青海省春小麥和油菜播種期氣象條件分析及預測模型構建

申燕玲，趙夢凡，趙 彤，沈曉燕

(1.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001)

氣溫對農作物生長發育至關重要，如果播種過早，氣溫沒有達到種子萌發時對溫度的需求，種子在低溫影響下，會出現爛種、弱苗等現象；播種過晚則會影響作物的成熟[1-2]。由此可見，通過適宜的氣象條件以及氣候資源確定作物的適宜播種期是作物高產、穩產的基礎[3-5]。青海省東部農業區是青海省農作物的主要產區，但由于青海省受到青藏高原的動力熱力共同影響，氣候條件特殊，與其他地區的氣候背景有很大差異，加之全球氣候變暖加劇、農業區作物品種不斷更新、栽培技術和耕作方式改進以及種植制度改變，以及業務中對于播種期的預報指標單一、對播種期氣象特征的表征程度不夠、使用的數據準確性低等原因[6]，當前農業區播種期指標及其適用性研究已經不能夠滿足農業氣象預報的業務需求，降低了農業氣象播種期預報的客觀性和時效性。

近年來，越來越多的專家學者投入到氣候變暖對作物發育期影響的研究當中[7-9],有研究表明溫度變化是影響作物生育期的主要原因[10]，全球氣候變暖對作物的影響普遍表現為返青期和成熟期的提前以及全生育期和越冬期的縮短[11-12]。由于氣候變暖會使作物的生長季延長，種植區域北移西延。春小麥的生長基本不受降水量的影響,并且深層土壤水分能夠彌補大氣降水的不足，對春小麥苗期生長有利[13-14]。土壤溫度對作物種子發芽出苗有直接影響，因為土壤溫度和后期霜凍發生有一定的關系，從而影響作物的春耕春播等農事活動，但由于過去氣象觀測資料不完整，前人研究中涉及到的溫度大都是氣溫[15]，因此考慮土壤溫度分析作物播種期更有實際意義。青海省東部農業區發生霜凍的時段主要在4—9月，5月發生頻率最高，會對播種期作物生長發育造成一定的影響[16]。本研究通過對日平均氣溫、地溫、日平均5 cm和10 cm地溫、≥0℃和≥3℃積溫、穩定通過界限溫度的初日等氣象條件及地理信息與適宜播種最佳時段的閾值進行分析，從而為作物應對氣候變化及有效防御作物早播的潛在風險提供科學依據。在全球變暖的趨勢下，為更好開展播種期氣象適宜度評價服務，確定作物播種期氣象要素的適宜范圍，分析春小麥和油菜播種期氣象要素的統計特征，探究主要影響農作物播種期的氣象因子，構建適用于青海省春小麥和油菜播種期氣象條件適宜性判識指標，對青海省東部農業區作物播種期的農業氣象服務具有重要實踐意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

青海省東部農業區是青海省春小麥和油菜的主要產區，農業區光照充足，晝夜溫差大，光、溫配合適宜，有利于農作物營養物質的積累。本研究選取青海省東部春小麥和油菜種植區為研究區(89°35′～101°06′E，35°02′～37°58′N),地處祁連山達坂山以南、日月山以東，屬黃土高原向青藏高原過渡鑲嵌地帶，自然資源豐富，日照時間長、太陽輻射強、土壤肥沃、水資源充足，春小麥和油菜面積約占總播種面積50%以上。西部從北至南與海北藏族自治州的祁連縣、海晏縣，黃南藏族自治州的澤庫縣相連，包括西寧、共和、貴南、大通、民和、樂都、平安、湟源、互助、化隆、循化、貴德、尖扎、同仁及門源等15個縣(市)，主要分布詳見圖1(見 235頁)，其中春小麥種植區農氣觀測站包括德令哈、大通、共和、貴南、互助、湟源、湟中，油菜種植區觀測站包括德令哈、共和、貴南、互助、門源。

圖1 研究區域分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in study area

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源 選用1961―2019年青海省春小麥和油菜種植區的8個農業氣象觀測站(圖1)的逐日平均地溫、5 cm和10 cm地溫、土壤相對濕度、觀測站點海拔和經緯度、作物生長等數據。利用逐日平均氣溫和地溫數據計算得到積溫、穩定通過溫度和地溫的日序數。資料來自青海省氣象局信息中心。

1.2.2 氣候傾向率 用x表示樣本量為n的氣候變量，用t表示x所對應的時間，利用最小二乘法建立一元線性回歸方程，即x=b+ati(i=1，2，3，…，n)，其中，a為氣候變化量的傾向率，a>0表示直線遞增，a<0表示直線遞減，a×10表示每10年的趨勢變化率,表征了時間序列的變化趨勢。

通過計算與播種期相關氣象要素的氣候傾向率(Slope)來分析時間上的變化特征。

(1)

式中，ti為氣象要素的等變量值。采用時間t與序列變量之間相關系數，即氣候趨勢系數對變化趨勢的顯著性進行檢驗。

1.2.3 累積距平 累積距平可以判斷氣象要素的變化趨勢，累積距平曲線若呈上升趨勢，則表示距平值增加，反之則表示距平值減小。對于某一序列x，其在某一時刻t的累積距平表示為：

(2)

1.2.4 評估指標 選取決定性系數R2和均方根誤差RMSE對模型精度進行評價。

(3)

(4)

1.2.5 閾值 對各觀測站點作物播種期時間序列與氣溫、地溫、日照等氣象要素進行回歸分析，并繪制箱線圖，進一步分析氣象要素的閾值分布，通過分析多年青海省春小麥和油菜播種期的逐日平均氣溫、0～5 cm土壤溫度、0～10 cm土壤溫度等氣象要素的閾值范圍，最終得出播種期適宜的氣象要素指標。

2 結果與分析

2.1 氣象要素變化趨勢

由圖2A可見，1961―2019年氣溫和地溫的增溫趨勢較為明顯，尤其在1990年開始，有明顯的增溫趨勢。青海省春小麥和油菜種植區日平均氣溫年際變化呈波動型升高，最大值和最小值分別出現在2015年和1967年，日平均氣溫氣候傾向率為0.4℃·10a-1，平均地溫、5cm和10cm平均地溫氣候傾向率分別為0.44、0.33、0.35℃·10a-1，均通過了顯著性檢驗；相對濕度從1994年開始呈現減小趨勢，其氣候傾向率為-5.7%·10a-1，表明地區相對濕度整體呈現持平略減趨勢。由圖2B累積距平變化曲線可以看出，日平均氣溫、地溫在1996年之前呈現遞減趨勢、其后呈增加趨勢。整體來看，青海省春小麥和油菜農業氣象觀測地區氣候表現出溫度遞增、濕度減小的變化特征。

圖2 1961―2019年青海省春小麥和油菜觀測站氣象要素年際變化曲線(A)和累積距平變化曲線(B)Fig.2 Evolution of cumulative anomaly of the meteorological elements with time (A) and interannual variation periods curves of the meteorological elements (B) in 1961-2019

2.2 春小麥和油菜播種期影響因子分析

分別對日平均氣溫、日平均地表溫度、日平均5 cm和10 cm地溫、≥0℃和≥3℃積溫，氣溫穩定通過界限溫度(0℃和6℃)初日日序數、地溫穩定通過界限溫度(10℃)初日日序數、土壤相對濕度、海拔高度、經緯度和作物播種期日序數進行相關分析[17-19]。從圖3可以看出，與春小麥和油菜播種期日序數相關性較高的溫度相關要素包括日平均氣溫、平均地表溫度、日平均5 cm和10 cm地溫；日序數相關要素有氣溫穩定通過界限溫度(0℃、6℃)、地溫穩定通過界限溫度(10℃)初日日序數；地理信息相關要素有海拔高度和經度。以上溫度類要素與播種期日序數的相關性較好，且呈線性正相關關系，通過了顯著性檢驗。

2.3 氣象要素閾值分析

研究區日平均氣溫3.1℃，平均5 cm地溫5.6℃、10 cm地溫4.8℃作為春小麥進入適播期氣象適宜指標(表1，見237頁)；日平均氣溫6.3℃，平均5 cm地溫9.4℃、10 cm地溫9.0℃作為油菜進入適播期氣象適宜指標(表2，見237頁)。由于各觀測站氣候條件差距較大，所以需對不同站點氣象要素適宜度指標進行討論。如圖4所示，春小麥種植區各站氣溫較地溫四分位差較大，說明播種期氣溫數據較為分散，10 cm地溫數據分布較為集中，數值變化幅度較小。52737(德令哈)站和52869(湟中)站地溫四分位差較大，數據較其他站分布較為分散；如圖5 所示，油菜種植區52955(貴南)站的溫度數據分布較為分散，52737(德令哈)站5、10 cm地溫數據分布較為集中，數值變化幅度較小。

注:*、**分別表示系數通過P<0.05和P<0.01的顯著性檢驗。Note:* and ** represent significant difference at P<0.05 and P<0.01,respectively.圖3 相關系數熱力圖Fig.3 Heat map of correlation

圖4 春小麥種植區不同觀測站播種期氣象要素閾值Fig.4 Meteorological elements boxplot of spring wheat

圖5 油菜種植區不同觀測站播種期相關性氣象要素閾值Fig.5 Meteorological elements boxplot of rape

2.4 界限溫度空間分布特征

如圖6所示，青海省春小麥和油菜種植區氣溫穩定通過0℃、3℃和6℃以及地溫穩定通過0℃、6℃和10℃的初日在空間分布上受到海拔的影響，大體上呈“東南早、西北晚”的分布特征，其中門源穩定通過各個界限溫度的初日最晚，南部地區中循化、樂都、民和、貴德、尖扎、同仁穩定通過界限溫度的初日早。根據圖7穩定通過0℃、6℃和10℃氣溫氣候傾向率來看，各地區穩定通過界限溫度初日提前的趨勢較為明顯，其中互助、大通穩定通過0℃、3℃、6℃氣溫與0℃地溫的初日提前日數幅度最大，貴南和樂都最小，且氣溫較地溫的氣候傾向率變化幅度大。根據圖8穩定通過界限溫度的初日與年份計算的相關系數來看，互助、大通穩定通過0℃、3℃、6℃氣溫與0℃地溫初日呈負相關關系。

表1 春小麥種植區氣象觀測站播種期氣象要素適宜指標/℃Table 1 Spring wheat optimum index of meteorological elements

表2 油菜種植區氣象觀測站播種期氣象要素適宜指標/℃Table 2 Rape optimum index of meteorological elements

圖6 1961―2019年青海省春小麥油菜種植區日平均氣溫穩定通過0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地溫穩定通過0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the average temperature in the spring wheat rape planting area of Qinghai Province from 1961 to 2019 through 0℃,3℃ and 6℃ (A,B,C) and the average ground temperature stability through 0℃,6℃ and 10℃ (D,E,F)

圖7 1961—2019年青海省春小麥油菜種植區日平均氣溫穩定通過0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地溫穩定通過0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日氣候傾向率的空間分布Fig.7 Spatial distribution of the average temperature of the spring wheat and rapeseed planting areas in Qinghai Province from 1961 to 2019 stably passed 0℃,3℃,and 6℃ (A,B,C),and the average ground temperature passed 0℃,6℃,and 10℃ (D,E,F)

2.5 模型構建

根據相關文獻及現有資料以及與春小麥和油菜播種期的相關性分析，采用百分位法確定通過80%、90%、95%保證率下，將氣溫穩定通過0℃、3℃、6℃和地溫穩定通過0℃、6℃、10℃的初日作為春小麥和油菜適宜播種的開始日期，同時將穩定通過界限溫度的初日、經度、緯度、海拔高度等地理因子作為模型因子，模型如式(5)所示：

Y=f(h,λ,Ψ)+ε

(5)

式中，Y為穩定通過界限溫度的初日日序數，h、λ、Ψ分別表示海拔高度、緯度、經度，ε為綜合地理殘差。利用日平均氣溫穩定通過界限溫度的初日日序通過多元回歸分析得到春小麥和油菜進入適宜播種期的模型，如表3、4所示。

圖8 1961—2019年青海省春小麥油菜種植區日平均氣溫穩定通過0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地溫穩定通過0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日相關系數的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the average temperature in the spring wheat and rapeseed planting area of Qinghai Province from 1961 to 2019 stably passed 0℃,3℃,and 6℃ (A,B,C),and the average ground temperature passed 0℃,6℃,and 10℃ (D,E,F)

表3 氣溫穩定通過界限溫度的初日與經度、緯度、海拔高度建立春小麥播種期預報模型Table 3 First day of stable air temperature passing through the boundary temperature with longitude, latitude,and altitude to establish the model

對所構建的春小麥和油菜進入適宜播種期的預報模型進行評估，如表5、6所示，95%、90%、80%保證率始播期穩定通過0℃、6℃、10℃初日所有模型因變量Y的90%以上的變化由自變量海拔高度、緯度、經度來解釋，所有模型90%、80%保證率RMSE小于3.8 d，其中95%保證率下，氣溫穩定通過6℃初日的R2最大(0.97)、RMSE最小(2.96 d)；地溫穩定通過0℃初日的R2最大(0.97)、RMSE最小(1.86 d)。

表4 地溫穩定通過界限溫度的初日與經度、緯度、海拔高度建立油菜預報模型Table 4 First day of stable ground temperature passing through the boundary temperature with longitude,latitude,and altitude to establish the model

表5 氣溫穩定通過0℃、3℃和6℃初日播種期預報模型決定系數及均方根誤差Table 5 Coefficient of determination and root mean square error of the temperature has passed 0℃,6℃ and 10℃ first day

表6 地溫穩定通過0℃、6℃和10℃初日播種期預報模型決定系數及均方根誤差Table 6 Coefficient of determination and root mean square error of the ground temperature has passed 0℃,6℃ and 10℃

3 討 論

由于春天天氣變化異常，春小麥和油菜播種過早，地溫較低，更容易出現發芽慢、粉種、壞種的現象，所以受氣候變暖的影響，研究區春小麥和油菜播種期氣象適宜指標、播種期氣象條件預報模型也需要及時調整。前人研究表明，氣溫、土壤溫度和后期霜凍發生有一定關系，從而影響作物的春耕春播等農事活動，所以溫度、土壤溫度是影響作物生育期的重要氣象因素。本研究表明，與春小麥和油菜播種期相關的氣象要素中，地溫和氣溫的影響最大(相關系數達到0.72以上)，這也驗證了前人的研究結果，所以考慮增加地溫作為播種期相關氣象因子，土壤相對濕度與播種期的相關性不大(相關系數0.34以下)，地理信息因子如經緯度、海拔高度也與播種期日序數有一定的相關性。

4 結 論

1)研究區與春小麥和油菜播種期相關的氣象條件中，日平均氣溫、地溫的增溫趨勢較為明顯，分別以0.40℃·10a-1和0.44℃·10a-1的速度增加，并且春小麥和油菜種植區北部地溫增溫較南部明顯，相對濕度在1994年之后，則呈緩慢減少趨勢(-0.57%·10a-1)。

2)當日平均氣溫達到3.1℃，平均5 cm地溫達到5.6℃、10 cm地溫達到4.8℃建議開展春小麥播種農事活動；日平均氣溫達到6.3℃，平均5 cm地溫達到9.4℃、10 cm地溫達到9.0℃建議開展油菜播種農事活動。

3)氣溫穩定通過0℃、3℃和6℃以及地溫穩定通過0℃、6℃和10℃的初日在空間分布上受到海拔的影響，大體上呈“東南早、西北晚”的分布特征；春小麥和油菜穩定通過0℃、3℃，地溫穩定通過0℃初日提前的趨勢較為明顯。通過氣溫，地溫穩定通過界限溫度初日統計法建立的春小麥和油菜播種期預測模型，其中95%保證率時，氣溫穩定通過6℃初日、地溫穩定通過0℃初日模型效果最佳。