高寒地區(qū)大豆產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)研究

陳 雪，高夢(mèng)竹，趙 晶，李新華，喬 梁

（1黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150036；2黑龍江省氣象臺(tái)，哈爾濱 150030；3內(nèi)蒙古興安盟氣象局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400；4黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，哈爾濱 150030）

0 引言

黑龍江省作為中國(guó)農(nóng)業(yè)大省，是國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地和糧食戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2019年中國(guó)糧食作物播種面積年均11703萬(wàn)hm2，糧食產(chǎn)量年均66111.4 萬(wàn)t，黑龍江省兩者占比高達(dá)12.2%和11.3%，為糧食播種面積和產(chǎn)量最高的省份，其中大豆種植面積約占總作物播種面積27.1%，年均產(chǎn)量709.3萬(wàn)t左右[1]，因高產(chǎn)量、高質(zhì)量被授予“中國(guó)綠色大豆之都”、“國(guó)家高油高蛋白大豆種植標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)”等標(biāo)志，黑河嫩江市更有“中國(guó)大豆之鄉(xiāng)”、“北國(guó)糧倉(cāng)”的美譽(yù)，產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展在穩(wěn)定中國(guó)大豆生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。氣候變化是作物產(chǎn)量不穩(wěn)定的主要因素之一，定量評(píng)估氣象條件對(duì)大豆生產(chǎn)影響，提供準(zhǔn)確的發(fā)育期預(yù)測(cè)、產(chǎn)量預(yù)報(bào)、氣象年景預(yù)測(cè)信息，對(duì)合理調(diào)整大豆生產(chǎn)布局、科學(xué)制定應(yīng)對(duì)氣候變化的對(duì)策具有重要意義。

氣象部門自20世紀(jì)80年代以來，針對(duì)農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)已形成一套較為成熟的體系，如統(tǒng)計(jì)模型預(yù)報(bào)法[2]、關(guān)鍵氣象因子影響指數(shù)法[3-4]、產(chǎn)量歷史豐歉氣象影響指數(shù)法等[5-6]?；跍囟?、降水、日照等氣象條件構(gòu)建的氣候適宜度理論，成為近年來分析氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育定量化影響的重要途徑[7]，被國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者廣泛應(yīng)用于作物氣候適宜度評(píng)價(jià)[8-9]、農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候分區(qū)[10]及產(chǎn)量預(yù)報(bào)[11]等方面，通過建立水稻[12]、玉米[13]、小麥[14]、大豆[15]等作物的氣候適宜度模型，揭示不同生育期氣候條件適宜程度的變化規(guī)律。但已有的研究成果多集中于河南[16-17]、河北[18]、江蘇[19]、浙江[20-21]、內(nèi)蒙古[22-23]、遼寧[24]、吉林[25]等省份，以“中華糧倉(cāng)”為名的黑龍江省卻少有涉及，此外氣候適宜度的評(píng)價(jià)指標(biāo)和模型由于地理、氣候等條件的差異具有很大的區(qū)域適用性，因此探索黑龍江省本地基于氣候適宜度指數(shù)的作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)技術(shù)，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)信息及時(shí)性、準(zhǔn)確性，是目前氣象為農(nóng)服務(wù)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，選取黑龍江省和大豆種植基地嫩江市作為研究區(qū)，利用大豆各生長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)氣象要素，從生長(zhǎng)發(fā)育的生理生態(tài)特征出發(fā)，分析各時(shí)段溫度、降水、日照及綜合氣候適宜度，建立基于氣候適宜度指數(shù)的大豆產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)逐旬省級(jí)和市級(jí)的產(chǎn)量預(yù)報(bào)，以期通過作物生長(zhǎng)的氣象條件，更好滿足當(dāng)?shù)卣扔嘘P(guān)部門的需求，保證農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)工作順利開展。

1 資料與方法

1.1 資料處理

氣象資料來源于黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，采用1995—2019 年研究區(qū)內(nèi)85 個(gè)氣象觀測(cè)站記錄的大豆生長(zhǎng)季（5—9 月）逐日最低氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、降水量(mm)及日照時(shí)數(shù)(h)數(shù)據(jù)。產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于各農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站和黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒，為對(duì)應(yīng)年份研究區(qū)內(nèi)各地方大豆單產(chǎn)(kg/hm2)及生長(zhǎng)狀況觀測(cè)數(shù)據(jù)。

為分析氣象條件變化對(duì)產(chǎn)量的影響，將大豆單產(chǎn)做如下處理，如式(1)所示。

式(1)中，i為第i年，i-1代表第i年的前一年，Yi、Yi-1分別為第i年、第i-1 年大豆單產(chǎn)，ΔYi為第i年相對(duì)于第i-1年大豆單產(chǎn)的豐歉值，即相對(duì)氣象產(chǎn)量。

1.2 模型建立

1.2.1 溫度適宜度模型 為定量評(píng)價(jià)黑龍江省熱量資源對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育的滿足程度，根據(jù)馬樹慶[26]的研究，建立溫度適宜度模型，如式(2)～(3)所示。

式中，F(xiàn)(t)是由實(shí)際氣溫與三基點(diǎn)溫度決定的溫度適宜度。t為某站點(diǎn)某日的平均氣溫，tl、th、to分別為大豆所需的最低溫度、最高溫度和最適溫度，各生育期tl、th、to值的確定參考文獻(xiàn)[15]。當(dāng)t≤tl或t≥th時(shí)，F(xiàn)(t)=0；當(dāng)tl

1.2.2 降水適宜度模型 在大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中水分條件同樣重要，選取降水量數(shù)據(jù)建立降水適宜度模型，如式(4)所示。

式中，F(xiàn)(p)為降水適宜度。p為全省某旬的降水量(mm)，pa為相應(yīng)旬多年（1995—2015 年）降水量平均值。

1.2.3 日照適宜度模型 定量評(píng)價(jià)大豆生長(zhǎng)光照條件，建立日照適宜度模型，如式(5)所示。

式中，F(xiàn)(s)為日照適宜度。s為全省某旬的日照時(shí)數(shù)(h)，H是相應(yīng)旬多年（1995—2015年）日照時(shí)數(shù)平均值(h)。

1.2.4 氣候適宜度指數(shù) 氣候適宜度綜合分析了溫度、降水、日照三個(gè)要素，反映氣象條件對(duì)大豆適宜度的影響，建立氣候適宜度模型如式(6)所示。

式中，F(xiàn)(c)為某旬綜合氣候適宜度。F(t)、F(p)、F(s)分別為溫度適宜度、降水適宜度和日照適宜度。氣候適宜度指數(shù)是自大豆播種開始至某一時(shí)段的逐旬氣候適宜度加權(quán)集成構(gòu)成，其中，各旬權(quán)重系數(shù)的大小是通過計(jì)算大豆相對(duì)氣象產(chǎn)量與各旬氣候適宜度之間的相關(guān)系數(shù)大小來確定，各旬權(quán)重系數(shù)如式(7)所示。

式中，n為大豆從播種至某一發(fā)育階段期間的旬?dāng)?shù)，Ri為大豆氣象產(chǎn)量與各旬的氣候適宜度的相關(guān)系數(shù)。氣候適宜度指數(shù)的表達(dá)式如式(8)所示。

式中，F(xiàn)I(ci)是氣候適宜度指數(shù)。Ki是第i旬的權(quán)重系數(shù)，F(xiàn)(ci)是第i旬的氣候適宜度。

1.2.5 產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型 通過回歸統(tǒng)計(jì)方法建立大豆各生育時(shí)段氣候適宜度指數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系方程，即大豆產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，如式(9)所示。

式中，ΔY為相對(duì)氣象產(chǎn)量，F(xiàn)I為播種到某時(shí)段的氣候適宜度指數(shù)，a、b為擬合系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆產(chǎn)量分布特征

對(duì)1995—2019 年黑龍江省各市縣大豆產(chǎn)量空間分布特征進(jìn)行分析。如圖1 所示，大豆年均單產(chǎn)空間上從南至北呈逐級(jí)遞減趨勢(shì)，其中哈爾濱市西南部、綏化市南部和大慶市東南部大豆產(chǎn)量最高，年均單產(chǎn)值超過了2.3 t/hm2，包含雙城、肇州、五常等12 個(gè)市縣在內(nèi)；其次為綏化市中東部、伊春市南部、哈爾濱東北部和七臺(tái)河市，年均單產(chǎn)在2.1～2.3 t/hm2之間，包括肇東、慶安、通河等地；全省大部地區(qū)單產(chǎn)約為1.8～2.1 t/hm2，主要分布在齊齊哈爾市、黑河市、伊春市、鶴崗市、雙鴨山市、雞西市和牡丹江市，包含市縣站點(diǎn)數(shù)量的百分比達(dá)34.8%；而加格達(dá)奇、塔河、撫遠(yuǎn)等地大豆種植面積較少且產(chǎn)量不高，年均單產(chǎn)僅在1.5 t/hm2左右，集中分布在大興安嶺地區(qū)、黑河市北部和佳木斯市東北部。

圖1 黑龍江省大豆年均單產(chǎn)空間分布

圖2為1995—2019年黑龍江省大豆單產(chǎn)時(shí)間變化趨勢(shì)，整體波動(dòng)較大。1995—2004 年呈上下起伏狀，1997、1999、2002 年增產(chǎn)顯著，均超過了2 t/hm2，其中1997 年單產(chǎn)值達(dá)2.41 t/hm2，為25 年內(nèi)產(chǎn)量最高的年份；2004—2007 年單產(chǎn)持續(xù)下降，尤其2007 年僅有1.14 t/hm2，相對(duì)于2006年下降0.52 t/hm2，為25年內(nèi)大豆單產(chǎn)值最低的年份；2007—2012 年持續(xù)上升，后2012—2019 年呈相對(duì)平緩趨勢(shì)，全省大豆平均單產(chǎn)1.81 t/hm2。各市縣年均總產(chǎn)量存在顯著差距，46.5%的地區(qū)總產(chǎn)值在5 萬(wàn)t 以上，其中僅有16 個(gè)市縣超過10萬(wàn)t，黑河嫩江市大豆產(chǎn)量最高，達(dá)46.68萬(wàn)t，其次為齊齊哈爾訥河市年均30.79萬(wàn)t，克山縣年均23.56萬(wàn)t。

圖2 黑龍江省大豆歷年單產(chǎn)時(shí)間分布

2.2 氣候適宜度指數(shù)檢驗(yàn)

選取全省和總產(chǎn)最高的嫩江市為研究區(qū)，對(duì)1995—2015 年大豆相對(duì)氣象產(chǎn)量和大豆從播種至任意生長(zhǎng)時(shí)段的氣候適宜度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示兩者顯著相關(guān)，7月上旬—8月下旬各生長(zhǎng)時(shí)段均通過了0.01 水平的顯著檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)分別為0.804、0.834、0.838、0.859、0.886和0.864，即氣候條件越適宜，相對(duì)氣象產(chǎn)量越高。繪制播種至各生長(zhǎng)時(shí)段氣候適宜度指數(shù)與大豆相對(duì)氣象產(chǎn)量的年際變化可知，兩者增減趨勢(shì)具較高的一致性，如1997、1999、2002、2004、2008年全省大豆相對(duì)氣象產(chǎn)量顯著增加，1998、2000、2003、2007 年顯著下降（圖3a），嫩江市1996、1999、2004、2008、2014 年大幅上升，1998、2003、2007、2009、2013年大幅下降（圖3b），其年份的氣候適宜度指數(shù)也出現(xiàn)相應(yīng)的趨勢(shì)，說明本研究建立的氣候適宜度模型能夠客觀地反映黑龍江省氣候適宜度與大豆單產(chǎn)豐歉值的變化，可以綜合評(píng)價(jià)氣象要素對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育的適宜程度。

圖3 大豆播種至各生長(zhǎng)時(shí)段氣候適宜度指數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量的年際變化（a全?。籦嫩江市）

2.3 產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型檢驗(yàn)

黑龍江省大豆的播種時(shí)間約在5月上中旬，9月中下旬陸續(xù)成熟，根據(jù)為農(nóng)服務(wù)中產(chǎn)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，建立黑龍江省7月上旬—8月下旬產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，對(duì)全省和嫩江市逐旬進(jìn)行大豆產(chǎn)量預(yù)報(bào)。如表1所見，不同時(shí)段的預(yù)報(bào)模型均通過了0.01水平的有效檢驗(yàn)。說明建立的產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型可以客觀反映大豆產(chǎn)量變化情況，其中大豆單產(chǎn)預(yù)報(bào)值如式(10)所示。

表1 基于氣候適宜度指數(shù)的各生長(zhǎng)時(shí)段產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型

式中各指標(biāo)含義見公式(1)。

2.3.1 回代檢驗(yàn) 將1995—2015 年全省和嫩江市歷史資料代入建立的產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，對(duì)大豆單產(chǎn)進(jìn)行回代檢驗(yàn)。歷史擬合相對(duì)氣象產(chǎn)量與實(shí)際相對(duì)氣象產(chǎn)量的年際變化基本相一致，8 月中旬的擬合趨勢(shì)與實(shí)際變化趨勢(shì)最相符（圖4a、b），相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù)分別為0.829、0.858、0.855、0.894 和0.873，均在0.8 以上，且都通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率由式(11)所示。

圖4 各生長(zhǎng)時(shí)段產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型擬合與實(shí)際相對(duì)氣象產(chǎn)量的年際變化（a全??；b嫩江市）

計(jì)算可得，各生長(zhǎng)時(shí)段平均準(zhǔn)確率為多年準(zhǔn)確率的平均值，如表2 所示，1995—2015 年共21 年中各旬單產(chǎn)預(yù)報(bào)趨勢(shì)準(zhǔn)確的年份均在12年以上，7月中旬—8月中旬?dāng)?shù)值相對(duì)較高；全省預(yù)報(bào)產(chǎn)量在實(shí)際產(chǎn)量20%區(qū)間內(nèi)(90%～110%)的年數(shù)均超過15 年，各旬?dāng)?shù)值相差不大，平均占總年數(shù)百分率76.2%，各時(shí)段平均準(zhǔn)確率均大于90%，其中8月上旬、8月中旬、8月下旬準(zhǔn)確率分別達(dá)93.3%、93.8%和93.1%；嫩江市20%區(qū)間的年數(shù)在14 年左右，各時(shí)段平均準(zhǔn)確率約86.3%，其中7 月下旬、8 月上旬、8 月中旬準(zhǔn)確率分別達(dá)87.1%、87.6%和87%。上述說明擬合檢驗(yàn)結(jié)果較好，模型的模擬性能總體上較準(zhǔn)確。

表2 各生長(zhǎng)時(shí)段產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型歷史回代檢驗(yàn)

2.3.2 預(yù)報(bào)檢驗(yàn) 利用建立的產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型對(duì)2017—2019年大豆進(jìn)行產(chǎn)量外推預(yù)報(bào)，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的適用性和準(zhǔn)確性。如表3所示，全省2017年7月上旬—8月下旬各預(yù)報(bào)時(shí)段的準(zhǔn)確率均在85%以上，分別為86.97%、86.71%、88.09%、87.58%、88.72%和90.41%，嫩江市相對(duì)較高，平均值約93.09%，8 月中旬達(dá)94.73%；2018 年全省各預(yù)報(bào)時(shí)段的準(zhǔn)確率均超過90%，8 月中旬預(yù)報(bào)單產(chǎn)1.93 t/hm2，準(zhǔn)確率高達(dá)95.58%，其次為8 月下旬準(zhǔn)確率為94.34%；2019 年全省各預(yù)報(bào)時(shí)段準(zhǔn)確率均在90%左右，預(yù)測(cè)單產(chǎn)分別為2.01、1.99、1.97、1.97、1.95、1.96 t/hm2，8 月中旬準(zhǔn)確率達(dá)92.97%，其次為8 月下旬92.81%，嫩江市在70%左右。

表3 2016—2018年各生育期產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

黑龍江省大豆年均單產(chǎn)空間上從南至北呈逐級(jí)遞減趨勢(shì)，其中哈爾濱市西南部、綏化市南部和大慶市東南部大豆產(chǎn)量最高；時(shí)間上呈年代際變化，近年來呈相對(duì)平緩趨勢(shì)；各市縣年均總產(chǎn)量存在顯著差距，其中嫩江市大豆產(chǎn)量最高；1995—2015年全省和嫩江市氣候適宜度指數(shù)與其對(duì)應(yīng)的大豆相對(duì)氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明構(gòu)建的氣候適宜度模型可以客觀反映出大豆各生長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)氣象條件變化情況；建立的產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型回代檢驗(yàn)平均準(zhǔn)確率在80%以上，通過了0.01水平有效檢驗(yàn)；1995—2015年各旬單產(chǎn)預(yù)報(bào)趨勢(shì)準(zhǔn)確的年份在12年以上；預(yù)報(bào)產(chǎn)量在實(shí)際產(chǎn)量20%區(qū)間內(nèi)(90%～110%)的年數(shù)百分比達(dá)76.2%；2017—2019 年全省大豆產(chǎn)量外推預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性均超過了85%，嫩江市2017 年平均值達(dá)93.09%，8 月中旬高達(dá)95.58%，但2018 年和2019 年準(zhǔn)確率僅70%左右，趨勢(shì)預(yù)報(bào)不穩(wěn)定。

4 討論

近幾年基于氣候適宜度指數(shù)的產(chǎn)量預(yù)報(bào)方法在產(chǎn)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)服務(wù)中應(yīng)用廣泛，但在黑龍江省農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)中還未見開展該方法的應(yīng)用研究。本研究初步嘗試?yán)脷夂蜻m宜度指數(shù)方法構(gòu)建大豆產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型，結(jié)果顯示該方法適用于黑龍江省大豆產(chǎn)量預(yù)報(bào)服務(wù)中。但由于模型是基于統(tǒng)計(jì)方法建立的，僅考慮常規(guī)氣象要素變化，對(duì)極端低溫、洪澇等氣象災(zāi)害和病蟲害影響并未分析，可能造成模型預(yù)報(bào)結(jié)果不穩(wěn)定。因此，在后續(xù)研究中，將綜合考慮各種影響因素，進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。