玉溪水稻夏季低温冷害的气候特点和指标

孙秀芬，黄中艳，周 泓

(1. 玉溪市气象局，云南 玉溪 653100；2. 云南省气象学会，云南 昆明 650034)

玉溪水稻夏季低温冷害的气候特点和指标

孙秀芬1，黄中艳2*，周 泓1

(1. 玉溪市气象局，云南 玉溪 653100；2. 云南省气象学会，云南 昆明 650034)

【目的】夏季低温冷害是云南水稻减产的主要原因之一，文章为准确评估、预测低温冷害对水稻产量的影响展开研究。【方法】基于36年水稻物候和空壳率及气候资料，使用相关、主成分和回归分析与典型年水稻冷害气候分析相结合，研究粳稻夏季低温冷害的气候特点和指标。【结果】孕穗抽穗期是粳稻低温冷害的主要敏感期，滇中地区一季稻夏季冷害对夜间低温较为敏感，最低气温是引发冷害的首要因素；滇中夏季气温典型偏低、多雨寡照特征和气温波动明显，从而易于引发水稻低温冷害。【结论】连续2 d最低气温均值15.5 ℃、连续3 d最高气温均值22.5 ℃可作为滇中水稻夏季冷害的参考性临界指标；使用抽穗前11-5 d最低气温和抽穗前2 d至抽穗后4 d最高气温及此二时段平均气温构建了夏季低温冷害综合指标H，它与水稻空壳率呈高度负相关，对滇中粳稻夏季低温冷害有一定的表征能力。

粳稻；抽穗期；夏季低温冷害；指标

【研究意义】水稻生殖生长期低温冷害是影响中国水稻生产的主要气象灾害。云南一季粳稻种植面积占水稻种植总面积比重达85 %以上，并主要分布在中高海拔地带；水稻孕穗和抽穗开花期(7-8月)正处于雨季主汛期，一些年份出现数天至10余天的夏季低温过程，有时伴有阴雨寡照天气。范燕萍等认为早、晚稻欠收年的气候特征主要是水稻孕穗期至抽穗期的低温阴雨寡照[1]。生产实践证明，夏季低温冷害是造成云南水稻减产的主要原因[2]。虽然随着气候变暖，2003-2012年全球平均气温较1880-2012年上升了0.72～0.85 ℃[3]，最近40年中国地区包括云南省的水稻生长季热量条件有了明显的改善[4-5]，但是，云南中高海拔区夏季气温偏低的问题仍然存在[6]，并对当地水稻生长和产量形成产生不利影响。【前人研究进展】相关研究认为，低温影响水稻结实的关键时期是孕穗期和抽穗开花期[7-9]，并以障碍型低温冷害居多[10]；造成颖花数量和有效穗数降低，空秕率增加，千粒重下降[9,11]。而延迟型冷害一方面使水稻出穗慢，甚至出现包茎现象；另一方面造成水稻群体分散开花，花期拉长，授粉量不足，甚至花药不能开裂，导致受精率低、空壳率增加[12-13]。而空秕率大是直接造成水稻产量偏低的重要原因[14]。与国内其他稻作区相比，云南一季稻种植气候常表现出苗期有低温、生长中后期高温不足的问题[15]。云南水稻冷害指标的研究成果包括：熊振民认为云南粳稻开花期能耐受日平均气温17 ℃左右持续3～5 d的低温[16]；吴永斌等根据在东川4个海拔高度的盆栽实验，认为粳稻低温冷害成灾指标拔节期为日平均气温17.2 ℃，开花结实期为日平均气温18.1 ℃[17]；目前云南气象服务上使用的水稻低温冷害指标为日平均气温连续≥3 d低于18.0 ℃[18]。【本研究的切入点】然而，关于云南水稻低温冷害的成灾机理尚未明晰；水稻冷害指标的客观性，因影响机理不清和无法定量表达低温冷害对水稻产量的影响，而仍然值得商榷。比如，日平均气温连续≥3 d低于18.0 ℃对水稻低温冷害的反映能力较差。玉溪市地处滇中，是一季粳稻主产区；市政府所在地红塔区的气象站是滇中中海拔地区的重要代表站，其气象数据和水稻生长发育等观测资料对滇中地区有重要指示性。文章基于红塔区长序列水稻物候、产量相关和气候实测资料，使用典型年气候对比分析和统计方法作深入研究。【拟解决的关键问题】系统分析当地一季粳稻夏季低温冷害的天气气候特点和指标，探讨水稻夏季低温冷害与产量的关系，为准确评估和预测低温冷害对水稻产量的影响，提高水稻生产应对低温灾害能力，提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

水稻生育期观测和产量相关数据来源于红塔区农业气象观测站1981-2016年水稻农业气象观测年报表。水稻观测严格按照中国气象局《农业气象观测规范》执行；观测地块设置4个小区(重复)，各项观测记录取4个小区的平均值[19]；产量测定项包括结实率、空壳率和千粒重等。所用气象资料来源于红塔区气象站。

1.2 分析方法

(1) 统计分析水稻孕穗至乳熟期当地主要气候条件、典型低温年水稻冷害相关的气候特点和低温指标。

(2) 分析孕穗-乳熟期间及其前后不同时段各气象因子与水稻空壳率的Pearson相关关系[20]，着重考虑时段为抽穗前(指始期以前，下同)11至5日、抽穗前10至1日、抽穗前10日至抽穗后(指末期后，下同)5 d、抽穗后1至5 d、抽穗前2日至抽穗后4 d共5个。分析的气象因子包括常规定时(02:00时、08:00时、14:00时、20:00时)观测的气温、日平均气温、最高气温、最低气温、气温日较差、降水量、降雨日数、低温和阴雨日数、相对湿度、有效热积温、有害冷积温、小于20 ℃的负积温等共64个。

(3) 主成分分析法是利用降维的思想，把多个变量指标转化为少数综合指标的一种统计学方法[21]。这里使用它对与水稻空壳率相关性好的多个气象因子进行综合简化，找出能反映低温冷害影响的综合气候指标。建立方程使用1981-2011年的资料，方程检验使用2012-2016年的资料。

2 结果与分析

2.1 历年水稻空壳率和相关发育期

根据分析，1981-2011年红塔区水稻空壳率最低为7 %(2008年)，最高为34 %(1996年)，31年空壳率平均值为16.3 %，大多数年份水稻空壳率在10 %～23 %；31年水稻空壳率的标准差为7.28 %，年际波动变化十分显著(表略)。

当地水稻孕穗普遍期、抽穗始期、抽穗普遍期和抽穗末期的平均日期分别为7月8日、7月15日、7月20日和7月25日。31年平均抽穗日数为10.2 d。水稻乳熟普遍期平均出现在8月7日。上述水稻发育期的历年变异系数均大于21 %(表略)。

2.2 基于空壳率大小的历年水稻低温冷害等级

相关研究表明，孕穗期和花期低温很显著地影响水稻结实率[9-12]；根据红塔区历年资料分析，夏季低温对当地水稻空壳率影响最大(参见本文2.5节和表2)。因此，根据历年水稻空壳率大小，将水稻抽穗开花期低温冷害划分为无害、轻度冷害、中等冷害、重度冷害、极重冷害5个等级(表1)。由表1可见，水稻抽穗开花期无低温冷害年占9.7 %，轻度冷害年占35.5 %、中等冷害年占32.3 %、重度冷害年占16.1 %、极重冷害年占6.4 %。冷害等级的分布呈右偏态，偏度0.512，峰度-2.963。

表1 基于空壳率大小划分的玉溪历年水稻夏季低温冷害等级

2.3 玉溪夏季气候特点

为便于统计，根据当地历年水稻物候资料，并考虑水稻大面积种植情况，统一确定红塔区水稻孕穗期为7月1-15日、抽穗期为7月16-31日、乳熟期为8月1-20日，即水稻生长中后期出现在夏季7-8月。据此统计31年各生育期气候资料，得到图1。结果显示，红塔区水稻孕穗期历年平均气温21.2 ℃，平均最低气温18.2 ℃，平均最高气温25.9 ℃，日照时数3.5 h/d，降水量5.21 mm/d，平均相对湿度80.4 %；抽穗期历年平均气温20.9 ℃，平均最低气温17.7 ℃，平均最高气温26.0 ℃，日照时数3.6 h/d，降水量6.35 mm/d，平均相对湿度80.9 %；乳熟期气候条件如图1所示。

图1 玉溪红塔站水稻生长中后期气候要素历年平均值Fig.1 The mean values of climatic elements over the years of rice(from booting stage to milk-ripe stage)at Hongta station

表2玉溪水稻空壳率典型高(低)值年的夏季低温冷害气候特点

Table 2 Climatic features of chilling damage for japonica rice during the summers of typical years with high or low empty grain rates of rice planted in Hongta county

年份Particularyears孕穗始期至抽穗普遍期Bootingandheadingstages抽穗至乳熟期Headingandmilk⁃ripestage7月下旬至8月末连续4d气温最低均值Theaveragevalueofminimumtemperatureincontinuous4daysfromlateJulytolateAugustT(℃)Tn(℃)Tm(℃)RH(%)S(h)T(℃)Tn(℃)Tm(℃)RH(%)S(h)Tn(℃)Tm(℃)气候特点Climaticfeatures空壳率高值年19912091872518341521017826184134150(乳熟后15d)227(抽穗普遍-末)典型延迟型冷害(长时段阴雨寡照+抽穗期Tm典型偏低)19962141872577773221218126779945154(抽穗普遍-末期)241(乳熟期)障碍型冷害(长时段气温不低，短时Tn造成)20112091742637584521217226973554138(乳熟2d后)148(抽穗末6d后)224(乳熟期前)长期Tn低，Tm较高、温差大湿度小；抽穗末至乳熟短时Tn/Tm偏低且出现2次空壳率低值年19952141882568071421617727575755163237(乳熟期后)Tn/Tm明显偏高(特别是孕穗抽穗期)，抽穗-乳熟期S多20062141832718723020816327377338149(抽穗末2d后)231(乳熟20d后)长期Tm偏高、孕穗抽穗期Tn较高，短时低温现抽穗末后20082071722597874520417626081439162228(乳熟2d后)乳熟前无短时低温；孕穗抽穗期Tm偏高且S大

注：T为平均气温，Tn为平均最低气温，Tm为平均最高气温，RH为空气相对湿度，S为日照时数。

Notes:Tmeant average air temperature;Tnshowed average minimum temperature;Tmmeant average maximum temperature;RHrepresented average relative humidity;Smeant sunshine duration.

表3 玉溪水稻重要时段气象因子与水稻空壳率的相关系数

注：RH表示空气平均相对湿度，**表示相关显著水平P=0.05，*表示相关显著水平P=0.10。

Notes:RHmeant average relative humidity; ** showed the significance level of correlation was equal to 0.05 while * meant the level being 0.10.

由此可见，玉溪红塔区夏季(水稻生长中后期)气候特点为：气温典型偏低、多雨湿度大，寡照特征明显；尤其是最低气温偏低幅度大(长时段平均小于18 ℃)。很显然，这样的气候背景下易于发生水稻夏季低温冷害。

2.4 空壳率高/低值典型年低温冷害气候特点

根据表2的分析，3个水稻空壳率高值年中，1991年为典型延迟型低温冷害年，伴有长时期阴雨寡照天气影响、最高气温典型偏低(特别是孕穗抽穗期)是重要特征(根据气象机理分析，阴雨寡照天气直接造成白天温度偏低)；1996年为障碍型低温冷害年，长时段平均气温和平均最低气温较高，冷害主要由短时段(数天)最低气温造成；2011年无疑是混合型低温冷害年(延迟型+障碍型低温)，长期最低气温偏低、孕穗抽穗期平均气温低，伴随有温差大、湿度小、长时段日照较充足(日照多未能提高关键时段气温)，值得注意的是障碍型低温出现在抽穗期后和乳熟期内。

3个水稻空壳率低值年中，1995年孕穗至乳熟期平均气温偏高、最低/最高气温典型偏高，是热量条件典型偏好年；2006年孕穗抽穗期各时段最高气温偏高且最低气温正常偏高(Tm有利于抽穗和灌浆)，短时段低温天气出现在抽穗末期以后。2008年长时段平均气温、最低气温、最高气温都不及2011年同期相应指标，总热量条件典型偏差；但是孕穗抽穗期日照多，乳熟期以前均无明显短时段最低气温/最高气温的不利影响，其中孕穗抽穗期最高气温正常偏高且日照多是重要有利因素。

2.5 水稻空壳率与气象因子的相关性

分析多个时段各气象因子与水稻空壳率的相关系数r，其中r绝对值≥0.3的因子列于表3，可见相关显著性水平P=0.05或P=0.10的因子共有9个。抽穗前后02:00、08:00、20:00气温和平均气温、最高/最低气温均与水稻空壳率呈负相关；抽穗前11日至抽穗后4日是低温影响的关键时段。从气温日变化而言，02:00、08:00气温都表示夜间气温，14:00、20:00气温代表日间气温；考虑到相关系数的大小，表3结果表明，抽穗前11至5日夜间低温对水稻空壳率影响显著大于日间气温的影响，而抽穗前2日至抽穗后4日日间低温的影响大于夜间气温的影响。

2.6 冷害综合气候指标的建立

鉴于气象服务上每日各时次气温资料不便及时得到，以下使用最高气温代表日间气温、最低气温表示夜间气温，重点分析水稻抽穗期前后时段气温因子对水稻空壳率的共同影响。其中，X1、X2分别表示抽穗前11至5日02:00平均气温、平均最低气温，X3、X4分别表示抽穗前2日至抽穗后4日平均气温、平均最高气温；在31年中，此4个因子的标准差为0.8～1.1 ℃(表略),表明4个因子的历年波动变化都是显著的。

进一步分析4个因子两两间的相关性，发现X1、X2之间相关极显著(r=0.929，P<0.01)，X3、X4也有显著相关性(r=0.839，P<0.01)，其余均为相关不显著。鉴于部分因子之间存在显著的相关性，可使用主成分分析法对4个因子进行综合简化。结果表明，前2个主成分因子的累计方差占全部原始因子总方差的94.524 %(表4)。

根据主成分分析原理，可用这2个主成分因子来表达原始4个气温因子的历年变化，其表达式为：

H1=0.812X1+0.837X2-0.516X3-0.642X4

(1)

H2=0.553X1+0.514X2+0.812X3+0.716X4

(2)

根据表4，H1、H2的方差对总方差的贡献大小差别较小。再分别计算H1和H2历年值与水稻空壳率历年值序列的相关系数，得到R1=-0.076(P>0.05)，R2=-0.556(P<0.001)。其中，R2绝对值都明显大于表3中各原始因子的相关系数值，且P=0.001；而H1与水稻空壳率无相关性。由于H2与水稻空壳率呈负相关(图2)，而(2)式中4个原始气温因子都对H2大小表现出正效应，故可用H2表示水稻夏季低温冷害的综合气候指标，来反映夏季低温冷害与水稻产量的定量关系。

表4 水稻抽穗期前后4气温因子的主成分对原始变量场总方差的贡献率

2.7 冷害综合气候指标的检验

根据逐年低温冷害综合气候指标H2值与水稻空壳率数据，作回归分析得到水稻空壳率预报方程：

Y=-1.6576H+ 106.73

(3)

式(3)中，Y为水稻空壳率，H=H2。方程表示，低温冷害综合气候指标H对水稻空壳率为负效应，即H越大，则水稻空壳率越小。

使用2012-2016年的数据检验H对水稻夏季冷害的表达能力，如表5所示：5年平均的预报精确度为81.9 %，试报5年中只有2015年的预报精度低于80 %(预报失败)。同时，与云南省气象部门目前关于水稻抽穗开花期低温冷害的业务指标相比，综合气候指数H对水稻低温冷害的表征和识别能力也明显更胜一筹(表5)。

3 讨 论

(1) 低纬高原夏季气候特点表明当地一季稻易于遭受夏季低温冷害。当地夏季气温典型偏低，月平均气温低于22 ℃；多雨寡照特征明显(日照时数≤4.2 h/d)；因正值雨季主汛期和季风年际变化，一些年份受阴雨寡照天气严重影响。而水稻空壳率与夏季低温冷害等级呈极显著相关性[9,11-12]。

图2 玉溪水稻夏季低温冷害综合气候指数与空壳率的关系Fig.2 The relationship between the integrated climate index H expressing summer chilling damage of rice in Yuxi city

(2) 云南一季稻夏季低温冷害的时段和主要影响因素。根据典型年气候分析，孕穗抽穗期是一季稻对夏季低温敏感的主要时段(7月中下旬和8月上旬)，但抽穗末期至乳熟期出现低温仍可能产生危害；短时段(数天以内)低温指标比长时段(旬及以上长度)低温指标更能准确指示低温冷害的发生；同时，高原地区水稻夏季冷害对夜间低温比白天温度更敏感；孕穗至乳熟期间气温显著偏低时段，严重阴雨寡照可加重水稻低温冷害。

表5玉溪水稻夏季低温冷害综合气候指数H的预报精度和对实际低温冷害表征能力的检验

Table 5 The forecast results and representational capacity checkout of the integrated climate indexHin allusion to summer chilling damage of rice planted in Yuxi City

年份Years抽穗始期(月．日)Beginningdateofheading抽穗末期(月．日)Telophasedateofheading空壳率实测(%)ObservedemptygrainratesH值ThevalueofindexH空壳率预报值(%)Forecastemptygrainrates预报精确度(%)Forecastaccuracy实际受害等级∗Actualinjureddegree业务指标[18]评判JudgedresultbasedonoperationalindicatorH指数的冷害等级∗∗DamagegradesbasedonindexH201270872515560138932中度无轻度201380280919551151809中度无中度201480481418549156874中度无中度201571672713525196494轻度无中度201672072915554146988中度无中度

注：*根据表1按水稻空壳率5个等级标准评判；**基于H预报的空壳率和表1的冷害等级划分标准评判；文献[18]的业务指标只判定低温冷害的有或无。

Notes: *judged according to the actual empty grain rates and criterion showed in table 1; ** judged according to the value of empty grain rate forecast by indexH; the operational indicator from the reference[18]only judged the Yes-or-No results of chilling damage.

(3) 滇中地区一季稻夏季低温冷害临界指标。低温冷害典型年的分析结果(表2)有重要指示性，1996年水稻孕穗抽穗期连续4 d最低气温最小值15.4 ℃，1991年抽穗普遍期至末期连续4 d最高气温最小值22.7 ℃，2011年水稻乳熟期前连续4 d最高气温最小值22.4 ℃。文章据此认为，孕穗抽穗期连续2 d最低气温最小值15.5 ℃、抽穗至乳熟前连续3 d最高气温最小值22.5 ℃，可作为判定云南一季粳稻低温冷害的参考临界指标，其中的最低气温参考临界指标与文献[7]中北方水稻低温冷害指标(连续2 d日最低气温15 ℃)很接近。

(4) 关于水稻冷害综合气候指数H的使用。H是基于玉溪本地31年的数据得到的，鉴于资料序列较长和气候的年际波动显著，可认为当地水稻生长中后期低温特点和变化趋势能较大程度上代表滇中地区状况(7-8月平均气温19.6～21.9 ℃、平均最低气温16.3～19.2 ℃、平均最高气温24.4～27.0 ℃)，即H有一定的普遍性意义。值得注意的是，公式(2)中H2是完全根据水稻抽穗前后2时段的历年温度资料得到，故该公式中4个气温因子的系数0.812、0.716、0.553、0.514，不能反映各因子对水稻空壳率影响的相对大小。同时，根据典型年气候特点分析，一些年份水稻低温冷害不完全由低温引起，还可能与日照或相对湿度等因素有关。因此，在实际应用冷害综合气候指标H时，宜与各地水稻生长中后期气候特点相结合使用。

4 结 论

连续2 d最低气温均值15.5 ℃、连续3 d最高气温均值22.5 ℃可作为滇中水稻夏季冷害的参考性临界指标；使用抽穗前11～5 d最低气温和抽穗前2 d至抽穗后4 d最高气温及此二时段平均气温构建了夏季低温冷害综合指标H，它与水稻空壳率呈高度负相关，对滇中粳稻夏季低温冷害有一定的表征能力。

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StudyonClimateFeaturesandIndicesofChillingDamageforJaponicaRiceduringSummerinYuxiCity,YunnanProvince

SUN Xiu-fen1, HUANG Zhong-yan2*, ZHOU Hong1

(1.Meteorological Bureau of Yuxi City, Yunnan Yuxi 653100, China; 2.Yunnan Provincial Meteorological Society, Yunnan Kunming 650034, China)

【Objective】 The chilling damage in summer was a main cause resulted in output reduction of Yunnan rice. In order to accurately assess and predict the impact of summer low temperature on rice yield in Yuxi city, the climatic characteristics, main influencing factors and indices of summer chilling damage for local japonica rice were analyzed. 【Method】 Based on the data of growth stages, empty shell rates of rice and climate data from 1981 to 2010 at Agro-meteorological station of Yuxi city, this study was carried out by means of the contrastive analysis on climatic conditions for typical years, principal component analysis and linear regression.【Result】The result showed that booting and heading stages were the important sensitive phase of chilling damage for japonica rice and minimum temperature was the primary factor which caused rice chilling damage. The temperature during the summer was generally lower in the central region of Yunnan and its internal fluctuation was marked, while it was rainy with scant light, which gave easily rise to chilling injury of rice. Under the climatic conditions in central Yunnan, rice was more sensitive to night low temperature before head sprouting than daytime low temperature, while it was more likely to suffer damage because of daytime low temperature during heading to flowering stage. 【Conclusion】The critical indices of chilling damage for japonica rice in central Yunnan were presented, the average value of minimum temperature for 2 successive days was 15.5 ℃ and the average maximum temperature for 3 successive days was 22.5 ℃ in summer. The major meteorological factors affecting local rice chilling damage in summer included the mean minimum temperature from the 11th to 5th days before heading date of rice, mean maximum temperature from the 2nd day before heading date to the 4th days after heading date of rice, and mean temperature of the two date time frames. These three meteorological factors were combined to structure an integrated climatic indexH, which was highly negatively correlated with the rate of rice shell, meaning an ability to express the summer chilling damage of japonica rice to a certain extent in central Yunnan.

Japonica rice; Heading and flowering stage; Chilling damage in summer; Critical index

1001-4829(2017)12-2805-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.12.032

2017-01-05

云南省科学技术协会“高原特色农业献智献策行动”项目[云科协2016-23]; 国家自然科学基金(41665004)；西南区域气象中心重大科研业务项目(西南区域2013-2)

孙秀芬(1977-)，女，应用气象工程师，主要从事农业气象工作，E-mail:454382016@qq.com；* 为通讯作者：黄中艳，E-mail: qxhzy@sina.com。

S166;S162.1

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(责任编辑王家银)