2009 水稻高温热害风险评估方法研究
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(1. 河南省气象科学研究所 ,郑州 450003; 2. 中国气象局大气探测技术中心 ,北京 100081)
摘 要 : 以衡阳地区的水稻生长为研究对象 ,对 ORYZA2000水稻模型的相应参数进行了本地化 ,模拟了该地 区常年气候条件 、设定高温条件及各年高温条件下的一季稻产量 ,并计算了各年实况及设定条件下的产量灾损率 , 在此基础上建立了两种水稻产量灾损率评估模型 。研究发现 : 46 a来衡阳地区水稻开花灌浆期平均日最高气温为 34. 98 ℃,高于水稻生产的最适温度 5 ℃以上 ;相对常年产量 ,由高温热害导致的产量灾损率最高为 67. 2% ,历年 灾损中 2003年的灾损率接近最高值 ,达 67. 0% ;高温造成的产量灾损率受高温程度及持续时间的共同影响 ,二者 缺一不可 ;根据多元回归建立的灾损率评估模型 , F计算值 >> F查表值 ,方程有意义 。其趋势预测完全一致 ,灾损率精确 度 > 72% ;根据高温指标建立的灾损率评估模型通过了 46 a的大样本检验 ,在高温热害风险评估方面具有一定的 实际应用价值 。
灌浆期 (时间约 10～15 d) , DVS (水稻发育期进程参 数 , DVS = 0. 33附近移栽 , DVS = 1 附近灌浆 , DVS = 2附近成熟 )介于 0. 96 ～1. 22。此期间日最高气温 大于最适温度且 < 34 ℃时 ,水稻结实率在 90%以
上 ;当日最高气温 > 34 ℃且 < 35 ℃时 ,水稻结实率 在 80% ～90% ;当日最高气温 > 35 ℃时 ,结实率迅
26. 9 °N ,海拔 104. 9 m ,属于亚热带季风湿润气候
区 。因此该站在利用经验公式
Q =Q0 ( a + b·S )
(1)
计算逐日辐射量 (MJ·m - 2 ·d - 1 )时 , a、b经验系数
可分别取 0. 2、0. 47[ 15 ] 。式中 , Q 为逐日太阳总辐
射 , Q0 是天文辐射日总量 , S 是日照百分率 。
j
j天的气象数据值 ,
i、j分别代
表年和日 , W ( i, j) 表示第 i年 、第 j天的气象数据值 。
NW
可以分别表示日照时数
j
、最低气温
、最高气温
、水
汽压等 。由于逐日气象资料对极端气象数据进行了
平滑处理 ,因此每年该日的气象数据在此标准值附 近波动 ,一般呈正态分布 。用平均气象资料模拟常 年平均产量 ,作为灾损计算的参照标准 。
第 1期
刘伟昌等 :水稻高温热害风险评估方法研究
35
图 2 高温与结实率的响应关系
每年的第 204 - 第 214天 (约 7月 24日至 8月 5日 ) 之间 。由于常年全生育期约 135 天 ,因此成熟期处 于第 240天 。以第 209天 (日期约为 7月 29日 )作 为中心点 ,分别向前后各推进一天 ,改变此 3日内最 高气温数值 , 运行程序记录第 240 天的水稻产量 (w rr14, 14表示稻谷允许含 14%的水分 ) ;向前后各 推进 2天 ,改变 5天内最高气温数值 ,运行程序记录 第 240天的水稻产量 ; 向后推进 3 天 、向前推进 4 天 ,变动 8天内日最高气温数值 ,运行程序记录第 240天的水稻产量 。根据衡阳实际高温发生情况及 图 1,确定高温变动范围为 35～41 ℃。用不同温度 及持续时间模拟的产量与常年产量对比 ,计算水稻 减产率 ,结果见表 1。
2. 1 常年平均产量
本文用 45 a逐日气象资料平均值来代表常年
值 ,即将 1961 - 2005年的逐日气象资料累加求平均 :
n
∑ 1
NW j
=
W ( i, j) n i=1
( n = 45; i = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, 365 or,
NW
表示常年第
第 32卷 第 1期 2009年 2月
气象与环境科学 M eteorological and Environmental Sciences
Vol. 32 No. 1 Feb. 2009
水稻高温热害风险评估方法研究
刘伟昌 1 , 张雪芬 2 , 余卫东 1 , 薛昌颖 1 , 张 弘 1 , 杜子璇 1
30 ℃。当遇到 35 ℃以上的高温时 ,水稻不能完成 受精过程 ,易于形成空壳 ,且水稻秕粒和空粒率随高 温强度及其持续时间延长而增加 。
本文 采 用 国 内 外 研 究 较 多 、使 用 较 成 熟 的 ORYZA 水稻模型 ,对高温热害发生程度 、频率均较 高的湖南衡阳地区的一季稻进行分析研究 ,探讨对 产量影响最大的开花灌浆期高温对水稻结实率的风 险评估方法 。
速下降 ,至 36 ～37 ℃时 ,结实率下降至 50%左右 , > 38 ℃时结实率 < 20% (见图 2) [ 16 ] 。
2. 3 灾损率的范围 在计算衡阳地区常年平均产量时 ,根据该地区
一季稻发育进程 ,确定平均育秧期为 4月 15日 ,移 栽期 5月 20日 ,则 DVS 为 0. 96～1. 22的时间段处于
关键词 : 水稻 ;高温热害 ;产量灾损模型 ; ORYZA2000 中图分类号 : S511; S428 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 7148 (2009) 01 - 0033 - 06
引 言
目前 ,国际上对“风险 ”一词仍然没有一个统一 的严格定义 ,但各种定义的核心内容基本一致 。美 国学者 Haynes认为“风险意味着损害的可能性 ”。 有些专家则认为“风险是一定条件下 ,一定时期内 , 预期结果与实际结果的差异 ,差异越小则风险越小 , 差异越大则风险越大 ”。按韦伯字典的说法 ,风险 是“面临着伤害或损失的可能性 ”。水稻高温热害 风险是在一定时段内致灾因子的出现对承灾体造成 伤害 、破坏或损失的可能性 。在水稻的整个生长发 育过程中 ,从发育的角度来讲 ,开花期对高温最敏 感 ,灌浆期次之 ,营养生长期最小 ;从产量构成性状 来讲 ,结实率对高温最敏感 ,每穗粒数次之 ,千粒重 第三 ,株穗数最小 [ 1 ] 。抽穗开花期是水稻生殖生长 最敏感的时期 ,温度等环境因素可能通过影响花粉 育性 、花粉管萌发 、柱头活性等而直接导致花粉败育 和子房受精受阻 ,结实率下降 [ 2 ] 。如现已探明导致 水稻高温不结实的关键期是开花前 1 d及其随后的 5 d[ 3 - 6 ] 。水稻抽 穗开 花 时 最 适 宜 的 温 度 为 25 ～
1 资料及技术方法
1. 1 资料来源 1961 - 2005年的逐日气象资料 、1994 - 2004年
水稻生育期内分器官干物重 、1981 - 2007年水稻发 育期进程 、历史产量资料等来自于中国气象科学研 究院及湖南省气象局 。 1. 2 技术方法 1. 2. 1 技术路线
技术路线见图 1。 1. 2. 2 ORYZA 系列水稻模型介绍
OR YZA 2000 模型运 行 所 需 要 的 气 象 要 素 包 括
日照时数 ( h) , 逐日 最高 、最 低气 温 ( ℃) , 水汽 压
( hPa) ,日平均风速 (m. s- 1 )及降水量 (mm ) 。站点
属性数据包括经纬度 、海拔高度及辐射量系数 。该
站位于长江中下游湖南境内 ,地理坐标为 112. 6 °E、
2. 2 高温与结实率
ORYZA2000可反映水稻生长时高温的敏感性 , 尤其 是 开 花 期 。在 水 稻 开 花 期 气 温 ≥ 35 ℃时
( satake and Yoshida 1978, M atsui and Horie 1992 ) ,
水稻结实率迅速下降 。在 ORYZA2000 中 , 开花至
ORYZA 系列水稻模型是由国际水稻研究所与
收稿日期 : 2008 - 12 - 20;修订日期 : 2009 - 01 - 06 基金项目 :科技部十一五科技支撑项目 (2006BAD04B09)资助 作者简介 :刘伟昌 (1979 - ) ,男 ,河南沈丘人 ,工程师 ,主要从事农业气象应用技术研究. E2mail: kys0007@163. com
34
气象与环境科学
第 32卷
荷兰瓦赫宁根大学联合研制的 。从 20世纪 90年代 中期至今 , ORYZA 系列模型已有诸多版本 ,包括最 初的潜在生产水平下的 ORYZA1[ 7 ] ,以及水分限制 条件下的 ORYZA _W [ 8 ] ,氮素限制水平下的 ORYZA _N[ 9 ] 和 ORYZA1N[ 10 ] 。 2001 年 , 国际 水稻 研 究 所 Boum an等人将之前各版本的模型 装 配在 一起 并 进 行完善 , 形成了 ORYZA 系列模型的最新版本 , 称 ORYZA2000。验证和应用结果表明 ,该模型在模拟 水稻的 生 长 发 育 和 叶 面 积 等 方 面 具 有 较 高 的 准 确性 [ 11 - 13 ] 。
表 1 减产率随高温强度及持续时间的变化
%
持续时间 / d 35 ℃ 36 ℃ 37 ℃ 38 ℃ 39 ℃ 40 ℃ 41 ℃
3 0 0. 2 0. 4 0. 6 5. 7 14. 6 23. 6
5 0 0. 3 0. 7 15. 1 30. 2 38. 5 51. 2
8 0 0. 5 17. 6 35. 4 55. 5 67. 2 65. 1
注 :当 DVS 为 0. 96～1. 22、高温为 41 ℃时 ,产量减 66. 73%。
由表 1可知 , > 35 ℃的高温连续持续 3 d,产量 最多减产 23. 6% ;持续 5 d最多减产 51. 2% ; 持续 8 d以上最多减产 67. 2%。减产率只有最大值而无 最小值 ,这是因为该时段内衡阳地区最高气温常年 值接近 35 ℃,由常年气象资料模拟出的产量 ,实际 是已经遭受高温热害的产量 。同时还发现 ,即使连 续遭受 41 ℃高温 ,但如果持续时间仅为 3 d,产量最 多损失 23. 6%。如果最高气温为 35 ℃,即使持续 8 d以上 ,由于作为参照的常年模拟产量是在接近 35 ℃条件下得到的 ,故灾损很小 。
摘 要 : 以衡阳地区的水稻生长为研究对象 ,对 ORYZA2000水稻模型的相应参数进行了本地化 ,模拟了该地 区常年气候条件 、设定高温条件及各年高温条件下的一季稻产量 ,并计算了各年实况及设定条件下的产量灾损率 , 在此基础上建立了两种水稻产量灾损率评估模型 。研究发现 : 46 a来衡阳地区水稻开花灌浆期平均日最高气温为 34. 98 ℃,高于水稻生产的最适温度 5 ℃以上 ;相对常年产量 ,由高温热害导致的产量灾损率最高为 67. 2% ,历年 灾损中 2003年的灾损率接近最高值 ,达 67. 0% ;高温造成的产量灾损率受高温程度及持续时间的共同影响 ,二者 缺一不可 ;根据多元回归建立的灾损率评估模型 , F计算值 >> F查表值 ,方程有意义 。其趋势预测完全一致 ,灾损率精确 度 > 72% ;根据高温指标建立的灾损率评估模型通过了 46 a的大样本检验 ,在高温热害风险评估方面具有一定的 实际应用价值 。
灌浆期 (时间约 10～15 d) , DVS (水稻发育期进程参 数 , DVS = 0. 33附近移栽 , DVS = 1 附近灌浆 , DVS = 2附近成熟 )介于 0. 96 ～1. 22。此期间日最高气温 大于最适温度且 < 34 ℃时 ,水稻结实率在 90%以
上 ;当日最高气温 > 34 ℃且 < 35 ℃时 ,水稻结实率 在 80% ～90% ;当日最高气温 > 35 ℃时 ,结实率迅
26. 9 °N ,海拔 104. 9 m ,属于亚热带季风湿润气候
区 。因此该站在利用经验公式
Q =Q0 ( a + b·S )
(1)
计算逐日辐射量 (MJ·m - 2 ·d - 1 )时 , a、b经验系数
可分别取 0. 2、0. 47[ 15 ] 。式中 , Q 为逐日太阳总辐
射 , Q0 是天文辐射日总量 , S 是日照百分率 。
j
j天的气象数据值 ,
i、j分别代
表年和日 , W ( i, j) 表示第 i年 、第 j天的气象数据值 。
NW
可以分别表示日照时数
j
、最低气温
、最高气温
、水
汽压等 。由于逐日气象资料对极端气象数据进行了
平滑处理 ,因此每年该日的气象数据在此标准值附 近波动 ,一般呈正态分布 。用平均气象资料模拟常 年平均产量 ,作为灾损计算的参照标准 。
第 1期
刘伟昌等 :水稻高温热害风险评估方法研究
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图 2 高温与结实率的响应关系
每年的第 204 - 第 214天 (约 7月 24日至 8月 5日 ) 之间 。由于常年全生育期约 135 天 ,因此成熟期处 于第 240天 。以第 209天 (日期约为 7月 29日 )作 为中心点 ,分别向前后各推进一天 ,改变此 3日内最 高气温数值 , 运行程序记录第 240 天的水稻产量 (w rr14, 14表示稻谷允许含 14%的水分 ) ;向前后各 推进 2天 ,改变 5天内最高气温数值 ,运行程序记录 第 240天的水稻产量 ; 向后推进 3 天 、向前推进 4 天 ,变动 8天内日最高气温数值 ,运行程序记录第 240天的水稻产量 。根据衡阳实际高温发生情况及 图 1,确定高温变动范围为 35～41 ℃。用不同温度 及持续时间模拟的产量与常年产量对比 ,计算水稻 减产率 ,结果见表 1。
2. 1 常年平均产量
本文用 45 a逐日气象资料平均值来代表常年
值 ,即将 1961 - 2005年的逐日气象资料累加求平均 :
n
∑ 1
NW j
=
W ( i, j) n i=1
( n = 45; i = 1, 2, …, n; j = 1, 2, …, 365 or,
NW
表示常年第
第 32卷 第 1期 2009年 2月
气象与环境科学 M eteorological and Environmental Sciences
Vol. 32 No. 1 Feb. 2009
水稻高温热害风险评估方法研究
刘伟昌 1 , 张雪芬 2 , 余卫东 1 , 薛昌颖 1 , 张 弘 1 , 杜子璇 1
30 ℃。当遇到 35 ℃以上的高温时 ,水稻不能完成 受精过程 ,易于形成空壳 ,且水稻秕粒和空粒率随高 温强度及其持续时间延长而增加 。
本文 采 用 国 内 外 研 究 较 多 、使 用 较 成 熟 的 ORYZA 水稻模型 ,对高温热害发生程度 、频率均较 高的湖南衡阳地区的一季稻进行分析研究 ,探讨对 产量影响最大的开花灌浆期高温对水稻结实率的风 险评估方法 。
速下降 ,至 36 ～37 ℃时 ,结实率下降至 50%左右 , > 38 ℃时结实率 < 20% (见图 2) [ 16 ] 。
2. 3 灾损率的范围 在计算衡阳地区常年平均产量时 ,根据该地区
一季稻发育进程 ,确定平均育秧期为 4月 15日 ,移 栽期 5月 20日 ,则 DVS 为 0. 96～1. 22的时间段处于
关键词 : 水稻 ;高温热害 ;产量灾损模型 ; ORYZA2000 中图分类号 : S511; S428 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 7148 (2009) 01 - 0033 - 06
引 言
目前 ,国际上对“风险 ”一词仍然没有一个统一 的严格定义 ,但各种定义的核心内容基本一致 。美 国学者 Haynes认为“风险意味着损害的可能性 ”。 有些专家则认为“风险是一定条件下 ,一定时期内 , 预期结果与实际结果的差异 ,差异越小则风险越小 , 差异越大则风险越大 ”。按韦伯字典的说法 ,风险 是“面临着伤害或损失的可能性 ”。水稻高温热害 风险是在一定时段内致灾因子的出现对承灾体造成 伤害 、破坏或损失的可能性 。在水稻的整个生长发 育过程中 ,从发育的角度来讲 ,开花期对高温最敏 感 ,灌浆期次之 ,营养生长期最小 ;从产量构成性状 来讲 ,结实率对高温最敏感 ,每穗粒数次之 ,千粒重 第三 ,株穗数最小 [ 1 ] 。抽穗开花期是水稻生殖生长 最敏感的时期 ,温度等环境因素可能通过影响花粉 育性 、花粉管萌发 、柱头活性等而直接导致花粉败育 和子房受精受阻 ,结实率下降 [ 2 ] 。如现已探明导致 水稻高温不结实的关键期是开花前 1 d及其随后的 5 d[ 3 - 6 ] 。水稻抽 穗开 花 时 最 适 宜 的 温 度 为 25 ～
1 资料及技术方法
1. 1 资料来源 1961 - 2005年的逐日气象资料 、1994 - 2004年
水稻生育期内分器官干物重 、1981 - 2007年水稻发 育期进程 、历史产量资料等来自于中国气象科学研 究院及湖南省气象局 。 1. 2 技术方法 1. 2. 1 技术路线
技术路线见图 1。 1. 2. 2 ORYZA 系列水稻模型介绍
OR YZA 2000 模型运 行 所 需 要 的 气 象 要 素 包 括
日照时数 ( h) , 逐日 最高 、最 低气 温 ( ℃) , 水汽 压
( hPa) ,日平均风速 (m. s- 1 )及降水量 (mm ) 。站点
属性数据包括经纬度 、海拔高度及辐射量系数 。该
站位于长江中下游湖南境内 ,地理坐标为 112. 6 °E、
2. 2 高温与结实率
ORYZA2000可反映水稻生长时高温的敏感性 , 尤其 是 开 花 期 。在 水 稻 开 花 期 气 温 ≥ 35 ℃时
( satake and Yoshida 1978, M atsui and Horie 1992 ) ,
水稻结实率迅速下降 。在 ORYZA2000 中 , 开花至
ORYZA 系列水稻模型是由国际水稻研究所与
收稿日期 : 2008 - 12 - 20;修订日期 : 2009 - 01 - 06 基金项目 :科技部十一五科技支撑项目 (2006BAD04B09)资助 作者简介 :刘伟昌 (1979 - ) ,男 ,河南沈丘人 ,工程师 ,主要从事农业气象应用技术研究. E2mail: kys0007@163. com
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气象与环境科学
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荷兰瓦赫宁根大学联合研制的 。从 20世纪 90年代 中期至今 , ORYZA 系列模型已有诸多版本 ,包括最 初的潜在生产水平下的 ORYZA1[ 7 ] ,以及水分限制 条件下的 ORYZA _W [ 8 ] ,氮素限制水平下的 ORYZA _N[ 9 ] 和 ORYZA1N[ 10 ] 。 2001 年 , 国际 水稻 研 究 所 Boum an等人将之前各版本的模型 装 配在 一起 并 进 行完善 , 形成了 ORYZA 系列模型的最新版本 , 称 ORYZA2000。验证和应用结果表明 ,该模型在模拟 水稻的 生 长 发 育 和 叶 面 积 等 方 面 具 有 较 高 的 准 确性 [ 11 - 13 ] 。
表 1 减产率随高温强度及持续时间的变化
%
持续时间 / d 35 ℃ 36 ℃ 37 ℃ 38 ℃ 39 ℃ 40 ℃ 41 ℃
3 0 0. 2 0. 4 0. 6 5. 7 14. 6 23. 6
5 0 0. 3 0. 7 15. 1 30. 2 38. 5 51. 2
8 0 0. 5 17. 6 35. 4 55. 5 67. 2 65. 1
注 :当 DVS 为 0. 96～1. 22、高温为 41 ℃时 ,产量减 66. 73%。
由表 1可知 , > 35 ℃的高温连续持续 3 d,产量 最多减产 23. 6% ;持续 5 d最多减产 51. 2% ; 持续 8 d以上最多减产 67. 2%。减产率只有最大值而无 最小值 ,这是因为该时段内衡阳地区最高气温常年 值接近 35 ℃,由常年气象资料模拟出的产量 ,实际 是已经遭受高温热害的产量 。同时还发现 ,即使连 续遭受 41 ℃高温 ,但如果持续时间仅为 3 d,产量最 多损失 23. 6%。如果最高气温为 35 ℃,即使持续 8 d以上 ,由于作为参照的常年模拟产量是在接近 35 ℃条件下得到的 ,故灾损很小 。
