湖南省油菜連陰雨災害指標及產量損失評估

鄧梅 劉熱雄 王雪琦 肖詩堯 胡英超 楊芬

摘要：利用湖南省油菜種植區1991—2020年10個農業氣象觀測代表站的油菜生育期觀測資料、1991—2020年逐日的氣象資料以及油菜的產量資料，構建連陰雨類型并統計發生情況，采用拉格朗日插值法，通過期望產量提取油菜連陰雨災損率，建立連陰雨日數與油菜產量損失評估模型。結果表明，油菜因連陰雨導致的產量災損率在1.4%～18.1%之間，平均災損率為8.0%;油菜花期—綠角形成期持續無日照（S1）和有/無降水日，日照不足2 h的組合最長持續日數（R3）2種類型的連陰雨同時出現時，油菜將顯著性減產;綠角形成期—成熟期單獨出現持續降水（R1），有/無降水和日照不足2 h組合（R3）的連陰雨類型時，一般減產率小于15%，而同時出現S1和R3將導致油菜明顯減產;以最長連續無日照（S1）、最長連續降水日數（R1）和最長連續降水和無降水且日照小于2 h的組合日數（R3）為主，劃分為輕、中、重3個等級的連陰雨氣象災害指標;最后構建了不同等級連陰雨與災損率的評估模型，通過計算得到油菜花期—綠角形成期、綠角形成期—成熟期遇輕度連陰雨時的平均災損率分別為6.34%和8.11%;油菜花期—綠角形成期、綠角形成期—成熟期遇中度連陰雨時的平均災損率分別為12.72%和11.10%。該研究結果可為農業決策和生產部門進行品種規劃、災害風險管理和種植管理提供科學依據。

關鍵詞：油菜;連陰雨;災害指標;災損率;產量損失評估

中圖分類號：S422? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）17-0096-04

收稿日期：2020-10-30

基金項目：湖南省氣象局科技項目（編號：XQKJ20B008）。

作者簡介：鄧梅（1989—），女，湖南邵陽人，碩士，工程師，主要從事環境氣象研究。E-mail：929023370@qq.com。

油菜為我國第一大油料作物，也是植物油最主要的來源，湖南省是我國重要的油菜主產區，自20世紀90年代以來其種植面積和產量均位于全國前列，近5年來該省油菜種植面積穩定在12萬hm2左右，產量穩定在200萬t左右，位居全國第3位[1-2]。但湖南省的亞熱帶季風氣候和獨特的地理環境，春季容易出現連陰雨天氣，易造成低溫寡照，土壤濕度大，使得油菜生長發育遲緩，甚至停滯，導致開花結角受阻，單株角果數減少，千粒質量下降，病蟲害流行等，嚴重影響油菜的產量和品質[3-5]。有研究表明，在長江中下游地區，連陰雨是造成油菜減產的主要農業氣象災害[6-8]。

國內外學者對連陰雨天氣的研究多集中于成因、氣候背景、時空分布特征等方面[9-11]。關于連陰雨的災害指標，前人也做了較多的研究，總結出了其發生規律，并構建出相關指標[12-13]，如劉瑞娜等篩選了連陰雨關鍵致災因子，構建了油菜花期連陰雨指標[14];成林等通過連陰雨日數與減產率建立了夏玉米的連陰雨災害等級指標[15]。目前湖南省關于油菜連陰雨災害的研究多為2010年前的資料，且對于連陰雨災害損失評估的研究相對不足，多為定性分析，缺乏定量化分析和評估，大多為采用單一因素如降雨日數作為致災因子進行損失評估，如趙輝等利用拉格朗日插值法分離連陰雨災損率，評估連陰雨的災害損失[16]，許孟會等利用連陰雨過程日數，定性分析了連陰雨對信陽市冬小麥的影響與危害[17]。經實踐證明，連陰雨常規指標存在總雨量要求偏低、連陰雨雨日間斷、日照時數考慮不足等問題;另外，針對作物不同和地域差異，指標不可通用等問題。因缺乏油菜特定作物連陰雨指標的相關研究，目前農業氣象服務業務工作中，沒有明確的災害評判和災害損失評估依據，導致農業氣象災害預警、評估和氣象災害保障服務等工作較被動。

本研究根據日照和降水構建連陰雨類型并統計發生情況，采用拉格朗日插值法，通過期望產量提取油菜連陰雨災損率，建立連陰雨日數與油菜產量損失評估模型，可為農業管理部門決策、農作物生產布局、農民生產種植和防災減災提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據資料

本研究選取湖南省15個農業氣象試驗（觀測）站1991—2020年的油菜觀測資料，1991—2020年（10月至次年5月）相應國家氣象站的逐日氣象資料，數據來源于湖南省氣象信息中心;湖南省統計局提供的1991—2020年油菜種植面積及產量資料。

1.2 資料篩選

分析各站點油菜生育期觀測資料，湖南省油菜大都在9月中下旬開始播種，至次年5月上中旬收獲，開花—綠角形成期主要集中在3月，綠角形成期—成熟期主要集中在4—5月。因此，本研究的氣象資料選取10月至次年5月間的數據。另外，油菜出苗期湖南省氣候以秋旱少雨為主，連陰雨對油菜產量影響甚微[18]，故在構建指標時只考慮開花期至成熟期的連陰雨情況。

1.3 研究方法

1.3.1 產量災損率 油菜產量災損通常是由于連陰雨、凍害、干旱和漬害等農業氣象災害共同影響造成的，為了單獨將連陰雨引起的災損提取出來，首先利用拉格朗日插值法[19]計算出期望產量。期望產量是指油菜花期至成熟期未出現連陰雨災害時的可能產量。首先，在產量序列中篩選出基本無明顯災情年份x1，x2，…，xn，提取出對應年份的油菜單位面積產量y1，y2，…，yn，構成基本序列，然后，根據拉格朗日插值原理，出現災情的第x年，假設不受災情影響的期望產量 表示為：

yh（x）=∑ni=1yi∏nj=1x-xjxi-xj。（1）

式中：∏nj=1表示乘積取遍j從1到n的全部數值，但去除j=i的情況。

最后，由期望產量和實際產量，便可得出因連陰雨災害造成的災損率yd：

yd=（yh-yt）/yh×100%。（2）

式中：i，j=1，2，3，…，n為基本無連陰雨災害年的年份序列;yh為期望產量;yt為實際產量。當yd<0時，表示連陰雨對作物產量影響較小，當yd≥0時，其數值表示連陰雨對作物產量造成損失率的大小。

1.3.2 指標構建 考慮到油菜生殖生長期間光照不足和持續降水均會影響其生長發育和產量的形成，其次，光照不足和持續降水可能會產生復合影響，因此，分別從日照持續不足、連續降水及兩者的組合方面構建連陰雨災害指標。篩選出油菜開花期至成熟期逐日資料中滿足以下條件的日數：（1）最長連續無日照時數的日數（S1）;（2）最長連續降水日數（R1）;（3）有/無降水日，日照不足1 h的組合最長持續日數（R2）;（4）有/無降水日，日照不足2 h的組合最長持續日數（R3）。

（1）相關分析。為了明確連陰雨氣象條件與油菜減產率的相關分析，將災損率劃分為0～5%、>5%～10%、>10%～15%和>15% 4個等級，分別求算各級災損率與連陰雨日數的相關程度。

（2）統計分析。從對災損率影響高的樣本區間中，通過逐級排序及頻數統計，篩選連陰雨指標。首先對S1排序，S1相等時，記錄頻數最高的R1、R2和R3的值，以此類推。將各類連陰雨出現的日數與平均日數相比較，大于平均狀況的即可認為出現了連陰雨災害，以此劃定油菜花期至成熟期的連陰雨指標。

2 結果與分析

2.1 產量災損率

篩選出1991—2020年油菜花期至成熟期出現S1、R1、R2和R3的所有連陰雨情況，通過拉格朗日插值法計算得到期望產量，以此計算出各站點因連陰雨導致的油菜產量災損率（圖1），可以得出，油菜因連陰雨導致的產量災損率在1.4%～18.1%之間，平均災損率為8.0%。

2.2 災損率與連陰雨日數的相關性分析

篩選出1991—2020年油菜因連陰雨減產的年份，分別計算災損率與花期—綠角形成期（P1）、綠角形成期—成熟期（P2）連陰雨日數的相關系數（表1、表2）。從表1可以得出，>10%～15%災損率等級與R3的相關系數達到顯著性水平，>15%災損率等級與S1、R3的相關系數達到顯著性水平，表明花期—綠角形成期持續無日照和有/無降水日，日照不足2 h的組合最長持續日數2種類型的連陰雨同時出現時，將對油菜的最終產量有顯著的減產效應。

表2中顯示>5%～10%災損率等級與R3，>10%～15%災損率等級與R1以及>15%災損率等級與S1、R3的相關系數均達到顯著性水平，表明綠角形成期—成熟期單獨出現持續降水，有/無降水和日照不足 2 h 組合的連陰雨類型時，一般減產率小于15%，而綠角形成期—成熟期同時出現S1和R3將導致油菜顯著性減產。

2.3 連陰雨指標構建

統計17個代表站1991—2020年花期至成熟期各類型的連陰雨日數，先將S1按從小到大排序，S1可分為5～13（步長為1）9檔次，然后依次統計S1各檔次中R1、R2和R3出現的日數。由表3可以看出，花期—綠角形成期S1的平均日數為8 d，與之對應的R1、R2和R3出現的日數分別為6、9、10 d，視為中度災害;當S1大于13時的樣本數僅占總樣本數的4.1%，可認為極端災害性天氣，視為重度連陰雨災害。同理分析R1、R2和R3。

由于有/無降水和日照不足1 h組合的連陰雨類型R2包含在有/無降水和日照不足2 h組合的連陰雨類型R3中，因此分類時不單獨考慮R2的情況，最后根據表3和各類型連陰雨出現的日數確定連陰雨災害指標（表4）。

2.4 連陰雨災害損失評估

根據表4中的油菜連陰雨等級指標，篩選出1991—2020年因連陰雨導致的減產年，分別統計花期—綠角形成期和綠角形成期—成熟期的各類連陰雨日數，與災損率建立多元回歸方程，獲得不同等級連陰雨與災損率的回歸系數（表5），將油菜生長不同時期出現的連陰雨日數和對應的系數代入公式3，即可得出因連陰雨導致的災損率。

|a|=C0+C1S1+C2R1+C3R2+C4R3。（3）

通過計算得到油菜花期—綠角形成期、綠角形成期—成熟期遇輕度連陰雨時的平均災損率分別為6.34%和8.11%;油菜花期—綠角形成期、綠角形成期—成熟期遇中度連陰雨時的平均災損率分別為12.72%和11.10%。

3 結論與討論

（1）通過統計分析1991—2020年油菜生長期內連陰雨發生情況，采用拉格朗日插值法計算得到期望產量，計算得到油菜因連陰雨導致的產量災損率在1.4%～18.1%之間，平均災損率為8.0%，表明連陰雨是影響油菜產量的主要農業氣象災害。

（2）分階段統計油菜花期—綠角形成期（P1）、綠角形成期—成熟期（P2）與災損率的相關性。油菜花期—綠角形成期（P1）>10%～15%災損率等級與R3、>15%災損率等級與S1和R3的相關系數達到顯著性水平，表明花期—綠角形成期持續無日照（S1）和有/無降水日，日照不足2 h的組合最長持續日數（R3）2種類型的連陰雨同時出現時，將對油菜的最終產量有顯著的減產效應;綠角形成期—成熟期（P2）>5%～10%災損率等級與R3、>10%～15%災損率等級與R1以及>15%災損率等級與S1和R3達顯著相關，表明綠角形成期—成熟期單獨出現持續降水，有/無降水和日照不足2 h組合的連陰雨類型時，一般減產率小于15%，而綠角形成期—成熟期同時出現S1和R3將導致油菜顯著性減產。

（3）以最長連續無日照（S1）、最長連續降水日數（R1）和最長連續降水和無降水且日照小于2 h的組合日數（R3）為主，劃分了影響油菜輕、中、重3個等級連陰雨氣象災害指標。

（4）分別統計花期—綠角形成期和綠角形成期—成熟期的各類連陰雨日數，與災損率建立多元回歸方程，獲得不同等級連陰雨與災損率的評估模型，通過計算得到油菜花期—綠角形成期、綠角形成期—成熟期遇輕度連陰雨時的平均災損率分別為6.34%和8.11%;油菜花期—綠角形成期、綠角形成期—成熟期遇中度連陰雨時的平均災損率分別為12.72%和11.10%。

連陰雨災害是復雜的農業氣象災害，不同作物的不同發育時期對其的響應程度不同，分作物分階段制定連陰雨標準尤為重要，可更有效地評估連陰雨的不利影響，但連陰雨發生期間除了溫光水對作物的影響外，空氣濕度、太陽輻射等因素均會對作物生長發育產生一定的影響[20]，今后將考慮連陰雨期間其他因素的綜合影響，分析連陰雨災害對作物生長的影響。

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