豫南地區(qū)油菜花期預(yù)報方法研究

莊若南

（1.信陽市茶葉氣象重點實驗室，河南 信陽 464000；2.信陽市氣象局，河南 信陽 464000）

0 引言

近年來，隨著人民生活水平和精神需求的不斷提高，賞花旅游已成為人們外出旅游的主要方式之一?！澳档せü?jié)”“櫻花節(jié)”“油菜花節(jié)”等賞花節(jié)的舉辦日期與植物實際開花日期密切相關(guān)［1］。油菜花期又分為開花始期、普遍期、盛期和末期，游客在開花盛期前往觀賞的效果最佳［2］。如果賞花節(jié)的舉辦時間較植物實際開花日期偏早或偏晚，游客的觀賞感受也將有所下降［3］。

國外學(xué)者關(guān)于植物花期模擬和花期預(yù)測技術(shù)開展了大量的研究，主要包括：一是氣候變化對植物花期的影響。在全球氣候變暖的影響下，最近20 a來，幾乎全部林木和農(nóng)作物3—5月的發(fā)育期均有不同程度的提前［4］。在歐洲［5］、美國［6-7］和加拿大［8］，木本及農(nóng)作物的春季物候期均提前了3~28 d；在日本，城市熱島效應(yīng)會導(dǎo)致櫻花開花期提前了1~8 d［9］。二是植物花期與氣候要素的關(guān)系。根據(jù)物候?qū)W可知，光、溫、水等是影響植物開花期早、晚的主要氣候因子，氣溫是主導(dǎo)因子，降水量、空氣相對濕度、光照強度和日照時數(shù)等對植物花期亦有影響［10-11］。三是植物花期的預(yù)測技術(shù)。如Morin等［12］預(yù)測了北美地區(qū)22種木本植物展葉始期在未來100 a間的變化情況。Ge等［13］發(fā)現(xiàn)在1952—2007年間有20種中國落葉闊葉林的始葉期平均提前了1.14 d/10 a。Hur等［14］利用全球和區(qū)域氣候模式的季節(jié)預(yù)報，預(yù)測了1999—2008年間韓國的櫻花、桃和梨的初花期。Chung等［15］應(yīng)用溫帶落葉喬木物候模型，預(yù)測了華盛頓特區(qū)潮汐盆地和周邊的大西洋中部各州櫻花樹（染井吉野、關(guān)山櫻）的盛花期。

上述研究均為針對特定研究區(qū)域建立的油菜花期預(yù)報模型，但對非研究區(qū)域的油菜花期預(yù)報并不適用。目前，針對豫南地區(qū)油菜花期預(yù)報技術(shù)的研究仍處于空白。信陽作為河南省的油菜主產(chǎn)區(qū)，常年種植面積13.3萬hm2左右，因此，開展豫南地區(qū)油菜開花期預(yù)報模型研究，找到適合本地的油菜花期預(yù)報方法，不僅能為政府相關(guān)部門制定決策提供科學(xué)依據(jù)，以及為油菜花節(jié)舉辦日期的確定提供決策依據(jù)［18-19］，而且還可以更好地推動鄉(xiāng)村振興，促進(jìn)油菜花節(jié)旅游資源的開發(fā)和利用，由此帶動當(dāng)?shù)芈糜谓?jīng)濟，進(jìn)而促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

信陽市位于河南省南部，為亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)域，同時具有亞熱帶氣候和暖溫帶氣候的部分特點，該地區(qū)季風(fēng)氣候顯著，年平均溫度15.2~15.6℃，≥10 ℃活動積溫為4900~5200 ℃·d，年平均降水量為900~1300 mm，光、熱、水資源匹配較為合理，且綜合利用率高，區(qū)域內(nèi)適合多種作物生長，油菜種植面積較大，約占河南省油菜面積的50%［20］。

1.2 資料來源

油菜的生育期資料主要來源于信陽市氣象局和信陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，包括2010—2020年的油菜抽薹始期、開花始期、開花普遍期、開花盛期等生育期資料；氣象資料為油菜觀測站點的逐日平均氣溫資料，來自信陽市國家自動觀測氣象站(114°2′36″E、32°8′14″N)，時間序列為抽薹始期至開花盛期。利用2021—2022年信陽農(nóng)業(yè)氣象試驗站觀測的油菜生育期資料、逐日平均氣溫觀測值進(jìn)行預(yù)報效果檢驗。預(yù)報資料來自信陽市氣象臺逐日1~7 d或1~15 d的氣溫預(yù)報，并通過每日2次定時(02:00和14:00)氣溫預(yù)報的平均值來計算日平均氣溫。

1.3 研究方法

統(tǒng)計2010—2020年信陽市油菜逐年的生育期，包括抽薹內(nèi)的各發(fā)育時段(始期、普遍期)、開花內(nèi)的各發(fā)育時段(始期、普遍期、盛期)的日期，并求出各生育期的年平均日期。利用日平均氣溫計算抽薹始期至開花內(nèi)各發(fā)育時段(始期、普遍期、盛期)、開花始期至開花內(nèi)各發(fā)育時段(普遍期、盛期)的逐年有效積溫，將計算得到的逐年有效積溫進(jìn)行求和與求平均值，得到各發(fā)育階段的年平均有效積溫，并將其作為預(yù)報指標(biāo)，分別計算≥0、≥5、≥10 ℃的累積有效積溫，計算公式為：

式（1）中，T為累積有效積溫(℃·d)，Ti為日平均氣溫(℃)；t為有效積溫計算的下限溫度，取0、5、10 ℃，n為天數(shù)。

以站點實際觀測的油菜抽薹始期和開花始期日期為基準(zhǔn)，逐日計算實況日(實測抽薹始期或開花始期)至預(yù)報日的積溫，再疊加預(yù)報日至未來15 d的積溫，當(dāng)積溫達(dá)到或超過花期某發(fā)育時段(如始期、普遍期、盛期)的指標(biāo)時，當(dāng)日即為相應(yīng)花期(始期、普遍期、盛期)的日期；若積溫未達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)，則暫不考慮開花。

選取2021—2022年信陽市油菜開花各發(fā)育時段(始期、普遍期、盛期)開展逐日預(yù)報檢驗，對比下限溫度分別為0、5、10 ℃預(yù)報指標(biāo)的預(yù)測效果。為區(qū)分油菜花期模型存在的誤差與預(yù)報數(shù)據(jù)誤差，利用2021—2022年油菜抽薹始期至開花盛期期間的實測日平均氣溫再次對模型進(jìn)行檢驗，對比2次檢驗的結(jié)果，得出最適宜的預(yù)報指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 豫南地區(qū)油菜花期的特征

對2010—2020年信陽市農(nóng)試站觀測的油菜各年發(fā)育期時間進(jìn)行統(tǒng)計，去除站點異?；蛉笔У臄?shù)據(jù)，得到信陽市油菜抽薹至開花期發(fā)育期間隔日數(shù)并計算得到各時段的日期（表1、表2）。通過分析近10 a豫南地區(qū)油菜抽薹至開花各時段發(fā)育期間隔平均值和平均發(fā)育日期，由此可知：油菜在3月2日開始陸續(xù)抽薹，2.9 d后達(dá)到抽薹普遍期；抽薹普遍期至開花始期經(jīng)歷時間最長，為16.3 d；3月21日進(jìn)入始花期，開花始期與普遍期間隔時間3.0 d，開花7.6 d后達(dá)到開花盛期。

兩組治療前神經(jīng)功能評分比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；觀察組治療后神經(jīng)功能缺損評分低于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 2010—2020年豫南地區(qū)油菜抽薹至開花期間各發(fā)育期間隔日數(shù) d

表2 2010—2020年豫南地區(qū)油菜抽薹至開花期各時段日期 月/日

各發(fā)育期間隔日數(shù)最大與最小之間相差4~17 d，其中，抽薹普遍期—開花始期之間的最大間隔為29 d，最小間隔為12 d，兩者相差17 d。各發(fā)育期最早與最晚日期之間相差21~41 d，其中，最早抽薹始期在2月2日，最晚在3月14日，相差41 d；最早開花始期在3月8日，最晚在3月30日，相差22 d；開花盛期最早在3月16日，最晚在4月6日，相差21 d。

2.2 豫南地區(qū)油菜各發(fā)育階段積溫分析

計算2010—2020年信陽市油菜逐年在抽薹、開花各發(fā)育期時段內(nèi)≥0、≥5、≥10 ℃積溫，并分別求出≥0、≥5、≥10 ℃的積溫在各發(fā)育時段內(nèi)的年平均值(表3)。由豫南地區(qū)油菜在各發(fā)育階段的年平均積溫可知，油菜抽薹始期至開花盛期生長發(fā)育所需的積溫最高(≥0 ℃)可達(dá)到310.3 ℃·d，開花始期至開花普遍期所需要的積溫最少(≥0℃)只有39.2 ℃·d。從不同下限溫度計算的豫南地區(qū)2010—2020年年平均積溫來看，≥0、≥5、≥10℃的積溫情況整體相似，但≥0 ℃的積溫最高，≥5 ℃的積溫次之。如從抽薹始期至開花盛期階段，所需≥0 ℃的積溫為310.3 ℃·d、≥5 ℃的積溫為180.8 ℃·d、≥10 ℃的積溫僅需72.1 ℃·d。

表3 2010—2020年豫南地區(qū)油菜發(fā)育時段 ≥0、≥5、≥10 ℃年平均積溫 ℃·d

2.3 豫南地區(qū)油菜花期預(yù)報方法的建立

利用2.2中得到的抽薹始期至開花內(nèi)各發(fā)育階段(始期、普遍期、盛期)、開花始期至開花內(nèi)各發(fā)育階段(普遍期、盛期)的年平均積溫作為油菜花期預(yù)報指標(biāo)，根據(jù)油菜發(fā)育實際情況獲取油菜抽薹始期和開花始期，再通過實測氣溫數(shù)據(jù)計算從抽薹始期、開花始期至當(dāng)前預(yù)報日的實況積溫，再累加1~15 d中期預(yù)報的平均氣溫求出總的積溫，判斷其是否達(dá)到開花(始期、普遍期、盛期)指標(biāo)，從而確定從抽薹始期至開花各發(fā)育期、開花始期至開花各發(fā)育期的日期，綜合2種預(yù)報結(jié)果后確定預(yù)報的油菜開花發(fā)育期的具體日期。

油菜開花期預(yù)報模型：

式（2）中，M為實際與模型的積溫之差；T為模型指標(biāo)；t分別取0、5和10 ℃。具體預(yù)報指標(biāo)如表4所示。

表4 豫南地區(qū)油菜開花期預(yù)報模型指標(biāo) ℃·d

預(yù)報模型建立之后，從油菜抽薹始期開始，每天定時更新發(fā)育期實況、氣溫實況、氣溫預(yù)報數(shù)據(jù)，計算M值，當(dāng)M值累加到大于0時，所對應(yīng)的日期即為預(yù)報的相應(yīng)油菜發(fā)育日期。

2.4 利用預(yù)報氣溫值進(jìn)行預(yù)報與檢驗

利用上述油菜花期預(yù)報方法，選取≥0 ℃的積溫指標(biāo)，對2021年3月1—15日信陽市油菜開花發(fā)育期(始期、普遍期、盛期)開展逐日預(yù)報。將實際觀測的發(fā)育期與每日預(yù)報的發(fā)育期日期進(jìn)行對比分析，部分檢驗日預(yù)報的效果見圖1。結(jié)果顯示，總體預(yù)報效果較好，逐日預(yù)報結(jié)果都與實際發(fā)育期日相差±4 d之內(nèi)，從抽薹始期開始預(yù)測的開花各發(fā)育期與實況相比提前了1~4 d；從開花始期開始預(yù)測的開花各發(fā)育期與實況相比發(fā)育期推遲1~2 d。

圖1 2021年3月1—15日采用≥0 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報開花各發(fā)育期與實際日期檢驗對比

采用≥10 ℃積溫指標(biāo)對2021年3月1—15日信陽地區(qū)油菜開花發(fā)育期(始期、普遍期、盛期)進(jìn)行預(yù)報，并將實際觀測的發(fā)育期與每日預(yù)報的發(fā)育期日期進(jìn)行對比分析，部分檢驗日預(yù)報的效果如圖2所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)報的開花各發(fā)育期結(jié)果與實況相差較大，最大誤差可達(dá)-12 d，且在開花各發(fā)育期實測日期已經(jīng)出現(xiàn)時，部分預(yù)報指標(biāo)仍未達(dá)到。由此可知，≥10 ℃積溫指標(biāo)誤差較大，因而不能實際運用于豫南地區(qū)油菜花期預(yù)報中。

圖2 2021年3月1—15日采用≥10 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報開花各發(fā)育期與實際日期檢驗對比

采用≥5 ℃積溫指標(biāo)對2021年3月1—15日信陽地區(qū)油菜開花發(fā)育期(始期、普遍期、盛期)進(jìn)行預(yù)報，并將實際觀測的發(fā)育期與每日預(yù)報的發(fā)育期日期進(jìn)行對比分析，部分檢驗日預(yù)報的效果如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分預(yù)報結(jié)論與實際發(fā)育期相比均有不同程度的提前，預(yù)報日期比實際日期延后的相對較少。從抽薹始期開始預(yù)報的開花始期較≥0 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報效果相差不大；從抽薹始期開始預(yù)報的開花普遍期和開花盛期以及從開花始期開始預(yù)報的開花普遍期誤差較小，最大誤差為2 d，比采用≥0 ℃積溫指標(biāo)預(yù)測的效果好；從開花始期開始預(yù)測的開花盛期誤差較≥0 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報的大。整體來看，若需從開花始期預(yù)報開花盛期使用≥0 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報結(jié)果較好，其他則使用≥5 ℃積溫指標(biāo)預(yù)測誤差較小。

圖3 2021年3月1—15日采用≥5 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報開花各發(fā)育期與實際日期檢驗對比

采用≥0、≥5、≥10 ℃積溫指標(biāo)分別對2022年3月1—15日信陽地區(qū)油菜開花發(fā)育期(始期、普遍期、盛期)逐日進(jìn)行預(yù)報，逐日對比開花各發(fā)育期預(yù)報和實況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2022與2021年的預(yù)報結(jié)論整體相似。

2.5 利用實測氣溫值進(jìn)行預(yù)報與檢驗

為區(qū)分油菜花期模型存在的誤差與預(yù)報數(shù)據(jù)誤差，利用2021—2022年抽薹始期至開花盛期的實測日平均氣溫再次對模型進(jìn)行檢驗，2021年預(yù)報的效果如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，≥10 ℃的積溫指標(biāo)預(yù)報結(jié)果與實測發(fā)育期日期相差較大，故不再進(jìn)行分析；≥5 ℃積溫指標(biāo)在從抽薹始期開始預(yù)測開花普遍期時的預(yù)報效果較好；≥0 ℃積溫指標(biāo)在從開花始期預(yù)測開花盛期時的預(yù)報效果較好，其他發(fā)育時段的預(yù)報效果基本一致。

圖4 2021年采用≥0、≥5 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報開花各發(fā)育期與實際日期檢驗對比

2022年預(yù)報效果如圖5所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，≥5℃積溫指標(biāo)在從抽薹始期開始預(yù)測開花始期時預(yù)報效果較好，≥0 ℃積溫指標(biāo)在從開花始期預(yù)測開花盛期時的預(yù)報效果較好，其他發(fā)育時段的預(yù)報效果基本一致。對比2021年與2022年檢驗結(jié)果可知，≥0 ℃積溫指標(biāo)在從開花始期預(yù)測開花盛期時預(yù)報效果較好，這與前期采用預(yù)報氣溫值檢驗時得出的結(jié)論一致，其他發(fā)育階段≥0 ℃與≥5 ℃積溫指標(biāo)的預(yù)測結(jié)果基本一致，這與前期采用預(yù)報氣溫值檢驗時的結(jié)論不同。除從開花始期預(yù)測開花盛期外，采用預(yù)報氣溫值檢驗時有一定的誤差，導(dǎo)致≥5 ℃積溫指標(biāo)的預(yù)報效果好于≥0 ℃?？偟膩砜矗懦龤鉁仡A(yù)報存在的誤差，采用≥0 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報效果優(yōu)于≥5、≥10 ℃。

圖5 2022年采用≥0、≥5 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報開花各發(fā)育期與實際日期檢驗對比

3 結(jié)論與討論

近10 a來，豫南地區(qū)油菜平均在3月2日開始陸續(xù)抽薹，2.9 d后達(dá)到抽薹普遍期，抽薹普遍期至開花始期經(jīng)歷時間最長，為16.3 d；3月21日進(jìn)入始花期，開花始期與普遍期間隔時間3.0 d，開花7.6 d后可達(dá)到開花盛期。各發(fā)育期的最早與最晚日期之間相差21~41 d，間隔日數(shù)的最大與最小之間相差4~17 d。

豫南地區(qū)油菜抽薹始期至開花盛期所需的積溫最高(≥0 ℃)可達(dá)到310.3 ℃·d，開花始期至開花普遍期所需要的積溫最少(≥0 ℃)只有39.2℃·d。3種指標(biāo)的年平均積溫情況整體相似，但≥0、≥5、≥10 ℃的積溫依次降低。

通過2021—2022年春季部分時段花期預(yù)報結(jié)果檢驗看出，本文建立的預(yù)報模型的總體預(yù)報效果較好。其中，大部分預(yù)報結(jié)論與實際發(fā)育期相比均有不同程度的提前，預(yù)報結(jié)論比實際日期延后的相對較少。整體來看，≥10 ℃積溫指標(biāo)預(yù)報結(jié)果與實測發(fā)育期的日期相差較大。排除氣溫預(yù)報存在的誤差，采用≥0 ℃積溫指標(biāo)的預(yù)報效果比采用≥5、≥10 ℃積溫指標(biāo)的好。由于農(nóng)作物生育期資料不完整，預(yù)報和檢驗站點數(shù)量不多，且油菜花期的早晚還與日照、降水等氣象因子有關(guān)，但本預(yù)報方法未考慮其他氣象因子的影響，所以預(yù)報結(jié)果與實際相比可能存在一定的差異。