水稻高温热害指数研究——以肇庆市为例

章文鑫，范梓豪

（1.肇庆市突发事件预警信息发布中心，广东 肇庆 526000；2.肇庆市气象局，广东 肇庆 526000）

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，全球约50%的人口将水稻作为主粮，水稻是中国2/3的人口的主粮，所以水稻的高产稳产在确保世界粮食安全中具有重要作用。水稻整个生长过程中会受到各类气象灾害影响，其中抽穗期—成熟期若遭遇异常高温天气会使水稻结实率降低。肇庆市年稻谷总产量位居广东省第4位。肇庆市日最高气温≥35.0℃的高温日数年平均22.4 d，主要集中在每年的6月—9月，此时正值水稻生殖生长期，对水稻生产及产量品质形成极为不利，因此对水稻高温热害指数研究在开展科学种植、趋利避害发展现代农业生产上有着非常重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

高要、广宁、封开农业气象试验站位于广东省中西部，年平均降雨量1 484.3～1 743.5 mm，年平均气温21.4℃～22.7℃，属于典型的亚热带季风气候，因季候风影响，试验站光热资源充足，降雨丰沛，且无霜期长。

1.2 试验数据与方法

文章选取高要、广宁、封开国家观测站2011年—2020年温度数据、农业气象站2011年—2020年早晚稻生长期及产量数据，搜集整理3个农气站2011年—2020年早晚稻各生长期节点数据，各生长期平均时间表见表1。

表1 肇庆地区早晚稻生长期平均时间表（月/日）Tab.1 The long term average schedule of early and late rice growth in Zhaoqing area

1.3 水稻高温热害积温

水稻高温热害一般指的是在水稻的孕穗抽穗期前后一段时间内日最高气温≥35℃时，容易造成水稻发育不良，影响水稻的品质和产量[3，4]。经数据分析，肇庆地区高温天气开始出现往往是在5月中下旬，10月左右高温天气趋于结束。所以，早稻的孕穗到成熟期、晚稻播种到抽穗期内均会遭受高温天气。在这里分别计算各受影响生长期内的高温热害积温，定义为:水稻在计算周期内，若日最高气温≥Td，统计逐日最高气温Ti与Td的差额，当Ti≥Td时，记为日有效高温差（△T=Ti-Td）。将统计期间有效高温差累计，作为水稻高温热害积温，即：

式中，d1、d2——计算周期起始日期；Td——热害标准温度35℃；Ti为最高气温值≥Td第i日的温度；ST——计算周期内水稻高温热害积温。

运用SPSS软件分析不同生长期高温热害积温ST与产量W之间关系，旨在分析出产量与各生长期的关系，得出产量模型，之后根据产量模型推算出高温热害指数I。

2 结果与分析

2.1 早稻高温热害积温与早稻产量之间的关系

通过表1发现，2011年—2020年早稻播种期均为3月上旬，拔节期也基本在5月中旬，而孕穗抽穗期时间有一些细微差异，大约是在6月中旬结束，这里将孕穗抽穗期热害累计指数计算周期定义在5月16日—6月15日，乳熟成熟期定义为6月16日—7月15日。

排除产量异常年份数据，将早稻孕穗抽穗期内ST与产量W进行曲线估计，尽管二次曲线和三次曲线拟合的结果更好，R2均超过0.88，但这2种曲线只能解释目前ST未超过8℃的情况，若ST超过8℃甚至出现更大值，W反而会随之增长，这显然与实际情况不符。分析发现复合曲线、增长曲线、指数曲线以及logistic曲线能够较好地解释两者相关性（见图1），3个函数的R2值达到0.856，说明在这些模型下，孕穗抽穗期ST能够解释产量85.6%的变化关系。结合后面晚稻的拟合结果，在这里选取指数曲线来表达两者之间关系。指数公式W=e（a+b*ST），采用最优化因子处理[5]，得出a=6.767，b=-0.046。两边取对数，则ln（W）=6.767-0.046×ST。常数a和b均通过置信度0.01水平检验。

图1 早稻孕穗抽穗期各曲线拟合情况Fig.1 The curve fitting of early rice at booting and heading stage

分析早稻乳熟成熟期与理论产量之间关系，同样进行曲线估算，发现各曲线函数拟合度都较低，最高拟合曲线R2值也只有0.132，说明乳熟成熟期内热害积温与理论产量之间没有明显因果关系。

2.2 晚稻高温热害积温与晚稻产量之间关系

晚稻生长期内从播种到孕穗期均有可能受到高温热害影响，对各生长期热害积温与产量分析，发现从播种到拔节期内，两者均无明显因果关系。而在晚稻孕穗抽穗期，发现指数曲线拟合度较好（见图2），能够较好地解释两者相关性，其R2值达到0.660，说明在这种模型下，孕穗抽穗期ST能够解释产量66.6%的变化关系，采用最优算法得出常数值，产量模型公式为ln（W）=6.682-0.054×ST。常数值均通过置信度0.01水平检验。

图2 晚稻孕穗抽穗期各曲线拟合情况Fig.2 The curve fitting of late rice at booting and heading stage

结果表明，水稻在孕穗抽穗期易受高温热害影响，且早稻受到的影响程度要高于晚稻。这与前人研究结论较为符合，水稻孕穗抽穗期如果遇到高温，会导致花粉粒受到伤害，花药不破水，降低活力，影响花粉管伸长，从而导致花粉出现流产、空疫病籽粒增大，结实率降低，最终产量大幅下降。

2.3 水稻高温热害指数公式确定

通过对不同生长期积温热害与产量进行曲线估计、回归分析，发现早晚稻都是在孕穗抽穗期受高温热害影响较为严重，从而降低产量。所以定义高温热害指数I为水稻减产量。I在0～0.1定义为轻度，0.1～0.2定义为中度，0.2～0.3定义为重度，＞0.3定义为极端，则计算公式为：

式中：W0——肇庆地区水稻完美产量，早、晚稻各一个常数值。

可以分析肇庆各地气象站历史数据，得出各地水稻可能遭受高温热害的影响等级。对于灾害等级较高地区，可以通过中长期天气预报计算出ST，若会对产量产生较大影响，可以通过灌溉等手段降低其风险。同时，I的推出对于肇庆地区水稻高温热害气象指数保险研究也有一定推动作用。另外，通过对各地历史数据分析，可以根据I值的概率范围，推算出各地早晚稻遭受高温热害风险等级，进行基于GIS的肇庆地区水稻高温热害风险区划。

3 结语

定义肇庆地区水稻高温热害积温ST，分析早稻晚稻各生长期ST与产量W之间的关系，发现水稻遭受高温热害最为敏感的生长期为水稻孕穗抽穗期，孕穗抽穗期遭受高温热害，W有明显下降，且早稻受高温热害影响更为明显。

水稻在播种到拔节、乳熟到成熟期对高温天气不敏感，在这些生长期内，ST与W均未产生明显相关性。

水稻对高温天气最敏感的孕穗抽穗期，需要及时关注气象服务信息，结合中期以及短期天气预报，当日最高气温达到警戒温度且预测未来一段时间内I值达到设定阈值时，要第一时间向外发出预报预警，为水稻保质高量生产做好气象保障服务。