贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害和高温热害时空变化

贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害和高温热害时空变化
韩会庆;张朝琼;白玉梅;张新鼎;徐磊;周昌礼
【摘要】利用贵州省1961-2017年逐日气温观测资料,分析了气候变化背景下贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害和高温热害时空变化特征.结果表明:57 a间,水稻低温冷害发生频次和站次比分别呈现下降和增加趋势.发生频率空间格局基本呈现中西部较高,东部较低的特点.低温冷害变化存在2个时间尺度周期震荡,21 a是变化主周期.高温热害发生频次和站次比均呈现增加趋势.全省东部是高温热害发生频率高值区.高温热害变化存在2个时间尺度周期震荡,10 a是变化主周期.
【期刊名称】《河南农业大学学报》
【年(卷),期】2018(052)006
【总页数】11页(P880-889,917)
【关键词】水稻;抽穗灌浆期;低温冷害;高温热害;贵州省
【作者】韩会庆;张朝琼;白玉梅;张新鼎;徐磊;周昌礼
【作者单位】贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州贵阳550003;贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州贵阳550001;贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州贵阳550003;贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州贵阳550003;贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州贵阳550003;贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州贵阳550003
【正文语种】中文
【中图分类】S166
水稻是中国重要的粮食作物之一，2016年播种面积约为3×107 hm2，产量约占粮食总产量的30%，水稻产量稳定增长对中国粮食安全、社会经济可持续发展十分重要[1]。

随着全球气候变暖，极端气候发生频率和强度呈增加趋势，这对粮食生产造成严重负面影响[2]，如极端气温会导致籽粒空瘪，粮食减产[3]。

因此，极端气候对粮食生产的影响研究日益受到学者的关注。

目前，极端气温对水稻生产的影响研究主要关注低温冷害和高温热害的时空分布、监测、风险评估、应对策略等方面。

其中全国[4]、省域[5]、地区[6]等多尺度的低温冷害和高温热害时空分布格局受到关注。

在监测方面，郭建茂等[1]利用卫星遥感与气象站点数据建立了水稻高温热害监测模型，进而对江苏和安徽的水稻高温热害进行了分析。

此外，部分学者利用GIS技术对水稻低温冷害和高温热害精细化风险区划进行了研究，如张茂松等[7]利用GIS技术对玉溪市红塔区水稻低温冷害风险进行评估。

针对极端气温发生强度和范围，有学者提出预防水稻极端气温负面影响的策略[8]。

贵州省是中国以山地为主的省份，耕地资源短缺是粮食增产的重要限制因素[9]。

同时，近年来，极端气候发生频率不断加快，这进一步影响了该区粮食生产[10]。

然而，当前研究鲜有关注贵州地区，更未见该区极端气候对水稻影响的研究。

因此，本研究利用历史气候资料，分析1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害和高温热害时空变化特征，以期为水稻生产的防灾减灾、科学种植提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 气象数据来源
本研究数据是由贵州省气候中心提供的1961—2017年贵州省84个气象站点逐日气温观测资料(图1)，包括日平均气温、日最高气温。

气象资料经过严格的质量控制，可以满足研究需求。

水稻抽穗灌浆期是极端气温影响水稻生长的突出阶段，
受热量影响，贵州省大部地区种植一季中稻，依据《水稻高产创建技术规范模式图》中关于贵州稻区技术规范说明，将水稻抽穗灌浆期界定为7月25日至8月31日，该技术规范是依据贵州省水稻主产区生态条件、种植制度、技术水平确立了全省水稻种植周期。

该时间段与文献[11]及实际情况基本相符。

图1 贵州省气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Guizhou Province
1.2 低温冷害和高温热害指标及分级标准
依据《水稻冷害评估技术规范》以及朱伯伦等[11]研究成果将日平均气温≤22 ℃
且持续3 d以上的天数作为贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害指标；综合考虑罗孳
孳等[12]、杨炳玉等[13]、熊伟等[4]研究成果，将日最高气温≥35 ℃或日平均气
温≥30 ℃且持续3 d以上的天数作为高温热害指标。

在此基础上，依据持续时间
划分分级标准(表1)。

表1 贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害和高温热害程度分类标准Table 1 Classification standard of cold disasters and heat disasters degree at rice heading-filling stage in Guizhou Province类型Types轻度Mild level中度Moderate level重度Severe level低温冷害Cold disasters3≤低温持续天数
≤45≤低温持续天数≤6低温持续天数≥7高温热害Heat disasters3≤高温持续天
数≤45≤高温持续天数≤6高温持续天数≥7
1.3 研究方法
1.3.1 低温冷害和高温热害发生频率利用公式计算一定时期内低温冷害或高温热害发生频繁程度。

P=n/N×100
(1)
式中：P为低温冷害或高温热害发生频率(%)；n为该站发生低温冷害或高温热害
总年份；N为全部总年份。

1.3.2 低温冷害和高温热害站次比利用公式计算低温冷害或高温热害影响范围大小。

W=m/M×100
(2)
式中：W为低温冷害或高温热害站次比(%)；m为发生低温冷害或高温热害站数；M为气象站总数。

W≥50%表示发生全域性低温冷害或高温热害；50%>W≥25%表示发生区域性低温冷害或高温热害；25%>W≥10%表示发生局域性低温冷害或高温热害；W<10%表示无明显低温冷害或高温热害。

1.3.3 趋势分析法应用线性回归方程分析低温冷害或高温热害发生频次变化趋势。

y=at+b
(3)
式中：y为低温冷害或高温热害发生频次；t为年份；a为回归系数；b是常数。

当a为正(负)值时表示低温冷害或高温热害发生频次呈增加(下降)趋势。

1.3.4 小波分析应用MATLAB软件中的Morlet小波研究低温冷害和高温热害发
生频次变化的周期特征。

小波方差表示低温冷害和高温热害变化节律性，方差越大表示节律性越显著，反之越不明显。

1.3.5 空间插值法应用ArcGIS软件的KRING空间插值法得到低温冷害或高温热
害发生频次变化趋势和频率的空间格局图。

2 结果与分析
2.1 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害时空变化
2.1.1 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频次时空变化从1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频次变化趋势(图2)可知，在
贵州省气候变暖影响下，全部低温冷害(轻度、中度和重度低温冷害之和)发生频次呈现下降趋势。

从低温冷害各等级看，中度低温冷害发生频次呈现增加趋势，而轻
度和重度低温冷害发生频次呈现下降趋势，其中，重度低温冷害发生频次下降幅度高于轻度低温冷害发生频次。

从57 a低温冷害发生频次变化趋势空间格局看(图3)，贵州省东部(铜仁市南部、黔东南州北部)、中部(贵阳市大部、黔南州北部和西部)和西南部(安顺市全部、黔西南州全部、六盘水市东部)的轻度低温冷害呈现增
加趋势，东南部(黔东南州南部、黔南州东南部)、北部(铜仁市北部、遵义市大部)、西部(毕节市大部、六盘水市西部)的轻度低温冷害呈现下降趋势。

全省大部地区(铜仁市全部、黔东南州全部、遵义市全部、贵阳市全部、黔南州大部、毕节市全部、六盘水市北部和西部)中度低温冷害呈现增加趋势，仅有西南部地区(黔西南州全部、安顺市南部、六盘水市东南部)呈下降趋势。

全省大部分地区(遵义市大部、铜仁市北部、毕节市全部、六盘水全部、安顺市大部、黔西南州全部、黔南州西部)重度低温冷害呈现下降趋势，仅有中部和东南部地区(贵阳市大部、黔南州大部、
黔东南州大部、铜仁市大部、遵义市东南部)呈增加趋势。

贵州省东部(黔东南全部、黔南州大部、铜仁市大部)、北部(遵义市大部)全部低温冷害呈现增加趋势，而中
部(贵阳市大部)、西部(毕节市大部)、西南部(安顺市全部、六盘水市全部、黔西南州大部)呈现下降趋势。

图2 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频次变化趋势Fig.2 Variation trend of occurrence frequency for cold disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
2.1.2 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频率空间格局从57 a
间贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频率空间格局(图4)得知，受贵州省地形东
低西高特点影响，全省低温冷害发生频率在东西之间存在明显差异。

轻度和中度低温冷害发生频率空间格局为东部(铜仁市、黔东南州)、西部小部分地区(毕节市西部)较低，中西部(贵阳市、安顺市、毕节市、六盘水、黔西南州)较高。

重度和全
部低温冷害发生频率空间格局呈现由东部(铜仁市、黔东南州)向西部(安顺市、毕
节市、六盘水市、黔西南州大部)逐渐增加的特点。

图3 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频次变化空间格局Fig.3 Spatial pattern of variation trend of occurrence frequency for cold disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
图4 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频率空间格局Fig.4 Spatial pattern of occurrence frequency for cold disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
2.1.3 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生站次比变化从1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生站次比变化趋势(图5)可以看出，全部低温冷害发生站次比呈现增加趋势，从低温冷害各等级看，轻度和重度低温冷害发生站次比呈现下降趋势，而中度低温冷害发生站次比呈现增加趋势。

从低温冷害空间范围发生年份数量与比例看(表2)，轻度和重度低温冷害以区域性发生为主，中度低温冷害以局域性发生为主，全部低温冷害以全域性和区域性发生为主。

图5 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生站次比变化趋势Fig.5 Variation trend of station ratio for cold disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017表2 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害空间范围发生年份数量与比例Table 2 Quantity and proportion of occurrence year for spatial scale of cold disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province
全域性低温冷害Domain cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion区域性低温冷害Regional cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion局域性低温冷害Local cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion无明显
低温冷害No obvious cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion轻度Mild712.283663.161424.5600.00中度 Moderate00.001017.543866.67915.79重度Severe58.773866.671221.0523.51全部 Total3052.632747.3700.0000.00 2.1.4 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害变化周期特征从贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害变化小波分析(图6)可以看出，轻度低温冷害存在3个时间尺度周期震荡，峰值分别为8、18、27 a，其中27 a是变化主周期。

中度低温冷害存在2个时间尺度周期震荡，峰值分别为8、22 a，其中22 a是变化主周期。

重
度低温冷害存在4个时间尺度周期震荡，峰值分别为4、7、11、22 a，其中22 a 是变化主周期。

全部低温冷害存在2个时间尺度周期震荡，峰值分别为10、21 a，其中21 a是变化主周期。

图6 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害变化周期特征Fig.6 Periodic characteristics of cold disasters change at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
2.2 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害时空变化
2.2.1 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频次时空变化从1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频次变化趋势(图7)可以看出，在全省气温的升高背景下，全部高温热害(轻度、中度和重度高温热害之和)发生频次呈现增加趋势。

从高温热害各等级看，轻度、中度、重度高温热害发生频次也均呈现增加趋势，其中轻度高温热害发生频次增加幅度高于中度和重度。

从57 a年间高温热害发生频次变化趋势空间格局看(图8)，全省大部分地区轻度、中度、重度、全部高温热害呈现增加趋势，东部(铜仁市大部、黔东南州东部和南部)是高温热害增加幅度较大地区，仅有西部地区(毕节市大部、六盘水大部、安顺市西北部等)高温热害呈现下降趋势。

图7 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频次变化趋势Fig.7
Variation trend of occurrence frequency for heat disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
图8 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频次变化趋势空间格局Fig.8 Spatial pattern of variation trend of occurrence frequency for heat disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
2.2.2 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频率空间格局从57 a
间贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频率空间格局(图9)得知，受全省东部海拔
较低影响，东部地区是高温热害发生频率较高地区，轻度、中度、重度和全部高温热害均表现出东部(铜仁市大部、黔东南州东部和南部)发生频率较高，中西部(贵
阳市大部、遵义市西部、安顺市大部、毕节市全部、六盘水市全部、黔西南州大部、安顺市大部)发生频率较低。

图9 1961—2017贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生频率空间格局Fig.9 Spatial pattern of occurrence frequency for heat disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
2.2.3 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生站次比变化从1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生站次比变化趋势(图10)可以看出，全部高温热害发生站次比呈现增加趋势。

从高温热害各等级看，轻度、中度、重度高温热害发生站次比也呈现增加趋势，其中轻度高温热害增加幅度高于中度和重度。

从高温热害空间范围发生年份数量与比例看(表3)，轻度和全部高温热害以局域性
发生为主，中度和重度高温热害以无明显发生为主。

2.2.4 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害变化周期特征从贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害变化小波分析(图11)可以看出，轻度高温热害存在3个时间
尺度周期震荡，峰值分别为4、9、16 a，其中9 a是变化主周期。

中度高温热害
存在3个时间尺度周期震荡，峰值分别为5、9、22 a，其中9 a是变化主周期。

重度高温热害存在3个时间尺度周期震荡，峰值分别为5、7、14、25 a，其中14 a是变化主周期。

全部高温热害存在2个时间尺度周期震荡，峰值分别为4、10 a，其中10 a是变化主周期。

图10 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发生站次比变化趋势Fig.10 Variation trend of station ratio for heat disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017表3 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害空间范围发生年份数量与比例Table 3 Quantity and proportion of occurrence year for spatial scale of heat disasters at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
全域性低温冷害Domain cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion区域性低温冷害Regional cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion局域性低温冷害Local cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion无明显低温冷害No obvious cold disasters数量/个Quantity比例/%Proportion轻度Mild00.001424.563663.16712.28中度 Moderate00.0035.262035.093459.65重度 Severe00.0000.001526.324273.68全部 Total11.751831.583357.8958.77
图11 1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害变化周期特征Fig.11 Periodic characteristics of heat disasters change at rice heading-filling stage in Guizhou Province from 1961 to 2017
3 结论与讨论
本研究发现1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期低温冷害发生频次呈现下降趋势，这与何雨芩等[5]对云南省、胡春丽等[14]对中国东北地区的研究结果较为一致，却与杨爱萍等[15]对湖北省的研究结果不同，这说明气候变化对水稻低温冷害
影响存在空间异质性。

此外，1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期高温热害发
生频次呈现增加趋势，这与罗孳孳等[12]对重庆、朱珠等[16]对江苏省、鲜铁军等
[17]对南充市的研究结果基本一致。

受气候变暖影响，贵州省夏季气温呈增加趋势
[18]，这使得水稻低温冷害减弱，高温热害趋强。

值得注意的是，尽管贵州省水稻低温冷害发生频次趋于下降，但低温冷害发生站次比呈增加趋势，且频次远高于高温热害。

因此，今后全省仍需以预防低温冷害为主。

同时，贵州省东部、东北部和东南部是高温热害的集中区，建议这些区域重点预防高温热害的负面影响。

本研究表明1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期轻度、重度、全部低温冷害发
生频次呈现下降趋势，仅有中度低温冷害发生频次呈现增加趋势。

各级低温冷害与全部低温冷害发生频次变化趋势存在明显的空间异质性。

全省中西部的低温冷害发生频率高于东部地区。

轻度和重度低温冷害发生站次比呈现下降趋势，而中度和全部低温冷害发生站次比呈现增加趋势。

区域性发生是轻度和重度低温冷害主要的发生范围，局域性发生是中度低温冷害主要的发生范围，全域性和区域性发生是全部低温冷害主要的发生范围。

轻度、中度、重度和全部低温冷害分别存在3、2、4、2个时间尺度周期震荡。

1961—2017年贵州省水稻抽穗灌浆期轻度、中度、重度和全部高温热害发生频次和站次比均呈增加趋势，全省东部是高温热害发生频次增加高值区，东部、东北部和东南部高温热害发生频率高于中西部地区。

局域性发生是轻度和全部高温热害主要的发生范围，无明显发生是中度和重度高温热害主要的发生范围，轻度、中度、重度和全部高温热害分别存在3、3、3、2个时间尺度周期震荡。

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