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    基于積分回歸的花生產(chǎn)量氣候影響因子研究

    2022-01-08 13:11:38彭麗英麥宗鑒王華武君黎堅(jiān)李英

    彭麗英 麥宗鑒 王華 武君 黎堅(jiān) 李英

    (1 茂名市氣象局,茂名 525000;2 廣東省氣候中心,廣州 510080;3 化州市氣象局,化州 525100)

    0 前言

    茂名市位于我國(guó)大陸南端,地處北熱帶和南亞熱帶過(guò)渡區(qū);天氣復(fù)雜,災(zāi)害頻發(fā),也是氣候變化的敏感區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱區(qū)。花生是我國(guó)主要的油料經(jīng)濟(jì)作物之一,也是茂名市當(dāng)?shù)刂匾挠土蟻?lái)源和經(jīng)濟(jì)作物。目前國(guó)內(nèi)有很多對(duì)于農(nóng)作物氣候條件分析的研究,主要集中在水稻、小麥、棉花等主要的糧食以及經(jīng)濟(jì)作物方面;對(duì)于花生的研究也有一些。關(guān)于產(chǎn)量預(yù)報(bào)的常用方法有多元線性模擬預(yù)報(bào)方程、通徑分析方法、作物豐歉指數(shù)、氣候適宜指數(shù),以及基于積分回歸來(lái)研究作物產(chǎn)量氣候影響因子等。本文利用茂名化州市國(guó)家氣象站1982—2012年氣象資料和化州市氣象局春花生農(nóng)氣觀測(cè)資料,運(yùn)用積分回歸方法研究茂名化州市春花生產(chǎn)量的氣候影響因子。

    1 春花生產(chǎn)量的正交多項(xiàng)式分析

    不同產(chǎn)量模擬的方法,可能得出的氣象產(chǎn)量差別很大。本文采用三次曲線擬合和5點(diǎn)滑動(dòng)平均得到花生產(chǎn)量趨勢(shì),再對(duì)比2013年和2014年的模擬結(jié)果,得到兩個(gè)模型的模擬結(jié)果差別不大;但在分離花生氣象產(chǎn)量的方法中,三次曲線擬合法分析得到的趨勢(shì)產(chǎn)量更符合花生產(chǎn)值規(guī)律。利用正交多項(xiàng)式法對(duì)茂名化州市1982—2012年共29年(1984、1985年為缺測(cè))的春花生產(chǎn)量資料進(jìn)行處理,得出春花生產(chǎn)量擬合方程(三階多項(xiàng)式),如圖1所示。由模擬結(jié)果可以看出,春花生產(chǎn)量變化趨勢(shì)是隨著時(shí)間的增加,趨勢(shì)產(chǎn)量增加得越來(lái)越慢。

    圖1 春花生產(chǎn)量的模擬曲線和實(shí)際曲線(單位:kg·(666.7 m2)-1) Fig. 1 The analog curve and actual curve of spring peanut yield (unit: kg·(666.7 m2)-1)

    從歷年的實(shí)際產(chǎn)量中分離出趨勢(shì)產(chǎn)量后,按照Y=YT+YW+YS,進(jìn)行分解。式中:Y為實(shí)際產(chǎn)量,YT為趨勢(shì)產(chǎn)量,YS為隨機(jī)產(chǎn)量,可忽略不計(jì),故即可求出氣象產(chǎn)量YW。

    氣象產(chǎn)量受氣候條件的影響,波動(dòng)大。利用計(jì)算出的春花生的氣象產(chǎn)量可以得到花生氣象產(chǎn)量的波動(dòng)范圍和最大正負(fù)波動(dòng)量,即極大值為95.62 kg·(666.7 m),極小值為-108.66 kg·(666.7 m),極差達(dá)204.28 kg·(666.7 m)。該結(jié)果表明:化州地區(qū)春花生極差超過(guò)200 kg·(666.7 m),產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)較大,即春花生的生產(chǎn)受自然災(zāi)害的影響比較顯著。

    2 氣候因子對(duì)花生產(chǎn)量的影響評(píng)估

    由于在花生生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中,水分、溫度和日照條件是重要因素;積分回歸法生物學(xué)意義明確,預(yù)報(bào)效果較好,已成為一種新的作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法。

    2.1 基本原理和方法

    由積分回歸原理可知,假設(shè)作物產(chǎn)量為因變量

    Y

    ,影響因素如溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象要素為自變量。將作物整個(gè)生育期間分為若干個(gè)時(shí)段,把某一時(shí)段、某一氣象要素值作為一個(gè)自變量。則可得多元線性回歸方程的積分回歸形式:

    本研究利用茂名化州市1982—2012年春花生產(chǎn)量觀測(cè)數(shù)據(jù)和積分回歸分析方法,分析花生全生育期平均溫度、日照時(shí)數(shù)和降水量的時(shí)間分布對(duì)其產(chǎn)量的影響。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的逐漸提高和改善,花生產(chǎn)量趨于逐年上升,因此需要將實(shí)際產(chǎn)量資料處理成產(chǎn)量的趨勢(shì)離差(即氣象產(chǎn)量)。分別計(jì)算春花生氣象產(chǎn)量與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量的回歸系數(shù),得出歷年

    ρ

    值。計(jì)算(1)式中春花生氣象產(chǎn)量與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量回歸系數(shù)

    α

    ,

    α

    α

    ,

    α

    α

    ,

    α

    值如表1。

    表1 春花生氣象產(chǎn)量與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量回歸系數(shù) Table 1 The regression coefficient of spring peanut meteorological yield and average temperature, sunshine hours and precipitation

    2.2 計(jì)算積分回歸的α(t)

    將計(jì)算的

    α

    ,

    α

    ,

    α

    α

    α

    ,

    α

    代入下式中,即可得到春花生生育期從2月下旬—7月上旬(共14旬)的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量的各

    α

    (

    t

    )值。

    其中:

    α

    (

    t

    )表示旬平均氣溫(或日照時(shí)數(shù)或降水量)升降1 ℃(1 h或1 mm)使春花生產(chǎn)量變化升值。由此可見(jiàn),

    α

    (

    t

    )是平均氣溫(或日照時(shí)數(shù)或降水量)的時(shí)間分布對(duì)春花生產(chǎn)量的效應(yīng),它在各時(shí)段不同。(1)平均氣溫的積分回歸

    α

    (

    t

    )從各時(shí)段

    α

    (

    t

    )值點(diǎn)繪圖(圖2)可見(jiàn),平均氣溫對(duì)春花生正效應(yīng)有兩個(gè)時(shí)期:播種前期(2月上旬)和莢果成熟期(5月下旬—6月下旬),尤其是在6月正效應(yīng)顯著。平均氣溫在幼苗期(3月中旬前后)、開(kāi)花結(jié)莢期(4月中旬—下旬)對(duì)春花生產(chǎn)量成負(fù)效應(yīng)。

    圖2 平均氣溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)春花生產(chǎn)量的效應(yīng) (單位:kg·(666.7 m2)-1) Fig. 2 The effect of average temperature and sunshine hours on spring peanut yield (unit: kg·(666.7 m2)-1)

    (2)日照時(shí)數(shù)的積分回歸

    α

    (

    t

    )

    由圖2可見(jiàn),日照時(shí)數(shù)在播種前期(2月上旬)、莢果成熟期(5月上旬—6月下旬)對(duì)春花生產(chǎn)量成正效應(yīng),特別是在2月上旬正效應(yīng)很明顯。日照時(shí)數(shù)在幼苗期(3月上旬—4月上旬)、開(kāi)花結(jié)莢期前期(4月中旬—下旬)對(duì)春花生產(chǎn)量成負(fù)效應(yīng)。

    (3)降水量的積分回歸

    α

    (

    t

    )

    由圖3可見(jiàn),降水量在播種前期(2月上旬)、分枝期(4月上旬—中旬)、莢果成熟期(6月中旬—下旬)對(duì)春花生產(chǎn)量成正效應(yīng)。降水量在播種后期到幼苗期(3月上旬—下旬)、開(kāi)花結(jié)莢期后期(5月上旬—6月上旬)對(duì)春花生產(chǎn)量成負(fù)效應(yīng)。

    (4)積分回歸結(jié)果的合理性分析

    在成熟期(6月)平均氣溫增多,熱量條件充足,花生產(chǎn)量增產(chǎn)明顯。在幼苗期(3月上旬—4月上旬)日照時(shí)數(shù)負(fù)效應(yīng)較明顯,3月化州每日平均日照時(shí)數(shù)為2.3 h/d,遠(yuǎn)小于每日適宜日照時(shí)數(shù)(8 h/d),不利于幼苗生長(zhǎng),對(duì)花生產(chǎn)量有抑制作用。3月化州平均降水量為72 mm,恰逢降水量較多期,會(huì)形成爛苗等,故對(duì)花生生長(zhǎng)有抑制作用。因此,如果出現(xiàn)低溫陰雨天氣,需要推遲播種,例如2008年出現(xiàn)低溫陰雨天氣,推遲到3月19日才播種;或者播種后容易引起種子霉?fàn)€,造成出苗率低,從而引起花生產(chǎn)量下降,例如1990年出現(xiàn)低溫陰雨天氣,播種期是2月8日,但出苗期是3月2日,播種期至出苗期長(zhǎng)達(dá)22 d。在開(kāi)花結(jié)莢期后期(5月上旬—6月上旬)降水量增多,洪澇發(fā)生,土壤積水,造成花生莢果成熟慢、秕果多,已成熟的莢果容易掉莢發(fā)芽,且常引起銹病大發(fā)生,導(dǎo)致產(chǎn)量下降。這和春花生的生長(zhǎng)特點(diǎn)及其與氣候條件關(guān)系相符合。

    另外,本文運(yùn)用了直線回歸法、3點(diǎn)滑動(dòng)和5點(diǎn)滑動(dòng)平均法來(lái)求出趨勢(shì)產(chǎn)量,再分離出氣象產(chǎn)量來(lái)做積分回歸。其中,直線回歸法得出的結(jié)果與上述基本一致;3點(diǎn)滑動(dòng)和5點(diǎn)滑動(dòng)平均法得出的平均氣溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)花生產(chǎn)量的積分回歸基本一致,但是得出的降水量對(duì)花生產(chǎn)量的積分回歸(圖3)差別較大。由圖3可見(jiàn),在3月降水量對(duì)春花生產(chǎn)量有明顯正效應(yīng),這與春花生的生長(zhǎng)特性不相符。因此,運(yùn)用積分回歸法來(lái)研究春花生產(chǎn)量的氣候影響因子時(shí),在分離花生氣象產(chǎn)量的方法中,我們運(yùn)用三次曲線擬合法和直線回歸法得出的結(jié)論都是可靠的。

    圖3 降水量對(duì)三次曲線擬合和5點(diǎn)滑動(dòng)平均的春花生產(chǎn)量的效應(yīng)(單位:kg·(666.7 m2)-1) Fig. 3 The effect of precipitation on cubic curve fitting and five-point moving average spring peanut yield (unit: kg·(666.7 m2)-1)

    3 結(jié)論

    1)春花生產(chǎn)量變化趨勢(shì)是隨著時(shí)間的增加,趨勢(shì)產(chǎn)量增加得越來(lái)越慢。春花生極差超過(guò)200 kg·(666.7 m),化州地區(qū)種植春花生的風(fēng)險(xiǎn)較大,化州春花生的生產(chǎn)受自然災(zāi)害影響較為顯著。

    2)分析平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量對(duì)化州春花生產(chǎn)量的影響評(píng)估。平均氣溫在播種前期、莢果成熟期對(duì)春花生產(chǎn)量成正效應(yīng),尤其是在6月正效應(yīng)顯著;平均溫度在幼苗期、開(kāi)花結(jié)莢期對(duì)春花生產(chǎn)量成負(fù)效應(yīng)。日照時(shí)數(shù)在播種前期、莢果成熟期對(duì)春花生產(chǎn)量成正效應(yīng),特別是在2月上旬正效應(yīng)顯著;日照時(shí)數(shù)在幼苗期、開(kāi)花結(jié)莢期前期對(duì)春花生產(chǎn)量成負(fù)效應(yīng)。降水量在開(kāi)花結(jié)莢期后期對(duì)春花生產(chǎn)量成負(fù)效應(yīng)。

    3)在成熟期(6月)平均氣溫增多,熱量條件充足,花生產(chǎn)量增產(chǎn)明顯。在幼苗期(3月上旬—4月上旬)日照時(shí)數(shù)負(fù)效應(yīng)較明顯,3月化州每日平均日照時(shí)數(shù)遠(yuǎn)小于每日適宜日照時(shí)數(shù),不利于幼苗生長(zhǎng),對(duì)花生產(chǎn)量有抑制作用。3月份化州恰逢降水量較多期,會(huì)形成爛苗等,故對(duì)花生生長(zhǎng)有抑制作用。因此,如果出現(xiàn)低溫陰雨天氣,需要推遲播種,或者播種后容易引起種子霉?fàn)€,造成出苗率低,從而引起花生產(chǎn)量下降;在開(kāi)花結(jié)莢期后期(5月上旬—6月上旬)降水量增多,洪澇發(fā)生,土壤積水,造成花生莢果成熟慢、秕果多,已成熟的莢果容易掉莢發(fā)芽,且常引起銹病大發(fā)生,導(dǎo)致產(chǎn)量下降。這和春花生的生長(zhǎng)特點(diǎn)及其與氣候條件關(guān)系相符合。

    4)本文首先運(yùn)用了直線回歸法、3點(diǎn)滑動(dòng)和5點(diǎn)滑動(dòng)平均法計(jì)算花生趨勢(shì)產(chǎn)量,其次分離氣象產(chǎn)量進(jìn)行積分回歸。其中,直線回歸法得出的結(jié)果與正交多項(xiàng)式法基本一致;3點(diǎn)滑動(dòng)和5點(diǎn)滑動(dòng)平均法得出的平均氣溫和日照時(shí)數(shù)對(duì)花生產(chǎn)量的積分回歸基本一致,但是降水量對(duì)花生產(chǎn)量的積分回歸差別較大,與花生生長(zhǎng)的特性不相符。因此,運(yùn)用積分回歸法來(lái)研究春花生產(chǎn)量的氣候影響因子時(shí),在分離花生氣象產(chǎn)量的方法中,運(yùn)用三次曲線擬合法和直線回歸法得出的結(jié)論均具有較大可信度。

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