豫南地區油菜花期預報方法研究

莊若南

（1.信陽市茶葉氣象重點實驗室，河南 信陽 464000；2.信陽市氣象局，河南 信陽 464000）

0 引言

近年來，隨著人民生活水平和精神需求的不斷提高，賞花旅游已成為人們外出旅游的主要方式之一。“牡丹花節”“櫻花節”“油菜花節”等賞花節的舉辦日期與植物實際開花日期密切相關［1］。油菜花期又分為開花始期、普遍期、盛期和末期，游客在開花盛期前往觀賞的效果最佳［2］。如果賞花節的舉辦時間較植物實際開花日期偏早或偏晚，游客的觀賞感受也將有所下降［3］。

國外學者關于植物花期模擬和花期預測技術開展了大量的研究，主要包括：一是氣候變化對植物花期的影響。在全球氣候變暖的影響下，最近20 a來，幾乎全部林木和農作物3—5月的發育期均有不同程度的提前［4］。在歐洲［5］、美國［6-7］和加拿大［8］，木本及農作物的春季物候期均提前了3~28 d；在日本，城市熱島效應會導致櫻花開花期提前了1~8 d［9］。二是植物花期與氣候要素的關系。根據物候學可知，光、溫、水等是影響植物開花期早、晚的主要氣候因子，氣溫是主導因子，降水量、空氣相對濕度、光照強度和日照時數等對植物花期亦有影響［10-11］。三是植物花期的預測技術。如Morin等［12］預測了北美地區22種木本植物展葉始期在未來100 a間的變化情況。Ge等［13］發現在1952—2007年間有20種中國落葉闊葉林的始葉期平均提前了1.14 d/10 a。Hur等［14］利用全球和區域氣候模式的季節預報，預測了1999—2008年間韓國的櫻花、桃和梨的初花期。Chung等［15］應用溫帶落葉喬木物候模型，預測了華盛頓特區潮汐盆地和周邊的大西洋中部各州櫻花樹（染井吉野、關山櫻）的盛花期。

上述研究均為針對特定研究區域建立的油菜花期預報模型，但對非研究區域的油菜花期預報并不適用。目前，針對豫南地區油菜花期預報技術的研究仍處于空白。信陽作為河南省的油菜主產區，常年種植面積13.3萬hm2左右，因此，開展豫南地區油菜開花期預報模型研究，找到適合本地的油菜花期預報方法，不僅能為政府相關部門制定決策提供科學依據，以及為油菜花節舉辦日期的確定提供決策依據［18-19］，而且還可以更好地推動鄉村振興，促進油菜花節旅游資源的開發和利用，由此帶動當地旅游經濟，進而促進當地經濟社會的發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

信陽市位于河南省南部，為亞熱帶向暖溫帶過渡區域，同時具有亞熱帶氣候和暖溫帶氣候的部分特點，該地區季風氣候顯著，年平均溫度15.2~15.6℃，≥10 ℃活動積溫為4900~5200 ℃·d，年平均降水量為900~1300 mm，光、熱、水資源匹配較為合理，且綜合利用率高，區域內適合多種作物生長，油菜種植面積較大，約占河南省油菜面積的50%［20］。

1.2 資料來源

油菜的生育期資料主要來源于信陽市氣象局和信陽市農業農村局，包括2010—2020年的油菜抽薹始期、開花始期、開花普遍期、開花盛期等生育期資料；氣象資料為油菜觀測站點的逐日平均氣溫資料，來自信陽市國家自動觀測氣象站(114°2′36″E、32°8′14″N)，時間序列為抽薹始期至開花盛期。利用2021—2022年信陽農業氣象試驗站觀測的油菜生育期資料、逐日平均氣溫觀測值進行預報效果檢驗。預報資料來自信陽市氣象臺逐日1~7 d或1~15 d的氣溫預報，并通過每日2次定時(02:00和14:00)氣溫預報的平均值來計算日平均氣溫。

1.3 研究方法

統計2010—2020年信陽市油菜逐年的生育期，包括抽薹內的各發育時段(始期、普遍期)、開花內的各發育時段(始期、普遍期、盛期)的日期，并求出各生育期的年平均日期。利用日平均氣溫計算抽薹始期至開花內各發育時段(始期、普遍期、盛期)、開花始期至開花內各發育時段(普遍期、盛期)的逐年有效積溫，將計算得到的逐年有效積溫進行求和與求平均值，得到各發育階段的年平均有效積溫，并將其作為預報指標，分別計算≥0、≥5、≥10 ℃的累積有效積溫，計算公式為：

式（1）中，T為累積有效積溫(℃·d)，Ti為日平均氣溫(℃)；t為有效積溫計算的下限溫度，取0、5、10 ℃，n為天數。

以站點實際觀測的油菜抽薹始期和開花始期日期為基準，逐日計算實況日(實測抽薹始期或開花始期)至預報日的積溫，再疊加預報日至未來15 d的積溫，當積溫達到或超過花期某發育時段(如始期、普遍期、盛期)的指標時，當日即為相應花期(始期、普遍期、盛期)的日期；若積溫未達到相應的指標，則暫不考慮開花。

選取2021—2022年信陽市油菜開花各發育時段(始期、普遍期、盛期)開展逐日預報檢驗，對比下限溫度分別為0、5、10 ℃預報指標的預測效果。為區分油菜花期模型存在的誤差與預報數據誤差，利用2021—2022年油菜抽薹始期至開花盛期期間的實測日平均氣溫再次對模型進行檢驗，對比2次檢驗的結果，得出最適宜的預報指標。

2 結果與分析

2.1 豫南地區油菜花期的特征

對2010—2020年信陽市農試站觀測的油菜各年發育期時間進行統計，去除站點異常或缺失的數據，得到信陽市油菜抽薹至開花期發育期間隔日數并計算得到各時段的日期（表1、表2）。通過分析近10 a豫南地區油菜抽薹至開花各時段發育期間隔平均值和平均發育日期，由此可知：油菜在3月2日開始陸續抽薹，2.9 d后達到抽薹普遍期；抽薹普遍期至開花始期經歷時間最長，為16.3 d；3月21日進入始花期，開花始期與普遍期間隔時間3.0 d，開花7.6 d后達到開花盛期。

兩組治療前神經功能評分比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；觀察組治療后神經功能缺損評分低于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。

表1 2010—2020年豫南地區油菜抽薹至開花期間各發育期間隔日數 d

表2 2010—2020年豫南地區油菜抽薹至開花期各時段日期 月/日

各發育期間隔日數最大與最小之間相差4~17 d，其中，抽薹普遍期—開花始期之間的最大間隔為29 d，最小間隔為12 d，兩者相差17 d。各發育期最早與最晚日期之間相差21~41 d，其中，最早抽薹始期在2月2日，最晚在3月14日，相差41 d；最早開花始期在3月8日，最晚在3月30日，相差22 d；開花盛期最早在3月16日，最晚在4月6日，相差21 d。

2.2 豫南地區油菜各發育階段積溫分析

計算2010—2020年信陽市油菜逐年在抽薹、開花各發育期時段內≥0、≥5、≥10 ℃積溫，并分別求出≥0、≥5、≥10 ℃的積溫在各發育時段內的年平均值(表3)。由豫南地區油菜在各發育階段的年平均積溫可知，油菜抽薹始期至開花盛期生長發育所需的積溫最高(≥0 ℃)可達到310.3 ℃·d，開花始期至開花普遍期所需要的積溫最少(≥0℃)只有39.2 ℃·d。從不同下限溫度計算的豫南地區2010—2020年年平均積溫來看，≥0、≥5、≥10℃的積溫情況整體相似，但≥0 ℃的積溫最高，≥5 ℃的積溫次之。如從抽薹始期至開花盛期階段，所需≥0 ℃的積溫為310.3 ℃·d、≥5 ℃的積溫為180.8 ℃·d、≥10 ℃的積溫僅需72.1 ℃·d。

表3 2010—2020年豫南地區油菜發育時段 ≥0、≥5、≥10 ℃年平均積溫 ℃·d

2.3 豫南地區油菜花期預報方法的建立

利用2.2中得到的抽薹始期至開花內各發育階段(始期、普遍期、盛期)、開花始期至開花內各發育階段(普遍期、盛期)的年平均積溫作為油菜花期預報指標，根據油菜發育實際情況獲取油菜抽薹始期和開花始期，再通過實測氣溫數據計算從抽薹始期、開花始期至當前預報日的實況積溫，再累加1~15 d中期預報的平均氣溫求出總的積溫，判斷其是否達到開花(始期、普遍期、盛期)指標，從而確定從抽薹始期至開花各發育期、開花始期至開花各發育期的日期，綜合2種預報結果后確定預報的油菜開花發育期的具體日期。

油菜開花期預報模型：

式（2）中，M為實際與模型的積溫之差；T為模型指標；t分別取0、5和10 ℃。具體預報指標如表4所示。

表4 豫南地區油菜開花期預報模型指標 ℃·d

預報模型建立之后，從油菜抽薹始期開始，每天定時更新發育期實況、氣溫實況、氣溫預報數據，計算M值，當M值累加到大于0時，所對應的日期即為預報的相應油菜發育日期。

2.4 利用預報氣溫值進行預報與檢驗

利用上述油菜花期預報方法，選取≥0 ℃的積溫指標，對2021年3月1—15日信陽市油菜開花發育期(始期、普遍期、盛期)開展逐日預報。將實際觀測的發育期與每日預報的發育期日期進行對比分析，部分檢驗日預報的效果見圖1。結果顯示，總體預報效果較好，逐日預報結果都與實際發育期日相差±4 d之內，從抽薹始期開始預測的開花各發育期與實況相比提前了1~4 d；從開花始期開始預測的開花各發育期與實況相比發育期推遲1~2 d。

圖1 2021年3月1—15日采用≥0 ℃積溫指標預報開花各發育期與實際日期檢驗對比

采用≥10 ℃積溫指標對2021年3月1—15日信陽地區油菜開花發育期(始期、普遍期、盛期)進行預報，并將實際觀測的發育期與每日預報的發育期日期進行對比分析，部分檢驗日預報的效果如圖2所示。結果發現，預報的開花各發育期結果與實況相差較大，最大誤差可達-12 d，且在開花各發育期實測日期已經出現時，部分預報指標仍未達到。由此可知，≥10 ℃積溫指標誤差較大，因而不能實際運用于豫南地區油菜花期預報中。

圖2 2021年3月1—15日采用≥10 ℃積溫指標預報開花各發育期與實際日期檢驗對比

采用≥5 ℃積溫指標對2021年3月1—15日信陽地區油菜開花發育期(始期、普遍期、盛期)進行預報，并將實際觀測的發育期與每日預報的發育期日期進行對比分析，部分檢驗日預報的效果如圖3所示。結果發現，大部分預報結論與實際發育期相比均有不同程度的提前，預報日期比實際日期延后的相對較少。從抽薹始期開始預報的開花始期較≥0 ℃積溫指標預報效果相差不大；從抽薹始期開始預報的開花普遍期和開花盛期以及從開花始期開始預報的開花普遍期誤差較小，最大誤差為2 d，比采用≥0 ℃積溫指標預測的效果好；從開花始期開始預測的開花盛期誤差較≥0 ℃積溫指標預報的大。整體來看，若需從開花始期預報開花盛期使用≥0 ℃積溫指標預報結果較好，其他則使用≥5 ℃積溫指標預測誤差較小。

圖3 2021年3月1—15日采用≥5 ℃積溫指標預報開花各發育期與實際日期檢驗對比

采用≥0、≥5、≥10 ℃積溫指標分別對2022年3月1—15日信陽地區油菜開花發育期(始期、普遍期、盛期)逐日進行預報，逐日對比開花各發育期預報和實況，結果發現，2022與2021年的預報結論整體相似。

2.5 利用實測氣溫值進行預報與檢驗

為區分油菜花期模型存在的誤差與預報數據誤差，利用2021—2022年抽薹始期至開花盛期的實測日平均氣溫再次對模型進行檢驗，2021年預報的效果如圖4所示。結果發現，≥10 ℃的積溫指標預報結果與實測發育期日期相差較大，故不再進行分析；≥5 ℃積溫指標在從抽薹始期開始預測開花普遍期時的預報效果較好；≥0 ℃積溫指標在從開花始期預測開花盛期時的預報效果較好，其他發育時段的預報效果基本一致。

圖4 2021年采用≥0、≥5 ℃積溫指標預報開花各發育期與實際日期檢驗對比

2022年預報效果如圖5所示。結果發現，≥5℃積溫指標在從抽薹始期開始預測開花始期時預報效果較好，≥0 ℃積溫指標在從開花始期預測開花盛期時的預報效果較好，其他發育時段的預報效果基本一致。對比2021年與2022年檢驗結果可知，≥0 ℃積溫指標在從開花始期預測開花盛期時預報效果較好，這與前期采用預報氣溫值檢驗時得出的結論一致，其他發育階段≥0 ℃與≥5 ℃積溫指標的預測結果基本一致，這與前期采用預報氣溫值檢驗時的結論不同。除從開花始期預測開花盛期外，采用預報氣溫值檢驗時有一定的誤差，導致≥5 ℃積溫指標的預報效果好于≥0 ℃。總的來看，排除氣溫預報存在的誤差，采用≥0 ℃積溫指標預報效果優于≥5、≥10 ℃。

圖5 2022年采用≥0、≥5 ℃積溫指標預報開花各發育期與實際日期檢驗對比

3 結論與討論

近10 a來，豫南地區油菜平均在3月2日開始陸續抽薹，2.9 d后達到抽薹普遍期，抽薹普遍期至開花始期經歷時間最長，為16.3 d；3月21日進入始花期，開花始期與普遍期間隔時間3.0 d，開花7.6 d后可達到開花盛期。各發育期的最早與最晚日期之間相差21~41 d，間隔日數的最大與最小之間相差4~17 d。

豫南地區油菜抽薹始期至開花盛期所需的積溫最高(≥0 ℃)可達到310.3 ℃·d，開花始期至開花普遍期所需要的積溫最少(≥0 ℃)只有39.2℃·d。3種指標的年平均積溫情況整體相似，但≥0、≥5、≥10 ℃的積溫依次降低。

通過2021—2022年春季部分時段花期預報結果檢驗看出，本文建立的預報模型的總體預報效果較好。其中，大部分預報結論與實際發育期相比均有不同程度的提前，預報結論比實際日期延后的相對較少。整體來看，≥10 ℃積溫指標預報結果與實測發育期的日期相差較大。排除氣溫預報存在的誤差，采用≥0 ℃積溫指標的預報效果比采用≥5、≥10 ℃積溫指標的好。由于農作物生育期資料不完整，預報和檢驗站點數量不多，且油菜花期的早晚還與日照、降水等氣象因子有關，但本預報方法未考慮其他氣象因子的影響，所以預報結果與實際相比可能存在一定的差異。