湖南省油菜連陰雨災(zāi)害指標(biāo)及產(chǎn)量損失評(píng)估

鄧梅 劉熱雄 王雪琦 肖詩(shī)堯 胡英超 楊芬

摘要：利用湖南省油菜種植區(qū)1991—2020年10個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)代表站的油菜生育期觀測(cè)資料、1991—2020年逐日的氣象資料以及油菜的產(chǎn)量資料，構(gòu)建連陰雨類型并統(tǒng)計(jì)發(fā)生情況，采用拉格朗日插值法，通過(guò)期望產(chǎn)量提取油菜連陰雨災(zāi)損率，建立連陰雨日數(shù)與油菜產(chǎn)量損失評(píng)估模型。結(jié)果表明，油菜因連陰雨導(dǎo)致的產(chǎn)量災(zāi)損率在1.4%～18.1%之間，平均災(zāi)損率為8.0%;油菜花期—綠角形成期持續(xù)無(wú)日照（S1）和有/無(wú)降水日，日照不足2 h的組合最長(zhǎng)持續(xù)日數(shù)（R3）2種類型的連陰雨同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，油菜將顯著性減產(chǎn);綠角形成期—成熟期單獨(dú)出現(xiàn)持續(xù)降水（R1），有/無(wú)降水和日照不足2 h組合（R3）的連陰雨類型時(shí)，一般減產(chǎn)率小于15%，而同時(shí)出現(xiàn)S1和R3將導(dǎo)致油菜明顯減產(chǎn);以最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)日照（S1）、最長(zhǎng)連續(xù)降水日數(shù)（R1）和最長(zhǎng)連續(xù)降水和無(wú)降水且日照小于2 h的組合日數(shù)（R3）為主，劃分為輕、中、重3個(gè)等級(jí)的連陰雨氣象災(zāi)害指標(biāo);最后構(gòu)建了不同等級(jí)連陰雨與災(zāi)損率的評(píng)估模型，通過(guò)計(jì)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(shí)的平均災(zāi)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(shí)的平均災(zāi)損率分別為12.72%和11.10%。該研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)決策和生產(chǎn)部門進(jìn)行品種規(guī)劃、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理和種植管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油菜;連陰雨;災(zāi)害指標(biāo);災(zāi)損率;產(chǎn)量損失評(píng)估

中圖分類號(hào)：S422? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）17-0096-04

收稿日期：2020-10-30

基金項(xiàng)目：湖南省氣象局科技項(xiàng)目（編號(hào)：XQKJ20B008）。

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

油菜為我國(guó)第一大油料作物，也是植物油最主要的來(lái)源，湖南省是我國(guó)重要的油菜主產(chǎn)區(qū)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)其種植面積和產(chǎn)量均位于全國(guó)前列，近5年來(lái)該省油菜種植面積穩(wěn)定在12萬(wàn)hm2左右，產(chǎn)量穩(wěn)定在200萬(wàn)t左右，位居全國(guó)第3位[1-2]。但湖南省的亞熱帶季風(fēng)氣候和獨(dú)特的地理環(huán)境，春季容易出現(xiàn)連陰雨天氣，易造成低溫寡照，土壤濕度大，使得油菜生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，甚至停滯，導(dǎo)致開(kāi)花結(jié)角受阻，單株角果數(shù)減少，千粒質(zhì)量下降，病蟲(chóng)害流行等，嚴(yán)重影響油菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[3-5]。有研究表明，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，連陰雨是造成油菜減產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[6-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連陰雨天氣的研究多集中于成因、氣候背景、時(shí)空分布特征等方面[9-11]。關(guān)于連陰雨的災(zāi)害指標(biāo)，前人也做了較多的研究，總結(jié)出了其發(fā)生規(guī)律，并構(gòu)建出相關(guān)指標(biāo)[12-13]，如劉瑞娜等篩選了連陰雨關(guān)鍵致災(zāi)因子，構(gòu)建了油菜花期連陰雨指標(biāo)[14];成林等通過(guò)連陰雨日數(shù)與減產(chǎn)率建立了夏玉米的連陰雨災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)[15]。目前湖南省關(guān)于油菜連陰雨災(zāi)害的研究多為2010年前的資料，且對(duì)于連陰雨災(zāi)害損失評(píng)估的研究相對(duì)不足，多為定性分析，缺乏定量化分析和評(píng)估，大多為采用單一因素如降雨日數(shù)作為致災(zāi)因子進(jìn)行損失評(píng)估，如趙輝等利用拉格朗日插值法分離連陰雨災(zāi)損率，評(píng)估連陰雨的災(zāi)害損失[16]，許孟會(huì)等利用連陰雨過(guò)程日數(shù)，定性分析了連陰雨對(duì)信陽(yáng)市冬小麥的影響與危害[17]。經(jīng)實(shí)踐證明，連陰雨常規(guī)指標(biāo)存在總雨量要求偏低、連陰雨雨日間斷、日照時(shí)數(shù)考慮不足等問(wèn)題;另外，針對(duì)作物不同和地域差異，指標(biāo)不可通用等問(wèn)題。因缺乏油菜特定作物連陰雨指標(biāo)的相關(guān)研究，目前農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)工作中，沒(méi)有明確的災(zāi)害評(píng)判和災(zāi)害損失評(píng)估依據(jù)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警、評(píng)估和氣象災(zāi)害保障服務(wù)等工作較被動(dòng)。

本研究根據(jù)日照和降水構(gòu)建連陰雨類型并統(tǒng)計(jì)發(fā)生情況，采用拉格朗日插值法，通過(guò)期望產(chǎn)量提取油菜連陰雨災(zāi)損率，建立連陰雨日數(shù)與油菜產(chǎn)量損失評(píng)估模型，可為農(nóng)業(yè)管理部門決策、農(nóng)作物生產(chǎn)布局、農(nóng)民生產(chǎn)種植和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究選取湖南省15個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)（觀測(cè)）站1991—2020年的油菜觀測(cè)資料，1991—2020年（10月至次年5月）相應(yīng)國(guó)家氣象站的逐日氣象資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省氣象信息中心;湖南省統(tǒng)計(jì)局提供的1991—2020年油菜種植面積及產(chǎn)量資料。

1.2 資料篩選

分析各站點(diǎn)油菜生育期觀測(cè)資料，湖南省油菜大都在9月中下旬開(kāi)始播種，至次年5月上中旬收獲，開(kāi)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(shù)據(jù)。另外，油菜出苗期湖南省氣候以秋旱少雨為主，連陰雨對(duì)油菜產(chǎn)量影響甚微[18]，故在構(gòu)建指標(biāo)時(shí)只考慮開(kāi)花期至成熟期的連陰雨情況。

1.3 研究方法

1.3.1 產(chǎn)量災(zāi)損率 油菜產(chǎn)量災(zāi)損通常是由于連陰雨、凍害、干旱和漬害等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害共同影響造成的，為了單獨(dú)將連陰雨引起的災(zāi)損提取出來(lái)，首先利用拉格朗日插值法[19]計(jì)算出期望產(chǎn)量。期望產(chǎn)量是指油菜花期至成熟期未出現(xiàn)連陰雨災(zāi)害時(shí)的可能產(chǎn)量。首先，在產(chǎn)量序列中篩選出基本無(wú)明顯災(zāi)情年份x1，x2，…，xn，提取出對(duì)應(yīng)年份的油菜單位面積產(chǎn)量y1，y2，…，yn，構(gòu)成基本序列，然后，根據(jù)拉格朗日插值原理，出現(xiàn)災(zāi)情的第x年，假設(shè)不受災(zāi)情影響的期望產(chǎn)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(shù)值，但去除j=i的情況。

最后，由期望產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量，便可得出因連陰雨災(zāi)害造成的災(zāi)損率yd：

yd=（yh-yt）/yh×100%。（2）

式中：i，j=1，2，3，…，n為基本無(wú)連陰雨災(zāi)害年的年份序列;yh為期望產(chǎn)量;yt為實(shí)際產(chǎn)量。當(dāng)yd<0時(shí)，表示連陰雨對(duì)作物產(chǎn)量影響較小，當(dāng)yd≥0時(shí)，其數(shù)值表示連陰雨對(duì)作物產(chǎn)量造成損失率的大小。

1.3.2 指標(biāo)構(gòu)建 考慮到油菜生殖生長(zhǎng)期間光照不足和持續(xù)降水均會(huì)影響其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成，其次，光照不足和持續(xù)降水可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)合影響，因此，分別從日照持續(xù)不足、連續(xù)降水及兩者的組合方面構(gòu)建連陰雨災(zāi)害指標(biāo)。篩選出油菜開(kāi)花期至成熟期逐日資料中滿足以下條件的日數(shù)：（1）最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)日照時(shí)數(shù)的日數(shù)（S1）;（2）最長(zhǎng)連續(xù)降水日數(shù)（R1）;（3）有/無(wú)降水日，日照不足1 h的組合最長(zhǎng)持續(xù)日數(shù)（R2）;（4）有/無(wú)降水日，日照不足2 h的組合最長(zhǎng)持續(xù)日數(shù)（R3）。

（1）相關(guān)分析。為了明確連陰雨氣象條件與油菜減產(chǎn)率的相關(guān)分析，將災(zāi)損率劃分為0～5%、>5%～10%、>10%～15%和>15% 4個(gè)等級(jí)，分別求算各級(jí)災(zāi)損率與連陰雨日數(shù)的相關(guān)程度。

（2）統(tǒng)計(jì)分析。從對(duì)災(zāi)損率影響高的樣本區(qū)間中，通過(guò)逐級(jí)排序及頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，篩選連陰雨指標(biāo)。首先對(duì)S1排序，S1相等時(shí)，記錄頻數(shù)最高的R1、R2和R3的值，以此類推。將各類連陰雨出現(xiàn)的日數(shù)與平均日數(shù)相比較，大于平均狀況的即可認(rèn)為出現(xiàn)了連陰雨災(zāi)害，以此劃定油菜花期至成熟期的連陰雨指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量災(zāi)損率

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

2.2 災(zāi)損率與連陰雨日數(shù)的相關(guān)性分析

篩選出1991—2020年油菜因連陰雨減產(chǎn)的年份，分別計(jì)算災(zāi)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(shù)的相關(guān)系數(shù)（表1、表2）。從表1可以得出，>10%～15%災(zāi)損率等級(jí)與R3的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著性水平，>15%災(zāi)損率等級(jí)與S1、R3的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著性水平，表明花期—綠角形成期持續(xù)無(wú)日照和有/無(wú)降水日，日照不足2 h的組合最長(zhǎng)持續(xù)日數(shù)2種類型的連陰雨同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，將對(duì)油菜的最終產(chǎn)量有顯著的減產(chǎn)效應(yīng)。

表2中顯示>5%～10%災(zāi)損率等級(jí)與R3，>10%～15%災(zāi)損率等級(jí)與R1以及>15%災(zāi)損率等級(jí)與S1、R3的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到顯著性水平，表明綠角形成期—成熟期單獨(dú)出現(xiàn)持續(xù)降水，有/無(wú)降水和日照不足 2 h 組合的連陰雨類型時(shí)，一般減產(chǎn)率小于15%，而綠角形成期—成熟期同時(shí)出現(xiàn)S1和R3將導(dǎo)致油菜顯著性減產(chǎn)。

2.3 連陰雨指標(biāo)構(gòu)建

統(tǒng)計(jì)17個(gè)代表站1991—2020年花期至成熟期各類型的連陰雨日數(shù)，先將S1按從小到大排序，S1可分為5～13（步長(zhǎng)為1）9檔次，然后依次統(tǒng)計(jì)S1各檔次中R1、R2和R3出現(xiàn)的日數(shù)。由表3可以看出，花期—綠角形成期S1的平均日數(shù)為8 d，與之對(duì)應(yīng)的R1、R2和R3出現(xiàn)的日數(shù)分別為6、9、10 d，視為中度災(zāi)害;當(dāng)S1大于13時(shí)的樣本數(shù)僅占總樣本數(shù)的4.1%，可認(rèn)為極端災(zāi)害性天氣，視為重度連陰雨災(zāi)害。同理分析R1、R2和R3。

由于有/無(wú)降水和日照不足1 h組合的連陰雨類型R2包含在有/無(wú)降水和日照不足2 h組合的連陰雨類型R3中，因此分類時(shí)不單獨(dú)考慮R2的情況，最后根據(jù)表3和各類型連陰雨出現(xiàn)的日數(shù)確定連陰雨災(zāi)害指標(biāo)（表4）。

2.4 連陰雨災(zāi)害損失評(píng)估

根據(jù)表4中的油菜連陰雨等級(jí)指標(biāo)，篩選出1991—2020年因連陰雨導(dǎo)致的減產(chǎn)年，分別統(tǒng)計(jì)花期—綠角形成期和綠角形成期—成熟期的各類連陰雨日數(shù)，與災(zāi)損率建立多元回歸方程，獲得不同等級(jí)連陰雨與災(zāi)損率的回歸系數(shù)（表5），將油菜生長(zhǎng)不同時(shí)期出現(xiàn)的連陰雨日數(shù)和對(duì)應(yīng)的系數(shù)代入公式3，即可得出因連陰雨導(dǎo)致的災(zāi)損率。

|a|=C0+C1S1+C2R1+C3R2+C4R3。（3）

通過(guò)計(jì)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(shí)的平均災(zāi)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(shí)的平均災(zāi)損率分別為12.72%和11.10%。

3 結(jié)論與討論

（1）通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析1991—2020年油菜生長(zhǎng)期內(nèi)連陰雨發(fā)生情況，采用拉格朗日插值法計(jì)算得到期望產(chǎn)量，計(jì)算得到油菜因連陰雨導(dǎo)致的產(chǎn)量災(zāi)損率在1.4%～18.1%之間，平均災(zāi)損率為8.0%，表明連陰雨是影響油菜產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。

（2）分階段統(tǒng)計(jì)油菜花期—綠角形成期（P1）、綠角形成期—成熟期（P2）與災(zāi)損率的相關(guān)性。油菜花期—綠角形成期（P1）>10%～15%災(zāi)損率等級(jí)與R3、>15%災(zāi)損率等級(jí)與S1和R3的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著性水平，表明花期—綠角形成期持續(xù)無(wú)日照（S1）和有/無(wú)降水日，日照不足2 h的組合最長(zhǎng)持續(xù)日數(shù)（R3）2種類型的連陰雨同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，將對(duì)油菜的最終產(chǎn)量有顯著的減產(chǎn)效應(yīng);綠角形成期—成熟期（P2）>5%～10%災(zāi)損率等級(jí)與R3、>10%～15%災(zāi)損率等級(jí)與R1以及>15%災(zāi)損率等級(jí)與S1和R3達(dá)顯著相關(guān)，表明綠角形成期—成熟期單獨(dú)出現(xiàn)持續(xù)降水，有/無(wú)降水和日照不足2 h組合的連陰雨類型時(shí)，一般減產(chǎn)率小于15%，而綠角形成期—成熟期同時(shí)出現(xiàn)S1和R3將導(dǎo)致油菜顯著性減產(chǎn)。

（3）以最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)日照（S1）、最長(zhǎng)連續(xù)降水日數(shù)（R1）和最長(zhǎng)連續(xù)降水和無(wú)降水且日照小于2 h的組合日數(shù)（R3）為主，劃分了影響油菜輕、中、重3個(gè)等級(jí)連陰雨氣象災(zāi)害指標(biāo)。

（4）分別統(tǒng)計(jì)花期—綠角形成期和綠角形成期—成熟期的各類連陰雨日數(shù)，與災(zāi)損率建立多元回歸方程，獲得不同等級(jí)連陰雨與災(zāi)損率的評(píng)估模型，通過(guò)計(jì)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(shí)的平均災(zāi)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(shí)的平均災(zāi)損率分別為12.72%和11.10%。

連陰雨災(zāi)害是復(fù)雜的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，不同作物的不同發(fā)育時(shí)期對(duì)其的響應(yīng)程度不同，分作物分階段制定連陰雨標(biāo)準(zhǔn)尤為重要，可更有效地評(píng)估連陰雨的不利影響，但連陰雨發(fā)生期間除了溫光水對(duì)作物的影響外，空氣濕度、太陽(yáng)輻射等因素均會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)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(zāi)害對(duì)作物生長(zhǎng)的影響。

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