近30年江苏省水稻抽穗灌浆期低温冷害时空变化及对水稻产量的影响

尹思慧,徐蒋来,朱利群,2*

(1.南京农业大学 农学院,江苏 南京 210095;2.南京农业大学 公共管理学院,江苏 南京 210095)



近30年江苏省水稻抽穗灌浆期低温冷害时空变化及对水稻产量的影响

尹思慧1,徐蒋来1,朱利群1,2*

(1.南京农业大学 农学院,江苏 南京 210095;2.南京农业大学 公共管理学院,江苏 南京 210095)

摘要：利用江苏省14个气象站点1981～2010年的气象资料,采用Excel和GIS反距离权重插值法,研究了江苏省近30年单季稻抽穗灌浆期低温冷害的时空变化特征,并分析了低温冷害对水稻产量的影响。结果表明:江苏省近30年来单季稻抽穗灌浆期的总冷害次数达155次,其中轻度冷害109次,中度冷害28次,重度冷害18次,以轻度冷害为主;在时间尺度上，以20世纪80年代冷害频次最多,之后20年呈减少趋势；在空间分布上，除轻度冷害在20世纪80年代呈“北少南多”的特征外,中等冷害及重度冷害在30年里多呈“北多南少”的特征;江苏省单季稻抽穗灌浆期累计低温对产量的抑制作用不显著。综合来看,近30年来江苏省水稻抽穗灌浆期低温冷害的危险性较小,其对水稻产量的影响不大。

关键词：江苏省;水稻；抽穗灌浆期;低温冷害;时空变化;产量

近100年来,地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。IPCC第五次评估报告指出,过去30年,每10年地表温度的增暖幅度高于自1850年以来的任何时期,我国的气候变化趋势与全球气候变化的总趋势基本一致[1-2],各种极端气候事件发生的频率随着气温的升高呈明显的增加趋势。极端气候带来的温度变化对水稻生长发育及其分布有重大的影响,其中低温冷害是造成水稻减产的重要灾害之一,且随着气候变暖其发生频率在增加[3]。长江流域是我国水稻的主产区之一,该地区水稻抽穗结实也多遭受“寒露风”的影响[4]。江苏省地处长江下游,其水稻生产占全省粮食总量的56.2%,其水稻的安全生产在较大程度上影响全省乃至长江流域地区的粮食安全生产[5]。近30年来,随着单季稻抽穗灌浆期的普遍推迟,江苏省单季稻遭受9月“寒露风”低温冷害的风险明显增大,因此研究气候变化背景下的江苏省水稻抽穗灌浆期低温冷害很有意义。

近年来,很多学者就水稻低温冷害的规律进行了相关的研究[6-11],刘娟等[10]对长江中下游6省水稻抽穗至灌浆期低温持续天数以及相应的低温强度值进行统计,研究了该区极端低温事件的变化特征;陈斐等[11]研究了长江中下游双季稻区春季低温冷害发生的时空分布特征。虽然有关水稻低温冷害的研究较多,但多数集中于春季低温冷害[12-14],少数人对水稻秋季低温冷害进行了研究[15-16],但未从不同强度冷害时空变化的角度进行,目前尚无以某一区域单季稻抽穗灌浆期为关键生育期,对其不同等级冷害进行统计与时空分布特征的研究。在水稻冷害与产量关系的研究方面,杜永林等[17]研究了江苏地区50年来水稻产量的时空变化特征及其主要的影响因素;朱珠等[18]对江苏省近30年来水稻全生育期内平均气温、降水量等气候因子与产量的相关性以及高温敏感期的高温热害发生特征进行了研究。迄今尚无人研究过水稻抽穗灌浆期持续3 d以上的低温冷害对水稻产量的影响。本文利用相关气象资料,采用Excel和GIS反距离权重插值法,对江苏省近30年来单季稻抽穗灌浆期低温冷害的时空变化特征进行了研究,并在此基础上分析了低温冷害对水稻产量的影响。

1研究区域与方法

1.1研究区情况

本文以江苏省为研究区域。该区域气候属于温带向亚热带的过渡性气候,气候温和,雨量适中,四季气候分明,以淮河、苏北灌溉总渠一线为界,以北属暖温带湿润、半湿润季风气候,以南属亚热带湿润季风气候。2013年全省各站平均气温14.2 ℃(赣榆)～17.9 ℃(苏州),呈南高北低分布；降水量为635.9 mm(射阳)～1218.2 mm(宜兴)；日照时数为1808.5 h(泗洪)～2534.2 h(大丰)。

1.2数据来源

江苏省由北至南14个气象站点[徐州、赣榆、盱眙、淮阴县、淮阴(清江)、射阳、南京、高邮、东台、南通、吕泗、常州、溧阳、东山]1981～2010年历年逐日平均温度资料来自中国气象局,站点分布见图1;12个单季稻气象站点(徐州农试站、赣榆、淮阴县、淮阴、建湖、兴化、扬州、丹徒、高淳、宜兴、昆山、苏州)2009～2013年单季稻生育期日期数据来自中国气象局；高邮、东台和南通1981～2010年单季稻产量数据来自农业部种植业司公布的数据。

1.3生育期与冷害指标的确定

水稻一生中在芽期、苗期、孕穗期和开花灌浆期这4个时期最易发生冷害[19]。孕穗期是水稻一生对低温抵抗能力最弱的时期;水稻开花灌浆期受低温的影响程度仅次于孕穗期[20-24]。水稻在抽穗扬花至灌浆期遭遇低温后,花粉粒不能正常成熟,花粉不能受精,期间的临界温度是20 ℃,在此期间低温冷害易造成水稻空秕率增加而减产[23],对水稻的安全成熟有极大影响。近30年的统计数据显示,江苏省单季稻孕穗期正处于夏季高温时期,该时期低温冷害风险较小,而单季稻抽穗灌浆期多处于8月下旬到9月下旬,遭受“寒露风”的可能性较大,低温风险逐渐增大,故本文只对江苏省单季稻抽穗灌浆期的低温冷害进行分析。

多数学者在冷害监测的研究中以日均温或日最低气温为指标,指标直观方便。耿立清等[25]认为,水稻抽穗期临界温度为17～18 ℃,开花期临界温度为20 ℃,灌浆期临界温度为18 ℃;张莉萍等[26]认为水稻开花期障碍型冷害的温度阈值为20 ℃;李桂艳[27]指出,在水稻灌浆成熟过程中遇到11～20 ℃的低温会延迟成熟。帅细强等[28]将9月连续3 d或以上日平均气温≤20 ℃设为水稻寒露风指标,并以日平均气温≤20 ℃连续3～4 d作为轻度冷害，日平均气温≤20 ℃连续5～6 d作为中度冷害，日平均气温≤20 ℃连续7 d或以上作为重度冷害;刘娟等[10]也通过统计长江下游水稻8月15日至9月25日日平均温度≤20 ℃的持续天数以及相应的低温强度值,得出了该研究区域极端低温事件的变化特征。由于江苏省单季稻抽穗灌浆期多处于9月寒露风季节,因此本文综合相关研究的指标,将水稻抽穗至灌浆期平均温度20 ℃作为临界温度,并根据低温冷害过程的持续日数,将冷害等级进行如此划分:3～4 d为轻度；5～6 d为中度；≥7 d为重度,并对单季稻抽穗开花期和灌浆成熟期3个等级强度的冷害进行统计。

1.4生育期日期的确定

根据中国气象网资料,1991～2010年间江苏省单季稻气象观测点共12个,包括徐州农试站、赣榆、淮阴县、淮阴、建湖、兴化、扬州、丹徒、高淳、宜兴、昆山、苏州。根据这12个单季稻观测点20年的生育期日期资料统计出江苏省抽穗灌浆期的平均生育期日期,见表1。所以本文将江苏省单季稻抽穗灌浆期设定为8月21日～9月27日。

1.5空间分析

空间分析采用GIS插值技术,用反距离权重法(Inverse Distance Weighting, IDW)进行插值。反距离权重法是对采样点进行线性加权来决定输出的栅格值,加权与距离呈反比,若输入点离输出栅格越远,则其对输出栅格的影响越小。用公式表示如下:

(1)

式(1)中：Z为待估计的气温栅格值；Z(xi)为第i(i=1,2,....,n)个气象站点的数据；n为用于气象数据插值的站点数目；di为插值点到第i个气象站点的距离；p为距离的幂[29]。GIS空间分析采用Mapinfo 7.0。

1.6冷害对水稻产量影响的分析

水稻产量受自然因素和非自然因素(科技、政策、人力)等共同影响,一般可将水稻实际产量分解为趋势产量、气象产量及一部分随机误差[16]。本文参考杜永林的方法,利用步长为5年的线性滑动平均法来计算江苏省水稻趋势产量,通过从实际单产中分离趋势产量来求得江苏省水稻的气象产量。

本文在设定抽穗灌浆期临界温度20 ℃的基础上,统计部分单季稻站点的累计低温(均温低于20 ℃的低温累计值),并结合单季稻气象产量,利用SPSS,对累计低温与产量之间的相关性进行显著性检验,以得到江苏省单季稻抽穗灌浆期低温冷害对水稻产量的影响效果,从而判断低温冷害是否对江苏省单季稻产量有显著影响。

2结果与分析

2.1单季稻抽穗至灌浆期冷害的统计特征

从图2可看出,1981～2010年,江苏省单季稻抽穗灌浆期总冷害次数在0～12范围内波动,分别于1984、1985、1988、1997年达到冷害总次数最大值12次,说明这4年为江苏省单季稻抽穗灌浆期低温冷害危险年;分别于1983、1993、1996、2007、2009年达到冷害总次数最小值0次,说明这5年为江苏省单季稻抽穗灌浆期安全年;此外,1981和2006年,江苏省单季稻抽穗灌浆期冷害总次数也达到10次,单季稻在抽穗灌浆期遭受的低温冷害也较严重。从不同等级冷害发生频次来看,除1985年中度冷害>重度冷害>轻度冷害、1997年和2005年重度冷害>轻度冷害>中度冷害、1999年和2010年中度冷害>轻度冷害>重度冷害外,江苏省近20年来冷害形式以轻度冷害为主。从冷害次数累加值来看,近20年来, 江苏省总冷害次数累计共达155次,其中轻度冷害109次,中度冷害28次,重度冷害18次,据此可见,江苏省近20年来单季稻抽穗灌浆期轻度冷害风险最大,中度冷害风险次之,重度冷害风险最小。

从图3-a可看出：1981～2010年间,轻度冷害频次在0～11范围内波动,于1988年达到轻度冷害最大频次11次；1984年轻度冷害危险性也较高，达到10次；1995年和2006年轻度冷害频次分别达到8次和9次；1983、1993、1996、2007和2009年轻度冷害频次均为0。从图3-b可以看出：1981～2010年间,中度冷害频次在0～7范围内波动,1985年达到中度冷害最大频次7次；1999年和2010年中度冷害频次分别达到5次和4次；1981、1984和2004年中度冷害频次均达到2次；1982、1986、1991、1992、2006年均达到1次；其余年份中度冷害频次均为0。从图3-c可看出：1981～2010年间,重度冷害频次在0～7范围内波动,1997年达到重度冷害最大频次7次；1985年和2005年重度冷害频次均达到3次；1995年和2006年均达到2次；其余年份重度冷害频次均为0。

2.2单季稻抽穗至灌浆期冷害时空分布特征

2.2.1冷害时空分布总特征 从时间尺度来看,在1981～2010年的3个10年里,江苏省单季稻抽穗灌浆期总冷害频次以20世纪80年代最多,在3～9次范围内波动；90年代次之,在1～7次范围内波动；21世纪00年代最少,在0～7次范围内波动；30年来总冷害频次呈逐渐减少趋势(图4)。从空间分布来看,30年来,江苏省单季稻抽穗灌浆期总冷害次数的空间分布总体上呈“北多南少”的特征,连云港、淮安、徐州等偏苏北地区为总冷害次数较多地区,苏州、无锡、常州和南通等苏南地区为总冷害次数较少地区。

2.2.2轻度冷害的时空分布特征 从图5可以看出：在1981～2010年的3个10年里,江苏省单季稻抽穗灌浆期轻度冷害频次以20世纪80年代最多,在3～6次范围内波动；90年代次之,在2～5次范围内波动；21世纪00年代最少,在0～4次范围内波动；30年来江苏省单季稻抽穗灌浆期轻度冷害频次呈逐渐减少趋势,但徐州、连云港、盐城等地在20世纪90年代的轻度冷害频次(4～5次)较80年代的轻度冷害频次(3～4次)有所增加。从空间分布来看：在20世纪80年代,江苏省单季稻抽穗灌浆期轻度冷害频次呈现“北少南多”的特征,扬州、泰州、镇江、南京、南通、常州、无锡和苏州等地区为轻度冷害次数较多地区,连云港、徐州和盐城等地轻度冷害较少；在20世纪90年代和21世纪00年代,江苏省单季稻抽穗灌浆期轻度冷害次数的空间分布总体上呈“北多南少”的特征,连云港、徐州、盐城等偏苏北地区为轻度冷害次数较多地区,苏州、无锡、常州和南通等苏南地区为轻度冷害次数较少地区；江苏省各地区轻度冷害发生频次差异较小。

2.2.3中度冷害的时空分布特征 从图6可以看出：在1981～2010年的3个10年里,江苏省单季稻抽穗灌浆期中度冷害频次以20世纪80年代最多,在0～3次范围内波动；21世纪00年代次之,在0～2次范围内波动；20世纪90年代最少,在0～1次范围内波动。在空间分布上,除20世纪80年代徐州中度冷害频次较少外,30年来,江苏省单季稻抽穗灌浆期中度冷害次数的空间分布总体上呈“北多南少”的特征,以连云港、徐州、宿迁、淮安等地为中度冷害频次较多地区,以南京、南通、无锡、常州、苏州等地为中度冷害频次较少地区；江苏省各地区中度冷害发生频次差异较小。

2.2.4重度冷害的时空分布特征 从时间尺度来看,在1981～2010年的3个10年里,江苏省单季稻抽穗灌浆期重度冷害频次以20世纪80年代最多,在0～2次范围内波动；90年代次之,在0～1.5次范围内波动；21世纪00年代最少,在0～1次范围内波动；30年来重度冷害频次总体上呈减少趋势,但下降幅度较小(图7)。从空间分布来看,除20世纪80年代连云港重度冷害频次较少外,30年来,江苏省单季稻抽穗灌浆期重度冷害次数的空间分布总体上呈“北多南少”的特征,连云港、徐州、宿迁、淮安、盐城等地为重度冷害频次较多地区,扬州、泰州、镇江、南京、南通、无锡、常州、苏州等地为重度冷害频次较少地区；在空间分布上,江苏省各地区重度冷害发生频次值均较小,差异较小。

2.3单季稻抽穗至灌浆期产量变化特征及冷害对水稻产量的影响

从图8可发现,高邮、东台和南通3个站点单季稻抽穗灌浆期的累计低温与气象单位面积产量间的线性趋势线斜率在0附近波动,分别为-0.0484、0.1824、0.0503,累计低温每变动1个单位,气象单位面积产量随之变动较小。显著性检验结果表明,这3个站点单季稻抽穗灌浆期的累计低温与气象单位面积产量间的线性相关性均不显著(P>0.05),R2值分别为0.0037、0.1009、0.0042。因此，这3个站点单季稻抽穗灌浆期的累计低温对单季稻产量不具有显著抑制作用。

3讨论与结论

本研究结果表明：在时间尺度上,从1981到2010年的30年里,江苏省单季稻抽穗灌浆期总冷害频次呈逐渐减少趋势,而在空间分布上则呈“北多南少”的特征,这与刘娟等[10]在研究长江中下游水稻极端高温和低温事件的演变趋势时得到的结果较为一致,这可能与北部地区纬度较高、日均温较低有关。另外,从不同等级冷害的危险性来看,江苏省单季稻抽穗灌浆期冷害以轻度冷害为主,中度冷害和重度冷害较少,且3个等级冷害频次的差距也不大,这可能与水稻抽穗灌浆期处于夏季高温向秋季低温过渡阶段,高温对水稻的抽穗灌浆仍有一定帮助有关。

气象因子,诸如光、温、水等,是影响水稻单产的重要自然因素。在水稻营养生长和生殖生长的各阶段,适宜的光、温、水配置有利于水稻生产,表现为水稻气象单产增加,反之亦然[29]。单从温度的角度来看,一方面,单季稻抽穗灌浆期遭受低温冷害后,成熟期会延迟，空秕率会增加；另一方面,水稻产量与生育期积温也有较大的关系,理论上水稻抽穗灌浆期有效积温越高,越有利于单季稻安全抽穗灌浆。王艳华在研究东北地区活动积温和极端持续低温的时空分布特征及其对粮食产量的影响时,得出了“东北地区活动积温与粮食产量呈正相关关系,而与持续低温指数呈负相关关系”的结论。然而本研究发现,高邮、东台和南通3个站点1981～2010年间水稻抽穗灌浆期累计低温值与水稻产量的相关性不显著,低温冷害对江苏省单季稻产量的影响不大,这与有关学者们的研究结论“低温冷害易造成粮食减产”不太一致。究其原因，可能是因为江苏省单季稻抽穗灌浆期低温冷害发生频次较少,低温冷害的危险性较低,而江苏省8、9月份高温对作物的低温冷害有一定的覆盖作用,在一定程度上缓和了低温冷害对水稻产量的抑制作用。另外,关于粮食产量中趋势产量的分离,学术界提出的方法各不相同,除了本文采用的指数滑动平均法外,还有对产量做对数变换、应用时间序列进行线性回归分析从而拟合产量的趋势、应用一阶差分的方法来分析时间序列、在回归模型中加入时间因素等方法[17,31]。如果尝试采用这些分离方法,得出的低温冷害与水稻产量相关性的结果可能又有所不同。

总体来说,近30年来,江苏省单季稻抽穗灌浆期低温冷害的危险性较小,3个等级冷害频次差异不大,且3个10年里冷害频次呈减少趋势;从空间分布来看,江苏省单季稻抽穗灌浆期低温冷害总体上呈“北多南少”的特征,江苏省北部地区冷害危险性略大于南部地区。结合江苏省单季稻产量数据来看,单季稻抽穗灌浆期低温冷害并未对单季稻产量造成明显影响。

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(责任编辑:黄荣华)

Temporal and Spatial Variation of Chilling Injury at Rice Heading～Filling Stage and Its Influence on Rice Yield in Jiangsu Province in Recent 30 Years

YIN Si-hui1, XU Jiang-lai1, ZHU Li-qun1,2*

(1. College of Agronomy, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;2. College of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Abstract：The article used the meteorology data of 14 meteorological stations from 1981 to 2010 in Jiangsu province, studied the temporal and spatial variation characteristic of rice chilling injuries during its heading stage and filling stage for 30 years in Jiangsu province with excel and the method of IDW( Inverse distance weight), and analyzed the influence on yield caused by chilling injuries. The results showed that the time of total chilling injuries for 30 years during single-season rice’s heading stage and chilling stage in Jiangsu province was 155, including 109 mild chilling injuries, 28 moderate chilling injuries and 18 severe chilling injuries, the mild chilling injury was the maximum number of occurrences. Judging from the temporal and spatial characteristic of rice chilling injuries, the chilling injuries account of 1980s was the most time, and in the later 20 years, the chilling injuries showed a decreasing tendency. From the point of different level chilling injuries’ temporal and spatial characteristic, the mild chilling injuries showed a increasing tendency from north to south of Jiangsu province apart from 1980s, the chilling injuries of three levels almost showed a decreasing tendency from north to south of Jiangsu province. The yield made a non-significant reaction on cumulative temperature during the heading stage and chilling stage of single-season rice in Jiangsu province. The risk of chilling injuries during single-season rice’s heading stage and filling stage for 30 years in Jiangsu province was low, the damage of on yield from chilling injuries was little.

Key words：Jiangsu province; Rice heading～filling stage; Chilling injury; Temporal and spatial variation; Yield

收稿日期：2015-10-24

基金项目：国家科技支撑计划课题(2012BAD20B05);中国博士后科学基金项目(2015M570463)。

作者简介：尹思慧(1991─),女,江苏南京人,硕士研究生,主要从事农业生态学研究。*通讯作者：朱利群。

中图分类号：S426

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)05-0007-07