基于相對(duì)氣候適宜度指數(shù)的貴州辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

譚 文，楊世瓊，左 晉，劉宇鵬，于 飛

(貴州省山地氣候環(huán)境研究所/貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

【研究意義】辣椒是我國(guó)重要的蔬菜和調(diào)味品，其播種面積占全國(guó)蔬菜總播種面積的8%～10%，產(chǎn)值約2 500 億元，目前，辣椒的播種面積和產(chǎn)值均居全國(guó)蔬菜的首位[1-2]。貴州是辣椒種植大省，辣椒產(chǎn)業(yè)是貴州農(nóng)業(yè)重要的支柱產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民增收致富的重要途徑，擁有全國(guó)唯一的國(guó)家級(jí)辣椒市場(chǎng)，發(fā)展辣椒產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好，勢(shì)頭強(qiáng)勁[3-4]。及時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地提前預(yù)報(bào)辣椒產(chǎn)量對(duì)保障重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給以及開(kāi)展市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)玉米、水稻、小麥等糧食作物的產(chǎn)量預(yù)報(bào)已開(kāi)展多年研究[5-7]，預(yù)報(bào)方法趨于成熟。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，經(jīng)濟(jì)作物的種植面積逐年增加，已有學(xué)者開(kāi)展烤煙、橡膠、荔枝、茶葉等經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)研究[8-11]。楊艷超[8]等運(yùn)用多元線性回歸方法，建立了基于代表縣綜合氣候適宜度的陜西省烤煙單產(chǎn)預(yù)報(bào)模型。黃珍珠等[9]和彭曉丹等[10]基于關(guān)鍵氣象因子，分別建立了廣東省橡膠產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型和增城荔枝產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型。馬于茗等[11]基于AquaCrop 模型，建立了安吉縣和松陽(yáng)縣茶葉產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】氣候環(huán)境對(duì)辣椒產(chǎn)量的影響較大，目前基于氣象因子預(yù)測(cè)辣椒產(chǎn)量方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選擇貴州省辣椒主要種植區(qū)2010—2019年辣椒單產(chǎn)與氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合辣椒氣候適宜度模型，建立辣椒相對(duì)氣候適宜度指數(shù)；以月為步長(zhǎng)，建立辣椒從播種到開(kāi)花期至成熟期逐月的產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)辣椒產(chǎn)量及時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的預(yù)報(bào)與評(píng)估。

1 資料與方法

1.1 資料及處理

2010—2019年貴州省88個(gè)縣(市、區(qū))的辣椒種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)由貴州省統(tǒng)計(jì)局提供；84個(gè)氣象站辣椒生長(zhǎng)季(3月中旬至8月下旬)逐日平均溫度、降水量和日照時(shí)數(shù)由貴州省氣象局提供。

為達(dá)到預(yù)測(cè)貴州地區(qū)辣椒產(chǎn)量前景的目的，按照辣椒采收方式，將貴州省分為北部加工型辣椒產(chǎn)業(yè)帶和南部鮮食辣椒產(chǎn)業(yè)帶[4]。分別在2個(gè)產(chǎn)業(yè)帶2019年辣椒種植面積排名前5的縣(市、區(qū))中各選取3個(gè)進(jìn)行產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型構(gòu)建，北部產(chǎn)業(yè)帶選擇湄潭縣、綏陽(yáng)縣和鳳岡縣，南部產(chǎn)業(yè)帶選擇盤(pán)州市、甕安縣和西秀區(qū)。一定區(qū)域內(nèi)，相鄰2年作物單產(chǎn)的變化主要是由相鄰2年氣象條件的差異引起[12]。為此，對(duì)辣椒單產(chǎn)作如下處理：

△Yi=(Yi-Yi-1)/Yi-1×100%

式中，i為第i年；i-1為第i年的上一年；△Yi為第i年與第i-1年辣椒平均單產(chǎn)的豐歉值，即相對(duì)產(chǎn)量；Yi和Yi-1分別為第i年和第i-1年辣椒的平均單產(chǎn)。

1.2 氣候適宜度模型的建立

為達(dá)到定量評(píng)價(jià)光、溫、水氣象因子對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量形成適宜度的目的，利用模糊數(shù)學(xué)理論，把氣象因子的數(shù)量變化通過(guò)模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)方法轉(zhuǎn)化成對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成的適宜程度。農(nóng)作物生育期內(nèi)的溫度、降水、日照為不同的模糊集，通過(guò)建立模糊集如溫度(T)、降水(R)、日照(S)的適宜度函數(shù)f(t)、f(r)、f(s)，計(jì)算作物生育期內(nèi)逐旬的溫度(t)、降水(r)、日照(s)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的適宜程度。

1.2.1 溫度適宜度模型 為定量分析貴州省熱量資源對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的滿足程度，引入辣椒對(duì)溫度的反應(yīng)函數(shù)：

f(T)=

α=(Tmax-Ts)/(Ts-Tmin)

式中，f(T)為溫度適宜度，T為實(shí)況溫度，Tmin為辣椒生長(zhǎng)發(fā)育下限溫度，Tmax為生長(zhǎng)發(fā)育上限溫度，a為溫度對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的影響系數(shù)，Ts為辣椒生長(zhǎng)發(fā)育最適溫度。參考前人研究成果[13-14]確定Tmax、Tmin、Ts的取值。

1.2.2 降水適宜度模型

式中，f(R)為降水適宜度，R為實(shí)時(shí)降水量(mm)，E0為農(nóng)田蒸散(農(nóng)田基本耗水量)，f(R)∈[0，1]；E0可通過(guò)彭曼公式和作物系數(shù)估算，參考原蘇聯(lián)謝良尼諾夫經(jīng)驗(yàn)公式的原理推算[13-14]。

E0=Kc×∑T

式中，Kc為作物系數(shù)[經(jīng)驗(yàn)值，或稱(chēng)水熱系數(shù)，mm/(℃·d)]；∑T為逐日溫度累積值。

1.2.3 日照適宜度模型

式中，f(s)為日照適宜度，S為實(shí)時(shí)日照時(shí)數(shù)，S0為光合作用達(dá)到作物潛在光合能力的日照時(shí)數(shù)[13-14]。

1.2.4 辣椒各生育期綜合氣象適宜指數(shù)模型

Fi=[fi(T)+fi(R)+fi(S)]/3

式中，F(xiàn)i為第j旬辣椒氣象適宜度，F(xiàn)j(T)、Fj(R)、Fj(S)分別為第j旬溫度、降水、日照適宜度。

1.3 相對(duì)氣候適宜度指數(shù)的建立

相對(duì)氣候適宜度為相鄰2年作物氣候適宜度的差值，可以體現(xiàn)相鄰2年作物生育期內(nèi)氣象條件的差異，公式：

△Fij=Fij-F(i-1)j

式中，i為第i年；i-1為第i年的上一年；j為第j旬；△Fij為第i年第j旬辣椒相對(duì)氣候適宜度，F(xiàn)ij和F(i-1)j分別為第i年和第i-1年第j旬辣椒相對(duì)氣候適宜度。

相對(duì)氣候適宜度指數(shù)是由辣椒播種開(kāi)始至某一時(shí)段的逐旬相對(duì)氣候適宜度加權(quán)集成構(gòu)成。其中，各旬權(quán)重系數(shù)的大小是通過(guò)計(jì)算辣椒相對(duì)產(chǎn)量與各旬相對(duì)氣候適宜度之間的相關(guān)系數(shù)大小確定，各旬的權(quán)重系數(shù)Kj如下[15]：

式中，n為辣椒從播種至某一時(shí)段的旬?dāng)?shù)，Rj為辣椒相對(duì)氣象產(chǎn)量與各旬相對(duì)氣候適宜度的相關(guān)系數(shù)。

相對(duì)氣候適宜度指數(shù)：

式中，△FIj為第j旬的相對(duì)氣候適宜度指數(shù)，Kj為第j旬的權(quán)重系數(shù)，F(xiàn)j為第j旬的相對(duì)氣候適宜度。

1.4 模型的檢驗(yàn)

利用建立的產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型對(duì)2010—2017年貴州省不同產(chǎn)業(yè)帶辣椒單產(chǎn)進(jìn)行回代檢驗(yàn)，并對(duì)2018—2019年貴州省不同產(chǎn)業(yè)帶辣椒單產(chǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率計(jì)算方法如下：

式中，Y預(yù)報(bào)為某年的辣椒單產(chǎn)預(yù)報(bào)值，Y實(shí)際為當(dāng)年辣椒單產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)量值。

1.4.1 回代檢驗(yàn) 利用得出的預(yù)報(bào)模型，對(duì)6個(gè)代表縣(市、區(qū))2011—2017年辣椒平均單產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)，通過(guò)預(yù)報(bào)模型得出Y預(yù)報(bào)，并結(jié)合上述公式進(jìn)行回代檢驗(yàn)，計(jì)算準(zhǔn)確率。

1.4.2 預(yù)報(bào)檢驗(yàn) 利用得出的預(yù)報(bào)模型，對(duì)6個(gè)代表縣(市、區(qū))2018—2019年辣椒平均單產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)，通過(guò)預(yù)報(bào)模型得出Y預(yù)報(bào)，并結(jié)合上述公式進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，計(jì)算準(zhǔn)確率。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)氣候適宜度指數(shù)與辣椒單產(chǎn)豐歉值的相關(guān)性

從表1看出，5月下旬至8月下旬的累積相對(duì)氣候適宜度指數(shù)與辣椒單產(chǎn)豐歉值均呈正相關(guān)，其相關(guān)性均通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，即氣候條件越適宜，辣椒單產(chǎn)豐歉值越高。說(shuō)明，建立的辣椒相對(duì)氣候適宜度指數(shù)能夠客觀反映貴州省北部、南部?jī)纱罄苯樊a(chǎn)業(yè)帶的氣候適宜度與單產(chǎn)豐歉值的變化情況。

表1 北部和南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶相對(duì)氣候適宜度指數(shù)與單產(chǎn)豐歉值的相關(guān)性Table 1 Correlation between relative climatic suitability index and pepper yield per unit area in northern and southern pepper growing areas

2.2 辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型

由表2看出，利用2010—2017年辣椒生育期內(nèi)逐旬氣溫、降水、日照和各縣辣椒逐年平均單產(chǎn)數(shù)據(jù)資料構(gòu)建的貴州省辣椒不同時(shí)段的預(yù)報(bào)模型均通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明，建立的模型可以客觀反映辣椒生長(zhǎng)期內(nèi)氣象要素變化對(duì)單產(chǎn)增減的影響。

表2 北部和南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶基于相對(duì)氣候適宜度指數(shù)的不同時(shí)段產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型Table 2 Forecast models of pepper yield at different growth stages based on relative climatic suitability index in northern and southern pepper growing areas

2.3 辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

2.3.1 回代檢驗(yàn) 從表3可知，全省預(yù)報(bào)的平均準(zhǔn)確率可達(dá)88.35%，北部辣椒產(chǎn)業(yè)帶產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型準(zhǔn)確率高于南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶，綏陽(yáng)、鳳岡高于90.00%，湄潭、盤(pán)州、甕安、西秀為80.00%～90.00%。由此表明，建立的辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)結(jié)果較可信，可滿足省級(jí)產(chǎn)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)需求。

2.3.2 預(yù)報(bào)檢驗(yàn) 從表4可知，全省平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)84.34%，隨著時(shí)間延后預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從79.28%升至87.59%。南部辣椒產(chǎn)業(yè)帶產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型準(zhǔn)確率均在80%以上，高于北部辣椒產(chǎn)業(yè)帶。北部辣椒產(chǎn)業(yè)帶6月1日的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低于80.00%，隨著預(yù)報(bào)時(shí)間延后，8月1日、9月1日的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率升至80.00%以上。

表3 2011—2017年辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)回代檢驗(yàn)平均準(zhǔn)確率Table 3 Average accuracy of pepper yield predicted by dynamic forecast return test from 2011 to 2017 %

表4 2018—2019年辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)準(zhǔn)確率Table 4 Accuracy of pepper yield predicted by dynamic forecast test from 2018 to 2019 %

3 討論

劉維等[16]研究發(fā)現(xiàn)，小區(qū)域尤其是縣級(jí)尺度集成模型預(yù)報(bào)結(jié)果總體優(yōu)于地市級(jí)集成和省級(jí)尺度預(yù)報(bào)模型，這主要是由于縣級(jí)尺度預(yù)報(bào)模型使用了針對(duì)性更強(qiáng)的產(chǎn)量序列和氣象數(shù)據(jù)。研究分區(qū)域分別選擇種植面積較大的3個(gè)縣(市、區(qū))進(jìn)行辣椒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型構(gòu)建，可更好地反映當(dāng)?shù)貧庀髼l件對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

基于相對(duì)氣候適宜度指數(shù)建立了分區(qū)域產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，構(gòu)建的產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型均通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)。從回代檢驗(yàn)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)看，全省回代檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)88.35%，全省預(yù)報(bào)檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)84.34%，基本滿足省級(jí)產(chǎn)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)需求，為貴州省辣椒產(chǎn)量預(yù)報(bào)提供重要的參考信息。由于模型僅使用平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等較容易獲取的要素，未考慮農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害以及政策、種植管理方法等社會(huì)因素，這也是造成預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率波動(dòng)的重要因素。因此，需考慮農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害以及政策、品種更換等因素的實(shí)際發(fā)生情況對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

辣椒單產(chǎn)豐歉值與不同時(shí)段相對(duì)氣候適宜度指數(shù)間存在較高的相關(guān)性，說(shuō)明建立的辣椒相對(duì)氣候適宜度指數(shù)能夠客觀反映貴州省北部、南部?jī)纱螽a(chǎn)業(yè)帶的氣候適宜度與單產(chǎn)豐歉值的變化情況，基于相對(duì)氣候適宜度指數(shù)的預(yù)報(bào)方法適用于貴州省不同辣椒產(chǎn)業(yè)帶的單產(chǎn)預(yù)報(bào)。