麥收期連陰雨對信陽市小麥籽粒品質和產量影響分析

莊若南, 李雨農, 張占魁, 楊慧潔

(1.信陽市茶葉氣象重點實驗室,河南 信陽 464000; 2.信陽市農業氣象試驗站,河南 信陽 464100; 3.信陽市氣象臺,河南 信陽 464000)

引 言

IPCC第6次評估報告指出,氣候變化背景下極端高溫、干旱和洪水等氣候影響驅動因素(climate impact drivers,CIDs)的發生強度和頻率增加,加劇了糧食生產的不安全[1]。連陰雨是極端天氣的典型表現形式,常伴有低溫、寡照、漬澇等。頻繁的連陰雨天氣不僅影響著小麥的播種與生殖過程,還影響小麥的收割、晾曬及儲運,引發小麥倒伏、籽粒脫落、發芽、霉變等現象,導致糧食生產的豐產不豐收的局面[2]。信陽地處亞熱帶和暖溫帶過渡地帶,對氣候變化的響應較為敏感[3]。冬小麥是信陽地區的主要糧食作物之一,其成熟期與雨季開始期高度契合,連陰雨是除干旱外信陽地區農業氣象災害中的首要災害性天氣[4]。由于陰雨天氣導致小麥不能及時收獲或無法及時晾曬而引起籽粒發芽霉變,對小麥產量和品質造成了嚴重的影響[5-6]。

目前針對連陰雨對作物影響的研究主要有以下兩個方面:一是側重于研究作物生長發育關鍵階段連陰雨的災害影響[7-10]。李德等[7]采用主成分分析法構建連陰雨綜合致災因子,建立冬小麥灌漿期連陰雨災害綜合風險指數,對安徽淮北平原冬小麥灌漿期間的連陰雨災害風險進行了劃分。二是側重于研究連陰雨形成原因、氣候背景、時空分布變化特征等方面[11-15]。杜明哲等[16]利用統計分析、神經網絡技術,分析了河南區域秋季連陰雨的時空分布特征。

大量研究證明,小麥籽粒發芽是遺傳、生理和環境共同作用的結果[17-22]。小麥成熟階段降水與其籽粒發芽霉變有必然聯系,其他階段的氣象條件相對影響較小。高劍波等[22]認為小麥收獲階段遇連陰雨天氣,就可能導致籽粒發芽的出現,并且成熟度越高,陰雨持續時間越長,田間濕度越大,籽粒發芽就越嚴重。李林繁[17]認為小麥成熟期只要溫度和濕度達到了一定的條件,就會引發穗發芽。張彥波等[19]認為影響穗發芽的環境因素有光照、溫度和水分。

信陽地區關于連陰雨對冬小麥的影響主要以分析小麥品種、遺傳特性為主,涉及連陰雨對小麥籽粒發芽霉變的研究較少。據河南省近34年的統計,由連陰雨導致的小麥發芽霉變幾乎每年都有不同程度的發生,且呈現加重趨勢,尤其在豫南小麥地區,大面積發芽霉變發生達三年一遇[18,23-25]。因此,研究信陽地區小麥收獲期連陰雨對籽粒發芽霉變的影響具有重要的現實意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

信陽位于河南省最南部,地處113°45′-115°55′E、30°23′-32°27′N,跨我國地理氣候分界線,南部為北亞熱帶季風性濕潤氣候,北部為暖溫帶季風性半濕潤氣候(圖1)。四季分明,夏季濕熱,冬季干冷,春秋涼爽,降水豐沛,雨熱同期。信陽年平均氣溫為15.9 ℃,年降水量為1079.3 mm,年日照時數為1779.5 h,極端最高氣溫為41.7 ℃,極端最低氣溫為-21.4 ℃。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,常年種植冬小麥面積為31.1 萬hm2左右,約占河南省冬小麥種植面積的6%。

圖1 研究區概況圖

1.2 資料來源

小麥的生育期資料來源于信陽市氣象局和信陽市農業農村局,包括1981-2023年的小麥成熟收獲期生育期資料;小麥的產量數據主要來自信陽市統計局,包括1990年、1991年、2012年、2013年、2022年和2023年小麥單產數據;小麥籽粒發芽霉變數據源于河南優質小麥品質氣象預報聯合試驗,由信陽農業氣象試驗站于2023年5月31日測定,其中播期2為正常播期,揚麥15為信陽本地主栽品種,相鄰播期間隔10天。

氣象資料為小麥觀測站點1961-2022年的逐日降水量資料,信陽市2023年5月26-30日MICAPS資料,地面觀測資料來自信陽市各縣區國家自動觀測氣象站,時間序列為1961-2023年的5月中旬至6月上旬。

1.3 研究方法

根據信陽市實際情況,定義一次麥收期連陰雨過程為連續陰雨日≥5 d(日降水量≥0.1 mm)且過程累計降水量≥50 mm,其中允許有1 d無降水(或有微量降水)但日照時數須≤2 h[12,25]。

(1)根據麥收期連陰雨指標,得出1961-2022年信陽市麥收期連陰雨的發生年份、發生日期、持續天數和累計雨量,分析62年信陽市小麥麥收期連陰雨氣象災害發生特征。

(2)利用2023年5月26-30日信陽市9個國家氣象站的觀測資料與MICAPS資料,分析了2023年信陽市麥收期連陰雨過程。

(3)根據2023年信陽市麥收期連陰雨期間的逐日降水量、日平均日照時數和日平均空氣相對濕度等氣象觀測要素,分析2023年信陽市麥收期連陰雨對小麥籽粒發芽霉變的影響。

(4)結合信陽市62年不同時段連陰雨對小麥產量影響、小麥發芽霉變率和小麥產量增減情況等,分析總結麥收期連陰雨對小麥產量品質的影響規律。

2 結果與分析

2.1 信陽市1961-2022年麥收期連陰雨發生特征

選取1961-2022年信陽市國家氣象觀測站日降水量氣象資料,去除站點異常或缺失的數據,以信陽市小麥常年成熟收獲時段5月11日至6月10日為標準,按照麥收期連陰雨指標進行分析,得到信陽市62年麥收期連陰雨分布特征,具體結果見表1。通過分析信陽市1961-2022年麥收期連陰雨發生年份可知,1961-2022年信陽地區共發生麥收期連陰雨11次,發生頻率為1.8 次/(10年)。其中,1961-1970年發生2次,1971-1980年發生3次,1981-1990年發生2次,1991-2000年發生2次,2001-2010年發生1次,2011-2022年發生1次,信陽地區麥收期連陰雨在21世紀后發生頻率減小。通過分析信陽市1961-2022年麥收期連陰雨發生日期可知,5月中旬共發生3次,5月中旬到5月下旬發生2次,5月下旬發生4次,5月下旬到6月上旬發生2次,6月上旬發生 0 次。由此可見,信陽地區麥收期連陰雨在5月下旬發生的概率最大,占總發生次數的36%,6月上旬發生的概率最小。通過分析信陽市1961-2022年麥收期連陰雨持續天數和過程累計降水量可知,信陽地區麥收期連陰雨持續天數為5～8 d,平均持續天數為6 d,累計降水量為70.6～132.2 mm,平均過程累計降水量為100.1 mm。

表1 信陽市1961-2022年麥收期連陰雨分布特征

2.2 信陽市2023年麥收期連陰雨氣象條件分析

2.2.1 信陽市2023年麥收期連陰雨天氣過程變化

信陽市2023年麥收期連陰雨出現在5月26-30日,過程持續時間共5 d,降水覆蓋全市,為一次明顯的區域性連陰雨。過程最大降水量為商城縣黃柏山的139.3 mm,降水分布如圖2,各縣(區)國家氣象站降水實況分析見表2。由表2可知,此次過程從5月26日開始,持續至5月30日,中間有一天間歇。過程以小到中雨為主,局部有大到暴雨。降水量分布呈南北大、東西小,全市平均降水量為40.3 mm,是常年同期的(16.5 mm)2倍以上。各縣區雨日4～5 d,除光山、新縣外,其他縣區均為1961年以來同期最多。

表2 2023年5月26-30日各縣(區)國家氣象站降水實況

圖2 2023年5月25日20時—30日20時信陽市降水實況圖

2.2.2 環流形勢及影響系統分析

2023年5月26日08:00,200 hPa上信陽位于副熱帶西風急流右側上升輻散區,南亞高壓穩定維持;500 hPa 40°N以北地區呈現兩槽一脊的環流特征,西北太平洋副熱帶高壓呈東西帶狀,菲律賓以東洋面有一臺風生成,四川盆地至內蒙古有一低槽,信陽上空為槽前西南氣流控制。中低層有西南急流和切變線,其中700 hPa西南急流中心風速為16 m/s,信陽位于急流出口區,比濕為9 g/kg以上,四川盆地至豫西山區有一切變線。850 hPa西南急流中心風速為20 m/s,信陽位于切變線北側,比濕為15 g/kg。26-29日南亞高壓穩定維持,臺風先西折后北上迫使副高北推,低槽東移加深,同時中低層西南急流北伸,切變線逐漸逼近并影響信陽;30日20:00后低槽和切變線移出,信陽受槽后西北氣流控制,連陰雨過程結束(圖3)。

圖3 2023年5月26日200 hPa(a)、500 hPa(b)高度場和風場及700 hPa(c)、850 hPa(d)高度場、風場和比濕高度單位:10-1dagpm,風速單位:m/s,比濕單位:g/kg

綜上所述,此次連陰雨過程為北脊南槽型連陰雨過程:中高緯度維持兩槽一脊特征,脊在烏拉爾山與貝加爾湖之間,咸海、里海一帶為低槽或冷渦,遠東地區到朝鮮為平底槽,南亞高壓穩定維持,四川盆地東側低槽東移加強。信陽受槽前西南氣流控制,700 hPa和850 hPa的低空急流和切變線持續影響至30日白天。穩定的環流形式配合低層持續的天氣系統是導致連陰雨天氣持續時間長、雨量大的主要原因。

2.3 信陽市2023年麥收期連陰雨對小麥籽粒發芽霉變的影響

2023年5月下旬,信陽市遭遇大范圍連陰雨天氣過程,降水與當地小麥成熟收獲期高度重合。根據農情調度顯示,受降水影響,5月31日前小麥收獲基本停滯。降水結束后,6月1日為收獲高峰期,6月3日收獲完畢。此次連陰雨過程持續時間長,累計降水量大,日照時數嚴重偏少,相對濕度嚴重偏高,對信陽小麥產量及品質造成了嚴重影響,經調查信陽農業氣象試驗站試驗田小麥籽粒發芽霉變情況見表3。

表3 信陽農業氣象試驗站試驗田小麥籽粒發芽霉變情況調查

就霉變率而言,揚麥15與新麥26的霉變率隨著播期推遲整體呈現出增長的趨勢。新麥26霉變率在播期4達到最大值,且與播期1、播期2、播期3有顯著差異;揚麥15霉變率在播期2達到最大值,且與播期1有顯著差異,播期3、播期4與播期1之間差異不顯著。除播期4揚麥15的霉變率小于新麥26的外,播期1、播期2、播期3揚麥15的霉變率均高于新麥的。

就發芽率而言,新麥26各個播期間發芽率接近,且不顯著;揚麥15發芽率隨著播期推遲整體呈現出遞減的趨勢,揚麥15發芽率在播期2達到最大,與播期3有顯著差異,與播期1、播期4無顯著差異,播期3與播期4有顯著差異,與播期1無顯著差異。新麥26各個播期的發芽率均高于揚麥15的。

2.4 不同時段連陰雨對小麥產量的影響

1991年5月21-26日和5月28日-6月4日信陽地區出現麥收期連陰雨天氣,降水日數分別為6 d和8 d,累計降水量分別為104.4 mm和93.7 mm。將2023年與1991年連陰雨典型年份對比可知,1991年5月下旬和6月上旬麥收期連陰雨降水量和范圍均大于2023年的,2023年6月上旬信陽地區天氣好轉,但1991年連陰雨持續到6月4日且基本覆蓋收獲期,導致小麥嚴重減產且品質下降,單產較1990年下降50.85%。

2013年5月25-30日信陽地區出現麥收期連陰雨天氣,持續降水天數為6 d,累計降水量為121.3 mm。將2023年與2013年連陰雨典型年份對比可知,2013年降水量級和范圍均大于2023年的,2013年陰雨日數比2023年多1 d,但明顯少于1991年的,并且2013年小麥成熟期偏晚,陰雨時段與小麥成熟收獲期重疊度較小,但仍造成減產,單產較2012年的下降1.68%。

3 結論與討論

3.1 結 論

(1)1961-2022年信陽地區共發生麥收期連陰雨11次,發生頻率為1.8次/(10年)。連陰雨在21世紀后發生頻率減小。信陽地區麥收期連陰雨在5月下旬發生的概率最大,占總發生次數的36%,6月上旬發生的概率最小。連陰雨持續天數為5～8 d,平均持續天數為6 d;累計降水量為70.6～132.2 mm,平均過程累計降水量為100.1 mm。

(2)2023年信陽市連陰雨天氣過程為北脊南槽型連陰雨過程:中高緯度維持兩槽一脊特征,脊在烏拉爾山與貝加爾湖之間,咸海、里海一帶為低槽或冷渦,遠東地區到朝鮮為平底槽,南亞高壓穩定維持,四川盆地東側低槽東移加強。在穩定的環流形式,持續的低槽、低空急流及切變線等系統共同作用下,導致連陰雨天氣持續時間長、過程雨量大。

(3)2023年信陽市連陰雨過程持續時間長,累計降水量大,日照時數嚴重偏少,相對濕度嚴重偏高。同一品種相比,晚播小麥其霉變情況與早播小麥相比略重,晚熟品種發芽情況各個播期之間基本相似,早熟品種發芽情況隨著播期推遲而逐漸變輕;同一播期相比,早熟品種霉變情況與晚熟品種相比略重,隨著播期的推遲,霉變率逐漸趨于一致,早熟品種發芽情況明顯重于晚熟品種的。

(4)連陰雨日數如與冬小麥成熟收獲期重疊度較高,將導致小麥嚴重減產且品質下降,如大部分小麥未進入成熟收獲期,陰雨時段與小麥成熟收獲期重疊度較小,仍將造成減產,但減產幅度整體較小。

3.2 討 論

種植不同品種的小麥、應用化學試劑調控及加強栽培管理等措施,可減弱麥收期連陰雨對信陽市冬小麥的影響,是調控產量和品質的重要原因。本文根據信陽市實際種植情況,提出以下三點意見。

(1)選用高抗性品種

加強小麥遺傳機理研究,選育抗籽粒發芽霉變品種,特別是白皮小麥品種,應充分考慮當地氣候、生態特點,充分認識該地區小麥品種適應性,選用在當地表現較好的抗性品種(如揚麥15),進行合理布局。

(2)應用化學調控制劑

選用多效唑和穗萌抑制劑,在小麥開花后一定時期內噴施,對籽粒發芽抑制效果分別可達60%和80%左右。還可從植物源天然物質中提取發芽抑制物質,在小麥抽穗后不同時期噴施,對成熟期籽粒發芽抑制率最高可達88.81%,且噴施后對農藝性狀和種子質量無不良影響。

(3)加強栽培管理

一是適期早播,合理密植。通過播期調節小麥生育進程,使小麥成熟期避開雨季高峰,適時收獲。二是建好田間配套溝系,確保灌排暢通,以降低田間濕度,減少籽粒發芽霉變發生條件。三是合理肥料運籌,防止肥料施用過遲過多而造成貪青晚熟。四是采取一些生化壯苗制劑,降低植株高度,防止倒伏。

由于觀測小麥發芽霉變數據站點較少,資料不完整,本論文結論存在一定的局限性,與實際相比可能存在一定的差異,后續將繼續完善資料,開展更深一步的研究。