江西雙季直播稻倒春寒與寒露風災害特征分析

郭瑞鴿,段里成,吳自明,李輝婕*

(1.江西農業大學,江西 南昌 330045;2.江西省農業氣象中心,江西 南昌 330096)

江西是我國雙季稻優勢產區,也是全國雙季稻種植比例最高的省份,在保障國家糧食安全方面占有極其重要的地位[1,2]。做好雙季稻減產保產技術服務,對穩定糧食生產具有重要意義。發生于早稻播種期間的倒春寒災害和晚稻抽穗揚花期間的寒露風災害,是雙季稻種植區主要的低溫災害;其中倒春寒災害影響早稻的安全播種育秧[3-5],寒露風災害影響晚稻的安全齊穗[6,7],因此也是制約雙季稻茬口安排、品種熟期搭配的主要因素。自20世紀90年代以來,有關學者已針對廣西[4,8]、貴州[3,9]、江蘇[5]、江西[6,7]、廣東[10]等地區的倒春寒、寒露風發生特點及對水稻的危害開展了一些研究,但在全球氣候變暖、農業生產方式不斷革新的大背景下,水稻生育期氣候特點和栽培模式均發生了顯著變化[2,11,12],因此需要進一步對雙季稻區倒春寒和寒露風的發生規律開展研究,從而為水稻減災保產提供技術支撐[13]。

近年來,江西水稻直播栽培方式發展迅速,直播季節由早稻直播發展到晚稻直播,直播區域由鄱陽湖地區發展到全省各地[2]。據江西省農業農村廳統計，2020年早稻直播比例約達50%。直播早稻在播種期抵御低溫的能力差；直播晚稻缺少秧田期，生長季節遲,因而遭遇寒露風災害的風險高[14]。迄今針對江西早稻倒春寒災害特征及影響的研究報道較少，而針對江西省晚稻寒露風災害特征及其影響的研究較多,如劉文英等[15]對1959～2008年江西寒露風的發生情況和演變趨勢進行了分析；劉丹等對江西1961～2017年間寒露風初日、日數及站次的周期變化及對氣候變化的響應進行了研究[13]。但以上研究均針對人工栽插、拋秧等移栽方式為主的晚稻,針對直播晚稻寒露風災害特征的研究尚未見報道。我們以江西87個氣象站1961～2018年的氣象資料為基礎,采用氣候分析方法,研究了適用于直播方式的早稻倒春寒、晚稻寒露風的災害特征,旨在為雙季直播栽培模式水稻的減災保產提供科學依據。

1 數據與方法

氣象數據來源于江西87個國家氣象站(全省共有89個站,剔除廬山、井岡山2個高山站,余87個站)1961～2018年共計58年的氣象監測資料。

倒春寒災害判別標準:根據直播早稻對氣溫條件的要求以及低溫對直播稻秧苗生長的影響[16,18],確定本文中倒春寒災害指標：當3月20日～4月20日間日平均氣溫≤12 ℃、持續天數≥5 d時,判定為1次倒春寒過程。

寒露風災害判別標準:采用江西省地方標準DB36/T 511─2018《雙季稻氣象災害指標》[17]中的規定。江西目前種植的直播晚稻品種多集中于9月抽穗揚花[19],因此災害判別時段定為9月1～30日。

倒春寒發生頻率:某站發生倒春寒的年數占總年數的比例。

倒春寒發生范圍比例:某年份發生倒春寒的站點數量占總站數的比例。在本研究中，局部地區發生指1%～10%的站點發生了災害;部分地區發生指11%～80%的站點發生了災害;全省普遍發生指80%及以上的站點發生了災害。

倒春寒強度:倒春寒災害持續時間越長、發生范圍越大,對直播早稻的影響程度越大。但目前尚未見明確的江西直播早稻倒春寒等級劃分標準,因此采用累計站天數表征每年寒露風的強度。具體計算方法：逐年逐站計算倒春寒持續天數;當平均氣溫≤12 ℃的持續天數不足5 d時,未達到倒春寒災害標準,不予統計;當平均氣溫≤12 ℃的持續天數超過5 d時,以最長持續天數作為災害持續天數。某年內所有站點倒春寒最長持續天數之和為該年倒春寒災害的累計站天數。累計站天數指標兼顧了倒春寒持續時間和發生范圍,可以較好地反映倒春寒的強度。歸一化后得到倒春寒強度指數,用于分析倒春寒強度的年際變化特征。

寒露風強度:寒露風災害等級已有輕、中、重3級明確的劃分,每年可能發生多次不同等級的寒露風災害。考慮到災害等級越高,災害強度越大,因此對不同等級的災害持續天數賦予階梯權重,最終確定每年的寒露風強度指數Z，其具體計算公式如下:

Z=k1×D1+k2×D2+k3×D3

上式中：D1、D2、D3分別為1級(重度)、2級(中度)、3級(輕度)的持續天數;k1、k2、k3分別為1級、2級、3級的影響權重,分別取值4、2、1。

2 結果與分析

2.1 倒春寒的災害特征

2.1.1 倒春寒發生頻率的空間分布特征 統計1961～2018年間各臺站倒春寒的發生頻率,結果表明：江西全省倒春寒的平均發生頻率為38%；在不同地區間倒春寒發生頻率差異較大,瑞昌、德安、安義、彭澤、銅鼓、湖口、武寧等站的倒春寒發生頻率較高,達50%～57%,主要位于贛西北地區；贛南中南部的發生頻率較低,低于20%；其余大部分地區的發生頻率為30%～50%,西部高于東部。

58年間倒春寒災害發生頻率的前后差異十分明顯,分前28年、近30年分別繪制了災害頻率分布圖(圖1)。在前28年,贛北贛中大部倒春寒發生頻率在50%以上,贛中南部、贛南北部、贛東北部分地區在40%～50%,贛南中南部低于40%。近30年,全省僅贛北北部個別站的發生頻率達50%,贛西北、贛中西部為30%～50%,其余普遍低于30%。30%頻率的分界線由贛南北擴至贛北大部。

圖1 前28年(左)和近30年(右)倒春寒發生頻率比較

2.1.2 倒春寒發生范圍的年際變化特征 統計了逐年倒春寒災害的發生范圍,分析了倒春寒災害的年際變化特征。結果(表1)表明：在1961～2018年58年間中,有29%的年份全省未發生倒春寒災害;有21%的年份在局部地區發生了倒春寒災害;有22%的年份在部分地區發生了倒春寒災害;有29%的年份在全省普遍發生了倒春寒災害。其中,全省性倒春寒災害在20世紀80、90年代發生最為頻繁,在20年中有5年均發生了全省性倒春寒。在2000年以后倒春寒災害呈明顯減少的趨勢,在18年間僅2004年發生了全省性倒春寒。

表1 1961～2018年江西倒春寒災害發生范圍的統計結果

從圖2可以看出：倒春寒災害的發生范圍在年際間呈顯著的下降趨勢(P<0.05)；在20世紀60年代，倒春寒災害的發生范圍最大,全省平均58%的站點發生了倒春寒災害;80、90年代次之,平均有52%的站點發生了倒春寒災害;70年代倒春寒的發生范圍較小,平均37%的站點發生了倒春寒災害；自2001年以來災害發生范圍明顯減少,2001～2010年、2011～2018年分別僅有14%、11%的站點發生了倒春寒災害。

圖2 1961～2018年倒春寒災害發生范圍的年際變化

2.1.3 倒春寒災害強度的變化特征 計算歷年倒春寒累計站天數,歸一化處理后分析倒春寒強度。結果(圖3)表明：在58年期間全省的倒春寒強度以1996年為最強,累計站天數達1027;1992、1988、1976年分別排第2、3、4位,累計站天數分別為919、871、868；在58年間倒春寒強度指數呈減弱的趨勢。

圖3 1961～2018年倒春寒強度指數的年際變化

在各年代間倒春寒災害持續天數存在明顯差異，在20世紀90年代持續天數最長,累計站天數為393站天;60年代、80年代的倒春寒災害持續天數接近,分別為325、324站天;70年代較少,為221站天；在2001年以后,持續天數較上世紀明顯減少，在2001～2010和2011～2018年期間的累計站天數分別僅有77和58站天。

倒春寒持續天數最長為17 d,分別發生在1976年3月20日至4月5日和1996年3月20日至4月5日,發生區域為贛北、贛中。共有7年發生了區域性持續10 d以上的倒春寒災害,分別為1965年(41站)、1976年(36站)、1987年(25站)、1988年(66站)、1991年(11站)、1992年(77站)、1996年(72站),詳見表2。在2000年以后全省均未發生持續10 d以上的倒春寒災害。

表2 江西省持續10 d以上的倒春寒過程

2.2 寒露風的災害特征

2.2.1 寒露風發生頻率的空間分布特征 分所有級別、重度、中度、輕度級別,分別統計了各站寒露風災害的發生頻率。結果表明：在9月1～30日間江西省寒露風災害發生十分頻繁；其中贛西北的發生頻率最高,在90%以上,即幾乎每年都會發生寒露風災害；贛南大部及贛東北局部的發生頻率較低,為50%～70%；其余地區的發生頻率居中，為70%～90%(圖4)。

圖4 江西不同等級的寒露風災害發生頻率

寒露風發生程度以輕度和中度為主，其中輕度發生頻率以30%～40%為主,南部高于北部；中度發生頻率以30%～50%為主,北部高于南部；重度寒露風發生頻率很低,在58年中僅資溪、宜黃、宜春、萍鄉、寧岡、蓮花等6站達10%～29%,其余站點均低于10%。

2.2.2 寒露風發生范圍的年際變化特征 統計了逐年寒露風災害的發生范圍,分析了寒露風災害的年際變化特征,見圖5。結果表明,在1961～2018年間,平均每年有76%的站點發生了寒露風災害,其中平均5%的站點發生了重度寒露風。

在不同年份之間,寒露風發生站點比例差異十分差著。有63%的年份在全省普遍發生了寒露風災害，有28%的年份在部分地區發生了寒露風災害，有9%的年份在局部地區發生了寒露風災害。其中重度寒露風發生年份較少,有62%的年份所有站點均未發生重度寒露風,有24%的年份(14年)在局部地區發生了重度寒露風,有14%的年份(8年)在部分地區發生了重度寒露風，詳見表3。

表3 1961～2018年江西寒露風災害發生范圍的統計結果

在整個研究期內，寒露風發生站點比例的變化趨勢不明顯。從各年代平均來看,20世紀70、80、90三個年代的平均發生范圍接近,約占87%;2001～2010、2011～2018兩個時段的平均發生范圍接近,約占57%。重度寒露風的年代際特征與所有等級寒露風的不同,在2001～2010年發生站點比例最高,平均達7.2%;而在2011～2018年又降到了2.2%，詳見表4。

表4 不同年代寒露風災害發生站點所占比例 %

2.2.3 寒露風災害強度的變化特征 統計每年各站寒露風強度指數之和,歸一化后繪制了寒露風強度的年際變化圖。由圖6可見：在1961～2018年期間寒露風累積強度指數呈一定的下降趨勢,但不顯著；從70年代后期至90年代,寒露風強度指數的年際間變化幅度最大；從60年代至70年代，以及在2000年以后年際變化幅度較小；2014年以后寒露風強度指數持續低于平均值。

圖6 寒露風強度指數的年際變化

寒露風強度排前10位的年份依次為1980、1997、1988、2006、1994、1967、1982、2002、1979、1965年,出現在80年代的有3次,出現在60年代、90年代、2001～2010年的各有2次,出現在70年代有1次;在2011年以后尚未出現比較強的寒露風災害。主要低溫時段出現在9月中旬和下旬,少數年份出現在9月上旬。發生范圍均為全省性寒露風,在1997、1988年發生重度等級寒露風的范圍達30～31站(表5)。

表5 江西寒露風強度居前10位的年份

3 結論與討論

過去58年江西直播早稻倒春寒災害平均發生頻率為38%,贛西北山區最高,贛南最低;總體分布北部高于南部、西部高于東部,這反映出江西省東部、南部地區更適于發展直播早稻。近30年與前28年相比,倒春寒發生頻率全省平均下降了24個百分點,30%頻率的分界線由贛南北擴至贛西北;倒春寒災害強度呈下降趨勢,1996年以來未出現持續10 d以上的嚴重倒春寒災害。說明江西直播早稻倒春寒災害對氣候變化的響應顯著,這也與近年來直播稻比例不斷增加的現象[2]一致。

直播晚稻寒露風災害發生程度以輕度和中度為主,頻率一般為30%～50%;重度寒露風發生頻率較低,大部分地區的重度寒露風發生頻率低于10%。在58年間，寒露風輕、中度災害的發生范圍大,重度災害的發生范圍小,約有24%的年份在局部地區發生了重度寒露風，有14%的年份在部分地區發生了重度寒露風,未出現全省普遍性的重度寒露風災害。寒露風災害強度呈下降趨勢,2014年以后寒露風強度指數持續低于平均值。以上研究結果與劉文英、劉丹等[13,15]的研究結果總體一致。

在全球氣候變暖的大背景下,雖然江西倒春寒、寒露風災害均有一定程度的減輕趨勢,但因極端氣候事件發生頻率加大,采用直播方式播種的雙季稻仍有可能遭遇較為嚴重的低溫災害,需加以警惕。在播種前,應盡可能選用抗低溫品種,在品種搭配上要選擇“早熟+遲熟”或“中熟+中熟”組合,并合理安排播期,直播早稻不早于3月下旬,直播晚稻不遲于7月下旬,以降低遭遇倒春寒和寒露風災害的風險。當直播早稻在播種后遇倒春寒天氣時,可以利用水傳熱比較均勻、遇冷水時水溫下降緩慢的特點,在降溫前進行灌水防寒護秧,采取“夜灌日排”、“晴排雨灌”的措施調節田間小氣候[20]。當直播晚稻遇到寒露風災害時,可以在降溫前對尚未抽穗或始穗的田塊灌4～10 cm的深水層[1],同時可噴施葉面肥提高植株的抗逆能力;對受寒露風影響而出穗遲緩的田塊,可在始穗期噴施調節劑以加快抽穗進度;另外在寒露風來臨時可在上午9：00水稻開花前和下午15：00水稻收花后,在田間進行人工噴灌,至溫度回升時停止,這樣可以減少葉片干枯,防止花粉、柱頭干枯而促進授粉。