譚 文，楊世瓊，左 晉，劉宇鵬，于 飛

(貴州省山地氣候環(huán)境研究所/貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

0 引言

【研究意義】辣椒是我國重要的蔬菜和調味品，其播種面積占全國蔬菜總播種面積的8%～10%，產(chǎn)值約2 500 億元，目前，辣椒的播種面積和產(chǎn)值均居全國蔬菜的首位[1-2]。貴州是辣椒種植大省，辣椒產(chǎn)業(yè)是貴州農業(yè)重要的支柱產(chǎn)業(yè)和農民增收致富的重要途徑，擁有全國唯一的國家級辣椒市場，發(fā)展辣椒產(chǎn)業(yè)基礎良好，勢頭強勁[3-4]。及時、準確、動態(tài)地提前預報辣椒產(chǎn)量對保障重要農產(chǎn)品有效供給以及開展市場營銷具有較強的指導意義?！厩叭搜芯窟M展】當前國內外針對玉米、水稻、小麥等糧食作物的產(chǎn)量預報已開展多年研究[5-7]，預報方法趨于成熟。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人民物質生活水平不斷提高，經(jīng)濟作物的種植面積逐年增加，已有學者開展烤煙、橡膠、荔枝、茶葉等經(jīng)濟作物產(chǎn)量預報研究[8-11]。楊艷超[8]等運用多元線性回歸方法，建立了基于代表縣綜合氣候適宜度的陜西省烤煙單產(chǎn)預報模型。黃珍珠等[9]和彭曉丹等[10]基于關鍵氣象因子，分別建立了廣東省橡膠產(chǎn)量預報模型和增城荔枝產(chǎn)量預報模型。馬于茗等[11]基于AquaCrop 模型，建立了安吉縣和松陽縣茶葉產(chǎn)量預報模型?！狙芯壳腥朦c】氣候環(huán)境對辣椒產(chǎn)量的影響較大，目前基于氣象因子預測辣椒產(chǎn)量方面的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】選擇貴州省辣椒主要種植區(qū)2010—2019年辣椒單產(chǎn)與氣象數(shù)據(jù)，結合辣椒氣候適宜度模型，建立辣椒相對氣候適宜度指數(shù)；以月為步長，建立辣椒從播種到開花期至成熟期逐月的產(chǎn)量動態(tài)預報模型，實現(xiàn)辣椒產(chǎn)量及時、準確、動態(tài)的預報與評估。

1 資料與方法

1.1 資料及處理

2010—2019年貴州省88個縣(市、區(qū))的辣椒種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)由貴州省統(tǒng)計局提供；84個氣象站辣椒生長季(3月中旬至8月下旬)逐日平均溫度、降水量和日照時數(shù)由貴州省氣象局提供。

為達到預測貴州地區(qū)辣椒產(chǎn)量前景的目的，按照辣椒采收方式，將貴州省分為北部加工型辣椒產(chǎn)業(yè)帶和南部鮮食辣椒產(chǎn)業(yè)帶[4]。分別在2個產(chǎn)業(yè)帶2019年辣椒種植面積排名前5的縣(市、區(qū))中各選取3個進行產(chǎn)量動態(tài)預報模型構建，北部產(chǎn)業(yè)帶選擇湄潭縣、綏陽縣和鳳岡縣，南部產(chǎn)業(yè)帶選擇盤州市、甕安縣和西秀區(qū)。一定區(qū)域內，相鄰2年作物單產(chǎn)的變化主要是由相鄰2年氣象條件的差異引起[12]。為此，對辣椒單產(chǎn)作如下處理：

△Yi=(Yi-Yi-1)/Yi-1×100%

式中，i為第i年；i-1為第i年的上一年；△Yi為第i年與第i-1年辣椒平均單產(chǎn)的豐歉值，即相對產(chǎn)量；Yi和Yi-1分別為第i年和第i-1年辣椒的平均單產(chǎn)。

1.2 氣候適宜度模型的建立

為達到定量評價光、溫、水氣象因子對農作物產(chǎn)量形成適宜度的目的，利用模糊數(shù)學理論，把氣象因子的數(shù)量變化通過模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)方法轉化成對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成的適宜程度。農作物生育期內的溫度、降水、日照為不同的模糊集，通過建立模糊集如溫度(T)、降水(R)、日照(S)的適宜度函數(shù)f(t)、f(r)、f(s)，計算作物生育期內逐旬的溫度(t)、降水(r)、日照(s)對農作物生長發(fā)育的適宜程度。

1.2.1 溫度適宜度模型 為定量分析貴州省熱量資源對辣椒生長發(fā)育的滿足程度，引入辣椒對溫度的反應函數(shù)：

f(T)=

α=(Tmax-Ts)/(Ts-Tmin)

式中，f(T)為溫度適宜度，T為實況溫度，Tmin為辣椒生長發(fā)育下限溫度，Tmax為生長發(fā)育上限溫度，a為溫度對辣椒生長發(fā)育的影響系數(shù)，Ts為辣椒生長發(fā)育最適溫度。參考前人研究成果[13-14]確定Tmax、Tmin、Ts的取值。

1.2.2 降水適宜度模型

式中，f(R)為降水適宜度，R為實時降水量(mm)，E0為農田蒸散(農田基本耗水量)，f(R)∈[0，1]；E0可通過彭曼公式和作物系數(shù)估算，參考原蘇聯(lián)謝良尼諾夫經(jīng)驗公式的原理推算[13-14]。

E0=Kc×∑T

式中，Kc為作物系數(shù)[經(jīng)驗值，或稱水熱系數(shù)，mm/(℃·d)]；∑T為逐日溫度累積值。

1.2.3 日照適宜度模型

式中，f(s)為日照適宜度，S為實時日照時數(shù)，S0為光合作用達到作物潛在光合能力的日照時數(shù)[13-14]。

1.2.4 辣椒各生育期綜合氣象適宜指數(shù)模型

Fi=[fi(T)+fi(R)+fi(S)]/3

式中，F(xiàn)i為第j旬辣椒氣象適宜度，F(xiàn)j(T)、Fj(R)、Fj(S)分別為第j旬溫度、降水、日照適宜度。

1.3 相對氣候適宜度指數(shù)的建立

相對氣候適宜度為相鄰2年作物氣候適宜度的差值，可以體現(xiàn)相鄰2年作物生育期內氣象條件的差異，公式：

△Fij=Fij-F(i-1)j

式中，i為第i年；i-1為第i年的上一年；j為第j旬；△Fij為第i年第j旬辣椒相對氣候適宜度，F(xiàn)ij和F(i-1)j分別為第i年和第i-1年第j旬辣椒相對氣候適宜度。

相對氣候適宜度指數(shù)是由辣椒播種開始至某一時段的逐旬相對氣候適宜度加權集成構成。其中，各旬權重系數(shù)的大小是通過計算辣椒相對產(chǎn)量與各旬相對氣候適宜度之間的相關系數(shù)大小確定，各旬的權重系數(shù)Kj如下[15]：

式中，n為辣椒從播種至某一時段的旬數(shù)，Rj為辣椒相對氣象產(chǎn)量與各旬相對氣候適宜度的相關系數(shù)。

相對氣候適宜度指數(shù)：

式中，△FIj為第j旬的相對氣候適宜度指數(shù)，Kj為第j旬的權重系數(shù)，F(xiàn)j為第j旬的相對氣候適宜度。

1.4 模型的檢驗

利用建立的產(chǎn)量預報模型對2010—2017年貴州省不同產(chǎn)業(yè)帶辣椒單產(chǎn)進行回代檢驗，并對2018—2019年貴州省不同產(chǎn)業(yè)帶辣椒單產(chǎn)進行預報檢驗。預報準確率計算方法如下：

式中，Y預報為某年的辣椒單產(chǎn)預報值，Y實際為當年辣椒單產(chǎn)實際產(chǎn)量值。

1.4.1 回代檢驗 利用得出的預報模型，對6個代表縣(市、區(qū))2011—2017年辣椒平均單產(chǎn)進行動態(tài)預報，通過預報模型得出Y預報，并結合上述公式進行回代檢驗，計算準確率。

1.4.2 預報檢驗 利用得出的預報模型，對6個代表縣(市、區(qū))2018—2019年辣椒平均單產(chǎn)進行動態(tài)預報，通過預報模型得出Y預報，并結合上述公式進行預報檢驗，計算準確率。

2 結果與分析

2.1 相對氣候適宜度指數(shù)與辣椒單產(chǎn)豐歉值的相關性

從表1看出，5月下旬至8月下旬的累積相對氣候適宜度指數(shù)與辣椒單產(chǎn)豐歉值均呈正相關，其相關性均通過0.05水平的顯著性檢驗，即氣候條件越適宜，辣椒單產(chǎn)豐歉值越高。說明，建立的辣椒相對氣候適宜度指數(shù)能夠客觀反映貴州省北部、南部兩大辣椒產(chǎn)業(yè)帶的氣候適宜度與單產(chǎn)豐歉值的變化情況。

表1 北部和南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶相對氣候適宜度指數(shù)與單產(chǎn)豐歉值的相關性Table 1 Correlation between relative climatic suitability index and pepper yield per unit area in northern and southern pepper growing areas

2.2 辣椒產(chǎn)量動態(tài)預報模型

由表2看出，利用2010—2017年辣椒生育期內逐旬氣溫、降水、日照和各縣辣椒逐年平均單產(chǎn)數(shù)據(jù)資料構建的貴州省辣椒不同時段的預報模型均通過0.05水平顯著性檢驗。說明，建立的模型可以客觀反映辣椒生長期內氣象要素變化對單產(chǎn)增減的影響。

表2 北部和南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶基于相對氣候適宜度指數(shù)的不同時段產(chǎn)量預報模型Table 2 Forecast models of pepper yield at different growth stages based on relative climatic suitability index in northern and southern pepper growing areas

2.3 辣椒產(chǎn)量動態(tài)預報模型的檢驗

2.3.1 回代檢驗 從表3可知，全省預報的平均準確率可達88.35%，北部辣椒產(chǎn)業(yè)帶產(chǎn)量預報模型準確率高于南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶，綏陽、鳳岡高于90.00%，湄潭、盤州、甕安、西秀為80.00%～90.00%。由此表明，建立的辣椒產(chǎn)量動態(tài)預報模型預測結果較可信，可滿足省級產(chǎn)量預報的業(yè)務需求。

2.3.2 預報檢驗 從表4可知，全省平均預報準確率可達84.34%，隨著時間延后預報準確率從79.28%升至87.59%。南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶產(chǎn)量預報模型準確率均在80%以上，高于北部辣椒產(chǎn)業(yè)帶。北部辣椒產(chǎn)業(yè)帶6月1日的預報準確率低于80.00%，隨著預報時間延后，8月1日、9月1日的預報準確率升至80.00%以上。

表3 2011—2017年辣椒產(chǎn)量動態(tài)預報回代檢驗平均準確率Table 3 Average accuracy of pepper yield predicted by dynamic forecast return test from 2011 to 2017 %

表4 2018—2019年辣椒產(chǎn)量動態(tài)預報預報檢驗準確率Table 4 Accuracy of pepper yield predicted by dynamic forecast test from 2018 to 2019 %

3 討論

劉維等[16]研究發(fā)現(xiàn)，小區(qū)域尤其是縣級尺度集成模型預報結果總體優(yōu)于地市級集成和省級尺度預報模型，這主要是由于縣級尺度預報模型使用了針對性更強的產(chǎn)量序列和氣象數(shù)據(jù)。研究分區(qū)域分別選擇種植面積較大的3個縣(市、區(qū))進行辣椒產(chǎn)量動態(tài)預報模型構建，可更好地反映當?shù)貧庀髼l件對辣椒生長發(fā)育的影響。

基于相對氣候適宜度指數(shù)建立了分區(qū)域產(chǎn)量動態(tài)預報模型，構建的產(chǎn)量動態(tài)預報模型均通過0.05水平顯著性檢驗。從回代檢驗和預報檢驗看，全省回代檢驗的預報準確率可達88.35%，全省預報檢驗的預報準確率可達84.34%，基本滿足省級產(chǎn)量預報的業(yè)務需求，為貴州省辣椒產(chǎn)量預報提供重要的參考信息。由于模型僅使用平均氣溫、降水量、日照時數(shù)等較容易獲取的要素，未考慮農業(yè)氣象災害以及政策、種植管理方法等社會因素，這也是造成預報準確率波動的重要因素。因此，需考慮農業(yè)氣象災害以及政策、品種更換等因素的實際發(fā)生情況對預報結果進行訂正，提高預報準確率。

4 結論

辣椒單產(chǎn)豐歉值與不同時段相對氣候適宜度指數(shù)間存在較高的相關性，說明建立的辣椒相對氣候適宜度指數(shù)能夠客觀反映貴州省北部、南部兩大產(chǎn)業(yè)帶的氣候適宜度與單產(chǎn)豐歉值的變化情況，基于相對氣候適宜度指數(shù)的預報方法適用于貴州省不同辣椒產(chǎn)業(yè)帶的單產(chǎn)預報。