【研究意义】广西西江流域所在的华南稻区是我国水稻种植的重要地域，2016年该区域早稻播种面积和产量分别占全国的15.7%、16.2%，晚稻播种面积和产量分别占全国的15.1%、13.9%［1］。但由于该地区高温多雨，尤其是广西南部地区夏季炎热高温，对水稻后期的生长发育产生影响，威胁粮食产量，更给整个华南地区的粮食安全带来风险［2-3］。近年来，由于城市化占用耕地以及更换种植作物等因素影响［2］，广西南部地区的水稻种植面积呈逐年下降趋势［1］。此外，全球气候变暖，极端高温事件不断增加［4］，水稻产量与种植面积均受到巨大影响，粮食产量面临严峻威胁。高温热害已成为制约广西南部地区水稻产量最重要的气象灾害之一［5］，因此，如何最大程度地规避高温、保证粮食产量稳定是广西南部地区农业种植亟待解决的关键问题之一。【前人研究进展】以往研究多集中于单个致灾因子（如温度）对水稻产量的影响［6-16］，注重分析在高温胁迫下各耐热性不同的水稻各生长期的生长状况［7-8］，研究水稻高温热害的发生机理［9-10］，以及高温的强度与持续时间对水稻灌浆期水稻结实率的影响［11-12］等。从研究领域看，前人研究多集中于江淮流域等，对西江流域尤其是广西南部地区的高温热害对水稻灾损的影响分析较少。【本研究切入点】借鉴前人在江淮流域构建的高温热害综合指数方法，考虑到资料的可获取性，选取广西南部地区典型的6个县（市）为研究区域，通过验证与修正该指数在研究内的有效性，分析研究区域内双季稻的高温热害灾损的时空分布状况，为稳定双季稻产量提供科学参考。【拟解决的关键问题】通过广西南部地区6个县（市）的早稻及晚稻所受高温热害情况的时空分布特征，结合研究区域高温气候事件的持续时间、频率的变化规律，重点解决高温影响下的水稻热害灾损的响应问题；借鉴华南稻区其余种植双季稻区域规避高温热害的成功经验，结合研究结果有针对性地对广西南部地区双季稻种植提出合理化建议，以规避该自然灾害带来的产量变化以及不必要的损失，获得收益最大化，保证研究区域内的双季稻的产量，确保粮食安全。
1 材料与方法
1.1 试验材料
由于数据资料的有限性，选取北流市、灵山县、钟山县、桂平市、武鸣县和上思县作为典型区域进行研究。广西南部地区的水稻种植主要以双季稻为主，早稻生育关键期为5月中下旬至6月下旬，晚稻则为8月中上旬至10月下旬，易受高温热害的影响。1980—2011年广西南部地区6县（市）历年早稻、晚稻产量和播种面积数据来自种植业管理司，广西南部地区地面气象观测站1980—2011年逐日平均气温、最高气温数据来自中国气象局国家气候中心。气象灾害统计资料则来自于《中国气象灾害大典（广西卷）》。
1.2 试验方法
1.2.1 水稻高温热害综合指数 水稻抽穗开花期的适宜温度为24～29℃，若超过此范围，则胁迫温度越高，结实率越低，呈S型曲线非线性分布［13］。故在最高气温持续天数和危害热积温两个因子的基础上，利用Logistics方程构建水稻高温热害综合指数来描述水稻受高温影响的结果，具体计算公式如下［14-15］：
式中，Hi为指危害热积温，是第i次高温过程日中，最高温度超过35℃部分之和；di为第i次高温天数；n为高温过程总次数；α、β、γ、λ为Logistic曲线方程系数［15］。
广西南部地区所属的华南稻区位于长江以南，借鉴前人的研究成果［5-6］，本研究将水稻高温热害等级作以下划分，见表1。
表1 水稻高温热害等级
Table 1 Grades of high temperature damage to rice
类型Type危害热积温Harmful heat accumulated temperature（℃）持续日数Lasting days（d）高温热害综合指数Comprehensive high temperature damage indexα β γ λ轻度Mild 0.3≤Ha＜15.3 3≤ D＜6 0＜index≤0.1中度Moderate 15.3≤ Ha＜30.3 6≤ D＜9 0.1≤index＜0.6重度Severe 30.3≤Ha 9≤D 0.6＜index 54.779 0.176 724.151 0.878
1.2.2 水稻减产率 参考谢志清等［15］的相关研究成果，水稻减产率计算方法如下：
式中，Yd为减产率，Y为实际产量，Yt为趋势产量，是当年前5年的平均产量［15］。以减产率大于3%的年份［16］作为受高温热害影响的年份，以排除降水、人为影响等非高温因素造成水稻产量减少的年份。
1.2.3 时间序列趋势以及突变点分析 基于Chow检验的最优两分段建模算法［17］，将时间序列以线性形式表示为相邻的两段线段簇，以表达结构在预先给定的时点是否发生变化，分界点为检验是否已发生结构变化的检验时点。计算公式：
式中，Y为时间序列，n为时间序列的长度，k1，k2，...，kn为时间序列的转折点，m为线段的长度，a11，a21，...，am1为一段时间内线段的斜率及增长率［17］。
2 高温热害综合指数有效性检验及双季稻高温热害灾损时空分布
2.1 广西6县（市）高温特征
从表2可以看出，1980—2011年，广西南部地区的高温（≥35℃）时段主要集中在6—9月，以北流市、灵山县、钟山县、桂平市、武鸣县和上思县为例，高温多发生于7—8月，且广西中部地区（如武鸣县、桂平市、钟山县等）高温天数较多，南部及沿海地区（如灵山县、北流市、上思县）较少。
表2 广西南部地区6县（市）6—9月平均高温日数
Table 2 Monthly mean high temperature days from June to September in southwest Guangxi
9月Sep.钟山县Zhongshan County 2 7 9 9武鸣县Wuming County 4 9 10 4桂平市Guiping City 3 8 9 2灵山县Lingshan County 1 4 4 1北流市Beiliu City 2 7 6 2上思县Shangsi County 5 7 5 2县（市）County（City）6月Jun.7月Jul.8月Aug.
2.2 水稻高温热害综合指数有效性检验
华南稻区的早稻生育关键期为5月15日—6月30日，晚稻则为8月16日—10月30日。利用Pearson检验法，分析1980—2011年早、晚稻在生育关键期的高温热害综合指数及其与减产率的相关性的空间分布，结合农业历史灾情统计资料，检验高温热害综合指数反映广西南部地区6县（市）双季稻受高温热害影响的能力。
结果表明，无论是早稻还是晚稻，广西南部地区的高温热害综合指数及其与减产率呈负相关关系，其中，上思县的早稻相关系数小于-0.5（通过α=0.05的显著性检验）。负相关显著的区域与减产率较高的区域基本对应（图1）。以1985年为例，水稻总受灾面积达87.63万hm2，研究范围内的6个县（市）内，早稻的减产率与高温热害综合指数的相关系数为-0.512，晚稻的值为-0.524，但未通过显著性检验。因此，该指数可以很好反映广西区内双季稻生育关键期受高温热害影响产生的灾损情况及其时空分布规律。
6个县（市）中，上思县的相关系数较小，且负相关性显著。广西地区南北东西跨度大，地貌地形状况复杂，气候水平方向上有所差异。上思县气候温暖，热量充足，光照资源丰富，且双季稻生育关键期长，易受到高温的影响，引起产量的增减变化。而桂平市和灵山县等中部地区，热量和光照资源则比较充足，受高温胁迫少，其热量资源能够满足生长发育需要。
图1 1980—2011年早稻减产率平均值（A）、晚稻减产率平均值（B）、 早稻减产率与高温热害综合指数相关系数空间分布（C）、晚稻减产率与高温热害综合指数的相关系数空间分布（D）
Fig.1 The average of reduction rate of early rice（A）, the average of reduction rate of late rice（B）,spatial distribution of correlation coefficient between reduction rate and high temperature damage index of early rice（C）, spatial distribution of correlation coefficient between reduction rate and high temperature damage index of late season rice（D）during 1980—2011
2.3 1980—2011年双季稻高温热害灾损时空分布
从图1A、图1B及表3可以看出，6个县（市）中，上思县的早稻减产率大于10%，而晚稻减产率大于20%，是双季稻受到高温热害影响的关键地区。钟山县的早稻减产率大于16%，晚稻减产率大于10%，其他各县的双季稻减产率也在10%左右。1980—2011年上思县所有年份的减产率中，共有32次大于3%。其中，早稻种植中，20世纪80年代有4次，平均减产率为7%，20世纪90年代减产率没有高于3%，21世纪初有11次，平均减产率22.4%；在晚稻种植中，20世纪80年代有6次，平均减产率为17.6%，20世纪90年代有1次，平均减产率为3.6%，21世纪初有8次，平均减产率为22.1%。可见21世纪初是双季稻高温热害多发时期。
利用基于Chow检验的最优两分段建模算法，检验双季稻高温热害综合指数的线性变化趋势和突变点特征。结果表明，早稻的高温热害综合指数在1988年发生突变转折（通过了α=0.05的显著性检验），1980—1988年的高温热害综合指数波动上升，1989年突降至0.012，而1989—2011年数值缓慢上升，线性趋势不显著，呈现以年代际波动上升为主（图2A点虚线）。21世纪初的高温热害综合指数最高，平均达到0.019。20世纪80年代的高温热害综合指数最低，平均为0.012。晚稻的高温热害综合指数则在1980—1989年缓慢波动上升，1990年突增至1.87，但并未通过显著性检验。除了1992年达0.7、1998年达0.5、2000年达0.2、2009年达0.5外，其余年份都在0.002上下浮动，线性变化趋势不显著（图2B实线）。
表3 1980—2011广西6县（市）双季稻减产率（%）
Table 3 Reduction rate of double cropping rice in six counties(cities) of Guangxi during 1980—2011
县（市）County（City） 早稻Early Rice 晚稻Late Rice钟山县Zhongshan County 16.20 11.83武鸣县Wuming County 8.16 10.26桂平市Guiping City 13.72 14.12灵山县Lingshan County 9.32 14.66北流市Beiliu City 9.14 12.72上思县Shangsi County 18.02 22.80
图2 1980—2011年水稻高温热害综合指数变化趋势（A为早稻，B为晚稻）
Fig.2 The trend of changes of comprehensive high temperature damage index during 1980—2011 (A: early rice, B: late rice)
线段虚线表示实际高温热害综合指数，实线为5年滑动平均后的高温热害综合指数，点虚线为线性趋势
Segment line ,solid line and dashed line represent the real heat injury index , five-year average and linear trend respectively
除高温影响外，其余因素也可对水稻的产量造成影响。如上思县位于广西地区西南部，夏季主要受热带和副热带海洋气团控制，加上附近山地地形影响，全年多东北风，夏季受东南气流影响，故形成炎热时间长，易发生水稻的高温热害。且上思县所属的防城港市地带性土壤类型主要是砖红壤，富含铁和铝，粘性较大，呈红色、酸性［19］。土壤酸化会影响土壤有效养分供给［20］，从而对水稻正常发育产生危害影响。
1980—2008年广西地区的双季稻种植面积约为110万hm2，整体呈逐渐下降趋势，越往后下降趋势越快。其中，在2006年之前，虽然呈缓慢下降趋势，但种植面积稳定在110万hm2左右，而2006年之后种植面积小于100万hm2。结合现有的县域水稻减产率数据进行比较，2005年之后的减产率有一定程度的增加。从空间分布来看，靠近南部的4个县（桂平市、灵山县、北流市、武鸣县）种植面积要明显大于北部。而1980—2000年，高温热害综合指数与受灾面积呈正相关，相关系数为0.3，没有通过α=0.05的显著性检验。从时间序列上看，广西近32年的高温热浪的频次和高温热浪强度均呈现上升趋势，虽然广西发生高温热浪的次数较少，但是高温热浪强度差距却很大。因此，广西南部地区的高温热浪具有频次低但强度大的特点。研究结果表明，广西南部地区遭受高温热害时，容易造成水稻较大面积受害的风险。
3 双季稻高温热害应对策略
3.1 调整播种期规避高温时段
统计资料显示，1980—2011年广西区上思县等6个县（市）的高温时段无明显变化，主要集中在6月24日—9月8日，高温比例大于20%。7月14日—8月30日的高温比例超过30%，最高处可达58.3%。而在9月28日后，高温比例低于10%。其中，20世纪80年代以及21世纪初偏高，20世纪90年代则偏低。尤其21世纪，在双季稻生育关键期内，高温出现比例高于30%，严重危害双季稻的正常生长。
由图3可知，1980—2011年广西南部地区高温集中时段无明显变化，为调整播种时间提供了条件。因早稻的生育关键期内高温比例未超过20%，故应集中关注晚稻播种时期的调整工作。同为华南稻区的广东省曾有推迟了晚稻播种期产量反而增加的成功案例。根据相关研究成果［18］，一期在7月23日播种的晚稻，分蘖期在8月底，拔节乳熟期则推迟到9月中上旬，刚好避开了高温高度集中时段。与6月25日播种的晚稻相比，这期晚稻的产量平均提高了18.17%。因此，广西南部地区可以借鉴广东省，在南部地区进行试验后进行全区推广，稍为推迟晚稻的播种日期，避开高温集中的时段，规避高温热害带来的灾损情况，以保证获取正常产量。还可以培育中晚熟品种，配合播种期的推后。
图3 1980—2011年广西南部地区6县（市）逐日高温发生比例
Fig.3 Proportions of daily high temperature in six counties of southwest Guangxi during 1980—2011
3.2 适当适时添加肥料或植物调节剂预防或减轻灾损
在水稻生长的不同生长期，分别人工添加或减少一定量的氮磷钾肥［21-23］，可以有效增强水稻的抗高温热害能力，增加结实率以及粒重。在已受到灾害且受害较轻的田地，在破口期前后，可追加一次穗粒肥，如30～45 kg/hm2的尿素［22］。同时，可在叶片上喷洒水杨酸、油菜素内酯、亚精胺等植物调节剂，缓解高温热害带来的产量减少情况［24］。但是，一定要在花前进行喷施，相应的化学作用才会起缓解作用，若已经遭遇高温则作用不大［25］。或者喷洒一些元素，如硅元素等，在适宜的喷洒浓度下，可以有效减缓高温带来的水稻结实率低的减产效应［26］。
4 讨论
基于Logistic模型的高温热害综合指数［15］在西江流域的广西南部地区也同样适用，可通过Logistics模型简便又有效的评估水稻高温热害的时空分布关系，为在更大范围内推广这种利用气象数据定量评价水稻所受高温热害灾损情况的方法做了铺垫。
由于农业数据及气象灾害数据获取的有限性，本研究仅为初探，且研究范围小而片面，虽不能完全代表全区或是全流域的水稻高温热害的灾损情况，但亦能为其他区域的相关研究提供参考。希望在今后研究中，在更齐全的数据资料基础下，对整个流域或区域的县域水稻高温热害灾损情况，进行更全面细致的分析研究。
5 结论
广西南部地区的双季稻高温热害各有不同。其中，上思县的双季稻减产率最大，是双季稻受到高温热害影响的关键地区。从时间序列上看，早稻受高温热害最低的时间段在20世纪90年代，强度最高的在21世纪初。且20世纪90年代以后增长缓慢，以年际波动为主。晚稻受高温热害的程度整体都不高，除了1990年数值特别高以外，基本上没有剧烈波动。广西区的高温集中时段是在6月24日—9月8日，达到了20%以上，9月8日以后高温出现比例都低于10%。高温集中出现的时间段是晚稻的生育关键期。
考虑到高温热害的集中时间变化规律，规避早稻、晚稻高温热害的方法不尽相同。早稻可以在前期使用施加肥料或者喷施植物调节剂进行规避。晚稻则可以借鉴广东省的实验结果，适当推迟播种期，在7月底左右播种，保证生育关键期在安全温度范围，或者还可以培育中晚熟品种以配合推迟播种期所带来的生长变化。
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