水稻氣候品質(zhì)定量化認(rèn)證模型構(gòu)建

戈曉峰 薛豐昌 姬菲菲 張嫣然

摘要：農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證是指氣候條件對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響的優(yōu)劣等級的評定，傳統(tǒng)技術(shù)方法主要依據(jù)經(jīng)驗及歷史數(shù)據(jù)對農(nóng)產(chǎn)品生長氣候條件進(jìn)行定性化評分認(rèn)證。以寧夏吳忠市灌區(qū)水稻為例，以歷史氣候數(shù)據(jù)作為參考背景，構(gòu)建水稻品質(zhì)氣象條件適宜性梯度級，結(jié)合當(dāng)年水稻各生育期的氣候因素，綜合考慮氣象災(zāi)害對水稻品質(zhì)的影響，建立水稻氣候品質(zhì)定量化認(rèn)證模型，實現(xiàn)對水稻氣候品質(zhì)定量化評價。2019年寧夏吳忠市灌區(qū)水稻的氣候品質(zhì)認(rèn)證結(jié)果與農(nóng)業(yè)氣象觀測站記錄基本吻合，表明該認(rèn)證模型具有較好的實踐應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：水稻;氣候品質(zhì);定量化認(rèn)證模型;吳忠市

中圖分類號：S162.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0110-06

水稻是我國種植面積最廣、總產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)量（簡稱單產(chǎn)）單產(chǎn)均最高的糧食作物，在我國糧食生產(chǎn)和消費中一直處于主導(dǎo)地位[1]。但水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量與其各生育期所處環(huán)境因素有著密切關(guān)系，樊曉玲等研究表明，水稻各生育期所處環(huán)境的溫度、降水、日照時長以及是否有災(zāi)害發(fā)生都與該地水稻最終產(chǎn)量及品質(zhì)有著密不可分的直接關(guān)系[2-4]。因此，通過評價某水稻種植區(qū)各生育期的環(huán)境因素，進(jìn)行氣候品質(zhì)認(rèn)證分析，便可客觀反映出該地水稻的產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)劣情況。

所謂農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證是指天氣氣候條件對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響的優(yōu)劣等級的評定[5]。隨著農(nóng)產(chǎn)品市場的發(fā)展，消費者對其品質(zhì)的關(guān)注也日益增加，由此誕生的農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證工作也迅速普及。但目前認(rèn)證工作還普遍停留在人工階段，需要大量的人力和物力，且耗時，目前相關(guān)研究報道中出現(xiàn)的認(rèn)證方法僅涉及根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行定性化的描述[5-7]，未見有認(rèn)證過程中每一參數(shù)評分定量化標(biāo)準(zhǔn)的報道，這一現(xiàn)狀極大地阻礙了農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證工作的發(fā)展。本研究以寧夏吳忠市灌區(qū)水稻為例，將吳忠市往年歷史氣候數(shù)據(jù)作為參考背景，結(jié)合當(dāng)年水稻各生育期的氣候因素，同時考慮氣象災(zāi)害發(fā)生對水稻品質(zhì)及產(chǎn)量的影響，建立水稻氣候品質(zhì)定量化認(rèn)證模型，對吳忠市水稻氣候品質(zhì)進(jìn)行客觀評價，根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》，將其分為特優(yōu)、優(yōu)、良好、一般4個等級，研究成果能夠提高氣象業(yè)務(wù)人員農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證工作效率，促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證工作向高效化、自動化發(fā)展，同時也為其他地區(qū)進(jìn)行水稻等農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證相關(guān)試驗研究提供理論參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)所在氣候區(qū)為內(nèi)陸干旱半干旱氣候區(qū)，具有冬長夏短、雨水稀少、氣候干燥、晝夜溫差大等特點。寧夏回族自治區(qū)引黃灌區(qū)也是干燥缺雨、地表蒸發(fā)大，是典型的大陸性干旱氣候，但因自治區(qū)內(nèi)有黃河過境可提供灌溉用水，故其稻作區(qū)的氣候條件反而有利于水稻的生長[8]。寧夏引黃灌區(qū)距今已有近2 000年的水稻種植歷史且產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu)，1980年以來，單季稻單位面積產(chǎn)量更是位居全國之冠[9]。2008—2017年10年間，寧夏回族自治區(qū)水稻總產(chǎn)量平均高達(dá)67萬t/年左右，其中2011、2012年年水稻總產(chǎn)量更是突破70萬t[10]。引黃灌區(qū)主要集中分布在寧夏中北部的黃河沖擊平原（即寧夏平原），得益于黃河源源不斷的補充灌溉水源，可基本保證無旱無澇，同時稻作區(qū)所在的寧夏平原土地平整，土壤養(yǎng)分充足，是天然的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)寶地;除此之外，其優(yōu)越的氣候條件也保證了農(nóng)作物的單產(chǎn)與質(zhì)量：日照資源豐富，年總?cè)照諘r長可達(dá)3 000 h左右，作物生長季節(jié)4—9月≥10 ℃的積溫也可達(dá)3 200～3 400 ℃，非常適合水稻等喜溫植物生長[11]。農(nóng)業(yè)氣象專家在對我國光熱資源分析中發(fā)現(xiàn)，水稻的潛在生產(chǎn)力和現(xiàn)實生產(chǎn)力應(yīng)新疆最高，寧夏次之[8]。綜上所述，寧夏引黃灌區(qū)乃我國罕見之水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種植區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于吳忠市氣象觀測自動站（站號53612，106.177 50°E、37.985 83°N），包括吳忠市2010—2019年的逐日平均溫度、最低溫度、降水量、日照時數(shù)等以及2010—2019年吳忠市水稻從播種至成熟的全生育期觀測資料。

2 研究方法

2.1 水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證指標(biāo)選取及分析

2.1.1 水稻種植氣候適宜性區(qū)劃影響分析 氣候區(qū)劃是以氣候條件為主要因素，結(jié)合農(nóng)作物生長過程中的最佳水分、光照及溫度等條件，將不同地理區(qū)域劃分為不同適宜等級區(qū)。由于氣候區(qū)劃綜合考慮了作物生長過程中所需氣候條件以及可能發(fā)生的氣象災(zāi)害，故其區(qū)劃結(jié)果也是影響作物品質(zhì)的重要參考因素[12]。

由于寧夏回族自治區(qū)所在氣候區(qū)為內(nèi)陸干旱半干旱氣候區(qū)，水稻水分來源無法僅靠天然降雨，所以寧夏水稻僅可種植于引黃灌區(qū)。從近10年水稻生育期觀測數(shù)據(jù)可看出，水稻生長期主要集中于4—9月，這期間的光、熱條件較充足，水稻關(guān)鍵生長期的溫度及全生長期的積溫對水稻單產(chǎn)影響較大，故水稻氣候區(qū)劃應(yīng)以上述因素進(jìn)行。

根據(jù)《寧夏農(nóng)業(yè)氣候資源及其分析》[13]，寧夏引黃灌區(qū)水稻全生育期≥10 ℃積溫為3 000 ℃左右時適宜，大于3 200 ℃最優(yōu)，低于2 800 ℃時嚴(yán)重影響水稻生長;水稻生長關(guān)鍵期的孕穗抽穗期主要在7月，當(dāng)7月平均最低溫度低于9 ℃嚴(yán)重影響稻穗分化;水稻生長關(guān)鍵期的孕穗期主要在8月，平均溫度應(yīng)保持在20 ℃以上，若低于18 ℃則會嚴(yán)重影響灌漿，導(dǎo)致空秕率大幅上漲，產(chǎn)量降低。

2.1.2 水稻當(dāng)年氣候條件影響分析 水稻當(dāng)年氣候條件對其當(dāng)年的品質(zhì)起決定性作用，故除水稻區(qū)劃外，選取當(dāng)年氣候條件作為水稻當(dāng)年品質(zhì)評價指標(biāo)[14]。相關(guān)文獻(xiàn)還選取了企業(yè)生產(chǎn)管理條件作為農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認(rèn)證的指標(biāo)[12]，筆者認(rèn)為企業(yè)生產(chǎn)管理條件是人為因素，已脫離氣候品質(zhì)認(rèn)證范圍，故本研究未將其納入認(rèn)證指標(biāo)。

氣候條件評價主要從水稻正常生長發(fā)育、水稻商品品質(zhì)形成等方面選取因素，如日照時長、溫度、降水量等。在選取的評價因素中，又以溫度對水稻生長及品質(zhì)形成最為復(fù)雜且各生育期都對其有嚴(yán)格的要求。

通過閱讀整理大量關(guān)于水稻不同生育期溫度對其生理特征發(fā)育、品質(zhì)形成影響的研究，構(gòu)建針對生育期溫度評價體系，其構(gòu)建步驟為：在水稻不同生育期生長最適溫度的基礎(chǔ)上，通過查閱水稻不同時期的低溫凍害等相關(guān)文獻(xiàn)[15-18]確定最低閾值;然后通過查閱水稻不同時期的高溫脅迫等相關(guān)文獻(xiàn)確定最高閾值[15，19-20];最后結(jié)合水稻品質(zhì)形成對如抽穗期、灌漿期等關(guān)鍵生育期的溫度要求等相關(guān)文獻(xiàn)[21-24]對評價體系進(jìn)行修改完善。研究表明，直鏈淀粉含量是決定稻米蒸煮口味口感最重要的內(nèi)在決定性因素之一[25]，故評價體系中主要選用稻米直鏈淀粉含量對關(guān)鍵生育期的溫度要求進(jìn)行修改完善。

寧夏水稻灌溉水源幾乎全部來自黃河水，少雨缺水的影響較小;日照時長方面影響雖也較為重要，但其時效較長且影響效果也并不像生育期內(nèi)溫度的影響那么明顯，故降水量和日照時長評價體系采用本生長季值與歷史同期值相比的方法進(jìn)行評分。

2.1.3 當(dāng)年水稻氣象災(zāi)害影響分析 在各氣象災(zāi)害中，以低溫冷害對水稻傷害最大最常見。水稻低溫冷害即在水稻生育期內(nèi)遭遇水稻生長最低溫度以下的低溫時，導(dǎo)致影響水稻正常生長甚至造成大規(guī)模減產(chǎn)的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。水稻是遭受低溫冷害后減產(chǎn)規(guī)模極大的農(nóng)作物之一，且在各生育期均會出現(xiàn)，導(dǎo)致難以估量的損失[26]。相關(guān)研究表明，移栽期-成熟期平均氣溫<18 ℃、抽穗揚花期連續(xù)3 d以上平均氣溫<20 ℃、8月1日至9月1日≥10 ℃積溫值<840 ℃、孕穗期日最低溫度≤15 ℃ 持續(xù)時間≥2 d均會發(fā)生低溫冷害，對水稻造成不同程度的損傷[13]。故本研究在水稻氣象災(zāi)害影響部分，選取對水稻傷害最大、發(fā)生最為頻繁的低溫冷害作為評價當(dāng)年氣象災(zāi)害影響的因素。

2.2 水稻氣候品質(zhì)定量化認(rèn)證模型建立

將水稻種植氣候適宜性區(qū)劃得分、水稻當(dāng)年生育期溫度評價得分作為水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證的因子，采用加權(quán)指數(shù)求和法建立水稻氣候品質(zhì)定量化認(rèn)證模型，計算方法見公式（1）。

式中：F表示水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證最終得分;G表示水稻種植氣候適宜性區(qū)劃得分;N表示水稻當(dāng)年生長氣候條件得分。水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證結(jié)果等級劃分見表 1。

根據(jù)寧夏水稻氣候適宜性區(qū)劃因素分析，水稻種植氣候適宜性區(qū)劃得分（G）從7月平均最低氣溫（G1）、8月平均氣溫（G2）及水稻生育期內(nèi)≥10 ℃積溫（G3）3個方面進(jìn)行評分，將對應(yīng)指標(biāo)分別設(shè)置得分為：最適宜區(qū)，100分;適宜區(qū)，85分;次適宜區(qū)，70分;不適宜區(qū)，50分。具體計算方法見公式（2）。

式中：在3個因素中又以水稻生育期內(nèi)≥10 ℃積溫（G3）對水稻生長影響最大，故將其權(quán)重設(shè)置為0.4，其他2因素分別設(shè)置為0.3。水稻氣候適宜性區(qū)劃各因素（G1-G3）評分具體標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置表2。

水稻當(dāng)年生長氣候條件得分（N）分為兩部分計算：當(dāng)年水稻生長氣候資源評分（α）與當(dāng)年發(fā)生的水稻低溫冷害影響評分（β），具體計算方法見公式（3）。

當(dāng)年水稻生長氣候資源評分（α）可分為當(dāng)年水稻生育期溫度資源評分（X1），降水資源評分（X2）、日光照資源評分（X3），具體計算方法見公式（4）。

根據(jù)分析，其中水稻生育期溫度資源評分（X1）為水稻生育期內(nèi)最重要品質(zhì)影響因素，故權(quán)重為0.7;降水資源評分（X2）影響最小，故設(shè)置權(quán)重為0.1;日光照資源評分（X3）影響時效較長且效果較溫度不明顯，故設(shè)置權(quán)重為0.2。

水稻生育期溫度資源評分（X1），按《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[27]規(guī)定，將水稻全發(fā)育期分為從播種期至成熟期11個階段。水稻全生育期中相關(guān)品質(zhì)形成的關(guān)鍵期在分蘗期、抽穗期及灌漿期，其中灌漿期溫度對稻米直鏈淀粉含量影響最大，故各生育期溫度資源評分權(quán)重分配為：播種-出苗期（Y1）權(quán)重為0.1;三葉期（Y2）權(quán)重為0.1;移栽-返青期（Y3）權(quán)重為0.1;分蘗期（Y4）權(quán)重為0.15;拔節(jié)期-孕穗期（Y5）權(quán)重為0.1;抽穗期（Y6）權(quán)重為0.15;乳熟-成熟期（Y7）權(quán)重為0.3。具體計算方法見公式（5）。

其中各生育期溫度資源（Y1～Y7）評分具體標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置見表3。

水稻生育期降水資源評分（X2）、日光照資源評分（X3）分別通過當(dāng)年值與2010—2018年水稻對應(yīng)歷史生育期平均值M、R對比評分得出，具體評分方法見表4。

筆者認(rèn)為，降水資源與光照時長在對應(yīng)歷史生育期平均值上下波動5%為正常范圍，超出則可能對水稻產(chǎn)生較大影響，故上下閾值分別設(shè)為105%、95%。由于寧夏回族自治區(qū)所在氣候區(qū)為內(nèi)陸干旱半干旱氣候區(qū)，天然降水本無法滿足水稻生長發(fā)育需求，也就意味著歷史平均降水量就處于很低的水平，故在歷史平均降水量上浮5%以內(nèi)均設(shè)為特優(yōu)，可在一定程度上緩解干旱情況，而當(dāng)年水稻生育期降水量低于歷史平均降水量時則相應(yīng)遞減評分等級。日光照方面多于往年均值5%以內(nèi)均評為特優(yōu)級，是因為較多的日照資源對于水稻生長是促進(jìn)的，日照資源充足有利于水稻更好地發(fā)育生長及其品質(zhì)形成，若當(dāng)年水稻生育期日照時長低于歷史平均日照時長則相應(yīng)遞減評分等級。

根據(jù)相關(guān)研究表明，氣象災(zāi)害影響效果僅占20%，故當(dāng)年水稻低溫冷害影響評分（β）總分為20分，各災(zāi)害級別對應(yīng)評分見表5。

其中，具體級別判定方法參照前文分析確定如下指標(biāo)：指標(biāo)1，移栽期-成熟期平均氣溫<18 ℃;指標(biāo)2，抽穗揚花期連續(xù)3 d以上平均氣溫<20 ℃;指標(biāo)3，8月1日至9月1日≥10 ℃積溫值<840 ℃，并結(jié)合孕穗期日最低溫度≤15 ℃持續(xù)日數(shù)分析當(dāng)年水稻低溫冷害影響情況，具體分級方法見表6。

3 結(jié)果與分析

通過2010—2019年吳忠市水稻全生育期觀測資料確定往年及當(dāng)年各生育期具體時間段，再結(jié)合吳忠市氣象觀測自動站（站號53612）2010—2019年氣象數(shù)據(jù)（積溫數(shù)據(jù)通過日平均溫度處理計算后得出）計算并匯總出寧夏水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證評價體系中所需數(shù)據(jù)，供后續(xù)評價使用。

3.1 當(dāng)年水稻種植氣候適宜性

吳忠市水稻種植區(qū)位于寧夏引黃灌區(qū)，擁有充足的水資源和光照資源，同時由于黃河上游雪山融水中富含礦物質(zhì)，引黃河水灌溉水稻更使其營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富[28]。由于吳忠市水稻種植區(qū)屬于引黃灌區(qū)，故吳忠水稻種植氣候適宜性區(qū)劃評價可遵循表2。2019年吳忠市各項氣候適宜性參數(shù)具體為：7月平均最低溫度為18.1 ℃，屬最適宜區(qū)評分范圍，單項得分100分;8月平均溫度為23.1 ℃，屬最適宜區(qū)評分范圍，單項得分100分;水稻生育期（04-20—09-18）內(nèi)≥10 ℃積溫為3 241.6 ℃，屬最適宜區(qū)評分范圍，單項得分100分。綜上所述，2019年吳忠市引黃灌區(qū)水稻種植氣候適宜性區(qū)劃得分（G）為100分。

3.2 當(dāng)年水稻生長氣候條件

3.2.1 水稻生長氣候資源 2019年吳忠市水稻各生育期溫度資源評分（X1）細(xì)則見表7，根據(jù)式（5）加權(quán)指數(shù)求和后得出吳忠市水稻生育期溫度資源評分（X1）為90.25分。

2019年吳忠市水稻生育期降水量為 171.1 mm、日光照時長為1 116.3 h，2010—2018年水稻對應(yīng)歷史生育期平均值M、R分別為 163.2 mm、1 480.1 h，使用M、R具體值替換表4中對應(yīng)值，并得出水稻生育期降雨資源評分（X2）、日光照資源評分（X3），評分細(xì)則見表8。

從表8可得出，2019年吳忠市水稻生育期降水量為171.1 mm，屬良好級評分范圍，故降水資源評分（X2）為70分;日光照時長為1 116.3 h，屬偏低級評分范圍，故日光照資源評分（X3）為50分。

綜上，水稻生育期溫度資源評分（X1）得分為90.25分、水稻生育期降水資源評分（X2）得分為70分、水稻生育期日光照資源評分（X3）得分為50分，故2019年吳忠市水稻生長氣候資源評分（α）得分為80.18分。

3.2.2 水稻低溫冷害影響評分 通過對2019年逐日最低溫度、平均溫度以及積溫分析匯總（表6），選取的各指標(biāo)值及評級情況如下：移栽-成熟期平均氣溫21.9 ℃，未達(dá)到低溫冷害指標(biāo);抽穗-揚花期日平均氣溫<20 ℃的最大連續(xù)時間為2 d，未達(dá)到低溫凍害指標(biāo); 08-01—09-01≥10 ℃積溫值為714.6 ℃，達(dá)到低溫凍害指標(biāo);孕穗期日最低溫度≤15 ℃ 持續(xù)時間為0 d，未達(dá)到低溫凍害指標(biāo)。綜上，根據(jù)表 6可得2019年低溫冷害級別為輕級，即水稻低溫冷害影響評分（β）為5分。同時由于水稻生長氣候資源評分（α）得分為80.18分，故水稻當(dāng)年生長氣候條件得分（N）為75.18分。

3.3 模型認(rèn)證結(jié)果分析

從上述分析可知，水稻種植氣候適宜性區(qū)劃得分（G）為100分，水稻當(dāng)年生長氣候條件得分（N）為75.18分，故2019年吳忠市引黃灌區(qū)水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證最終得分為82.6分，即氣候品質(zhì)等級為優(yōu)級。從各項得分中可以看出，吳忠市引黃灌區(qū)對于種植水稻十分適宜，水稻各生育期的總體溫度資源較好，但是降水量較高、日照時長過短，從而導(dǎo)致水稻降水資源評分以及日光照資源評分過低，以及遭遇輕度低溫冷害影響，導(dǎo)致水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證為優(yōu)而非特優(yōu)。

4 結(jié)論

以2019年吳忠市引黃灌區(qū)水稻為對象，利用構(gòu)建的水稻氣候品質(zhì)定量化認(rèn)證模型對其進(jìn)行氣候品質(zhì)等級認(rèn)證，結(jié)果為優(yōu)級。其中，模型在吳忠市引黃灌區(qū)水稻種植氣候適宜性區(qū)劃評分中打了滿分，這與寧夏引黃灌區(qū)為全國僅次于新疆的水稻種植適宜區(qū)相符;水稻生育期溫度資源評分中，模型打分較高，說明2019年寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量等不會有太大波動，且與該區(qū)產(chǎn)量等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)相吻合。水稻降水資源、日光照資源評分中，模型打分較低，說明該年該區(qū)水稻生育期內(nèi)陰雨天較多，且已對水稻生長造成較大影響;水稻低溫冷害影響情況評分中，模型評定災(zāi)害等級為輕級，說明該年水稻生育期內(nèi)遭受低溫脅迫，但影響程度尚在可接受范圍，最終模型認(rèn)證等級為優(yōu)級，且得分為優(yōu)級較低分，與寧夏吳忠市農(nóng)業(yè)氣象觀測站分析記錄相吻合。本研究構(gòu)建的定量化氣候品質(zhì)認(rèn)證模型在實際使用驗證中，與實際數(shù)據(jù)基本吻合，證明了其實際可操作性。

本模型可為氣象部門開發(fā)在線水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證平臺提供理論基礎(chǔ)。由于本研究針對區(qū)域僅為寧夏吳忠地區(qū)，且使用的氣象資料年限較短，存在一定的局限性，其他地區(qū)應(yīng)用本模型開展水稻氣候品質(zhì)認(rèn)證相關(guān)工作時，還須根據(jù)當(dāng)?shù)靥攸c對本模型部分參數(shù)進(jìn)行本地化修訂。

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