內蒙古興安盟水稻氣候適宜度模型構建及檢驗

高紅霞　孫榮宇　李倩文

摘? 要：利用興安盟科右前旗農業氣象觀測站2010年～2022年逐日氣象資料和水稻生育期觀測資料，以溫度、日照時數為影響因子，構建了以日為尺度的興安盟水稻綜合氣候適宜度評價模型。首先結合興安盟實際情況，對水稻溫度和日照氣候適宜度函數的參數進行修訂，然后采用熵權法確定了二者的權重系數。最后使用該模型對科右前旗歷年水稻從移栽至成熟期間的逐日氣候適宜度進行了計算，同時計算出歷年全生育期綜合氣候適宜度，并將水稻歷年氣象產量與全生育期綜合氣候適宜度進行相關分析。結果顯示二者顯著正相關，且在0.05置信水平上等級相關，表明該模型能夠較好地反映出興安盟氣象條件對水稻生長狀況的影響，可以用來評價興安盟水稻生長的氣候適宜度情況。

關鍵詞：水稻;氣候適宜度模型;熵權法;興安盟

Construction and Test of Rice Climate Suitability Model

in Xingan League of Inner Mongolia

GAO Hong-xia ， SUN Rong-yu ， LI Qian-wen

（ Xingan League Meteorological Bureau， Ulanhot， Inner Mongolia 137400， China）

Abstract： Using the daily meteorological data and growth period observation data of Horqin Right Front Banner Agricultural Observation Station in Xingan League from 2010 to 2022， taking temperature and sunshine hours as influencing factors， an evaluation model of rice climate suitability in Xingan League on a daily scale was constructed. First， the parameters of rice temperature and sunshine climate suitability function were revised according to the actual situation of Xingan League， and then the weight coefficients of temperature and sunshine were determined by entropy weight method. Finally， the model was used to calculate the daily climate suitability of rice from transplanting to maturity over the years in Horqin Right Front Banner， and the whole growth period climate suitability were calculated. The correlation analysis between the comprehensive climate suitability of the whole growth period and the meteorological yield of rice over the years shows that they are significantly positive correlation， and the grade correlation is at the 0.05 confidence level. These shows that the model can better reflect the impact of meteorological conditions on rice growth in Xingan League， and can be used to evaluate the climate suitability of rice growth in Xingan League.

Key words： Rice; Climate suitability model; Entropy weight method; Xingan League

興安盟位于內蒙古東北部大興安嶺南麓生態圈，地處黑龍江、吉林、內蒙古三省區交界處的“中國稻米金三角”，屬于北緯46度“寒地水稻黃金帶”。興安盟水稻種植廣泛，是內蒙古重要的稻米生產基地。隨著農業和農村經濟的發展，傳統的農業氣象服務內容，已經不能適應新農村建設的需要。面對新的形勢需開展更科學、更定量化的農業氣象服務，為農業生產提供更有力的氣象保障。

氣候適宜度是綜合反映光、溫、水等氣象條件對作物生長發育的適宜程度[1]。近年來國內學者對氣候適宜度進行了大量研究，研究對象從以往的玉米[2-7]、小麥[8，9]、水稻[10-15]等大田作物，逐漸延伸到茶葉、烤煙等特色作物[16，17]。研究的時間尺度也從生育期、旬逐漸細化到日尺度。相關成果也被廣泛應用到農作物生長評價、生育期預報、作物產量年景預測等方面。但是不同作物在同一地區以及同種作物在不同地區的種植方式以及適宜程度都是不同的，在實際應用中需結合當地的氣候特點和生產情況進行本地化。本文結合興安盟水稻生產實際，對已有的氣候適宜度模型的參數進行修訂和改進，構建了基于日尺度的興安盟水稻氣候適宜度評價模型及指標。

1? 資料與方法

1.1? 資料來源

興安盟水稻主要種植區域位于東北部，因此本研究采用科右前旗氣象局農業氣象觀測站2010年～2022年的水稻生育期觀測數據以及同期的日平均氣溫、日照時數、水稻觀測地段產量數據為主要分析資料，并以扎賚特旗氣象局和烏蘭浩特市氣象局2017年～2021年的水稻生長對比觀測試驗數據為補充（主要用于氣候適宜度函數中相關參數的確定），以此構建興安盟水稻氣候適宜度評價模型。

1.2? 氣象產量提取

作物產量不僅與氣象因子有關，還與社會經濟發展、品種更新等有關。因此，在長時間序列的作物產量與氣象因子關系的研究中，一般把作物產量分解為趨勢產量、氣象產量和隨機誤差[18]。隨機誤差因其基本無規律可循，故不計入方程中。因此，作物產量構成常表示為：

式中Yt為趨勢產量，Yw為氣象產量。氣象產量是指受氣象因子變化影響的產量分量，為了估算這部分產量，需要從產量序列中提取出趨勢產量。目前較常用的趨勢產量模擬方法為滑動平均法，本文采用該方法提取歷年水稻的趨勢產量。

1.3? 熵權法

本文采用熵權法確定相關氣象要素及生育期權重。作為一種客觀賦權法，熵權法的基本思路是根據指標變異性的大小來確定權重。若某個指標的信息熵越小，表明指標的差異程度越大，提供給決策者的信息量就越多，在綜合評價中的權重也就越大。反之，其權重也就越小[19]。首先，根據信息論中信息熵的定義，計算相關指標的信息熵（式2），其次，通過信息熵計算各指標的權重（式3）。

式（2）中? ? ? ? ? ，如果pij =0，則定義? ? ? ? ? ? ?，Ej為第j個指標的信息熵，n為第j個指標的樣本數。式（3）中Wi為第i個指標的權重，k為指標總數。

2? 模型建立及檢驗

2.1? 模型建立

興安盟水稻實行棚內育秧，適期移栽的種植模式。播種至移栽期間受外界氣象條件的影響較小，同時興安盟水稻移栽后的水分需求以灌溉為主，采用淺濕干交替的人為調控方式。因此，本文主要研究水稻移栽后溫度和日照對其生長的影響。根據興安盟水稻生長觀測實際，文中將生育期分為移栽-返青期、返青-分蘗期、分蘗-拔節期、拔節-抽穗期、抽穗-乳熟期和乳熟-成熟期，共6個生育階段。然后以歷年各生育期期間的日氣象要素為基礎，建立興安盟水稻日溫度適宜度函數和日照適宜度函數。

2.1.1? 溫度適宜度函數? 根據前人的研究[20]，并結合興安盟水稻生產實際，確定溫度適宜度函數如下：

其中，ti為某日平均氣溫，t0，tl，th分別為水稻某日所需的最適溫度、下限溫度和上限溫度。文中水稻各生育期所需三基點溫度參考了相關文獻[11]，并結合興安盟實際進行了訂正，具體取值見表1。然后采用多項式擬合的方法，計算出水稻移栽至成熟逐日最適溫度、下限溫度和上限溫度。

2.1.2? 日照適宜度函數? 研究表明[21]，當日照時數達到可照時數的70%以上時，作物對光照的反應處于最適狀態，相應日照適宜度函數為：

F（s）i為日日照適宜度函數，S為某日實際日照時數，S0為當日可照時數的70%，其計算公式如（6）所示。b為常數，其參考取值見表1。

上式中Φ為地理緯度，δ為赤緯，γ為蒙氣差，t為時角。

2.1.3? 日綜合氣候適宜度模型? 水稻每日的綜合氣候適宜度是氣溫、水分和日照等氣象要素綜合作用的結果。由于水分以灌溉為主，因此認為水稻生長過程中水分條件一直是適宜的，文中主要考慮氣溫和日照的影響。為客觀反映不同氣象因子對水稻生長發育的影響程度，以科右前旗歷年水稻溫度適宜度和日照適宜度序列為基礎，采用熵權法計算得出氣溫和日照的權重系數。由此得出水稻日綜合氣候適宜度公式如下：

F（c）i為水稻某日綜合氣候適宜度，F（t）i、F（s）i分別為該日溫度適宜度和日照適宜度。a、b為相應權重系數，經計算a為0.24，b為0.76。

2.1.4? 全生育期綜合氣候適宜度模型? 由于不同生育期對水稻生長及產量的影響程度不同，文中將各生育期的綜合氣候適宜度加權求和，得出水稻全生育期的綜合氣候適宜度。

F（c）為水稻當年全生育期綜合氣候適宜度，F（ci）為該年某生育期綜合氣候適宜度，Ki為各生育期權重系數，采用熵權法確定，具體權重值見表2，n為全生育期包含的生育期數目，本文中為6。

2.2? 模型的檢驗

2.2.1? 檢驗方法? 為了檢驗所構建的氣候適宜度模型，能否客觀地評價氣象條件對水稻生長的影響。本文利用科右前旗農業氣象觀測站的氣象資料和水稻生育期觀測資料，計算了2010年～2022年水稻移栽至成熟期間的全生育期綜合氣候適宜度，然后將歷年全生育期綜合氣候適宜度與對應年份的氣象產量做相關性分析，如果二者相關性較高，則表明模型能夠較好地反映出氣象條件對水稻生長狀況的影響。

2.2.2? 檢驗結果? 本文對科右前旗2010年～2022年的全生育期綜合氣候適宜度與相應年份的氣象產量進行相關性分析，同時，計算了二者的秩相關系數（表3），結果表明水稻氣象產量與綜合氣候適宜度顯著正相關，且在0.05置信水平上等級相關。表明該模型能夠較好地反映出興安盟氣象條件對水稻生長狀況的影響，可以用來評價興安盟水稻生長的氣候適宜度情況。

2.3? 氣候適宜度評價指標

本文參考前人的研究結果[4]，采用數學統計方法對科右前旗農業氣象觀測站2010年～2022年的逐日氣候適宜度由低到高進行排序，得到13個水稻氣候適宜度序列，即S1，S2......S13。分別將日氣候適宜度序列中的S3（前20%），S7（中值）和S11（后20%）作為不適宜、較適宜和適宜的評價指標。

由圖1可以看出，在水稻移栽至拔節期間“不適宜”指標變化幅度較大，“較適宜”和“適宜”指標變化較為平緩，此時正值春末夏初，興安盟氣溫變化較為頻繁，不適宜的氣象條件出現較多，對移栽后水稻正常生長影響較大;拔節至抽穗期（移栽后50～75 d），“不適宜”和“適宜”指標變化較小，分別在0.0～0.3和0.9～1.0之間變化，表明此階段的氣象條件較利于水稻的正常生長;抽穗至成熟期（移栽后76～112 d）“不適宜”指標波動較大，在0.0～0.5之間變化，“較適宜”指標在0.6～0.8，“適宜”指標在0.8～1.0（表4），說明此期間，興安盟的整體氣象條件較利于水稻的灌漿成熟，但是入秋后氣溫開始下降，個別年份會出現氣溫較低，不適宜水稻成熟的情況。

3? 結論與討論

3.1? 結論

氣象條件對農作物生長的適宜程度是個模糊的概念，適宜用模糊數學函數來表達。由于興安盟地區水稻生產過程中的水分條件，主要采用淺濕干交替的人工控制模式，在水稻生長過程中水分條件都是適宜的。因此，本文在前人研究的基礎上，綜合考慮了氣溫和日照對興安盟水稻生長的影響，建立了基于日尺度的興安盟水稻綜合氣候適宜度評價模型。首先，通過查閱文獻，并結合興安盟歷年水稻觀測數據，確定了興安盟水稻主要生育期的三基點溫度，并對日照適宜度函數的參數進行了確定;其次，通過模糊隸屬函數建立了水稻溫度適宜度函數和日照適宜度函數，并采用熵權法確定了二者的權重系數，在此基礎上構建了興安盟水稻日綜合氣候適宜度評價模型和水稻全生育期綜合氣候適宜度評價模型。經檢驗，模型計算結果與水稻氣象產量的相關性較高，表明該模型能夠較好地反映出興安盟氣象條件對水稻生長狀況的影響，可以用來評價興安盟水稻生長的氣候適宜度情況;最后，采用數學統計方法，建立了興安盟水稻綜合氣候適宜度評價指標。

3.2? 討論

農業氣象服務中需要評價氣象條件對農作物生長的影響，以往的評價多以定性分析為主。隨著氣象現代化的不斷推進，對農業氣象工作提出了更高的要求。近幾年多地針對當地特色農作物開展了氣候適宜性方面的研究，以更定量化地分析氣象條件對農作物生長的影響，開展更科學的農業氣象服務。

興安盟是內蒙古自治區稻米的主產區，隨著稻米品牌的不斷升級，各旗縣水稻種植面積趨于增加，但當地針對水稻的氣象服務基本空白，很多農業氣象問題沒有解決。因此，本文采用氣候適宜度方法，較深入地研究了氣象條件對興安盟水稻生長發育的影響，以期為當地合理安排水稻生產和發展水稻種植業提供一定依據。但是，農作物的生長不僅受氣象條件影響，還受品種、種植方式等的影響。因此，有必要進一步結合品種類型、栽培技術等因素開展更準確、更精細化的研究。

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基金項目：內蒙古氣象局引導性創新項目（nmqxydcx202208）。

收稿日期：2023-02-02

作者簡介：高紅霞（1982-），高級工程師，碩士，主要從事農業氣象與生態監測方面的研究工作。