王志春

（赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

內(nèi)蒙古是農(nóng)牧業(yè)大省，是我國13個糧食主產(chǎn)區(qū)之一，在保障國家糧食安全中具有重要的戰(zhàn)略地位。內(nèi)蒙古總耕地面積9.13×106hm2，其中，糧食作物播種面積6.83×106hm2。因地處半干旱大陸性季風氣候區(qū)，降水少、蒸發(fā)大，干旱是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的最突出因素，特別是春季更是“十年九旱”，除黃灌區(qū)外，大多數(shù)年份春播形勢比較嚴峻。

內(nèi)蒙古地域廣闊，作物種類多樣。即便是同種作物，由于地理和氣候條件的不同，適宜播種期也相差甚大。因地處北緯37°24′～53°23′，受熱量條件和無霜期的限制，大田作物的生長季較短。因此，如何充分利用作物生長季有限的氣候資源，同時規(guī)避農(nóng)業(yè)氣象災害風險，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)效益最大化，已成為內(nèi)蒙古經(jīng)濟社會發(fā)展的首要問題。作物播種是整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一個重要環(huán)節(jié)，如何對播種氣象適宜條件進行客觀評估，也成為科學指導春播生產(chǎn)的關(guān)鍵。

關(guān)于作物生長氣象適宜度評價模型研究頗多。侯英雨等[1]構(gòu)建了東北地區(qū)春玉米日尺度的光、溫、水適宜度評價模型；譚方穎等[2]對東北地區(qū)玉米氣候適宜評價指標進行了確定與驗證；王彥平等[3]分析了內(nèi)蒙古東北部大豆氣候適宜度等級及種植區(qū)劃；馬樹慶等[4]對東北地區(qū)玉米整地、播種和收獲幾個農(nóng)事活動的氣象適宜度進行了評價；另外還有代立芹等[5]、盛紹學等[6]、李樹巖等[7]、孫小龍等[8]諸多學者對玉米的氣候適宜度進行了分析和研究。

上述研究大多是針對作物整個生育期氣象條件的綜合評價，只針對作物播種期的研究比較少，而且受地域氣候特征差異的影響，某地作物播種氣象適宜度的指標、因子的權(quán)重等不盡相同。本研究針對內(nèi)蒙古地區(qū)4 大主要糧食作物，根據(jù)當?shù)貧夂虮尘疤卣骷稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，確定大田作物播種氣象適宜度評價指標，構(gòu)建大田作物播種氣象適宜度評價模型，依托高時空分辨率、高預報準確率的氣象數(shù)值預報產(chǎn)品，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)春播生產(chǎn)提供指導，為保障糧食安全提供氣象科技支撐。

1 材料和方法

選取內(nèi)蒙古東北部（扎蘭屯市、突泉縣）、東南部（松山區(qū)）、中西部（武川市、商都縣、察哈爾右翼中旗）6個農(nóng)業(yè)氣象觀測站玉米、春小麥、馬鈴薯、大豆的播種日期資料，赤峰市松山區(qū)玉米、翁牛特旗馬鈴薯的大田播種進度資料，春播期間農(nóng)田土壤水分觀測資料，以及上述地區(qū)對應氣象觀測站的降水量、土壤溫度、春季土壤解凍深度等逐日氣象觀測資料。

根據(jù)大田作物種子萌發(fā)對溫度、水分的需求以及氣象條件對耕作的影響，結(jié)合內(nèi)蒙古歷年春播實際，篩選出對春播具有顯著影響的氣象因子，構(gòu)建播種氣象適宜度評價子模型，確定玉米、春小麥、馬鈴薯和大豆在4個子模型中的氣象指標，運用層次分析建立播種氣象適宜度綜合評價模型，確立播種氣象適宜等級劃分標準。用農(nóng)業(yè)氣象觀測站的作物播種日期資料或旗（縣、區(qū)）大田作物播種進度資料進行適宜度評價模型的驗證，以驗證指標和模型的合理性和適用性。

2 播種氣象適宜度評價模型建立

播種時機的選擇對于大田作物整個生長過程非常重要，特別是在作物生長季短，且春季干旱多發(fā)的內(nèi)蒙古尤為突出，不僅直接影響作物的出苗率和苗情，對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也會產(chǎn)生影響。

大田作物播種一般需要具備以下條件：一是土壤耕作層必須完全解凍（春小麥除外）；二是土壤不能太濕、太黏、太干，最好松散且不板結(jié)，便于耕作；三是熱量條件能夠滿足種子萌發(fā)所需；四是天氣晴好，風力小。

2.1 土壤水分適宜度模型

作物種子的萌發(fā)需要一定的水分條件。當土壤水分低于作物種子萌發(fā)所需的下限時，種子不能發(fā)芽。而當土壤水分含量過高時，其通透性變差，氧氣含量相對減少，種子發(fā)芽能力弱。長時間處于不當?shù)乃謼l件下，極易導致出苗不齊，甚至粉種[9-10]。

構(gòu)建土壤水分適宜度模型為如下

式（1）中，H為0～20 cm 平均土壤相對濕度；H0為播種最適宜土壤相對濕度；H1、H2分別為土壤相對濕度下限和上限（表1）。

表1 大田作物播種0～20 cm 平均土壤相對濕度適宜度界限值[15] 單位：%

2.2 土壤溫度適宜度模型

作物播種期對土壤溫度的要求非常高，溫度過低會造成種子發(fā)芽困難；溫度過高則破壞種子發(fā)芽酶的活性，失去催化能力，從而導致種子失去萌發(fā)力[9-10]。

構(gòu)建土壤溫度適宜度模型[11-14]如下

式（2）中，T為10 cm日平均土壤溫度；T0、T1分別為播種最適宜土壤溫度和種子萌發(fā)下限溫度（表2）。

表2 大田作物播種10 cm 土壤溫度適宜度界限值[15] 單位：℃

2.3 土壤解凍深度適宜度模型

一般情況下，大田作物播種深度10～20 cm，因此，土壤解凍深度在30 cm 以上才能開播，當解凍深度大于60 cm后對播種再無影響。由于春小麥需要經(jīng)過一定持續(xù)日數(shù)的低溫春化才能正常生長，內(nèi)蒙古地區(qū)土壤解凍5 cm左右時即可頂凌播種。

構(gòu)建土壤解凍深度適宜度模型如下

式（3）中，D為土壤解凍深度；D0、D1分別為播種適宜土壤解凍深度和可播種的土壤解凍深度（表3）。

表3 大田作物播種土壤解凍深度適宜度界限值 單位：cm

2.4 天氣條件適宜度模型

降水、大風、沙塵等天氣條件對播種作業(yè)影響主要氣候因素，尤其以降水天氣影響最大，會造成播種困難。如果降水量較大，即便強行播種，由于播種器械、犁具、人力等會造成土壤黏結(jié)，且易造成種子分布不均，不利于作物出苗。影響次之的是大風、沙塵，盡管內(nèi)蒙古地區(qū)春季大風、沙塵天氣時有發(fā)生，但對春播作業(yè)的影響相對很小，可不做考慮。

構(gòu)建天氣條件（降水量）適宜度模型[4]如下

式（4）中，R為日降水量；R2=5 mm為能夠播種的降水量上限。

2.5 播種氣象適宜度綜合模型

用以上4個氣象適宜度子模型，運用層次分析法構(gòu)建播種氣象適宜度綜合評價模型

4個氣象適宜度指標的權(quán)重a、b、c、d分別為0.35、0.30、0.15、0.20。

μ（H，T，D，R）是值在0～1的函數(shù)。若μ（H）、μ（T）、μ（D）、μ（R） 中有一個為0，則μ（H，T，D，R）為0。

2.6 播種氣象適宜等級劃分

運用農(nóng)業(yè)氣象觀測站作物播種普期前后各5 d的土壤水分資料、氣象觀測資料進行分析，確定播種氣象適宜等級及劃分標準（表4）。

表4 大田作物播種氣象適宜等級劃分

3 播種氣象適宜度綜合模型的適用性檢驗

分別采用農(nóng)業(yè)氣象觀測站的作物播種日期，旗（縣、區(qū)）大田春播進度兩種方式進行適宜度模型驗證。以呼倫貝爾市扎蘭屯市的大豆和赤峰市松山區(qū)的玉米為例，其他地區(qū)其他作物的驗證結(jié)果未列。

3.1 用農(nóng)業(yè)氣象觀測站播種日期驗證適宜度模型

選取呼倫貝爾市扎蘭屯市農(nóng)業(yè)氣象觀測站大豆播種日期進行適宜度驗證。驗證日期為大豆播種普期，具體適宜度評價結(jié)果見表5。

評價結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)氣象觀測站大豆播種當日的氣象適宜度均為最高的適宜等級。

3.2 用大田春播進度驗證適宜度模型

為了減少農(nóng)業(yè)氣象觀測站小樣本驗證造成的偏差，選用大田播種進度進行補充驗證。選取赤峰市松山區(qū)2012—2016年同時段（4月18—24日）玉米實際播種進度進行驗證。選擇這一時段是因為赤峰市松山區(qū)自4月中旬開始進入玉米播種期，選擇春播前期作為驗證時段，是為了避免春播后期趕農(nóng)時而搶播，使播種進度不能客觀反映適宜度的真實狀況，而造成驗證偏差。首先計算逐日播種適宜度，然后統(tǒng)計各適宜度等級天數(shù)，最后統(tǒng)計分析與對應時段播種進度的關(guān)系。各年氣象適宜度各等級天數(shù)見表6。

表5 呼倫貝爾市扎蘭屯市大豆播種氣象適宜度及等級

表6 赤峰市松山區(qū)2012—2016年4月18—24日玉米播種氣象適宜度與播種進度

由表6可知，赤峰市松山區(qū)2012—2016年同時段（4月18—24日）玉米播種氣象適宜度各等級天數(shù)多寡，與同期播種進度具有顯著的對應關(guān)系。2016年由于土壤相對濕度偏低，播種氣象適宜度均為不適宜，但同期播種進度仍有3.3×103hm2，分析認為，該時段內(nèi)除了土壤濕度偏低，其余各氣象條件均滿足玉米播種所需，而松山區(qū)有約4.7×104hm2水澆地，不受土壤濕度條件的限制，且基本全部種植玉米，因此，2016年的評估結(jié)論也符合生產(chǎn)實際。

通過驗證可知，內(nèi)蒙古大田作物播種氣象適宜度評價模型的指標、模型、參數(shù)設(shè)計構(gòu)建合理，評價方法適用。

4 結(jié)論與討論

（1）構(gòu)建的內(nèi)蒙古大田作物播種氣象適宜度評價模型，充分考慮了種子萌發(fā)對溫度、濕度的需求，具有明確的生物學意義；土壤解凍深度是耕作的前提；降水的多寡則影響著耕種的進度和質(zhì)量。（2）檢驗結(jié)果表明，選擇的評價指標、構(gòu)建的評價模型能夠客觀地反映氣象條件對春播的影響，依托高時空分辨率、高預報準確率的氣象數(shù)值預報產(chǎn)品，對指導春播生產(chǎn)具有重要意義。（3）受內(nèi)蒙古地區(qū)熱量條件的限制，大田作物播種土壤溫度適宜度模型中，適宜土壤溫度低于作物發(fā)芽最適溫度，這是在保證作物能夠正常萌發(fā)，且避免低溫影響，并同時兼顧最大程度利用當?shù)責崃織l件而確定的最優(yōu)參數(shù)（界限值）。（4）大田作物播種氣象適宜度評價模型中涉及的氣象要素，在業(yè)務應用中均為天氣預報要素，因此，播種氣象適宜度評價結(jié)果的準確性，與短期天氣預報準確率密切相關(guān)。內(nèi)蒙古地區(qū)春旱多，常因土壤墑情差而不能按時播種，此時，當預報未來有有效降水出現(xiàn)時，為搶農(nóng)時往往會采取干埋等雨的措施，但鑒于降水量級預報具有不確定性，干埋等雨會存在一定的風險，需慎重考慮。（5）修正了馬樹慶等[4]的土壤水分適宜度模型，其模型并不是連續(xù)函數(shù)，當土壤相對濕度超過播種土壤相對濕度上限和下限時，評估值不具有連續(xù)性，修正后的模型保證了評估值的連續(xù)性，使得土壤水分評價更加客觀。