摘 要： 利用浙江省42个气象站的历史观测资料, 基于统计分析法和反距离权重插值法, 研究气候变化背景下1961-2010年浙江省早稻高温热害的时空变化特征, 进而开展灾害危险度区划研究.结果表明:浙江省早稻高温胁迫较严重的区域主要集中在浙中南区域, 其中金衢盆地、永康盆地及丽水地区的一系列盆地由于空气不流通、热量易积聚, 致使永康、金华、兰溪、丽水等地高温热害较为严重;而浙江省东部沿海区域由于夏季多发台风天气, 高温热害程度普遍较轻;省内大部分地区高温胁迫呈加重趋势, 尤其是21世纪初以来高温热害发生频次和强度均大幅上升;综合考虑高温热害多年平均状况及时间变化趋势, 发现浙江省中南部早稻高温热害危险性较高, 而沿海地区危险性较低.
关键词： 浙江; 早稻; 高温热害; 空间差异; 危险度评估;
Abstract： Based on the historical observation data ( 1961-2010) of 42 meteorological stations in Zhejiang Province, the statistical analysis method and the inverse distance weight interpolation method were used to study the spatial-temporal features of heat injury on early rice in Zhejiang Province and further disaster hazard zonation. The results showed that the areas exposed to serious heat injury were mainly concentrated in the middle and south of Zhejiang, heat injury in Yongkang, Jinhua, Lanxi and Lishui was more serious due to the non-circulation of air and the accumulation of heat in Jinqu Basin, Yongkang Basin and a series of basins of Lishui area, while heat injury in eastern coastal areas of Zhejiang Province was generally light due to frequent typhoon weather in summer. Heat injury increased significantly over the past decades, showing a particular rise in both the frequency and intensity of high-temperature events over the 21 st century. Taking the average annual intensity and temporal trend of heat injury into account, the level of heat-injury risk was higher in the middle and south of Zhejiang Province, but lower in the coastal areas.
Keyword： Zhejiang; early rice; heat injury; spatial difference; risk assessment;
0、 引言
我国是世界上最大的水稻生产国和消费国, 60%以上的人口以水稻为主食[1-2].水稻产量的稳定增长是保障我国乃至世界粮食安全的关键[3-4].然而, 水稻生长发育过程对极端高温事件尤为敏感[5-6].近50年来, 我国长江流域发生重大水稻高温热害事件6次, 其中, 2003年的全流域受灾面积保守估计达3000万hm2, 损失稻谷产量5180万t[7].浙江省是地处长江中下游地区的水稻种植大省.在全球气候变暖[8]背景下, 浙江省夏季高温频繁, 已严重威胁该地区水稻的安全生产[9].评估浙江省水稻高温热害危险度有助于农业部门因地制宜采取合理的适应措施, 从而减轻灾害损失、保障浙江省的粮食安全与社会稳定.
1960年以来浙江省以双季稻种植为主[10], 其中早稻生长发育的敏感期正处于夏季副热带高压控制期间[11-12], 极易遭受极端高温事件影响.已有学者基于高温事件出现次数和天数开展浙江省早稻高温热害发生规律的研究[13-15].然而高温热害危险性除与发生次数和天数有关外, 高温胁迫强度也是重要的衡量因素[4,6], 将发生频次和强度综合起来研究早稻高温热害危险性, 评估结果更有助于指导农业生产实践.近年来, 姚蓬娟等[16]将灾害频次和强度引入到水稻高温热害危险性评价中, 但由于其研究区是长江中下游早稻种植区, 在浙江省选取的农气站主要集中在浙南地区, 难以均匀覆盖整个省域范围.综上, 目前基于灾害频次和胁迫强度综合分析浙江省早稻高温热害发生规律, 并定量评估省内各地高温热害危险性的研究尚比较缺乏.
为此, 笔者在综合前人研究的基础上, 基于浙江省42个气象站的历史观测资料, 利用统计分析法和反距离权重插值法, 根据高温事件发生频次和强度研究浙江省早稻高温热害的时空分布特征, 并定量评估浙江省各地区早稻高温热害的危险度水平, 分析其空间差异, 以期为相关部门制定高温热害适应性对策提供科学依据.
1、 资料与方法
1.1、 研究范围与数据来源
图1 浙江省气象观测站点空间分布状况Fig.1 Distribution of the meteorological observation stations in Zhejiang Province
本文以浙江省为研究区, 选择气象资料时间序列较长 (1961-2010年) 的42个气象站 (图1) , 气象站点数据来自于中国气象数据共享服务网 (http://cdc.cma.gov.cn/) .以早稻生长发育敏感期 (孕穗期—抽穗开花期) 为研究时段[6,17-18], 参考前人研究[6], 将具体时间段确定为6月1日至7月15日.
1.2、 研究方法
1.2.1、 高温热害指标分析
参考相关文献资料[6,19-20], 将连续3 d以上日最高温度超过35℃记作一次高温热害事件, 将最高温度超出35℃的部分累加记作该次事件的胁迫强度.
式中, HT为水稻生长发育敏感期内的总胁迫强度 (℃) ;Ti, j为水稻敏感期内第j次高温热害事件中第i天的日最高温度 (℃) ;T0为极端高温阈值 (本文中T0=35℃) ;n代表第j次高温热害事件的持续时间 (d) ;N代表水稻敏感期内高温热害事件总频次.
1.2.2、 高温热害频次和强度分析
针对各站点计算历年高温热害发生频次和强度, 得到1961-2010年间高温热害频次和强度的时间序列值.计算各站点50年高温热害总频次和总强度, 引入反距离权重法进行空间插值, 分析浙江省早稻高温热害的空间分布特征.其中, 总频次/总强度的等级划分采用Natural Breaks分类方法, 共划分为5个等级, 以便类别之间差异明显, 类别内部差异最小[21].同时, 以每十年 (decade) 为单位, 将研究时段划分为5个时间段, 即1961-1970年 (D1) 、1971-1980年 (D2) 、1981-1990年 (D3) 、1991-2000年 (D4) 和2001-2010年 (D5) .对比分析各站点不同时间段内高温热害事件频次和强度的变化特征.
1.2.3、 高温热害危险度评估
高温热害危险度评估需综合考虑发生频次和胁迫强度的整体状况和时间变化特征.针对高温热害发生频次和强度的整体状况, 根据上文所述, 分别赋予1~5的等级值.针对高温热害的时间变化特征, 计算各站点D5总频次与D1总频次的比值, 作为高温热害发生频次的变化指数, 同样利用Natural Breaks分类方法划分为5个等级, 赋予1~5的等级值.其中, 若D1和D5的总频次均为0, 则赋以最低水平 (也即等级值1) , 若仅D5的总频次为0, 则赋以平均水平 (也即等级值3) .按同样方法计算高温热害强度的变化等级.在此基础上, 计算以上4类等级值的平均水平, 记为各站点的危险度, 并根据危险度数值将各个站点分为危险度最高、较高、中等、较低、最低5个等级.利用反距离权重插值法得到区域分布, 从而分析不同地区高温热害的危险性水平.
2、 结果分析
2.1、 高温热害的空间分布格局
根据各站点1961-2010年高温热害发生频次与强度情况的统计, 丽水站高温热害发生最频繁 (87次) 且强度最高 (HT>1150℃) ;永康、云和、龙泉、仙居等站点发生高温热害事件次数也较多 (超过60次) , 其中云和与永康的强度较高 (HT>800℃) ;石浦、瑞安、乐清发生频次和强度都较低, 高温事件数低于10次, 总强度 (HT) 都在100℃以下.
在区域尺度上 (图2) , 丽水市、金华市、杭州市的东南部、衢州市东南部、台州市南部以及湖州市的西南部高温热害发生次数相对较多, 均在50次以上, 其中丽水市北部、金华市南部高温热害频次超过60次;而舟山、宁波、台州、温州、嘉兴等东部区域高温热害发生频次较低.整体上看, 1961-2010年间浙江省高温热害发生频次表现为“西高东低”的分布规律.高温热害强度分布与频次分布整体一致, 高温热害强度较高的地区主要集中在金华—丽水一带, 而东部区域强度较低.
图2 1961-2010年浙江省高温热害总频次与总强度分布图Fig.2 Distribution of total frequency and total intensity of high temperature events in Zhejiang province from 1961 to 2010
浙江省地形自西南向东北呈阶梯状倾斜, 西南主要以山地为主, 中部以丘陵为主, 东北部则是低平的冲积平原[22].金衢盆地位于浙江中西部, 是省内最大的盆地.浙江省夏季有副热带高压持续作用, 而盆地地形封闭, 不利于空气水平运动, 阻碍了与近地面空气的流通和热量散失, 有很强的聚热作用, 因此永康、金华、兰溪等地高温热害明显较为严重.丽水市区四面环山, 且仅有狭小的瓯江水面形成空气通道, 风速小, 通过空气流动时的温度交换作用被大大削弱, 加之该地人口密度极大, 导致丽水的高温热害比较严重.水体比热高、吸热快, 使得海洋对高温有明显的抑制作用, 且沿海地区夏季多发台风天气, 从而导致浙江省东部海岛、沿海与近海地区高温热害程度普遍较轻.综上, 地形、地理位置是影响高温热害空间差异的主要因素.
2.2、 高温热害的时间变化特征
从频次 (图3) 上看, 绝大多数站点呈现上升趋势, D1-D4没有明显的逐时段递增趋势, 但D5出现大幅度增加.其中, 丽水站、仙居站与云和站D1-D5高温热害频次都处于较高水平 (大于10次) ;洪家站、平阳站、泰顺站、温岭站、温州站D1-D4高温热害事件发生极少, 但D5却呈现显着上升趋势;瑞安站和乐清站则在D5才开始出现高温热害事件;永康站D1-D5逐时段持续上升.另外, 开化站、平湖站、淳安站虽然上升趋势不明显, 但对比D1与D5时段, D5高温热害的发生频次也有较大幅度的上升.同时, 从图4可见, 强度变化趋势总体与频次变化趋势一致, 无论是高温热害强度水平一直较高或是较低的地区, 总体都呈上升趋势, 尤其在D5时段的10年间快速增长.但在具体站点上表现有所差异, 例如, 丽水站的总频次D3大于D2, 而总强度却相反.总体来说, 浙江省早稻高温热害的发生频次和强度均呈上升趋势, 尤其在D5呈现大幅度增加.
图3 代表站点及站点总和的高温热害频次年代变化Fig.3 Decadal changes in the occurance frequency of high-temperature events in representative statons and the sum for all stations
图4 代表站点及站点总和的高温热害强度年代变化Fig.4 Decadal changes in the intensity of high-temperature events in representative statons and the sum for all stations
2.3、 高温热害危险度评估
从浙江省各站点高温热害危险度评估结果 (表1) 看, 丽水等11个站点的高温热害危险性最高.其中, 丽水、云和、永康、仙居、桐庐、龙泉、兰溪、金华、东阳等站点D1-D5高温热害的发生频次和胁迫强度均处在较高水平, 高温频次和强度的增长幅度也较大, 但由于其基数较大, 增长速度较其他站点偏低;而洪家站与临海站高温热害现状虽并非最严峻, 但呈现较为显着的上升趋势.目前, 平湖、普陀、玉环、大陈岛、嵊泗、石浦等站点的危险性虽较低, 但在全球气候变暖背景下, 同样需要及早关注与应对.
表1 各站点高温热害危险度评估表Tab.1 Hazard assessment of heat stress in each station
从危险度区划分布 (图5) 看, 浙江省高温热害危险度空间差异较为显着.浙江省中南部的高温热害平均状况严重, 且上升趋势较为明显, 因而危险度较高, 金华市、丽水市、台州市、杭州市 (除西南一小部分区域) 、衢州市东部、绍兴市西部、湖州市西部、温州市西北边缘等区域是省内的高值集中区, 其中又以金华—丽水—台州一带最为严峻, 危险度大于2.6;由于海洋与大面积水域的调节作用, 东部沿海与杭州新安江水库附近区域受高温热害影响较小, 且短期内趋势较为稳定, 因而危险度普遍较低, 其中, 舟山市、宁波与台州东部及嘉兴东部小范围区域的危险度最低.此宁波市东北部与温州市东南部由于高温热害上升趋势明显, 存在小范围危险度高值区, 而浙南的泰顺以及浙西的开化等地, 由于其较低的增长速率或较轻的高温热害胁迫程度, 危险度相对较低.根据高温热害危险度评估结果, 相关部门可因地制宜、分级治理, 有选择性地采取防御和应急措施[23-27], 以期整体上提升浙江省的水稻种植效率.
图5 浙江省早稻高温热害危险度区划空间分布图Fig.5 Heat-stress-hazard zonation map for early rice in Zhejiang Province
3、 结论
本研究基于浙江省42个气象站的历史观测资料, 以连续3 d以上日最高气温超过35℃作为水稻遭遇高温热害的气象指标, 分析气候变化背景下浙江省早稻高温热害发生频次与强度的时空变化特征, 并据此评估浙江省水稻高温热害的危险性水平.结果表明:1) 近50年来浙江省早稻高温热害较为严重的区域主要集中在金华市、丽水市等浙中南部区域, 其次是杭州市、湖州市等浙北地区, 东部沿海地带受高温热害影响相对较轻;2) 气候变化背景下浙江省各地的高温热害总体呈上升趋势, 尤其自21世纪初以来高温热害发生频次和强度均大幅度增加;3) 浙江省早稻高温热害危险度区划的基本分布规律为:浙中南部金华—丽水—台州一带是浙江省内危险度的高值区, 而东部沿海部分区域危险度较低.
本文主要从致灾因子的角度分析浙江省早稻高温热害危险性, 今后需要将高温对水稻产量的具体影响纳入高温热害风险评估体系中.此外, 高温热害分布差异研究中, 借助遥感数据识别水稻关键物候期、提取水稻种植分布, 有助于更准确地分析浙江省早稻高温热害空间差异性, 也是下一步研究的重点.
参考文献：
[1]WANG P, ZHANG Z, CHEN Y, et al.How much yield loss has been caused by extreme temperature stress to the irrigated rice production in China?[J].Climatic Change, 2016, 134 (4) :635-650.
[2]TAO F, ZHANG S, ZHANG Z.Changes in rice disasters across China in recent decades and the meteotological and agronomic causes[J].Regional Environmental Change, 2013, 13 (4) :743-759.
[3]ZHANG Z, CHEN Y, WANG C Z, et al.Future extreme temperature and its impact on rice yield in China[J].International Journal of Climatology, 2017, 37 (14) :4814-4827.
[4]WANG P, ZHANG Z, SONG X, et al.Temperature variations and rice yields in China:historical contributions and future trends[J].Climatic Change, 2014, 124 (4) :777-789.
[5]ESPE M B, HILL J E, HIJMANS R J, et al.Point stresses during reproductive stage rather than warming seasonal temperature determine yield in temperate rice[J].Global Change Biology, 2017, 23 (10) :4386-4395.
[6]SUN W, HUANG Y.Global warming over the period 1961-2008 did not increase high-temperature stress but did reduce low-temperature stress in irrigated rice across China[J].Agriculture&Forest Meteorology, 2011, 151 (9) :1193-1201.
[7]田小海, 罗海伟, 周恒多, 等.中国水稻热害研究历史、进展与展望[J].中国农学通报, 2009, 25 (22) :166-168.
[8]STOTT P.How climate change affects extreme weather events[J].Science, 2016, 352 (6293) :1517-1518.
[9]SUN Y, ZHANG X B, ZWIERS F W, et al.Rapid increase in the risk to extreme summer heat in eastern China[J].Nature Climate Change, 2014, 4 (12) :1082-1085.
[10]蒋旻炜.试论浙江省潜在的粮食安全问题及解决方法[J].中国农业信息, 2012 (23) :142.
[11]姚萍, 杨炳玉, 陈菲菲, 等.水稻高温热害研究进展[J].农业灾害研究, 2012, 2 (4) :23-25.
[12]王品, 魏星, 张朝, 等.气候变暖背景下水稻低温冷害和高温热害的研究进展[J].资源科学, 2014, 36 (11) :2316-2326.
[13]金志凤, 杨太明, 李仁忠, 等.浙江省高温热害发生规律及其对早稻产量的影响[J].中国农业气象, 2009, 30 (4) :628-631.
[14]李仁忠, 刘海英, 李建业, 等.浙江省早稻高温热害发生规律及防御措施[J].浙江气象, 2011, 32 (1) :23-26.
[15]杨太明, 陈金华, 金志凤, 等.皖浙地区早稻高温热害发生规律及其对产量结构的影响研究[J].中国农学通报, 2013, 29 (27) :97-104.
[16]姚蓬娟, 王春乙, 张继权.长江中下游地区双季早稻冷害、热害危险性评价[J].地球科学进展, 2016, 31 (5) :503-514.
[17]熊伟, 冯灵芝, 居辉, 等.未来气候变化背景下高温热害对中国水稻产量的可能影响分析[J].地球科学进展, 2016, 31 (5) :515-528.
[18]罗伯祥, 程保山, 于江辉, 等.高温对2个中粳水稻品种生长发育的影响及其耐热性研究[J].现代农业科技, 2016 (24) :9-11.
[19]杨炳玉, 申双和, 陶苏林, 等.江西省水稻高温热害发生规律研究[J].中国农业气象, 2012, 33 (4) :615-622.
[20]叶宏宝, 石晓燕, 李冬, 等.气候变化对浙江水稻生产影响的集合模拟分析[J].浙江农业学报, 2016, 28 (7) :1183-1192.
[21]孟林, 王春乙, 任义方, 等.长江中下游一季稻高温热害危险性特征及其对气候变化的响应[J].自然灾害学报, 2015, 24 (6) :80-89.
[22]徐伟燕, 孙睿, 周爽, 等.基于遥感和GIS的日最高最低气温估算[J].北京师范大学学报 (自然科学版) , 2017, 53 (3) :344-350.
[23]秦叶波, 张慧.水稻高温热害发生规律及防御措施[J].浙江农业科学, 2015, 56 (9) :1362-1365.
[24]BHEEMANAHALLI R, SATHISHRAJ R, MANOHARAN M, et al.Is early morning flowering an effective trait to minimize heat stress damage during flowering in rice?[J].Field Crops Research, 2017, 203:238-242.
[25]TEIXEIRA E I, FISCHER G, VAN VELTHUIZEN H A, et al.Global hot-spots of heat stress on agricultural crops due to climate change[J].Agricultural&Forest Meteorology, 2013, 170:206-215.
[26]LI Z, LIU Z, ANDERSON W, et al.Chinese rice production area adaptations to climate changes, 1949-2010[J].Environmental Science&Technology, 2015, 49 (4) :2032-2037.
[27]REZAEI E E, WEBBER H, GAISER T, et al.Heat stress in cereals:mechanisms and modelling[J].European Journal of Agronomy, 2015, 64:98-113.
