长江中下游地区高温热害对水稻的影响*

张倩，赵艳霞，王春乙

(中国气象科学研究院，北京100081)

近百年来，全球气候呈现出以变暖为主要特征的显著变化，全球变暖已经是不争的科学事实[1]。政府间气候变化专门委员会第一工作组发布的第四次评估报告指出，过去100年(1906－2005年)，全球地表平均气温升高了0.74℃±0.18℃[2]。未来50～100年全球和我国的气候将继续向变暖方向发展[3]。预计到21世纪末，全球地表平均温度还将上升1.4℃～5.8℃[4]。气候变化诱发的自然灾害的增加可能会使我国农业生产变得更不稳定，粮食安全变得更脆弱[5]。我国长江流域及其以南地区，从1999年至今，几乎每年都会出现持续10 d以上的强度大、范围广的极端高温天气。预计在未来全球气候变暖背景下，我国多数大陆地区在21世纪极端高温、热浪等事件的发生频率很可能继续增加[6]。因此深入研究水稻热害发生的规律及其对气候变化、农业措施改进的响应、确定灾害风险指标，并及早采取适宜措施对水稻热害进行防御，对保障我国未来粮食安全生产意义重大[7]。

1970年以来，水稻热害问题已有较多报道。目前，国内外学者对水稻高温热害生理生态机制方面的研究已经取得了较好的成果，积累了丰富的水稻热害理论与调控技术。研究认为高温导致水稻不结实的关键期是在花期前后[8－9]，光合作用则是对高温最敏感的过程之一[10]。高温主要从两方面影响水稻的生长发育过程:一方面高温伤害水稻开花受精过程，导致空粒率增加;另一方面，高温伤害水稻的灌浆过程，导致秕粒率增加，千粒重下降[11－12]。

1 材料与方法

1.1 基本资料

本文研究区域为长江中下游地区湖北、湖南、安徽、江西、江苏及浙江六省。气象资料为研究区域内91个气象台站的观测数据(1961－2006年)，主要包括:逐日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日降水量、2 m高处风速和水汽压。作物资料为63个农业气象台站的观测数据(1981－2006年)，主要包括水稻品种熟性、主要发育期和生物量数据。土壤资料为研究区域土壤的相关物理性质、肥力特性等数据。

1.2 作物模型及验证

本文选用荷兰瓦赫宁根大学开发研制的作物模型WOFOST7.1。作物模型生长发育参数是通过实验室或田间的控制试验获得的，因此要根据实际观测资料，先确定水稻发育期，再由发育期确定有效积温，得到水稻生长发育的初始参数。

首先分别计算出早稻和中稻的平均播种、出苗、开花和成熟日期(儒略日)，再根据发育期计算出播种至出苗、出苗至开花、开花至成熟的有效积温，将求出的平均值作为模型初始参数。由于生物量资料有限，特选取资料相对较长和全面的湖南常德(早稻)和安徽合肥(中稻)两站水稻发育期及生物量资料作为参数调试时的对比试验数据。

为使模拟结果与实际值更加接近，可利用模型中的试错校正工具RERUN进行多次试调，最后确定参数取值。播种到出苗所需有效积温:TSUMEM(早稻)=31.1，TSUMEM(晚稻)=60.7;出苗到开花所需有效积温TSUM1(早稻)=998.5，TSUM1(晚稻)=1 800.3;开花到成熟所需有效积温:TSUM2(早稻)=421.2，TSUM2(晚稻)=460.7。应用同样方法确定其他参数取值，得到出苗时临界最低温度:TBASEM=10，出苗时的最高有效温度:TEFFMX=30，作物初始干物质重:TDWI=40，出苗时的叶面积指数LAIEM=0.15。

利用湖南常德1997、1998和2001年的资料对模型进行检验，图1a～b分别为水稻地上部分干重和穗干重的模拟与观测值之间的关系。由图可以看出，WOFOST模型模拟的水稻干物质重与观测值吻合度较好，均通过了较高的显著性水平(显著水平p＜0.001)，说明模型可以较好地模拟水稻干物质的累积和产量。

图1 水稻干物质模拟与观测值关系

1.3 减产率

产量变化率可以用来表示实际气象条件下作物产量偏离平均气象条件下作物产量的波动幅度值。其表达式为:

式中:Dt表示第t年的产量变化率(%)。Yt表示实际气象条件下第t年的模拟产量(kg/hm2)。表示平均气象条件下第t年的模拟产量(kg/hm2)。当Dt＞0时，为增产率，表示该地区该年份没有发生灾害;当Dt＜0时，为减产率，表示该地区该年份发生了灾害。

1.4 高温热害指标选取

在农业气象工作中，通常以日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃作为判别水稻开花结实期受害的临界温度指标。本文高温热害等级划分为[13]:

日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃持续日数大于3 d为水稻轻度高温热害;

日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃持续日数大于5 d为水稻中度高温热害;

日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃持续日数大于8 d为水稻重度高温热害。

1.5 模拟方案设计

许多研究表明，水稻营养生长阶段短期的高温危害对水稻产量影响较小，孕穗期、抽穗扬花期和灌浆成熟期是水稻对高温比较敏感的几个发育时期[14－18]。因此本文主要研究水稻孕穗期、抽穗开花期以及灌浆结实期三个发育阶段内高温对水稻结实的影响。

对现有作物资料进行统计并结合前人研究，早稻孕穗期和抽穗开花期适宜温度为27℃，灌浆结实期为26℃;中稻孕穗期、抽穗开花期和灌浆结实期适宜温度分别为27℃、26℃和25℃。在应用WOFOST模型模拟高温对水稻产量影响时，根据水稻的发育进程，首先确定孕穗期、抽穗开花期以及灌浆结实期这三个发育期所处的日序，模拟这三个发育阶段在适宜温度下的正常产量。然后以各发育阶段的开始日序为起始点，在早稻和中稻1个、2个和3个发育期中将温度分别从适宜温度升至30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃，再模拟1 d、持续3 d以及持续5 d高温影响下的水稻产量，计算各种情况下的水稻减产率。

在开展区域高温热害影响评估时，首先计算研究区域各台站最低和最高温度的多年平均值，得到各台站平均气象条件，分别利用平均天气条件和实际天气条件驱动WOFOST模型，逐台站模拟早稻和中稻产量，计算出各台站减产率，开展水稻热害区域影响评估。

2 结果与分析

2.1 同一强度不同持续日数高温对水稻产量的影响

在模拟高温对水稻影响时，选取生物量资料较完整且温度接近常年的1997年湖南常德、江苏赣榆分别作为早稻和中稻的模拟代表台站。

图2所示为早稻和中稻各生育期日平均温度达30℃持续不同天数时的减产情况。由图可知，单一发育阶段受高温(30℃)影响时，除早稻1 d受高温影响情况外，早稻和中稻减产程度均为灌浆期最大，开花期次之，孕穗期最小。当两个发育期同时遭遇高温，以开花期和灌浆期受高温影响，早稻和中稻产量损失最为严重。此外，随着高温持续日数的增加，早稻和中稻各发育阶段产量减少随之增加，一般中稻的减产幅度要略大于早稻。其中，1 d高温天气对早稻和中稻各发育期产量的影响较为接近，产量损失都在5%左右。三个发育期同时发生高温减产最为明显，早稻减产最大可达14%左右，中稻减产最大在19%左右。

图2 早稻(常德，1997)和中稻(赣榆，1997)各发育期平均温度达30℃持续不同天数时的减产率

图3所示为温度达35℃持续不同天数时早稻和中稻减产率。可以看出，单一发育期发生35℃高温，早稻减产情况仍为灌浆期最大，孕穗期最小。中稻在1 d高温天气的影响下，各发育阶段减产情况与早稻近似，当高温持续日数达3 d开始，中稻减产程度变为开花期最大，灌浆期次之，孕穗期最小，所以高温持续日数越长，对中稻花期的影响越为显著。当两个发育阶同时受高温影响仍为开花期和灌浆期均遭遇高温时产量损失最为严重。对于不同持续日数的高温，当1 d高温达35℃时，早稻和中稻各发育期减产比较接近，均在10%左右，随着高温持续日数增加，各发育期减产幅度也呈增加趋势。三个发育期同时遭遇连续5 d达35℃高温，早稻减产最大达37%左右，中稻减产最大为45%左右。

2.2 同一持续日数不同强度高温对水稻产量的影响

图3 早稻(常德，1997)和中稻(赣榆，1997)各发育期平均温度达35℃持续不同天数时的减产率

图4分别为连续3 d出现不同程度高温天气时，早稻和中稻的产量损失随日平均温度的变化。由图可知，早稻各发育阶段受同一持续日数(3 d)高温影响，减产情况也为灌浆期最大，孕穗期最小。中稻在高温强度小于34℃时，各发育阶段减产情况与早稻近似，当高温强度达34℃时，中稻开花期减产程度开始大于灌浆期，孕穗期减产仍为最小，因此强度较大的高温对中稻开花期的影响更为严重。当两个发育期同时遭遇高温时，对于早稻和中稻仍以开花期和灌浆期叠加发生热害，产量损失最为严重。在同一持续日数高温影响下，随着高温强度的增加，早稻和中稻减产幅度逐渐增大，且各强度高温影响下的减产率曲线变化趋势比较接近，波动不大。多个发育期同时受高温胁迫，温度达36℃时，产量损失最为严重，早稻减产可达29%左右，中稻减产可达30%左右

图4 早稻(常德，1997)和中稻(赣榆，1997)各发育期发生连续3 d不同程度高温时的减产率

图5所示为持续日数为5 d时，不同日平均温度下早稻和中稻的产量损失变化。早稻各发育阶段减产率的变化情况与连续3 d高温时比较近似，对孕穗期影响最小，灌浆期影响最大。中稻各发育阶段发生高温，仅对孕穗期影响小，开花和灌浆期影响均较大，在温度小于34℃时，开花期减产略小于灌浆期，大于34℃时，灌浆期减产略大于开花期。两个发育期同时遭遇高温时，花期和灌浆期叠加发生热害，早稻和中稻产量损失最大。随着高温强度的增加，早稻和中稻减产幅度随之增大。各发育期同时受高温胁迫，当高温达36℃时，早稻减产在44%左右，中稻减产在45%左右。

图5 早稻(常德，1997)和中稻(赣榆，1997)各发育期发生连续5 d不同程度高温时的减产率

2.3 同一地点不同时段高温对早稻和中稻产量的影响

图6所示为赣榆站早稻和中稻在相同生长条件受连续3 d 35℃高温影响时的产量损失情况。当孕穗期日平均温度连续3 d达35℃时，早稻、中稻产量损失均小于5%。当抽穗开花期受高温影响，早稻减产8.5%，中稻减产14.4%。当灌浆结实期遭遇高温，早稻和中稻产量受损均为12.1%。由图中曲线对比情况可以看出，中稻的抽穗开花期较早稻更易受高温影响，减产较早稻明显，其他各发育阶段早稻和中稻减产情况比较接近。当三个发育期同时遭遇高温时，中稻产量损失要大于早稻。

图6 早稻和中稻各发育期连续3 d 35℃高温时的减产率(赣榆，1997)

2.4 长江中下游地区典型高温年份水稻高温热害空间分布

根据前人研究，选取1967、1978、1994以及2003年这几个典型的高温年份。对这些年份的水稻产量进行模拟，根据减产情况绘制水稻的灾害等级分布图。由于版面所限，本文仅以1994年、2003年两年为例，对高温热害的影响进行分析。

图7所示为1994年水稻的灾害等级分布，高温对早稻产量的影响范围明显大于中稻。图7a中，早稻除在长江中下游地区的湖北南部、湖南和江西北部部分地区有中度灾害外，在三省的其余大部分地区及研究区域东部的安徽、江苏、浙江全省均为重度高温热害，产量损失最大达32%左右。图7b中，中稻在研究区域南部的湖南、江西大部分地区为轻度灾害或无灾区，而在研究区域北部的湖北、安徽和江苏全省则主要发生了重度灾害，减产最大达46%。

图8所示为2003年水稻的灾害等级分布，2003年的高温对中稻的影响程度明显大于早稻。图8a中，早稻受高温影响减产区域不大，仅在长江中下游东南部分地区有减产出现，江西大部主要为轻度灾害，浙江西部为中度灾害，而在该省东部地区则主要为重度高温灾害，早稻减产最大可达31%左右。图8b中，中稻除在研究区域北部有小范围轻度灾害和无灾区域外，整个南部大部分地区包括湖北、安徽和江苏北部大部以及湖南、江西和浙江全省均为重度高温热害区，产量损失最多在55%以上，是所研究的几个高温年中中稻减产最为严重的一年。

由以上各图可以看出，在典型高温年份，无论早稻还是中稻产量均受到了高温天气较大程度的影响，产量损失最大均达30%以上，在高温热害的区域分布中，重度高温热害在总的灾害分布范围中分布区域也较显著。

图7 1994年长江中下游地区早稻(a)和中稻(b)灾害等级分布

图8 2003年长江中下游地区早稻(a)和中稻(b)灾害等级分布

3 结论与讨论

(1)在不同强度和持续日数高温影响下，早稻减产程度依次为灌浆期最大，开花期次之，孕穗期最小;而对于中稻来说，高温发生并不显著时，各发育期产量损失与早稻类似，也为灌浆期最大，孕穗期最小，但当高温强度及持续日数达较高值时，中稻开花期的产量损失就开始大于灌浆期。说明高温对中稻开花期危害更大。

(2)对于早稻和中稻来说，孕穗期受高温影响较小，1 d的高温天气引起的各发育期减产幅度均不大。随着高温天气强度和持续日数的增加，各发育阶段产量损失相应增加。

(3)在高温热害典型年份，无论早稻还是中稻产量都有明显减少，产量损失最高均达30%以上。在相同高温年份，中稻的最大减产率值一般要大于早稻。因此总的来说，高温热害对中稻产量的不利影响略大于早稻。

(4)本文在模拟高温热害对水稻各发育期的影响时发现，当温度达37℃或是高温持续天数达7 d开始，模型对水稻干物质累积和产量的模拟结果不合常理。如图9所示，中稻各发育期遭遇38℃高温时，产量损失要小于遭遇37℃高温影响下的情况。说明WOFOST模型尚不具备对于极端气象条件下作物生长发育进行模拟的能力，有待进一步对其改进。

图9 中稻(赣榆，1997)各发育期发生连续7 d不同程度高温时的减产率

(5)目前，应用WOFOST模型模拟水稻方面的相关研究较少，模拟过程中未考虑种植制度以及管理措施等的改进，简化了实际情况，且模型并未很好地考虑水稻的移栽过程。

(6)此外，长江中下游地区各种农业气象灾害并非独立发生，可能同时存在几种灾害，有时各种灾害彼此相互作用。因此，今后研究单一农业气象灾害时，应该尽量分离其他灾害的影响，找出各种灾害的影响权重。

(7)本研究的主要意义在于提出用作物模型开展灾害影响评估的步骤和方法，文中定量的评估结论尚待今后进一步证实。

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