柳州市早稻高温热害的时空分布规律

唐国敏 刘永裕 黄维

摘要：分析柳州市高温热害的发生规律及其与水稻产量波动的关系，为合理安排水稻生产和防御高温热害提供科学参考。利用柳州市8个气象观测站1960—2014年的气象资料，分析高温热害发生频次的时空分布规律。同时，结合柳城县、鹿寨县2003—2016年的早稻统计产量资料，分析高温热害对早稻产量的影响。结果表明，高温热害年际发生规律主要由1960—1980年和1981—2009年两个时段构成，两个时段内都表现先减后增的变化趋势，且轻、中、重和总高温热害频次主要存在着一个1～4年尺度周期变化，集中发生在1980年。研究区高温热害南多北少，但总体频次和强度不大，其中以2010年对柳州市南部早稻产量影响最为明显。

关键词：高温热害；年际变化；小波分析；产量

中图分类号：S512.1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）20-0069-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.015 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The analysis of regularity of heat damage in Liuzhou and its relationship with the fluctuation of rice yield could provide a scientific reference for rational arrangement of rice production and the defense of heat damage. Meteorological data of 8 meteorological stations from 1960 to 2014 were collected to analyze the temporal and spatial distribution of the occurrence frequency of heat damage. Meanwhile， with the statistical yield data of early rice in Liucheng county and Luzhai county from 2003 to 2016， the effects of heat damage on the yield of early rice were analyzed. The results showed that the annual occurrence of heat damage was mainly divided into two periods， namely 1960-1980 and 1981-2009. In the two periods， heat damage showed a first decreasing and then increasing trend. The frequency of light， medium， heavy and total heat damage mainly existed a period of 1～4 year scale which occur in 1980. Heat damage presented much severer in the south of study area than in the north. The total frequency and intensity were not significant. But there was a significant impact on the early rice yield in the south of Liuzhou in 2010.

Key words： heat damage； annual change； wavelet analysis； yield

高溫热害是影响中国南方地区水稻产量和品质的主要农业气象灾害之一[1]，由于其具有发生频率高、强度大、影响范围广的特点，受到气象部门和农业部门的关注。水稻在抽穗开花期对高温最为敏感，在灌浆期次之[2]。如果水稻于抽穗开花期遭遇高温热害，则易造成水稻颖花不育，受精过程被破坏，最终导致结实率下降[3，4]；而在灌浆期高温热害主要以高温逼熟的形式影响水稻正常灌浆，由于加速了水稻的灌浆进程，缩短了灌浆时间，导致干物质累积降低，最终子粒灌浆不饱满、粒重减轻，此外，高温逼熟还会造成米粒疏松，碎米率提高，垩白度增加，严重影响了水稻的品质[5]。

根据统计，柳州市6月开始高温日数增多，7、8月高温日数最多[6]，早稻一般于6月下旬抽穗开花，7月下旬成熟，如在此期间遭遇高温热害，将直接影响早稻的最终产量。目前，除北部高寒山区种植一定面积的单季稻外，柳州市水稻种植主要以双季稻为主，其中早稻常年播种面积约6万hm2，占稻谷播种面积的45.9%，产量约34.8万t，占稻谷总产量的47.0%，因此，早稻产量的高低将直接影响全市稻谷产量的增减。随着全球气候变暖的进一步加剧，柳州市夏季极端高温天气出现的频率呈增加趋势，高温热害时有发生，严重影响了柳州市水稻的正常生产。不同学者已经对长江中下游地区一季稻高温热害做了大量研究[1-6]，关于双季稻早稻高温热害研究较少，因此，本研究尝试分析柳州市早稻抽穗开花期的时空分布规律，旨在为柳州市早稻高温热害的防御和优化生产布局提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

柳州市地处桂中北部，属中亚热带季风气候，由于受季风环流影响，夏半年盛行偏南风，高温、高湿、多雨，冬半年盛行偏北风，寒冷、干燥、少雨。夏长冬短、雨热同季，光、温、水气候资源丰富，但地区差异较大，北部各县具有较明显的山地气候特征。截至2016年，早稻播种面积达6.1万hm2，约占当年稻谷播种面积的46%，单产平均为5 700 kg/hm2[7]。柳州市共有8个国家气象观测站，其空间分布如图1所示。

1.2 数据

从柳州市气象局获取柳江、鹿寨、柳州、沙塘、柳城、融安、融水和三江共8站1960—2014年逐日气象资料，包括平均温度、最高温度、最低温度等；选取柳州市农业气象试验站2001—2016年的双季早稻生育期观测资料作为本研究的农气资料，生育期主要包括出苗期、分蘖期、移栽期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期。同时，以生育期的多年平均值作为整个研究区的生育期数据源，平均生育期如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 高温热害指标 根据一季稻高温敏感期生理学基础和夏季高温频发时段，参考已有研究成果，将高温热害研究时段定为抽穗期前后20 d[8]。根据前人研究，采用日最高气温≥35 ℃且日平均气温≥30 ℃定义为1个高温日，连续出现3 d以上的高温日定义为1次高温热害，根据高温日持续时间的长短，划分为不同程度的高温热害等级[1]，3～4 d，轻度；5～7 d，中度；≥7 d，重度。

1.3.2 产量资料处理 从柳州市统计局获取了2003—2016年柳城县、鹿寨县早稻统计产量，产量年际变化如图2所示。

2 结果与分析

2.1 高温热害年际变化规律

图3a、图3b、图3c、图3d分别为轻度、中度、重度、总高温热害频次的年际变化规律，并采用多项式拟合高温热害时间变化趋势。从图中可以看出，轻度高温热害频次年际变化规律有一定的周期性，具体可分为1960—1980年和1981—2009年两个时段，都呈现出先减后增的变化趋势，1965和1995年拟合曲线处于谷值，而1960、1980和2009年为峰值期，在2010年后又快速下降，整个研究时段内轻度高温热害平均频次为0.275次/站，发生频次最多的年份为1985年，达1.125次/站，但有19个年份未出现过轻度高温热害，占34.5%；中度高温热害变化趋势总体跟轻度高温热害大體一致，可分为两个时段，但变化趋势稍缓，整个研究时段内中度高温热害平均频次为0.073次/站，发生频次最多的年份为1985年，达0.750次/站，但有38个年份未出现过中度高温热害，占69.0%；重度高温热害变化趋势不明显，发生的频次较低，仅有9个年份发了重度高温热害，占16.4%，频次最多的年份为1978年，达0.625次/站，1965—1974年和1986—2002年都未出现重度高温热害；总高温热害变化趋势与轻度高温热害基本一致，整个研究时段内总高温热害平均频次为0.393次/站，发生频次最多的年份为1985年，达2.125次/站，有19个年份未出现过高温热害，占34.5%，且与未出现轻度高温热害年份对应，即未发生轻度高温热害的年份也未曾发生过中度、重度高温热害。

2.2 高温热害周期变化规律

高温热害的连续小波功率谱见图4，其中粗黑线包围的范围通过了α=0.05显著性水平下红色噪音标准谱的检验，细黑线为影响锥型曲线。从图4中可以看出，轻度高温热害发生频次存在着1～4年和7年尺度的显著周期变化，其中，1～4年尺度周期变化主要发生在1982-1987年，7年尺度周期变化主要发生在1998-2005年，两尺度的能量都较强，但7年尺度周期的部分发生年份处于影响锥形曲线以外；中度高温热害发生频次存在着1～4年和6年尺度的显著周期变化，但6年尺度周期的发生年份基本都处于影响锥形曲线以外，其中，1～4年尺度周期变化主要发生在1984-1988年；重度高温热害发生频次存在着1～4年和4～7年尺度的显著周期变化，但4～7年尺度周期的发生年份全部处于影响锥形曲线以外，其中，1～4年尺度周期变化主要发生在1975-1982年，且能量较强；总高温热害发生频次存在着1～4年和6～8年尺度的显著周期变化，其中，1～4年尺度周期变化主要发生在1982-1987年，6～8年尺度周期变化主要发生在1999-2010年，但6～8年尺度周期的发生年份基本都处于影响锥形曲线以外。

通过以上分析可知，轻度、中度、重度和总高温热害频次主要存在着一个1～4年尺度周期变化，能量最强，且发生年份主要为1980年，7年左右尺度周期随着高温热害等级升高发生年份往后推移，并逐渐跳出影响锥形曲线。

2.3 高温热害的空间分布

柳州市高温热害发生频次的空间分布见图5。从图5可以看出，轻度高温热害发生频次在0.18～5.27次/10年，平均值为2.76次/10年，南北差异明显，从南到北逐渐递增，其中以研究区东南方向的鹿寨地区轻度高温热害发生频次最多，最高值出现在鹿寨站，达5.27次/10年，三江站发生频次最少，仅0.18次/10年；中度高温热害发生频次在0～1.45次/10年，平均值为0.73次/10年，空间差异显著，频次南多北少，但在沙塘站附近存在一个中度高温热害的低值区，研究区东南方向的鹿寨地区中度高温热害发生频次最多，最高值分别出现在鹿寨站和柳州站，均为1.45次/10年，三江站在研究时段内未发生过中度高温热害；重度高温热害发生频次在0～1.27次/10年，平均值为0.46次/10年，南北差异明显，从南到北逐渐递减，其中最高值出现在柳州站，达1.27次/10年，三江站和融水站在研究时段内未发生过重度高温热害；总高温热害发生频次在0.18～7.45次/10年，平均值为3.95次/10年，南北差异明显，从南到北逐渐递增，其中仍以研究区东南方向的鹿寨地区总高温热害频次最多，其次为柳州站和柳城站，最高值出现在鹿寨站，达5.27次/10年，三江站发生频次最少，仅0.18次/10年。值得注意的是，处于研究区南部的沙塘站高温热害普遍偏少。

2.4 高温热害对产量的影响

以高温热害发生频次较多的柳城县和鹿寨县为研究对象，分析近年来早稻相对气象产量与高温热害的关系。从图6可以看出，柳城县早稻相对气象产量与高温发生热害频次大体呈反向波动趋势，2004、2009、2010、2013年分别出现了2次及以上的高温热害过程，2010年最高，出现3次，但以2004和2010年的高温热害对柳城早稻产量的影响较为显著。鹿寨县2003、2004、2007、2010年均出现了两次高温热害过程，但前3个年份对产量的波动影响不大，仅2010年的高温热害对产量影响较大。据统计，2010年柳城县3次高温热害过程由1次轻度和2次中度等级的高温热害构成，2010年鹿寨2次高温热害过程均是由重度等级的高温热害构成，该年的高温热害是造成当地早稻减产的主要农业气象灾害，其他时段基本都是发生1～2次的轻、中度高温热害，对早稻产量的影响不显著。

3 小结与讨论

丁一汇等[14]研究表明，在全球变暖的大背景下，中国近50年来的炎热日数呈现先下降后增加的趋势，而近20年上升较明显。目前，水稻高温热害研究主要集中在长江中下游地区和西南地区的一季稻，大量研究表明，高温热害自20世纪60年代到80年代呈下降趋势，此后开始呈明显的上升趋势[15-19]。但本研究得出，柳州市20世纪60年代和90年代高温热害频次偏低，而20世纪80年代较多，与以上结论有一定出入，其原因主要有两点：①研究区不同。长江中下游地区、西南盆地地势平坦，高温热害年际变化规律较为统一，而柳州市多山，北部山地气候明显，高温热害频次南北差异显著，年际变化具有明显的地域性；②研究对象不同。一季稻抽穗开花期一般于8月下旬开始，而此时是高温热害频次最多、强度最大的时段，而柳州市早稻开花期于6月下旬开始，高温天气进入旺期还需一段时间，仅有少数年份极端高温天气集中在该时段，整体来说早稻高温热害频次偏少、强度较低。

柳州市高温热害南多北少，其中，北部的三江地区早稻种植基本不存在高温热害威胁，由于该县山多平地少，平均气温较柳州市南部偏低2 ℃左右，早稻生育期内热量水平较差，难以达到高产，虽无高温热害，但不适宜早稻大量种植，而以中稻种植较佳。通过对研究区南部的柳城县和鹿寨县高温热害与早稻产量关系分析可知，只有当高温热害频次多、强度大时高温热害才成为影响产量的主要因素。高温和干旱并发常常是导致水稻减产的重要因素，此外，田间管理、水稻品种以及病虫害等也是造成最终产量差异不可忽略的因素，因此，最终水稻产量波动是多种因子共同影响的结果[20]。

针对柳州市南部高温热害多发地区，安排水稻生产时应充分考虑高温热害的影响，提高早稻栽培技术水平，增加水稻高温热害的抗逆性，同时，结合种植制度，合理搭配不同熟性的水稻品种，选择合理播期，避开花期和灌浆期高温。此外，在水稻产量形成的关键期，应及时参考当地气象部门发布的农业气象预报，在高温日来临前积极采取日灌夜排、喷灌水雾和喷洒化学药剂等方式改善田间小气候条件，从而减轻高温对水稻的危害。

高温热害年际发生规律主要由1960—1980年和1981—2009年两个时段构成，两个时段内都呈现先减后增的变化趋势，且轻度、中度、重度和总高温热害频次主要存在着一个1～4年尺度周期变化，集中发生在20世纪80年代。研究区高温热害南多北少，但总体频次和强度不大，其中以2010年对南部早稻产量影响最为显著。通过对柳州市早稻高温热害发生频次时空分布规律以及与产量关系的分析，可为合理安排水稻生产和防御高温热害提供科学参考。

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