水稻氣候品質定量化認證模型構建

戈曉峰 薛豐昌 姬菲菲 張嫣然

摘要：農產品氣候品質認證是指氣候條件對農產品品質影響的優劣等級的評定，傳統技術方法主要依據經驗及歷史數據對農產品生長氣候條件進行定性化評分認證。以寧夏吳忠市灌區水稻為例，以歷史氣候數據作為參考背景，構建水稻品質氣象條件適宜性梯度級，結合當年水稻各生育期的氣候因素，綜合考慮氣象災害對水稻品質的影響，建立水稻氣候品質定量化認證模型，實現對水稻氣候品質定量化評價。2019年寧夏吳忠市灌區水稻的氣候品質認證結果與農業氣象觀測站記錄基本吻合，表明該認證模型具有較好的實踐應用性。

關鍵詞：水稻;氣候品質;定量化認證模型;吳忠市

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

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

所謂農產品氣候品質認證是指天氣氣候條件對農產品品質影響的優劣等級的評定[5]。隨著農產品市場的發展，消費者對其品質的關注也日益增加，由此誕生的農產品氣候品質認證工作也迅速普及。但目前認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，目前相關研究報道中出現的認證方法僅涉及根據經驗進行定性化的描述[5-7]，未見有認證過程中每一參數評分定量化標準的報道，這一現狀極大地阻礙了農產品氣候品質認證工作的發展。本研究以寧夏吳忠市灌區水稻為例，將吳忠市往年歷史氣候數據作為參考背景，結合當年水稻各生育期的氣候因素，同時考慮氣象災害發生對水稻品質及產量的影響，建立水稻氣候品質定量化認證模型，對吳忠市水稻氣候品質進行客觀評價，根據《農產品氣候品質認證技術規范》，將其分為特優、優、良好、一般4個等級，研究成果能夠提高氣象業務人員農產品氣候品質認證工作效率，促進農產品氣候品質認證工作向高效化、自動化發展，同時也為其他地區進行水稻等農產品氣候品質認證相關試驗研究提供理論參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

寧夏回族自治區所在氣候區為內陸干旱半干旱氣候區，具有冬長夏短、雨水稀少、氣候干燥、晝夜溫差大等特點。寧夏回族自治區引黃灌區也是干燥缺雨、地表蒸發大，是典型的大陸性干旱氣候，但因自治區內有黃河過境可提供灌溉用水，故其稻作區的氣候條件反而有利于水稻的生長[8]。寧夏引黃灌區距今已有近2 000年的水稻種植歷史且產量高、質量優，1980年以來，單季稻單位面積產量更是位居全國之冠[9]。2008—2017年10年間，寧夏回族自治區水稻總產量平均高達67萬t/年左右，其中2011、2012年年水稻總產量更是突破70萬t[10]。引黃灌區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，同時稻作區所在的寧夏平原土地平整，土壤養分充足，是天然的農業生產寶地;除此之外，其優越的氣候條件也保證了農作物的單產與質量：日照資源豐富，年總日照時長可達3 000 h左右，作物生長季節4—9月≥10 ℃的積溫也可達3 200～3 400 ℃，非常適合水稻等喜溫植物生長[11]。農業氣象專家在對我國光熱資源分析中發現，水稻的潛在生產力和現實生產力應新疆最高，寧夏次之[8]。綜上所述，寧夏引黃灌區乃我國罕見之水稻高產優質種植區。

1.2 數據來源

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 水稻氣候品質認證指標選取及分析

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

由于寧夏回族自治區所在氣候區為內陸干旱半干旱氣候區，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。從近10年水稻生育期觀測數據可看出，水稻生長期主要集中于4—9月，這期間的光、熱條件較充足，水稻關鍵生長期的溫度及全生長期的積溫對水稻單產影響較大，故水稻氣候區劃應以上述因素進行。

根據《寧夏農業氣候資源及其分析》[13]，寧夏引黃灌區水稻全生育期≥10 ℃積溫為3 000 ℃左右時適宜，大于3 200 ℃最優，低于2 800 ℃時嚴重影響水稻生長;水稻生長關鍵期的孕穗抽穗期主要在7月，當7月平均最低溫度低于9 ℃嚴重影響稻穗分化;水稻生長關鍵期的孕穗期主要在8月，平均溫度應保持在20 ℃以上，若低于18 ℃則會嚴重影響灌漿，導致空秕率大幅上漲，產量降低。

2.1.2 水稻當年氣候條件影響分析 水稻當年氣候條件對其當年的品質起決定性作用，故除水稻區劃外，選取當年氣候條件作為水稻當年品質評價指標[14]。相關文獻還選取了企業生產管理條件作為農產品氣候品質認證的指標[12]，筆者認為企業生產管理條件是人為因素，已脫離氣候品質認證范圍，故本研究未將其納入認證指標。

氣候條件評價主要從水稻正常生長發育、水稻商品品質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形成最為復雜且各生育期都對其有嚴格的要求。

通過閱讀整理大量關于水稻不同生育期溫度對其生理特征發育、品質形成影響的研究，構建針對生育期溫度評價體系，其構建步驟為：在水稻不同生育期生長最適溫度的基礎上，通過查閱水稻不同時期的低溫凍害等相關文獻[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文獻確定最高閾值[15，19-20];最后結合水稻品質形成對如抽穗期、灌漿期等關鍵生育期的溫度要求等相關文獻[21-24]對評價體系進行修改完善。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鍵生育期的溫度要求進行修改完善。

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行評分。

2.1.3 當年水稻氣象災害影響分析 在各氣象災害中，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遭遇水稻生長最低溫度以下的低溫時，導致影響水稻正常生長甚至造成大規模減產的一種農業氣象災害。水稻是遭受低溫冷害后減產規模極大的農作物之一，且在各生育期均會出現，導致難以估量的損失[26]。相關研究表明，移栽期-成熟期平均氣溫<18 ℃、抽穗揚花期連續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 ℃ 持續時間≥2 d均會發生低溫冷害，對水稻造成不同程度的損傷[13]。故本研究在水稻氣象災害影響部分，選取對水稻傷害最大、發生最為頻繁的低溫冷害作為評價當年氣象災害影響的因素。

2.2 水稻氣候品質定量化認證模型建立

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

式中：F表示水稻氣候品質認證最終得分;G表示水稻種植氣候適宜性區劃得分;N表示水稻當年生長氣候條件得分。水稻氣候品質認證結果等級劃分見表 1。

根據寧夏水稻氣候適宜性區劃因素分析，水稻種植氣候適宜性區劃得分（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≥10 ℃積溫（G3）3個方面進行評分，將對應指標分別設置得分為：最適宜區，100分;適宜區，85分;次適宜區，70分;不適宜區，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≥10 ℃積溫（G3）對水稻生長影響最大，故將其權重設置為0.4，其他2因素分別設置為0.3。水稻氣候適宜性區劃各因素（G1-G3）評分具體標準設置表2。

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

當年水稻生長氣候資源評分（α）可分為當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）。

根據分析，其中水稻生育期溫度資源評分（X1）為水稻生育期內最重要品質影響因素，故權重為0.7;降水資源評分（X2）影響最小，故設置權重為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，故設置權重為0.2。

水稻生育期溫度資源評分（X1），按《農業氣象觀測規范》[27]規定，將水稻全發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品質形成的關鍵期在分蘗期、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重分配為：播種-出苗期（Y1）權重為0.1;三葉期（Y2）權重為0.1;移栽-返青期（Y3）權重為0.1;分蘗期（Y4）權重為0.15;拔節期-孕穗期（Y5）權重為0.1;抽穗期（Y6）權重為0.15;乳熟-成熟期（Y7）權重為0.3。具體計算方法見公式（5）。

其中各生育期溫度資源（Y1～Y7）評分具體標準設置見表3。

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

筆者認為，降水資源與光照時長在對應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生較大影響，故上下閾值分別設為105%、95%。由于寧夏回族自治區所在氣候區為內陸干旱半干旱氣候區，天然降水本無法滿足水稻生長發育需求，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%以內均設為特優，可在一定程度上緩解干旱情況，而當年水稻生育期降水量低于歷史平均降水量時則相應遞減評分等級。日光照方面多于往年均值5%以內均評為特優級，是因為較多的日照資源對于水稻生長是促進的，日照資源充足有利于水稻更好地發育生長及其品質形成，若當年水稻生育期日照時長低于歷史平均日照時長則相應遞減評分等級。

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

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

3 結果與分析

通過2010—2019年吳忠市水稻全生育期觀測資料確定往年及當年各生育期具體時間段，再結合吳忠市氣象觀測自動站（站號53612）2010—2019年氣象數據（積溫數據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認證評價體系中所需數據，供后續評價使用。

3.1 當年水稻種植氣候適宜性

吳忠市水稻種植區位于寧夏引黃灌區，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，引黃河水灌溉水稻更使其營養物質含量豐富[28]。由于吳忠市水稻種植區屬于引黃灌區，故吳忠水稻種植氣候適宜性區劃評價可遵循表2。2019年吳忠市各項氣候適宜性參數具體為：7月平均最低溫度為18.1 ℃，屬最適宜區評分范圍，單項得分100分;8月平均溫度為23.1 ℃，屬最適宜區評分范圍，單項得分100分;水稻生育期（04-20—09-18）內≥10 ℃積溫為3 241.6 ℃，屬最適宜區評分范圍，單項得分100分。綜上所述，2019年吳忠市引黃灌區水稻種植氣候適宜性區劃得分（G）為100分。

3.2 當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）細則見表7，根據式（5）加權指數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），選取的各指標值及評級情況如下：移栽-成熟期平均氣溫21.9 ℃，未達到低溫冷害指標;抽穗-揚花期日平均氣溫<20 ℃的最大連續時間為2 d，未達到低溫凍害指標; 08-01—09-01≥10 ℃積溫值為714.6 ℃，達到低溫凍害指標;孕穗期日最低溫度≤15 ℃ 持續時間為0 d，未達到低溫凍害指標。綜上，根據表 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，故水稻當年生長氣候條件得分（N）為75.18分。

3.3 模型認證結果分析

從上述分析可知，水稻種植氣候適宜性區劃得分（G）為100分，水稻當年生長氣候條件得分（N）為75.18分，故2019年吳忠市引黃灌區水稻氣候品質認證最終得分為82.6分，即氣候品質等級為優級。從各項得分中可以看出，吳忠市引黃灌區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，導致水稻氣候品質認證為優而非特優。

4 結論

以2019年吳忠市引黃灌區水稻為對象，利用構建的水稻氣候品質定量化認證模型對其進行氣候品質等級認證，結果為優級。其中，模型在吳忠市引黃灌區水稻種植氣候適宜性區劃評分中打了滿分，這與寧夏引黃灌區為全國僅次于新疆的水稻種植適宜區相符;水稻生育期溫度資源評分中，模型打分較高，說明2019年寧夏引黃灌區水稻產量等不會有太大波動，且與該區產量等相關統計數據相吻合。水稻降水資源、日光照資源評分中，模型打分較低，說明該年該區水稻生育期內陰雨天較多，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，模型評定災害等級為輕級，說明該年水稻生育期內遭受低溫脅迫，但影響程度尚在可接受范圍，最終模型認證等級為優級，且得分為優級較低分，與寧夏吳忠市農業氣象觀測站分析記錄相吻合。本研究構建的定量化氣候品質認證模型在實際使用驗證中，與實際數據基本吻合，證明了其實際可操作性。

本模型可為氣象部門開發在線水稻氣候品質認證平臺提供理論基礎。由于本研究針對區域僅為寧夏吳忠地區，且使用的氣象資料年限較短，存在一定的局限性，其他地區應用本模型開展水稻氣候品質認證相關工作時，還須根據當地特點對本模型部分參數進行本地化修訂。

參考文獻：

[1]王 旭. 我國主要農業生態區糧食作物化肥增產效應與養分利用效率研究[D]. 保定：河北農業大學，2010.

[2]樊曉玲，張小峰. 2011年漢中市水稻全生育期氣象條件分析[J]. 現代農業科技，2012（18）：238，240.

[3]李洪雨. 2013年紅興隆管理局水稻全生育期農業氣象條件淺析[J]. 現代化農業，2014（10）：68-69.

[4]張翠娥. 寧安市水稻生育期氣象條件及氣象服務指標[J]. 黑龍江氣象，2015，32（3）：40-41.

[5]金志鳳，王治海，姚益平，等. 浙江省茶葉氣候品質等級評價[J]. 生態學雜志，2015，34（5）：1456-1463.

[6]龍余良，金勇根，鄧德文，等. 贛南臍橙氣候品質標準研究[J]. 中國農學通報，2018，34（7）：116-123.

[7]黃 娟，李新建，吳新國，等. 庫爾勒香梨氣候品質評價指標及模型的研究[J]. 沙漠與綠洲氣象，2018，12（3）：87-94.

[8]王興盛. 寧夏水稻[J]. 北方水稻，2007（1）：19-22，31.

[9]楊 順. 寧夏水稻增產潛力的探討[J]. 天津農林科技，2016（4）：41-46.

[10]國家統計局寧夏調查總隊. 寧夏調查年鑒2017[J]. 北京：中國統計出版社，2017.

[11]錢 蕊. 氣候變化對寧夏水稻影響的模擬研究[D]. 南京：南京信息工程大學，2012.

[12]張明潔，張京紅，張亞杰，等. 農產品氣候品質認證研究——以海南省瓊海市蓮霧為例[J]. 熱帶農業科學，2019，39（7）：92-98.

[13]王連喜. 寧夏農業氣候資源及其分析[M]. 銀川：寧夏人民出版社，2008.

[14]李 建，江曉東，楊沈斌，等. 長江中下游地區水稻生長季節內農業氣候資源變化[J]. 江蘇農業學報，2020，36（1）：99-107.

[15]宋 濤，曹海嵁，曹海鑫，等. 不良氣候條件對水稻生產的影響及預防措施[J]. 農業與技術，2012，32（7）：51-52.

[16]鄒春馥，李 茜，奈良正雄. 低溫對水稻不同生育階段生長發育的影響[J]. 黑龍江農業科學，1992（01）：7-12.

[17]Zhang Y P，Xiang J，Chen H Z，et al. Physiological characterization of green turning of rice seedlings at different temperatures[J]. Agricultural Science & Technology，2015，16（7）：1390-1394，1513.

[18]王松華，周阮寶. 三葉期前水稻幼苗抗寒生理研究[J]. 安徽農業技術師范學院學報，1998（3）：15-18.

[19]孫正玉，霍金蘭，孫 明，等. 2013年夏季高溫對鹽城水稻生產的影響[J]. 大麥與谷類科學，2014（3）：12-14.

[20]劉 靜，劉玉汐，王連喜，等. 河套灌區不同育苗期和大棚溫度對水稻生長的影響模擬[J]. 中國農業氣象，2017，38（8）：496-506.

[21]謝曉金，李秉柏，李映雪，等. 抽穗期高溫脅迫對水稻產量構成要素和品質的影響[J]. 中國農業氣象，2010，31（3）：411-415.

[22]李奇穗，余 立. 極端天氣對水稻生長和產量的影響[J]. 現代農業科技，2012（14）：236-236，240.

[23]程方民，丁元樹，朱碧巖. 稻米直鏈淀粉含量的形成及其與灌漿結實期溫度的關系[J]. 生態學報，2000，20（4）：646-652.

[24]劉 博，韓 勇，李建國，等. 環境因子對水稻品質形成的影響[J]. 北方水稻，2009，39（3）：10-12.

[25]陸艷婷，張小明，葉勝海，等. 密穗型和散穗型粳稻穗部不同部位直鏈淀粉含量的差異分析[J]. 中國水稻科學，2007，21（4）：391-395.

[26]周熙瑞. 長江流域水稻低溫冷害的發生與防治[J]. 農業災害研究，2019，9（4）：85-87.

[27]黃 健，陳秀虎. 農業氣象觀測規范（上卷） [M]. 北京：氣象出版社，1993.

[28]劉汝亮，王 芳，張愛平，等. 控釋氮肥全量基施對寧夏引黃灌區水稻氮素利用效率和淋失的影響[J]. 水土保持學報，2019，33（5）：251-256.祁化成，姜兆全，孫永軍，等. 江蘇里下河地區一稻三蝦生態種養模式的應用效益與前景[J]. 江蘇農業科學，2020，48（21）：116-119.