杨军+李迎春+刘丹+周大虎

摘要：花期高温热害已成为水稻生产中的一个突出问题。利用江西省18个农业气象观测站近35年（1981—2015年）7月11日至8月10日的气温观测数据，并基于江西省种子管理局2004—2015年一季稻的区域试验资料，研究江西一季稻花期高温热害发生规律及其对产量构成因素的影响。结果表明，近35年来日平均气温和最高气温距平呈现一定的变化规律，其中1981—1992年高低温年交替出现，1993—2002年低温年居多，而2003—2015年高温年居多。近35年（除1997年）来每年均有高温热害发生，平均3.94次。2003年以后高温热害的发生次数和高温持续天数呈增加趋势。7月中旬至8月上旬的日平均气温、最高气温和高温热害天数与结实率相关明显，结实率可作为一季稻花期高温热害鉴定的一个有效指标。

关键词：一季稻；花期；高温热害；产量；结实率；平均气温

中图分类号： S428 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）19-0170-05

收稿日期：2017-03-05

基金项目：国家公益性行业（气象）科研专项（编号：GYHY201406025）；江西省气象局青年人才培养项目（编号：YTTF201603）；中国气象局气候变化专项（编号：CCSF201513）。

作者简介：杨 军（1987—），男，江西宜春人，博士，工程师，主要从事水稻气象、生理与遗传育种研究。E-mail：573286952@qq.com。 我国是世界上自然灾害发生种类最多的国家。在七大类自然灾害中，气象灾害的覆盖面最广，约占70%。近年来，气候变化异常使气象灾害的发生频率升高、强度加大，严重影响我国的农业生产。在全球气候变暖背景下，我国农业气象灾害（高温、低温、洪涝和季节性干旱等）日益严重，威胁国家的粮食安全[1-2]。我国是全球水稻的生产大国，长江中下游地区（江西、湖北、湖南、安徽、江苏、浙江和上海）是我国最大的水稻主产区。该区水稻种植面积占全国水稻总面积的70%左右，总产量占全国粮食总产的30%左右，占全国水稻总产量的50%以上[3-4]。高温是影响长江中下游地区水稻生产的主要农业气象灾害。每年梅雨季节过后，此时一季稻正处抽穗开花期，受西太平洋副高控制，该区易出现持续高温天气，造成高温热害，影响水稻的生长发育[5-6]。

一季稻又名单季稻或中稻，因其具有产量高、品质优及成熟期适中等优点，对提高农业生产效率和经济效益具有一定优势，一季稻是江西水稻生产的重要组成部分，自2002年以来，全省一季稻种植面积已稳定在40万hm2左右。开花期是水稻生殖生长对温度最敏感的时期，最适宜的温度为25～30 ℃。一季稻一般在7月中下旬至8月上旬开花结实，如遇日平均温度高于30 ℃或日最高温度高于35 ℃以上的高温天气，水稻的花粉育性、花药开裂率、花粉活力、花粉管萌发和柱头活性会降低，进而引起花粉败育、花粉管伸长和子房受精受阻，易造成空壳率和秕粒率增加，导致结实率及产量下降，且其变幅随高温强度的增大和持续时间的延长而增加[7-9]。据IPCC统计，全球陆地和海洋表面平均温度1880—2012年间升高了0.85 ℃[10]。在全球气候变暖背景下，高温发生的頻率和强度不断加大，由此而导致的水稻高温热害问题日趋严重。

前人对水稻高温热害发生规律及对产量的影响已有众多研究。李守华等研究发现，近50年（1954—2003年）来，对江汉平原一季稻花期可能产生致命伤害的7月中旬至8月上旬连续3 d以上平均气温≥ 30 ℃和最高气温≥ 35 ℃高温天气出现的次数呈增加趋势[11]。谢晓金等指出，近55年（1951—2005年）来，导致南京市水稻花期高温危害的天气从20世纪90年代开始呈增加趋势[12]；高温危害天气集中发生在每年的7月中下旬和8月上旬，其中7月下旬发生频次超过70%。孟林等的研究指出，长江中下游一季稻高温热害发生频繁，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[13]。杨舒畅等的研究表明，1980—2012年长江中下游地区一季稻高温热害发生的总频次以14.10次/10年的趋势增加，江西是高温热害发生频次最高且危害程度最重的区域之一[14]。杨炳玉等研究表明，江西省水稻高温热害集中于7月中下旬和8月上旬；1961—1982年高温热害发生次数呈下降趋势，而1983—2010年则呈极显著上升趋势[15]。尽管基于气象资料进行了较多高温热害分析，但对江西一季稻花期高温热害发生规律的系统研究鲜有报道。田俊等利用江西14个气象观测站2000—2013年农业气象观测资料以探讨早稻高温热害的影响因子，并指出过程最大升温幅度、过程最高气温和高温持续日数是江西早稻高温热害的主要影响因子[16]。当高温强度和持续日数增加到某一数值，中稻开花期高温减产大于灌浆期，水稻减产率在重度灾害年份高达30%以上，且一季稻的最大减产率一般大于早稻[17]。然而关于水稻花期高温与一季稻产量构成之间的相关性分析目前仍然匮乏。与1951—1980年相比，1981年以后长江中下游地区水稻高温热害次数呈增加趋势[18]。因此，本研究拟基于江西省农业气象观测站1981—2015年每年7月中下旬和8月上旬的气温资料，采用气温距平法、数理统计法和回归分析法，研究江西省一季稻花期高温热害的发生规律及其对产量构成的影响，旨在为气候变化背景下水稻高温热害防御及高产稳产栽培提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 资料收集

长江中下游地区一季稻开花期的高温热害主要发生在7月中下旬和8月上旬，以此期间的日平均气温或日最高气温作为衡量热害的指标。江西省气象信息中心提供江西省18个农业气象观测站（图1）1981—2015年每年7月11日至8月10日的逐日平均气温和最高气温等气象资料。江西省种子管理局提供2004—2015年每年江西省水稻新品种区域试验资料，其中区域试验点设在南昌县、吉安市、安义县、抚州市、萍乡市、浮梁县和会昌县共7个地区。一季稻的区域试验资料自2004年开始记载，本试验收集一季稻区试中每年对照的产量构成要素资料，包括有效分蘖数、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒质量以及产量等。endprint

1.2 分析方法

1.2.1 气温距平 以1981—2015年7月11日至8月10日的逐日平均气温和最高气温为原始数据，计算此阶段每年的平均值，同时计算35年来7月中旬至8月上旬日平均气温和日最高气温的总平均值，分析得到历年来平均气温距平和最高气温距平的变化规律。根据距平值的阈值以判断高温年和低温年，其中高温年为气温距平值≥ 0.50 ℃，低温年为气温距平值≤-0.50 ℃。

1.2.2 连续3～4 d、5～7 d和8 d以上的持续高温 结合前人研究[15，19-22]和江西省气象部门业务上使用的高温热害等级指标，本研究将日平均气温≥ 30 ℃，日最高气温≥ 35 ℃持续3 d及以上定义为发生了高温热害。高温热害的等级指标定义为：高温持续3～4 d为轻度热害，持续5～7 d为中度热害，持续8 d以上为重度热害。

统计1981—2015年7月11日至8月10日连续3～4 d、连续5～7 d和连续8 d以上日平均气温≥ 30 ℃和日最高气温≥ 35 ℃的发生次数和天数，考虑高温热害的延时效应原则，对于跨旬或跨月情况，则将其归至后续的旬或月中，分析近35年来连续3～4 d、5～7 d和8 d以上持续高温发生的频次、天数和时段变化规律。

1.2.3 一季稻的产量构成要素 在分析高温变化和热害等级指标的基础上，利用数学统计方法分析一季稻区试中每年对照的产量构成要素的变化，筛选适用于一季稻花期高温热害鉴定的有效指标，结合气象资料探讨一季稻结实率与高温变化的关系。

1.2.4 数据统计方法 利用Excel 2010和SPSS 17.0统计软件分析数据和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 平均气温和最高气温变化规律

由图2可见，近35年来，江西地区7月中旬至8月上旬的日平均气温距平值变化具有一定的规律性，依次可分为高低温交替年（1981—1992年）、低温年（1993—2002年）和高温年（2003—2015年）3个阶段。图2显示，平均气温距平的高低温交替年（1981—1992年）期间出现3次高温年（距平值≥0.50 ℃）和3次低温年（距平值≤-0.50 ℃），出现频率均为25%，1981—1992年间平均距平值为0.00 ℃。低温年（1993—2002年）期间共出现4次低温年，出现频率40%，期间未出现过高温年，平均距平值为-0.46 ℃。2003—2015年出现3次高温年和1次低温年，出现频率分别为23.08%和7.69%，期间的平均距平值为0.35 ℃。平均气温的极端低温年为1997年（距平值-1.52 ℃），极端高温年为2003年（距平值2.35 ℃）。近35年来平均气温的距平值的变化倾向率为0.012 ℃/年。

由图2可知，日最高气温距平的变化趋势与平均气温相似。高温年共出现8次，低温年出现10次。低温年主要出现于1993—2002年，共出现6次，出现次数占总次数的60%，期间未出现过高温年，平均距平值为-0.78 ℃。高温年主要出现于2003—2015年，共出现4次，出现次数占总次数的50%，期间出现2次低温年，平均距平值为0.51 ℃。高低温交替年（1981—1992年）期间出现4次高温年和2次低温年，期间的平均距平值为0.10 ℃。最高气温的极端低温年为1997年（距平达-1.85 ℃），极端高温年为2003年（距平达 3.10 ℃）。近35年来最高气温的距平值的变化倾向率为0014 ℃/年。

对近35年来江西地区每年7月中旬至8月上旬的日平均气温距平与最高气温距平值进行相关分析可知，相关系数为0.957，两者呈极显著相关，说明平均气温与最高气温距平呈现一致的变化规律。其中，1981—1992年高低温年交替出现，1993—2002年低温年居多，而2003—2015年高温年居多。

2.2 持续高温发生频次变化规律

日平均气温≥ 30 ℃或日最高气温≥ 35 ℃持续3～4 d为轻度高温热害，持续5～7 d为中度热害，持续8 d以上为重度热害。图3-A、图3-B结果显示，近35年来，平均气温和最高气温的高温热害发生频次变化类似。除1997年外，1981—2015年間每年均出现轻度热害、中度热害或重度热害。就平均气温而言，近35年轻度热害共出现31次，中度热害23次，重度热害11次。对于最高气温，近35年轻度热害共出现33次，中度热害25次，重度热害15次。

从图3-C可以看出，除了1997年，近35年来每年均发生了高温热害，平均为3.94次。高温热害总次数出现最多的年份有1984年、1988年、1991年和1998年的6次及2013年的7次。从图中还可看出，1992—2003年间高温热害的出现次数不多，而2004—2015年间高温热害的发生总次数均高于35年的平均值（除2011年），说明高温热害呈增加趋势。

2.3 持续高温发生天数变化规律

由图4可知，近35年来，平均气温和最高气温的持续高温天数变化相似。从时间上来看，1981—1992年间，平均气温的高温热害天数平均为11.83 d，最高气温的为13.50 d。1993—2002年间，平均气温的高温热害天数平均为7.10 d，最高气温的为7.30 d。2003—2015年间，平均气温的高温热害天数平均为12.54 d，最高气温的为15.92 d。可以看出，2003年后高温天数整体有增加趋势。1997年未出现持续高温天气，平均气温和最高气温最多的持续高温天数出现于2003年，分别为30 d和31 d。近35年来，平均气温和最高气温高温热害天数的变化倾向率分别为0.022 d/年和 0.106 d/年。

2.4 持续高温发生时段分布规律

由图5-A可知，对于平均气温，轻度热害在7月中旬、7月下旬和8月上旬发生频次分别为10次、8次和13次，中度热害的发生频次分别为8次、8次和7次，重度热害的发生频次分别为0次、5次和6次。7月中旬、7月下旬和8月上旬高温热害发生的总频次分别为18次、21次和26次，因此，高温热害在3个时期均有较多发生。endprint

由图5-B可知，就最高气温而言，轻度热害在7月中旬、7月下旬和8月上旬发生频次分别为9次、9次和15次，中度热害的发生频次分别为9次、7次和9次，重度热害的发生频次分别为0次、9次和6次。7月中旬、7月下旬和8月上旬高温热害发生的总频次分别为18次、25次和30次。可以看出，高温热害在7月中旬至8月上旬发生严重，此时正值长江流域一季稻的开花结实期，对水稻的危害极大。

2.5 一季稻产量构成要素变化

由表1可知，2004—2015年7月11日至8月10日的平均气温、最高气温和高温热害天数总体处于较高水平，平均分别为29.58 ℃、34.81 ℃和14.67 d。其中，2007年的平均气温和最高气温最高，分别为30.51 ℃和36.41 ℃；2013年次之，分别为30.44 ℃和35.65 ℃；2010年第三，分别为 29.83 ℃ 和35.27 ℃。2007年、2010年和2013年最高气温≥ 35 ℃ 的持续高温天数（高温热害天数）分别为24、14、19 d。

由表1可见，有效分蘖数、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒质量和产量因不同一季稻品种而存在较大差异。其中，近12年有效分蘖数在4个水稻品种中的表现较为稳定，汕优63、Ⅱ优838、Ⅱ优1308和Y两优1号的有效分蘖数平均分别为243.00、225.75、228.00、258.37个/m2。Ⅱ优1308的每穗总粒数和每穗实粒数最大，平均分别为173.05粒和141.65粒；Y两优1号次之，分别为157.00粒和133.75粒；Ⅱ优838第三，分别为138.43粒和115.55粒；汕优63最差，分别为134.90粒和103.75粒。结实率因不同基因型品种而异，汕优63、Ⅱ优838、Ⅱ优1308和Y两优1号的结实率平均分别为76.92%、8374%、81.89%和85.19%。不同水稻品种的千粒质量也不同，四者的千粒质量平均分别为28.70、29.75、27.80、2600 g。2008年Ⅱ优838的理论产量为85215 g/m2，而实际产量只有523.33 g/m2，2012年Y两优1号的理论产量为878.98 g/m2，而实际产量只有551.29 g/m2。除此之外，其余年份4个品种的理论产量和实际产量基本表现一致。汕优63、Ⅱ优838、Ⅱ优1308和Y两优1号的理论产量平均分别为722.32、776.09、898.24、898.51 g/m2。

从表1还可看出，有效分蘖数、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒质量和产量的表现不仅因不同基因型品种而异，且受不同年份的平均气温、最高气温及高温热害天数的影响程度也不同。经SPSS软件分析，平均气温、最高气温、高温热害频次、高温热害天数与有效分蘖数、每穗总粒数、每穗实粒数、千粒质量、理论产量和实际产量相关不显著，而平均气温、最高气温、高温热害天数与结实率相关显著，说明结实率可作为一季稻花期高温热害鉴定的一个有效指标。

2.6 结实率与平均气温、最高气温和高温热害天数的关系

为进一步明确结实率与平均气温、最高气温和高温热害天数之间的关系，对其关系分别进行回归分析。图6-A显示，当平均气温在29～30.6 ℃之间，结实率呈下降趋势，其关系可用一元二次方程y=2.72x2-167.81x+2 663.30较好地表示，R2为0.376，达5%显著水平。由图6-B可知，当日最高气温在34～36.4 ℃之间，结实率呈下降趋势，其关系可用一元二次方程y=1.38x2-101.29x+1 936.60较好地表示，R2为0.552，达1%显著水平。图6-C显示，当高温热害总天数在10～25 d之间，结实率呈下降趋势，其关系可用一元线性方程y =-0.80x+94.55较好地表示，R2为0.520，达1%显著水平。试验结果表明，结实率不仅与7月中旬至8月上旬的日平均气温和最高气温相关明显，还与高温热害总天数负相关显著。平均气温和最高气温越大，高温热害天数越多，结实率越低。

3 结论与讨论

3.1 结论

近35年（1980—2015年）来日平均气温和最高气温距平具有一定的规律性变化，其中1981—1992年高低温年交替出现，1993—2002年低温年居多，而2003—2015年高温年居多。近35年（除1997年）来每年均有高温热害发生，平均394次。2003年以后高温热害的发生次数和高温持续天数呈增加趋势。7月中旬至8月上旬的日平均气温、最高气温和高温热害天数与结实率相关明显，结实率可作为一季稻花期高温热害鉴定的一个有效指标。

3.2 讨论

每年7月中旬至8月上旬是我国水稻高温热害发生的严重时期。研究表明，20世纪90年代以来长江中下游地區水稻高温热害的发生次数呈不断增加趋势， 且高温热害多集中

于7月中下旬和8月上旬[14-15，18]。本研究也发现，除了1997年，近35年（1980—2015年）来每年7月中下旬至8月上旬均有高温热害发生，且2003年后高温热害的发生次数和持续天数增加趋势明显。谢晓金等对南京市农业气象观测站1951—2005年的气温资料进行分析，发现近55年来，长江流域7—8月平均气温和最高气温距平具有一定的规律性变化，70年代之前与90年代之后高温年居多，70年代至90年代间低温年居多[12]。而在本研究中，江西省近35年（2003—2015年）中，1981—1992年高低温年交替出现，1993—2002年低温年居多，而2003—2015年高温年居多。二者研究结果略有不同，可能是由于研究地域及时间尺度不同而造成的。

气温是影响水稻生产的重要气象条件。孕穗抽穗至开花结实期是水稻对温度的敏感时期，在这期间如遇连续3 d以上平均气温≥ 30 ℃或最高气温≥ 35 ℃的高温天气，易造成水稻颖花败育、空壳率增加、结实率及产量降低[7，23-24]。赵海燕等发现，长江中下游地区高温热害主要影响一季稻，对早稻的影响较小；一季稻空壳率随开花期平均最高气温的升高而增大[25]。江敏等研究指出，高温导致的颖花败育和结实率降低是水稻减产的重要原因[26]。本研究结果显示，一季稻结实率与7月中下旬和8月上旬的日平均气温和最高气温均显著相关，平均气温和最高气温越大，结实率越低。石春林等对减数分裂期水稻进行高温（31、33、35、37、39、41 ℃）及历期（1、3、5 d）处理，发现33 ℃以下的温度对结实率无明显影响，此后随温度及持续天数的增加结实率逐步降低，高温下日相对颖花结实率与温度的关系可用二次方程描述，但对高温持续天数与结实率的关系未作进一步分析[27]。Jagadish等研究表明，水稻小穗育性随高温处理时间（1、2、4、6 h）的延长而呈线性降低趋势[28]。本研究发现，一季稻结实率随7月中旬至8月上旬间的高温热害总天数的增加呈线性下降趋势，极显著相关，因此结实率可作为一季稻花期高温热害鉴定的一个有效指标。endprint

本研究中结实率与日平均气温、最高气温和高温热害总天数间均存在显著的相关，而产量与三者间相关不明显。究其原因，产量主要由水稻有效分蘖数、穗粒数、结实率和千粒质量决定的，而本研究中的气温资料取自7月中旬至8月上旬，此时期一季稻正处抽穗开花期，气温的高低直接影响结实率的高低。本研究发现2003年后高温热害的发生次数和持续天数增加趋势明显，且因江西省一季稻的区域试验资料从2004年才开始记录，为更接近实际，本研究仅以2004—2015年一季稻的产量构成和同期气温资料的真实数据进行相关分析，以期为全球变暖环境下水稻高温热害防御和气象为农服务提供科学依据。

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