范 磊,鄭國清,趙全志,程永政,馮 曉
(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究中心,鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,鄭州 450002)
農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害是影響作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的最主要的自然因素,它與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益緊密相連[1-3]。近年來,在全球變暖為主要特征的氣候變化背景下,極端天氣氣候事件增加,氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯上升的態(tài)勢,氣象條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響也越來越被人們所重視[4-9]。有學(xué)者就全國性氣候條件對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響進(jìn)行了研究,如劉彥隨等[10]和唐國平等[11]分別從不同角度分析了氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,熊偉等在氣候變化情景下對我國水稻產(chǎn)量進(jìn)行了變化模擬[12],張宇等分析了氣候變化對我國小麥發(fā)育及產(chǎn)量的影響[13]。也有學(xué)者就區(qū)域性氣候條件對水稻生產(chǎn)的影響進(jìn)行了研究,如孫衛(wèi)國等研究了區(qū)域氣候變化對華東地區(qū)水稻產(chǎn)量的影響[14],林舉賓等研究了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對廣東水稻生產(chǎn)的影響[15],王雨等對黑龍江省水稻氣象災(zāi)害損失進(jìn)行了評估[16],楊愛萍等對湖北省水稻低溫冷害進(jìn)行了分析[17],王亞莉等和孫永霞等分析了2003年光溫條件對信陽水稻產(chǎn)量的影響[18-19]。也有學(xué)者就關(guān)鍵生育期的氣象條件進(jìn)行了研究,如高德友等分析了抽穗期洪澇對水稻產(chǎn)量的影響[20],楊仕華等分析了孕穗期自然低溫對秈型雜交水稻的影響[21]。該研究利用研究區(qū)水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并進(jìn)行產(chǎn)量的模擬,找出影響產(chǎn)量的氣象災(zāi)害因子,進(jìn)而確定河南水稻主要災(zāi)害發(fā)生的區(qū)劃指標(biāo),并利用多年歷史數(shù)據(jù),進(jìn)一步對河南省水稻主要?dú)庀鬄?zāi)害發(fā)生進(jìn)行區(qū)劃,為指導(dǎo)水稻生產(chǎn)提供技術(shù)支持。
根據(jù)河南水稻種植分布、數(shù)據(jù)獲取情況及實際操作的可行性,水稻氣象災(zāi)害因子的分析選取羅山縣為研究區(qū);考慮到主要災(zāi)害發(fā)生區(qū)劃圖的實用價值,擬以河南省為研究區(qū)進(jìn)行區(qū)劃研究。
羅山縣位于河南省東南部,大別山北麓,淮河南岸,隸屬于河南省信陽市,位于東經(jīng)114°10'~114°42',北緯31°44'~32°19',面積20.7萬hm2。屬亞熱帶向暖溫帶過渡地帶,境內(nèi)氣候溫暖濕潤,四季分明,雨熱同步。年平均氣溫15.1℃,1月份平均氣溫1.7℃,7月份平均氣溫27.8℃,年均降水1 019mm,年平均無霜期227天,年平均日照2 120小時,日照率為48%,年平均地溫17.6℃,相對濕度為77%。可控制地表水年平均172億m3,是河南省主要糧食產(chǎn)區(qū)之一。
水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自于歷年河南統(tǒng)計年鑒,共收集了研究區(qū)1991~2008年水稻單產(chǎn)數(shù)據(jù)。
氣象數(shù)據(jù)來源于中國農(nóng)業(yè)基本氣象資料旬值數(shù)據(jù)集,整理后得到與研究區(qū)相鄰的信陽氣象站點(diǎn)的1991~2009年的逐旬的光照時數(shù)、平均氣溫、極端氣溫以及降水量數(shù)據(jù)。
一般來說,可以把水稻的實際產(chǎn)量ya看作是由3部分組成[22],即:
式中,yt為趨勢產(chǎn)量,是指由于農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、農(nóng)田基本建設(shè)的改善、品種改良以及勞動者素質(zhì)提高等因素影響,使水稻單產(chǎn)的潛在水平有一個上升趨勢;yw為氣象產(chǎn)量,是由于氣象條件導(dǎo)致的氣象災(zāi)害等對單產(chǎn)造成波動;Δy為隨機(jī)“噪聲”,包括那些具體計算模式中,前兩類因素項所沒有考慮到的其他偶然因素的影響,如病蟲害、社會變革等,它們對產(chǎn)量的影響基本上無規(guī)律可循,無法用一固定的函數(shù)關(guān)系來定量估計,常忽略不計,只是在個別年份的具體情況下,采用增加訂正項處理。所以 (1)式常簡化為:
在分析單產(chǎn)與氣象條件的關(guān)系時需要把趨勢產(chǎn)量剔除,這樣才能更真實地反映氣象條件對單產(chǎn)的影響。對于趨勢產(chǎn)量的模擬方法大致有如下幾種:回歸方程模擬法 (常用方程形式有:直線、指數(shù)形式、對數(shù)形式等)、滑動平均模擬法、直線滑動平均法等。其中直線滑動平均法是一種線性回歸模擬與滑動平均模擬相結(jié)合的模擬方法,它將時間序列按照一定步長分割成若干段,在時段內(nèi)的變化看作線性函數(shù),呈一直線,隨著時段的連續(xù)滑動,直線不斷改變位置,后延滑動,依次求取各時段內(nèi)的直線回歸模型,然后將每一時間點(diǎn)上各直線滑動回歸模擬值進(jìn)行平均,確定為該時間點(diǎn)上的趨勢值,從而反映序列歷史演變趨勢的連續(xù)變化,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于既不必主觀假定 (或判定)產(chǎn)量歷史演變的曲線類型,同時又不損失樣本序列的數(shù)量[23]。
該方法首先是確定滑動時段的長度K,使得K小于樣本長度N,用最小二乘法可分別建立各滑動時段直線線段方程:
式中,i為直線線段的序號,t為年份序號。
當(dāng)i=1時,t=1,2,……,k;
當(dāng)i=2時,t=2,3,……,k+1;
……………………
當(dāng)i=n-k+1時,t=N-k+1,N-k+2,……,N;
然后計算出各個方程在t點(diǎn)上函數(shù)yj(t),在t點(diǎn)上共有q(t)個函數(shù)值,可求算t點(diǎn)上q(t)個函數(shù)值的平均值:
趨勢產(chǎn)量采用5a直線滑動平均法計算。
線性回歸分析法是最基本的回歸分析方法,其假設(shè)自變量和因變量之間存在線性關(guān)系,設(shè)x1,x2,…,xp是p(≥2)個自變量 (解釋變量),y是因變量,則多元線性回歸模型為:
式中,α,β1,β2,…,βp是p+1個未知參數(shù),α稱為回歸常數(shù),β1,β2,…,βp稱為回歸系數(shù),ε為誤差項。對誤差項常假定滿足均值為0且等方差。
采用線性回歸方法分析氣象因子與冬小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系。
式中yp為模擬產(chǎn)量。
模擬產(chǎn)量的精度用下式計算:
式中p為模擬產(chǎn)量的精度。
利用直線滑動平均法,滑動時段長度取5,模擬水稻產(chǎn)量的時間趨勢項序列,得到趨勢產(chǎn)量,結(jié)果見圖1。計算出時間趨勢項序列后,可根據(jù)公式 (2)計算氣象產(chǎn)量,計算結(jié)果見表1。由圖1可見,水稻產(chǎn)量總體呈上升趨勢,但波動較明顯,這主要是由氣象產(chǎn)量引起的,即有利氣象因素有助于水稻生產(chǎn),導(dǎo)致正的氣象產(chǎn)量;不利氣象因素破壞水稻生產(chǎn),導(dǎo)致負(fù)的氣象產(chǎn)量。不確定的氣象因素導(dǎo)致了氣象產(chǎn)量的波動,氣象產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量合并后引起實際產(chǎn)量的波動。
水稻生產(chǎn)過程是一個極其復(fù)雜的過程,其最終產(chǎn)量的形成受品種、種植及管理技術(shù)、土壤質(zhì)地、氣象條件等多因素影響,單就氣象條件來說,水稻生長過程中的任何氣象要素都會對其產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響產(chǎn)量。該文根據(jù)水稻各生育期的不同生長特點(diǎn),主要從光照、溫度、降水等分析影響水稻生產(chǎn)的敏感氣象條件。
2.2.1 播種—出苗期
光照:水稻是喜光作物,日照對于干物質(zhì)的合成起著極其重要的作用。此期若光照不足,易引起爛種、爛秧。
水分:此期若降水偏多,對水稻的生長十分不利。
2.2.2 幼苗生長期
溫度:信陽地區(qū)的幼苗生長期適宜溫度為20.0~25.0℃[24]。
圖1 水稻實際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量年際變化
表1 水稻產(chǎn)量及模擬結(jié)果序列
光照:秧苗3葉期以后,胚乳養(yǎng)分消耗殆盡,要依靠自身葉片的光合作用供應(yīng)秧苗生長的需要。因此,秧苗需要良好的光照條件。
2.2.3 移栽-返青期
移栽、返青與天氣關(guān)系十分密切。陰天、雨天氣溫較低,日照較弱,有利于返青;晴天高溫,日照強(qiáng),風(fēng)速大,返青過程會延長。
2.2.4 分蘗期
溫度:據(jù)研究,分蘗前期在16~35℃內(nèi),溫度愈高,分蘗增長愈快,同時,分蘗伸長也快;到分蘗后期,以25~30℃對有效分蘗增長較適宜,如溫度升高到30~35℃分蘗伸長較慢,而分蘗數(shù)增加過快,容易增加無效分蘗[25]。
光照:光照對分蘗的影響比溫度更大,同為高溫度,強(qiáng)光比弱光分蘗數(shù)明顯增加。光照不足,會減少分蘗,造成水稻莖稈細(xì)弱易得稻瘟病。
水分:分蘗期水層對水稻生長是有利的,有水層條件下,稻株內(nèi)自由水含量增加,自由水與束縛水比值增加,自由水的增加有利于細(xì)胞內(nèi)部多種生理生化過程的順利進(jìn)行。因此,有利于分蘗增長。此期是水稻一生中需水量較大的時期,若水分不足,極易造成水稻減產(chǎn)。
2.2.5 孕穗期
溫度:如遇35℃以上連續(xù)高溫,水稻花器發(fā)育不全,花粉不良,活力下降[26]。
光照:光照不足會產(chǎn)生空殼、癟?,F(xiàn)象。
水分:此期是水稻一生中需水量較大的時期,若水分不足,極易造成水稻減產(chǎn)。
2.2.6 抽穗開花期
溫度:一般來說,25~32℃開花都比較適宜,如遇高溫則影響開花散粉和花粉管伸長,導(dǎo)致不能正常授粉,或花粉沒來得及開放就枯死而形成空殼粒,即“花而不實”,高溫還能直接殺死花粉;如遇持續(xù)低溫則造成穎花不育,空粒增加[27-30]。
水分:此期若降水偏多,對水稻的生長十分不利。
2.2.7 灌漿—成熟期
溫度:溫度與灌漿速度關(guān)系密切,溫度增加,會縮短灌漿天數(shù)。因此,對粒重來說,溫度不是越高越好,灌漿前期以17~24℃,中期以15~21℃為適宜[25]。
光照:若光照不足,會增大空殼率和秕谷率,降低結(jié)實率,明顯降低千粒重,從而造成水稻產(chǎn)量的下降。
水分:此期若降水偏多,對水稻的生長十分不利。
此期微風(fēng)晴朗、晝夜溫差大、空氣濕度較小時,有利于開花授粉、灌漿結(jié)實和減少病蟲害的發(fā)生。
表2 水稻生產(chǎn)中的敏感氣象因子
根據(jù)以上對水稻各生育期內(nèi)的氣象敏感條件分析,篩選出從4月中旬~9月中旬 (水稻從播種-成熟)各生育期敏感氣象因子 (表2)。
2.4.1 氣象災(zāi)害因子的篩選
利用SPSS軟件對氣象產(chǎn)量 (yw)和各氣象災(zāi)害因子 (x1~x25)作pearson相關(guān)分析,分析結(jié)果見表3。根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果,將相關(guān)性系數(shù)絕對值大于等于0.2的氣象災(zāi)害因子挑出 (x4,x5,x7,x8,x9,x16,x17,x18,x19,x23),作為多元回歸的自變量。
表3 水稻氣象產(chǎn)量和氣象災(zāi)害因子的相關(guān)系數(shù)
2.4.2 水稻產(chǎn)量模擬
利用SPSS軟件的多元線性回歸工具對篩選出的氣象災(zāi)害因子進(jìn)行多元線性回歸,結(jié)果見表4。
表4 回歸系數(shù)分析
樣本決定系數(shù)R2=0.892,表明回歸擬合的效果較好。F=11.593,Sig.=0.003,顯著性水平小于0.05,表明該預(yù)測模型顯著。變量x8、x16、x17、x18、x19的顯著性概率 (sig.)值均小于等于0.05,表明回歸顯著。
根據(jù)表4得出回歸方程如式 (8)所示。
將1991~2008年的5個氣象因子數(shù)據(jù)代入式 (8),可得到模擬的水稻氣象產(chǎn)量,將模擬氣象產(chǎn)量和時間趨勢產(chǎn)量代入式 (6)可得出模擬產(chǎn)量,結(jié)果見表1(1996年數(shù)據(jù)由于缺少x16無法參與計算),結(jié)果表明,水稻擬合產(chǎn)量精度最高為99.81%,最低為76.49%,平均精度為93.59%。
2.4.3 對回歸方程的分析
影響研究區(qū)水稻產(chǎn)量的氣象因子主要有5個,其中x8、x16、x18、x19對氣象產(chǎn)量的貢獻(xiàn)是積極的,其意義在于:(1)6月上旬至6月中旬平均氣溫 (x8):此期研究區(qū)水稻處于分蘗前期,當(dāng)溫度在16~35℃內(nèi),溫度愈高,分蘗增長愈快,同時,分蘗伸長也快,有助于水稻產(chǎn)量的增加;(2)7月中旬至7月下旬降雨量 (x16):此期研究區(qū)水稻處于分蘗后期,是水稻一生中需水量較大的時期,充足的降雨有利于分蘗增長,進(jìn)而影響產(chǎn)量;(3)8月上旬至8月中旬日照時數(shù)x18和降雨量 (x19):此期研究區(qū)水稻處于孕穗-抽穗開花期,光照和降水對水稻生長具有積極作用,對水稻產(chǎn)量的形成產(chǎn)生有利影響;
8月上旬至8月中旬的總平均氣溫 (x17)對氣象產(chǎn)量的貢獻(xiàn)是消極的,且其系數(shù)在幾個因子中是最大的,其意義在于:(1)此期間研究區(qū)水稻處于孕穗—抽穗開花期,溫度過高會導(dǎo)致水稻花器發(fā)育不全,花粉不良,活力下降,影響開花散粉和花粉管伸長,導(dǎo)致不能正常授粉,或花粉沒來得及開放就枯死而形成空殼粒,即“花而不實”,進(jìn)而影響產(chǎn)量;(2)其系數(shù)最大表示此期若發(fā)生“高溫”,人為減少損失的能力最小,因而此期高溫災(zāi)害對產(chǎn)量的影響最大。
根據(jù)以上分析,利用“分蘗前期”平均氣溫 (x8)、“抽穗開花期”平均氣溫 (x17)、“抽穗開花期”日照時數(shù) (x18)、“分蘗后期”降雨量 (x16)和“抽穗開花期”降雨量 (x19)的平均值可以作為水稻發(fā)生低溫冷害、高溫?zé)岷?、陰雨寡照及干旱發(fā)生的空間分布指標(biāo)。收集1991~2009年河南主要水稻種植縣的相關(guān)氣象數(shù)據(jù),計算各水稻種植縣1991~2009年的x8、x17、x18、(x16+x19)/2,作為劃分指標(biāo),以表5為區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn),對河南水稻主要種植區(qū)的氣象災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行區(qū)劃,結(jié)果見圖2。
表5 氣象災(zāi)害區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)
圖2 河南省水稻主要?dú)庀鬄?zāi)害發(fā)生區(qū)劃
由圖可見,河南省內(nèi),黃河沿岸即開封、濮陽一帶屬相對較易發(fā)生低溫冷害地區(qū);信陽淮河以南地區(qū)屬相對較易發(fā)生高溫?zé)岷Φ貐^(qū);信陽淮河以北地區(qū)屬較易發(fā)生陰雨寡照地區(qū);黃河以北水稻種植區(qū)屬相對較易發(fā)生干旱地區(qū)。
該文利用水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分析得出對研究區(qū)水稻產(chǎn)量影響較大的5個氣象災(zāi)害因子為:
(1)“分蘗前期”平均氣溫 (x8):此期研究區(qū)水稻分蘗對溫度特別是低溫較敏感,溫度的波動對分蘗影響較大,是易形成低溫冷害的時期,可作為判斷水稻發(fā)生“低溫冷害”災(zāi)害的關(guān)鍵氣象因子;
(2)“抽穗開花期”平均氣溫 (x17):此期研究區(qū)水稻對溫度特別是高溫敏感,高溫易導(dǎo)致水稻花器發(fā)育不全、不能正常授粉等自然災(zāi)害,人為減低受災(zāi)難度較大,可作為判斷水稻發(fā)生“高溫?zé)岷Α睘?zāi)害的關(guān)鍵氣象因子;
(3)“抽穗開花期”日照時數(shù) (x18):此期研究區(qū)水稻處于抽穗開花的關(guān)鍵時期,充足的光照有利于水稻生產(chǎn),可作為判斷水稻發(fā)生“陰雨寡照”災(zāi)害的關(guān)鍵氣象因子;
(4)“分蘗后期”降雨量 (x16)和“抽穗開花期”降雨量 (x19)即“7月中旬至8月中旬降雨量”:此期充足的水分有利于水稻生產(chǎn),可作為判斷水稻發(fā)生“干旱”災(zāi)害的關(guān)鍵氣象因子。
“孕穗—抽穗開花期”平均氣溫對產(chǎn)量影響較大,說明水稻在“孕穗-抽穗開花期”的高溫導(dǎo)致的水稻花器發(fā)育不全、不能正常授粉等自然災(zāi)害,人為減輕災(zāi)害難度較大,所以此期的高溫對產(chǎn)量影響最大。
河南省內(nèi)黃河沿岸即開封、濮陽一帶屬相對較易發(fā)生低溫冷害地區(qū);信陽淮河以南地區(qū)屬相對較易發(fā)生高溫?zé)岷Φ貐^(qū);信陽淮河以北地區(qū)屬較易發(fā)生陰雨寡照地區(qū);黃河以北水稻種植區(qū)屬相對較易發(fā)生干旱地區(qū)。因此,河南省內(nèi)上述地區(qū)要及時做出相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施,降低因災(zāi)產(chǎn)生的損失。
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