劉 武,熊文兵,甘皓月,吳鳳瑩,鄭傳偉

(1.廣西壯族自治區(qū)來賓市氣象局,廣西 來賓 546100;2.來賓市武宣縣氣象局,廣西 武宣 545900; 3.來賓市興賓區(qū)氣象局,廣西 來賓 546100)

水稻是我國的重要糧食作物，水稻的產(chǎn)量與品質(zhì)關(guān)系著我國的糧食的產(chǎn)量與品質(zhì)，但是在水稻的生育期中，存在多種影響水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的氣象災(zāi)害及病蟲害，其中高溫?zé)岷κ亲畛Ｒ姷霓r(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，對水稻的產(chǎn)量與品質(zhì)的影響不容忽視，據(jù)報(bào)道高溫?zé)岷νㄟ^影響水稻開花、授粉受精和籽粒灌漿結(jié)實(shí)能導(dǎo)致水稻大量減產(chǎn)和品質(zhì)降低[1-6]。廣西作為我國的水稻主產(chǎn)區(qū)之一，是水稻高溫?zé)岷Φ闹貫?zāi)區(qū)，在全球氣候變暖的背景下，廣西水稻產(chǎn)區(qū)高溫?zé)岷Τ试龆嘹厔?，高溫?zé)岷?yán)重影響著廣西水稻的產(chǎn)量及品質(zhì)[7-9]。

來賓市位于華南區(qū)域，處于廣西中部地區(qū)，屬中亞熱帶至南亞熱帶氣候[10]，氣候溫暖，降雨充沛，是廣西雙季水稻種植區(qū)之一；同時(shí)廣西夏季高溫持續(xù)時(shí)間長，極端高溫事件偶發(fā)性高，對來賓市水稻生產(chǎn)造成不同程度的影響[11-12]。近年來，前人對我國水稻種植分布?xì)夂蝽憫?yīng)，水稻“寒露風(fēng)”、干旱的形成和變化規(guī)律，水稻種植氣候區(qū)劃，對東北、長江流域、西南等我國高溫?zé)岷σ装l(fā)區(qū)的水稻高溫?zé)岷Ψ植继卣鞯妊芯枯^多[13-21]，而針對廣西水稻高溫?zé)岷r(shí)空變化規(guī)律的報(bào)道比較少見，按旬尺度精細(xì)分析水稻高溫?zé)岷Φ难芯扛鼮樯僖?。本研究運(yùn)用線性回歸趨勢分析、M-K突變檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過研究廣西來賓市水稻抽穗開花、灌漿期高溫?zé)岷^程發(fā)生次數(shù)、高溫?zé)岷^程天數(shù)分布情況，分析了來賓市水稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布特征，按旬統(tǒng)計(jì)分析了高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)頻率，旨在豐富廣西水稻高溫?zé)岷Φ难芯浚瑸閺V西水稻高溫?zé)岷Φ谋O(jiān)測預(yù)警和水稻優(yōu)化布局及防御技術(shù)對策研究提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料與統(tǒng)計(jì)方法

本研究區(qū)域位于廣西壯族自治區(qū)中部地區(qū)，氣象資料來源于來賓市國家氣象基本觀測站提供的1965～2017年的日最高溫度、日平均溫度等逐日氣溫資料；水稻農(nóng)情資料來源于來賓市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站。本文采用基于最小二乘法的一元線性回歸、M-K突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法[22-23]，利用MATLAB編程技術(shù)，分析來賓市出現(xiàn)水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)、總天數(shù)的年際變化趨勢、突變期及周期變化特征，按旬尺度統(tǒng)計(jì)分析水稻高溫?zé)岷Τ霈F(xiàn)頻率。從時(shí)間和空間分布分析來賓市水稻抽穗開花、灌漿期高溫?zé)岷Ψ植家?guī)律特征及各旬風(fēng)險(xiǎn)頻率。

1.2 高溫?zé)岷Φ燃墑澐址椒?/h3>

水稻高溫?zé)岷κ侵腑h(huán)境溫度超過水稻適宜溫度上限，對水稻生長發(fā)育造成危害。高溫?zé)岷νㄟ^影響水稻開花、授粉受精和籽粒灌漿結(jié)實(shí)而降低產(chǎn)量及降低稻米品質(zhì)。當(dāng)持續(xù)出現(xiàn)3 d以上日最高溫度高于35 ℃或日平均溫度達(dá)30 ℃以上時(shí)，會(huì)對水稻的開花、花藥開裂、花粉活力、花粉管伸長、受精等一系列生理生化過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)實(shí)率降低[24-25]。

根據(jù)公開發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)和前期學(xué)者的研究結(jié)果，對水稻高溫?zé)岷Φ燃壍膭澐种饕歉鶕?jù)水稻生育關(guān)鍵期出現(xiàn)3 d以上日最高氣溫≥35 ℃或日平均氣溫≥30 ℃的持續(xù)天數(shù)。本文參考張佳華等[26-27]提出的高溫?zé)岷χ笜?biāo)，選擇以日最高氣溫≥35 ℃或日平均氣溫≥30 ℃持續(xù)天數(shù)作為水稻高溫?zé)岷Φ燃壍膭澐种笜?biāo)(表1)，根據(jù)來賓市水稻(包括早、中、晚稻，下同)農(nóng)情信息資料，水稻抽穗開花、灌漿期最早為5月21日，最遲為10月31日，因此，在5月21日至10月31日出現(xiàn)達(dá)到水稻高溫?zé)岷Φ燃壷笜?biāo)的過程記為一次水稻高溫?zé)岷^程，分等級統(tǒng)計(jì)來賓市歷年高溫?zé)岷^程出現(xiàn)次數(shù),高溫?zé)岷^程持續(xù)天數(shù)之和為高溫?zé)岷偺鞌?shù)。

表1 水稻高溫?zé)岷Φ燃壷笜?biāo)

注：表中持續(xù)云數(shù)據(jù)指日最高氣溫≥35 ℃或日平均氣溫≥30 ℃的持續(xù)天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)間變化特征

2.1.1 年際變化

2.1.1.1 過程次數(shù)的年際變化 對1965～2017年來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示，來賓市歷年水稻高溫?zé)岷^程平均次數(shù)為14站次(期間未出現(xiàn)高溫?zé)岷^程的金秀縣除外，下同)，其中輕度熱害10站次，占71.4%；中度和重度熱害均為2站次，各占14.3%。由圖1可知，來賓市歷年水稻高溫?zé)岷^程發(fā)生次數(shù)最多為28站次，出現(xiàn)在2011年；最少為1站次，出現(xiàn)在1974年；水稻高溫?zé)岷^程總次數(shù)、輕度過程次數(shù)的年際變化比中度、重度的差異大。來賓市近53年水稻高溫?zé)岷^程總次數(shù)總體呈增多趨勢，傾向率為1.135次/10 a，熱害過程次數(shù)的年代變化特征表現(xiàn)為：在20世紀(jì)60年代至70年代前期、80年代后期至90年代前期、21世紀(jì)00年代后期至10年代有3個(gè)偏多期，在20世紀(jì)70年代后期至80年代前期、90年代后期至21世紀(jì)00年代前期有2個(gè)偏少期；輕度、中度熱害過程次數(shù)與熱害過程次數(shù)相似，重度熱害過程次數(shù)的年代變化特征不明顯。

圖1 1965～2017年來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)(a)、輕度熱害(b)、中度熱害(c)和重度熱害(d)次數(shù)的年際變化

2.1.1.2 過程總天數(shù)的年際變化 對1965～2017年來賓市各縣歷年水稻高溫?zé)岷^程累計(jì)天數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示，來賓市歷年水稻高溫?zé)岷偺鞌?shù)平均為18 d，歷年總天數(shù)最多37 d，出現(xiàn)在1990年；歷年極端單次過程最長天數(shù)24 d，出現(xiàn)在1990年的武宣站。由圖2可知，來賓市歷年水稻高溫?zé)岷偺鞌?shù)在53年期間有增多趨勢，傾向率為1.359 d/10 a，年代變化表現(xiàn)與過程次數(shù)的年際變化相似，但總天數(shù)的年際變化差異表現(xiàn)比熱害過程次數(shù)更加顯著，標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.3和6.6 d。

圖2 1965～2017年來賓市水稻高溫?zé)岷偺鞌?shù)的年際變化

2.1.2 突變分析 本文使用Mann-Kendall(M-K)法對來賓市1965～2017年水稻高溫?zé)岷ψ兓厔葸M(jìn)行突變檢測(圖3)，給定的顯著水平α=0.05，M-K法中包括UFK和UBK兩條曲線，UFK的值大于0表示有上升趨勢，小于0表示有下降趨勢，當(dāng)UFK線超過臨界直線(Z=±1.96)時(shí)，表示上升或下降趨勢達(dá)到0.05顯著性檢驗(yàn)水平，如果兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻為突變開始的時(shí)間。由圖3可知，來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)有2個(gè)明顯增多期，分別為20世紀(jì)80年代后期至90年代前期、21世紀(jì)00年代后期至10年代，其中后者的增多趨勢于2015年達(dá)到0.05的顯著性檢驗(yàn)水平，在2008年前后出現(xiàn)1個(gè)增多趨勢的突變期。來賓市水稻高溫?zé)岷ζ骄鞌?shù)的突變檢驗(yàn)情況與熱害過程次數(shù)特征相符。

2.1.3 周期變化特征 采用Morlet小波對來賓市1965～2017年水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)及平均天數(shù)序列進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)的實(shí)部等值線圖(圖4)和小波方差圖(圖5)。

由圖4、圖5可知，近53年來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)存在準(zhǔn)2、5～6、8～10年等多個(gè)振蕩周期，以5～6年震蕩周期持續(xù)的時(shí)間最長、最明顯；在20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)結(jié)束存在明顯的8～10年的振蕩周期。來賓市水稻高溫?zé)岷ζ骄鞌?shù)的周期變化特征與熱害過程次數(shù)相近。

2.2 水稻高溫?zé)岷Φ目臻g變化特征

由圖6可知，來賓市各縣(區(qū))歷年平均水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)在3～4次之間，金秀縣高寒山區(qū)除外，歷年水稻高溫?zé)岷ζ骄鞌?shù)在15～22 d之間。說明來賓市每年均可能發(fā)生水稻高溫?zé)岷?，其中以象州縣的4次/年、22 d/年最重，忻城縣的3次/年、15 d/年最輕，武宣縣和興賓區(qū)居中。

象州縣位于武宣縣北面，水稻高溫?zé)岷Ρ任湫h重，來賓市水稻高溫?zé)岷Φ目臻g分布并不完全與緯度相關(guān)，同時(shí)受海拔高度等其他因素的影響。

圖3 來賓歷年水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)M-K檢驗(yàn)

圖4 來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)(a)、熱害平均天數(shù)(b)的小波變換實(shí)部

2.3 水稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)分析

對1965～2017年來賓市各縣歷年水稻高溫?zé)岷^程按旬統(tǒng)計(jì)，當(dāng)一旬中有1 d以上出現(xiàn)水稻高溫?zé)岷^程，則當(dāng)年該旬發(fā)生水稻高溫?zé)岷^程，計(jì)算該旬在53年中出現(xiàn)水稻高溫過程的頻率，以此頻率作為風(fēng)險(xiǎn)頻率指標(biāo)，出現(xiàn)頻率高則風(fēng)險(xiǎn)大，反之則風(fēng)險(xiǎn)小。由圖7可知，來賓市各旬發(fā)生水稻高溫?zé)岷^程的頻率變化曲線為單峰型，最小為1.0%，最大為65.3%，變化趨勢從6月中旬開始升高，到8月上旬達(dá)到最大，之后下降，10月上旬達(dá)到最小，各縣的水稻高溫?zé)岷︻l率變化特征相近，但同一旬各縣的頻率相差較大，差值范圍在1%～25%之間，以6月下旬至7月中旬、8月各旬相差最大；來賓市水稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)頻率大于50%的旬有7月中旬至8月上旬，風(fēng)險(xiǎn)頻率在20%～50%之間的為6月中旬至7月中旬和8月中旬至9月上旬，其他旬的風(fēng)險(xiǎn)頻率小于20%；忻城縣各旬的風(fēng)險(xiǎn)頻率相對較小，象州縣各旬的風(fēng)險(xiǎn)頻率相對較大，興賓區(qū)、武宣縣居中。

圖5 來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)、平均天數(shù)的小波方差

圖6 來賓市水稻高溫?zé)岷^程次數(shù)、總天數(shù)空間分布

圖7 來賓市各旬出現(xiàn)水稻高溫?zé)岷^程的頻率

3 結(jié)論與討論

(1)來賓市每年均可發(fā)生水稻高溫?zé)岷?，歷年平均發(fā)生次數(shù)為14站次，主要為輕度、中度熱害過程，占71.4%。高溫?zé)岷^程次數(shù)的年際差異性比較大，總體呈增多趨勢，傾向率為1.135次/10 a。年代變化特征表現(xiàn)為在20世紀(jì)60年代至70年代前期、80年代后期至90年代前期、21世紀(jì)00年代后期至10年代有3個(gè)偏多期，在20世紀(jì)70年代后期至80年代前期、90年代后期至21世紀(jì)00年代前期有2個(gè)偏少期。

(2)來賓市歷年水稻高溫?zé)岷^程總天數(shù)平均為18 d，極端單次最長過程天數(shù)24 d，高溫?zé)岷偺鞌?shù)與過程次數(shù)的年際變化相似。在研究高溫?zé)岷Φ哪甏兓?guī)律時(shí)，需同時(shí)考慮高溫?zé)岷^程總天數(shù)及次數(shù)，即當(dāng)發(fā)生重度高溫?zé)岷^程時(shí)，會(huì)表現(xiàn)為高溫?zé)岷^程次數(shù)不多，但是高溫?zé)岷^程天數(shù)較多的情況，因此在分析高溫?zé)岷r(shí)間變化規(guī)律時(shí)，高溫?zé)岷^程總天數(shù)因子比高溫?zé)岷^程次數(shù)更為顯著。

(3)來賓市水稻高溫?zé)岷υ?008年前后出現(xiàn)1個(gè)增多趨勢的突變期，增多趨勢達(dá)到顯著檢驗(yàn)水平；近53年來賓市水稻高溫?zé)岷Υ嬖跍?zhǔn)2、5～6、8～10年等多個(gè)振蕩周期，以5～6年振蕩周期持續(xù)的時(shí)間最長、最顯著。

(4)在全球氣候變化背景下，來賓市水稻高溫?zé)岷κ艽髿夂虮尘啊⒌乩憝h(huán)境等因素的共同影響，空間上沒有明顯的緯向或經(jīng)向遞進(jìn)規(guī)律，水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生程度由重到輕依次為象州縣、興賓區(qū)、忻城縣、武宣縣，金秀縣高寒山區(qū)無水稻高溫?zé)岷Πl(fā)生。

(5)來賓市一年中有3旬水稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)頻率大于50%，為7月中旬至8月上旬；有6旬水稻高溫風(fēng)險(xiǎn)頻率在20%～50%之間，為6月中旬至7月上旬和8月中旬至9月上旬。因此，應(yīng)選擇合適播種期，建議盡量避免水稻抽穗開花、灌漿期落在高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)頻率高的旬。

(6)本研究結(jié)果可為優(yōu)化廣西水稻種植布局和防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對策的制定提供科學(xué)參考，也可通過水稻品種的改良推廣，生物調(diào)節(jié)劑的使用，以及栽培技術(shù)的提高等水稻高溫?zé)岷Ψ烙胧?，減輕水稻高溫?zé)岷Φ挠绊懞臀：?，達(dá)到水稻生產(chǎn)趨利避害、防災(zāi)減災(zāi)、豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。