寧夏馬鈴薯主產區關鍵生育期氣象適宜度評價

高建文，王連喜，劉 靜 ，吳志岐

（1.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044；2.中國旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室/寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002）

馬鈴薯為茄科茄屬1年生草本植物，又稱地蛋、洋芋、土豆等，在我國已有400多年種植歷史。馬鈴薯蛋白質含量高，含有人體的必需全部氨基酸，是維生素含量最全的糧食作物，其含量相當于胡蘿卜的2倍，其中B族維生素含量是蘋果的4倍［1］。

近年來寧夏馬鈴薯播種面積不斷擴大，產量不斷提高，已成為寧夏第四大主糧作物。發展馬鈴薯產業，對于保證國家糧食安全、農業持續發展、增加農民收入具有重要意義。寧南山區土壤疏松、土層深厚，氣候涼爽、晝夜溫差大，為喜涼喜光、耐寒耐旱的馬鈴薯生長提供了良好環境［2］。研究表明，氣象條件對馬鈴薯生長發育和產量形成有顯著影響［3］，評價馬鈴薯各個生育期的光照、溫度、降水等氣候資源，對指導馬鈴薯種植結構布局和產量預測具有現實意義。對馬鈴薯而言，播種和開花期是決定馬鈴薯產量的關鍵發育期［4］。在馬鈴薯各個發育期技術評價和預測中，物候法、積溫法、平均間隔法等傳統方法都是利用多年的農業氣象和地面氣象觀測資料組建各發育期預測和評價模型。近年來，利用氣候適宜度方法分析不同尺度、不同作物發育期內的氣候資源、氣候適宜度，并進行發育期和產量預報成為國內外學者進行農業氣象研究的熱點［5-7］。對于作物各個發育期，很多專家做過定性分析，但定量研究較少，且存在農業氣象適宜度指標不完整或不準確等問題，給馬鈴薯氣象服務的定量分析造成困難，同時在氣象服務的智慧化發展方面存在明顯短板。本文利用世界農糧組織推薦的適宜度計算公式，計算馬鈴薯關鍵發育期平均溫度、降水、日照適宜度，以這些適宜度為自變量，歷史豐歉年為個案標記依據，采用聚類分析方法，推算馬鈴薯關鍵發育期溫度、降水、日照等氣象適宜度閾值，利用木桶原理得出馬鈴薯關鍵發育期氣象綜合適宜度閾值，對寧夏馬鈴薯主產區馬鈴薯關鍵發育期的氣象適宜度進行評價。

1 材料與方法

1.1 數據來源及缺測數據處理

研究數據來源于1971年1月1日至2014年12月31日寧夏馬鈴薯主產區海原、西吉、原州、隆德、涇源、鹽池等縣（區）大監站日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日降水量、日日照數據、單產量以及西吉馬鈴薯發育期數據。如果某日溫度、日照、降水資料缺測，用歷年該日平均值代替。

1.2 馬鈴薯發育期反演

馬鈴薯主產區播種期的計算利用日最低氣溫（歷史值），根據五日滑動算法計算日最低氣溫連續3 d穩定通過5℃的日期，以第3 d為露地馬鈴薯適宜播種始期。以播種日期為開始日期，結合西吉縣馬鈴薯各個發育期平均積溫指標，利用滑動平均法反演歷年寧夏主產區馬鈴薯發育期。西吉縣歷年發育期間的平均活動積溫計算公式為

式中，Ak為第k個發育期的活動積溫，s為該發育期第一天日期，d為該發育期最后一天日期，Tk為第k發育期的下限溫度。

1.3 歷史馬鈴薯豐歉年分析

利用五年滑動平均法計算出趨勢產量。馬鈴薯單產減去趨勢產量得到氣象單產，即氣象產量除以趨勢產量得到相對氣象產量。相對氣象產量加1，如果大于1.05劃分為豐年，用3表示；如果大于等于0.95小于等于1.05劃分為平年，用2表示；小于0.95劃分為歉收年。

1.4 馬鈴薯生育期氣象適宜度計算

1.4.1 溫度適宜度 采用馬樹慶等［2］的計算方法，溫度適宜度計算公式為

式中，PT為溫度適宜度，t1為下限溫度，t2為上限溫度，t0為作物生長發育最適溫度，t為某日的平均氣溫。在以往研究［8-11］基礎上，結合寧夏地區各發育階段馬鈴薯生長的溫度范圍，分析得出馬鈴薯各發育期三基點溫度（表1），然后計算馬鈴薯主產區發育期逐日溫度適宜度，求和，即得到歷年發育期溫度適宜度。

表1 馬鈴薯三基點溫度（℃）

1.4.2 日照適宜度 參考趙峰等［12］的研究成果，把“天文 日長”的0.7作為臨界值 ，實際日照時數大于此值，即認為日照適宜度為1，小于此值用實際日照時數與0.7個天文日長的比值表示日照適宜度。

式中，Ps為日照適宜度，S為某日日照時數，S0為日可照時數。

1.4.3 降水適宜度 參考李樹巖等［13］的計算方法，并結合寧夏馬鈴薯主產區氣候特點，將降水適宜度分為兩個階段，第一階段為4月8日至8月10日，第二階段為8月11日至10月10日。

式中，PR為降水或灌溉適宜度，Ri為某日降水量（灌溉量）的剩余量，ri為某日降水量與灌溉量之和，ETc為某日需水量，ET0為參考作物蒸散量，K0為某日降水的消減系數。

1.4.4 水分剩余量 水分剩余量Ri的計算公式為

式中，Ri為某日降水量（灌溉量）的剩余量，Ri-1為前一日降水量（灌溉量）的剩余量，K0為某日降水的消減系數。Ri-1是個永遠未知的數據，我們用遞推迭代和歸納方法把上式進行變換如下：

式中，從理論上講，由于Ri-n是常數，K0＜1，當n趨向無窮大時，趨向無窮小，無窮小與任何常數的積也是無窮小，因此，則：

由此可以算出第i天剩余降水量。但在實際計算時，n不可能取無窮大，需要確定一個合理的n值。用每個發育期30年的日平均氣溫，計算出水分消減系數K0，以每個發育期30年的某日最大降水量代替，使，兩邊取對數，從而確定n值，再代入上式，即可計算出每個發育期第一天的降水剩余量。

1.4.5 綜合適宜度 馬鈴薯光溫水綜合氣候適宜度是在各生長階段內所需要水分、溫度、光照等氣象條件的滿足程度。在確定最適宜的光溫水單因子氣候適宜度模型后，利用因子權重法、立方根法建立光溫水綜合氣候適宜度并計算馬鈴薯主產區歷年播種-出苗、花序形成-開花的綜合適度P。

2 結果與分析

2.1 寧夏馬鈴薯播種-出苗期間的溫度、降水、日照適宜度閾值分析

以播種-出苗期間、花序形成-開花期間的平均溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度為變量，以豐歉年為個案標記依據，用以上變量1971—2014年數據樣本，采用K-值聚類分析法，以任何中心的最大絕對坐標0.0，經過13、11次迭代而達到收斂，初始中心間的最小距離為 0.768、0.971，得出寧夏馬鈴薯主產區播種-出苗期間、花序形成-開花期間的溫度、降水、日照適宜度閾值（表2、表3）。

表2 馬鈴薯年饉發育期氣象適宜度指標

表3 馬鈴薯發育期氣象適宜度閾值

2.2 閾值回代檢驗

利用歷年寧夏馬鈴薯發育期數據、發育期間平均氣溫、平均降水量、平均日照數據，代入氣溫、降水、日照、綜合適宜度計算公式，計算出相應的適宜度，并與其相對應閾值進行比較，把各適宜度是極適宜統計為豐年，適宜統計為平年，不適宜、極不適宜統計為歉年。通過回代檢驗和統計，在馬鈴薯播種-出苗期的308個樣本中，降水、日照、溫度、綜合適宜度在閾值區間統計數分別為260、246、246、282，準確率分別為84.4%、79.9%、79.9%、91.6%，其中日照、溫度適宜度準確率最低，綜合適宜度準確率最高（圖1）；在馬鈴薯花序形成-開花的308個樣本中，降水、日照、溫度綜合適宜度在閾值區間統計數分別是226、228、202、274，準確率分別是73.4%、74.0%、65.6 %、89%，其中溫度適宜度準確最低，綜合適宜度準確率最高（圖2）。

圖1 寧夏馬鈴薯主產區馬鈴薯播種-出苗期間閾值回代檢驗結果

圖2 寧夏馬鈴薯主產區馬鈴薯花序形成-開花期間閾值回代檢驗結果

3 結論與討論

依據農業生態氣候適宜度理論，各氣候要素對作物生長的適宜度是定義在此氣候要素取值范圍上在［0，1］區間上取值的模糊子集［14-15］，也就是馬鈴薯關鍵發育期氣候適宜度取值范圍在［0，1］區間，其取值越接近1，表明氣候條件對馬鈴薯生長越有利。

根據聚類分析結果和農業氣象相關知識，把馬鈴薯關鍵發育期綜合適宜范圍劃分成四級。在播種-出苗，如果綜合適宜度Pt＜ 0.44，綜合適宜度范圍定義為極不適宜，表明氣候條件對馬鈴薯播種和出苗極為不利；如果0.44≤Pt＜0.53，綜合適宜度定義為不適宜，表明氣候條件對馬鈴薯播種和出苗極為不利；如果0.53≤Pt＜ 0.74，綜合適宜度定義為適宜，表明氣候條件對馬鈴薯播種和出苗有利；如果Pt≥0.74，綜合適宜度定義為極適宜，表明氣候條件對馬鈴薯播種和出苗極最為有利。花序形成-開花的綜合適宜范圍與播種-出苗相同。金林雪等［16］研究了內蒙古地區馬鈴薯關鍵生長期綜合氣候適宜度為0.65～0.76，氣候綜合條件更佳，與本研究結果基本相同。吳美玲等［17］研究指出，適應度值越大說明其適應性越好，馬鈴薯產量也越高。

在關鍵發育期，如果氣候綜合適宜度較小，對馬鈴薯生長不利，具體是日照、溫度、降水哪個氣象因素造成的不利結果，查看該時段相應的適宜度，就可做出較科學的結論。

馬鈴薯氣象服務指標的建立及應用對農業氣象服的定量化具有關鍵意義，也是馬鈴薯氣象服務智能化和信息化的核心支撐，是氣象現代化建設的重要內容。能減輕業務人員的勞動量，杜絕因人工計算有資料潛在的錯誤，只要原始數據輸入正確，中間結果和最終結果會正確無誤，方便原始記錄和計算結果的查詢，提高時間效率。

計算馬鈴薯關鍵期溫度適宜度時，用到馬鈴薯三基點溫度即下限溫度、上限溫度、最適宜溫度，不同地區有所區別，可以微調。因此在同一發育期，計算結果可能不同。某日降水量（灌溉量）的剩余量等于前一日降水量（灌溉量）的剩余量和前一日降水量之和，而前一日降水量（灌溉量）的剩余量是個永遠未知量，為了計算方便，不同人有不同算法，本文采用數學極限思想和氣候統計相結合的方法，計算出某日降水量（灌溉量）的剩余量，有待后續進一步討論。