湖北省冬小麥生長后期濕害分區(qū)研究

劉銀秀，匡曉為，張祖潛

（1.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430070；2.湖北省仙桃市氣象局，湖北 仙桃 433000）

冬小麥?zhǔn)呛笔≈饕Z食作物之一。全省現(xiàn)有耕地面積達(dá)335萬hm2［1］，其中小麥種植面積71萬hm2，面積較大。湖北處于中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶［1］，地勢呈三面隆起中間低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地。因地貌類型多樣［2］，地勢高低相差懸殊，西部神農(nóng)頂海拔達(dá)3 105 m，東部平原的監(jiān)利市譚家淵附近地面高程卻為0。西、北、東3面為山地及山前丘陵崗地；中南部為江漢平原，與湖南省洞庭湖平原連成一片，地勢平坦，土壤深厚肥沃，除平原邊緣崗地外地區(qū)，海拔偏低。平原地區(qū)由于河湖交叉沖積、沉積，形成了很多大平小不平、蜂窩狀、盆碟式的洼地［3］，加上降水充沛，常在小麥生長發(fā)育中發(fā)生濕害并誘發(fā)病害，易遭受嚴(yán)重?fù)p失。如何根據(jù)較長年代的氣象資料，統(tǒng)計(jì)分析氣候規(guī)律，助力種植業(yè)合理布局，盡量規(guī)避可能出現(xiàn)的災(zāi)害，是一項(xiàng)較有意義的農(nóng)業(yè)氣象研究工作。

湖北省植物保護(hù)總站2021年4月21日資料顯示，全省赤霉病累計(jì)發(fā)生面積為29萬hm2。2021年小麥赤霉病在江漢平原地區(qū)大發(fā)生，在鄂北地區(qū)為中等偏重發(fā)生。2021年麥?zhǔn)蘸?，仙桃市農(nóng)業(yè)氣象人員到當(dāng)?shù)睾^(qū)農(nóng)村訪問調(diào)查，鄉(xiāng)親們反映赤霉病嚴(yán)重，收獲的基本是病麥，家禽都拒食。早年劉銀秀等［4］就曾對江漢平原陰濕害進(jìn)行過專題研究，發(fā)現(xiàn)濕害對小麥產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)在小麥進(jìn)入生殖生長后，多雨寡照天氣削弱了小麥光合作用，地下水位過高降低了麥苗的根系活力，進(jìn)而阻礙了其干物質(zhì)積累。不少專家學(xué)者對江淮地區(qū)冬小麥生長中后期濕害進(jìn)行過分區(qū)研究［5-9］，因湖北地區(qū)緯度與江淮地區(qū)差別不大，同屬亞熱帶季風(fēng)氣候，因此，可借鑒江淮地區(qū)的濕段天氣標(biāo)準(zhǔn)［5］、澇漬災(zāi)害風(fēng)險評估方法［6］，對湖北小麥生長后期的濕害情況進(jìn)行評估分析，這項(xiàng)研究尤其對于沒有農(nóng)業(yè)氣象觀測的地區(qū)是有裨益的。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料：湖北省23站1971—2020年共計(jì)50年氣象觀測數(shù)據(jù)，江蘇省溧陽、啟東2站1980—1990年的氣象觀測數(shù)據(jù)，均來源于湖北省氣象信息保障中心。仙桃市2013—2020年共計(jì)8年赤霉病資料來源于仙桃市農(nóng)業(yè)局。湖北23個站代表片區(qū)：鄖西為鄂西北山區(qū)代表站；老河口為鄂西北山區(qū)向平原過渡地帶站；建始為鄂西南山區(qū)代表站、當(dāng)陽為鄂西山區(qū)向平原過渡地帶站；麻城、大悟?yàn)槎醮髣e山區(qū)代表站；蘄春為大別山南緣丘陵；赤壁為幕阜低山丘陵；隨州為桐柏山、大洪山以及山地向平原過渡地帶站；襄陽、棗陽、宜城為江漢平原北部站；荊州、天門、漢川、仙桃、孝感、應(yīng)城為江漢平原中部站；嘉魚、咸寧、公安為江漢平原南部站；江夏、武漢為江漢平原東部站。

1.2 方法

1.2.1 濕段天氣系數(shù)濕段天氣的標(biāo)準(zhǔn)［5］：每年4—5月氣象站日觀測資料中2、8、20時相對濕度達(dá)到85%，14時相對濕度達(dá)到82%，且日平均氣溫≥12.0℃，持續(xù)30 h以上。馮成玉等［5］統(tǒng)計(jì)的是1980—1990年資料，該時期每天只有4個時次（2、8、14、20時）的小時相對濕度資料，故“持續(xù)30 h”實(shí)際上是“連續(xù)2 d”。

根據(jù)馮成玉等［5］“江蘇省38個站（點(diǎn)）1980—1990年小麥赤霉病易感期氣象資料統(tǒng)計(jì)”表，將其中的“統(tǒng)計(jì)系數(shù)”作為本研究的“濕段天氣系數(shù)”，濕段天氣系數(shù)（S）計(jì)算式：

式中，S為濕段天氣系數(shù)，N為統(tǒng)計(jì)年數(shù)，i為年序，Yi=0或1（某年沒出現(xiàn)濕段天氣取0，否則取1），Ti為每年出現(xiàn)濕段天氣的次數(shù)，Di為每年濕段天氣的天數(shù)合計(jì)。

為了驗(yàn)證“持續(xù)30 h”是否為“連續(xù)2 d”，本研究利用江蘇省的氣象資料對文獻(xiàn)［5］中溧陽、啟東2站的統(tǒng)計(jì)系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算，分別為383.85和243.06，結(jié)果完全符合。

1.2.2 澇漬指數(shù)小麥澇漬災(zāi)害主要是由降雨、日照因子綜合影響導(dǎo)致的結(jié)果，澇漬災(zāi)害的危害程度還與陰雨寡照的時間長短密切相關(guān)。因此，考慮降水量、降水日數(shù)和日照時數(shù)綜合作用，構(gòu)建澇漬指數(shù)模型［6］：

式中，式中Qwi為第i時間段（本研究以旬為單位）的小麥澇漬指數(shù)，Ri、Rdi、Si分別為第i時段的降水量、降水日數(shù)、日照時數(shù)；Rmax、Rdmax、Smax分別為序列內(nèi)旬降水量、旬降水日數(shù)和旬日照時數(shù)的最大值。a1、a2、a3分別表征降水量、雨日和日照時數(shù)對形成澇漬災(zāi)害貢獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。盛紹學(xué)等［6］研究表明，在淮河以北區(qū)將a1、a2、a3取值為1、0.75、0.75，在淮河以南區(qū)，a1、a2、a3取值為1、1、0.5。

最終計(jì)算結(jié)果，當(dāng)Qwi≤0.5時，表示無澇漬；當(dāng)0.51≤Qwi≤0.80時，表示輕度澇漬；當(dāng)0.81≤Qwi≤1.10時，表示中度澇漬；當(dāng)Qwi＞1.10時，表示重度澇漬。

利用1971—2020年每站3月下旬至5月下旬資料，計(jì)算得到每站的小麥澇漬指數(shù)。以淮河以南區(qū)標(biāo)準(zhǔn)［6］，將a1、a2、a3取值為1、1、0.5，計(jì)算湖北的Qwi。在計(jì)算過程中，采取分旬統(tǒng)計(jì)。為了使各旬全省范圍內(nèi)的站站之間Qwi具有可比性，Rmax、Rdmax、Smax需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：旬降水日數(shù)的最大值，除3月下旬、5月下旬取11外，其他旬均取10；旬日照時數(shù)的最大值：取23站50年當(dāng)旬的最大值；旬降水量的最大值：先取23站50年當(dāng)旬的最大值，因?yàn)檎九c站之間該值之間的差別太大，再取23站最大值的平均值。

計(jì)算得到每站的小麥澇漬指數(shù)，并分別統(tǒng)計(jì)了Qwi＞0.5、Qwi＞0.8、Qwi＞1.10出現(xiàn)的旬?dāng)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕段天氣系數(shù)結(jié)果分析

赤霉病已成為部分地區(qū)小麥減產(chǎn)、品質(zhì)低劣的主要因素，以長江中下游冬麥區(qū)發(fā)生頻率最高、損失最大。赤霉病不僅能導(dǎo)致作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，還能產(chǎn)生毒素，嚴(yán)重時使人畜中毒。赤霉病發(fā)生具有間歇性和爆發(fā)性，能夠在短時間內(nèi)突然成災(zāi)，其發(fā)生、發(fā)展、流行都和氣象條件密切相關(guān)或與氣象災(zāi)害相伴發(fā)生。溫度適宜時濕度就成為赤霉病發(fā)生流行的制約因子［10］。

4—5月是長江流域冬小麥孕穗成熟期，小麥生長旺盛。根據(jù)湖北荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站多年觀測資料，小麥抽穗期單株葉面積平均約145 cm2，該階段葉面積指數(shù)可達(dá)6.6。研究表明，赤霉病是由多種鐮刀菌侵染引起的，其流行程度與菌量、品種及小麥揚(yáng)花灌漿期間的氣候條件密切相關(guān)，在溫暖潮濕和半潮濕地區(qū)尤其嚴(yán)重［7］。

馮成玉等［5］根據(jù)小麥赤霉病實(shí)際區(qū)域病情，將江蘇省氣候分區(qū)指標(biāo)分為4級：S≥130為1級，80≤S＜130為2級，30≤S＜80為3級，S＜30為4級。

根據(jù)式（1），利用湖北省23站1971—2020年50年4—5月的日氣象資料，計(jì)算濕段天氣系數(shù)（S）（圖1）。從圖1可以看出，赤壁、咸寧、嘉魚氣候分區(qū)指標(biāo)分為1級，漢川、仙桃、應(yīng)城、蘄春、江夏、公安為2級，大悟、建始、隨州、宜城、武漢、荊州、天門、孝感為3級，鄖西、棗陽、麻城、當(dāng)陽、老河口、襄陽為4級。

圖1 湖北省1971—2020年50年的濕段天氣系數(shù)分布

小麥赤霉病與氣溫和相對濕度均有關(guān)，徐云等［7］定義指標(biāo)為氣象站2、8、14、20時4個時次記錄同時滿足氣溫T≥14.3℃、相對濕度U≥64.7%，其高溫高濕的標(biāo)準(zhǔn)與馮成玉等［5］的濕段天氣的標(biāo)準(zhǔn)類似，所以濕段天氣的標(biāo)準(zhǔn)也是可以根據(jù)各地情況進(jìn)行調(diào)整的。

考慮到馮成玉等［5］在計(jì)算時，基本以1980年的資料為主，其氣候分區(qū)指標(biāo)有時間和空間上的局限性。為了慎重起見，本研究以10年為時間段計(jì)算了1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2020年5個年代的濕段天氣系數(shù)，并挑選了每個站點(diǎn)5個年代的最大值（圖2），以便對50年的濕段天氣系數(shù)分區(qū)結(jié)果加以補(bǔ)充。

圖2 湖北省1971—2020年5個年代的最大濕段天氣系數(shù)分布

從圖2可見，利用濕段天氣系數(shù)5個年代的最大值，將標(biāo)準(zhǔn)提高到≥200為1級，除赤壁、咸寧、嘉魚氣候分區(qū)指標(biāo)分為1級外，增加江夏、仙桃、漢川6個站。

如將標(biāo)準(zhǔn)提高到＜50為4級，鄖西、老河口、當(dāng)陽、麻城、大悟共5個站為4級（表1）。

表1 23個站1971—2020年4—5月濕段天氣系數(shù)分級統(tǒng)計(jì)

從圖1、圖2可見，鄂西南山區(qū)為濕害較重區(qū)。除了鄂西的中、南部山區(qū)外，從鄂西北到咸寧南部呈逐漸增加趨勢，以荊門市北部—孝感市北部—武漢市以北為主分界線，往南等值線密集程度迅速增加。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 旬澇漬指數(shù)的旬?dāng)?shù)分級統(tǒng)計(jì)濕段天氣系數(shù)只考慮了空氣溫度和相對濕度同時偏高造成的小麥濕害，沒有考慮降水和日照的影響，澇漬指數(shù)正好可以彌補(bǔ)該方面的不足。

根據(jù)湖北鄖西、天門、鐘祥、隨州等多個站1990—2013年的小麥生育期觀測資料，一般情況下，孕穗普遍期位于3月下旬至4月中旬、抽穗普遍期位于4月上旬至4月下旬、乳熟期位于4月下旬至5月中旬、成熟期位于5月中旬至5月下旬。上述時期正是湖北小麥植株茂盛且易感病時期。因此，選用23個代表站每站1971—2020年3月下旬至5月下旬（累計(jì)350旬）的旬降水量、降水日數(shù)和日照時數(shù)進(jìn)行歷年各站各旬的澇漬指數(shù)統(tǒng)計(jì)。圖3為由各站1971—2020年共50年3月下旬—5月下旬達(dá)輕、中、重度澇漬標(biāo)準(zhǔn)（澇漬指數(shù)Qwi＞0.5、Qwi＞0.8、Qwi＞1.1）的旬累計(jì)旬次數(shù)組成的序列圖。從圖3可見，各站3個級別的旬次數(shù)在站點(diǎn)排序中的序數(shù)基本一致：其中，鄂西北的鄖西、棗陽、老河口旬次數(shù)基本屬于最少，鄂南的嘉魚、赤壁、咸寧旬次數(shù)基本屬于最多。

圖3 各站1971—2020年3月下旬至5月下旬達(dá)輕、中、重度澇漬標(biāo)準(zhǔn)的累計(jì)旬?dāng)?shù)

為了與濕段天氣系數(shù)法分區(qū)進(jìn)行比照，用4級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了澇漬指數(shù)分區(qū)。圖4、圖5分別為澇漬指數(shù)＞0.8的旬?dāng)?shù)和＞1.1的旬?dāng)?shù)站點(diǎn)分布圖。

從圖4、圖5可見，咸寧、赤壁、嘉魚、蘄春、建始、江夏、公安旬澇漬指數(shù)＞0.8的旬?dāng)?shù)大于82次，＞1.1的旬?dāng)?shù)大于32次；鄖西、棗陽、老河口、宜城、襄陽、隨州、大悟旬澇漬指數(shù)＞0.8的旬?dāng)?shù)大于40次，＞1.1的旬?dāng)?shù)大于16次。

圖4 湖北省1971—2020年3月下旬至5月下旬澇漬指數(shù)＞0.8的旬?dāng)?shù)分布

圖5 湖北省1971—2020年3月下旬至5月下旬澇漬指數(shù)＞1.1的旬?dāng)?shù)分布

湖北旬澇漬指數(shù)＞0.8、＞1.1的旬?dāng)?shù)分布情況（表2）：鄂西南山區(qū)為高值區(qū)；除了鄂西的中、南部山區(qū)外，從鄂西北到咸寧南部呈逐漸增加趨勢，以荊門市北部—孝感市北部—武漢市以北為主分界線，往南等值線相對密集，增加較迅速。

表2 湖北省1971—2020年3月旬至5月下旬澇漬指數(shù)分區(qū)（以＞0.8的旬?dāng)?shù)為主）

2.2.2 仙桃市2013—2020年赤霉病情與旬澇漬指數(shù)對應(yīng)分析統(tǒng)計(jì)仙桃市2013—2020年3月下旬至5月 下旬 每旬 澇漬 指數(shù)Qwi＞0.5合計(jì) 值、旬Qwi最大值，生成仙桃市2013—2020年旬澇漬指數(shù)與赤霉病情 統(tǒng)計(jì)表。由 表3可見，2013年 旬Qwi＞0.5合計(jì)值1.82、旬Qwi最大值0.74為8年最小，病穗率最小、病情指數(shù)次小；2020年旬Qwi＞0.5合計(jì)值1.94為8年次小值，病穗率11.3為次小、病情指數(shù)3.3最??；2016年旬Qwi＞0.5合計(jì)值3.81、旬Qwi最大值1.72為8年最大，病穗率為71、病情指數(shù)23為8年最大；2017年病穗率、病情指數(shù)均為8年次大，除了與旬Qwi最大值1.47較大有關(guān)外，2016年的病源基數(shù)大是重要因素。總之，仙桃市2013—2020年赤霉病情與旬澇漬指數(shù)對應(yīng)較好。

表3 仙桃市2013—2020年旬澇漬指數(shù)與赤霉病情統(tǒng)計(jì)

2.3 湖北地形地勢對澇漬影響分析

湖北4—5月的連續(xù)陰雨天氣，將影響小麥灌漿，降低結(jié)實(shí)率和粒重，還極易引起赤霉病、銹病的發(fā)生和流行［11］。陳協(xié)清等［12］指出，江漢平原是長江、漢水及其支流交匯的三角洲地帶沖積平原，這里4—5月常出現(xiàn)連陰雨天氣，這時正值小麥孕穗、揚(yáng)花、灌漿階段，降雨引起的澇漬災(zāi)害致使小麥減產(chǎn)，并提出用小麥?zhǔn)苎蜁r間、地表淹水深度、田間土壤漬水3個主要指標(biāo)，反映小麥在不同階段的受澇減產(chǎn)函數(shù)。小麥抽穗、乳熟期發(fā)生漬害，會使小麥根系早衰，嚴(yán)重的甚至發(fā)黑腐爛、植株水分供水失調(diào)，引起生理干旱，綠色葉片減少，葉片功能期縮短，植株早枯，灌漿成熟期縮短，子粒變小，粒重降低致使產(chǎn)量減少。

對南方易澇易漬地域而言，在植物生長季節(jié)，當(dāng)一場雨引起的地面澇解除后，往往地下水位尚未降落到適宜的埋深，又會遇到另一場降雨，從而客觀上存在著先澇后漬，澇去漬存或澇漬交替發(fā)生的現(xiàn)象，簡稱為“澇漬相隨現(xiàn)象”。在生產(chǎn)上很難將澇漬作用對作物的影響截然分開［13］。湖北被稱為千湖之省，眾多的湖泊主要分布在面積較小的平原地區(qū)。在生產(chǎn)上，農(nóng)田排水通常先排澇后排漬。當(dāng)遇到連續(xù)的強(qiáng)降水天氣過程時，湖北的城市道路積水已經(jīng)屢見不鮮。一般農(nóng)田相較城市地勢低，特別是歷史上大規(guī)模圍湖造田形成的眾多“湖田”，排凈田間漬水需要花更多時間。

前述計(jì)算討論，均是圍繞氣象站觀測資料，沒有考慮地形地勢的影響。如果田間澇漬時間過長，必然造成濕度過大的田間小氣候，故地形地勢也要引起高度重視。

一般說來，特別是在平原地區(qū)，縣級氣象站海拔高度高于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田的海拔高度。圖6是湖北省氣象站海拔高度圖。利用湖北省氣象站海拔高度（因利川、神農(nóng)架站海拔高度＞1 000 m，為了看圖方便，在圖中去掉了2個站的信息），蘄春、石首、公安、蔡甸、大冶、陽新、赤壁、浠水、枝江9站海拔高度＜50 m；黃梅、黃岡、武漢、武穴、漢川、孝感、嘉魚、新洲、洪湖、仙桃、監(jiān)利、應(yīng)城、潛江、鄂州、黃陂、云夢、荊州、黃石、天門19站海拔高度＜35 m（表4）。

表4 湖北省23個氣象站高度與所在縣（市）地形地勢

圖6 湖北省氣象站海拔高度（不含利川、神農(nóng)架站）

湖北省氣象站海拔高度分布情況：除了山區(qū)外，全省從西北到長江沿線呈逐漸降低趨勢，以荊門市北部-孝感市北部-武漢市以北為主分界線，分界線以南的漢水近岸到長江近岸之間的區(qū)域?yàn)楹笔〉牡屯莸貐^(qū)。

2.4 綜合影響分析

利用1971—2020年50年4—5月的濕段天氣系數(shù)、5個年代濕段天氣系數(shù)的最大值、3月下旬至5月下旬旬澇漬指數(shù)＞0.8的旬?dāng)?shù)、旬澇漬指數(shù)＞1.1的旬?dāng)?shù)。對這4種結(jié)果的分級見表5，表中4級表示濕害最輕，1級表示濕害最重。濕段天氣系數(shù)法、澇漬指數(shù)法在不考慮地形地勢的情況下，鄂西北山區(qū)及向平原過渡區(qū)、桐柏山大洪山及向平原過渡區(qū)、鄂東北大別山與丘陵區(qū)、江漢平原北部區(qū)、鄂西山區(qū)向平原過渡區(qū)是濕害4級或3?4級區(qū)，濕害輕和較輕。鄂西南山區(qū)為濕害較重區(qū)。以荊門市北部—孝感市北部—武漢市以北為主分界線（圖7），主分界線以北為濕害較輕區(qū)，且越往北濕害越輕；主分界線以南為濕害較重區(qū)，且越往南越重。

圖7 湖北省小麥生長后期濕害4級分區(qū)圖

表5 湖北省小麥生長后期濕害分區(qū)

3 小結(jié)與討論

由濕段天氣系數(shù)法、澇漬指數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)綜合分析，鄂西北山區(qū)及向平原過渡區(qū)、桐柏山大洪山及向平原過渡區(qū)、鄂東北大別山與丘陵區(qū)、江漢平原北部區(qū)、鄂西山區(qū)向平原過渡區(qū)是濕害4級或3?4級區(qū)，濕害輕和較輕。鄂西南山區(qū)為濕害較重區(qū)。以荊門市北部—孝感市北部—武漢市以北為主分界線，主分界線以南為濕害較重區(qū)，基本上是越往南越重。

在考慮地形地勢的情況下，江漢平原除北部以外的地區(qū)，縣城海拔高度一般在50 m以下，尤其是湖區(qū)低洼田塊，為容易產(chǎn)生較長時段澇漬的區(qū)域；湖北偏南丘陵地區(qū)的谷地沖田，也有易澇漬地。

鑒于以上分析，為了提高糧食產(chǎn)量，在進(jìn)行土地種植規(guī)劃時，對濕害較輕地區(qū)，可盡量增加小麥種植面積；對濕害較重地區(qū)，最大限度地調(diào)減小麥面積；對濕害嚴(yán)重地區(qū)的濕害嚴(yán)重地段，種植小麥易遭遇較重赤霉病，造成豐產(chǎn)不豐收，即小麥產(chǎn)量越高，“赤字”越大，建議轉(zhuǎn)向增加雙季稻、再生稻面積，也可以一季稻后種植油菜或綠肥或利用冬炕培養(yǎng)地力。

對于濕害的防治，第一，在工程措施上加強(qiáng)農(nóng)田水利建設(shè)，實(shí)行排灌分家，對一些低洼田，不僅要明排，還可在地下埋設(shè)暗管，對地下水位施行暗降。第二，在農(nóng)藝措施上，開好并疏理“三溝”，經(jīng)常中耕松土，以切斷土壤毛細(xì)管，抑制地下水上升，防止耕作層過濕。第三，在生態(tài)對策上，根據(jù)生物間共生互利原則，進(jìn)行作物高矮間套。提高光能利用率，降低田間濕度。如需要種植棉花的地方，可發(fā)展“小麥/平菇/棉”生態(tài)間套種植模式，不僅鮮菇產(chǎn)量可達(dá)22 500 kg/hm2，而且通風(fēng)透光，減輕小麥濕害。平菇收后菌渣一部分留田，增加了土壤肥力和有機(jī)質(zhì)，可促進(jìn)棉花增產(chǎn)；另一部分還可加工菌糠飼料，發(fā)展畜牧業(yè)。