高紅霞　孫榮宇　李倩文

摘? 要：利用興安盟科右前旗農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2010年～2022年逐日氣象資料和水稻生育期觀測(cè)資料，以溫度、日照時(shí)數(shù)為影響因子，構(gòu)建了以日為尺度的興安盟水稻綜合氣候適宜度評(píng)價(jià)模型。首先結(jié)合興安盟實(shí)際情況，對(duì)水稻溫度和日照氣候適宜度函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行修訂，然后采用熵權(quán)法確定了二者的權(quán)重系數(shù)。最后使用該模型對(duì)科右前旗歷年水稻從移栽至成熟期間的逐日氣候適宜度進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出歷年全生育期綜合氣候適宜度，并將水稻歷年氣象產(chǎn)量與全生育期綜合氣候適宜度進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果顯示二者顯著正相關(guān)，且在0.05置信水平上等級(jí)相關(guān)，表明該模型能夠較好地反映出興安盟氣象條件對(duì)水稻生長(zhǎng)狀況的影響，可以用來(lái)評(píng)價(jià)興安盟水稻生長(zhǎng)的氣候適宜度情況。

關(guān)鍵詞：水稻;氣候適宜度模型;熵權(quán)法;興安盟

Construction and Test of Rice Climate Suitability Model

in Xingan League of Inner Mongolia

GAO Hong-xia ， SUN Rong-yu ， LI Qian-wen

（ Xingan League Meteorological Bureau， Ulanhot， Inner Mongolia 137400， China）

Abstract： Using the daily meteorological data and growth period observation data of Horqin Right Front Banner Agricultural Observation Station in Xingan League from 2010 to 2022， taking temperature and sunshine hours as influencing factors， an evaluation model of rice climate suitability in Xingan League on a daily scale was constructed. First， the parameters of rice temperature and sunshine climate suitability function were revised according to the actual situation of Xingan League， and then the weight coefficients of temperature and sunshine were determined by entropy weight method. Finally， the model was used to calculate the daily climate suitability of rice from transplanting to maturity over the years in Horqin Right Front Banner， and the whole growth period climate suitability were calculated. The correlation analysis between the comprehensive climate suitability of the whole growth period and the meteorological yield of rice over the years shows that they are significantly positive correlation， and the grade correlation is at the 0.05 confidence level. These shows that the model can better reflect the impact of meteorological conditions on rice growth in Xingan League， and can be used to evaluate the climate suitability of rice growth in Xingan League.

Key words： Rice; Climate suitability model; Entropy weight method; Xingan League

興安盟位于內(nèi)蒙古東北部大興安嶺南麓生態(tài)圈，地處黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古三省區(qū)交界處的“中國(guó)稻米金三角”，屬于北緯46度“寒地水稻黃金帶”。興安盟水稻種植廣泛，是內(nèi)蒙古重要的稻米生產(chǎn)基地。隨著農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)內(nèi)容，已經(jīng)不能適應(yīng)新農(nóng)村建設(shè)的需要。面對(duì)新的形勢(shì)需開(kāi)展更科學(xué)、更定量化的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更有力的氣象保障。

氣候適宜度是綜合反映光、溫、水等氣象條件對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的適宜程度[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)氣候適宜度進(jìn)行了大量研究，研究對(duì)象從以往的玉米[2-7]、小麥[8，9]、水稻[10-15]等大田作物，逐漸延伸到茶葉、烤煙等特色作物[16，17]。研究的時(shí)間尺度也從生育期、旬逐漸細(xì)化到日尺度。相關(guān)成果也被廣泛應(yīng)用到農(nóng)作物生長(zhǎng)評(píng)價(jià)、生育期預(yù)報(bào)、作物產(chǎn)量年景預(yù)測(cè)等方面。但是不同作物在同一地區(qū)以及同種作物在不同地區(qū)的種植方式以及適宜程度都是不同的，在實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和生產(chǎn)情況進(jìn)行本地化。本文結(jié)合興安盟水稻生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)已有的氣候適宜度模型的參數(shù)進(jìn)行修訂和改進(jìn)，構(gòu)建了基于日尺度的興安盟水稻氣候適宜度評(píng)價(jià)模型及指標(biāo)。

1? 資料與方法

1.1? 資料來(lái)源

興安盟水稻主要種植區(qū)域位于東北部，因此本研究采用科右前旗氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2010年～2022年的水稻生育期觀測(cè)數(shù)據(jù)以及同期的日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、水稻觀測(cè)地段產(chǎn)量數(shù)據(jù)為主要分析資料，并以扎賚特旗氣象局和烏蘭浩特市氣象局2017年～2021年的水稻生長(zhǎng)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為補(bǔ)充（主要用于氣候適宜度函數(shù)中相關(guān)參數(shù)的確定），以此構(gòu)建興安盟水稻氣候適宜度評(píng)價(jià)模型。

1.2? 氣象產(chǎn)量提取

作物產(chǎn)量不僅與氣象因子有關(guān)，還與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、品種更新等有關(guān)。因此，在長(zhǎng)時(shí)間序列的作物產(chǎn)量與氣象因子關(guān)系的研究中，一般把作物產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)誤差[18]。隨機(jī)誤差因其基本無(wú)規(guī)律可循，故不計(jì)入方程中。因此，作物產(chǎn)量構(gòu)成常表示為：

式中Yt為趨勢(shì)產(chǎn)量，Yw為氣象產(chǎn)量。氣象產(chǎn)量是指受氣象因子變化影響的產(chǎn)量分量，為了估算這部分產(chǎn)量，需要從產(chǎn)量序列中提取出趨勢(shì)產(chǎn)量。目前較常用的趨勢(shì)產(chǎn)量模擬方法為滑動(dòng)平均法，本文采用該方法提取歷年水稻的趨勢(shì)產(chǎn)量。

1.3? 熵權(quán)法

本文采用熵權(quán)法確定相關(guān)氣象要素及生育期權(quán)重。作為一種客觀賦權(quán)法，熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來(lái)確定權(quán)重。若某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小，表明指標(biāo)的差異程度越大，提供給決策者的信息量就越多，在綜合評(píng)價(jià)中的權(quán)重也就越大。反之，其權(quán)重也就越小[19]。首先，根據(jù)信息論中信息熵的定義，計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的信息熵（式2），其次，通過(guò)信息熵計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重（式3）。

式（2）中? ? ? ? ? ，如果pij =0，則定義? ? ? ? ? ? ?，Ej為第j個(gè)指標(biāo)的信息熵，n為第j個(gè)指標(biāo)的樣本數(shù)。式（3）中Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，k為指標(biāo)總數(shù)。

2? 模型建立及檢驗(yàn)

2.1? 模型建立

興安盟水稻實(shí)行棚內(nèi)育秧，適期移栽的種植模式。播種至移栽期間受外界氣象條件的影響較小，同時(shí)興安盟水稻移栽后的水分需求以灌溉為主，采用淺濕干交替的人為調(diào)控方式。因此，本文主要研究水稻移栽后溫度和日照對(duì)其生長(zhǎng)的影響。根據(jù)興安盟水稻生長(zhǎng)觀測(cè)實(shí)際，文中將生育期分為移栽-返青期、返青-分蘗期、分蘗-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期、抽穗-乳熟期和乳熟-成熟期，共6個(gè)生育階段。然后以歷年各生育期期間的日氣象要素為基礎(chǔ)，建立興安盟水稻日溫度適宜度函數(shù)和日照適宜度函數(shù)。

2.1.1? 溫度適宜度函數(shù)? 根據(jù)前人的研究[20]，并結(jié)合興安盟水稻生產(chǎn)實(shí)際，確定溫度適宜度函數(shù)如下：

其中，ti為某日平均氣溫，t0，tl，th分別為水稻某日所需的最適溫度、下限溫度和上限溫度。文中水稻各生育期所需三基點(diǎn)溫度參考了相關(guān)文獻(xiàn)[11]，并結(jié)合興安盟實(shí)際進(jìn)行了訂正，具體取值見(jiàn)表1。然后采用多項(xiàng)式擬合的方法，計(jì)算出水稻移栽至成熟逐日最適溫度、下限溫度和上限溫度。

2.1.2? 日照適宜度函數(shù)? 研究表明[21]，當(dāng)日照時(shí)數(shù)達(dá)到可照時(shí)數(shù)的70%以上時(shí)，作物對(duì)光照的反應(yīng)處于最適狀態(tài)，相應(yīng)日照適宜度函數(shù)為：

F（s）i為日日照適宜度函數(shù)，S為某日實(shí)際日照時(shí)數(shù)，S0為當(dāng)日可照時(shí)數(shù)的70%，其計(jì)算公式如（6）所示。b為常數(shù)，其參考取值見(jiàn)表1。

上式中Φ為地理緯度，δ為赤緯，γ為蒙氣差，t為時(shí)角。

2.1.3? 日綜合氣候適宜度模型? 水稻每日的綜合氣候適宜度是氣溫、水分和日照等氣象要素綜合作用的結(jié)果。由于水分以灌溉為主，因此認(rèn)為水稻生長(zhǎng)過(guò)程中水分條件一直是適宜的，文中主要考慮氣溫和日照的影響。為客觀反映不同氣象因子對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度，以科右前旗歷年水稻溫度適宜度和日照適宜度序列為基礎(chǔ)，采用熵權(quán)法計(jì)算得出氣溫和日照的權(quán)重系數(shù)。由此得出水稻日綜合氣候適宜度公式如下：

F（c）i為水稻某日綜合氣候適宜度，F(xiàn)（t）i、F（s）i分別為該日溫度適宜度和日照適宜度。a、b為相應(yīng)權(quán)重系數(shù)，經(jīng)計(jì)算a為0.24，b為0.76。

2.1.4? 全生育期綜合氣候適宜度模型? 由于不同生育期對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響程度不同，文中將各生育期的綜合氣候適宜度加權(quán)求和，得出水稻全生育期的綜合氣候適宜度。

F（c）為水稻當(dāng)年全生育期綜合氣候適宜度，F(xiàn)（ci）為該年某生育期綜合氣候適宜度，Ki為各生育期權(quán)重系數(shù)，采用熵權(quán)法確定，具體權(quán)重值見(jiàn)表2，n為全生育期包含的生育期數(shù)目，本文中為6。

2.2? 模型的檢驗(yàn)

2.2.1? 檢驗(yàn)方法? 為了檢驗(yàn)所構(gòu)建的氣候適宜度模型，能否客觀地評(píng)價(jià)氣象條件對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響。本文利用科右前旗農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的氣象資料和水稻生育期觀測(cè)資料，計(jì)算了2010年～2022年水稻移栽至成熟期間的全生育期綜合氣候適宜度，然后將歷年全生育期綜合氣候適宜度與對(duì)應(yīng)年份的氣象產(chǎn)量做相關(guān)性分析，如果二者相關(guān)性較高，則表明模型能夠較好地反映出氣象條件對(duì)水稻生長(zhǎng)狀況的影響。

2.2.2? 檢驗(yàn)結(jié)果? 本文對(duì)科右前旗2010年～2022年的全生育期綜合氣候適宜度與相應(yīng)年份的氣象產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，同時(shí)，計(jì)算了二者的秩相關(guān)系數(shù)（表3），結(jié)果表明水稻氣象產(chǎn)量與綜合氣候適宜度顯著正相關(guān)，且在0.05置信水平上等級(jí)相關(guān)。表明該模型能夠較好地反映出興安盟氣象條件對(duì)水稻生長(zhǎng)狀況的影響，可以用來(lái)評(píng)價(jià)興安盟水稻生長(zhǎng)的氣候適宜度情況。

2.3? 氣候適宜度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文參考前人的研究結(jié)果[4]，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)科右前旗農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2010年～2022年的逐日氣候適宜度由低到高進(jìn)行排序，得到13個(gè)水稻氣候適宜度序列，即S1，S2......S13。分別將日氣候適宜度序列中的S3（前20%），S7（中值）和S11（后20%）作為不適宜、較適宜和適宜的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由圖1可以看出，在水稻移栽至拔節(jié)期間“不適宜”指標(biāo)變化幅度較大，“較適宜”和“適宜”指標(biāo)變化較為平緩，此時(shí)正值春末夏初，興安盟氣溫變化較為頻繁，不適宜的氣象條件出現(xiàn)較多，對(duì)移栽后水稻正常生長(zhǎng)影響較大;拔節(jié)至抽穗期（移栽后50～75 d），“不適宜”和“適宜”指標(biāo)變化較小，分別在0.0～0.3和0.9～1.0之間變化，表明此階段的氣象條件較利于水稻的正常生長(zhǎng);抽穗至成熟期（移栽后76～112 d）“不適宜”指標(biāo)波動(dòng)較大，在0.0～0.5之間變化，“較適宜”指標(biāo)在0.6～0.8，“適宜”指標(biāo)在0.8～1.0（表4），說(shuō)明此期間，興安盟的整體氣象條件較利于水稻的灌漿成熟，但是入秋后氣溫開(kāi)始下降，個(gè)別年份會(huì)出現(xiàn)氣溫較低，不適宜水稻成熟的情況。

3? 結(jié)論與討論

3.1? 結(jié)論

氣象條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的適宜程度是個(gè)模糊的概念，適宜用模糊數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表達(dá)。由于興安盟地區(qū)水稻生產(chǎn)過(guò)程中的水分條件，主要采用淺濕干交替的人工控制模式，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中水分條件都是適宜的。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮了氣溫和日照對(duì)興安盟水稻生長(zhǎng)的影響，建立了基于日尺度的興安盟水稻綜合氣候適宜度評(píng)價(jià)模型。首先，通過(guò)查閱文獻(xiàn)，并結(jié)合興安盟歷年水稻觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定了興安盟水稻主要生育期的三基點(diǎn)溫度，并對(duì)日照適宜度函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行了確定;其次，通過(guò)模糊隸屬函數(shù)建立了水稻溫度適宜度函數(shù)和日照適宜度函數(shù)，并采用熵權(quán)法確定了二者的權(quán)重系數(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了興安盟水稻日綜合氣候適宜度評(píng)價(jià)模型和水稻全生育期綜合氣候適宜度評(píng)價(jià)模型。經(jīng)檢驗(yàn)，模型計(jì)算結(jié)果與水稻氣象產(chǎn)量的相關(guān)性較高，表明該模型能夠較好地反映出興安盟氣象條件對(duì)水稻生長(zhǎng)狀況的影響，可以用來(lái)評(píng)價(jià)興安盟水稻生長(zhǎng)的氣候適宜度情況;最后，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，建立了興安盟水稻綜合氣候適宜度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2? 討論

農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中需要評(píng)價(jià)氣象條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，以往的評(píng)價(jià)多以定性分析為主。隨著氣象現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，對(duì)農(nóng)業(yè)氣象工作提出了更高的要求。近幾年多地針對(duì)當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)作物開(kāi)展了氣候適宜性方面的研究，以更定量化地分析氣象條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，開(kāi)展更科學(xué)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。

興安盟是內(nèi)蒙古自治區(qū)稻米的主產(chǎn)區(qū)，隨著稻米品牌的不斷升級(jí)，各旗縣水稻種植面積趨于增加，但當(dāng)?shù)蒯槍?duì)水稻的氣象服務(wù)基本空白，很多農(nóng)業(yè)氣象問(wèn)題沒(méi)有解決。因此，本文采用氣候適宜度方法，較深入地研究了氣象條件對(duì)興安盟水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以期為當(dāng)?shù)睾侠戆才潘旧a(chǎn)和發(fā)展水稻種植業(yè)提供一定依據(jù)。但是，農(nóng)作物的生長(zhǎng)不僅受氣象條件影響，還受品種、種植方式等的影響。因此，有必要進(jìn)一步結(jié)合品種類型、栽培技術(shù)等因素開(kāi)展更準(zhǔn)確、更精細(xì)化的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏瑞江，王鑫.氣候適宜度國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2019，34（6）：584-595.

[2] 姚小英，蒲金涌，姚茹莘，等.氣候暖干化背景下甘肅旱作區(qū)玉米氣候適宜性變化[J].地理學(xué)報(bào)，2011，66（1）：59-67.

[3] 宮麗娟，王晨軼，王萍，等.東北三省玉米氣候適宜度變化分析[J].玉米科學(xué)，2013，21（5）：140-146.

[4] 侯英雨，張艷紅，王良宇，等.東北地區(qū)春玉米氣候適宜度模型[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24（11）：3207-3212.

[5] 李樹(shù)巖，陳懷亮.河南省夏玉米氣候適宜性評(píng)價(jià)[J].干旱氣象，2014，32（5）：751-759.

[6] 王展，劉榮花，薛明，等.基于氣候適宜度的夏玉米發(fā)育期模擬模型[J].氣象科學(xué)，2015，35（1）：77-82.

[7] 高紅霞，武榮勝，劉洋.內(nèi)蒙古興安盟玉米氣候適宜度模型構(gòu)建[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，38（1）：23-28.

[8] 張佩，田娜，趙會(huì)穎，等.江蘇省冬小麥氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型建立及應(yīng)用[J].氣象科學(xué)，2015，35（4）：468-473.

[9] 王勝，田紅，黨修伍，等.安徽淮北平原冬小麥氣候適宜度分析及作物年景評(píng)估[J].氣候變化研究進(jìn)展，2017，13（3）253-261.

[10] 譚孟祥，景元書(shū)，曹海寧.江蘇省一季稻生長(zhǎng)季氣候適宜度及其變化趨勢(shì)分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（1）：349-353.

[11] 胡春麗，陳鵬獅，王婉昭，等.遼寧水稻氣候適宜度變化特征及其對(duì)區(qū)域氣候變暖的響應(yīng)[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2021，33（7）：13-18.

[12] 徐敏，吳洪顏，張佩，等.基于氣候適宜度的江蘇水稻氣候年景預(yù)測(cè)方法[J].氣象，2018，44（9）：1200-1207.

[13] 黃淑娥，田俊，吳慧峻，等.江西省雙季水稻生長(zhǎng)季氣候適宜度評(píng)價(jià)分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（4）：527-533.

[14] 孫科，婁偉平，朱曉晨.紹興市水稻氣候適宜度精細(xì)化分布特征[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，60（2）：331-336.

[15] 黃維，楊沈斌，陳德，等.蘇皖鄂地區(qū)一季稻氣候適宜度模型的構(gòu)建[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（2）：232-238.

[16] 余會(huì)康.閩東茶葉氣候適宜度變化特征[J]. 山地學(xué)報(bào)，2016，34（4）：415-424.

[17] 何永坤，張建平.渝東地區(qū)烤煙氣候適宜度及其變化特征研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（9）：140-146.

[18] 房世波.分離趨勢(shì)產(chǎn)量和氣候產(chǎn)量的方法探討[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011，20（6）：13-18.

[19] 賈艷紅，趙軍，南忠仁，等.基于熵權(quán)法的草原生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（8）：1003-1008.

[20] 馬樹(shù)慶.氣候變化對(duì)東北區(qū)糧食產(chǎn)量的影響及其適應(yīng)性對(duì)策[J].氣象學(xué)報(bào)，1996，54（4）：484-492.

[21] 黃璜.中國(guó)紅土壤地區(qū)作物生產(chǎn)的氣候生態(tài)適應(yīng)性研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，1996，11（4）：340-346.

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古氣象局引導(dǎo)性創(chuàng)新項(xiàng)目（nmqxydcx202208）。

收稿日期：2023-02-02

作者簡(jiǎn)介：高紅霞（1982-），高級(jí)工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)監(jiān)測(cè)方面的研究工作。