孫 雯 ，王 月，2

（1.廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點實驗室/珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004）

【研究意義】廣西西江流域所在的華南稻區(qū)是我國水稻種植的重要地域，2016年該區(qū)域早稻播種面積和產(chǎn)量分別占全國的15.7%、16.2%，晚稻播種面積和產(chǎn)量分別占全國的15.1%、13.9%［1］。但由于該地區(qū)高溫多雨，尤其是廣西南部地區(qū)夏季炎熱高溫，對水稻后期的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，威脅糧食產(chǎn)量，更給整個華南地區(qū)的糧食安全帶來風(fēng)險［2-3］。近年來，由于城市化占用耕地以及更換種植作物等因素影響［2］，廣西南部地區(qū)的水稻種植面積呈逐年下降趨勢［1］。此外，全球氣候變暖，極端高溫事件不斷增加［4］，水稻產(chǎn)量與種植面積均受到巨大影響，糧食產(chǎn)量面臨嚴(yán)峻威脅。高溫?zé)岷σ殉蔀橹萍s廣西南部地區(qū)水稻產(chǎn)量最重要的氣象災(zāi)害之一［5］，因此，如何最大程度地規(guī)避高溫、保證糧食產(chǎn)量穩(wěn)定是廣西南部地區(qū)農(nóng)業(yè)種植亟待解決的關(guān)鍵問題之一。【前人研究進展】以往研究多集中于單個致災(zāi)因子（如溫度）對水稻產(chǎn)量的影響［6-16］，注重分析在高溫脅迫下各耐熱性不同的水稻各生長期的生長狀況［7-8］，研究水稻高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生機理［9-10］，以及高溫的強度與持續(xù)時間對水稻灌漿期水稻結(jié)實率的影響［11-12］等。從研究領(lǐng)域看，前人研究多集中于江淮流域等，對西江流域尤其是廣西南部地區(qū)的高溫?zé)岷λ緸?zāi)損的影響分析較少。【本研究切入點】借鑒前人在江淮流域構(gòu)建的高溫?zé)岷C合指數(shù)方法，考慮到資料的可獲取性，選取廣西南部地區(qū)典型的6個縣（市）為研究區(qū)域，通過驗證與修正該指數(shù)在研究內(nèi)的有效性，分析研究區(qū)域內(nèi)雙季稻的高溫?zé)岷?zāi)損的時空分布狀況，為穩(wěn)定雙季稻產(chǎn)量提供科學(xué)參考?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過廣西南部地區(qū)6個縣（市）的早稻及晚稻所受高溫?zé)岷η闆r的時空分布特征，結(jié)合研究區(qū)域高溫氣候事件的持續(xù)時間、頻率的變化規(guī)律，重點解決高溫影響下的水稻熱害災(zāi)損的響應(yīng)問題；借鑒華南稻區(qū)其余種植雙季稻區(qū)域規(guī)避高溫?zé)岷Φ某晒?jīng)驗，結(jié)合研究結(jié)果有針對性地對廣西南部地區(qū)雙季稻種植提出合理化建議，以規(guī)避該自然災(zāi)害帶來的產(chǎn)量變化以及不必要的損失，獲得收益最大化，保證研究區(qū)域內(nèi)的雙季稻的產(chǎn)量，確保糧食安全。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

由于數(shù)據(jù)資料的有限性，選取北流市、靈山縣、鐘山縣、桂平市、武鳴縣和上思縣作為典型區(qū)域進行研究。廣西南部地區(qū)的水稻種植主要以雙季稻為主，早稻生育關(guān)鍵期為5月中下旬至6月下旬，晚稻則為8月中上旬至10月下旬，易受高溫?zé)岷Φ挠绊憽?980—2011年廣西南部地區(qū)6縣（市）歷年早稻、晚稻產(chǎn)量和播種面積數(shù)據(jù)來自種植業(yè)管理司，廣西南部地區(qū)地面氣象觀測站1980—2011年逐日平均氣溫、最高氣溫數(shù)據(jù)來自中國氣象局國家氣候中心。氣象災(zāi)害統(tǒng)計資料則來自于《中國氣象災(zāi)害大典（廣西卷）》。

1.2 試驗方法

1.2.1 水稻高溫?zé)岷C合指數(shù) 水稻抽穗開花期的適宜溫度為24～29℃，若超過此范圍，則脅迫溫度越高，結(jié)實率越低，呈S型曲線非線性分布［13］。故在最高氣溫持續(xù)天數(shù)和危害熱積溫兩個因子的基礎(chǔ)上，利用Logistics方程構(gòu)建水稻高溫?zé)岷C合指數(shù)來描述水稻受高溫影響的結(jié)果，具體計算公式如下［14-15］：

式中，Hi為指危害熱積溫，是第i次高溫過程日中，最高溫度超過35℃部分之和；di為第i次高溫天數(shù)；n為高溫過程總次數(shù)；α、β、γ、λ為Logistic曲線方程系數(shù)［15］。

廣西南部地區(qū)所屬的華南稻區(qū)位于長江以南，借鑒前人的研究成果［5-6］，本研究將水稻高溫?zé)岷Φ燃壸饕韵聞澐?，見?。

表1 水稻高溫?zé)岷Φ燃塗able 1 Grades of high temperature damage to rice

1.2.2 水稻減產(chǎn)率 參考謝志清等［15］的相關(guān)研究成果，水稻減產(chǎn)率計算方法如下：

式中，Yd為減產(chǎn)率，Y為實際產(chǎn)量，Yt為趨勢產(chǎn)量，是當(dāng)年前5年的平均產(chǎn)量［15］。以減產(chǎn)率大于3%的年份［16］作為受高溫?zé)岷τ绊懙哪攴?，以排除降水、人為影響等非高溫因素造成水稻產(chǎn)量減少的年份。

1.2.3 時間序列趨勢以及突變點分析 基于Chow檢驗的最優(yōu)兩分段建模算法［17］，將時間序列以線性形式表示為相鄰的兩段線段簇，以表達結(jié)構(gòu)在預(yù)先給定的時點是否發(fā)生變化，分界點為檢驗是否已發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的檢驗時點。計算公式：

式中，Y為時間序列，n為時間序列的長度，k1，k2，...，kn為時間序列的轉(zhuǎn)折點，m為線段的長度，a11，a21，...，am1為一段時間內(nèi)線段的斜率及增長率［17］。

2 高溫?zé)岷C合指數(shù)有效性檢驗及雙季稻高溫?zé)岷?zāi)損時空分布

2.1 廣西6縣（市）高溫特征

從表2可以看出，1980—2011年，廣西南部地區(qū)的高溫（≥35℃）時段主要集中在6—9月，以北流市、靈山縣、鐘山縣、桂平市、武鳴縣和上思縣為例，高溫多發(fā)生于7—8月，且廣西中部地區(qū)（如武鳴縣、桂平市、鐘山縣等）高溫天數(shù)較多，南部及沿海地區(qū)（如靈山縣、北流市、上思縣）較少。

表2 廣西南部地區(qū)6縣（市）6—9月平均高溫日數(shù)Table 2 Monthly mean high temperature days from June to September in southwest Guangxi

2.2 水稻高溫?zé)岷C合指數(shù)有效性檢驗

華南稻區(qū)的早稻生育關(guān)鍵期為5月15日—6月30日，晚稻則為8月16日—10月30日。利用Pearson檢驗法，分析1980—2011年早、晚稻在生育關(guān)鍵期的高溫?zé)岷C合指數(shù)及其與減產(chǎn)率的相關(guān)性的空間分布，結(jié)合農(nóng)業(yè)歷史災(zāi)情統(tǒng)計資料，檢驗高溫?zé)岷C合指數(shù)反映廣西南部地區(qū)6縣（市）雙季稻受高溫?zé)岷τ绊懙哪芰Α?/p>

結(jié)果表明，無論是早稻還是晚稻，廣西南部地區(qū)的高溫?zé)岷C合指數(shù)及其與減產(chǎn)率呈負相關(guān)關(guān)系，其中，上思縣的早稻相關(guān)系數(shù)小于-0.5（通過α=0.05的顯著性檢驗）。負相關(guān)顯著的區(qū)域與減產(chǎn)率較高的區(qū)域基本對應(yīng)（圖1）。以1985年為例，水稻總受災(zāi)面積達87.63萬hm2，研究范圍內(nèi)的6個縣（市）內(nèi)，早稻的減產(chǎn)率與高溫?zé)岷C合指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.512，晚稻的值為-0.524，但未通過顯著性檢驗。因此，該指數(shù)可以很好反映廣西區(qū)內(nèi)雙季稻生育關(guān)鍵期受高溫?zé)岷τ绊懏a(chǎn)生的災(zāi)損情況及其時空分布規(guī)律。

6個縣（市）中，上思縣的相關(guān)系數(shù)較小，且負相關(guān)性顯著。廣西地區(qū)南北東西跨度大，地貌地形狀況復(fù)雜，氣候水平方向上有所差異。上思縣氣候溫暖，熱量充足，光照資源豐富，且雙季稻生育關(guān)鍵期長，易受到高溫的影響，引起產(chǎn)量的增減變化。而桂平市和靈山縣等中部地區(qū)，熱量和光照資源則比較充足，受高溫脅迫少，其熱量資源能夠滿足生長發(fā)育需要。

圖1 1980—2011年早稻減產(chǎn)率平均值（A）、晚稻減產(chǎn)率平均值（B）、 早稻減產(chǎn)率與高溫?zé)岷C合指數(shù)相關(guān)系數(shù)空間分布（C）、晚稻減產(chǎn)率與高溫?zé)岷C合指數(shù)的相關(guān)系數(shù)空間分布（D）Fig.1 The average of reduction rate of early rice（A）, the average of reduction rate of late rice（B）,spatial distribution of correlation coefficient between reduction rate and high temperature damage index of early rice（C）, spatial distribution of correlation coefficient between reduction rate and high temperature damage index of late season rice（D）during 1980—2011

2.3 1980—2011年雙季稻高溫?zé)岷?zāi)損時空分布

從圖1A、圖1B及表3可以看出，6個縣（市）中，上思縣的早稻減產(chǎn)率大于10%，而晚稻減產(chǎn)率大于20%，是雙季稻受到高溫?zé)岷τ绊懙年P(guān)鍵地區(qū)。鐘山縣的早稻減產(chǎn)率大于16%，晚稻減產(chǎn)率大于10%，其他各縣的雙季稻減產(chǎn)率也在10%左右。1980—2011年上思縣所有年份的減產(chǎn)率中，共有32次大于3%。其中，早稻種植中，20世紀(jì)80年代有4次，平均減產(chǎn)率為7%，20世紀(jì)90年代減產(chǎn)率沒有高于3%，21世紀(jì)初有11次，平均減產(chǎn)率22.4%；在晚稻種植中，20世紀(jì)80年代有6次，平均減產(chǎn)率為17.6%，20世紀(jì)90年代有1次，平均減產(chǎn)率為3.6%，21世紀(jì)初有8次，平均減產(chǎn)率為22.1%?？梢?1世紀(jì)初是雙季稻高溫?zé)岷Χ喟l(fā)時期。

利用基于Chow檢驗的最優(yōu)兩分段建模算法，檢驗雙季稻高溫?zé)岷C合指數(shù)的線性變化趨勢和突變點特征。結(jié)果表明，早稻的高溫?zé)岷C合指數(shù)在1988年發(fā)生突變轉(zhuǎn)折（通過了α=0.05的顯著性檢驗），1980—1988年的高溫?zé)岷C合指數(shù)波動上升，1989年突降至0.012，而1989—2011年數(shù)值緩慢上升，線性趨勢不顯著，呈現(xiàn)以年代際波動上升為主（圖2A點虛線）。21世紀(jì)初的高溫?zé)岷C合指數(shù)最高，平均達到0.019。20世紀(jì)80年代的高溫?zé)岷C合指數(shù)最低，平均為0.012。晚稻的高溫?zé)岷C合指數(shù)則在1980—1989年緩慢波動上升，1990年突增至1.87，但并未通過顯著性檢驗。除了1992年達0.7、1998年達0.5、2000年達0.2、2009年達0.5外，其余年份都在0.002上下浮動，線性變化趨勢不顯著（圖2B實線）。

表3 1980—2011廣西6縣（市）雙季稻減產(chǎn)率（%）Table 3 Reduction rate of double cropping rice in six counties(cities) of Guangxi during 1980—2011

圖2 1980—2011年水稻高溫?zé)岷C合指數(shù)變化趨勢（A為早稻，B為晚稻）Fig.2 The trend of changes of comprehensive high temperature damage index during 1980—2011 (A: early rice, B: late rice)

除高溫影響外，其余因素也可對水稻的產(chǎn)量造成影響。如上思縣位于廣西地區(qū)西南部，夏季主要受熱帶和副熱帶海洋氣團控制，加上附近山地地形影響，全年多東北風(fēng)，夏季受東南氣流影響，故形成炎熱時間長，易發(fā)生水稻的高溫?zé)岷?。且上思縣所屬的防城港市地帶性土壤類型主要是磚紅壤，富含鐵和鋁，粘性較大，呈紅色、酸性［19］。土壤酸化會影響土壤有效養(yǎng)分供給［20］，從而對水稻正常發(fā)育產(chǎn)生危害影響。

1980—2008年廣西地區(qū)的雙季稻種植面積約為110萬hm2，整體呈逐漸下降趨勢，越往后下降趨勢越快。其中，在2006年之前，雖然呈緩慢下降趨勢，但種植面積穩(wěn)定在110萬hm2左右，而2006年之后種植面積小于100萬hm2。結(jié)合現(xiàn)有的縣域水稻減產(chǎn)率數(shù)據(jù)進行比較，2005年之后的減產(chǎn)率有一定程度的增加。從空間分布來看，靠近南部的4個縣（桂平市、靈山縣、北流市、武鳴縣）種植面積要明顯大于北部。而1980—2000年，高溫?zé)岷C合指數(shù)與受災(zāi)面積呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.3，沒有通過α=0.05的顯著性檢驗。從時間序列上看，廣西近32年的高溫?zé)崂说念l次和高溫?zé)崂藦姸染尸F(xiàn)上升趨勢，雖然廣西發(fā)生高溫?zé)崂说拇螖?shù)較少，但是高溫?zé)崂藦姸炔罹鄥s很大。因此，廣西南部地區(qū)的高溫?zé)崂司哂蓄l次低但強度大的特點。研究結(jié)果表明，廣西南部地區(qū)遭受高溫?zé)岷r，容易造成水稻較大面積受害的風(fēng)險。

3 雙季稻高溫?zé)岷?yīng)對策略

3.1 調(diào)整播種期規(guī)避高溫時段

統(tǒng)計資料顯示，1980—2011年廣西區(qū)上思縣等6個縣（市）的高溫時段無明顯變化，主要集中在6月24日—9月8日，高溫比例大于20%。7月14日—8月30日的高溫比例超過30%，最高處可達58.3%。而在9月28日后，高溫比例低于10%。其中，20世紀(jì)80年代以及21世紀(jì)初偏高，20世紀(jì)90年代則偏低。尤其21世紀(jì)，在雙季稻生育關(guān)鍵期內(nèi)，高溫出現(xiàn)比例高于30%，嚴(yán)重危害雙季稻的正常生長。

由圖3可知，1980—2011年廣西南部地區(qū)高溫集中時段無明顯變化，為調(diào)整播種時間提供了條件。因早稻的生育關(guān)鍵期內(nèi)高溫比例未超過20%，故應(yīng)集中關(guān)注晚稻播種時期的調(diào)整工作。同為華南稻區(qū)的廣東省曾有推遲了晚稻播種期產(chǎn)量反而增加的成功案例。根據(jù)相關(guān)研究成果［18］，一期在7月23日播種的晚稻，分蘗期在8月底，拔節(jié)乳熟期則推遲到9月中上旬，剛好避開了高溫高度集中時段。與6月25日播種的晚稻相比，這期晚稻的產(chǎn)量平均提高了18.17%。因此，廣西南部地區(qū)可以借鑒廣東省，在南部地區(qū)進行試驗后進行全區(qū)推廣，稍為推遲晚稻的播種日期，避開高溫集中的時段，規(guī)避高溫?zé)岷淼臑?zāi)損情況，以保證獲取正常產(chǎn)量。還可以培育中晚熟品種，配合播種期的推后。

圖3 1980—2011年廣西南部地區(qū)6縣（市）逐日高溫發(fā)生比例Fig.3 Proportions of daily high temperature in six counties of southwest Guangxi during 1980—2011

3.2 適當(dāng)適時添加肥料或植物調(diào)節(jié)劑預(yù)防或減輕災(zāi)損

在水稻生長的不同生長期，分別人工添加或減少一定量的氮磷鉀肥［21-23］，可以有效增強水稻的抗高溫?zé)岷δ芰?，增加結(jié)實率以及粒重。在已受到災(zāi)害且受害較輕的田地，在破口期前后，可追加一次穗粒肥，如30～45 kg/hm2的尿素［22］。同時，可在葉片上噴灑水楊酸、油菜素內(nèi)酯、亞精胺等植物調(diào)節(jié)劑，緩解高溫?zé)岷淼漠a(chǎn)量減少情況［24］。但是，一定要在花前進行噴施，相應(yīng)的化學(xué)作用才會起緩解作用，若已經(jīng)遭遇高溫則作用不大［25］?；蛘邍姙⒁恍┰?，如硅元素等，在適宜的噴灑濃度下，可以有效減緩高溫帶來的水稻結(jié)實率低的減產(chǎn)效應(yīng)［26］。

4 討論

基于Logistic模型的高溫?zé)岷C合指數(shù)［15］在西江流域的廣西南部地區(qū)也同樣適用，可通過Logistics模型簡便又有效的評估水稻高溫?zé)岷Φ臅r空分布關(guān)系，為在更大范圍內(nèi)推廣這種利用氣象數(shù)據(jù)定量評價水稻所受高溫?zé)岷?zāi)損情況的方法做了鋪墊。

由于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)及氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)獲取的有限性，本研究僅為初探，且研究范圍小而片面，雖不能完全代表全區(qū)或是全流域的水稻高溫?zé)岷Φ臑?zāi)損情況，但亦能為其他區(qū)域的相關(guān)研究提供參考。希望在今后研究中，在更齊全的數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)下，對整個流域或區(qū)域的縣域水稻高溫?zé)岷?zāi)損情況，進行更全面細致的分析研究。

5 結(jié)論

廣西南部地區(qū)的雙季稻高溫?zé)岷Ω饔胁煌?。其中，上思縣的雙季稻減產(chǎn)率最大，是雙季稻受到高溫?zé)岷τ绊懙年P(guān)鍵地區(qū)。從時間序列上看，早稻受高溫?zé)岷ψ畹偷臅r間段在20世紀(jì)90年代，強度最高的在21世紀(jì)初。且20世紀(jì)90年代以后增長緩慢，以年際波動為主。晚稻受高溫?zé)岷Φ某潭日w都不高，除了1990年數(shù)值特別高以外，基本上沒有劇烈波動。廣西區(qū)的高溫集中時段是在6月24日—9月8日，達到了20%以上，9月8日以后高溫出現(xiàn)比例都低于10%。高溫集中出現(xiàn)的時間段是晚稻的生育關(guān)鍵期。

考慮到高溫?zé)岷Φ募袝r間變化規(guī)律，規(guī)避早稻、晚稻高溫?zé)岷Φ姆椒ú槐M相同。早稻可以在前期使用施加肥料或者噴施植物調(diào)節(jié)劑進行規(guī)避。晚稻則可以借鑒廣東省的實驗結(jié)果，適當(dāng)推遲播種期，在7月底左右播種，保證生育關(guān)鍵期在安全溫度范圍，或者還可以培育中晚熟品種以配合推遲播種期所帶來的生長變化。