2023年河南冬小麥成熟期連陰雨強度綜合評估

郭康軍, 鄒春輝, 余衛(wèi)東, 胡麗婷, 房穩(wěn)靜,檀艷靜, 張麗梅, 成 林

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室,鄭州 450003; 2.河南省氣象科學(xué)研究所,鄭州 450003;3.安陽國家氣候觀象臺,河南 安陽 455099; 4.駐馬店市氣象局,河南 駐馬店 463001;5.周口市氣象局,河南 周口 466002; 6.南陽市氣象局,河南 南陽 473010)

引 言

小麥?zhǔn)鞘澜缟蟽H次于玉米、水稻的第三大糧食作物。在全球氣候變暖背景下,極端氣象災(zāi)害頻發(fā)、重發(fā),農(nóng)業(yè)氣候資源也發(fā)生了重要變化,導(dǎo)致小麥生長季內(nèi)干旱、凍害、穗發(fā)芽等災(zāi)害發(fā)生頻率增加、強度增強,嚴(yán)重危害小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。小麥穗發(fā)芽是指小麥成熟收獲前由于遇到陰雨或潮濕環(huán)境條件籽粒在穗上萌動、發(fā)芽的現(xiàn)象,是一種世界性的自然災(zāi)害[1-2]。小麥穗發(fā)芽嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì),可導(dǎo)致產(chǎn)量減少6%～10%[3-4]。河南是中國小麥生產(chǎn)第一大省,產(chǎn)量約占全國的1/4。1980年以來,河南省小麥幾乎每年都會出現(xiàn)不同程度的穗發(fā)芽現(xiàn)象,且隨時間推移呈加重發(fā)生趨勢,尤其是豫南麥區(qū)平均每3年就會發(fā)生一次大面積穗發(fā)芽[5]。2023年麥?zhǔn)掌陂g,河南省遭遇1961年以來同期影響范圍最廣、持續(xù)時間最長的一次陰雨天氣過程,持續(xù)降雨時間與小麥成熟收獲期疊加重合,連陰雨天氣造成河南部分地區(qū)小麥萌動發(fā)芽,夏糧單產(chǎn)和總產(chǎn)較2022年分別下降7.0%、6.9%[6]。

小麥成熟期穗發(fā)芽是一個復(fù)雜的過程,受種子遺傳特性與環(huán)境條件綜合影響,不僅由品種自身因素如穗部性狀、籽粒休眠特性、激素、α-淀粉酶等控制,而且與環(huán)境因素如降水、日照和陰雨日數(shù)等密切相關(guān)[7-9]。因此,連陰雨災(zāi)害的形成是多種要素綜合作用的結(jié)果。近年來,有部分學(xué)者對小麥成熟期連陰雨氣象災(zāi)害及其復(fù)合指標(biāo)的構(gòu)建都作了不少研究[10-12],但有關(guān)小麥成熟期連陰雨穗發(fā)芽敏感時段及其與氣象因素之間關(guān)系仍需進一步明確,且小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)的研究至今仍較少。因此構(gòu)建一個適用性的連陰雨災(zāi)害強度指數(shù),減少小麥成熟期連陰雨氣象災(zāi)害風(fēng)險,保障小麥安全生產(chǎn)和適時收獲,是當(dāng)前農(nóng)業(yè)、氣象等多部門關(guān)注的重點之一。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料來源

本文所用氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)均由河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心提供。氣象數(shù)據(jù)為河南省111個地面氣象觀測站1961-2023年觀測資料;小麥發(fā)育期數(shù)據(jù)為河南省35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站實際觀測數(shù)據(jù),時間序列也為1961-2023年,但其中1968-1978年數(shù)據(jù)缺失。

1.2 大田調(diào)查

2023年5月31日起,河南省氣象科學(xué)研究所組織河南省35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站,持續(xù)開展小麥連陰雨大田跟蹤調(diào)查工作,詳細調(diào)查內(nèi)容如下。

(1)地段選擇:各農(nóng)業(yè)氣象觀測站根據(jù)實際情況選取1個代表性地塊作為調(diào)查點,并在該地塊隨機選取2個樣方跟蹤調(diào)查。

(2)地段基本情況:主要包括地塊經(jīng)緯度信息、小麥品種、品種熟性、播種日期、霉變?nèi)掌凇⒚葎影l(fā)芽日期、收獲日期。

(3)跟蹤觀測信息:主要包括觀測日期、天空狀況、墑情狀況、發(fā)育期、成熟度、是否發(fā)生霉變、是否萌動發(fā)芽、萌動發(fā)芽是否持續(xù)、穗霉變莖數(shù)和發(fā)芽莖數(shù)、穗粒數(shù)、霉變粒數(shù)、發(fā)芽粒數(shù)。從5月31日開始,每2天進行一次觀測,直至小麥?zhǔn)斋@。

(4)調(diào)查說明:每個取樣點選取1行小麥,連續(xù)數(shù)10莖,記錄穗霉變莖數(shù)和發(fā)芽莖數(shù),重復(fù)2次,記錄平均值。每個取樣點連續(xù)選取5穗小麥,進行脫粒,分別記錄每穗穗粒數(shù)、穗籽粒霉變數(shù)和發(fā)芽數(shù),取平均值。

1.3 氣象因子的歸一化

對各站點氣象要素進行歸一化處理,公式如下:

(1)

F表示歸一化的值;K表示某種氣象因素,如總降水量(R)、降水日數(shù)(Rn)、陰天日數(shù)(I)等,i表示站點,j表示年份。

1.4 連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)

目前尚無成熟技術(shù)能夠分離出單一氣象災(zāi)害對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響。本文基于河南省35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站按照統(tǒng)一的規(guī)范進行連陰雨災(zāi)害調(diào)查所取得的數(shù)據(jù),可以很明確地解釋連陰雨災(zāi)害對小麥生長的影響。此外,連陰雨對小麥穗發(fā)芽的影響主要發(fā)生在小麥成熟期前后5天的時段[13],因此本研究選取35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站小麥成熟期前后5天的時間為成熟期連陰雨研究時段。

研究結(jié)合河南實際情況,并參考《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》及前人研究成果,構(gòu)建了3種不同的連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L,并結(jié)合35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站連陰雨災(zāi)害調(diào)查的小麥籽粒發(fā)芽霉變率去檢驗評價這3種指數(shù)的適用性。

(1)連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L1

參考《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》中連陰雨的標(biāo)準(zhǔn)[14],并結(jié)合河南實際,從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)角度采用如下連陰雨氣象災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn):連續(xù)3 d或3 d以上有降水(日降水量≥0.1 mm)作為一次連陰雨過程;在>3 d的連陰雨過程中,允許1 d無降水,但該日日照時數(shù)應(yīng)<2 h。

連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)(L1)計算式為

(2)

式中,Ni為連陰雨日數(shù)。若發(fā)生m次或以上連陰雨過程,L1為每次連陰雨過程日數(shù)的累加值[12]。

(2)連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2

根據(jù)已有研究[15-18],連陰雨災(zāi)害對成熟期小麥的危害,不僅與連陰雨過程持續(xù)日數(shù)有關(guān),還與連陰雨過程期間的降水量(R)、降水日數(shù)(Rn)、日照時數(shù)(S)、相對濕度(U)、氣溫(T)和陰天日數(shù)(I)密切相關(guān)。研究選擇降水量、降水日數(shù)、日照時數(shù)、相對濕度、氣溫和陰天日數(shù)6個致災(zāi)因子按(1)式進行歸一化處理,采用主成分分析法(PCA)[19],取主分量累計方差貢獻率滿足≥80%,將6個致災(zāi)因子重建為1個表示連陰雨災(zāi)害強度的指數(shù)L2。連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2構(gòu)建的詳細步驟可參考文獻[10,19]。

確定主分量的原則:當(dāng)?shù)?個主分量的方差貢獻率≥80%時,即用第一個主成分代表原來6個因子標(biāo)準(zhǔn)化后的綜合影響,即y11=a11×FR1+a21×FRn2+a31×FS3+a41×FU4+a51×FT5+a61×FI6。當(dāng)前2個主分量方能滿足累計方差貢獻率≥80%時,則取每個主分量所對應(yīng)的特征值占原變量總方差的比例作為權(quán)重系數(shù)進行計算,以此作為原來6個因子的連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2,以此類推[19]。

(3)

式中,λ1、λ2、λ3分別為第一、第二、第三主成分特征值,y11、y12和y13分別表示第一、第二和第三主成分,以此類推;j=1,2,…,p,為所取的主成分個數(shù);λj為第j個主成分特征值。

(3)連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L3

借鑒前人研究成果[20-22],根據(jù)連陰雨實地調(diào)查數(shù)據(jù)和氣象因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果,結(jié)合河南省農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中的經(jīng)驗,疊加小麥實際觀測成熟期時段,選擇總降水量(R)、降水日數(shù)(Rn)、陰天日數(shù)(I)3種氣象因子為綜合評估因子,并確定各因子對應(yīng)的權(quán)重,構(gòu)建出小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L3:

L3=a×FR+b×FRn+c×FI

(4)

式中,FR、FRn和FI分別為總降水量(R)、降水日數(shù)(Rn)和陰天日數(shù)(I)的歸一化值,a,b,c為權(quán)重系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

顯著性檢驗使用SPSS17.0軟件,空間分布圖使用ArcMap10.4版本。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田調(diào)查結(jié)果

2023年小麥生長后期,河南省出現(xiàn)三輪大范圍降水天氣過程,特別是5月25日至30日,全省大部出現(xiàn)持續(xù)陰雨天氣,中南部、東部等地出現(xiàn)暴雨、局部大暴雨,是1961年以來同期影響范圍最廣、持續(xù)時間最長的一次陰雨天氣過程。為深入了解各地小麥?zhǔn)転?zāi)情況及對后續(xù)產(chǎn)量的影響,河南省35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站于5月31日起,持續(xù)開展小麥大田跟蹤調(diào)查工作。調(diào)查結(jié)果顯示(圖1),河南省小麥發(fā)芽霉變區(qū)域間差異較大,中部、南部和東部麥區(qū)受災(zāi)最重,小麥發(fā)芽和霉變情況較為普遍,北部和西部麥區(qū)由于成熟期較晚,受災(zāi)相對較輕,信陽地區(qū)由于小麥品種穗發(fā)芽抗性較強原因,受災(zāi)也稍輕。

圖1 河南省麥區(qū)2023年小麥成熟期連陰雨災(zāi)后調(diào)查

2.2 2023年河南小麥開花、成熟期

根據(jù)調(diào)查和農(nóng)業(yè)氣象觀測,2023年豫南大部、豫中、豫東局部開花日期較早,在4月21日前;豫北北部和豫西局部開花較晚,在4月27日后。2023年5月25日河南省出現(xiàn)連陰雨天氣前,豫西大部和豫北、豫東局部等地開花后天數(shù)在30天以內(nèi),豫南大部、豫中、豫東局部已開花超過35天以上(圖2),開花超過35天及以上的區(qū)域和河南省2023年連陰雨受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域基本吻合,說明開花后超過35天是小麥?zhǔn)苓B陰雨災(zāi)害最敏感的時段。豫南大部、豫中、豫東局部成熟期和5月25-30日河南省連陰雨過程重疊,也和河南省2023年連陰雨受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域基本吻合。由于河南省小麥成熟期一般為開花后40天左右,也可以說河南省小麥成熟期前后5天時段是小麥對連陰雨災(zāi)害影響最敏感的時段。

圖2 河南省2023年截至5月25日小麥開花后天數(shù)(a)和2023年小麥成熟期(b)

2.3 主要氣象因子和連陰雨災(zāi)害的相關(guān)性分析

選取2023年河南小麥生長后期相關(guān)時段內(nèi)降雨量、日照、濕度、氣溫、陰天日數(shù)、降水日數(shù)和河南省35個農(nóng)業(yè)氣象觀測站的連陰雨災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示(表1):單一的氣象因子和霉變莖數(shù)百分比、發(fā)芽莖數(shù)百分比、霉變籽粒百分比、發(fā)芽籽粒百分比大部分無顯著的相關(guān)關(guān)系,僅霉變籽粒百分比和日照、相對濕度,以及降水日數(shù)和霉變莖數(shù)百分比、發(fā)芽莖數(shù)百分比有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。考慮到當(dāng)時豫北、豫西地區(qū)并未進入成熟期和信陽地區(qū)小麥品種穗發(fā)芽抗性較強的因素,去掉豫北、豫西和信陽地區(qū)站點,再次進行相關(guān)性分析,結(jié)果仍顯示主要氣象因子(降雨量、日照、相對濕度、氣溫、陰天日數(shù)、降水日數(shù))和霉變莖數(shù)百分比、發(fā)芽莖數(shù)百分比、霉變籽粒百分比、發(fā)芽籽粒百分比大部分仍無顯著相關(guān)關(guān)系,說明小麥連陰雨災(zāi)害并不受單一氣象因子的影響,而應(yīng)該是受多種氣象因子綜合影響。

表1 2023年河南小麥成熟期主要氣象因子和連陰雨災(zāi)害相關(guān)系數(shù)

2.4 小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)的檢驗和綜合評估

2.4.1 小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)的構(gòu)建與檢驗

根據(jù)前文“1.4連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)”進行3種連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)的構(gòu)建,其中L3根據(jù)前人研究經(jīng)驗[10,16-17],并參考2.3節(jié)主要氣象因子和連陰雨災(zāi)害相關(guān)系數(shù)r值的分析結(jié)果,利用相關(guān)系數(shù)法進行權(quán)重計算[23-24]。對去掉豫北、豫西和信陽地區(qū)站點的降雨量、降水日數(shù)和陰天日數(shù)后與小麥籽粒發(fā)芽霉變的相關(guān)系數(shù)r值先求均值,其均值分別為0.166、0.121和0.199,然后再對三者均值求和,并取各因子所占比值,即為權(quán)重系數(shù)a、b和c的值,a、b、c分別為0.34、0.25和0.41。分別對3種連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)和籽粒發(fā)芽霉變率進行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示:L1和籽粒發(fā)芽霉變率兩者并未達到顯著相關(guān)(P>0.05);L2、L3和發(fā)芽霉變率兩者達到極顯著相關(guān)(P<0.01),如果不考慮信陽地區(qū),L2、L3和發(fā)芽霉變率也均達到極顯著相關(guān)(P<0.01),說明成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2、L3均能夠很好地解釋小麥成熟期因連陰雨災(zāi)害的受災(zāi)情況,但實際業(yè)務(wù)服務(wù)中考慮指標(biāo)的簡潔性,L3指標(biāo)可以優(yōu)先在氣象為農(nóng)業(yè)務(wù)服務(wù)中應(yīng)用(表2)。

表2 2023年河南小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)和各地籽粒發(fā)芽霉變率之間的P值

2.4.2 小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)的綜合評估

L1連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)較高的區(qū)域主要集中在三門峽、洛陽、南陽、駐馬店和商丘等地區(qū)(圖3),這與各地農(nóng)業(yè)氣象觀測站實際調(diào)查結(jié)果并不吻合,洛陽、三門峽2023年小麥發(fā)芽霉變不嚴(yán)重。2023年河南省平均成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L1為4.5,是1961年以來有觀測數(shù)據(jù)的最高值,這較為吻合2023年河南小麥因連陰雨災(zāi)害大幅減產(chǎn)的實際情況。

圖3 河南省2023年連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L1分布圖

L2和L3連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)空間分布都表現(xiàn)為南高北低,數(shù)值較高的區(qū)域均主要集中在豫南、豫中和豫東地區(qū)(圖4),這與各地農(nóng)業(yè)氣象觀測站實際調(diào)查結(jié)果基本吻合。研究中所構(gòu)建的成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)并未考慮部分品種穗發(fā)芽抗性較強的因素,故而信陽地區(qū)成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2和L3雖較高,但實際調(diào)查顯示,2023年信陽地區(qū)小麥發(fā)芽霉變并不嚴(yán)重。2023年河南省平均成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2為0.81、L3為0.32,均為1961年以來有觀測數(shù)據(jù)的最高值(圖5),表明2023年河南省小麥成熟收獲期出現(xiàn)的連陰雨天氣過程為1961年以來綜合強度最強,也吻合河南省2023年小麥因成熟期連陰雨災(zāi)害大幅減產(chǎn)的實際情況。

圖4 河南省2023年連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2(a)和L3(b)分布圖

圖5 河南省1961年以來有觀測數(shù)據(jù)年份連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2和L3數(shù)值

3 討 論

小麥穗發(fā)芽霉變與小麥的發(fā)育期密切相關(guān)。本研究初步得出小麥開花后35天是小麥穗發(fā)芽的敏感時段。由于河南小麥一般在開花后40天左右成熟,也就是小麥穗發(fā)芽敏感時段是成熟期前后5天,也與前人研究結(jié)果較為一致[25]。但是為什么是此時間段,其內(nèi)在機理如何,仍需進一步研究。小麥穗發(fā)芽的遺傳機制較為復(fù)雜,不同品種間穗發(fā)芽抗性程度與機制差異顯著,種子休眠是植物在長期進化過程中產(chǎn)生的適應(yīng)性性狀,休眠特性是影響穗發(fā)芽抗性的主要因素,其主要受植物激素和溫度的影響,休眠水平過低的小麥種子容易出現(xiàn)穗發(fā)芽的現(xiàn)象[26]。對于小麥穗發(fā)芽內(nèi)在機理的研究是今后的一個重點方向之一。

此外,小麥籽粒發(fā)芽霉變受多種因素的綜合影響。在小麥籽粒生長發(fā)育過程中,溫度通過影響籽粒休眠特性從而影響小麥穗發(fā)芽抗性。不同生育進程的小麥籽粒休眠特性的不同與所經(jīng)歷的溫度有很大關(guān)系,如小麥處在灌漿期遇到持續(xù)低溫可以增強小麥籽粒休眠程度,從而增強小麥穗發(fā)芽抗性,而且隨著溫度的升高發(fā)芽指數(shù)逐漸升高[27-28]。誘導(dǎo)小麥穗發(fā)芽的另外一個主要因素是濕度,空氣濕度會通過改變小麥籽粒的水分含量而影響其休眠特性,進而影響小麥穗發(fā)芽抗性[29-30]。小麥成熟期只要溫度、濕度、陰雨日數(shù)等多種氣象要素均達到一定條件,小麥籽粒才會有穗發(fā)芽現(xiàn)象發(fā)生[31-32]。研究中也發(fā)現(xiàn),連陰雨災(zāi)害與單一的氣象因子并沒有顯著的相關(guān)性,是一種典型的復(fù)合型災(zāi)害,這與前人研究結(jié)果也較為一致[10]。

研究中還發(fā)現(xiàn),信陽地區(qū)連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)都處于高值區(qū),但是實際上信陽受災(zāi)并不嚴(yán)重,主要考慮信陽地區(qū)大部地處淮河以南,其小麥種植品種與長江中下游地區(qū)小麥品種較為接近,而長江中下游地區(qū)由于其本身降雨量和降雨日數(shù)都較大,當(dāng)?shù)匦←溒贩N穗發(fā)芽抗性稍強[33-34],使信陽地區(qū)2023年受連陰雨災(zāi)害影響較輕。穗發(fā)芽抗性與小麥品種、穗部性狀、籽粒顏色均有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn),較密的小穗比疏松的類型更有助于持水,因而小穗密度越大,穗發(fā)芽抗性越弱[35-36];紅粒小麥比白粒品種穗發(fā)芽抗性強,其可能是由于紅粒小麥的種皮細胞中含有較多的色素使種皮細胞加厚,阻止內(nèi)外氣體交換,有助于保持休眠狀態(tài)[37-38]。因此,培育籽粒休眠性好的品種,可以較好預(yù)防穗發(fā)芽現(xiàn)象的發(fā)生,也是今后的一個重點方向之一。

4 結(jié) 論

(1)小麥開花后35天以上,是小麥籽粒品質(zhì)對連陰雨天氣影響最敏感的時段。

(2)本文構(gòu)建的3種連陰雨災(zāi)害強度指數(shù),其中2種(L2、L3)能夠很好地解釋小麥成熟期因連陰雨災(zāi)害的受災(zāi)情況(P<0.01),特別是L3兼具實用性和準(zhǔn)確性,能夠滿足業(yè)務(wù)服務(wù)需要。

(3)2023年河南省小麥成熟期連陰雨災(zāi)害強度指數(shù)L2、L3空間分布都表現(xiàn)為南高北低,全省平均L2為0.81、L3為0.32,均為1961年以來的最高值,表明2023年河南省小麥成熟收獲期出現(xiàn)的連陰雨天氣過程為1961年以來綜合強度最強。