长江中下游双季稻区春季低温冷害的时空分布

陈 斐， 杨沈斌，， 申双和， 张 弥， 赵艳霞

(1.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京210044;3.中国气象科学研究院，北京 100081)

水稻是中国的主要粮食作物之一，其播种面积占粮食作物总面积的1/4，产量接近粮食总产的1/2［1-3］。水稻的安全生产关系到国家的稳定和发展。然而，中国水稻种植分布广、生长季长，水稻生产时常受到多种气象灾害的威胁和影响。其中，低温冷害是造成水稻减产的重要灾害之一［4］。

目前，已有大量研究集中在水稻低温冷害致灾机理、水稻低温冷害指标和水稻低温冷害监测与评估等方面。王静等［5］通过对灌浆期水稻进行低温控制试验，发现低温使水稻的光合速率和叶绿素含量下降，进而影响水稻生理过程，导致水稻减产。王连喜［6］将遥感获取的植被指数与宁夏地区1992年和1993年发生的水稻低温冷害进行对比分析，在评估延迟型低温冷害方面取得了较好的效果。Bouman等［7］在水稻生长模型 ORYZA2000中，通过建立穗生长阶段冷积温与败育率的经验函数来模拟穗生长阶段低温对产量的影响。马树庆等［8］通过建立日冷积温(时积温)与水稻空壳率的关系模型，估算成熟前25 d逐日低温导致的空壳率及减产率。

然而，水稻低温冷害时空分布的研究大多针对中国的北方稻区。例如，李文亮等［9］对黑龙江省低温冷害的发生规律进行了分析，并运用灰色分析模型对其未来发生情况进行了预测。王萍等［10］以黑龙江省79个气象台站1971～2006年5～9月平均温度和作为低温冷害指标，结合纬度和海拔高度资料，计算了一般低温冷害指示值和严重低温冷害指示值，从而分析了黑龙江省低温冷害的分布特征。针对长江中下游和南方稻区水稻低温冷害发生特点，韩荣青等［11］将中国南方早稻区划分为四川盆地、长江中下游地区、华南南部和华南北部4个区域，分别研究了各区域早稻春播时段低温冷害的时空变化规律。杨爱萍等［12］研究了处于长江中下游稻区的湖北省水稻盛夏低温冷害变化特征。

从已有研究结果看出，长江中下游和南方稻区水稻低温冷害的研究多针对个别省份或区域，分析的时间尺度多在30年左右，并缺乏对该区域低温冷害时间周期波动特征的详细分析。为此，本研究选用长江中下游双季稻区47年76个观测站的逐日气象数据，依据春季水稻低温冷害指标，结合气候统计和小波分析方法，重点探讨该区域春季水稻低温冷害的时空分布和冷害的周期波动特征，为优化该稻区春季水稻种植布局和农事管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

根据中国水稻种植区划［13］，本文选取长江中下游平原双单季稻亚区、江南丘陵平原双季稻亚区和黔东湘西高原山地单双季稻亚区3个稻区作为研究区域(图1)。该区域属于亚热带季风气候区，年平均气温19.0℃，最冷月平均气温5.5℃，最热月平均气温28.0℃，无霜期210～270 d，≥10.0℃积温4 500～6 500℃，年日照时数700～1 500 h，年降水量1 000～1 400 mm，降水主要集中于春、夏两季。稻区内早稻播种面积占全国早稻播种面积的比率超过53%，是该区域内最主要的春播作物之一，因而，受到春季反复低温冷害的威胁较大。

图1 研究区水稻种植区划图Fig.1 Rice cultivation zoning map of the study area

1.2 数据

1.2.1 气象数据 从中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)获取了研究区 76 个气象观测站1961～2007年(共47年)的逐日气温观测资料。资料包括最低温度、最高温度、日照时数、风速和降水量。采用常规气候统计方法对气象数据进行了缺测订正和整理［14］。

1.2.2 春季水稻低温冷害指标 1961～2007年长江中下游稻区春季(3～5月)是受北方冷空气频繁侵扰的活跃期。根据水稻生长对温度的要求，当温度低于12℃时就会对水稻生长发育产生不利影响。为此，结合长江中下游双季稻区春季低温冷害发生特点和早稻生产农事活动，将研究时段设为早稻营养生长阶段，即发芽——幼穗分化期(3月下旬至4月底)。同时，参考《中国灾害性天气气候图集》中的低温冷害定义方法，将该阶段连续3 d或以上日平均气温≤12.0℃记为1次低温冷害过程［15］。根据低温冷害过程的持续日数，将冷害强度分为轻度、中度、重度3个等级，等级划分标准为:3～4 d为轻度，5～6 d为中度，≥7 d为重度［16］。另外，定义各站每年总冷害频次为该年3个等级冷害频次的总和。

1.2.3 方法 统计1961～2007年3月21日至4月30日不同等级冷害出现的频次，采用线性趋势分析法，分析了低温冷害频次的时间变化趋势，并进行显著性检验。趋势变化分析用一次线性方程表示［17］:

另外，选用Morlet连续小波分析方法，分析研究区47年春季水稻不同等级低温冷害频次的周期特性。通过将低温冷害频次时间序列分解到时间频率域内，得出各周期信号的振幅以及这些振幅随时间变换的信息，绘制小波系数图和小波方差谱图。小波系数图能反映时间序列在不同时间尺度上的周期变化及其在时间域上的分布，图中等值线中心为低温冷害多发或少发中心，中心值的大小可以反映出波动的振动强度;小波方差谱图反映了时间序列的波动能量随尺度的分布情况，可用来确定低温冷害波动的主周期［18-20］。对小波方差谱，可利用 α=0.05红噪声标准谱作为背景谱来进行显著性检验。当检验线低于小波方差曲线时，说明该区段对应的周期特征通过了0.05显著性水平检验。

2 结果

2.1 研究区春季水稻低温冷害空间变化特征

图2显示了长江中下游双季稻区47年春季水稻低温冷害平均发生频次的空间分布。从图中可以看出:1)总冷害发生频次为 0.40～2.70次/年，空间分布纬向差异明显，多发区位于东北部的江苏，依次向西向南递减，在江西达到最少，两省平均相差1.10次/年(图2A)。2)从不同冷害等级来看(图2B～图2C)，轻度和中度冷害空间差异较小，全区轻度冷害普遍偏多(均在0.30次/年以上)，中度冷害普遍偏少(最多仅0.54次/年)。重度冷害空间差异较大，呈东北-西南分布，处于高值区的江苏发生频次最多可比低值区的江西多7倍。从各省不同等级冷害的发生比例来看，江苏的重度冷害发生最频繁，所占比例最大(43.9%)，故冷害程度最重;江西、湖南轻度冷害比例最大(50.0%以上)，重度比例最小，故冷害程度最轻。3)处于研究区域东北部地区春季低温冷害发生频率高、程度重，主要由于其纬度相对偏高，温度相对偏低，且地处沿海，因此春季回温较内陆稍慢。另外，这些地区春季多连阴雨天气，也是其低温发生较多的一个重要原因。

图2 研究区域春季水稻低温冷害的空间分布Fig.2 Spatial distribution of spring cold damage to rice production in the study area

2.2 研究区春季水稻低温冷害时间变化特征

2.2.1 年际变化特征 对整个研究区域不同等级春季水稻低温冷害的发生频次进行平均处理，得到其年际分布情况(图3)。由图3可以看出，总冷害在研究时段内年际波动较大，发生次数最多的年份是1969年，单站平均2.66次/站，最少的是2001年，单站平均0.29次/站，两者相差近10倍。47年均频次为1.57次/站，2000年以后的发生频次均低于平均线。从低温冷害的发生等级来看，轻度冷害1992年发生次数最少，为 0.07次/站，1969年最多，为 2.03次/站;中度冷害发生次数最少、最多的年份分别是1983年和1967年，分别为0.01次/站和1.07次/站;重度冷害发生次数最多的年份是1996年，为1.34次/站。轻度、中度和重度低温冷害对应的47年平均频次分别为0.74次/站、0.35次/站和0.48次/站，说明全区以轻度冷害为主，重度次之，中度最少。

图4为研究区域1961～2007年不同等级春季水稻低温冷害的发生台站数占研究区总站数的百分比，即各冷害的发生范围。结果表明，轻度冷害发生范围最大的是1969年，最小的是1992年，分别占研究区域的97.0%和7.0%，平均发生范围为54.0%。中度冷害1982年发生范围最大(72.0%)，1974年、1983年和1988年均最小(1.0%)，平均发生范围为30.0%。1992年和1996年重度冷害的发生范围达99.0%，为47年最大;2000年、2003年和2007年全区无重度冷害，为47年最小，重度冷害平均发生范围为41%。各等级冷害的发生范围都呈减少趋势，其中轻度和中度冷害减少趋势显著(P＜0.05)。总冷害发生范围2001年最小，仅占研究区域的16.0%;1973年、1975年、2000年、2001年发生范围为16.0%～46.0%，其余43年(占总年数91.0%)总冷害发生范围都超过50.0%，其中有17年的发生范围达100.0%。

综合图3和图4可知，长江中下游双季稻区春季水稻低温冷害最频繁且发生范围广的是1969年和1987年，冷害最少且发生范围小的是2000年、2001年;研究区域轻度冷害频繁、发生范围广，中度冷害少、发生范围小，重度冷害居于两者之间。

图3 研究区域春季水稻低温冷害的年际变化Fig.3 Inter-annual variations of spring cold damage to rice production in the study area

图4 研究区域春季水稻低温冷害的发生范围Fig.4 Incidence of spring cold damage in the study area

从长江中下游双季稻区春季水稻低温冷害发生频次的年代统计结果(表1)来看，轻度低温冷害在20世纪60～80年代均较多，中度在60年代较多，重度则在80和90年代较多，本世纪初各等级低温冷害都相对较少，重度尤为突出。总冷害大致呈现出多-少-多-少-少的波动特征，即60年代发生次数最多，70年代略有减少，80年代又增多，90代开始减少，本世纪初再次大幅减少，并且其发生频次不足前几个年代的1/2。由此可见，春季低温冷害呈现明显减少和减轻的态势。

表1 研究区域春季水稻低温冷害年代际变化Table 1 Decadal changes of spring cold damage to rice production in the study area

以上分析为研究区域平均状况，为了解时间变化趋势的空间特征，逐站计算并绘制了研究区域47年不同等级春季水稻低温冷害发生频次的变化趋势分布图(图5)。由图5A可见，全区有54站(占该地区总台站数的71.0%)总冷害的减少趋势通过了α=0.05显著性水平检验(图5中蓝圈)，各个省份均有分布，10年春季水稻低温冷害发生频次减少0.48～0.17次，平均0.27次，最低值0.48次出现在浙江东部;全区没有呈显著增加趋势的台站;冷害变化趋势不显著的台站占29.0%。由图5B～图5D可见，轻度冷害有12站呈显著减少趋势，主要分布在安徽、江苏、浙江、湖南，10年春季水稻低温冷害发生频次减少0.28～0.16次，显著增加的仅1站(图5中红圈);中度冷害显著减少的有21站，分布于长江中下游各省，10年春季水稻低温冷害发生频次减少0.21～0.10次;重度冷害仅3站显著减少，位于江苏地区，10年春季水稻低温冷害发生频次减少0.21～0.12次。以上分析说明，研究区近47年来各省春季水稻低温冷害都呈现出不同程度的减少趋势，不同等级冷害减少的频次大体相当，减少范围最广的是中度冷害。

图5 研究区域春季水稻低温冷害发生频次的变化趋势Fig.5 Frequency of spring cold damage to rice production in the study area

2.2.2 周期特征 图6为长江中下游双季稻区春季低温总冷害发生频次的小波系数与方差分布图。由图6a可知，总冷害存在3年、5年、8年的年际和15年、25年以上的年代际周期振荡特征，除1990年以后出现的5年尺度的周期信号表现为时域局部化特征外，其余4个尺度都具有全域性。3年小尺度周期信号在1993年以后振荡强度明显增强，8年尺度周期信号的振荡中心发生了2次偏移，振荡尺度先从6年逐渐增大到8年，2000年后又回落至5年，振荡能量也在此后开始减弱;15年和25年以上大尺度上，周期振荡稳定且能量较强，25年以上尺度上存在多-少-多-少的2次循环交替振荡，分别对应着20世纪60和80年代的冷害多发期与70、90年代及2000年以后的冷害少发期。此外，等值线基本闭合说明在未来一段时间又将进入春季低温总冷害多发期。由图6b可以看出，25年以上尺度在全时域上的平均振荡能量最强，3年尺度的高频振荡能量最弱，几个主要振荡周期尺度中，仅3年尺度的周期信号通过显著性检验。

图6 研究区域春季水稻低温冷害发生频次的小波变换系数和方差Fig.6 Wavelet transform coefficients and variances of spring cold damage frequency in the study area

从不同等级冷害来看(如图6c～图6h)，春季轻度低温冷害具有3年、8年的年际和14年的年代际振荡周期。其中，3年尺度上的振荡在2000年以后开始表现的比较明显，8年尺度的周期信号最强，分布于整个时域，2000年以后强度有所减弱，14年尺度的周期变化在1992年以前振荡明显，全时域平均状况下通过显著性检验的为3年小尺度。中度低温冷害存在4个分布于整个研究时段的周期尺度振荡，年际尺度变化主要表现在3～5年、8年尺度的周期振荡，3～5年尺度的振荡中心由1985年以前的5年尺度逐渐减小为3年，8年尺度的振荡中心也发生了8年-10年-8年的偏移，其周期信号表现最强;年代际尺度变化主要表现在16年、25年以上尺度的周期振荡，16年尺度振荡强度仅次于8年尺度，振荡中心未发生偏移，25年以上尺度与前述中度低温冷害的年代波动情况吻合，因而可预测未来发生趋势，由于其等值线尚未完全闭合，说明此后中度低温冷害仍将保持短时间的少发期。另外，全时域平均仅3～5年尺度比较显著;重度低温冷害在4～5年的年际和10年、16年、25年以上的年代际尺度上振荡明显，4～5年尺度的显著周期信号具有全域性，1995年以后振荡尺度由4年偏移至5年，10年尺度的周期信号在1995年以前比较明显，16年尺度全时域分布，但振荡能量很弱，25年以上尺度振荡能量最强，全时域分布，共出现2次完整的交替振荡，可以预测，未来重度低温冷害将会会进入多发期。

3 讨论

本研究认为研究区春季水稻低温冷害20世纪70年代和90年代较少、80年代较多，这与刘传凤等［21］对南方地区的研究一致，但刘传凤等认为60年代冷害较少，说明长江中下游与南方地区春季低温冷害年代发生情况基本一致但又存在差异。另外，韩荣青等［11］研究认为，长江中下游1980～1999年是早稻(3月下旬～4月上旬)低温冷害的偏多时期，与本研究结论不同，这可能是由于研究时段不同所导致，因此，针对低温冷害，还可进一步细化为月或旬来进行冷害发生时段的研究。

温度仅是导致低温冷害的一个气象因子，阴雨、寡照等也会在一定程度上加重低温对早稻生长的不利影响，因此，要使研究结果能够指导实际生产，还需要综合考虑其他因子的作用。此外，长江中下游双季稻区春季低温冷害是春季东亚乃至北半球大气环流的作用结果，受到亚洲中高纬度环流、西太平洋副热带环流和太平洋热带环流的影响，特别是与亚洲极涡、经向环流指数、副高北界位置及太平洋暖池的海表面温度等因子关系密切［21］，其成因及其影响系统极其复杂，要深入探究南方春季水稻低温冷害的发生规律，还需要进一步深入研究。

本研究根据现有的中国水稻种植区划，选择单双季稻和双季稻区作为研究区域，排除了长江中下游部分单季稻区，使分析结果更具有参考价值。但值得提出的是，研究区域内一些省份或地区的双季稻面积呈现逐年减少的趋势，有的省份(如江苏)在近年来已经不种植早稻。因此，在后续的研究中将进一步调整研究区域。另外，本文所用的冷害强度是以天数为指标，未考虑温度指标以及其他因素的影响，为此，将在后续研究中进一步完善。

致谢: 感谢江苏省气象局气象服务中心高苹研究员在本研究中提供的帮助!

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