引言

我国北方水稻为单季粳稻，主产区在东北三省和西北宁夏灌区，内蒙古和新疆也有小范围种植。这些稻区具备生长季光照充足、雨热同季和灌浆期长等有利条件，但常年气温不高，积温不足，易发生水稻低温冷害(王颖等，2013)。水稻生长季出现持续性低温，生长发育和灌浆成熟缓慢，则发生延迟型冷害；生殖生长期出现短期强低温天气，生殖生长活动受阻，结实率下降，则发生障碍型冷害。由于水稻生长发育和产量形成对温度条件反应敏感，因此北方水稻冷害减产幅度较大，严重冷害年减产15%以上，部分县(市)产量损失过半(马树庆等，2011)。

水稻冷害指标是用温度条件界定水稻是否发生冷害及其冷害程度的量化指标。该类指标是基于水稻生长和结实对环境温度反应原理，通过试验研究和历史数据统计分析提炼出来的，是水稻气象服务最基本的科学依据。国内外在水稻低温生理和冷害指标等方面的研究已有多年历史。内导立郎(1980)、Hayase(1976)、Satake(1976)自20世纪70年代初较为系统地研究了低温对水稻幼穗分化、开花和结实的影响，初步揭示了低温影响水稻结实的原理和关键时期(孕穗期和开花期)，为水稻冷害指标研究奠定了基础。我国学者在20世纪70年代末也开始了水稻低温生理、冷害指标及其应用研究，其中，何维勋等(1979)、丁士晟(1980)、胡芬(1981)、孙玉亭等(1983)、李达模等(1986)和王书裕(1995)等老一代农业气象专家在20世纪80年代前后通过试验研究和历史产量-温度数据的统计分析，揭示了气温、积温等热量条件与水稻生长、结实和产量的关系，总结出的水稻延迟性冷害5－9月温度指标和障碍型冷害日平均气温指标至今仍被部分的采用，或作为冷害指标的基本要素。近十多年来，Tokita等(1995)、Hiroyuki等(2005)、Nakazono等(2001)、王连敏等(2004)、郭建平等(2009)、马树庆等(2000；2003)、姜丽霞等(2009)、许莹等(2014)、李霞等(2006)和张全武等(2003)分别采用人工低温控制试验和统计及模拟等方法进一步开展了水稻低温反应和冷害气象指标的研究，并建立了低温对水稻结实影响的评估模式；霍治国等(2009)、马树庆等(2013)对传统水稻冷害指标进行了改进，界定了水稻早、中、晚熟品种区域的冷害指标，编制了水稻冷害等级和损失评估气象行业标准。崔锦等(2007)分析了作物冷害形成的天气气候和环流条件，认为东北水稻冷害和夏季低温与极涡、副热带高压和下垫面有关。

尽管水稻冷害的低温生理机制、冷害指标和冷害区域格局在一定年代内具有相对稳定性，但经过年代际的时间演变后，在全球气候变化和现代农业背景下，低温对水稻生长、结实的影响参数会有明显的变化，水稻冷害指标的适用性也会相应地发生改变，因此需要每隔5~10年对水稻冷害指标的适用性进行检验，分析各类冷害指标的适用性变化和效果差异，为及时修订指标、完善指标体系和选用适宜指标提供依据，进而提升水稻生产气象服务能力和冷害防御能力。本文通过统计分析，检验北方稻区几种常用冷害指标的持续适用性，并研讨提升冷害认定准确率的途径。

1 资料与方法 1.1 研究区域概况

研究区域包括东北三省、内蒙古自治区和宁夏自治区中北部灌区，隶属于大陆性温带季风气候区，区域内无霜期和水稻主要生长季的温度等条件相近(表 1)，≥10℃活动积温2900 ℃·d左右，无霜期145 d左右，热量条件决定当地水稻为一熟制。水稻栽培均采用塑料棚育苗、机械或人工插秧、水渠灌溉，施肥和病虫害防控等管理措施也相同，各地都存在延迟型和障碍型水稻冷害。

1.2 代表点选择及资料

采用水稻种植面积比例较大、冷害较频繁、且产量序列相对较长的19个县(市)为代表(见表 5)。因水稻主产县(市)不集中，因此代表点地理分布并不均匀，吉林省和黑龙江省东部水稻主产县(市)较多，且冷害较重，水稻品种类型多样，因此选点较多；黑龙江省北部和内蒙古中西部水稻种植面积小、产量序列短，辽宁西南部无水稻冷害(马树庆等，2011；王书裕，1995)，因此这些区域没有选点；辽宁选择北部两个市代表晚熟品种区，内蒙古选择东部两个旗代表中熟和早熟区；宁夏水稻产区在中北部黄灌区，地理范围较小、各县(市)水稻生产条件相同，因此仅选择永宁一个县。采用代表地气象站的气温和统计局单产资料，其中东北三省和宁夏资料年限为1960－2010年，内蒙古水稻栽培历史较短，年限为1990－2010年。

1.3 检验方法

根据水稻实际单产(y_a)计算代表县(旗、市)水稻的趋势单产(y_b)、气象单产(y_c)和产量变率(y_d，单位：%)。y_c＝y_a－y_b，y_d＝y_c/y_b×100。根据各地水稻产量序列变化特征，用滑动平均或多项式方法计算趋势产量。北方水稻栽培采用水利灌溉，自然光照充足，因此水稻产量丰歉以及是否发生冷害主要取决于生长季温度条件。根据相关文献(郭建平等，2009)和标准(马树庆等，2013)，规定产量变率y_d≥－5%为非冷害年，－5%＞y_d≥－10%为轻度冷害，－10%>y_d≥－15%为中度冷害，y_d＜－15%为严重冷害。气象指标界定的冷害与实际对比，统计用冷害指标界定冷害发生与否的正确率(f)，f＝正确年数/总年数×100。用典型冷害年温度和产量变率数据检验用冷害等级指标界定冷害发生等级的效果。f值越大，表明冷害指标比较客观和科学，可以延续使用；反之，冷害指标不易继续使用，应废止或修订。

1.4 冷害指标

待检验指标为研究区域多年常用的几种水稻延迟型和障碍型冷害指标。这些指标多是近十多年在传统的冷害指标基础上修订或改进而成。这些冷害指标明确了水稻品种区域差异，使一套指标可适用于不同农业气候区域；明确了前期冷害和全生长季冷害的指标差异；冷害等级由一般冷害和严重冷害2级修订为轻、中、重度冷害3级。

1.4.1 延迟型冷害指标

5－9月温度指标(ΔT_5-9)即是5－9月各月平均气温之和的距平值，为水稻全生长季延迟型冷害界定指标之一，ΔT_5-9＝∑T_i－K_5-9, ∑T_i是5－9月各月平均气温之和，K_5-9是其多年平均值(取30年平均，下同)。待检验的ΔT_5-9指标见表 2。

≥10℃活动积温距平(ΔT₁₀)即是当年≥10℃活动积温与其多年平均值的差值，也是水稻全生长季延长型冷害年的界定指标。马树庆等(2011；2013)根据生长季积温与水稻成熟和产量的关系，确定当年ΔT₁₀＜－70℃·d为水稻冷害发生阈值，其冷害等级界定标准为：轻度冷害：－70℃·d＞ΔT₁₀≥－100℃·d；中度冷害：－100℃·d＞ΔT₁₀≥－120℃·d；严重冷害：ΔT₁₀＜－120℃·d。

≥10℃积温差额(Δ∑T₁₀)即水稻某生长阶段稳定≥10℃活动积温与水稻同期所需的≥10℃活动积温的差值。不同水稻品种区域两个生长时期的Δ∑T₁₀指标见表 3。其中水稻发育期为普遍期，即50%的水稻出现该发育期的日期。

1.4.2 障碍型冷害指标

水稻障碍型冷害出现在孕穗和开花两个时期，常用指标有孕穗(开花)期间日平均气温指标和日最低气温指标，并考虑低温持续时间(表 4)。受资料和冷害年样本限制，障碍型冷害指标检验仅区分水稻主栽品种区域，没有考虑冷害等级。

2 结果与分析 2.1 冷害指标界定冷害发生与否的正确率

统计水稻冷害发生与否涉及到水稻发育期。水稻发育期观测数据仅有20世纪90年代以来的，年限较短，本文根据适宜插秧期和成熟期气象指标(王书裕，1995)，规定日平均气温稳定通过13℃为插秧期，日平均气温稳定低于14℃为成熟期。水稻生长季温度的时间变化规律、水稻生长节律和近20多年的观测资料都表明，早熟品种区水稻移栽晚、成熟早，晚熟品种区移栽早、成熟晚，但两者抽穗期差异很小(表 1)。根据相关成果(郭建平等，2009)和近20年观测数据，本文确定早、中、晚熟品种区水稻普遍抽穗期分别为8月3、4和5日。代表县(市)冷害指标界定水稻冷害发生与否的正确率(f)如表 5，归纳如下：

(1) 5－9月温度指标(ΔT_5-9)界定延迟型冷害的正确率。前30年(1960－1989年，下同)各代表县(市)平均为81.2%，近21年(1990－2010年，下同)为78.3%，51年平均为79.8%，正确率较高，且年代变化较小，说明该指标起码未来5年可以延续使用。但该指标界定冷害的正确率存在区域差异，宁夏永宁、内蒙古索伦和吉林蛟河分别达到90%左右，但宝清、清原、乌兰浩特和前郭等县(市)仅为75%左右，相对较低。

(2) ≥10℃活动积温距平(ΔT₁₀)界定延迟型冷害的正确率。前30年各代表地平均为76.6%，近21年为73.5%，1960－2010年51年平均为74.4%，尽管比较稳定，但总体正确率不高，各地的正确率较5－9月温度指标低5%，且泰来、通河、宝清等地正确率不足70%，说明多数县市不宜继续使用该指标。其原因主要是气候变化导致北方地区稳定通过10℃的初日年变率加大，导致积温年变化不稳定。

(3) ≥10℃积温差额(Δ∑T₁₀)界定生长季延迟型冷害的正确率。移栽至抽穗期积温差额指标的平均正确率，前30年为72.9%，近21年为78.1%。移栽至成熟期积温差额指标平均正确率，前30年前后为74.3%，近21年为79.6%。两类指标均比较稳定，正确率较高，但地区差异较大，永宁和梅河口等县(市)也达到80%以上，但虎林、宝清等少数县(市)仅达到70%左右。移栽至成熟积温差额指标的正确率高于插秧至抽穗的，界定延迟型冷害时考虑的时期越长，涵盖的积温和生长信息越多(郭建平等，2009)。但前期冷害监测预警时效好，有利于采取防灾措施，因此这两套指标不能相互代替。该套指标近21年正确率较前30年提升近5%，未来5年可以持续使用。

(4) 孕穗期障碍型冷害界定的正确率。日均气温指标界定孕穗期冷害，前30年和近21年正确率分别为72.6%和74.8%，平均为72.7%；日最低气温指标，前30年正确率为77.9%，近21年为78.2%，平均为78.0%。两类指标都比较稳定，但地区差异也较大，索伦、宝清和通河等县(市)正确率达到80%以上，多数县(市)在75%以上，界定冷害效果较好，可以继续使用，但乌兰浩特、安图、依兰等县(旗、市)仅达到70%左右，个别县(市)在65%左右，适用效果不好，应停止使用，及时探究原因和修订。此类指标近21年界定冷害正确率较前30年略有提升，未来5年多数县(市)可以使用。日最低气温指标界定冷害的正确率各阶段都比日均气温指标高5%左右，判定冷害效果更好，因此开展孕穗期障碍型冷害监测、预警业务易首选日最低气温指标。

(5) 开花期障碍型冷害界定的正确率。日平均气温指标界定花期冷害, 前30年和近21年各代表地正确率平均值分别为69.6%和74.7%，历年平均为72.6%；日最低气温指标, 前后两段时期正确率分别为74.1%和78.6%，历年平均为75.9%。两类指标正确率的地区差异都较大，通河、泰来、梅河口等县(市)达到80%左右，界定冷害效果较好，可以继续使用，但乌兰浩特、延吉、珲春和依兰等县(市)仅为70%左右，效果不佳，应暂停使用。此类指标在近年修订时考虑到气候变化和品种情况，因此近21年正确率较前30年有明显提升，多数县(市)未来5年可继续使用，其中日最低气温界定花期冷害的正确率比日均气温的高4%，效果更好。

2.2 冷害等级指标适用效果检验

冷害等级检验的标准是，气象等级指标界定的冷害等级与实际冷害等级相同的为正确，记为1；两者相差一个级别的为半对，记为0.5；相差两个级别或相反的为错误，记为0。代表县市典型冷害年ΔT_5-9指标界定水稻冷害等级的正确率较高(表 6)，各代表地平均为77.8%。1964、1969、1972和1976年东北地区和宁夏发生大范围严重水稻冷害事件为冷害年，多数县(市)指标判定结果与实际相符；对于1995和2009年这样的区域冷害年，正确率有所下降。这表明，用修订后的ΔT_5-9指标界定水稻冷害等级是稳定可靠的，未来5年以上可以继续使用。但是，该指标应用效果的地域差异也是较明显的，珲春、蛟河等县(市)检验效果较差。

代表县(市)典型冷害年≥10℃积温距平指标(ΔT₁₀)界定水稻冷害等级的正确率较低(表 7)，各代表地平均为67.9%，远低于5－9月温度指标，且有部分县市不足60%。该指标仅对1969、1972和1976年这样特别严重的冷害年和多数无冷害年的判定是正确的，而对于其他年份的判定多是不准确的。这表明，气候变化背景下，界定冷害等级的ΔT₁₀指标使用效果明显下降，不宜继续使用，或需要修订，在今后一段时期的相关业务科研工作中，应该使用ΔT_5-9指标。

3 结论与讨论

(1) 两类水稻全生育期延迟型冷害指标适用性差异较大。1960－2010年ΔT_5-9指标判定冷害的正确率为79.8%，效果较好；ΔT₁₀指标的正确率为74.4%，应用效果较差。今后在认定全生长季水稻延迟型冷害时，应首选ΔT_5-9指标。这两类指标在界定水稻冷害等级时，正确率分别为78%和68%左右，表明随着气候变化，积温距平指标不宜继续使用，今后应采用ΔT_5-9指标。

(2) 考虑水稻发育期的延迟型冷害指标都具持续适用性。移栽—抽穗期和移栽－成熟期积温差额指标界定冷害的平均正确率都在75%以上，且近21年应用效果较1990年前有所提升，因此未来5年可以持续使用。这两个指标时效不同，因此不能相互代替。

(3) 两套障碍型冷害指标多数县市均可继续使用，但少数县(市)应停用。对于孕穗期冷害，日平均气温指标和日最低气温指标的多年平均正确率分别为76.7%和78.2%。对于开花期障碍型冷害，两者分别为72.6%和78.6%。由于指标经过修订，近21年孕穗和开花期障碍型冷害指标应用效果较1990年前略有提升。不论是孕穗期还是开花期，日最低气温指标界定冷害的正确率均比日均气温的高，且最低温度预报值容易通过数值预报获得，因此更适用于冷害预报。

选择适宜的指标是冷害监测评估准确与否的关键。此外，要提升冷害监测评估的精度，还需要注意以下问题：一是积温问题。适当考虑塑棚育苗期间低于10℃积温可以提高积温指标的实用性。二是发育期问题。积温差额指标界定水稻冷害需要发育期资料，而发育期观测容易出现误差，因此应严格执行观测规范，且应设固定观测人员。三是水稻品种变化。气候变化可能使当地水稻品种熟区发生改变，因此冷害监测应随着当地主推品种的更换采用不同的指标。四是气象产量分解。各地水稻产量时间序列差异较大，不同气象产量分解方法结果存在较大差异(刘泽良，1982；房世波，2011)，因此应根据当地产量序列特征采用合适的趋势产量处理方法。本文采用历史资料进行指标统计检验，因此发育期和品种等问题的处理难以做到十分准确和客观，而在今后水稻冷害监测评估业务中，各地在确定的地点、品种、发育期和生产管理情况下，选用适用性强的冷害指标判定水稻冷害发生与否及其发生等级，其效果必将较上述统计结果明显提升，各类冷害认定正确的概率都可到达80%以上，相关气象服务能力也将明显提升。