稻飞虱发生等级的时空变化范文

《自然灾害学报》2014年第二期

1资料和方法

1．1资料来源虫情资料选用广西农业厅植保总站提供的60个农作物病虫测报站1988－2010年广西逐年稻飞虱发生等级资料。稻飞虱发生等级共分为1－6级的6个级别标准［26］:1级(轻)程度为百丛虫量(头)＜500，2级(中偏轻)程度为百丛虫量(头)500～1000，3级(中等)程度为百丛虫量(头)1000～2000，4级(中偏重)程度为百丛虫量(头)2000～3000，5级(重)程度为百丛虫量(头)3000～8000，6级(极重)程度为百丛虫量(头)＞8000。

1．2选用方法本文统计1988－2010年逐年上半年和下半年平均发生等级并建立时间序列，用算术平均求取区域平均序列，运用正交函数分解(EOF)、旋转经验正交函数分解(REOF)、趋势分析、线性倾向计算、阶段性分析、M－K检测等方法［27］进行统计分析研究，揭示广西稻飞虱发生等级的时空演变特征。

2结果与分析

2．1广西稻飞虱上半年和下半年发生等级的分布特征从广西上半年稻飞虱等级1988－2010年多年平均分布图(图1(a))，可以看到广西东北部和东部地区等级普遍较高，多年平均值在4级以上，等级最高的是广西东北部的临桂，多年平均值为5．2级，等级次高的是广西东北部的永福，多年平均值为5．0级;广西沿海地区和西部山区等级普遍较低，多年平均值为2～3级，等级最低的是广西沿海的防城县，多年平均值为2．4级，等级次低的是广西沿海的合浦，多年平均值为2．5级;广西中部和西部其它地区发生等级普遍为3～4级。可见各地平均发生等级是不同的，最高值和最低值相差近3个等级，桂东平均等级比桂西或沿海地区偏高2级左右。从广西下半年稻飞虱等级1988－2010年多年平均分布图(图1(b))上可见，等级较高的区域仍然是桂东地区，多年平均值为3．0～4．7，等级最高的是广西东部的桂平，多年平均值为4．7级，等级次高的是广西东北部的全州、荔浦等地，多年平均值为4．6级;广西西部地区和沿海地区，以及北部高海拔山区等级普遍较低，多年平均值为2～3级，等级最低的是广西中部海拔较高的金秀，多年平均值为2．4级，等级次低的是广西西部的龙州，多年平均值为2．5级;广西中部大部分地区发生等级普遍为3～4级。各地平均发生等级最高值和最低值相差2．3级，而桂东平均等级比桂西或沿海地区偏高1～2级。分析可见，下半年稻飞虱平均发生等级普遍比上半年偏低0．5～1．2级，东北部和西部偏低更明显。

2．2广西稻飞虱发生等级的变化趋势以广西60个农作物病虫测报站的上半年稻飞虱发生等级的算术平均作为区域平均序列。1988－2010年广西上半年稻飞虱平均等级最高的为2007年4．6级，最低的是1989年3．4级，累年平均值为3．9级;序列略呈上升趋势，趋势系数为0．32，未达到0．10的显著性检验水平;序列呈现显著的阶段性，存在2个偏高时期，分别是1990－1996年和2005－2009年，和1个偏少期1997－2004年，t检验结果表明，在α=0．05的显著性水平上，1997－2004年和2005－2009年的等级均值有显著差异(图2(a))。由于上半年稻飞虱平均等级变化具有显著的阶段性特征，因此进一步分析其突变特征。时间序列突变是指在短时期内由一种相对稳定状态过渡到另一种状态的变化，它是时间变量非线性性质的一种表现。本文采用检测范围宽、定量化程度高，且被广泛认为理论基础和应用效果均较好的M－K突变检测法来检验序列的突变性。上半年平均等级序列的M－K突变检测曲线(图2(b))表明，1990－2010年UF(正序)线的值都大于0，表明序列呈上升趋势，且1995－1998年，2007－2008年UF线有短暂时期超过α=0．05显著性检验水平，但UB线与UF线出现了多个相交点，因此可以判断整个序列未检出突变的发生。说明上半年稻飞虱平均等级序列为上升趋势，但增高趋势显著性达不到α=0．05显著性水平。1988－2010年广西下半年稻飞虱平均等级最高的为2008年4．1级，最低的是1993年2．7级，累年平均值为3．4级;序列呈显著上升趋势，趋势系数为0．78，达到α=0．001的显著性检验水平(图3(a))。下半年平均等级序列的M－K突变检测曲线(图3(b))表明，1988－2010年UF(正序)线的值基本都大于0，表明序列呈上升趋势，且2003－2010年UF线超过α=0．01显著性检验水平，UB线与UF线在2001年附近出现相交点，交点在置信线±2．56之间，说明该时间区域内序列发生了突变，下半年稻飞虱平均等级增高趋势显著，2001年是稻飞虱等级明显增高的突变点。以广西60个农作物病虫测报站的稻飞虱发生等级变化趋势系数，分别绘制区域分布图(图4(a))显示，1988－2010年广西上半年稻飞虱发生等级趋势系数分布呈现较强的局地性，桂东大部地区趋势系数在－0．4～0．2之间，上升和下降趋势都不显著，但桂东北的资源和灌阳上升趋势显著，趋势系数分别达0．4以上;桂西南和沿海地区的趋势系数在－0．1～0．5之间，略呈上升趋势，但多数站点未通过α=0．05的显著性检验;而桂西北大部趋势系数分别在0．4以上，通过α=0．05的显著性检验，呈显著上升趋势。1988－2010年广西下半年桂北大部地区稻飞虱发生等级变化趋势系数在0．4以上，桂西北和桂东北部分地区趋势系数达到0．6以上，通过ɑ=0．001的显著性检验，呈显著上升趋势。桂南大部趋势系数在－0．3～0．5之间，略呈上升趋势，大部分未通过ɑ=0．1的显著性检验，但沿海地区趋势系数在0．4～0．5之间，通过ɑ=0．05的显著性检验，呈显著上升趋势。

2．3广西稻飞虱发生等级的空间分布型态由于广西不同区域稻飞虱发生等级差异明显，因此本文对广西60个农作物病虫测报站1988－2010年逐年上半年和下半年稻飞虱发生等级分别作EOF和REOF分解，计算其荷载向量和旋转荷载向量，分析广西各区域稻飞虱发生等级的空间异常特征。表1是上半年和下半年稻飞虱发生等级旋转前后前3个模态对总方差的贡献率和累积贡献率。由表中可见，上半年和下半年稻飞虱发生等级旋转前、后前3个模态累积解释方差贡献分别占总方差的56．1%和61．5%，因此前3个模态基本反映了广西上半年和下半年稻飞虱发生等级的分布特征。研究表明，稻飞虱发生程度和温度、湿度、食物、天敌等因素关系密切，高温、高湿、降水日数多等气候条件有利稻飞虱发生和繁殖。上半年广西稻飞虱主要发生时段在4月下旬到6月下旬，此时正是华南前汛期，影响广西的天气系统主要有冷空气、华南静止锋、西南季风等，各地气候变化差异较大。REOF分解能突出稻飞虱发生等级的地域特征，根据上半年稻飞虱发生等级前3个旋转空间模态的高载荷分布(等值线绝对值≥0．4)，将发生等级异常特征划分为3个区域(图5(a)－(c))。第1旋转因子的荷载分布(图5(a))以桂西北的高荷载为主要特征，高荷载中心在右江河谷地区，其值达0．823，该区域处在云贵高原东侧余脉，峰高岭峻，水稻种植面积较小，冬春季受西南低压影响，光照充足、湿度小，初夏降水日数少，上半年稻飞虱发生等级普遍较低;但当夏季风爆发早的年份，西南暖湿气流强盛，该区域湿度大，初夏降水日数较多，上半年稻飞虱发生等级较高。第2旋转因子高荷载区(图5(b))的主要特征是在桂东有一个负的高荷载区，中心在岑溪、苍梧、藤县附近达－0．786，上林、宾阳和横县等地荷载也较高，而其余地区荷载值均较小。该区域和广东省相连，地势平缓，多河谷平原，是广西主要的水稻种植区域，冬春季冷暖气团交汇，当暖气团旺盛，气温高、湿度大，初夏降水日数较多时，上半年稻飞虱发生等级普遍较高、程度较重，而当冷气团较强，气温低、湿度小，初夏降水较少时，稻飞虱发生等级较低、程度较轻。第3旋转因子高荷载区(图5(c))分布在广西沿海和西南地区，以上思、宁明、江州为中心，最大值达0．719，其余地区大多在0．0～0．3之间。该区域和北部湾及越南北部相连，地势低平，部分地区属热带，气候温暖，水稻种植较多，当冬春季暖气团强盛、冷空气较弱，冬春季湿度小，初夏降水日数较少时，上半年稻飞虱发生等级普遍较低;但当夏季风爆发早的年份，西南暖湿气流强盛，该区域湿度大，初夏降水日数较多，上半年稻飞虱发生等级较高。下半年广西稻飞虱主要发生时段在8月上旬到9月下旬，此时正是华南后汛期，受热带气旋、热带辐合带(ITCZ)和南支槽前的暖湿气流影响频繁，且广西位于西太平洋副高西部、南部边缘，随着这些热带、副热带系统的进退，广西年际间气候变化较大。常年8月下旬后，东亚季风转向，北方稻区迁出虫源在东北气流运载下向南回迁。根据下半年稻飞虱发生等级前3个旋转空间模态的高载荷分布(等值线绝对值≥0．4)，将发生等级异常特征划分为3个区域，图5(e)－(f)给出了前3个旋转模态的空间分布。第1旋转特征向量高值区(图5(d))位于桂南，荷载中心值达0．865，位于玉林市和沿海地区，该区域和南海、越南北部及广东省相连，地势低平，是广西主要水稻种植区，在夏末秋初夏季风向南撤退，北方稻区迁出虫源也向南回迁，在副高系统强度较强、位置偏北的年份，桂南受热带气旋和ITCZ影响频繁，湿度大，降水日数较多，有利稻飞虱繁殖，因而发生等级普遍较高;而在副高位置偏南的年份，该区域常受副高脊控制，湿度小，降水日数较少，稻飞虱等级较低。第2旋转特征向量高值区(图5(e))位于桂东北，荷载中心值达－0．806，由于入秋比桂南早，该区域晚稻种植季节也比桂南早，此时桂东北处于副高西南侧，在副高位置偏北的年份，处于西太平洋副高南部，受热带气旋和ITCZ影响，湿度大，降水日数较多，有利稻飞虱繁殖，因而发生等级普遍较高;但在副高偏南的年份，该区域常受副高脊控制，湿度小，降水日数较少，稻飞虱等级较低。第3旋转特征向量高值区(图5(f))位于桂西北，荷载中心值达0．772，该区域夏末秋初处于副高西侧，在副高位置偏东的年份，桂西北受西南暖湿气流和ITCZ影响，湿度大，降水日数较多，有利稻飞虱繁殖，因而发生等级普遍较高;但在副高偏西的年份，该区域常受副高脊控制，湿度小，降水日数较少，稻飞虱等级较低。综合上述分析，根据REOF的结果分别确定的1988－2010年广西上半年和下半年稻飞虱发生等级的3个主要空间分区，基本概括了广西稻飞虱发生等级异常的主要分布特征，按各自方差贡献从大到小的顺序，上半年分别是桂西北区、桂东区、桂西南区，下半年分别是桂南区、桂东北区和桂西北区。上半年和下半年稻飞虱发生等级的REOF前3个模态的方差贡献都较大，是发生等级空间异常的3个最主要模态。

2．4不同空间分布型态代表站发生等级的变化特征

2．4．1年际和年代际变化特征由于REOF各模态高值中心站点能较好地代表各分区稻飞虱等级变化特征，本文分别利用上半年和下半年各分区中心的3个代表站点稻飞虱发生等级平均序列来研究该地区的时间变化特征。图5分别给出了各分区代表站点平均发生等级的时间演变曲线、线性趋势或阶段性特征。由于影响稻飞虱发生等级的因素很复杂，致使各分区等级的变化有较大差异。上半年桂西北区平均等级最低为1．7级(1991年)，最高为4．5级(2009年)，最低和最高相差近3级，序列呈显著上升趋势，其趋势系数为0．74(n=23)，通过了α=0．001的显著性水平检验，倾向率为0．85级/10a，即在23a中发生等级每10年增加0．85级(图6(a))。桂东区的平均等级较高，序列平均为4．5级，其变化趋势不明显，趋势系数为－0．16(n=23)，达不到α=0．1的显著性水平，平均等级最低的2006年(3．6级)，和最高的2007年(5．4级)相差不到2级(图6(b))。桂西南区的平均等级较低，在1．7级(1988年)到4．0级(1990年、2008年)之间波动，序列有显著的阶段性，1991－1997年和2004－2008年平均等级偏高，为3．5级，1998－2003年平均等级较低，为2．8级，略呈上升趋势，趋势系数为0．25(n=23)，达不到α=0．1的显著性水平(图6(c))。下半年各分区平均发生等级都呈上升趋势，其中桂东北区和桂西北区上升趋势显著。桂东北区平均等级较高，在3．2～4．9之间变化，2000年以前等级都不超过4．0级，但2000年之后几乎都在4级以上，从年代际平均等级看，20世纪80年代和90年代分别为3．4级和3．7级，21世纪初的10年平均达到4．5级，序列趋势系数为0．837(n=23)，通过了α=0．001的显著性水平检验，气候倾向率为0．63级/10a，即每10a增加0．63级(图6(e))。桂西北区平均等级在1．7～4．3之间变化，1990－1991年等级较高，达到3．5级以上，1992－2000年回落到2～3级之间，2001年以后迅速上升，平均等级都在3级以上，从年代际平均等级看，20世纪80年代和90年代分别为2．8级和2．5级，21世纪初的10a平均为3．5级，序列趋势系数为0．557(n=23)，通过了α=0．01的显著性水平检验，气候倾向率为0．58级/10a，即每10a增加0．58级(图6(f))。桂南区平均发生等级在2．9～5．3之间变化，从年代际平均等级看，20世纪80年代和90年代分别为3．6级和3．8级，21世纪初的10a平均为4．3级，序列略呈上升趋势，趋势系数为0．393(n=23)，达不到α=0．05的显著性水平检验。年代际变化特征和序列的趋势变化特征、阶段性特征基本相符(图6(d))。

2．4．2突变特征分析图7是广西稻飞虱上半年和下半年各3个分区代表站的平均等级序列的M－K突变检测结果。由图中可见，6个代表站序列都发生了突变。上半年桂西北区稻飞虱平均等级序列的M－K检测表明，1993－2010年UF(正序)线的值都大于0，表明序列呈上升趋势，且2001年开始UF线超过α=0．01显著性检验水平，且UB线与UF线在1994年附近出现相交点，交点在置信线±2．56之间，说明该时间区域内序列发生了突变，因此上半年桂西北区平均等级增高趋势显著，1994年是明显增高的突变点(图7a)。上半年桂东区平均等级序列的M－K检测表明，1988－2010年UF线和UB线在0值附近波动，且未超过±1．96临界线，因此该序列未发生突变(图7(b))。上半年桂西南区平均等级序列的M－K检测表明，1988－2010年UF线在大部分时段都大于0，说明该序列呈上升趋势。UB线在1997－1999年大于临界线1．96，但两序列出现了多个相交点，因此可以断定该序列未发生突变(图7(c))。下半年桂南区平均等级UF线在1988－2010年的大部分时段都大于0值，说明该序列呈上升趋势，但UB线与UF线均未超过临界线±1．96，因此该序列未发生突变(图7(d))。下半年桂东北区平均等级UF线在1988－2010年上都大于0值，说明该序列呈上升趋势，2000年开始UF线超过α=0．01显著性检验水平，且UB线与UF线在1998年附近出现相交点，交点在置信线±2．56之间，说明该序列发生了显著增高的突变，增高趋势超过α=0．01的显著性水平(图7(e))。下半年桂西北区平均等级UF线1992－2001年均小于0值，表明序列在该时段为下降趋势，但在2002年开始均大于0值，表明序列转为上升趋势，且2009年开始UF线超过α=0．01显著性检验水平，且UB线与UF线在2006年出现相交点，交点在置信线±2．56之间，说明序列发生了突变，因此下半年桂西北区平均等级增高趋势显著，2006年是明显增高的突变点(图7(f))。

3结论

(1)从时间变化演变趋势看，1988－2010年广西稻飞虱发生平均等级上半年比下半年高0．5～1．2级;广西稻飞虱上半年和下半年平均发生等级都呈上升趋势，但上半年增高趋势显著性达不到α=0．05显著性水平，上半年稻飞虱平均等级变化具有显著的阶段性特征，存在2个显著的偏高时期(1990－1996年和2005－2009年)，而下半年稻飞虱平均发生等级的上升趋势则更显著，达到α=0．001的显著性检验水平。(2)从地域分布演变趋势看，1988－2010年广西上半年和下半年稻飞虱平均发生等级桂东比桂西或沿海地区偏高1～3级。上半年和下半年稻飞虱发生等级各分区的变化有较大差异，上半年桂西北区和桂西南区平均等级较低，而桂东区较高;桂西北区等级呈显著上升趋势，桂西南区略呈上升趋势，而桂东区线性变化趋势不明显。下半年稻飞虱平均发生等级较高的仍然是桂东地区，西部等地区则较低;下半年各分区平均发生等级都呈上升趋势，其中桂东北区和桂西北区上升趋势显著，而桂南区略呈上升趋势。(3)根据REOF的结果分别确定的1988－2010年广西上半年和下半年稻飞虱发生等级的3个主要空间分区域，基本概括了广西稻飞虱发生等级异常的主要分布特征，按各自方差贡献从大到小的顺序，上半年分别是桂西北区、桂东区、桂西南区，下半年分别是桂南区、桂东北区和桂西北区。(4)M－K突变检测表明，虽然1988－2010年上半年广西总体稻飞虱发生平均等级序列未检出突变，但桂西北区呈显著上升趋势，并在1994年发生了明显增高的突变。下半年广西总体稻飞虱发生平均等级增高趋势显著，且2001年发生了明显增高的突变，其中下半年桂西北区和桂东北区都呈显著上升趋势，并分别在2006年和1998年发生了明显增高的突变。

4讨论

本文应用广西近20多a中60个农业病虫测报植保站的稻飞虱发生等级连续测报资料，采用正交函数分解、旋转经验正交函数、趋势计算分析、线性倾向计算、M－K检测等多种方法，对广西稻飞虱发生程度时间变化和空间分布特征规律进行了分析研究，并得出了比较详细的研究结果;与国内已有的大多数同类研究［3，13］［28－30］比较:本研究采用稻飞虱害虫发生等级测报资料的研究样本站点数较多和样本时间序列长度较长，从数理统计学和农业气象学、气候学、生物学、灾害学等角度考虑，均使本研究结果具有更好的客观性和代表性;本文采用旋转经验正交函数等多种方法，研究广西稻飞虱发生程度的时间变化(分不同时段)和空间分布(分各类区域)变化特征规律得出的研究结果更为细致全面，而且匹配丰富的图表更为直观实用;尤其是本文不仅仅研究了广西稻飞虱发生程度的总体变化趋势规律，更重要的是比较创新地采用M－K检测等方法研究了稻飞虱发生程度的突变特点规律，为更好地寻找影响稻飞虱发生流行的关键环境因子，提高稻飞虱发生流行的监测预报预警精度和研制有效防治稻飞虱暴发成灾的针对性防控措施提供了重要的基础研究。本文对广西稻飞虱发生等级的时间变化和空间分布特征规律进行了比较细致全面的分析研究，为各相关部门开展稻飞虱发生发展的监测预报预警奠定了良好基础和制定害虫防控对策提供科学决策依据。关于对广西稻飞虱发生发展的天气气候背景主要影响因素、关键影响因子和稻飞虱发生流行的气象等级指标以及气象等级监测评估预警等方面还需要今后做进一步的一系列研究，目前我们也正在努力研究与探讨中。

作者：何慧何燕孟翠丽龙梦玲谢茂昌李玉红单位：广西区气象减灾研究所/国家卫星气象中心遥感应用示范基地广西区气候中心广西区植保总站