近30年榆林市農作物病蟲害發生的時間特征研究

杜心元，徐玉霞，陳 倩，廖 欣

(1.寶雞文理學院/ 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室， 陜西 寶雞 721013；2. 榆林市星元小學, 陜西 榆林 719400)

進入新世紀以來，由于全球氣候的格局有所變化，產業結構被波及而有所改變，使得農作物病蟲害的問題在農業生產、生活中表現異常突出[1～2]。整個農業部門的關鍵就在于農作物的種植，其對于人類生存和發展的意義也是不可比擬的，而由于農作物的生存、生長是在大自然中，它的生長情況不可避免的會受到自然災害的影響[3]。自然災害是指發生在我們賴以生存的自然界中，具有危害性的自然變異和極端事件。主要發生類型有：地質、地貌、氣象、生物和天文災害。病蟲害，是生物災害中常見的一種，常指農作物在病蟲的危害下，生長、發育出現不健康的狀態，從而使得作物產量減少，造成無法挽回的經濟損失。農業生態系統自身具有一定的自我調節能力，所以，災害的發生強度在自然狀態下是處于正常范圍內。然而，要是人類的強加干預和其他外力因素一同影響，那么農業生態系統的平衡和穩定則一定會被破壞，使得農作物在非良性循環的環境中繼續生存，在有害生物不斷的危害下，最終導致災變發生。歐陽芳等[4]對我國1991-2010年期間，幾類糧食作物發生病蟲害的面積和強度的變化趨勢進行了研究，發現：在研究時間段內，這幾種農作物發生病蟲害的面積和強度都有明顯的增加。黃國勤等[5]進行了大量調查，研究了江蘇省農作物病蟲害的發生特點，發現：江蘇省病蟲害由于異常的氣候變化影響，病蟲害發生嚴重，范圍大且面積廣，農業生產的災變情況越來越嚴重。趙淼等[6]研究認為，我國農作物的病蟲害發生面積和發生率分別以 8 520.05千hm2次/年和0.605%/a的速率增長。趙夢等[7]研究結果得出：我國從2000到2010年期間，水稻種植區發生病蟲害的面積有明顯的上升態勢。白基恒等[8]研究分析得出：從1950到2013年，重慶市水稻病蟲害的災變率是呈上升的趨勢，尤其到1980年之后，發生范圍廣，損失增大。王茀望等[9]研究證明2000年以來，海南省農區鼠害呈現發生面積逐年上升，發生越發嚴重。GE Saiying[10]利用中國的統計數據，研究了中國從1991-2010年，棉花發生病蟲害的面積、防治程度和損失率的變化特征。這些研究對于西北地區的研究較少，本文以榆林市為研究區域，揭示榆林市農作物病蟲害的時間變化特征，從災害科學的角度進行農作物病蟲害研究[11]，為本地區研究關于生物災害可以提供一定的參考。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

榆林市位于東經107°28到111°15’和北緯36°57’到39°34’之間，隸屬于陜西省，東邊相隔黃河，與山西省相望，西部接寧夏、甘肅省，北部與內蒙古為鄰，南邊是本省的延安市。處于半干旱地區，為大陸性季風氣候，雨熱同期，四季分明春季干旱少雨，夏季炎熱高溫，秋季降水較多，冬季干旱漫長[12]。日照時間長，無霜期短，年平均氣溫10℃左右，年平均降水為400 mm左右。地貌類型北部為風沙草灘區；南部是典型的黃土丘陵溝壑區。平均海拔在1 000～1 500 m。每年都會出現不同程度的自然災害發生。全市2017年農業戶籍人口284.7萬人，耕地總資源約108.18萬hm2，人均耕地為0.38 hm2。2017年，農作物的主要播種的面積約為623 753 hm2，其中，糧食作物種植的面積為488 187 hm2，主要種植玉米、小麥、水稻和馬鈴薯等，播種油料作物的面積為53 719 hm2，主要是花生。2017年全年糧食作物總產量達1 658 921 t，油料作物總產量達101 421 t。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本文中，1990到2017年農作物播種面積是選取于2018年“榆林市統計年鑒”中部分數據；1986到2018年農作物病蟲害的發生面積、防治面積是選取于榆林市農業局1986-2018年統計資料；2008-2017年糧食作物實際損失數據來源于榆林市農業局1986-2017年統計資料。

2.2 研究方法

防治率:W=(C/B)×100%

上式中的字母代表著農作物的各項指標，A、B、C、D分別是:播種面積(千公頃)、發生面積(千公頃次)、防治面積(千公頃次)、實際損失(t)。

(2)變化傾向率

為了分析發生率和防治率等災害要素，分析病蟲害的時間變化特征，反應病蟲害的變化趨勢，以時間 t自變量為，建立一元線性回歸方程，公式如下:

y=a+bx

上式中，y 是災害因子，x 是時間(為1986-2018年)，b為線性趨勢項， b×10為災害因子每10 a的災害變化傾向率，可以定量的分析農作物病蟲害變化的趨勢[13]。

(3)距平分析

其中λ為波長,αn,βn(t)可根據建立的幾何模型進行推導(詳細表達式參見附錄A).式(4)～(6)表示由于p發射天線到q接收天線傳播總距離導致的相位變化,式(7)是由于列車移動導致的多普勒頻移,其中是最大多普勒頻移:

距平是指變量偏離正常情況的量，在一組序列中，某一個值與均值之差就是距平，反應數據偏離平均值的程度[14]。經過距平處理，可以轉化成均值是0的序列，這樣處理有助于數據分析，使計算結果更直觀。

(4) Morlet小波分析

小波分析是一種時間頻率分析方法,可以通過多種運算功能對函數或信號序列進行多尺度細化分析,研究不同尺度隨時間的演變情況[15]。本文利用小波變換對病蟲害發生率的周期震蕩進行了分析,揭示其時間尺度周期變化特征和趨勢。

3 結果分析

3.1 榆林市農作物病蟲害發生面積和發生率的時間變化

3.1.1 榆林市農作物病蟲害發生面積和發生率的年際變化 從圖1可知，從1986到2018年，榆林市的農作物發生病蟲害的面積，總體表現為向上發展的態勢，發生面積的傾向率為226.48 千hm2次/10 a，置信度檢驗為0.001。榆林市農作物發生病蟲害的面積由1986年的80.51千hm2次增加到至2018年的709.82千hm2次，期間2011年的發生面積最大，為1 426.81千hm2次。在研究時間段內，榆林市農作物病蟲害年平均發生面積為635.78千hm2次。

圖1 榆林市歷年農作物病蟲害發生面積

從圖2可以看出，從1986-2018年榆林市的農作物病蟲害，它的發生率和發生面積變化趨勢具有一致性。病蟲害的發生率也是增加的趨勢，其發生率傾向率為0.418%/10a，置信度檢驗為0.001。發生率的最低值在1987年，只有9.26%;最大值出現在2011年，為253.11%，二者相差243.85%。整個變化過程可劃分三個階段：第一階段表現出增長趨勢，1986-1995年，榆林市農作物病蟲害發生率在前5年較低，而且發生率變化不大，年均發生率為61.38%；第二階段是1996-2012年間，榆林市農作物的病蟲害發生率，呈現出"W"型的趨勢，年均發生率高達119.14%；第三階段在2013-2018年，榆林市病蟲害生物災害發生率有顯著的下降，最低值下降到2018年的111.51%，這仍然是高發生率。綜上所述，從1986到2018年榆林市農作物病蟲害年均發生率為105.03%，災害程度非常嚴重。

圖2 榆林市歷年農作物病蟲害發生率

從圖3中可以看出，榆林市農作物病蟲害發生率其變化周期較明顯。其發生率存在著準11和15年兩個震蕩周期。準11年的周期主要集中在2005-2016年之間，該震蕩周期的時間連續性較好，其中榆林市農作物病蟲害發生率偏高主要在2005-2006年、2009-2011年、2013-2014年和2015-2016年。準15年震蕩周期震蕩明顯，并在時間上的連續性也較好。在過去的30年間，榆林市的農作物病蟲害發生率經歷了低-高-低-高-低-高-低的階段，預計在未來幾年，榆林市農作物病蟲害發生率有可能會越來越低。

3.1.2 榆林市農作物病蟲害發生面積和發生率的年代際變化 如表1所示，榆林市農作物病蟲害在各個年代，它的年平均發生面積變化表現為“先降后升”。從20世紀90年代至2000-2009年由648.90千hm2次下降到542.54千hm2次，進入2010年后，迅速增加至973.69千hm2次。在2000到2009年， 可以看出年平均發生面積距平值，是平均水平之下的，為-92.74千hm2次，而緊接著2010-2018年間，病蟲害的年平均發生面積距平值為338.41千hm2次，遠遠要高出平均水平。綜上所述，榆林市各個年代農作物病蟲害年均發生面積的變化屬于轉折上升的趨勢，其中2000-2009年是一個明顯的轉折點。

(a)小波變換實部圖 (b)小波方差圖

表1 榆林農作物病蟲害發生面積和發生率的年代際變化

如圖4所示，榆林市各年代農作物病蟲害，年平均發生率呈增長的變化趨向。榆林市各個年代農作物病蟲害年均發生率最大值和最小值分別出現在2010-2018年和1990-1999年，分別為163.91%/a和92.47%/a，兩者的差達71.44%。在2010年之前，榆林市各個年代的農作物病蟲害，年平均發生率的距平值都顯示為負，分別是-12.56%和-7.8%，而從2010年之后，年平均發生率的距平值顯示為正，達58.55%。綜上所述，榆林市各年代的農作物病蟲害年均發生率呈現迅速上升的趨勢，特別是2010年以后增長速度顯著加快。榆林市各年代的農作物病蟲害發生率，其變異系數有一個波動態勢，基本呈 “S”型變化。在20世紀90年代和2000-2009年，農作物病蟲害的發生率變異系數值一直在下降，由56%降至14%；在2010-2018年間，蟲害發生率變異系數則呈現"∧"型變化，由之前的14%增加到25%，再減少到6%。

圖4. 榆林市農作物病蟲害發生率變異系數年代際變化

3.2 榆林市病蟲害造成的糧食作物損失量的時間變化

榆林市播種的主要糧食作物小麥、玉米、大豆、薯類、稻谷等。在研究時間段內(2008-2017年)，糧食作物年均播種面積為480.3千hm2/a，年均產量為2 723 089.4 t/a。本文主要對糧食作物和實際損失量進行時間特征的研究，以期為榆林市農作物病蟲害防治提供一定的有效方向。從圖5可知，2008-2017年間榆林市病蟲害造成的糧食作物損失量呈平緩的下降趨勢，損失量傾向率為783.25 t/10 a，并通過了0.001的置信度檢驗。榆林市病蟲害造成的糧食作物損失量由2008年的72 594.8 t增加到了2017年的82 448.4 t，研究時間段內，榆林市病蟲害造成的糧食作物年均損失量達87 858.9 t，增長緩慢。

圖5 榆林市歷年病蟲害造成的糧食作物損失量

3.3 榆林市農作物病蟲害防治面積和防治率的時間變化

3.3.1 榆林市農作物病蟲害防治面積和防治率的年際變化 如圖6所示，榆林市農作物病蟲害防治面積從1986到2018年呈上升的趨勢，防治面積傾向率為186.49千公頃次/10a，置信度檢驗為0.001。逾30 a來，病蟲害防治面積在1986年為39.63千公頃次，到2018年則增加到467.16千公頃次，其中在2012年防治面積最大，達872.39千公頃次。綜上所述，榆林市病蟲害防治面積變化在研究時間段內有一定的起伏，但整體表現為增加的趨向，年均防治面積為338.78千公頃次。

圖6 榆林市歷年農作物病蟲害防治面積

1986-2018年榆林市農作物病蟲害防治率表現出明顯向上的發展趨勢，最小值在1992年，為18.78%，最大值在2016年，為73.27%，二者相差54.49%。如圖7所示，該變化過程可以分三個階段：第一階段是1986-1992年間，榆林市農作物病蟲害防治率波動很大，總體呈下降趨勢，年均防治率為49.34%；第二階段在1993-2005年，榆林市農作物病蟲害防治率呈"M"型的趨勢，增長變化過程仍有小幅度波動，年均防治率為37.48%；第三階段在2006-2018年，榆林市農作物病蟲害防治率雖然整體趨勢是增加的，但期間防治率有小幅度不穩定的升降變化，最終防治率達65.81%。綜上所述，1986-2018年榆林市農作物病蟲害防治率處于波動上升的階段，年均防治率為51.59%。

圖7 榆林市歷年農作物病蟲害防治率

3.3.2 榆林市農作物病蟲害防治面積和防治率的年代際變化 榆林市各年代的農作物病蟲害，年平均防治面積由1990到1999年的261.41千公頃次/a增加到了2010-2018年的638.84千公頃次/a，整體而言是呈上升趨勢的，且后期變化速率明顯加快。如表2所示，在1990-1999年，農作物病蟲害的年平均防治面積距平值為-77.37千公頃次，接下來進入2000-2009年，距平值雖然也是負值，但還是有所增長的，為-73.45千公頃次，到了2010年以后，病蟲害年均防治面積的距平值增為正值，達300.06千公頃次。

表2 榆林市農作物病蟲害年平均防治面積和防治率的年代際變化

榆林市各個年代的農作物病蟲害年平均防治率增長變化緩慢。年平均防治率的最大值出現在2010-2018年，為59.70 %/a，最低值在1990-1999年，為41.50 %/a，兩者之差僅僅18.2%?？梢钥闯觯昶骄乐温示嗥街稻鶠樨撝党霈F在1990-1999年和2000-2009年，分別為-10.09%和-3.74%，到2010-2018年農作物病蟲害防治率的距平值才出現正值，但僅為8.11%。綜上所述，榆林市各年代農作物病蟲害年均防治率總體是上升的，但增長速度較平穩，與平均水平差別很小。

如圖8所示，榆林市各年代農作物的病蟲害防治率變異系數呈向下傾斜的"W"型波動。其最高值在20世紀90年代的前5年(1990-1994年)，最低值在21世紀第一個10年的前5年(2000-2004年)，分別為37.97%和4.08%。由此可見，榆林市各個年代農作物病蟲害防治率的波動較明顯。

圖8 榆林市農作物病蟲害防治率變異系數年代際變化

4 結論與討論

4.1 討論

本文通過對榆林市災情數據中病蟲害發生面積、防治面積、糧食作物損失量等方面的分析，得出了榆林市農作物病蟲害時間變化的特征：近30年來榆林市病蟲害發生面積和發生率呈現明顯的上升趨勢，與朱煌武[16]對20世紀90年代安徽農作物生物災害發生情況的研究結果一致。農作物病蟲害的損失面積呈現出較平緩的增長趨勢，說明農作物發生病蟲害所造成的損失在可控范圍內，病蟲害的發生與受損具有同步性，與白基恒等[8]對重慶市水稻病蟲害的研究結果一致。隨著防治力度加大，防治面積和防治率呈現顯著的增長趨勢，說明政府的防治力度顯著增大，重視程度更高。通過研究可以幫助榆林市有效預防病蟲害，減少農作物病蟲害帶來的經濟損失，有利于榆林市的農業發展，為榆林市農作物病蟲害防治提供合理依據。

由于數據、資料有限，對榆林市農作物生病蟲害時間特征的研究比較簡略，并有以下不足和缺點：文章只對農作物病蟲害的時間變化特征進行討論，且研究時間尺度較短；只分析了農作物病蟲害時間變化規律，沒有對變化原因深入闡述；對農作物病蟲害時間變化特征的數據分析如災害發生的預測和空間變化的特征分析不全面，今后會加強數據分析。

4.2 結論

采用榆林市1986到2018年的農作物病蟲害統計數據，根據線性趨勢法和Morelet 小波分析法，探索榆林市農作物病蟲害的時間變化規律，以年際和年代際為時間單位。主要結論如下：

(1)榆林市的農作物病蟲害發生面積和發生率均表現出上升的態勢，年平均發生面積和發生率分別為635.78千公頃次和105.03%。

(2)榆林市農作物病蟲害的損失面積呈現出增長的趨勢，但態勢平緩。

(3)榆林市的農作物病蟲害，其防治面積和防治率的變化，均顯示出增長的趨勢，年均防治面積和防治率分別為338.78千公頃次和51.59%。

(4)目前的局面并沒有達到最好的防治效果，因此，榆林市政府和相關單位應該制定相應的措施，來減少病蟲害的發生，提高作物產量。