高温热害对水稻生长的影响及其应对措施

摘要：介绍了中国水稻（Oryza sativa L.）受高温热害的影响，对水稻受害的机理、高温热害指标及风险评估、高温预警监测等方面进行了综述。在大量研究的基础上提出从分子水平探明水稻受高温热害的根本机制，建立考虑品种、生育期、其他气象因素等的综合性高温热害指标，并提出选取合适播期、采用耐热品种、健全防范体系等观点。旨在为应对高温热害带来的危害及完善应对技术提供理论依据。

关键词：水稻；高温热害；指标；风险评估；预警监测

近百年来，由于自然气候波动和人类活动加剧导致的温室效应，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。IPCC报告指出，到2100年，由人类活动造成的温室气体排放量将继续增加，全球平均地表温度将比1990年升高1.4-5.8℃，中国与全球气候变化趋势基本一致，且大量研究表明，气候变暖将是中国未来的变化趋势。在全球变暖的同时，极端高温的发生频率也呈现升高的趋势，与1961-1990年中国的年平均气温相比，到2050年将增加（2.8±0.5）℃，未来中国的极端天气事件如夏季高温等出现频率也将增加，在未来全球大幅变暖的情况下，若不加以防范，中国主要粮食作物在未来50年高温热害的影响下，产量会出现大幅下降，这将严重威胁中国的粮食安全。近20年来受高温热害的影响，中国粮食特别是水稻将出现频繁的减产情况。据报道，气温每升高1℃，水稻产量将会下降10%，尤其在水稻结实期，温度上升1～2℃，产量将下降10%-20%。

目前在水稻高温热害指标以及水稻受害的机理研究、风险评估、影响评价等方面展开了一定的研究，但各项研究所得到的指标不尽相同，采用的评价方法有所差异，对水稻减产设定的灾损表达方式也不一，开展的试验研究也有局域性的缺陷，对于未来气候变化情景下的高温热害发生频次尚缺乏较为准确的预估，且风险评估在农业生产服务应用中的作用还略显薄弱。笔者将对水稻受害的机理、高温热害指标探析、相关的风险评估及其预警和应对技术等方面进行阐述。旨在加深水稻高温热害的研究，为降低高温热害对水稻的危害提供更多参考。

1.水稻受高温热害的机理研究

目前普遍定义水稻的高温热害是指水稻处于孕穗后期和抽穗扬花期，也就是单季稻在7月下旬至8月上旬时，遭遇连续日平均气温≥30℃、日最高气温≥35℃、同时极端最高气温38℃以上、相对湿度70%以下的高温天气，而导致水稻生长发育受阻，部分生理活性受到抑制，多方面生理生态功能都遭到损害，而最终导致减产或严重减产。

水稻处于不同生育期时，受到热害的影响也不同。主要的敏感时期有减数分裂期、开花期、灌浆期等。减数分裂期高温处理会使每穗颖花数、结实率、粒重和产量明显降低。抽穗-灌浆早期使结实率和粒重降低而导致产量下降。在穗分化期，如温度大于35℃，则花药的开裂率和花粉育性会降低，从而导致结实率降低。开花期高温引发的危害主要有5个方面，一是影响开花，这是由于浆片吸水膨胀造成；二是影响花药开裂，这是由于高温时失水过快而使花药不开裂；三是影响花粉活力，这是由于高温会大大缩短花粉寿命；四是影响花粉管伸长：五是影响受精，正是由于上述几方面综合影响而造成受精不良，降低了结实率。灌浆结实期高温会对子粒干物质累积造成障碍，使得空瘪粒增加，千粒重下降，导致产量损失，且气温过高使得灌浆速度加快，所形成的复合淀粉粒呈核状，排列疏松且颗粒间充气，引起光折射而呈白色不透明状，导致垩白米率和垩白面积增加，而垩白是影响稻米品质的最主要因素，因此稻米品质也会受到影响。

综上可知，目前研究高温对水稻影响的机理包括生长发育、产量形成等方面，这为深入研究高温对水稻生长影响奠定了一定的基础。但从分子水平着手，探究高温对水稻的影响还较少，应开展生物研究，探明水稻基因在高温下的表达调控机制，将受害基因群找出，从而揭示水稻对高温的响应及耐热机制。

2.高温热害指标

高温热害指标是研究和了解高温热害发生规律及开展高温热害监测预警、防灾减灾、影响评估等的重要工具，也是评判灾害的标准。目前较多的判别指标是温度和高温持续的时间。西山岩男等指出，温度达到30℃时，水稻出现不受精情况，且35℃可作为明显的高温障碍临界值。谭中和等认为，高温的致害指标为日平均气温超过30℃，日最高温度超过35℃。陈端生等认为水稻高温热害指标是指连续3 d以上的日最高气温达35℃：汤昌本等则指出同样的温度需5 d以上才可作为水稻抽穗至灌浆期的高温伤害指标。高素华等研究长江中下游水稻高温热害时，根据日平均气温、日最高气温、日平均相对湿度以及持续时间将热害等级划分为4个级别（表1），并据此研究高温发生的年代际变化、空间分布和变化趋势。此外，包云轩等基于水稻三基点温度，通过分析水稻的生育期资料，把江苏水稻热害的生理指标定为37℃以上，并根据持续天数分为了轻（2～3 d）、中（4～5 d）、重度（>5 d）热害。

高温热害指标的研究相对于其他农业灾害如冷害和低温干旱等较少，除了一定强度的高温会影响水稻生长发育，导致产量降低这个观点一致，学者提出的指标却不尽相同。此外，由于不同品种水稻耐高温特性不同，如籼稻较粳稻更耐高温，则在给出这二者高温热害指标时，应有约2～3℃的差别：在不同的生育期，水稻对高温的敏感性也不同，如开花期大于灌浆期大于营养生长期，则在不同时期的高温指标应根据不同的响应有所区别。

3.高温热害的风险评估

关于水稻高温热害的特征分析和风险评估主要集中在基于作物受灾机理和受灾指标的区域高温热害的风险评估和区划，目前针对水稻高温热害的风险评估技术研究还不是很多，已有研究大多是通过分析历史资料，计算灾害概率、统计灾损率和计算变异系数等进行评估。张方方等为湖北各地定义了高温热害等级，并确定了各等级风险期的起始和终止日期一级持续天数。张爱民等在GIS平台上对多种气象灾害如冷害、高温热害、干热风等进行了危害范围、程度的检测评估。张倩等利用模型模拟了高温对各发育时段水稻生长发育及产量的影响，以此评估长江中下游地区高温热害对水稻的影响。

刘伟昌等采用ORYZA模型对湖南衡阳一季稻进行分析研究，根据不同高温程度及持续天数，结合减产率，总结出了一个较为可靠准确的灾损率定性评估模型，但此产量模型因未考虑乳熟期等阶段高温对水稻的影响，故存在一定局限性。

冯德花[删结合安徽省高温对水稻危害的特点将高温热害等级分为了5个级别，并通过计算减产率进行灾害风险评估，但这种评估是将7-8月设定为水稻高温敏感时段，过于宽泛，且未对高温热害的未来演变规律进行探讨，也没有对高温热害风险进行预测，不具有延展性。

综上可知，目前开展的水稻高温热害风险评估多基于某个确定的热害指标，利用模型模拟水稻生产，并基于灾损率或减产率等进行评估，但由于水稻不同时期生理特性不同，且对温度的敏感性也不同，难以形成标准化的水稻高温热害指标，风险评估的标准也就难以统一。并且目前采用的高温热害指标多以温度为指标，而未考虑相对湿度、风俗、日照等气象要素，无法得到一个综合性的指标。因此，应建立一套系统的风险评估方案，将水稻高温敏感的几个重要时期进行分段研究，根据历史气象与产量以及减产率等数据，构建不同时期相应的高温热害指标、范围、持续时间，应用模型模拟时空分布及水稻生育特征，进而对各个时期的热害影响风险进行评估。

4.遥感监测及预警系统的建立

中国是世界上受气象灾害影响最为严重的国家之一，近50年来中国高温热害的频率和强度明显增加，粮食安全受到严重威胁，给国家和社会带来了巨大损失。因此，加强农业防灾减灾能力建设，建立高温热害监测预警系统，制定各项避灾减灾的技术措施，对减轻损失以及确保粮食安全是十分必要的。

阳园燕等从水稻遇高温热害的生理生态方面研究出发，据三峡库区历年水稻空壳率的资料，筛选出日最高气温、日平均气温、空气相对湿度等主要天气因子，建立了水稻高温热害累积指数等级（表2）。并建立了水稻高温热害监测预警系统，根据每天气象资料，实现了滚动监测水稻高温热害。

王敬涛研究设计的预警系统，包括水稻发育期模型、高温败育模型以及中短期天气预报三个模块，这个模型可处理水稻高温热害，提前预报高温灾害，经过实验数据对该模型的验证，模型模拟结果较准确，可用于该种植区域水稻的高温热害预警。刘伟昌等绘制了长江中下游地区各等级高温热害地域分布特点的专题地图，明确了该地区水稻遭受高温热害的时空分布规律。

综上可知，目前中国开展了一系列包含各种模型的高温预警系统的研发，在一定程度上实现了对未来中国水稻高温热害预警。但现有研究尚未进行高温对不同品种水稻热害预警，应根据不同地域特点采用不同熟制和播期及品种的水稻进行生产，这样既能避开高温热害的不利影响，又能调整种植结构，提高作物产量。此外，采用多种预报方法结合，卫星遥感动态监测信息与预警模式相结合，能更高效地开展高温灾害预报。

5.展望

目前中国的水稻受高温影响而产生的危害日益明显，欲降低危害，首先要探明水稻受高温影响的生理机制以及生育时期，这应从分子水平着手，探明水稻基因变化，找出高温胁迫下水稻受害的根本原因：并参照历年水稻受害日期，利用模型进行反演，确定不同地域不同品种等水稻的明显受害时段。其次，中国现有的高温热害指标较为单一，尚不能快速有效地做出诊断，应将温度、持续时间与生育期分段进行结合，并根据当地情况，结合干旱、降水、日照、水稻品种等因素建立综合指标。再次，积极采取相应的应对技术才是克服高温热害的主要途径；合理调整作物布局以及播期；选用优良耐热品种；实施合理的水肥管理办法；加强气象灾害应对防范体系建设。