辽宁水稻低温冷害分布特征及危险性评估

李雨鸿，张微玮，李琳琳，李 辑*，胡春丽，王 婷，张晓月

（1.辽宁省气象科学研究所，辽宁沈阳110166；2.沈阳农业大学农学院，辽宁沈阳110866）

水稻是我国最主要的粮食作物之一，也是辽宁省第二大粮食作物，水稻产业的健康发展对辽宁省粮食安全具有重要作用[1]。因水稻属于喜温作物，在生长发育过程中受温度条件的制约[2]，当生长季出现持续性低温时，生长发育和灌浆成熟缓慢，则发生延迟型冷害；当生殖生长期出现短期强低温天气时，生殖生长活动受阻，结实率下降，则发生障碍型冷害[3]。目前，国内外对冷害的研究主要涉及评价指标、分布规律、风险评估与区划、对策及对农业的危害机制和影响规律等[4]。受气候变化影响，东北地区农业气候资源的时空分布发生了明显变化[5-6]，作物生长季延长、生长季内积温增加，大于10℃积温带北移，促使东北水稻种植空间北移东扩。气候资源的重新分配，给东北地区水稻生产带来机遇的同时，也增加了水稻生产的风险[7]。近50年来，东北地区冷害发生频率显著下降，但冷害强度却有所增加[8]，受低温冷害影响，水稻产量表现出一定程度的下降[9]，低温冷害无疑成为威胁水稻稳定生产的主要农业气象灾害。

近年来，国内外开展了大量针对水稻低温冷害风险评估方面的研究[10-14]，但大多数研究区域范围较广，精细化程度不够。本研究基于自然灾害风险理论，利用辽宁省36个站点1961—2015年逐日气温资料，构建辽宁水稻低温冷害危险性指数，利用ArcGIS软件平台进行空间分析及制图，并加载全省乡镇边界，叠加全省水田分布，剔除非水田部分，实现对辽宁省水稻低温冷害的精细化至乡镇的危险性评估，以期对辽宁水稻安全生产、规避灾害危险提供精细化的科学依据。

1 材料与方法

1.1 冷害指标

辽宁省水稻生育期一般为5—9月，根据中华人民共和国气象行业标准（QX/T101—2009）《水稻、玉米冷害等级》规定[15]，选取当年5—9月平均气温和与同期多年平均值的距平为水稻延迟型冷害的致灾因子。根据指标规定，当5—9月逐月平均气温和的多年平均值（T）为 95＜T≤100，距平值为 -3.8＜ΔT≤-2.4时，统计该年为一般延迟冷害年，当ΔT≤-3.8时，统计该年为严重延迟冷害年；当5—9月逐月平均气温和的多年平均值为100＜T≤105，距平值为-4.2＜ΔT≤-2.8时，统计该年为一般延迟冷害年，当ΔT≤-4.2时，统计该年为严重延迟冷害年。

选取水稻孕穗期（7月中旬至7月下旬）及抽穗开花期（8月上旬至中旬）日最低气温低于某一阈值的持续日数为水稻障碍型冷害发生的致灾因子，当孕穗期日平均气温≤17℃（抽穗开花期日平均气温≤19℃）持续2 d为轻度冷害事件，持续3～4 d为中度冷害事件，持续5 d以上为重度冷害事件。

1.2 资料

气象数据为辽宁省11个市（阜新、朝阳及葫芦岛除外）36个水稻种植站点1961—2015年逐日气温数据，来自沈阳区域气候中心，数据质量较好。

1.3 方法

采用数理统计、距平、概率分布分析气象数据。从农业气象灾害风险的危险度概念出发，通过特定区域内灾害发生强度及其概率表示致灾因子危险度，对研究区域特定时间内不同变异程度的致灾因子发生的可能性及区域分布进行危险性评估。统计辽宁省36个水稻种植站点1961—2015年发生一般型延迟冷害及严重型延迟冷害年份，利用ArcGIS反距离加权插值法（IDW），加载辽宁省乡镇边界，叠加水田分布，剔除非水田部分，将已有数值插值到全省各稻区，实现精细化至乡镇的辽宁省水稻低温冷害危险性评估。统计水稻抽穗开花期辽宁省36个水稻种植站点1961—2015年发生轻度、中度冷害年份，分别计算各站点这55年间发生各级冷害的概率。

延迟型冷害危险性指数Hx可表示为

式中：Pxi为延迟型冷害发生概率;为对应等级延迟型冷害年份5—9月平均气温和负距平的平均值。

各生育期内障碍型冷害危险性指数表示为

式中：Pyi表示i生育期对应等级障碍型冷害发生概率表示i生育期对应冷害等级持续天数的平均值；i表示孕穗期或抽穗开花期。

水稻冷害综合危险性指数H为

式中：Wi为冷害权重；Hi为冷害危险性指数的归一化结果。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征分析

2.1.1 延迟型冷害时间变化特征。根据水稻延迟型冷害指标，统计辽宁省36个水稻种植站点1961—2015年历年发生一般型延迟冷害及严重型延迟冷害站次，年际变化特征如图1所示。整体来看，1961年以来，辽宁省水稻发生一般延迟冷害站次及严重延迟冷害站次均有线性下降趋势。发生一般延迟型冷害站次标准差为5.6，变差系数为1.5，年际变化幅度较大，其中，冷害发生站次最多的年份为1987年（24站次），其次为1976年（20站次），整个辽宁地区未发生一般延迟冷害的年份共有26年，多集中在1996年以后；发生严重延迟型冷害站次标准差为8.0，变差系数为2.3，年际变化幅度大于一般延迟冷害变化幅度，其中，发生站次最多的年份为1976年（36站次），其次为 1972年（29站次），整个辽宁地区未发生严重延迟冷害的年份共有38年，多集中在1996年以后。由此可见，辽宁水稻发生延迟型冷害年际变化在20世纪90年代以前稳定性较小，容易出现异常偏多年或无冷害年，20世纪90年代后期至今，发生延迟型冷害可能性明显减小。

图1 1961—2015年辽宁水稻延迟型冷害发生站次的年际变化

2.1.2 障碍型冷害时间变化特征。根据水稻障碍型冷害指标，统计辽宁省36个水稻种植站点孕穗期及抽穗开花期1961—2015年历年发生轻度、中度及重度冷害站次。计算结果显示，1961年以来，辽宁省水稻孕穗期障碍型冷害及抽穗开花期重度障碍型冷害极少发生，可以忽略，障碍型冷害主要为抽穗开花期轻度、中度冷害（下同），冷害发生站次年际变化如图2所示。整体来看，1961年以来，辽宁水稻抽穗期发生轻度、中度冷害站次线性变化略有下降，但并不显著。轻度冷害发生站次标准差为4.8，变差系数为1.6，年际变化幅度较大，其中，发生站次最多的年份为1976年（20站次），其次为1989年（17站次），整个辽宁地区未发生轻度障碍型冷害的年份共有26年，年代分布不均，年代际内均有异常偏多年份及无冷害年；中度障碍型冷害发生站次标准差为2.7，变差系数为2.6，年际变化幅度小于轻度障碍型冷害变化幅度，其中，发生站次最多的年份为1977年（15站次），其次为1972年（10站次），整个辽宁地区未发生中度障碍型冷害的年份共有43年，多集中20世纪90年代。21世纪初发生中度障碍型冷害站次略有回升，2006年后再次出现连续无中度障碍型冷害年。由此可见，辽宁水稻障碍型冷害主要发生在抽穗开花期，多为轻度及中度冷害，年际变化不均匀，稳定性较差，容易出现异常偏多年或无冷害年。

图2 1961—2015年辽宁水稻抽穗开花期障碍型冷害发生站次的年际变化

2.2 空间分布特征分析

2.2.1 延迟型低温冷害空间分布特征。如图3、图4所示，辽宁省发生延迟型冷害的范围较广，遍布全省各稻区。一般延迟型冷害的发生概率为1%～20%，沈阳康平、大连部分、锦州部分、营口大石桥稻区发生概率较高，为13%～20%；沈阳南部、鞍山北部、辽阳及盘锦北部稻区发生概率较低，为1%～7%；其他稻区发生概率为7%～13%。严重延迟型冷害的发生概率为1%～22%，仅铁岭清原及抚顺新宾稻区发生概率较高，为15%～22%；大连、丹东东南部、锦州黑山、营口及盘锦稻区发生概率较低，为1%～8%；其他稻区发生概率为8%～15%。

图3辽宁省水稻一般延迟型冷害发生概率空间分布

图4辽宁省水稻严重延迟型冷害发生概率空间分布

2.2.2 障碍型低温冷害空间分布特征。如图5、图6所示，辽宁省水稻抽穗开花期发生障碍型冷害的稻区主要集中在辽宁中部及辽宁北部。轻度障碍型冷害的发生概率为1%～33%，铁岭东北部及抚顺东部稻区发生概率最大，为22%～33%；沈阳东北部及抚顺西部次之，发生概率为11%～22%；辽宁中部稻区发生概率略低，为1%～11%。丹东东南部稻区发生概率极小，可以忽略。中度障碍型冷害的发生概率为1%～17%，其中，辽宁南部的大连、鞍山大部、丹东东南部、锦州、辽阳南部、营口及盘锦稻区发生概率极小，可以忽略；铁岭东北部及抚顺东部稻区发生概率较大，为9%～17%；其他稻区发生概率为1%～9%。

图5辽宁省水稻轻度障碍型冷害发生概率空间分布

图6辽宁省水稻中度障碍型冷害发生概率空间分布

2.3 低温冷害危险性评估

2.3.1 延迟型冷害危险性评估。根据公式（1）计算辽宁水稻延迟型冷害危险性指数，利用ArcGIS绘图，并叠加全省水田分布，将已有数值插值到全省各稻区。由图7所示，辽宁省水稻延迟型冷害危险性指数为0.50～1.34，其中，辽宁中部地区的沈阳南部、鞍山北部、锦州北部、辽阳及盘锦稻区为低危险区，危险性指数为0.50～0.75；沈阳北部、铁岭西北部、抚顺东部、丹东局部、营口中部及锦州南部稻区为高危险区，危险性指数为1.00～1.34；其他稻区危险性指数为0.75～1.00。

图7辽宁水稻延迟型冷害危险性指数空间分布

2.3.2 障碍型冷害危险性评估。根据公式（2）计算辽宁水稻障碍型冷害危险性指数，如图8所示。辽宁省水稻障碍型冷害危险性指数为0.00～1.30，高危险区主要发生在辽宁东北部地区的铁岭东部及抚顺东部地区，指数为0.90～1.30；沈阳北部、铁岭西部、抚顺西部及本溪地区为次高危险区，指数为0.45～0.90；其他大部稻区危险性较低，指数为0.00～0.45。

图8辽宁水稻障碍型冷害危险性指数空间分布

2.3.3 综合冷害危险性评估。根据公式（3）计算得到辽宁水稻低温冷害综合危险性指数，如图9所示。辽宁省水稻低温冷害综合危险性指数为0.33～0.91，其中，高危险区主要分布在铁岭东部、抚顺东部、锦州南部及营口大石桥稻区，指数为0.71～0.91；低危险区主要分布在辽宁中部，即沈阳南部、辽阳西部、鞍山北部、锦州北部、营口北部及盘锦稻区，指数为0.33～0.52；其他稻区危险性指数为0.52～0.71。

图9辽宁水稻低温冷害综合危险性指数空间分布

3 讨论与结论

1961年以来，辽宁水稻延迟型冷害发生站次呈显著减少趋势，其年际变化以20世纪90年代为界，在这之前稳定性较差，20世纪90年代以后，发生延迟型冷害范围明显缩小；水稻孕穗期基本无障碍型冷害发生，障碍型冷害主要发生在抽穗开花期，且主要表现为轻度及中度冷害，发生站次略有下降趋势，但并不显著，年际变化不均匀，稳定性较差，容易出现异常偏多年或无冷害年。

辽宁各稻区发生延迟型冷害的范围较广，但大部分稻区发生概率较小，高概率风险区主要集中在辽宁东北部及营口局部地区。抽穗开花期障碍型冷害分布范围主要集中在辽宁中部及北部，其中高风险区主要分布在辽宁东北部，辽南大部地区基本无中度障碍型冷害，且轻度障碍型冷害概率也较低。

辽宁水稻低温冷害综合危险性指数为0.33～0.91，其中高危险区主要分布在辽宁东北部及营口大石桥稻区，低危险区主要分布在辽宁中部。

本研究主要针对农业气象灾害风险评估中致灾因子危险性的单独评价。事实上，灾害风险评估应综合考虑致灾因子危险性、孕灾环境、承载体暴露性及脆弱性、防灾减灾能力等因素，因此，在以后的研究中，应构建以多种要素为指标的辽宁水稻低温冷害风险评估指数。