来宾市水稻高温热害发生规律及风险分析

刘 武,熊文兵,甘皓月,吴凤莹,郑传伟

(1.广西壮族自治区来宾市气象局,广西 来宾 546100;2.来宾市武宣县气象局,广西 武宣 545900; 3.来宾市兴宾区气象局,广西 来宾 546100)

水稻是我国的重要粮食作物，水稻的产量与品质关系着我国的粮食的产量与品质，但是在水稻的生育期中，存在多种影响水稻产量及品质的气象灾害及病虫害，其中高温热害是最常见的农业气象灾害之一，对水稻的产量与品质的影响不容忽视，据报道高温热害通过影响水稻开花、授粉受精和籽粒灌浆结实能导致水稻大量减产和品质降低[1-6]。广西作为我国的水稻主产区之一，是水稻高温热害的重灾区，在全球气候变暖的背景下，广西水稻产区高温热害呈增多趋势，高温热害严重影响着广西水稻的产量及品质[7-9]。

来宾市位于华南区域，处于广西中部地区，属中亚热带至南亚热带气候[10]，气候温暖，降雨充沛，是广西双季水稻种植区之一；同时广西夏季高温持续时间长，极端高温事件偶发性高，对来宾市水稻生产造成不同程度的影响[11-12]。近年来，前人对我国水稻种植分布气候响应，水稻“寒露风”、干旱的形成和变化规律，水稻种植气候区划，对东北、长江流域、西南等我国高温热害易发区的水稻高温热害分布特征等研究较多[13-21]，而针对广西水稻高温热害时空变化规律的报道比较少见，按旬尺度精细分析水稻高温热害的研究更为少见。本研究运用线性回归趋势分析、M-K突变检验等数理统计方法，通过研究广西来宾市水稻抽穗开花、灌浆期高温热害过程发生次数、高温热害过程天数分布情况，分析了来宾市水稻高温热害的时空分布特征，按旬统计分析了高温热害风险频率，旨在丰富广西水稻高温热害的研究，为广西水稻高温热害的监测预警和水稻优化布局及防御技术对策研究提供科学参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料与统计方法

本研究区域位于广西壮族自治区中部地区，气象资料来源于来宾市国家气象基本观测站提供的1965～2017年的日最高温度、日平均温度等逐日气温资料；水稻农情资料来源于来宾市农业技术推广站。本文采用基于最小二乘法的一元线性回归、M-K突变检验、Morlet小波分析等方法[22-23]，利用MATLAB编程技术，分析来宾市出现水稻高温热害过程次数、总天数的年际变化趋势、突变期及周期变化特征，按旬尺度统计分析水稻高温热害出现频率。从时间和空间分布分析来宾市水稻抽穗开花、灌浆期高温热害分布规律特征及各旬风险频率。

1.2 高温热害等级划分方法

水稻高温热害是指环境温度超过水稻适宜温度上限，对水稻生长发育造成危害。高温热害通过影响水稻开花、授粉受精和籽粒灌浆结实而降低产量及降低稻米品质。当持续出现3 d以上日最高温度高于35 ℃或日平均温度达30 ℃以上时，会对水稻的开花、花药开裂、花粉活力、花粉管伸长、受精等一系列生理生化过程产生影响，进而导致结实率降低[24-25]。

根据公开发布的国家标准和前期学者的研究结果，对水稻高温热害等级的划分主要是根据水稻生育关键期出现3 d以上日最高气温≥35 ℃或日平均气温≥30 ℃的持续天数。本文参考张佳华等[26-27]提出的高温热害指标，选择以日最高气温≥35 ℃或日平均气温≥30 ℃持续天数作为水稻高温热害等级的划分指标(表1)，根据来宾市水稻(包括早、中、晚稻，下同)农情信息资料，水稻抽穗开花、灌浆期最早为5月21日，最迟为10月31日，因此，在5月21日至10月31日出现达到水稻高温热害等级指标的过程记为一次水稻高温热害过程，分等级统计来宾市历年高温热害过程出现次数,高温热害过程持续天数之和为高温热害总天数。

表1 水稻高温热害等级指标

注：表中持续云数据指日最高气温≥35 ℃或日平均气温≥30 ℃的持续天数。

2 结果与分析

2.1 水稻高温热害的时间变化特征

2.1.1 年际变化

2.1.1.1 过程次数的年际变化 对1965～2017年来宾市水稻高温热害过程次数的统计分析显示，来宾市历年水稻高温热害过程平均次数为14站次(期间未出现高温热害过程的金秀县除外，下同)，其中轻度热害10站次，占71.4%；中度和重度热害均为2站次，各占14.3%。由图1可知，来宾市历年水稻高温热害过程发生次数最多为28站次，出现在2011年；最少为1站次，出现在1974年；水稻高温热害过程总次数、轻度过程次数的年际变化比中度、重度的差异大。来宾市近53年水稻高温热害过程总次数总体呈增多趋势，倾向率为1.135次/10 a，热害过程次数的年代变化特征表现为：在20世纪60年代至70年代前期、80年代后期至90年代前期、21世纪00年代后期至10年代有3个偏多期，在20世纪70年代后期至80年代前期、90年代后期至21世纪00年代前期有2个偏少期；轻度、中度热害过程次数与热害过程次数相似，重度热害过程次数的年代变化特征不明显。

图1 1965～2017年来宾市水稻高温热害过程次数(a)、轻度热害(b)、中度热害(c)和重度热害(d)次数的年际变化

2.1.1.2 过程总天数的年际变化 对1965～2017年来宾市各县历年水稻高温热害过程累计天数的统计分析显示，来宾市历年水稻高温热害总天数平均为18 d，历年总天数最多37 d，出现在1990年；历年极端单次过程最长天数24 d，出现在1990年的武宣站。由图2可知，来宾市历年水稻高温热害总天数在53年期间有增多趋势，倾向率为1.359 d/10 a，年代变化表现与过程次数的年际变化相似，但总天数的年际变化差异表现比热害过程次数更加显著，标准差分别为9.3和6.6 d。

图2 1965～2017年来宾市水稻高温热害总天数的年际变化

2.1.2 突变分析 本文使用Mann-Kendall(M-K)法对来宾市1965～2017年水稻高温热害变化趋势进行突变检测(图3)，给定的显著水平α=0.05，M-K法中包括UFK和UBK两条曲线，UFK的值大于0表示有上升趋势，小于0表示有下降趋势，当UFK线超过临界直线(Z=±1.96)时，表示上升或下降趋势达到0.05显著性检验水平，如果两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻为突变开始的时间。由图3可知，来宾市水稻高温热害过程次数有2个明显增多期，分别为20世纪80年代后期至90年代前期、21世纪00年代后期至10年代，其中后者的增多趋势于2015年达到0.05的显著性检验水平，在2008年前后出现1个增多趋势的突变期。来宾市水稻高温热害平均天数的突变检验情况与热害过程次数特征相符。

2.1.3 周期变化特征 采用Morlet小波对来宾市1965～2017年水稻高温热害过程次数及平均天数序列进行连续小波变换，得到小波变换系数的实部等值线图(图4)和小波方差图(图5)。

由图4、图5可知，近53年来宾市水稻高温热害过程次数存在准2、5～6、8～10年等多个振荡周期，以5～6年震荡周期持续的时间最长、最明显；在20世纪70年代至20世纪结束存在明显的8～10年的振荡周期。来宾市水稻高温热害平均天数的周期变化特征与热害过程次数相近。

2.2 水稻高温热害的空间变化特征

由图6可知，来宾市各县(区)历年平均水稻高温热害过程次数在3～4次之间，金秀县高寒山区除外，历年水稻高温热害平均天数在15～22 d之间。说明来宾市每年均可能发生水稻高温热害，其中以象州县的4次/年、22 d/年最重，忻城县的3次/年、15 d/年最轻，武宣县和兴宾区居中。

象州县位于武宣县北面，水稻高温热害比武宣县重，来宾市水稻高温热害的空间分布并不完全与纬度相关，同时受海拔高度等其他因素的影响。

图3 来宾历年水稻高温热害过程次数M-K检验

图4 来宾市水稻高温热害过程次数(a)、热害平均天数(b)的小波变换实部

2.3 水稻高温热害风险分析

对1965～2017年来宾市各县历年水稻高温热害过程按旬统计，当一旬中有1 d以上出现水稻高温热害过程，则当年该旬发生水稻高温热害过程，计算该旬在53年中出现水稻高温过程的频率，以此频率作为风险频率指标，出现频率高则风险大，反之则风险小。由图7可知，来宾市各旬发生水稻高温热害过程的频率变化曲线为单峰型，最小为1.0%，最大为65.3%，变化趋势从6月中旬开始升高，到8月上旬达到最大，之后下降，10月上旬达到最小，各县的水稻高温热害频率变化特征相近，但同一旬各县的频率相差较大，差值范围在1%～25%之间，以6月下旬至7月中旬、8月各旬相差最大；来宾市水稻高温热害风险频率大于50%的旬有7月中旬至8月上旬，风险频率在20%～50%之间的为6月中旬至7月中旬和8月中旬至9月上旬，其他旬的风险频率小于20%；忻城县各旬的风险频率相对较小，象州县各旬的风险频率相对较大，兴宾区、武宣县居中。

图5 来宾市水稻高温热害过程次数、平均天数的小波方差

图6 来宾市水稻高温热害过程次数、总天数空间分布

图7 来宾市各旬出现水稻高温热害过程的频率

3 结论与讨论

(1)来宾市每年均可发生水稻高温热害，历年平均发生次数为14站次，主要为轻度、中度热害过程，占71.4%。高温热害过程次数的年际差异性比较大，总体呈增多趋势，倾向率为1.135次/10 a。年代变化特征表现为在20世纪60年代至70年代前期、80年代后期至90年代前期、21世纪00年代后期至10年代有3个偏多期，在20世纪70年代后期至80年代前期、90年代后期至21世纪00年代前期有2个偏少期。

(2)来宾市历年水稻高温热害过程总天数平均为18 d，极端单次最长过程天数24 d，高温热害总天数与过程次数的年际变化相似。在研究高温热害的年代变化规律时，需同时考虑高温热害过程总天数及次数，即当发生重度高温热害过程时，会表现为高温热害过程次数不多，但是高温热害过程天数较多的情况，因此在分析高温热害时间变化规律时，高温热害过程总天数因子比高温热害过程次数更为显著。

(3)来宾市水稻高温热害在2008年前后出现1个增多趋势的突变期，增多趋势达到显著检验水平；近53年来宾市水稻高温热害存在准2、5～6、8～10年等多个振荡周期，以5～6年振荡周期持续的时间最长、最显著。

(4)在全球气候变化背景下，来宾市水稻高温热害受大气候背景、地理环境等因素的共同影响，空间上没有明显的纬向或经向递进规律，水稻高温热害发生程度由重到轻依次为象州县、兴宾区、忻城县、武宣县，金秀县高寒山区无水稻高温热害发生。

(5)来宾市一年中有3旬水稻高温热害风险频率大于50%，为7月中旬至8月上旬；有6旬水稻高温风险频率在20%～50%之间，为6月中旬至7月上旬和8月中旬至9月上旬。因此，应选择合适播种期，建议尽量避免水稻抽穗开花、灌浆期落在高温热害风险频率高的旬。

(6)本研究结果可为优化广西水稻种植布局和防灾减灾技术对策的制定提供科学参考，也可通过水稻品种的改良推广，生物调节剂的使用，以及栽培技术的提高等水稻高温热害防御措施，减轻水稻高温热害的影响和危害，达到水稻生产趋利避害、防灾减灾、丰产稳产优质的目标。