李美萱 霍治國(guó)2)* 孔 瑞3) 江夢(mèng)圓2) 米前川2)

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081) 2)(南京信息工程大學(xué), 南京 210044) 3)(中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 武漢 430074)

引 言

黃淮海地區(qū)是我國(guó)冬小麥主產(chǎn)區(qū),其中河南、山東、河北、安徽、江蘇的冬小麥產(chǎn)量占全國(guó)冬小麥總產(chǎn)量的78%,也是我國(guó)冬小麥春季低溫災(zāi)害的高發(fā)區(qū)、重發(fā)區(qū),部分地區(qū)發(fā)生頻率超過(guò)30%,最高可達(dá)70%[1]。隨著氣候變暖,冬小麥春季發(fā)育期提前,疊加氣候波動(dòng)加劇、作物脆弱性增加,冬小麥春季低溫災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加,導(dǎo)致冬小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)存在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。

冬小麥對(duì)溫度變化較為敏感,低溫影響冬小麥發(fā)育進(jìn)程、生理機(jī)能,進(jìn)而造成減產(chǎn)[5-7]。春季低溫脅迫對(duì)冬小麥穗部發(fā)育影響較大,通過(guò)影響成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重3個(gè)要素,導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量下降,對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響因所處發(fā)育階段不同而不同[5,8-9]?；诳刂圃囼?yàn)研究春季低溫脅迫對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響,因受到試驗(yàn)地點(diǎn)、品種和試驗(yàn)溫度設(shè)計(jì)等因素限制,得到結(jié)果的區(qū)域代表性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。Meta分析又稱整合分析,是一種對(duì)若干獨(dú)立研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析的定量統(tǒng)計(jì)方法,通過(guò)增大樣本量,減少隨機(jī)誤差,打破獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果的局限性,獲得區(qū)域水平的一般性規(guī)律[10]。

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)是基于歷史災(zāi)情記錄[11-13]、典型災(zāi)害過(guò)程觀測(cè)數(shù)據(jù)[14]、模擬試驗(yàn)[15-17]等,結(jié)合觀測(cè)氣象數(shù)據(jù),篩選表征災(zāi)害過(guò)程的主要致災(zāi)因子,實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的分級(jí)判識(shí)。以往災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建?；谌粘叨葦?shù)據(jù),基于小時(shí)尺度數(shù)據(jù)構(gòu)建指標(biāo)鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以黃淮海冬小麥主產(chǎn)區(qū)為研究區(qū)域,采用Meta分析方法定量評(píng)估黃淮海地區(qū)春季不同發(fā)育期低溫脅迫(過(guò)程最低溫度、低溫持續(xù)時(shí)間)對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響,構(gòu)建冬小麥低溫災(zāi)害小時(shí)尺度等級(jí)指標(biāo),以期為準(zhǔn)確評(píng)估冬小麥春季低溫災(zāi)害的影響和區(qū)域冬小麥低溫災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

從中國(guó)知網(wǎng)、維普、萬(wàn)方、科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(Web of Science)檢索及篩選相關(guān)方向文獻(xiàn),初檢出文獻(xiàn)1311篇,通過(guò)閱讀文題和摘要初篩出文獻(xiàn)150篇,按特定標(biāo)準(zhǔn):①試驗(yàn)范圍屬于本研究所規(guī)定的區(qū)域,考慮指標(biāo)應(yīng)用的省級(jí)代表性,本研究納入安徽、江蘇區(qū)域內(nèi)全部試驗(yàn)樣本;②試驗(yàn)必須包含相同條件下的低溫處理組和對(duì)照組;③必須包含處理組和對(duì)照組的產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重?cái)?shù)據(jù),相關(guān)參數(shù)數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)差及樣本量能夠直接從圖、表或文字中提取或通過(guò)計(jì)算獲得;④不同刊物出現(xiàn)相同試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),選擇數(shù)據(jù)信息較為全面的文獻(xiàn)復(fù)篩,將符合條件的34篇文獻(xiàn)(表1)納入分析,按“第1作者-發(fā)表時(shí)間-過(guò)程最低溫度-低溫持續(xù)時(shí)間-試驗(yàn)組數(shù)據(jù)(平均值、樣本量、標(biāo)準(zhǔn)差)-對(duì)照組數(shù)據(jù)(平均值、樣本量、標(biāo)準(zhǔn)差)”格式提取文獻(xiàn)中數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)整理最終得到單株產(chǎn)量、單株穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重?cái)?shù)據(jù)分別為506組、500組、475組和443組。

表1 納入文獻(xiàn)的試驗(yàn)地點(diǎn)和供試品種信息

1.2 分析方法

1.2.1 Meta分析

1.2.1.1 效應(yīng)值的計(jì)算

本研究選取生態(tài)學(xué)領(lǐng)域常用反應(yīng)比的對(duì)數(shù)(lnR)作為效應(yīng)值衡量低溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響,該效應(yīng)值基于平均值,要求試驗(yàn)組與對(duì)照組平均值不為0,其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:lnR為效應(yīng)值,Xt與Xc分別為低溫脅迫處理組與對(duì)照組冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素平均值。

效應(yīng)值的大小反映低溫對(duì)特征量的影響程度。將數(shù)據(jù)分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為相對(duì)變化率,直觀解釋低溫脅迫對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響。當(dāng)相對(duì)變化率的95%上下限不與橫軸相交時(shí),則認(rèn)為P<0.05,即低溫對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響顯著,否則表示影響不明顯。

1.2.1.2 Meta回歸

Meta回歸分析指通過(guò)建立回歸方程,反映自變量與因變量間的關(guān)系,篩選出導(dǎo)致異質(zhì)性的重要影響因素。以效應(yīng)值lnR為因變量,過(guò)程最低溫度、低溫持續(xù)時(shí)間為自變量,分析不同發(fā)育階段過(guò)程最低溫度及低溫持續(xù)時(shí)間對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響的顯著程度。

1.2.1.3 敏感性分析

采用單項(xiàng)研究逐項(xiàng)剔除,判斷合并效應(yīng)量改變是否明顯進(jìn)行敏感性分析,若改變量小于5%,認(rèn)為敏感性低,合并效應(yīng)量結(jié)果具有穩(wěn)定性;改變量大于5%,則剔除該項(xiàng)研究。

1.2.1.4 亞組分析

基于試驗(yàn)樣本,按過(guò)程最低溫度、低溫持續(xù)時(shí)間進(jìn)行亞組分析,探討不同低溫強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間引起的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化的差異。

1.2.2 冬小麥春季低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建

1.2.2.1 冬小麥低溫受災(zāi)樣本集構(gòu)建

冬小麥?zhǔn)艿蜏孛{迫影響與低溫強(qiáng)度、低溫持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)[20,49]。隨著溫度降低、脅迫時(shí)間延長(zhǎng),冬小麥產(chǎn)量下降幅度增大[50]。本研究選取控制試驗(yàn)中,冬小麥?zhǔn)艿蜏孛{迫過(guò)程的最低溫度(過(guò)程最低溫度)和積冷量(過(guò)程積冷量)作為判識(shí)因子構(gòu)建低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)低溫脅迫樣本發(fā)現(xiàn)冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期低溫脅迫試驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程最低溫度主要集中在-10～-3 ℃、-10～2 ℃、-7～4 ℃和2～8 ℃,參照文獻(xiàn)[51-52]記載的小麥不同發(fā)育期三基點(diǎn)溫度,選取0 ℃、3 ℃、7 ℃和9 ℃作為黃淮海地區(qū)冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期生長(zhǎng)下限溫度。低溫試驗(yàn)樣本包括恒溫控制、變溫控制兩類,不同于降溫天氣過(guò)程溫度的動(dòng)態(tài)變化:對(duì)于恒溫控制的低溫試驗(yàn)樣本,選取控制過(guò)程中的溫度最小值作為過(guò)程最低溫度Tmin,采用式(2)計(jì)算過(guò)程積冷量Xh以表征低溫累積效應(yīng);對(duì)于變溫控制的低溫試驗(yàn)樣本,選取控制過(guò)程中溫度設(shè)置最小值作為過(guò)程最低溫度Tmin,根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[53]的有害積寒定義,采用式(3)計(jì)算過(guò)程積冷量Xh。根據(jù)Meta分析剔除敏感樣本,按照“過(guò)程最低溫度-過(guò)程積冷量-減產(chǎn)率”不同發(fā)育階段得到的受災(zāi)樣本量為501,其中返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期的樣本量分別為21、331、100和49(表2)。

表2 無(wú)災(zāi)及受災(zāi)樣本量

(2)

(3)

式(2)和式(3)中:Xh為遭受低溫脅迫的過(guò)程積冷量,單位為℃·h;Tmin為過(guò)程最低溫度,單位為℃;Tc為對(duì)應(yīng)發(fā)育階段的生長(zhǎng)下限溫度,單位為℃;Tm為過(guò)程平均溫度,單位為℃;t為低溫持續(xù)時(shí)間,單位為h。

1.2.2.2 冬小麥低溫?zé)o災(zāi)樣本集構(gòu)建

本研究收集試驗(yàn)研究中低溫脅迫的對(duì)照組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為無(wú)災(zāi)樣本,得到明確記載過(guò)程溫度情況及持續(xù)時(shí)間的樣本量為204,其中返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期的樣本量分別為15、116、44和29(表2)。

1.2.2.3 低溫災(zāi)害判識(shí)閾值的確定

接收者操作特征曲線(receiver operating characteristics curve,ROC曲線)被廣泛用于評(píng)估判識(shí)因子性能,確定分類臨界閾值。將無(wú)災(zāi)樣本和受災(zāi)樣本設(shè)置為兩類事件,通過(guò)設(shè)定不同閾值得到正確判識(shí)受災(zāi)樣本的數(shù)量(TP)、錯(cuò)誤判識(shí)受災(zāi)樣本的數(shù)量(FN)、錯(cuò)誤判識(shí)無(wú)災(zāi)樣本的數(shù)量(FP)、正確判識(shí)無(wú)災(zāi)樣本的數(shù)量(TN),計(jì)算真陽(yáng)性率TPR(式(4))和假陽(yáng)性率FPR(式(5)),以假陽(yáng)性率為橫坐標(biāo)、真陽(yáng)性率為縱坐標(biāo)繪制ROC曲線。

(4)

(5)

曲線下方面積(area under the curve,AUC)是度量ROC曲線下面積的指標(biāo),AUC越接近1.0,判識(shí)因子性能越好;AUC為0.5,隨機(jī)猜測(cè);AUC為(0.5,0.7],判識(shí)因子性能一般;AUC為(0.7,0.9],判識(shí)因子性能良好;AUC大于0.9,判識(shí)因子性能優(yōu)秀。

低溫脅迫閾值由約登指數(shù)確定。約登指數(shù)(J)也稱為正確指數(shù),用于評(píng)價(jià)判識(shí)結(jié)果真實(shí)性,值越大表示判識(shí)準(zhǔn)確的可能性越大,選定閾值判識(shí)效果越好,其計(jì)算公式為

J=TPR-FPR。

(6)

1.2.2.4 低溫脅迫等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建及驗(yàn)證

利用無(wú)災(zāi)樣本和受災(zāi)樣本,基于約登指數(shù)確定減產(chǎn)率為0、10%和30%對(duì)應(yīng)的最佳分類閾值。按照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn):Ⅰ級(jí)低溫脅迫,減產(chǎn)幅度為(0,10%];Ⅱ級(jí)低溫脅迫,減產(chǎn)幅度為(10%,30%];Ⅲ級(jí)低溫脅迫,減產(chǎn)幅度為(30%,100%],構(gòu)建黃淮海地區(qū)冬小麥春季低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)。

依據(jù)構(gòu)建的冬小麥低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo),統(tǒng)計(jì)預(yù)留的20%受災(zāi)樣本及無(wú)災(zāi)樣本對(duì)應(yīng)的判識(shí)等級(jí),與實(shí)際等級(jí)對(duì)比,將驗(yàn)證結(jié)果分為完全符合、基本符合和不符合3類,其中基本符合為判識(shí)等級(jí)和實(shí)際等級(jí)相差1級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Meta回歸

將冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素與不同發(fā)育期低溫脅迫過(guò)程最低溫度及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行Meta回歸,發(fā)現(xiàn)單株產(chǎn)量受返青期-孕穗期過(guò)程最低溫度,返青期、拔節(jié)期以及抽穗-開(kāi)花期受低溫持續(xù)時(shí)間影響顯著;單株穗數(shù)受返青期-孕穗期過(guò)程最低溫度,返青期低溫持續(xù)時(shí)間影響顯著;穗粒數(shù)變化與返青期、拔節(jié)期和抽穗-開(kāi)花期過(guò)程最低溫度,返青期、抽穗-開(kāi)花期低溫持續(xù)時(shí)間關(guān)系顯著;千粒重變化與拔節(jié)期低溫持續(xù)時(shí)間、孕穗期過(guò)程最低溫度和低溫持續(xù)時(shí)間顯著相關(guān)。

2.2 效應(yīng)值計(jì)算及敏感性分析

低溫脅迫對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響因所處發(fā)育階段不同而存在差異,冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素在低溫脅迫下總體顯著減小,單株穗數(shù)和每穗粒數(shù)對(duì)低溫脅迫的敏感性大于千粒重。由圖1可以看到,返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期低溫脅迫減產(chǎn)幅度分別為67.29%、54.27%、57.96%和24.37%;單株穗數(shù)減小幅度分別為46.04%、26.38%、22.96%、8.85%;每穗粒數(shù)減小幅度分別為39.13%、33.15%、33.24%、9.67%;千粒重減小幅度分別為25.12%、10.06%、11.40%、15.48%。對(duì)過(guò)程最低溫度,除了拔節(jié)期2 ℃下產(chǎn)量變化外,拔節(jié)期、抽穗-開(kāi)花期2 ℃ 以及抽穗-開(kāi)花期6 ℃的低溫脅迫下的單株穗數(shù)變化,拔節(jié)期1 ℃及2 ℃低溫脅迫下的千粒重變化受低溫強(qiáng)度影響均不顯著;拔節(jié)期除了1 ℃低溫脅迫下的單株穗數(shù)顯著增加外,產(chǎn)量及其構(gòu)成因素在不同發(fā)育期不同低溫強(qiáng)度下顯著減小。隨著過(guò)程最低溫度的下降,除了拔節(jié)期穗粒數(shù)、抽穗-開(kāi)花期千粒重降幅下降外,產(chǎn)量及其構(gòu)成因素總體呈減小趨勢(shì)。由于返青期千粒重變化樣本最低溫度均為-6 ℃,無(wú)法進(jìn)行亞組分析。敏感性分析表明:孕穗期2 ℃單株產(chǎn)量樣本和拔節(jié)期2 ℃穗粒數(shù)樣本在排除文獻(xiàn)[42]新麥26的數(shù)據(jù)后,孕穗期2 ℃下單株產(chǎn)量相對(duì)變化率由-31.35%變?yōu)?17.41%,拔節(jié)期2 ℃下穗粒數(shù)相對(duì)變化率由-38.7% 變?yōu)?16.87%,剔除敏感樣本后合并效應(yīng)量保持穩(wěn)定(小于5%),其余研究在逐一剔除研究樣本后,合并效應(yīng)無(wú)顯著變化,表明統(tǒng)計(jì)結(jié)果穩(wěn)健性較好。

圖1 過(guò)程最低溫度對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

黃淮海冬小麥低溫脅迫樣本在返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期的低溫持續(xù)時(shí)間主要集中在24～72 h、1～108 h、4～72 h和12～72 h;產(chǎn)量及其構(gòu)成因素總體上受低溫持續(xù)時(shí)間影響顯著。在不同低溫持續(xù)時(shí)間條件下,抽穗-開(kāi)花期在36 h的穗數(shù)變化,拔節(jié)期在9 h和孕穗期在4 h、8 h的低溫脅迫下千粒重變化不顯著;拔節(jié)期在1 h、3 h、6 h和18 h的低溫脅迫下千粒重顯著增加,產(chǎn)量及其構(gòu)成因素在不同發(fā)育期不同低溫持續(xù)時(shí)間下顯著減小。隨著低溫持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),拔節(jié)期、抽穗-開(kāi)花期穗數(shù)、拔節(jié)期穗粒數(shù)降幅下降,產(chǎn)量及其構(gòu)成因素在不同發(fā)育期總體呈減小趨勢(shì)。敏感性分析表明合并效應(yīng)量在逐一剔除樣本后無(wú)顯著變化(小于5%),結(jié)果與剔除前總體趨勢(shì)一致,研究結(jié)果穩(wěn)定可靠。

2.3 冬小麥低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)構(gòu)建及驗(yàn)證

2.3.1 以過(guò)程最低溫度為判識(shí)因子的等級(jí)指標(biāo)構(gòu)建及驗(yàn)證

設(shè)置無(wú)災(zāi)樣本和受災(zāi)樣本為兩類事件,設(shè)置判識(shí)因子在樣本集最大值和最小值間的所有取值(步長(zhǎng)為0.1)為測(cè)試閾值,選取最大約登指數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)試閾值為最佳分類閾值,當(dāng)最大約登指數(shù)對(duì)應(yīng)多個(gè)連續(xù)測(cè)試閾值時(shí),最佳閾值為平均值(表3)。由表3可知,以過(guò)程最低溫度為判識(shí)因子,返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期低溫災(zāi)害發(fā)生(減產(chǎn)率為0)的臨界閾值分別為-2.0、3.0、5.1 ℃和7.0 ℃,對(duì)應(yīng)的AUC分別為1.00、1.00、1.00和0.94,判識(shí)因子分類性能皆為優(yōu)秀,說(shuō)明過(guò)程最低溫度適用于判識(shí)不同發(fā)育期冬小麥?zhǔn)欠癜l(fā)生低溫災(zāi)害。

表3 冬小麥不同發(fā)育期春季低溫災(zāi)害的臨界閾值

將受災(zāi)樣本按減產(chǎn)率不大于10%和大于10%分為兩類,冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期發(fā)生低溫災(zāi)害造成10%減產(chǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的判識(shí)閾值分別為-5.0、-1.0、1.1 ℃和5.0 ℃,對(duì)應(yīng)AUC分別為0.94、0.94、0.81和0.75,即以過(guò)程最低溫度為判識(shí)因子的性能分別為優(yōu)秀、優(yōu)秀、良好和良好。

將受災(zāi)樣本按減產(chǎn)率不大于30%和大于30%分為兩類,冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期發(fā)生低溫災(zāi)害造成30%減產(chǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的判識(shí)閾值為-5.0、-2.5、-3.0 ℃和3.0 ℃,對(duì)應(yīng)AUC分別為0.97、0.78、0.74和0.69,即以過(guò)程最低溫度為判識(shí)因子確定減產(chǎn)30%的臨界閾值性能分別為優(yōu)秀、良好、良好和一般。

由于僅按減產(chǎn)率無(wú)法判別返青期低溫災(zāi)害等級(jí),利用返青期單株穗數(shù)、穗粒數(shù)(千粒重樣本過(guò)程最低溫度均為-6 ℃,無(wú)法利用過(guò)程最低溫度進(jìn)行分類判別)計(jì)算不同相對(duì)變化率(步長(zhǎng)為10%)對(duì)應(yīng)的分類閾值,由表4可知,過(guò)程最低溫度在判別穗粒數(shù)相對(duì)變化率不大于50%和大于50%時(shí)的判識(shí)因子性能最佳(AUC為1.00),因此選用-8.5 ℃作為返青期Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)低溫災(zāi)害分類閾值,輔助構(gòu)建返青期低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)。

表4 冬小麥返青期低溫脅迫產(chǎn)量構(gòu)成因素不同相對(duì)變化率分類閾值

按照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),以過(guò)程最低溫度為判識(shí)因子構(gòu)建冬小麥不同發(fā)育期春季低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo),并基于預(yù)留的20%樣本驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)于返青期,判識(shí)等級(jí)與實(shí)際等級(jí)完全相符的樣本量為5,占總樣本的71.43%;完全符合和基本符合的樣本量為6,占總樣本的85.71%。對(duì)于拔節(jié)期,完全符合的樣本量為63,占總樣本的70.79%;完全符合和基本符合的樣本量為75,占總樣本的84.27%。孕穗期完全符合的樣本為20,占總樣本的71.43%;完全符合和基本符合的樣本量為27,占總樣本的96.43%。抽穗-開(kāi)花期完全符合的樣本量為9,占總樣本的64.29%;完全符合和基本符合的樣本量為14,占總樣本的92.86%。

表5 冬小麥不同發(fā)育期春季低溫災(zāi)害過(guò)程最低溫度等級(jí)指標(biāo)及驗(yàn)證

2.3.2 以過(guò)程積冷量為判識(shí)因子的等級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建及驗(yàn)證

以過(guò)程積冷量為判識(shí)因子構(gòu)建并驗(yàn)證等級(jí)指標(biāo)(表6)。由表6可知,返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期低溫災(zāi)害發(fā)生(減產(chǎn)率為0)的臨界閾值分別為-72.0、-1.2、-16.8 ℃·h和-19.6 ℃·h,對(duì)應(yīng)AUC分別為1.00、1.00、1.00和0.98,指標(biāo)性能皆為優(yōu)秀。

表6 冬小麥不同發(fā)育期春季低溫災(zāi)害的臨界閾值

冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期發(fā)生低溫災(zāi)害造成10%減產(chǎn)時(shí)的分類閾值分別為-216.1、-41.0、-101.6 ℃·h和-38.5 ℃·h,對(duì)應(yīng)AUC分別為0.73、0.83、0.87和0.77,以過(guò)程積冷量為判識(shí)因子的指標(biāo)性能均為良好。

冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗-開(kāi)花期發(fā)生低溫災(zāi)害造成30%減產(chǎn)時(shí)的分類閾值分別為-216.1、-66.0、-169.3 ℃·h和-93.8 ℃·h,對(duì)應(yīng)AUC分別為0.75、0.72、0.87和0.83,指標(biāo)性能均為良好。

由于僅按減產(chǎn)率無(wú)法判別返青期低溫災(zāi)害等級(jí),利用返青期單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重計(jì)算不同相對(duì)變化率(步長(zhǎng)10%)對(duì)應(yīng)的分類閾值,由表7可知,過(guò)程積冷量在判別單株穗數(shù)相對(duì)變化率不大于70%和大于70%樣本時(shí)判識(shí)因子性能最好(AUC為0.90),因此選用-360.0 ℃·h作為返青期Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)低溫災(zāi)害分類閾值,輔助構(gòu)建返青期低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)。

表7 冬小麥返青期低溫脅迫產(chǎn)量構(gòu)成因素不同相對(duì)變化率分類閾值

以過(guò)程積冷量為判識(shí)因子構(gòu)建并驗(yàn)證冬小麥不同發(fā)育期春季低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)(表8)。由表8可見(jiàn),返青期完全符合的樣本量為6,占總樣本的85.71%;完全符合和基本符合的樣本量為7,占總樣本的100%。拔節(jié)期完全符合的樣本量為80,占總樣本的89.89%;完全符合和基本符合的樣本量為87,占總樣本的97.75%。孕穗期完全符合的樣本量為25,占總樣本的89.29%;完全符合和基本符合的樣本量為28,占總樣本的100%。抽穗-開(kāi)花期完全符合的樣本量為11,占總樣本的78.57%;完全符合和基本符合的樣本量為14,占總樣本的100%。

表8 冬小麥不同發(fā)育期春季低溫災(zāi)害過(guò)程積冷量等級(jí)指標(biāo)及驗(yàn)證

3 結(jié)論與討論

以我國(guó)黃淮海地區(qū)冬小麥為研究對(duì)象,采用Meta分析方法探討不同發(fā)育階段春季低溫脅迫對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響。將收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為無(wú)災(zāi)樣本和受災(zāi)樣本,以過(guò)程最低溫度、過(guò)程積冷量為判識(shí)因子,按減產(chǎn)率等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建冬小麥低溫脅迫等級(jí)指標(biāo),主要結(jié)論如下:

1) 冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素在春季低溫脅迫下總體上顯著減小,單株穗數(shù)和每穗粒數(shù)對(duì)低溫脅迫的敏感性要大于千粒重;春季低溫脅迫下,產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化與低溫強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān),并因所處發(fā)育階段不同存在差異。

2) 以過(guò)程最低溫度和過(guò)程積冷量為判識(shí)因子,按減產(chǎn)率為(0,10%]、(10%,30%]和(30%,100%]構(gòu)建Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)。過(guò)程積冷量判識(shí)指標(biāo)的驗(yàn)證準(zhǔn)確率高于過(guò)程最低溫度判識(shí)指標(biāo),能更好地表征冬小麥遭受低溫災(zāi)害的嚴(yán)重程度。

本文的等級(jí)指標(biāo)構(gòu)建是基于研究區(qū)域內(nèi)多地點(diǎn)、多品種試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到的結(jié)果具有一定普適性;按特定減產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),量化災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)與作物產(chǎn)量變化的關(guān)系;基于小時(shí)尺度判識(shí)因子表征低溫災(zāi)害,為填補(bǔ)冬小麥春季低溫災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)的小時(shí)尺度空白提供參考。冬小麥春季低溫災(zāi)害的發(fā)生與溫度條件和水分條件關(guān)系密切[20,49],圍繞低溫災(zāi)害災(zāi)變過(guò)程,綜合考慮溫度條件和水分條件的耦合影響,構(gòu)建冬小麥春季低溫災(zāi)害逐時(shí)綜合指數(shù)等級(jí)指標(biāo)是未來(lái)冬小麥春季低溫災(zāi)害研究工作的重點(diǎn)。