两湖地区水稻抽穗开花期高温热害时空分布*

郭建茂，白玛仁增，梁卫敏，申双和,3，江晓东



两湖地区水稻抽穗开花期高温热害时空分布*

郭建茂1,2，白玛仁增1，梁卫敏1，申双和1,3，江晓东1,2

（1.南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；2.江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044）

根据两湖地区(湖北省和湖南省)34个气象站1961−2017年逐日气象资料和早、中稻各28个农业气象站1981−2011年生育期观测资料，采用数理统计、线性回归法、ArcGIS的反距离权重（IDW）空间分析功能，对两湖地区各省早、中稻抽穗开花期高温热害的时空分布进行分析。结果表明：（1）湖北省、湖南省早稻高温热害日数和频次在21世纪00年代最多，20世纪60年代、2010−2017年次之，80年代最少；两省中稻高温热害日数和频次在70年代最多，60年代、21世纪00年代、2010−2017年次之，80年代最少。（2）早稻高温热害日数和频次高值区分布在鄂东南、湘南，低值区分布在鄂西南、湘西；中稻高温热害日数和频次的高值区分布在鄂东北、鄂东南、鄂西南、湘西、湘南，低值区分布在鄂西北、湘西。（3）各级别早、中稻高温热害在湖北、湖南两省的发生频数表现为轻度＞中度＞重度，且湖南省发生程度比湖北严重；两省均表现为中稻高温热害发生比早稻严重。

湖北；湖南；水稻高温热害；抽穗开花期；时空分布

根据有关研究[1−2]，生长季节内温度每升高1℃，水稻单产将下降4%～10%，若结实期温度增加1～2℃，产量减少将达到10%～20%。当前气候变暖已是不争的事实[3−6]，受全球变暖的影响，水稻将面临更高的高温热害风险。已有研究显示，水稻抽穗开花期高温主要影响结实率和千粒重[7]，且还会影响稻米的品质[8]，因此，研究气候变化背景下水稻高温热害显得十分重要。

前人对高温热害的研究主要集中在高温热害对水稻生长发育、产量的影响[9]，高温热害气象指标和生理指标、品种的耐热性等[10]。近几年来对水稻高温热害时空分布规律的研究越来越多，沙修竹等[11]研究了长江中下游地区一季稻高温热害风险评估与区划；杨炳玉等[12]研究了江西省水稻高温热害的发生规律；万素琴等[13]研究了气候变化背景下湖北省水稻高温热害的时空分布。但以往对湖北省水稻高温热害时空分布的数据资料局限于2010年之前，且尚未见湖南省水稻高温热害的报道，两湖地区是华中地区重要的水稻生产基地，已有研究难以为该区域水稻高温热害防御和规避提供科学依据，因此，本研究利用最新数据资料分别研究湖北、湖南省早、中稻抽穗开花期高温热害的时空分布规律，进一步系统分析并总结两湖地区水稻高温热害时空分布规律，提出早、中稻高温热害重点发生时段和区域，以期为两湖地区农业生产防灾减灾提供依据，有利于保障粮食生产安全，促进农业的可持续发展。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

选取湖北省16个气象站、湖南省18个气象站57a（1961−2017年）逐日气象资料，包括最高、最低气温、平均气温，缺测数据采用5d滑动平均法进行插补，所选站点气象资料时间较长，地理位置均匀分布；选取两省早、中稻各28个农业气象站1981−2011年生育期观测资料，包括播种、出苗、移栽、返青、分蘖、拔节、孕穗、抽穗、乳熟和成熟的普遍期日期。气象资料和水稻生育期资料均来源于中国气象数据网。研究区内气象站点和农业气象站点分布如图1所示。

图1 研究区气象站点和农业气象站点分布

1.2 研究时段

水稻最易受高温热害影响的时段为抽穗开花期，资料显示，开花期在抽穗后第2天出现，通常为7～10d，此间正值夏季高温频发时段，因此，将研究时段定为一般抽穗期前3d−后11d，共15d。两湖地区早稻抽穗开花期一般在6月中旬−7月上旬，中稻抽穗开花期一般在7月下旬−8月下旬，对生育期资料完整的站点，采用多年抽穗期的平均值作为当地的一般抽穗期；对于资料缺失的地区，参考文献[14]，考虑地形、气候等有关因素，结合空间插值结果定义当地一般抽穗期，确定两湖地区各地的研究时段。所有站点的早稻、中稻抽穗开花期高温热害影响时段见表1。

表1 研究区早、中稻抽穗开花期高温热害影响时段（月.日）

1.3 高温热害等级指标

国内外学者对水稻高温热害指标进行了大量研究，但由于试验的限制条件差别，得到的高温热害指标也不一样。徐云碧等[15]认为抽穗后3d平均最高温度≥35℃是早稻结实率明显下降的临界指标；汤昌本等[16]研究认为，连续5d以上日最高温度≥35℃可作为早稻抽穗扬花期高温伤害及灌浆期高温逼熟指标；王志刚等[17]认为，水稻抽穗开花期日平均温度大于30℃或日最高气温大于35℃会造成结实率下降。本研究根据大多数学者的研究结果，把日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃连续3d及以上作为水稻抽穗开花期高温热害发生的基础指标，并将持续3d及以上的高温作为一次高温过程，参考前人研究[18]，依据早、中稻抽穗开花期日平均气温（Tmean）≥30℃或日最高气温（Tmax）≥35℃连续日数将高温热害程度划分为3个等级，结果见表2。对于跨旬跨月的情况，也看作连续的日数来统计高温热害，如7月31−8月2日满足高温热害发生的条件，则统计为一次轻度高温热害。

表2 研究区早、中稻抽穗开花期高温热害等级指标

Note: Tmax is the daily maximum temperature, Tmean is the average daily temperature.

1.4 研究方法

气候倾向率可以定量表示气候要素随时间的变化特征。本研究用气候倾向率来分析两湖地区各省早、中稻抽穗开花期高温热害日数的年际变化趋势。运用ArcGIS工具中反距离权重插值（IDW）法进行空间插值，用自然断点分级法将水稻高温热害日数和高温热害程度进行分级，采用ArcGIS分析手段，揭示两湖地区早、中稻抽穗开花期高温热害的分布特征。

2 结果与分析

2.1 早中稻抽穗开花期高温热害的时间分布

2.1.1 高温热害日数

分别对湖北16个、湖南18个站点1961−2017年早、中稻抽穗开花期内日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃并持续3d及以上的高温热害过程进行提取，统计每年每次高温热害持续日数进行分析。由图2、图3可见，57a中，湖北早稻、湖南早稻、湖北中稻、湖南中稻抽穗开花期高温热害日数年际变化波动较大，但整体上呈现上升的趋势，气候倾向率分别达到0.15（P＜0.01）、0.18（P＜0.01）、0.17（P＜0.01）和0.29d·10a−1（P＜0.05）。湖北省早稻抽穗开花期高温热害日数最多的年份为2005年，16个站点受高温热害的总日数达121d，平均每站高温热害日数为7.6d，其次是1961年（图2a）；湖南省早稻抽穗开花期高温热害日数最多为186d（1961年），18个站点的平均高温日数为10.3d，其次是2006年（图2b）；两省早稻抽穗开花期高温热害日数在21世纪00年代（2000s）最多，20世纪60年代（1960s）、2010−2017年次之，80年代最少（1980s）。

湖北省中稻抽穗开花期高温热害日数最多的年份为2013年，16个站点受高温热害的总日数达158d，平均每站高温热害日数达9.9d，其次为2016年（图3a）；湖南省中稻抽穗开花期高温热害日数最多的年份也是2013年，18个站点总共受高温热害的日数达214d，平均每站有11.9d发生高温热害，其次为1966年（图3b）；两省中稻抽穗开花期高温热害日数在1970s最多，1960s、2010−2017年次之，1980s最少。

图2 早稻抽穗开花期高温热害日数的年际变化（1961−2017年）

图3 中稻抽穗开花期高温热害日数的年际变化（1961−2017年）

2.1.2 高温热害频次

分别统计两省1961−2017年早、中稻抽穗开花期不同程度高温热害发生的频次，结果见图4和图5。统计显示，湖北省57a中有37a早稻抽穗开花期遭遇了高温热害（图4a），机率为64.9%，而湖南省有46a遭遇高温热害（图4b），机率为80.7%，可见湖南省早稻抽穗开花期遭遇高温热害的可能性更大。从高温热害典型年看，湖北省早稻高温热害发生最严重的是2005年，轻、中、重度高温热害分别为16、6、4次，全年总计26次，2005年同时也是研究期内轻度和重度高温热害频次均为最多的年份，而1961年为中度高温热害频次最多的年份，达7次；而湖南省早稻高温热害发生最严重的是1961年，轻、中、重度高温热害分别为14、7、9次，全年总计30次，1961年同时也是研究期内轻、中、重度高温热害频次最多的年份。总的来说，湖北、湖南省早稻总频次年际变化波动较大，两省早稻高温热害频次的高值区在2000s，1960s、2010−2017年较高，1980s最少，两省轻、中、重度高温热害频次与总频次的变化趋势较一致，其重度高温热害发生的年 份和频次都较少，轻度高温热害的频次远大于中度和重度。

由图5可知，研究期内中稻抽穗开花期高温热害除了湖北省有3a（1980、1982、1993年）未发生之外，其它年份两省每年都有发生。从高温热害典型年看，湖北省中稻抽穗开花期高温热害最严重的是2016年，轻、中、重度高温热害分别为7、10、9次，全年总计26次，轻、中、重度高温热害最严重的年份分别出现在1961年（为14次）、1966年（为12次）、2013年（为14次）；湖南省中稻抽穗开花期高温热害最严重的是2010年，其轻、中、重度高温热害分别为9、11、10次，全年总计30次，轻、中、重度高温热害最严重年份分别出现在2004年（为19次）、1967年（为14次）、1966年（为17次）。总的来说，两省中稻抽穗开花期高温热害总频次年际变化波动较大，高温热害总频次的高值区在1970s，1960s、2000s、2010−2017年较高，1980s最少，两省轻、中、重度频次与总频次的变化趋势基本一致，重度、中度高温热害发生的年份和频次都较少，而轻度高温热害的频次远大于中度和重度。

图4 早稻抽穗开花期高温热害频次的年际变化（1961−2017年）

图5 中稻抽穗开花期高温热害频次的年际变化（1961−2017年）

2.2 早中稻抽穗开花期高温热害的空间分布

2.2.1 早稻高温热害日数

两湖地区57a来各省早稻抽穗开花期高温热害日数的空间分布如图6。由图可见，湖北省内呈现出从鄂东南向四周逐渐减小的趋势，而湖南省内呈现出从湘南向湘西减少的趋势。其中鄂西南的恩施、五峰、来凤，鄂中南的荆州，鄂东北的英山，湘西的吉首、芷江、通道和湘中的邵阳、武冈等地高温热害日数较少，研究期内高温热害日数集中在4～42d，年平均高温热害日数不到1d，两省高温热害日数高值区主要分布在鄂东南的嘉鱼、武汉、黄石湘南的郴州、衡阳等地，高温热害日数集中在144～213d，即每年至少有2.5d的高温热害日数，郴州高温热害日数达到两湖地区之最，高温热害日数达213d，年均3.7d。据统计，湖北省平均每站每年高温热害日数为1.2d，湖南省为1.3d，表明湖南比湖北省早稻高温热害日数略高。

图6 早稻抽穗开花期高温热害总日数的空间分布（1961−2017年）

2.2.2 中稻高温热害日数

由图7可知，1961−2017年两省中稻抽穗开花期高温热害日数高值区分布在鄂西南的巴东、鄂东南的黄石、鄂东北的麻城、湘南的衡阳、郴州、湘中的安化、双峰和湘西的沅陵，高温热害日数集中在256～360d，年平均高温热害日数超过4d，其中衡阳高温日数为360d，年均6.3d，为两湖地区最高，鄂西北的房县、老河口、枣阳、鄂西南的五峰、来凤、鄂中南的荆州、钟祥、天门和湘西的通道等地高温热害日较少，高温热害日数集中在13～142d，年均高温热害日数在2.5d以下，衡阳高温热害日数为360d，年均6.3d，为两湖地区最高。高温热害日数在湖北省内呈现鄂东北、鄂东南、鄂西南向鄂西北逐渐减少；湖南省内呈现湘南、湘中向四周逐渐减小的趋势。据统计，湖北省平均每站每年高温热害日数为2.9d，湖南省平均每站每年高温热害日数为3.9d，并且高温热害日数高值区大部分落在湖南省内，而低值区大部分落在湖北省内，表明湖南省中稻高温热害日数比湖北省更高。

图7 中稻抽穗开花期高温热害总日数的空间分布（1961−2017年）