽芽—幼穗分化期。根據(jù)低溫冷害持續(xù)時間，將冷害程度分為輕度、中度和重度三個等級。3～4 d為輕度，5～6 d為中度，大于等于7 d為重度。另外，每個站點所有冷害的發(fā)生頻率被定義為當年3個冷心頻率的總和［4］。同時，根據(jù)“冷害”的定義，將這一階段連續(xù)3 d或以上日平均溫度小于等于12.0 ℃記錄為1次低溫冷害過程［5］。

1.3 研究方法

以四川盆地單季稻區(qū)為研究區(qū)域，采用氣候傾向率法計算1961—2014年不同水平冷害發(fā)生頻率，分析低溫冷害頻率隨時間變化的趨勢，得到各地區(qū)水稻低溫變化特征。用一次線性方程來表示趨勢變化：y（t）=a0+a1t。其中，y（t）為發(fā)生范圍的擬合值，a0為變量初始值，a1為變量的趨向變化率，t為時間。y（t）和t之間的相關(guān)系數(shù)是趨勢系數(shù)，代表水稻生長的趨勢。利用Morlet連續(xù)小波，分析1961—2014年研究區(qū)域春季不同等級水稻低溫冷害頻率的周期特征。由小波變換方程獲得小波系數(shù)，然后用這些系數(shù)來分析時間序列的時頻變化特點［6-7］。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫冷害的總體發(fā)生特征

研究采用氣候傾向率法，對1961—2014年四川盆地單季稻區(qū)春季水稻低溫冷害的平均頻次的空間分布進行了分析。研究表明：全年冷害發(fā)生頻率為0～1.74次/a，空間上緯向分布顯著，多發(fā)于四川盆地東北部、西部，盆地南部和盆中丘陵區(qū)相對較少；輕度冷害多發(fā)于四川盆地中部、南部，盆地西北相對較少；中度冷害大部分集中于盆地西部，發(fā)生頻次為0～0.46次/a；重度冷害空間差異較大，主要集中在盆地西部、東北部。盆周西部山區(qū)和盆地的東北平行嶺谷地區(qū)發(fā)生低溫冷害的次數(shù)和程度較高，主要原因為當?shù)睾０屋^高，易受入川冷空氣影響；而盆中的丘陵地區(qū)發(fā)生低溫冷害的次數(shù)和程度較小，為低風險區(qū)。盆周西部山區(qū)海拔較高，溫度較低，更易發(fā)生低溫陰雨天氣；盆周北部、西部、東南部山區(qū)和華鎣山、精華山之間的丘陵區(qū)春播期出現(xiàn)低溫連陰雨的頻率在80%以上［8］。

2.2 發(fā)生范圍趨勢分析

圖1顯示研究區(qū)域內(nèi)1961—2014年不同水平低溫冷害的站點數(shù)量，即每次冷害的發(fā)生范圍。結(jié)果表明，1974年和2010年，輕度冷害的發(fā)生范圍最大，有78個站點；1998年中度冷害發(fā)生的范圍最大，有88個站點；2011年重度冷害發(fā)生的范圍最大，有91個站點。總冷害發(fā)生范圍最大的是1961年、1962年、1970年、1976年、1985年、1991年、1996年、2010年，有93個站點；最小的是1973年，沒有站點。

圖1顯示，在四川盆地單季稻區(qū)，春季水稻冷害在1974年和2010年發(fā)生頻率最高且發(fā)生范圍最廣，1973年的冷害最小、發(fā)生最少。研究區(qū)域輕度冷害發(fā)生率最頻繁，且發(fā)生范圍最廣；中度冷害次之；重度冷害最少，發(fā)生范圍也最小。四川盆地春季低溫冷害發(fā)生范圍從20世紀60年代開始呈現(xiàn)明顯下降趨勢。輕度冷害發(fā)生范圍從20世紀60年代開始也呈下降趨勢，但下降程度不明顯。中度冷害在研究時段內(nèi)有明顯下降趨勢，平均下降15個站點。重度冷害幾乎沒有發(fā)生變化。

2.3 周期分析

利用Molet小波分析四川盆地1961—2014年3月到4月低溫冷害發(fā)生頻次的周期，見圖2。由圖2可知，各等級的低溫冷害在不同時期的年際和年代際震蕩周期有所差別，符號為正表示發(fā)生低溫偏多，符號為負號則表示發(fā)生偏少。

圖2（a）總頻次周期分布圖顯示，該地區(qū)溫度在不同的時期內(nèi)周期變化不完全相同，整個時域內(nèi)以26 a為中心的22～30 a的周期變化最為明顯。以26 a周期變化為例，該地區(qū)在1962—1969年、1983—1996年、2010—2014年發(fā)生低溫冷害偏多，在1969—1983年和1996—2010年期間，低溫冷害發(fā)生很少。20世紀90年代后期，以10 a為中心的8～13 a的周期性變化。小規(guī)模的周期性變化有2～3 a的周期性變化。其中2.5 a為中心的周期變化最為明顯。

圖2（b）輕度冷害發(fā)生頻次的周期分布圖顯示，春季輕度冷害存在24、6、4 a的震蕩周期，其中以整個時間域6 a為中心的5～9 a周期更為顯著。該地區(qū)在1985—1989年、1993—1996年、2000—2003年、2007—2010年發(fā)生輕度冷害偏多，但在1989—1993年、1996—2000年、2003—2007年，發(fā)生輕度冷害相對較少。20世紀60年代和90年代初有1個24 a的周期，但該中心在2010年開始發(fā)生變化。以4 a為中心的周期在20世紀60年代到80年代初期比較明顯，隨后該周期轉(zhuǎn)換為3 a和6 a的周期，此外，小規(guī)模變化的周期為1～3 a。

圖2（c）中度冷害發(fā)生頻次的周期分布圖顯示，在整個時域內(nèi)存在以8 a為中心的周期變化，這個周期在20世紀80年代后期稍有弱化，接近于9 a為中心，但其后又轉(zhuǎn)回到8 a為中心的周期。另外，2～18 a的周期可以分為以16 a為中心的12～17 a的周期變化和以8 a為中心的2～10 a的周期變化。

圖2（d）重度冷害發(fā)生頻次的周期分布圖顯示，重度冷害存在4、7、25 a為中心的震蕩周期。其中，以7 a為中心的震蕩周期在20世紀80年代開始減弱，為期5 a的震蕩周期。在1988—1998年轉(zhuǎn)換成以4 a為中心的周期。在20世紀80年代末和21世紀初，以24 a為中心的振蕩周期，并且還有2～3 a的小規(guī)模周期，但并不明顯。

2.4 發(fā)生等級分析

圖3為不同級別低溫冷害的平均發(fā)生等級。由圖3（a）可知，總的平均發(fā)生等級隨時間的變化不大，1966年和1973年發(fā)生等級偏高，低溫冷害持續(xù)時間長，在其他時期變化不明顯。圖3（b）顯示，輕度冷害發(fā)生平均水平隨時間變化大，其中1970年、1973年、1992年、1996年、1998年輕度冷害發(fā)生等級高。圖3（c）顯示，2004年、2007年、2011年中度冷害發(fā)生程度較高。整體來看，中度冷害隨時間波動較大。20世紀60—90年代和21世紀初期，重度冷害并未嚴重發(fā)生。圖3（d）顯示，1986年、1998年重度冷害持續(xù)時間較長，其他年份發(fā)生等級在1.00左右。

3 結(jié)論

①從冷害的總體發(fā)生特征來看，四川盆地春季低溫冷害空間上的緯向分布差異顯著，多發(fā)于東北部、西部，盆地南部和盆中丘陵區(qū)相對較少。其中，輕度冷害多發(fā)于四川盆地中部、南部；中度冷害大部分集中于盆地西部；重度冷害空間差異較大，主要集中在盆地西部、東北部。

②根據(jù)冷害發(fā)生范圍的趨勢分析，研究區(qū)域內(nèi)輕度冷害發(fā)生頻率最高、范圍最廣，中度冷害次之。輕度冷害從20世紀60年代開始呈下降趨勢，但下降程度不大；中度冷害在研究時段內(nèi)也有明顯下降趨勢；重度冷害在1961—2014年基本沒有發(fā)生變化。

③從不同冷害發(fā)生的周期變化來看，四川盆地不同等級低溫的周期特征不完全相同。較短的時間周期（例如2～3 a的周期）在各個等級中普遍存在，而對于較長時間的周期變化，不同等級區(qū)別較大。例如，總頻次周期在以26 a為中心的周期變化最為顯著，輕度頻次周期在以6 a為中心的周期變化比較顯著，中度則以8 a為中心的周期變化更加明顯。

④從低溫冷害的平均發(fā)生等級來看，總的平均發(fā)生等級隨時間變化不大，輕度和中度冷害平均發(fā)生等級隨時間變化很大。2000年以后，重度低溫冷害次數(shù)顯著下降。20世紀60—80年代輕度冷害更為頻繁，中度冷害在20世紀80年代較多，重度冷害在20世紀80年代和90年代較多，21世紀初各等級冷害都出現(xiàn)減少趨勢，尤其是重度冷害出現(xiàn)年份明顯減少。

參考文獻：

［1］韓學儉.冷害類型及其防御技術(shù)［J］.植物醫(yī)生，1999，（3）：19-20.

［2］陳淑全.四川氣候［M］.成都：四川科學技術(shù)出版社，1997：92-93，129-135.

［3］中國農(nóng)業(yè)百科全書編輯部.中國農(nóng)業(yè)百科全書［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986：276

［4］帥細強，蔡榮輝，劉敏，等.近50年湘鄂雙季稻低溫冷害變化特征研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（15）：8065-8068.

［5］國家氣候中心.中國災害性天氣氣候圖集（1961—2015年）［M］.北京：氣象出版社，2022：11.

［6］GU D F，PHILANDER S G H.Secular changes of annual and interannual variability in the tropics during the past century［J］.Journal of Climate，1995，8（4）：864-876.

［7］TORRENCE C，COMPO P G.A practical guide to wavelet analysis［J］.Bull Amer Meteor Soc，1998，79（1）：61-78.

［8］四川省氣象局.四川省短期天氣預報手冊（1986年版）［M］.成都：四川氣象局，1986：1-5，96-100.