宜春市夏季高温热害发生规律及其对中稻结实率的影响

章起明，郭水连*，汪建军 ，廖满庭，李明胡

(1.江西省宜春市气象局，江西 宜春 336000；2.江西省气象科学研究所，江西 南昌 330096；3.江西省樟树市气象局，江西 樟树 331200)

江西地处长江中下游是我国重要的双季稻生产种植区。近年来，随着进城务工人员的增加，农村劳动力短缺，加之早籼稻在口粮消费中的比重逐年下滑，早稻种植收益低等，双季早稻种植面积有所下降，而中稻种植比例逐年上升。中稻具有高产、优质、播种期弹性大等优点，对促进第三产业发展及提高农业生产效率具有一定优势，但由于生长季节原因，每年6～7月的梅雨季节一过，此时江西省中稻正处于花期，受西太平洋副热带高压控制，该地区易出现长时间的持续高温天气[1-2]。而花期是水稻对外界环境条件最敏感的生育时期，此时如遇日平均气温≥30 ℃且日最高气温≥35 ℃的高温天气，易致使颖花发育畸形、花药开裂、花粉活力下降，进而抑制花粉管伸长，造成受精不良，降低了结实率和产量，且其影响的程度随高温日数的延长而增加[3-6]。IPCC第五次评估报告统计，1880～2012年，全球表面平均温度升高了0.85(0.65～1.06) ℃，2003～2012年的平均温度比1850～1990年平均温度升高了0.78(0.72～0.85) ℃，且未来全球气候变暖的趋势仍将持续[7]。在此背景下，中稻种植受高温热害影响的强度、频率、区域分布不断增大。

以往对高温热害及对中稻种植影响的研究已有很多。褚荣浩等[8]对安徽省中季稻的研究发现，高温热害发生频次较高的时段主要集中在7月中、下旬和8月上旬，尤以8月上旬最高。张蕾等[9]研究表明，中稻高温热害致灾程度与高温过程的日最高温度关系显著。杨舒畅等[10]的认为，长江中下游中稻各级高温热害发生频次的年际变化均呈开口向上的抛物线型，且江西是中稻高温热害发生概率高值区之一。孟林[11]、杨军[12]等研究指出，一季稻高温热害危险性与7～8月最高气温和平均气温存在极显著的正相关关系，危险性随着最高气温和平均气温的升高呈现出先慢后快地增大。尽管基于气象资料对中稻进行了较多的高温热害分析，但以往的研究大多针对中稻产量的变化情况，而产量受种质、土壤、种植技术等多方面因素影响而难以控制。因此，本研究以江西省宜春市为例，通过分析宜春市气象观测站1990～2019近30 a年每年6～8月的气象数据，结合江西省宜春市2004～2019年中稻结实率数据，采用数理统计、回归分析、ArcGIS的空间分析功能方法，重点揭示了宜春市夏季高温热害发生规律、时空变化特征及其与中稻结实率之间的关系，旨在为气候变暖环境下中稻高温热害的防御及生产布局提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究所用的气象资料来自宜春市气象局，包括全市10个区县1990～2019年每年6月1日～8月31日的逐日日平均气温、日最高气温。中稻结实率数据来自《宜春市统计年鉴》，包括全市10个区县2004～2019年各年份的结实率统计数据。

1.2 分析方法

1.2.1 时段分析和中稻高温热害指标选定 一般说来，7月中下旬至8月上旬为江西中稻的开花期，是受高温热害影响最重的时段，但是在气候变暖的大背景下，加之水稻品种及耕作方式的变化，播种期跨幅大会使得各地中稻生育进程相差比较大，故本研究选择6～8月为水稻高温热害的分析时段。

根据前人研究结果，并结合江西省气象局业务上常用的高温热害等级指标，本研究将日平均气温≥30 ℃且日最高气温≥35 ℃记为一个高温日数。

1.2.2 气温距平 以1990～2019年6月1日～8月31日的逐日平均气温及最高气温为原始数据，计算每年的日平均气温及日最高气温平均值，同时计算30 a来6～8月日平均气温及日最高气温的总平均值，从而可以分析得到各年份日平均气温距平及日最高气温距平的变化情况。根据平均气温及最高气温距平值的阈值以判定高温年和低温年，其中平均气温或最高气温距平值≥0.50 ℃为高温年，平均气温或最高气温距平值≤-0.50 ℃为低温年。

1.2.3 中稻结实率 在分析逐日平均气温和最高气温的基础上，利用数理统计法结合分析中稻结实率数据，分析结实率与各气象指标之间的相关性。

1.2.4 数据分析 利用Excel 2010、DPS19.0和ArcGIS软件进行数据处理和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 近16 a气温及中稻结实率变化情况

图1所示为宜春市近16 a各区县中稻结实率分布情况。由此可知，宜春市中稻的结实率具有西高东低、北高南低的分布特点。其中，又以丰城、樟树两地的结实率最低，分别为76.81%、75.71%；铜鼓、靖安两地的结实率最高，分别为85.22%、82.01%。

图1 近16 a中稻结实率分布情况

表1为近16 a各区县6～8月日平均气温、日最高气温、高温日数及连续最长高温日数的变化情况，由此可知，近16 a各区县的平均气温、最高气温、高温日数及连续最长高温日数均以樟树、丰城两地最高，铜鼓、靖安两地最低，同时中稻的结实率也以樟树、丰城最低，铜鼓、靖安最高。

表1 近16 a气温及中稻结实率的变化情况

对结实率及气温进行相关性分析(表2)，结果表明：结实率与平均气温、最高气温、高温日数及连续最长高温日数间均呈极显著负相关，且负相关性由大到小依次为高温日数>平均气温>连续最长高温日数>最高气温。说明6～8月的高温日数越多、平均气温越高、连续最长高温日数越长、最高气温越高，中稻结实率均会越低，且以樟树、丰城等东南部地区中稻最易受高温热害的影响，铜鼓、靖安等西北地区发生高温热害的风险最小。

为进一步明确中稻结实率与6～8月平均气温、最高气温、高温日数及连续最长高温日数之间的关系，分别对其进行回归分析。由图2A可知，当6～8月平均气温≥27.4 ℃时，中稻结实率随着温度升高呈下降趋势，两间具体关系可用一元二次方程y=0.1139x2-9.8764x+266.71能较好地表示，R2为0.9568；由图2B可知，当6～8月最高气温≥32.6 ℃时，中稻结实率随着温度升高呈下降趋势，两者间具体关系可用一元二次方程y=1.2137x2-85.583x+1580.9能较好地表示，R2为0.8914；由图2C可知，当6～8月高温日数≥16 d时，中稻结实率随着高温日数的增加呈下降趋势，两者间具体关系可用线性方程y=-0.283x+86.208能较好地表示，R2为0.9676；由图2D可知，当6～8月连续最长高温日数≥5 d时，中稻结实率随着连续最长高温日数的延长呈下降趋势，两者间具体关系可用一元二次方程y=0.0314x2-1.3972x+88.685能较好地表示，R2为0.9216。

2.2 近30 a气温距平变化情况

由图3可知，最高气温与平均气温的距平变化规律基本一致。平均气温和最高气温最低年均为1999年，平均气温和最高温气最高年均为2019年。近30 a来，年平均气温和最高气温的距平变化情况均可分为低温年(1990～2002年)和高温年(2003～2019年)2个阶段。

从平均气温来看，其中低温年(1990～2002年)共出现7次低温年和1次高温年，出现频率分别为53.85%和7.69%，期间气温距平平均值为-0.53 ℃；高温年(2003～2019年)共出现6次高温年和3次低温年，出现频率分别为35.29%和17.65%，期间气温距平平均值为0.33 ℃。近30 a平均气温距平值变化倾向率为0.0095 ℃/年。

从最高气温来看，低温年(1990～2002年)共出现7次低温年和2次高温年，出现频率分别为53.85%和15.38%，期间最高气温距平平均值为-0.64 ℃；高温年(2003～2019年)共出现7次高温年和3次低温年，出现频率分别为41.18%和17.65%，期间最高气温距平平均值为0.41 ℃。近30 a最高气温距平值变化倾向率为0.0105 ℃/年。

图2 近16 a中稻结实率与平均气温、最高气温、高温日数及连续最长高温日数间的关系

图3 近30 a(1990～2019年)年平均气温和最高气温的距平变化情况

2.3 近30 a每年6～8月高温日数变化情况

由图4可知，近30 a高温日数年平均值为20.05 d，高温日数最多的年份为2003年(37 d)，最少的年份为1997年(0.9 d)。近30 a高温日数变化情况与图2趋势相一致，其中，1990～2002年，13年内有10年的高温日数小于等于高温日数平均值，期间年平均高温日数为14.58 d；2003～2019年，17年内有14年的高温日数大于高温日数平均值，期间年平均高温日数为24.24 d。由趋势线可以看出，近30 a高温日数随时间呈逐年增加的趋势，高温日数变化倾向率为0.4429 d/年。

图4 近30 a(1990～2019年)高温日数变化情况

2.4 近30 a高温日数旬变化情况

由图5可知，近30 a不同区县6～8月每旬均有时间长短不一的高温日数存在。其中，高温天气主要集中在7、8两月之间，按旬高温日数从多到少排列顺序为7月下旬>8月上旬>7月中旬>7月上旬>8月中旬>8月下旬。由平均总日数曲线可以看出，高温日数最多的两个区县分别是樟树(31.57 d)、丰城(27.63 d)，高温日数最少的两个区县分别是铜鼓(2.90 d)、靖安(14.87 d)。由连续最长高温日数曲线可知，近30 a除铜鼓外，其他区县的连续最长高温日数都在6 d以上，其中又以丰城、樟树为最高，分别为12.53 d和9.87 d。综上可知，7月和8月，尤其是7月下旬樟树、丰城等东南部地区最易遭受高温热害的影响，且影响最重，而铜鼓、靖安等西北部地区受高温热害影响最轻。

图5 近30 a各县市旬平均高温日数变化情况

3 结论与讨论

3.1 结论

自2004年有中稻数据记录以来，宜春市中稻结实率的分布具有西高东低、北高南低的特点，且中稻结实率与6～8月日平均气温、最高气温、高温日数及连续最长高温日数间均呈极显著负相关关系。近30 a(1990～2019年)来宜春市高低温的年际变化具有明显的规律，其中1990～2002年内以低温年居多，2003～2019年内以高温年居多，说明进入20世纪以来，高温热害发生的概率越来越高。近30 a每年6～8月均有日数长短不同的高温日数存在，且高温日数随着年份的增加而越来越多；高温天气主要集中在7、8两月之间，按旬高温日数从多到少排列依次为7月下旬>8月上旬>7月中旬>7月上旬>8月中旬>8月下旬。宜春市各区县夏季高温热害的发生与中稻结实率分布情况刚好相反，具有西轻东重、北轻南重的特点，其中以樟树、丰城等东南部地区最易受高温热害的影响，而铜鼓、靖安等西北部地区发生高温热害的风险最小。

3.2 讨论

以往对于长江中下游地区中稻高温热害的研究大都集中在7月中旬～8月上旬[13-15]，但近年来随着农村劳动力的短缺，加之种植模式及种质资源的变化，中稻播种期不再相对固定，播种期弹性更大，进而花期时间也相对分布更广，故本文将高温热害研究时段设为6月1日～8月31日。杨炳玉等[16]认为江西省水稻高温热害主要集中于7月中、下旬和8月上旬，其中7月13～24日为高温热害发生概率最大的时段。谢志清等[17]指出每年7月11日至8月15日为江淮流域高温集中时段，高温出现比例超过20%。本研究发现7月、8月是宜春市中稻高温热害主要发生时段，且其中又以7月下旬最为严重。

高温能够导致酶活性下降，颖花发育畸形，是影响中稻种植的主要气象灾害之一[5,18-21]，通过分析花期气温与中稻结实率的关系，发现中稻结实率与6～8月日平均气温、最高气温、高温日数及连续最长高温日数间均呈极显著负相关关系，说明高温对中稻产量的影响主要是因为高温使水稻秕谷率和空壳率显著增加的结果。本研究发现，宜春地区以东南部中稻结实率为最低，最易受高温天气控制，且高温和结实率有由东南至西北走向逐渐降低的趋势。因此，本研究对于指导宜春地区中稻种植合理布局具有一定的参考意义，研究方法也适用于周边中稻种植区。本文虽对宜春市近30 a气象资料及近16 a中稻结实率数据进行了系统的分析调查，但研究内容尚显单一，对于高温热害对稻米品质的影响，及构建中稻生长高温热害胁迫机理模型等方面还有待进一步研究。