遼西地區(qū)玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型研究

張　慧，李　爽，高莉莉，陳　晨，史艷玲，高　全

（1.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧錦州121001；2.錦州市氣象局，遼寧錦州121001）

遼西地區(qū)玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型研究

張慧1，李爽2，高莉莉2，陳晨2，史艷玲2，高全1

（1.錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，遼寧錦州121001；2.錦州市氣象局，遼寧錦州121001）

本研究應(yīng)用錦州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站2005-2011年的玉米發(fā)育期觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)對(duì)玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)進(jìn)行本地化，建立了適用于錦州玉米發(fā)育期預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)模型；并應(yīng)用2012和2013年的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示玉米發(fā)育期預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值一致性的相關(guān)系數(shù)R2＞0.89；誤差標(biāo)準(zhǔn)差為2.7-3.2 d。說明預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值有較好的一致性，且預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性滿足農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)需求。

玉米；發(fā)育期；預(yù)報(bào)模型

1　引言

玉米是遼寧省第一大農(nóng)作物，玉米發(fā)育期的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)于提高氣象為農(nóng)服務(wù)能力、指導(dǎo)玉米趨利避害生產(chǎn)、增加玉米產(chǎn)量具有重要意義［1］。研究并實(shí)現(xiàn)玉米發(fā)育期定量預(yù)報(bào)，是建立玉米農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)、病蟲害預(yù)報(bào)、氣象條件診斷和精細(xì)化指導(dǎo)產(chǎn)品反演的基礎(chǔ)［2］。

目前在市局層面上，玉米的發(fā)育期預(yù)報(bào)方法多是借鑒往年的玉米發(fā)育期觀測(cè)資料，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前玉米的生長(zhǎng)狀況，給出一個(gè)玉米發(fā)育期時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值。應(yīng)用理論性強(qiáng)的發(fā)育期模型預(yù)報(bào)玉米發(fā)育期是市局農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)需要填補(bǔ)的一項(xiàng)空白。

本研究以錦州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站為平臺(tái)，應(yīng)用2005-2011年的玉米發(fā)育期觀測(cè)資料和氣象資料對(duì)玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)模型參數(shù)進(jìn)行本地化，建立適用于錦州玉米發(fā)育期預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)模型。并應(yīng)用2012年和2013年的玉米發(fā)育期觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型預(yù)報(bào)值的精度及準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)將該方法的研究結(jié)果與氣候適宜度方法的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析該方法的優(yōu)點(diǎn)及不足。

2　材料與方法

2.1模型介紹

本研究預(yù)報(bào)采用鄭國(guó)清2000的玉米發(fā)育期模型。假設(shè)玉米開始第s發(fā)育階段時(shí)的進(jìn)程為0，結(jié)束第s發(fā)育階段時(shí)的進(jìn)程為1。完成第s發(fā)育階段所經(jīng)歷的天數(shù)t用Ns表示，該階段的玉米發(fā)育速度Vs可表示為

已有研究表明玉米發(fā)育期速度模型為［3］

f（K）表示玉米生長(zhǎng)發(fā)育基本函數(shù)，即最適環(huán)境下玉米生長(zhǎng)發(fā)育的速度。K反映了玉米的基本發(fā)育特性，表示為［3］

P是增溫促進(jìn)系數(shù)，即P增大時(shí)表明在下限到最適溫度范圍內(nèi)，溫度升高可以促進(jìn)玉米的發(fā)育。Q是高溫抑制系數(shù)，即Q增大時(shí)表明在最適到上限溫度范圍內(nèi)，溫度升高抑制玉米的發(fā)育［3，7］。

表1　玉米各發(fā)育期三基點(diǎn)溫度（℃）

D表示玉米發(fā)育期日照長(zhǎng)度，DO表示玉米發(fā)育的臨界日長(zhǎng)為12.5［7］。因?yàn)橛衩资嵌倘照兆魑铮?］，f（D）是D的減函數(shù)。G是感光性系數(shù)，表示短日照對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用。當(dāng)玉米經(jīng)歷Ns天完成第s發(fā)育階段的函數(shù)表達(dá)式為

根據(jù)公式1-7可得到玉米發(fā)育期預(yù)報(bào)模型為

2.2確定模型參數(shù)

2005-2011年的數(shù)據(jù)用來確定模型參數(shù)，建立適用于錦州地區(qū)的玉米發(fā)育期模型。2012年和2013年的數(shù)據(jù)用來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。模型參數(shù)K、P、Q和G的確定方法如下：

根據(jù)公式1-6可得

對(duì)公式9兩邊取對(duì)數(shù)可得

運(yùn)用多元回歸的方法y=a0+a1x1+a2x2確定KP和 G的初始值。其中

x2=--D0），a0、a1和a2分別表示-K、P和G。

首先將參數(shù)初始值帶入（8）式中，然后對(duì)參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整，直至模擬值與觀測(cè)值的誤差最小時(shí)的參數(shù)值為最終的模型參數(shù)。因?yàn)榇_定參數(shù)時(shí)運(yùn)用的是玉米第s發(fā)育階段的平均氣象數(shù)據(jù)，而進(jìn)行發(fā)育期預(yù)測(cè)時(shí)運(yùn)用的是逐日的氣象數(shù)據(jù)，為了減少其中存在的誤差，所以運(yùn)用兩步來確定模型參數(shù)。

3　結(jié)果

3.1模型參數(shù)的確定

本研究應(yīng)用錦州2005-2011年的玉米發(fā)育期觀測(cè)數(shù)據(jù)和逐日氣象資料通過多元回歸分析和回代檢驗(yàn)的方法確定玉米不同發(fā)育期的模型參數(shù)見表2。

表2　玉米不同類型品種各生育階段的模型參數(shù)值

根據(jù)表2參數(shù)結(jié)果得出錦州影響玉米發(fā)育期的主要因素是玉米的品種。溫度對(duì)玉米發(fā)育期的影響大于光照。表2中G的系數(shù)都非常小說明在錦州光照條件是滿足玉米生長(zhǎng)發(fā)育需要的，其并不是限制玉米發(fā)育的影響因子。

3.2模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

應(yīng)用2012年和2013年玉米發(fā)育期觀測(cè)資料和逐日氣象資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，圖1給出了預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值一致性的檢驗(yàn)結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到0.89以上；表3給出了2012年和2013年的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值誤差大小，其誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.2 d和2.7 d。說明預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值有較好的一致性，且預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度滿足農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)需求。

由表3可知模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性是播種-抽雄期好于抽雄-成熟期。模型對(duì)于玉米從抽雄到乳熟這一發(fā)育階段的預(yù)報(bào)誤差較大為5-6 d。其他階段預(yù)報(bào)誤差小于3 d。

圖1?。╝）2012年（b）2013年玉米發(fā)育期天數(shù)預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值一致性檢驗(yàn)

表3　玉米發(fā)育期天數(shù)模型值與觀測(cè)值的對(duì)比

4　討論

4.1模型在拔節(jié)期-成熟期的預(yù)報(bào)性減弱原因

玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)模型考慮了玉米的品種、溫度和光照條件，但是沒有考慮水分條件。所以適用范圍限定在水分適宜的條件下，即土壤相對(duì)濕度在全發(fā)育期內(nèi)維持在60-90%。忽略水分條件的限制可能是該模型在抽雄到成熟期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性下降的一個(gè)主要原因。玉米拔節(jié)期后進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)階段，對(duì)水分要求迫切，抽雄前10 d至后20 d，是水分臨介期。穗分化及開花期對(duì)水分的反應(yīng)敏感［9］。

4.2與氣候適宜度模型比較結(jié)果

玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)模型的預(yù)報(bào)結(jié)果要優(yōu)于用氣候適宜度模型［4，6，10，11］的預(yù)報(bào)結(jié)果。圖2給出了兩種模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值的對(duì)比圖。玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)模型的預(yù)測(cè)值比氣候適宜度的預(yù)測(cè)值更靠近真實(shí)值。這是因?yàn)闅夂蜻m宜度模型只考慮了氣象因素，忽略玉米品種對(duì)發(fā)育期的影響，而品種是影響玉米發(fā)育期的一個(gè)重要因素不應(yīng)被忽略［7］。

圖2　玉米發(fā)育期動(dòng)態(tài)模型與氣候適宜度模型對(duì)比

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1002-252X（2016）03-0017-03

2016-6-1

張慧（1986-），女，黑龍江省佳木斯市人，南京信息工程大學(xué)，碩士生，工程師.