姜麗霞,李帥,申雙和,閆平,韓俊杰,朱海霞,紀(jì)仰慧,郭建平

(1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱 150030; 2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京 210044;3.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

近46 a黑龍江水稻障礙型冷害及其與氣候生產(chǎn)力的關(guān)系

姜麗霞1,李帥1,申雙和2,閆平1,韓俊杰1,朱海霞1,紀(jì)仰慧1,郭建平3

(1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱 150030; 2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京 210044;3.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

利用黑龍江省稻作區(qū)46 a(1961—2006年)每年7—8月逐日平均氣溫、5—9月逐旬平均氣溫、降水量資料,采用氣候統(tǒng)計(jì)方法分析了自然低溫下障礙型冷害發(fā)生的規(guī)律和時(shí)空變化特征,基于logistic曲線方程模擬粳稻氣候生產(chǎn)力,建立起5個(gè)區(qū)域粳稻氣候生產(chǎn)力與障礙型冷害期間平均溫度和冷害持續(xù)時(shí)間的關(guān)系模型。結(jié)果表明,近46 a間,20世紀(jì)70年代是障礙型冷害高發(fā)期,20世紀(jì)80年代是障礙型冷害發(fā)生頻率由多至少的轉(zhuǎn)折期,21世紀(jì)初為低發(fā)期。黑龍江省北部稻作區(qū)、東部稻作區(qū)和中部稻作區(qū)為障礙型冷害重發(fā)區(qū),南部稻作區(qū)為中等發(fā)生區(qū),西部稻作區(qū)為輕發(fā)區(qū)。5個(gè)區(qū)域障礙型冷害發(fā)生期間的平均溫度與粳稻氣候生產(chǎn)力相關(guān)性均不顯著,而冷害持續(xù)時(shí)間對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力影響顯著,并具有明顯的地域差異,北部、東部和南部極顯著(通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)),冷害持續(xù)時(shí)間每延長1 d,北部、東部和南部粳稻氣候生產(chǎn)力分別下降119.89 kg/hm2、213.60 kg/hm2、133.84 kg/hm2,西部和中部影響不顯著。

障礙型冷害;水稻;氣候生產(chǎn)力

Abstract:W ith the average daily temperature from July to August,the ten-day average temperature and precipitation from May to September of rice planting area in Heilongjiang Province during 1961 to 2006, by using themethod of climatic statistics based on which the temporal and spatial characteristics of sterile-type cool injuries are analyzed under natural low temperature condition.This paper simulated Japonica Rice climate productivity and established 5 models concerning the relationship between Japonica Rice climate productivity and the average temperature and duration of low temperature in steriletype cool injuries by using Logistic Curve Equation and linear regression in 5 regions.The results show that in recent 46 years,sterile-type cool injury occurred most frequently in the 1970s and its occurrence gradually reduced in the 1980s and came to a low point at the beginning of the 21st century.As for regional distribution,frequency of sterile-type cool injury is high in the north,east and central areas while its frequency ismoderate in the south area and lowest in the west area.Further investigations showthat Japonica Rice climate productivity is not significantly correlated to the average temperature.However, it is closely correlated to the duration of low temperature in sterile-type cool injury and presents obvious geographical differences:the relationship between Japonica Rice climate productivity and the duration of low temperature is very significant in the north,east and south areas(P<0.01)but not that significant in the west and central regions.If the sterile-type cool injury prolongs for 1 day,Japonica Rice climate productivitywill reduce 119.89 kg/hm2,213.60 kg/hm2and 133.84 kg/hm2in the north,east and south areas respectively.

Key words:sterile-type cool injury;rice;climate productivity

0 引言

黑龍江省是中國最大的粳稻種植區(qū)之一,產(chǎn)量約占全國商品粳稻年產(chǎn)量的60%,現(xiàn)已成為全球最大的商品粳稻生產(chǎn)基地。由于地處高緯地區(qū),黑龍江省夏季較易發(fā)生階段性低溫天氣,7—8月粳稻處于孕穗、抽穗期及開花期,若在此時(shí)期出現(xiàn)連續(xù)3 d以上日均氣溫低于18℃的天氣,即可發(fā)生障礙型冷害,導(dǎo)致粳稻嚴(yán)重減產(chǎn)[1-3]。

國外對(duì)粳稻冷害的研究較多,在障礙型冷害引起的不育性、水稻發(fā)生障礙型冷害最敏感階段等方面取得了顯著成果[4-7]。Hasebe[8]對(duì)夏季低溫冷害和水管理時(shí)間的關(guān)系研究表明:氣候波動(dòng)是影響產(chǎn)量變化的關(guān)鍵因素,水管理在產(chǎn)量波動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。Hiroyuki等[9]的冷水灌溉試驗(yàn)表明穗溫在小穗不育中為主導(dǎo)作用,并指出在小穗不育的預(yù)測中,利用平均溫度的預(yù)測效果好于最低溫度。Iizumi等[10]利用1993年Tochigi兩個(gè)相鄰地區(qū)的夏季低溫冷害和水稻產(chǎn)量損失的資料進(jìn)行分析研究,結(jié)果顯示有1.264 t/ha的產(chǎn)量損失可以通過栽培措施而避免。國內(nèi)在水稻冷害方面也開展了許多工作[11-14]。孟昭河等[15]、徐奎徹等[16]在障礙型冷害防御的前歷深水灌溉方面進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)研究,提出了障礙型冷害的防御措施。王連敏等[17]通過低溫處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粳稻結(jié)實(shí)率隨低溫強(qiáng)度的加大和持續(xù)時(shí)間的延長而降低。近期國內(nèi)外許多專家致力于水稻品種障礙型冷害機(jī)制研究、生理研究、模擬模型研究以及水稻冷害防御技術(shù)研究等[18-23],遙感方法和GIS手段也已經(jīng)應(yīng)用于水稻冷害研究中[24-25]。

迄今為止,黑龍江省基于自然氣象觀測數(shù)據(jù)對(duì)障礙型冷害發(fā)生規(guī)律、發(fā)生區(qū)域的系統(tǒng)研究仍然較少,障礙型冷害對(duì)產(chǎn)量影響的量化分析也不多見,使防災(zāi)減災(zāi)在缺乏科學(xué)依據(jù)和參考的前提下出現(xiàn)盲目性、缺少針對(duì)性,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)一步加重。目前極端氣候事件頻發(fā),2002年、2004年、2006年黑龍江省局部稻區(qū)都出現(xiàn)了不同程度的障礙型冷害,給黑龍江省水稻生產(chǎn)造成巨大影響,因此不可低估障礙型冷害在未來任何年份發(fā)生的可能性,但是氣候變暖卻可能誤導(dǎo)人們對(duì)冷害發(fā)生的忽略,從而引起決策者和農(nóng)業(yè)相關(guān)部門對(duì)粳稻障礙型冷害的發(fā)生以及防御的延遲和麻痹,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降和經(jīng)濟(jì)的巨大損失。本文利用氣候統(tǒng)計(jì)和多元線性回歸等數(shù)學(xué)方法,分析黑龍江省主要稻作區(qū)46 a粳稻孕穗、抽穗、開花期間基于自然低溫的障礙型冷害發(fā)生的時(shí)空變化特征,探討不同區(qū)域障礙型冷害對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力的影響程度,為農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)和指導(dǎo)粳稻生產(chǎn)提供決策氣象依據(jù),這對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收和打造千億斤糧食工程具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料及研究站點(diǎn)

利用的氣象觀測資料包括1961—2006年每年7—8月逐日平均氣溫和5—9月逐旬平均氣溫、降水量資料。

研究區(qū)域位于綏化、哈爾濱、佳木斯和雞西等黑龍江省水稻主產(chǎn)區(qū)?？紤]該省幅員遼闊,區(qū)域氣候差異較大,為了更準(zhǔn)確地分析障礙型冷害時(shí)空變化特征,本文主要選取了訥河、海倫、龍江、泰來、慶安、肇東、五常、綏化、寧安、佳木斯、富錦、密山12個(gè)氣象站作為研究站點(diǎn),并將其劃分為北部、西部、中部、南部和東部5個(gè)區(qū)域。選取站點(diǎn)均勻分布在稻作區(qū),粳稻種植面積較大,具有一定的代表性,能夠較好反映出稻作區(qū)的氣候特征和生產(chǎn)特點(diǎn)(表1)。

1.2 障礙型冷害指標(biāo)及相關(guān)概念

粳稻障礙型冷害是指粳稻生殖生長時(shí)期遭受短期異常低溫,使生殖器官生理機(jī)能遭到破壞,致使穎花不育,籽?？瞻T。參照已有的研究成果[26-28],以7—8月內(nèi)連續(xù)3 d以上日均氣溫小于等于18℃為判定障礙型冷害的指標(biāo)。

同時(shí),為了更好地分析障礙型冷害對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力的影響,本文提出以下相關(guān)概念。典型冷害年:障礙型冷害發(fā)生范圍廣(全省性或全區(qū)性)、低溫持續(xù)時(shí)間在4d以上、冷害期間的日均氣溫低于17.5℃的年份。一般冷害年:障礙型冷害發(fā)生范圍小(非全省性或全區(qū)性)、低溫持續(xù)時(shí)間在3～4d、冷害期間的日均氣溫在17.5～18.0℃之間的年份。常年:本文指1961—2006年共46a的平均狀況。冷積溫:是指粳稻在生殖生長階段遭遇低溫冷害期間的溫度與不受害溫度(>18℃)相比減少的溫度之和。

表1 研究區(qū)站點(diǎn)概況Table1 Status of the stations in the study area

1.3 粳稻氣候生產(chǎn)力模擬

氣候生產(chǎn)力是作物在一定的氣候條件下形成的產(chǎn)量。關(guān)于作物氣候生產(chǎn)力的模擬方法較多[29-34],在不考慮品種對(duì)產(chǎn)量影響的前提下,利用陳立亭和孫玉亭等[29]計(jì)算粳稻氣候生產(chǎn)力的方法,基于L ogistic曲線方程模擬粳稻干物質(zhì)累積過程,構(gòu)建氣候生產(chǎn)力模擬模型,由于本文所選研究站點(diǎn)缺乏太陽輻射資料,因此采用文獻(xiàn)[29]的技術(shù)方法計(jì)算各研究站點(diǎn)的旬太陽輻射。文獻(xiàn)[29]對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的論述,這里不再贅述。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用M icrosoft Excel6.0處理數(shù)據(jù)軟件,根據(jù)障礙型冷害判定指標(biāo),對(duì)研究區(qū)1961—2006年7—8月日均氣溫進(jìn)行處理,采用氣候統(tǒng)計(jì)方法,計(jì)算障礙型冷害期間平均溫度

其中:Ti,n為第i年第n研究站點(diǎn)障礙型冷害期間平均溫度(℃);Ti,n為第i年第n研究站點(diǎn)障礙型冷害期間逐日平均氣溫(℃);Di,n為第i年第n研究站點(diǎn)障礙型冷害持續(xù)日數(shù)。

對(duì)研究站點(diǎn)障礙型冷害發(fā)生頻率進(jìn)行分年代(20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、90年代和21世紀(jì)初)統(tǒng)計(jì),可用下式表示

其中:Pi,n為第i年代第n研究站點(diǎn)障礙型冷害發(fā)生頻率(%)。當(dāng)某年7—8月出現(xiàn)日均氣溫連續(xù)3d小于等于18℃的天氣,Yi,n=1;未出現(xiàn),Yi,n=0;m為10或6。累計(jì)各年代的冷害發(fā)生年數(shù),即可得分年代的障礙型冷害發(fā)生頻率。計(jì)算12個(gè)站點(diǎn)46a的各年氣候生產(chǎn)力,對(duì)5個(gè)區(qū)域內(nèi)的研究站點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域的平均處理。同時(shí)利用多元線性回歸方法分析水稻氣候生產(chǎn)力與障礙型冷害期間平均溫度和冷害持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 障礙型冷害發(fā)生規(guī)律及時(shí)空變化特征

近46a間,黑龍江省稻作區(qū)僅1994年和1997年未發(fā)生障礙型冷害,而其他年份不同地區(qū)均有不同程度的發(fā)生,共有44a。障礙型冷害期間逐日平均氣溫在9.8～18.0℃之間,低溫持續(xù)時(shí)間大多為3～15d,其中持續(xù)15d的冷害出現(xiàn)在1968年的訥河站,冷害期間的平均溫度為16.6℃;日均氣溫9.8℃也出現(xiàn)在訥河站,時(shí)間為1972年8月31日。典型冷害年包括1968、1969、1972、1976、1977和2004年。

從時(shí)間變化上看,近46a間,各區(qū)域障礙型冷害發(fā)生頻率總體呈減小趨勢,20世紀(jì)60年代至70年代,除西部地區(qū)外,其他區(qū)域障礙型冷害的發(fā)生出現(xiàn)不同幅度的增加,20世紀(jì)70年代是障礙型冷害發(fā)生最頻的10a,80年代是障礙型冷害由頻至少的轉(zhuǎn)折期,至21世紀(jì)初,障礙型冷害發(fā)生頻率大幅下降,發(fā)生頻率與高發(fā)期相比降低30%～55%(圖1)。

從空間分布上看,5個(gè)區(qū)域障礙型冷害發(fā)生頻率呈現(xiàn)由北向南、由中部向東部和西部減少的趨勢。由圖1可以看出,20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、90年代以及21世紀(jì)初期,各區(qū)域障礙型冷害發(fā)生均表現(xiàn)為此種趨勢。其中,20世紀(jì)60年代,障礙型冷害的發(fā)生北部最多,南部最少;20世紀(jì)70年代,北部、中部和東部發(fā)生頻率最高,均達(dá)95%,西部最少;其他時(shí)間均為北部最多,西部最少。

圖1 研究區(qū)1961—2006年障礙型冷害發(fā)生頻率Fig.1 Frequency of sterile-type cool injury in the study area from1961to2006

2.2 障礙型冷害對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力的影響

2.2.1 典型障礙型冷害年的粳稻氣候生產(chǎn)力分析

以典型障礙型冷害年1969年為例,比較1969年、1974年(一般障礙型冷害年)、1994年(未發(fā)生障礙型冷害年)及常年的氣候生產(chǎn)力。由圖2可見,5個(gè)區(qū)域1969年粳稻的氣候生產(chǎn)力最低,1994年最高,1974年和常年的氣候生產(chǎn)力介于其間,各區(qū)域1969年的氣候生產(chǎn)力比1974年偏低15%～25%,比1994年偏低29%～40%,比常年偏低22%～30%。1969年研究區(qū)生長季(5—9月)降水量為300～600mm,水分充足,能夠滿足粳稻生長發(fā)育的需求;日照時(shí)數(shù)在1 100～1 400h,光照正常,有利于粳稻光合作用。由此可見,影響產(chǎn)量的兩大因素即水分和光照條件均較好,而影響粳稻產(chǎn)量的另一重要因素即是溫度,因此在不考慮品種和其他農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的影響下,這在某種程度上可以說明1969年粳稻氣候生產(chǎn)力偏低與障礙型冷害有關(guān)。

圖2 研究區(qū)1969、1974、1994年和常年的粳稻氣候生產(chǎn)力Fig.2 Japonica Rice clim ate productivity in1969,1974,1994and norm al year in the study area

2.2.2 不同區(qū)域障礙型冷害與粳稻氣候生產(chǎn)力的關(guān)系

采用二元線性回歸方法分析5個(gè)區(qū)域1961—2006年粳稻氣候生產(chǎn)力與障礙型冷害期間平均溫度和冷害持續(xù)時(shí)間的關(guān)系(分別剔除各區(qū)域未發(fā)生障礙型冷害的年份),發(fā)現(xiàn)各區(qū)域障礙型冷害期間平均溫度與粳稻氣候生產(chǎn)力的相關(guān)關(guān)系不顯著,而障礙型冷害持續(xù)時(shí)間對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力影響顯著,能夠說明冷積溫的效應(yīng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,在黑龍江省夏季,自然界溫度(日均氣溫)極大幅度驟降的機(jī)率較小,因此,當(dāng)冷害期間溫度相當(dāng),則冷害持續(xù)時(shí)間越長,冷積溫積累越多,則對(duì)粳稻產(chǎn)量影響越大。由表2可見,冷害持續(xù)時(shí)間對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力的影響還具有明顯的區(qū)域差異,北部地區(qū)、東部地區(qū)和南部地區(qū)極顯著(通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)),西部和中部則相關(guān)不顯著。分析其原因,基本與冷害發(fā)生規(guī)律相符合,也反映了區(qū)域氣候與產(chǎn)量的相關(guān)性,但中部地區(qū)為冷害頻發(fā)重發(fā)區(qū),相關(guān)卻不顯著,除考慮地形因素外,其原因仍有待于進(jìn)一步深入研究。

表2 研究區(qū)粳稻氣候生產(chǎn)力與障礙型冷害期間平均溫度及持續(xù)時(shí)間的回歸分析Table2 Regression analysis of Japonica Rice clim ate productivity and the average temperature and duration of low temperature in sterile-type cool injury in the study area

3 結(jié)論與討論

(1)46a間,黑龍江省稻作區(qū)自然低溫下有44 a發(fā)生障礙型冷害,障礙型冷害發(fā)生呈現(xiàn)減少趨勢, 20世紀(jì)70年代是障礙型冷害高發(fā)期,20世紀(jì)80年代是障礙型冷害發(fā)生由頻至少的轉(zhuǎn)折期,20世紀(jì)90年代是障礙型冷害發(fā)生減少期,21世紀(jì)初是障礙型冷害低發(fā)期。在地域分布上,北部、東部和中部為重發(fā)區(qū),南部次之,西部為輕發(fā)區(qū)。

(2)研究區(qū)障礙型冷害期間平均溫度對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力影響不大,而冷害持續(xù)時(shí)間則對(duì)氣候生產(chǎn)力影響顯著,并具有明顯的地域差異,北部、東部和南部地區(qū)影響極顯著,冷害持續(xù)時(shí)間每延長1d,北部、東部和南部粳稻氣候產(chǎn)量分別下降119.89 kg/hm2、213.60kg/hm2、133.84kg/hm2,西部和中部影響不明顯,說明在自然低溫情況下,以連續(xù)3d以上日均氣溫小于等于18℃為指標(biāo)判定的障礙型冷害,其持續(xù)時(shí)間是影響粳稻產(chǎn)量的主要因素,冷害持續(xù)時(shí)間越長,冷積溫積累越多,則對(duì)粳稻產(chǎn)量影響越大。

(3)20世紀(jì)80年代開始,盛夏障礙型冷害的發(fā)生減少,印證了從該時(shí)期以來氣候變暖顯著的事實(shí),但必須注意的是,2002、2004、2006年黑龍江省局部稻區(qū)仍出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的障礙型冷害,說明障礙型冷害的發(fā)生具有一定的不確定性。因此,氣候變暖雖導(dǎo)致總熱量增加,但并不能確定熱量資源的分配、分布和變化一定向有利于作物生長的方向發(fā)展,夏季障礙型冷害頻繁發(fā)生的可能性仍然很大。

(4)在水稻栽培上要趨利避害,應(yīng)主要考慮區(qū)域的熱量條件,不能盲目越區(qū)種植,在品種布局上可綜合考慮水稻的耐冷性、抗逆性及年度的氣候預(yù)測情況進(jìn)行調(diào)整。本文在全文中均未考慮品種的情況,并且對(duì)粳稻氣候生產(chǎn)力進(jìn)行了全生育期的模擬,而未分別考慮各關(guān)鍵生育期,這在今后的工作中有待于進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯:張福穎)

Sterile-type Cool I njury on Rice and Its Relationship with Cli mate Productivity in Heilongjiang Province from 1961 to 2006

J IANG Li-xia1,L I Shuai1,SHEN Shuang-he2,YAN Ping1,HAN Jun-jie1, ZHU Hai-xia1,J I Yang-hui1,GUO Jian-ping3
(1.Heilongjiang Institute ofMeteorological Sciences,Harbin 150030,China; 2.School ofAppliedMeteorology,NU IST,Nanjing 210044,China;3.Chinese Academy ofMeteorological Sciences,Beijing 100081,China)

P49

A

1674-7097(2010)03-0315-06

姜麗霞,李帥,申雙和,等.近46 a黑龍江水稻障礙型冷害及其與氣候生產(chǎn)力的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(3):315-320.

JiangLi-xia,Li Shuai,Shen Shuang-he,et al.Sterile-type cool injury on rice and its relationship with climate productivity in Heilongjiang Province from 1961 to 2006[J].TransAtmos Sci,2010,33(3):315-320.

2009-10-24;改回日期:2010-01-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40705041);中國氣象局行業(yè)專項(xiàng)(2009416025);中國氣象局氣候變化專項(xiàng)(CCSF-09-13)

姜麗霞(1972—),女,吉林德惠人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象和農(nóng)業(yè)氣候資源,jianglixia0326@yahoo.com.cn.