不同積溫模型對(duì)枸杞生育期預(yù)測(cè)的評(píng)估

楊 苑，黨張利，錢(qián)倩霞，白春燕

(1.中國(guó)氣象局 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750000;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750000;3.寧夏中衛(wèi)市氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000；4.寧夏回族自治區(qū)人工影響天氣中心,寧夏 銀川 750000；5.河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊 050021)

0 引言

枸杞屬茄科植物，是我國(guó)傳統(tǒng)的名貴中藥材和重要的經(jīng)濟(jì)作物[1]。天下黃河富寧夏，中寧枸杞甲天下。中寧枸杞是中寧縣的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，是富民的紅色產(chǎn)業(yè)，如今已成為中寧縣對(duì)外宣傳的一張靚麗名片。2018年中寧縣枸杞種植面積約13.33萬(wàn)hm2，干果產(chǎn)量達(dá)43.83萬(wàn)t。氣候環(huán)境對(duì)枸杞生長(zhǎng)發(fā)育影響較大，各生育期的時(shí)間因各地平均氣溫不同有所不同[2]。在枸杞育苗、田間管理、病蟲(chóng)害防治、災(zāi)害防御等生產(chǎn)中，生育期的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。

生育期是作物完成不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的有效積溫累積[3]，有效積溫是指在某時(shí)段內(nèi)有效溫度的總和即日平均氣溫達(dá)生物學(xué)下限溫度以上溫度的總和[4]。目前，對(duì)于小麥[5]、玉米[6]、水稻[7]等大田作物的生育期研究較廣，針對(duì)枸杞生育期模型方面的研究很少。為了解氣象因子對(duì)枸杞生長(zhǎng)的影響，為枸杞生長(zhǎng)發(fā)育的預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)，筆者利用中寧縣10 a的枸杞觀測(cè)資料和氣溫?cái)?shù)據(jù)，確定沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型的參數(shù)，對(duì)比分析李森科線性積溫和沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型預(yù)測(cè)枸杞生育期的差異，確定適合中寧本地枸杞生育期預(yù)測(cè)的模型及其參數(shù)，并分析枸杞在不同生育期有效積溫的差異。

1 研究區(qū)域概況

中寧縣年平均氣溫9.8℃，年平均降水206.7 mm，是世界枸杞的發(fā)源地和正宗原產(chǎn)地，1961年被農(nóng)業(yè)部命名為中國(guó)枸杞生產(chǎn)基地縣，1995年，被國(guó)務(wù)院命名為“中國(guó)枸杞之鄉(xiāng)”。舟塔鄉(xiāng)萬(wàn)畝無(wú)公害枸杞示范園，是集生產(chǎn)、旅游、觀光于一體的綜合無(wú)公害枸杞種植示范園區(qū)。距中寧縣城約8 km，與中寧縣氣候特征相同。

由于中寧縣舟塔鄉(xiāng)自動(dòng)站建于2010年7月，資料正常使用也在2010年7月，研究是以2007-2016年資料為基礎(chǔ)研究資料，為確保數(shù)據(jù)的一致性，使用2007-2016年中寧舟塔鄉(xiāng)的枸杞生長(zhǎng)發(fā)育資料與中寧國(guó)家基本氣象站的氣象數(shù)據(jù)。

2 研究方法

根據(jù)枸杞生長(zhǎng)發(fā)育和氣象服務(wù)需求，筆者將枸杞的生育期劃分為春梢生長(zhǎng)-春梢現(xiàn)蕾、春梢現(xiàn)蕾-夏果形成、夏果形成-夏果成熟、夏果成熟-秋梢生長(zhǎng)、秋梢生長(zhǎng)-秋梢開(kāi)花、秋梢開(kāi)花-秋果成熟共6個(gè)階段。

2.1 確定三基點(diǎn)溫度

枸杞在不同的發(fā)育期都有不同的下限溫度B、上限溫度M、最適溫度T0。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和田間生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，將總結(jié)中寧枸杞主要生長(zhǎng)發(fā)育階段的三基點(diǎn)溫度如表1。

表1 枸杞發(fā)育期的三基點(diǎn)溫度 (℃)

2.2 建立模型

2.2.1 李森科線性積溫模型 溫度達(dá)到作物生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度后，其發(fā)育速度隨溫度的增加而加快，并且單位溫度對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育影響是定量的[8]。換言之，作物生長(zhǎng)發(fā)育期不隨作物發(fā)育階段的不同而發(fā)生變化，因此李森科線性積溫模型所表示的積溫是穩(wěn)定的。具體模型表述為：

∑T=A+nB

(1)

2.2.2 沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型 沈國(guó)權(quán)[9～10]結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育不同階段的三基點(diǎn)溫度，認(rèn)為生物的生長(zhǎng)速度與溫度之間存在非線性的關(guān)系，具體表達(dá)式為：

(2)

其中，K、P、Q 為參數(shù)，B 為下限溫度，M 為上限溫度，n 為生育期的天數(shù)，1/n 為生長(zhǎng)發(fā)育的速度，T 為生育期的平均溫度。在數(shù)據(jù)樣本數(shù)比較少的情況，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，P一般可定0.5或0.5～1.0范圍任意值[9]，為方便研究，取P=0.5。

結(jié)合常用積溫公式，沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型的有效積溫計(jì)算方式為：A(T)=K(T-B)-P(M-T)-1-Q。通過(guò)建立對(duì)數(shù)關(guān)系，結(jié)合上述公式，將公式轉(zhuǎn)換成ln(M-T)+1.5ln(T-B)+ln n=-Qln(M-T)+lnK，再利用線性回歸確定不同生育期的系數(shù)Q、K(如表2)。

表2 沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型在中寧枸杞中的參數(shù)

針對(duì)非線性積溫模型，溫度從下限到最適的升高過(guò)程中，生長(zhǎng)發(fā)育速度同時(shí)也增加；從最適到上限的升高過(guò)程中，生長(zhǎng)發(fā)育速度反而減小。沈國(guó)權(quán)提出，在作物全部生長(zhǎng)發(fā)育期，在模型參數(shù)中，若 P

對(duì)于沈國(guó)權(quán)規(guī)定的P、Q>0，從表2的結(jié)果中

發(fā)現(xiàn)，沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型在計(jì)算中寧枸杞獲得的參數(shù)均為有效數(shù)據(jù)。對(duì)春梢現(xiàn)蕾—夏果形成、夏果成熟期—秋梢生長(zhǎng)P>Q外，其他生長(zhǎng)發(fā)育階段P均小于Q，說(shuō)明中寧枸杞在春梢生長(zhǎng)-春梢現(xiàn)蕾、夏果形成-夏果成熟、秋梢生長(zhǎng)-秋梢開(kāi)花、秋梢開(kāi)花-秋果成熟4個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段從低溫到最適溫度的發(fā)育速度隨溫度升高增加很快，達(dá)到最適溫度后，雖然隨溫度增加發(fā)育速度減慢，但減慢的速度較小。由于每個(gè)生育期的P值一致，通過(guò)比較Q值，發(fā)現(xiàn)春梢現(xiàn)蕾—夏果形成期的Q值最大，此生長(zhǎng)發(fā)育階段生長(zhǎng)速度隨溫度的升高增長(zhǎng)速度最快，說(shuō)明此階段對(duì)溫度變化最為敏感。

3 模型的評(píng)價(jià)

圖 常用線性積溫法和沈國(guó)權(quán)非線性積溫法計(jì)算的枸杞活動(dòng)積溫對(duì)比

通過(guò)對(duì)比常用積溫方法與沈國(guó)權(quán)積溫方法計(jì)算的有效積溫年際變化，發(fā)現(xiàn)：兩種模式計(jì)算的有效積溫年際變化趨勢(shì)基本一致，而非線性模式計(jì)算的有效積溫更平緩。對(duì)比六個(gè)發(fā)育期發(fā)現(xiàn)：春梢生長(zhǎng)-春梢現(xiàn)蕾期的有效積溫在140～260℃·d，2012年前線性積溫大于非線性積溫，之后小于非線性積溫；春梢現(xiàn)蕾-夏果形成期積溫在120～270℃·d，2010年前線性積溫小于非線性積溫，之后大于非線性積溫；夏果形成-夏果成熟期積溫在11～150℃·d，2007-2012年兩種模式計(jì)算的積溫基本一致，之后上下波動(dòng)；夏果成熟期-秋梢生長(zhǎng)期積溫在280～530℃·d，2012年前線性積溫小于非線性積溫，之后大于非線性積溫；秋梢生長(zhǎng)-秋梢開(kāi)花期積溫在52～150℃·d，兩種模式計(jì)算的積溫基本一致；秋梢開(kāi)花-秋果成熟期積溫在250～380℃·d，2007-2009年兩種模式的積溫差異較大，最大差值為56℃·d，2000-2004線性積溫大于非線性積溫，2005、2006年小于非線性積溫。

4 討論與結(jié)論

(1)沈國(guó)權(quán)非線性積溫方法適用于中寧枸杞發(fā)育期的預(yù)測(cè)，通過(guò)10 a枸杞觀測(cè)數(shù)據(jù)和中寧國(guó)家基本氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)模擬，得到沈國(guó)權(quán)非線性積溫模型的參數(shù)(如表2)。

(2)利用非線性積溫模型模擬中寧枸杞生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)：非線性方法模擬中寧枸杞的有效積溫年際波動(dòng)不明顯；對(duì)比分析枸杞六個(gè)發(fā)育期有效積溫的年際變化，春梢生長(zhǎng)-春梢現(xiàn)蕾、春梢現(xiàn)蕾-夏果形成、夏果形成-夏果成熟、秋梢生長(zhǎng)-秋梢開(kāi)花、秋梢開(kāi)花-秋果成熟五個(gè)階段的模擬效果較夏果成熟期-秋梢生長(zhǎng)期效果更好。

(3)線性積溫模型模擬的有效積溫波動(dòng)性較明顯，與非線性積溫模式比較，模擬效果較差。

(4)中寧枸杞在生長(zhǎng)發(fā)育六個(gè)階段，所需的有效積溫存在明顯差異。其中，夏果成熟期-秋梢生長(zhǎng)期所需積溫最高，平均有效積溫需達(dá)到439℃·d，而夏果形成-夏果成熟所需積溫最低，平均值只要達(dá)到94℃·d。