湖南省油菜開花結(jié)莢期濕漬害指標(biāo)研究

袁小康

（湖南省氣象科學(xué)研究所/氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410118）

【研究意義】湖南是全國(guó)油菜生產(chǎn)大省，2018 年湖南油菜播種面積居全國(guó)第1 位，總產(chǎn)量居全國(guó)第2 位［1］。湖南春季經(jīng)常出現(xiàn)陰雨天氣，降水過程多，降水量大，田間易積水，從而造成油菜濕漬害。濕漬害是指土壤水分達(dá)到飽和形成嫌氣環(huán)境，使植物因氧氣虧缺而發(fā)生代謝改變，危害植株正常的生長(zhǎng)發(fā)育［2］。湖南油菜在春季正值開花結(jié)莢期，是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期。此階段如果出現(xiàn)濕漬害，將嚴(yán)重影響油菜產(chǎn)量和品質(zhì)。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，濕漬害是造成湖南油菜產(chǎn)量減產(chǎn)、品質(zhì)降低的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。如2009 年2月15 日至3 月4 日，湘中以北大部分地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)15 d 以上的陰雨天氣，造成油菜濕漬害，當(dāng)年油菜產(chǎn)量降低20%以上［3］。迄今為止，無人明確提出能在湖南農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用的油菜濕漬害指標(biāo)。研究提出油菜濕漬害指標(biāo)，從而開展油菜濕漬害監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)，對(duì)于發(fā)揮氣象部門防災(zāi)減災(zāi)“第一道防線”作用、保障油菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，關(guān)于油菜濕漬害的研究報(bào)道多集中在濕漬害致災(zāi)機(jī)理［4-8］、濕漬害對(duì)生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響［9-11］、濕漬害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［12-13］和防治措施［14］等方面，而對(duì)油菜濕漬害指標(biāo)的研究較少。霍治國(guó)等［15］提出，以降水持續(xù)天數(shù)和降水量?jī)梢貥?gòu)成江淮地區(qū)油菜澇漬害指標(biāo)；韓沁哲等［3］以低溫持續(xù)天數(shù)、過程極端最低氣溫、過程平均氣溫、過程連陰雨天數(shù)4 個(gè)因子構(gòu)建油菜連陰雨指標(biāo)，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)賦予各因子權(quán)重；陸魁東等［12］篩選出7 個(gè)制約湖南油菜高產(chǎn)的氣象災(zāi)害因子，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)確定各因子權(quán)重，建立湖南油菜氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；董芹等［16］通過分析油菜試驗(yàn)田觀測(cè)資料和氣象數(shù)據(jù)，得到以降水持續(xù)天數(shù)單因子構(gòu)建的油菜連陰雨預(yù)警指標(biāo)；劉瑞娜等［17］分析安徽油菜主產(chǎn)區(qū)氣象資料和產(chǎn)量資料，得到以連陰雨日數(shù)和降水量?jī)梢蜃訕?gòu)成的油菜花期連陰雨指標(biāo)；范雨嫻等［18］通過對(duì)湖南油菜災(zāi)情資料的收集和反演，構(gòu)建逐日動(dòng)態(tài)的油菜春季澇漬過程災(zāi)變指標(biāo)。【本研究切入點(diǎn)】目前，天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能提供未來10 d 逐日的日最高氣溫、日最低氣溫和降水量等氣象要素的預(yù)報(bào)結(jié)果。本研究選擇天氣預(yù)報(bào)結(jié)果中某一氣象要素，作為構(gòu)建油菜濕漬害指標(biāo)的因子，從而直接應(yīng)用天氣預(yù)報(bào)或者實(shí)況資料進(jìn)行油菜濕漬害預(yù)警或監(jiān)測(cè)。【擬解決的關(guān)鍵問題】從各地油菜產(chǎn)量觀測(cè)資料和同期氣象資料中分析得出湖南油菜濕漬害的致災(zāi)因子，進(jìn)一步確定不同程度災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

油菜產(chǎn)量資料是代表當(dāng)?shù)赜筒酥髟云贩N和生產(chǎn)管理水平的油菜田塊實(shí)際測(cè)定產(chǎn)量，由衡陽市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站、懷化市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站和益陽市氣象局、南縣氣象局提供。上述4 個(gè)單位長(zhǎng)期對(duì)當(dāng)?shù)氐湫陀筒颂飰K進(jìn)行發(fā)育期、生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量觀測(cè)，油菜品種、施肥等栽培管理措施與當(dāng)?shù)赝ㄐ凶龇ㄒ恢?。氣象資料由湖南省氣象局信息中心提供。

1.2 數(shù)據(jù)處理

產(chǎn)量受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及氣象條件影響。一般將實(shí)際產(chǎn)量分解為依社會(huì)生產(chǎn)水平而變的趨勢(shì)產(chǎn)量、隨氣象條件而變的氣象產(chǎn)量和隨機(jī)誤差三部分［19］，即：

式中，Y為實(shí)際產(chǎn)量，Yt為趨勢(shì)產(chǎn)量，Yw為氣象產(chǎn)量，ε為隨機(jī)誤差，在通常情況下，隨機(jī)誤差一般很小，可忽略不計(jì)。通過常用的5 點(diǎn)滑動(dòng)平均法模擬趨勢(shì)產(chǎn)量［21］，確定趨勢(shì)產(chǎn)量Yt后，氣象產(chǎn)量為：

為減少由生產(chǎn)力水平提高帶來產(chǎn)量增長(zhǎng)對(duì)氣象產(chǎn)量的干擾，使氣象產(chǎn)量在時(shí)間和區(qū)域上有可比性，以相對(duì)氣象產(chǎn)量（Yr）進(jìn)行分析［20］：

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜減產(chǎn)年的確定

將相對(duì)氣象產(chǎn)量Yr≤-5%作為農(nóng)作物受災(zāi)減產(chǎn)的臨界值，即當(dāng)Yr≤-5%時(shí)，該年被當(dāng)作減產(chǎn)年。經(jīng)計(jì)算，益陽市、南縣、懷化市和衡陽市的油菜減產(chǎn)年見表1。

2.2 油菜濕漬害致災(zāi)因子的確定

湖南地形復(fù)雜，各地油菜播種期不同，導(dǎo)致開花期各不相同。為便于統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)湖南各農(nóng)業(yè)氣象站油菜發(fā)育期觀測(cè)資料，將湖南各地油菜開花結(jié)莢期統(tǒng)一認(rèn)定為3 月1 日至4 月30 日，把“過程降水量在20 mm 以上，過程降水日數(shù)在3 d 以上”作為一次降水天氣過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以南縣為例，首先分析南縣油菜減產(chǎn)年油菜開花結(jié)莢期的降水特征。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，南縣油菜減產(chǎn)年共有11 年（表1）。為比較、分析油菜減產(chǎn)年和非減產(chǎn)年油菜開花結(jié)莢期降水特征，統(tǒng)計(jì)南縣歷年油菜開花結(jié)莢期降水過程次數(shù)、過程累計(jì)降水量。為便于比較，計(jì)算出過程平均降水量（過程累計(jì)降水量除以降水過程次數(shù)）和過程平均天數(shù)（過程累計(jì)天數(shù)除以降水過程次數(shù)），如圖1、圖2所示。

表1 湖南省油菜主產(chǎn)區(qū)減產(chǎn)年情況Table 1 Typical years of yield reduction in main rape producing regions in Hunan Province

由圖1 可知，過程累計(jì)降水量在年際間的升降變化趨勢(shì)，與過程平均降水量在年際間的變化趨勢(shì)完全一致；由圖2 可知，過程累計(jì)天數(shù)在年際間變化趨勢(shì)，也與過程平均天數(shù)在年際間的變化趨勢(shì)相同。因此，過程平均降水量、過程平均天數(shù)可分別代表過程累計(jì)降水量、過程累計(jì)天數(shù)大小。

圖1 南縣歷年油菜開花結(jié)莢期過程降水量Fig.1 Precipitation during the flowering and pod-bearing period of rape in Nanxian County

圖2 南縣歷年油菜開花結(jié)莢期降水過程天數(shù)Fig.2 Days of precipitation during the flowering and pod-bearing period of rape in Nanxian County

南縣油菜11 個(gè)減產(chǎn)年的油菜開花結(jié)莢期降水特征，呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是過程累計(jì)降水量和過程平均降水量較大，二是過程累計(jì)天數(shù)和過程平均天數(shù)較多。按同樣方法，再統(tǒng)計(jì)分析益陽市、懷化市和衡陽市油菜減產(chǎn)年開花結(jié)莢期降水特征，結(jié)果表明上述3 地油菜減產(chǎn)年開花結(jié)莢期降水特征與南縣一致，均體現(xiàn)出過程平均降水量大、過程平均天數(shù)多的特征。而過程平均降水量、過程平均天數(shù)與濕漬害之間存在直接因果關(guān)系。出現(xiàn)油菜濕漬害的原因是降水多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成田間濕度過大，甚至田間出現(xiàn)積水，導(dǎo)致油菜根系呼吸作用困難，從而影響油菜植株正常生理生化過程。

將4 個(gè)站點(diǎn)油菜開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均天數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量做相關(guān)分析，結(jié)果見表2。由表2 可知，過程平均降水量、過程平均天數(shù)與減產(chǎn)年相對(duì)氣象產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，過程平均降水量、過程平均天數(shù)是油菜濕漬害的主要致災(zāi)因子。

表2 湖南3 個(gè)站點(diǎn)油菜濕漬害影響因子與相對(duì)氣象產(chǎn)量的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis of influence factors of rape wet damage and relative meteorological yields in 3 stations in Hunan Province

2.3 油菜濕漬害指標(biāo)的建立

挑選南縣、益陽市、懷化市油菜觀測(cè)資料中相對(duì)氣象產(chǎn)量≤-5%的樣本，運(yùn)用SPSS 軟件將相對(duì)氣象產(chǎn)量、開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均天數(shù)進(jìn)行K-均值聚類分析，設(shè)定聚類數(shù)為2 類，用有限次逼近法，按照聚類最優(yōu)原則得到相對(duì)氣象產(chǎn)量、過程平均降水量和過程平均天數(shù)的2 個(gè)聚類中心及每個(gè)聚類的案例數(shù)。

從表3 可以看出，減產(chǎn)率較低的聚類，致災(zāi)因子聚類中心值較低，案例數(shù)較多。以第一類聚類中心值和第二類聚類中心值為界限，把油菜開花結(jié)莢期濕漬害等級(jí)劃分為輕度和中度以上兩個(gè)等級(jí)（表4）。

表3 過程平均降水量、過程平均降水天數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量的聚類中心值和案例Table 3 The cluster center value and the number of cases of average precipitation,average precipitation days during precipitation process and relative meteorological yield

表4 湖南省油菜開花結(jié)莢期濕漬害指標(biāo)Table 4 Wet damage index of rape during flowering and pod-bearing period in Hunan Province

2.4 油菜濕漬害指標(biāo)的檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)油菜濕漬害指標(biāo)準(zhǔn)確性，用獨(dú)立數(shù)據(jù)——衡陽市農(nóng)氣站的油菜觀測(cè)數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算出衡陽農(nóng)氣站觀測(cè)的油菜減產(chǎn)年油菜開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均天數(shù)，結(jié)果見表5。由表5 可知，衡陽農(nóng)氣站油菜8 個(gè)減產(chǎn)年開花結(jié)莢期的過程平均降水量和過程平均天數(shù)，均達(dá)到本研究提出的濕漬害指標(biāo)受災(zāi)條件，即符合輕度濕漬害指標(biāo)。但達(dá)到重度濕漬害指標(biāo)后，實(shí)際受災(zāi)等級(jí)與本文提出的濕漬害指標(biāo)不完全符合。

表5 湖南油菜開花結(jié)莢期濕漬害指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of wet damage index during flowering and pod-bearing period of rape in Hunan Province

3 討論

本研究結(jié)果表明，湖南油菜減產(chǎn)年相對(duì)氣象產(chǎn)量與油菜開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均降水天數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明油菜開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均降水天數(shù)嚴(yán)重影響油菜產(chǎn)量。而過程平均降水量、過程平均降水天數(shù)與濕漬害呈直接因果關(guān)系。因此，過程降水量和過程降水天數(shù)是湖南省油菜開花結(jié)莢期濕漬害的主要致災(zāi)因子，這與陸魁東等［12］指出開花期的低溫連陰雨和綠熟期連陰雨與油菜氣象產(chǎn)量密切相關(guān)的研究結(jié)果類似。

目前，針對(duì)油菜濕漬害指標(biāo)的研究報(bào)道不多。已有油菜濕漬害指標(biāo)是通過專家打分法或者依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)定性得出，或者通過歷史災(zāi)情資料反演得到，大多數(shù)濕漬害指標(biāo)沒有定量化，因而無法應(yīng)用到農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中。本研究通過統(tǒng)計(jì)分析南縣、益陽市、懷化市3 個(gè)農(nóng)氣站油菜開花結(jié)莢期氣象要素與相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系，得到油菜濕漬害的主要致災(zāi)因子是過程降水量和過程降水天數(shù)。在確定油菜濕漬害致災(zāi)因子后，再對(duì)南縣、益陽市懷化市3 個(gè)農(nóng)氣站減產(chǎn)年的相對(duì)氣象產(chǎn)量與油菜開花結(jié)莢期過程平均降水量和過程平均降水天數(shù)作聚類分析，得出以過程降水量、過程降水天數(shù)兩因子構(gòu)成的定量化油菜濕漬害指標(biāo)。最后用獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，結(jié)果表明該指標(biāo)判斷有無出現(xiàn)濕漬害準(zhǔn)確率高。經(jīng)咨詢相關(guān)專家，油菜輕度濕漬害指標(biāo)“40 mm ≤過程降水量＜75 mm，5 d ≤過程降水天數(shù)＜6 d”和中度以上濕漬害指標(biāo)“過程降水量＞75 mm，過程降水天數(shù)≥6 d”，與湖南省油菜實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)濕漬害時(shí)氣象條件非常一致。目前天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，有過程降水量和過程降水天數(shù)的預(yù)報(bào)結(jié)果。因此，利用本研究提出的油菜濕漬害指標(biāo)，結(jié)合氣象監(jiān)測(cè)資料和天氣預(yù)報(bào)結(jié)果可開展油菜濕漬害監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)。

本研究得出的油菜濕漬害指標(biāo)，在判斷有無出現(xiàn)濕漬害方面比較準(zhǔn)確，但在判斷濕漬害災(zāi)害等級(jí)，也就是受災(zāi)嚴(yán)重程度時(shí)與實(shí)際情況不完全一致。這與劉瑞娜等［17］研究安徽油菜連陰雨災(zāi)害損失評(píng)估指標(biāo)得到的結(jié)果相似，安徽油菜連陰雨指標(biāo)在評(píng)斷輕度和中度等級(jí)災(zāi)害準(zhǔn)確率較高，但在判斷重度災(zāi)害時(shí)準(zhǔn)確率相對(duì)較低。原因可能是在實(shí)際生產(chǎn)中，造成油菜減產(chǎn)的因素較多，有氣象災(zāi)害的因素，也有生產(chǎn)管理的因素，氣象災(zāi)害不是油菜減產(chǎn)的決定性因素。分析湖南各地油菜開花結(jié)莢期降水特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)減產(chǎn)年開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均天數(shù)較大，但是個(gè)別非減產(chǎn)年份開花結(jié)莢期過程平均降水量、過程平均降水天數(shù)也較大。原因是強(qiáng)降水過程來臨時(shí)，如果農(nóng)民管理到位、防范措施充分，就能避免油菜遭受嚴(yán)重濕漬害，在降水過后油菜得到恢復(fù)性生長(zhǎng)，因而不會(huì)出現(xiàn)明顯減產(chǎn)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，過程降水量和過程降水天數(shù)是湖南省油菜開花結(jié)莢期濕漬害的主要致災(zāi)因子。湖南省油菜開花結(jié)莢期輕度濕漬害指標(biāo)是：40 mm ≤過程降水量＜75 mm，過程降水天數(shù)為5 d；中度以上濕漬害指標(biāo)是：過程降水量≥75 mm，過程降水天數(shù)≥6 d。經(jīng)獨(dú)立數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，上述指標(biāo)基本準(zhǔn)確，因此可應(yīng)用于湖南農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中。