基于相對氣候適宜度指數的貴州辣椒產量動態預報模型構建

譚 文，楊世瓊，左 晉，劉宇鵬，于 飛

(貴州省山地氣候環境研究所/貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

0 引言

【研究意義】辣椒是我國重要的蔬菜和調味品，其播種面積占全國蔬菜總播種面積的8%～10%，產值約2 500 億元，目前，辣椒的播種面積和產值均居全國蔬菜的首位[1-2]。貴州是辣椒種植大省，辣椒產業是貴州農業重要的支柱產業和農民增收致富的重要途徑，擁有全國唯一的國家級辣椒市場，發展辣椒產業基礎良好，勢頭強勁[3-4]。及時、準確、動態地提前預報辣椒產量對保障重要農產品有效供給以及開展市場營銷具有較強的指導意義。【前人研究進展】當前國內外針對玉米、水稻、小麥等糧食作物的產量預報已開展多年研究[5-7]，預報方法趨于成熟。隨著社會經濟快速發展，人民物質生活水平不斷提高，經濟作物的種植面積逐年增加，已有學者開展烤煙、橡膠、荔枝、茶葉等經濟作物產量預報研究[8-11]。楊艷超[8]等運用多元線性回歸方法，建立了基于代表縣綜合氣候適宜度的陜西省烤煙單產預報模型。黃珍珠等[9]和彭曉丹等[10]基于關鍵氣象因子，分別建立了廣東省橡膠產量預報模型和增城荔枝產量預報模型。馬于茗等[11]基于AquaCrop 模型，建立了安吉縣和松陽縣茶葉產量預報模型。【研究切入點】氣候環境對辣椒產量的影響較大，目前基于氣象因子預測辣椒產量方面的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】選擇貴州省辣椒主要種植區2010—2019年辣椒單產與氣象數據，結合辣椒氣候適宜度模型，建立辣椒相對氣候適宜度指數；以月為步長，建立辣椒從播種到開花期至成熟期逐月的產量動態預報模型，實現辣椒產量及時、準確、動態的預報與評估。

1 資料與方法

1.1 資料及處理

2010—2019年貴州省88個縣(市、區)的辣椒種植面積和產量數據由貴州省統計局提供；84個氣象站辣椒生長季(3月中旬至8月下旬)逐日平均溫度、降水量和日照時數由貴州省氣象局提供。

為達到預測貴州地區辣椒產量前景的目的，按照辣椒采收方式，將貴州省分為北部加工型辣椒產業帶和南部鮮食辣椒產業帶[4]。分別在2個產業帶2019年辣椒種植面積排名前5的縣(市、區)中各選取3個進行產量動態預報模型構建，北部產業帶選擇湄潭縣、綏陽縣和鳳岡縣，南部產業帶選擇盤州市、甕安縣和西秀區。一定區域內，相鄰2年作物單產的變化主要是由相鄰2年氣象條件的差異引起[12]。為此，對辣椒單產作如下處理：

△Yi=(Yi-Yi-1)/Yi-1×100%

式中，i為第i年；i-1為第i年的上一年；△Yi為第i年與第i-1年辣椒平均單產的豐歉值，即相對產量；Yi和Yi-1分別為第i年和第i-1年辣椒的平均單產。

1.2 氣候適宜度模型的建立

為達到定量評價光、溫、水氣象因子對農作物產量形成適宜度的目的，利用模糊數學理論，把氣象因子的數量變化通過模糊數學的隸屬函數方法轉化成對作物生長發育、產量形成的適宜程度。農作物生育期內的溫度、降水、日照為不同的模糊集，通過建立模糊集如溫度(T)、降水(R)、日照(S)的適宜度函數f(t)、f(r)、f(s)，計算作物生育期內逐旬的溫度(t)、降水(r)、日照(s)對農作物生長發育的適宜程度。

1.2.1 溫度適宜度模型 為定量分析貴州省熱量資源對辣椒生長發育的滿足程度，引入辣椒對溫度的反應函數：

f(T)=

α=(Tmax-Ts)/(Ts-Tmin)

式中，f(T)為溫度適宜度，T為實況溫度，Tmin為辣椒生長發育下限溫度，Tmax為生長發育上限溫度，a為溫度對辣椒生長發育的影響系數，Ts為辣椒生長發育最適溫度。參考前人研究成果[13-14]確定Tmax、Tmin、Ts的取值。

1.2.2 降水適宜度模型

式中，f(R)為降水適宜度，R為實時降水量(mm)，E0為農田蒸散(農田基本耗水量)，f(R)∈[0，1]；E0可通過彭曼公式和作物系數估算，參考原蘇聯謝良尼諾夫經驗公式的原理推算[13-14]。

E0=Kc×∑T

式中，Kc為作物系數[經驗值，或稱水熱系數，mm/(℃·d)]；∑T為逐日溫度累積值。

1.2.3 日照適宜度模型

式中，f(s)為日照適宜度，S為實時日照時數，S0為光合作用達到作物潛在光合能力的日照時數[13-14]。

1.2.4 辣椒各生育期綜合氣象適宜指數模型

Fi=[fi(T)+fi(R)+fi(S)]/3

式中，Fi為第j旬辣椒氣象適宜度，Fj(T)、Fj(R)、Fj(S)分別為第j旬溫度、降水、日照適宜度。

1.3 相對氣候適宜度指數的建立

相對氣候適宜度為相鄰2年作物氣候適宜度的差值，可以體現相鄰2年作物生育期內氣象條件的差異，公式：

△Fij=Fij-F(i-1)j

式中，i為第i年；i-1為第i年的上一年；j為第j旬；△Fij為第i年第j旬辣椒相對氣候適宜度，Fij和F(i-1)j分別為第i年和第i-1年第j旬辣椒相對氣候適宜度。

相對氣候適宜度指數是由辣椒播種開始至某一時段的逐旬相對氣候適宜度加權集成構成。其中，各旬權重系數的大小是通過計算辣椒相對產量與各旬相對氣候適宜度之間的相關系數大小確定，各旬的權重系數Kj如下[15]：

式中，n為辣椒從播種至某一時段的旬數，Rj為辣椒相對氣象產量與各旬相對氣候適宜度的相關系數。

相對氣候適宜度指數：

式中，△FIj為第j旬的相對氣候適宜度指數，Kj為第j旬的權重系數，Fj為第j旬的相對氣候適宜度。

1.4 模型的檢驗

利用建立的產量預報模型對2010—2017年貴州省不同產業帶辣椒單產進行回代檢驗，并對2018—2019年貴州省不同產業帶辣椒單產進行預報檢驗。預報準確率計算方法如下：

式中，Y預報為某年的辣椒單產預報值，Y實際為當年辣椒單產實際產量值。

1.4.1 回代檢驗 利用得出的預報模型，對6個代表縣(市、區)2011—2017年辣椒平均單產進行動態預報，通過預報模型得出Y預報，并結合上述公式進行回代檢驗，計算準確率。

1.4.2 預報檢驗 利用得出的預報模型，對6個代表縣(市、區)2018—2019年辣椒平均單產進行動態預報，通過預報模型得出Y預報，并結合上述公式進行預報檢驗，計算準確率。

2 結果與分析

2.1 相對氣候適宜度指數與辣椒單產豐歉值的相關性

從表1看出，5月下旬至8月下旬的累積相對氣候適宜度指數與辣椒單產豐歉值均呈正相關，其相關性均通過0.05水平的顯著性檢驗，即氣候條件越適宜，辣椒單產豐歉值越高。說明，建立的辣椒相對氣候適宜度指數能夠客觀反映貴州省北部、南部兩大辣椒產業帶的氣候適宜度與單產豐歉值的變化情況。

表1 北部和南部辣椒產業帶相對氣候適宜度指數與單產豐歉值的相關性Table 1 Correlation between relative climatic suitability index and pepper yield per unit area in northern and southern pepper growing areas

2.2 辣椒產量動態預報模型

由表2看出，利用2010—2017年辣椒生育期內逐旬氣溫、降水、日照和各縣辣椒逐年平均單產數據資料構建的貴州省辣椒不同時段的預報模型均通過0.05水平顯著性檢驗。說明，建立的模型可以客觀反映辣椒生長期內氣象要素變化對單產增減的影響。

表2 北部和南部辣椒產業帶基于相對氣候適宜度指數的不同時段產量預報模型Table 2 Forecast models of pepper yield at different growth stages based on relative climatic suitability index in northern and southern pepper growing areas

2.3 辣椒產量動態預報模型的檢驗

2.3.1 回代檢驗 從表3可知，全省預報的平均準確率可達88.35%，北部辣椒產業帶產量預報模型準確率高于南部辣椒產業帶，綏陽、鳳岡高于90.00%，湄潭、盤州、甕安、西秀為80.00%～90.00%。由此表明，建立的辣椒產量動態預報模型預測結果較可信，可滿足省級產量預報的業務需求。

2.3.2 預報檢驗 從表4可知，全省平均預報準確率可達84.34%，隨著時間延后預報準確率從79.28%升至87.59%。南部辣椒產業帶產量預報模型準確率均在80%以上，高于北部辣椒產業帶。北部辣椒產業帶6月1日的預報準確率低于80.00%，隨著預報時間延后，8月1日、9月1日的預報準確率升至80.00%以上。

表3 2011—2017年辣椒產量動態預報回代檢驗平均準確率Table 3 Average accuracy of pepper yield predicted by dynamic forecast return test from 2011 to 2017 %

表4 2018—2019年辣椒產量動態預報預報檢驗準確率Table 4 Accuracy of pepper yield predicted by dynamic forecast test from 2018 to 2019 %

3 討論

劉維等[16]研究發現，小區域尤其是縣級尺度集成模型預報結果總體優于地市級集成和省級尺度預報模型，這主要是由于縣級尺度預報模型使用了針對性更強的產量序列和氣象數據。研究分區域分別選擇種植面積較大的3個縣(市、區)進行辣椒產量動態預報模型構建，可更好地反映當地氣象條件對辣椒生長發育的影響。

基于相對氣候適宜度指數建立了分區域產量動態預報模型，構建的產量動態預報模型均通過0.05水平顯著性檢驗。從回代檢驗和預報檢驗看，全省回代檢驗的預報準確率可達88.35%，全省預報檢驗的預報準確率可達84.34%，基本滿足省級產量預報的業務需求，為貴州省辣椒產量預報提供重要的參考信息。由于模型僅使用平均氣溫、降水量、日照時數等較容易獲取的要素，未考慮農業氣象災害以及政策、種植管理方法等社會因素，這也是造成預報準確率波動的重要因素。因此，需考慮農業氣象災害以及政策、品種更換等因素的實際發生情況對預報結果進行訂正，提高預報準確率。

4 結論

辣椒單產豐歉值與不同時段相對氣候適宜度指數間存在較高的相關性，說明建立的辣椒相對氣候適宜度指數能夠客觀反映貴州省北部、南部兩大產業帶的氣候適宜度與單產豐歉值的變化情況，基于相對氣候適宜度指數的預報方法適用于貴州省不同辣椒產業帶的單產預報。