氣候變暖背景下南方早稻春季低溫災害的發生趨勢與風險

吳　立,霍治國,2,*,姜　燕,張　蕾,于彩霞

1 中國氣象科學研究院，北京　100081

2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京　210044

3 中國氣象局應急減災與公共服務司，北京　100081

4 國家氣象中心，北京　100081

氣候變暖背景下南方早稻春季低溫災害的發生趨勢與風險

吳立1,霍治國1,2,*,姜燕3,張蕾4,于彩霞1

1 中國氣象科學研究院，北京100081

2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京210044

3 中國氣象局應急減災與公共服務司，北京100081

4 國家氣象中心，北京100081

摘要:基于《早稻播種育秧期低溫陰雨等級》行業標準，利用南方雙季早稻種植區178個站點1961—2010年的逐日氣溫資料，對各站點早稻春季低溫災害發生次數進行突變性分析，根據突變檢驗結果將研究時段劃分為1961—1990年和1991—2010年兩個時段，對比分析兩個時段內早稻春季低溫災害發生趨勢和發生風險的地理分布變化特征。結果表明，與前30a相比，近20a研究區早稻春季低溫災害的發生總體上呈現為由增加趨勢轉變為減少趨勢的特征，低溫災害風險指數高值區以及各等級低溫災害發生概率高值區的范圍和大小均有所減小，其中以輕度低溫災害的發生概率最高且概率減小范圍最大。可為南方早稻春季低溫災害的動態評估和早稻種植的合理布局提供依據。

關鍵詞：低溫災害；雙季早稻；突變；風險分析；南方地區

早稻春季低溫災害是指長江中下游沿江及其以南地區早稻在播種移栽期間因受到低溫天氣的影響，秧苗無法正常生長，嚴重時甚至會引起爛秧和死苗的低溫天氣過程。在全球氣候變暖的背景下，我國農業氣象災害總體上呈波動增加趨勢，農作物的受災、成災、絕收面積都有一定的增加。據統計，我國農業受災損失的70%以上是由氣象災害引起的，其中低溫災害是影響我國農業生產的主要氣象災害之一。雖然在全球氣候變暖背景下，不同地區不同承災體低溫災害發生的頻率增減趨勢不一，但其發生強度并沒有減小，甚至有所增大[1]。如1969、1972、1976年3a的嚴重低溫災害均使東北地區的糧食總產量比上年減產50億kg左右[2]；2011年3月云南省出現的2次強倒春寒天氣過程給18個縣(市)造成農業經濟損失28367.8萬元，農(經)作物受災面積51677.5hm2[3]。近年來，一些地區在早稻秧苗培育時采用工廠化育秧的形式，有效地減少了春季低溫災害造成的產量損失，但仍有一些地區未實施工廠化育秧。各地區是否需要及時開展工廠化育秧仍需要相關研究結論的指導，且工廠化育秧并不能完全避免災害的發生，一旦災害發生，仍會造成早稻產量的重大損失。另一方面，氣候的變化是線性變化與非線性變化的結合[4]。其中的非線性變化一般稱為突變現象。近幾十年來，隨著氣候變暖趨勢愈加顯著，氣候突變發生的可能性有所增加[5]。氣候的這種突變性很可能會造成相應災害的突變性增加或減少。為此，研究南方早稻春季低溫災害發生的突變性特征，以及發生趨勢和發生風險的地理分布變化特征，對揭示南方早稻春季低溫災害的發生規律，防御和減輕低溫災害的危害，保障南方早稻的增產穩產具有重要意義。

目前，關于低溫災害的研究，研究的角度趨向于多元化。例如，研究如何改良作物品種以適應低溫、研究與低溫災害對應的作物耐冷性基因、研究低溫災害本身的發生規律、發生風險等以指導生產。國外主要是研究作物的耐冷性與有關的基因、蛋白質等之間的關系[6- 11]，而關于低溫災害發生的規律和發生風險的研究相對較少。國內對于低溫災害的研究已有大量報道，其中，霜凍、寒害、凍害、冷害等低溫災害均已有關于風險方面的報道[12- 15]，早稻春季低溫災害屬于冷害，但冷害風險方面的報道多是針對東北地區，對于南方地區的水稻低溫災害的研究鮮有報道，對南方雙季早稻春季低溫災害的發生規律和風險研究更是不足。有鑒于此，本文利用南方雙季早稻種植區178個站點近50年(1961—2010)的逐日氣象資料，基于早稻春季低溫災害發生的行業標準，研究南方早稻春季低溫災害的突變特征以及發生趨勢和發生風險的地理分布變化特征，以彌補南方地區早稻春季低溫災害發生規律和風險研究的不足，為早稻春季低溫災害的動態評估和早稻種植的合理布局提供依據。

1材料與方法

1.1資料來源

氣象資料來源于國家氣象信息中心，包括我國南方雙季早稻種植區178個站點1961—2010年的逐日氣溫資料。其中，雙季早稻種植區參照《中國水稻種植區劃》[16]中的中國水稻氣候生態區劃圖，研究區域及站點分布情況見圖1。水稻生育期資料取自農業氣象觀測資料——中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集[17]，以及《中國主要農作物氣候資源圖集》[18]中的水稻生育期資料。在資料處理時，剔除了高山站以及資料年份嚴重不足的站點，這些站點大部分是缺損連續10a以上數據的站點，最終得到178個氣象站。對于僅缺測個別年份個別日期數據的氣象站，其缺測數據用歷年同期非缺測數據的平均值代替。

圖1　南方雙季早稻種植區178站點分布Fig.1　Distribution of 178 sites of double-cropping early rice cultivating areas in southern China

1.2低溫災害指標

早稻春季低溫災害的發生指標依據氣象行業標準《早稻播種育秧期低溫陰雨等級》進行等級劃分(表1)。

表1　早稻春季低溫災害等級指標

1.3突變檢驗方法

根據早稻春季低溫災害的等級指標，統計178個氣象站各站點1961—2010年歷年春季低溫災害的發生次數。利用滑動t檢驗的方法[19- 21]對春季低溫災害50a發生次數序列進行突變檢驗。

(1)

其中，

1.4線性趨勢分析方法

根據早稻春季低溫災害發生次數的突變檢驗結果對研究時段進行劃分，用線性回歸方法對比分析劃分的不同時段內春季低溫災害發生次數的時間趨勢變化特征[22-24]。以低溫災害發生次數序列(y)與年序數(x)建立一元回歸方程：

yi=a+bxi

(2)

式中,i=1,2,3,…,n，n為序列長度；取b×10為春季低溫災害發生次數的變化傾向率，b值符號的正負分別反映低溫災害發生次數增加或減少的變化趨勢。

1.5風險概率計算方法

信息擴散法是為了彌補信息不足而考慮優化利用樣本模糊信息的一種對樣本進行集值化的模糊數學處理方法[25]，一般在序列長度較短時(30a以下)計算概率效果較好。利用信息擴散法分別計算不同研究時段內早稻各等級低溫災害發生的風險概率，風險概率計算步驟如下：

設災害指數論域為

(3)

因為本文風險概率的計算對象為各站點春季低溫災害的發生次數，所以論域取為[0,y],其中y為各站點在歷年的播種移栽期內低溫災害理論上的發生次數最大值，0為理論上的發生次數最小值。

災害指數樣本集合為

(4)

即各站點歷年的春季低溫災害發生次數。

一個單值樣本點依式(5)將所攜帶的信息擴散給U中的所有點。

(5)

式中，h為擴散系數[26]，由樣本集合中的最大值b，最小值a和樣本點個數n確定。

(6)

令

(7)

就將單值樣本點X變成了一個以μx(uj)為隸屬函數的模糊子集。

最終在μj處的風險概率估計值用式(8)表示：

(8)

其中，

而超越μj的概率值為:

(9)

就是超越概率風險估計值。

1.6分布擬合檢驗方法

(10)

式中，Dn為一個隨機變量，其分布依賴于n；Dn,a為顯著性水平a上的臨界值。

1.7低溫災害風險指數

依據有關文獻的風險指數構建方法[13]，綜合考慮各等級低溫災害的發生概率和發生強度，將低溫災害的風險指數構建如下：

(11)

式中，M為早稻春季低溫災害的風險指數，Pi為第i個等級的低溫災害發生的概率，Qi為第i個等級低溫災害的強度，參考相關文獻[13]，將低溫災害的強度取為對應的低溫災害發生等級，n為春季低溫災害的等級個數，本文n=3。

2結果與分析

2.1突變檢驗

突變檢驗的結果是本文研究時段的劃分依據。利用滑動t檢驗的方法，取滑動長度分別為5、10、15、20a，取顯著性水平α=0.01，對雙季早稻種植區的178個站點早稻春季低溫災害近50年的發生次數進行突變檢驗，結果如圖2和表2所示。

圖2　早稻春季低溫災害發生次數突變分析Fig.2　Mutated analysis for number of times of spring low-temperature disaster to early rice

突變時段Mutationtime突變年份個數Thenumberofmutationyears比例Percentage/%20世紀80年代之前Beforethe1980s58.9320世紀80年代Inthe1980s1119.6420世紀90年代Inthe1990s3155.3621世紀Inthe21stcentury916.07總計Total56100

同一個站點可能存在多個突變年份

從圖2和表2可以得出，春季低溫災害發生突變的地區多集中在研究區中部和東部沿海，且多為突變性減少。突變年份以20世紀90年代內的居多，各站點災害發生次數序列共出現突變年份56個，在20世紀90年代的有31個，約占55.36%，春季低溫災害在20世紀90年代有較大范圍的突變性變化。因此，本文將研究時段劃分為1961—1990的前30a和1991—2010的近20a兩個時段，對比分析兩個時段內早稻春季低溫災害發生趨勢和發生風險的地理分布變化特征。

2.2時間趨勢變化特征

圖3　早稻低溫災害趨勢分析(次/10a)Fig.3　Trend analysis of spring low-temperature disaster to early rice (times per ten years)a.前30a早稻春季低溫災害發生次數傾向率分布；b.近20a早稻春季低溫災害發生次數傾向率分布

采用線性趨勢分析的方法，對比分析前30a和近20a早稻春季低溫災害發生次數的時間趨勢變化特征，結果如圖3所示。從圖中可以看出，四川種植區大部、重慶中西部、湖南南部和東部、江西大部、浙江、福建、廣西、廣東大部、云南種植區東部等地區春季低溫災害發生次數由前30a的增加趨勢轉變為近20a的減少趨勢，增加速率高值區超過0.2次/10a，減少速率高值區超過0.75次/10a。湖北種植區西部和東部、安徽種植區東部和南部以及海南的大部等地區春季低溫災害發生次數由前30a的減少趨勢轉變為近20a的增加趨勢，減少速率為0.05—0.15次/10a，增加速率為0—0.3次/10a。陜西種植區、四川種植區北部、云南種植區西部、江西中部、廣東東南部等地春季低溫災害發生次數在前30a和近20a都呈增加趨勢，增加速率變化不大。湖北種植區大部、四川種植區南部、重慶東部、貴州種植區、湖南北部、安徽種植區西部、江蘇種植以及上海等地春季低溫災害發生次數在兩個時段內基本呈減少趨勢，其中湖北種植區中部、貴州種植區南部低溫災害發生次數減少速率明顯變小，湖南中部等地減少速率明顯變大。

2.3風險地理分布變化特征

利用信息擴散法計算早稻各等級春季低溫災害的發生概率，即發生次數≥1次的概率(各站點均通過顯著性水平α=0.05的K-S擬合檢驗)，分別繪制風險概率地理分布圖和風險指數地理分布圖如圖4和圖5所示。

圖4　早稻各等級春季低溫災害發生的風險概率地理分布變化Fig.4　Risk distribution change on risk probability of each level spring low-temperature disaster to early ricea.前30a輕度低溫災害發生概率；b.近20a輕度低溫災害發生概率；c.前30a中度低溫災害發生概率；d. 近20a中度低溫災害發生概率；e. 前30a重度低溫災害發生概率；f. 近20a重度低溫災害發生概率

從圖4中可以看出，在早稻各等級春季低溫災害中，輕度低溫災害是發生概率相對最高的，前30a概率高值區主要位于貴州種植區中部、湖南大部、江西、湖北種植區南部、安徽種植區南部、浙江南部、福建大部等地，發生概率超過50%，其中湖南、江西、浙江、福建四省的部分地區發生概率超過70%；近20a輕度低溫災害的發生概率有所下降，只在貴州等地的部分地區發生概率超過50%，研究區中部區域概率下降10%—20%，浙江南部、江西中東部、福建北部等地概率下降超過20%。研究區前30a和近20a中度低溫災害的發生概率基本在15%以下，二者的概率分布情況基本一致，部分地區近20a的發生概率下降5%左右，變化不明顯。整個研究區前30a和近20a重度低溫災害的發生概率都在10%以下，重度災害10a難遇一次。

在考慮不同等級春季低溫災害的發生概率和發生強度的基礎上構建早稻春季低溫災害風險指數，研究區早稻春季低溫災害風險指數的分布情況如圖5所示。從圖中可以看出，前30a春季低溫災害風險指數高值區位于湖南南部、江西中部、福建西部和東部沿海等地區，風險指數超過1.0，總體上呈現出由研究區中部向南北遞減的分布趨勢；近20a低溫災害風險指數的總體分布趨勢與前30a基本一致，風險指數高值區范圍有所減小，位于湖南南部、江西南部、福建西部等地區，而浙江南部、福建大部等地相比于前30a，近20a低溫災害風險指數有所減小，其余地區變化不大。

圖5　早稻春季低溫災害發生的風險指數地理分布變化Fig.5　Risk distribution change on risk index of spring low-temperature disaster to early ricea.前30a早稻春季低溫災害發生的風險指數；b.近20a早稻春季低溫災害發生的風險指數

3結論與討論

本文依據早稻春季低溫災害發生的行業標準，基于1961—2010a的逐日氣象資料，根據春季低溫災害發生次數的突變檢驗結果將研究時段劃分為1961—1990a和1991—2010a兩個時段，分析了兩個時段內早稻春季低溫災害發生趨勢和發生風險的地理分布變化特征。其中，低溫災害發生次數以20世紀90年代的突變年份居多，且多為突變減少，這一結果與韓榮青等[27]研究得出的在2000年之后冷害顯著減少的結果基本一致；趨勢分析結果表明，研究區早稻春季低溫災害總體上有從前30a的增加趨勢轉變為近20a的減少趨勢的特征，部分地區如湖北種植區西部和東部、安徽種植區東部和南部以及海南的大部等地區低溫災害由減少趨勢轉變為增加趨勢；風險分析結果表明，各等級低溫災害中，發生概率高值區多集中在湖南、江西、福建等地區，并以輕度低溫災害發生概率為最高，相比于前30a，近20a各等級低溫災害發生概率高值區范圍和概率大小都有所減小，特別是輕度低溫災害減小較明顯，這與陳斐等[28]在研究春季低溫冷害時得出的長江中下游輕度、中度、重度冷害的實際發生范圍都呈減少趨勢的結果較吻合；低溫災害風險指數的變化情況與風險概率類似，相較于前30a，近20a低溫災害風險指數高值區范圍變小，且研究區中部區域的風險指數明顯變小。以上結論是根據低溫災害發生指標統計得出的，在氣候變暖背景下，部分地區對早稻秧苗的培育已采用工廠化育秧的形式，有效地減輕了低溫災害對早稻產量的影響。但仍有一些地區并未實施工廠化育秧，基于本文的研究結果，對于早稻春季低溫災害的發生呈增加趨勢以及風險指數較高的地區，有關部門可以采取調整種植布局、開展工廠化育秧等措施來減輕春季低溫災害的危害。

本研究仍有許多方面可以改進。如在構建低溫災害風險指數時，各等級低溫災害的發生強度粗略取為對應的災害等級，在下一步研究中將根據早稻春季低溫災害發生強度的影響要素對發生強度進行細化；另一方面，在繪制地理分布圖時，尚需考慮各地區海拔、地形等不同帶來的影響，以使研究結果更加準確。

參考文獻(References):

[1]霍治國, 王石立. 農業和生物氣象災害. 北京: 氣象出版社, 2009: 267- 281.

[2]李祎君, 王遠皓, 張雪芬, 王春乙. 東北地區玉米低溫冷害規律研究. 自然災害學報, 2011, 20(6): 74- 80.

[3]尤紅, 周泓, 白學文, 李艷平. 2011年3月云南連續兩次強倒春寒天氣過程對比分析. 暴雨災害, 2013, 32(2): 167- 175.

[4]李艷春, 李艷芳. 寧夏近百年來的氣候變化及突變分析. 高原氣象, 2001, 20(1): 100- 104.

[5]Alley R B, Marotzke J, Nordhaus W D, Overpeck J T, Peteet O M, Pielke R A Jr, Pierrehumbert R T, Rhines P B, Stocker T F, Talley L D, Wallace J M. Abrupt climate change. Science, 2003, 299(5615): 2005- 2010.

[6]Tanida M. Catalase activity of rice seed embryo and its relation to germination rate at a low temperature. Breeding Science, 1996, 46(1): 23- 27.

[7]Vannini C, Locatelli F, Bracale M, Magnani E, Marsoni M, Osnato M, Mattana M, Baldoni E, Coraggio I. Overexpression of the riceOsmyb4 gene increases chilling and freezing tolerance of Arabidopsis thaliana plants. The Plant Journal, 2004, 37(1): 115- 127.

[8]Cruz R P, Milach S C K. Cold tolerance at the germination stage of rice: Methods of evaluation and characterization of genotypes. Scientia Agricola, 2004, 61: 1- 8.

[9]Christie P J, Hahn M, Walbot M. Low-temperature accumulation of alcohol dehydrogenase-1 mRNA and protein activity in maize and rice seedlings. Plant Physiology, 1991, 95(3): 699- 706.

[10]Matsumoto T, Lian H L, Su W A, Tanaka D, Liu C W, Iwasaki I, Kitagawa Y. Role of the aquaporin PIP1 subfamily in the chilling tolerance of rice. Plant and Cell Physiology, 2009, 50(2): 216- 229.

[11]Andaya V C, Mackill D J. Mapping of QTLs associated with cold tolerance during the vegetative stage in rice. Journal of Experimental Botany, 2003, 54(392): 2579- 2585.

[12]莫志鴻, 霍治國, 葉彩華, 吳春艷, 李慧君, 權維俊, 唐廣. 北京地區冬小麥越冬凍害的時空分布與氣候風險區劃. 生態學雜志, 2013, 32(12): 3197- 3206.

[13]李娜, 霍治國, 賀楠, 肖晶晶, 溫泉沛. 華南地區香蕉、荔枝寒害的氣候風險區劃. 應用生態學報, 2010, 21(5): 1244- 1251.

[14]馬樹慶, 襲祝香, 王琪. 中國東北地區玉米低溫冷害風險評估研究. 自然災害學報, 2003, 12(3): 137- 141.

[15]鐘秀麗, 王道龍, 李玉中, 趙鵬, 閆旭宇, 孫忠富. 黃淮麥區小麥拔節后霜害的風險評估. 應用氣象學報, 2007, 18(1): 102- 107.

[16]中國水稻研究所. 中國水稻種植區劃. 杭州: 浙江科學技術出版社, 1989: 52.

[17]汪萬林. 中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集. (2014-06-01)[2014-7-25]. http://mdss.cma.gov.cn:8080/index.jsp.

[18]崔讀昌. 中國主要農作物氣候資源圖集. 北京: 氣象出版社, 1984: 83- 84.

[19]尤莉, 戴新剛, 邱海濤. 1961—2006年內蒙古年平均氣溫突變分析. 內蒙古氣象, 2010, (2): 3- 5.

[20]李淼, 夏軍, 陳社明, 孟德娟. 北京地區近300年降水變化的小波分析. 自然資源學報, 2011, 26(6): 1001- 1011.

[21]石萍, 張運鑫, 田水娥. 邯鄲市觀臺站年降水序列變化趨勢及突變分析. 人民黃河, 2012, 34(2): 66- 72.

[22]張紅雨, 周順武, 李新生, 趙桂香, 梁青健. 近48a山西暴雨日數氣候特征及其變化趨勢. 氣象與環境科學, 2010, 33(2): 25- 31.

[23]賈成剛, 丁治英, 張玉峰, 吳長春, 張心令, 袁志江. 近55a來安陽日照時數變化及未來趨勢分析. 氣象與環境科學, 2010, 33(3): 59- 62.

[24]李海燕, 陳國平, 陳光濤. 近48a鄂東汛期暴雨日數的時空變化特征. 暴雨災害, 2011, 30(1): 77- 82.

[25]黃崇福, 劉新立, 周國賢, 李學軍. 以歷史災情資料為依據的農業自然災害風險評估方法. 自然災害學報, 1998, 7(2): 1- 9.

[26]黃崇福. 自然災害風險評價: 理論與實踐. 北京: 科學出版社, 2005: 96- 98.

[27]韓榮青, 陳麗娟, 李維京, 張培群. 2—5月我國低溫連陰雨和南方冷害時空特征. 應用氣象學報, 2009, 20(3): 313- 320.

[28]陳斐, 楊沈斌, 申雙和, 張彌, 趙艷霞. 長江中下游雙季稻區春季低溫冷害的時空分布. 江蘇農業學報, 2013, 29(3): 540- 547.

Trends and risk of spring low-temperature damage to early rice in southern China against the background of global warming

WU Li1, HUO Zhiguo1,2,*, JIANG Yan3, ZHANG Lei4, YU Caixia1

1ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China2CollaborativeInnovationCenterofMeteorologicalDisasterForecast,Early-WarningandAssessment,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China3ChinaMeteorologicalAdministrationDepartmentofEmergencyResponse,DisasterMitigationandPublicServices,Beijing100081,China4NationalMeteorologicalCenter,Beijing100081,China

Abstract：Against the background of global warming, although the frequency of low-temperature disasters varies among different hazard-bearing bodies and areas in China, the intensity of such events does not diminish. Double-cropping early rice is the main crop in southern China, which is often affected by unexpected cold weather during sowing and transplanting. There have been numerous studies on low-temperature damage to various crops in southern China except for early rice during its sowing and transplanting. To reduce the yield loss of early rice, we studied the occurrence trends and the risk of spring low-temperature damage to early rice. According to the daily average temperature data of 178 weather stations from 1961 to 2010 and the Grade of Cold and Rainy Weather during the Seeding-Raising Stage of Early Rice, we studied mutation-related characteristics of spring low-temperature damage to early rice in early-rice cultivating areas in southern China. According to the mutational-analysis results, we evaluated the distribution of trends and risk of spring low-temperature damage to early rice during two periods (from 1961 to 1990 and from 1991 to 2010). The results showed that compared to the first period, the frequency of low-temperature disasters changed its trend from increasing to decreasing in the recent 20 years. The scope and size of the high value area of the risk index for low-temperature disasters and the probability for each level of low-temperature disasters were both decreasing. Mild low-temperature disasters showed the highest probability of occurrence and the highest probability of the decreasing scope. Our findings may serve as the basis for dynamic evaluation of the occurrence of low-temperature damage to early rice and for rational planning of early-rice planting.

Key Words:low-temperature disaster; double-cropping early rice; mutation; risk analysis; southern China

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃課題(2011BAD32B02)

收稿日期:2014- 07- 28; 網絡出版日期:2015- 07- 22

DOI:10.5846/stxb201407281526

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huozhigg@cams.cma.gov.cn

吳立,霍治國,姜燕,張蕾,于彩霞.氣候變暖背景下南方早稻春季低溫災害的發生趨勢與風險.生態學報,2016,36(5):1263- 1271.

Wu L, Huo Z G, Jiang Y, Zhang L, Yu C X.Trends and risk of spring low-temperature damage to early rice in southern China against the background of global warming.Acta Ecologica Sinica,2016,36(5):1263- 1271.