申燕玲，趙夢(mèng)凡，趙 彤，沈曉燕

(1.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001)

氣溫對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，如果播種過(guò)早，氣溫沒(méi)有達(dá)到種子萌發(fā)時(shí)對(duì)溫度的需求，種子在低溫影響下，會(huì)出現(xiàn)爛種、弱苗等現(xiàn)象；播種過(guò)晚則會(huì)影響作物的成熟[1-2]。由此可見(jiàn)，通過(guò)適宜的氣象條件以及氣候資源確定作物的適宜播種期是作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[3-5]。青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)是青海省農(nóng)作物的主要產(chǎn)區(qū)，但由于青海省受到青藏高原的動(dòng)力熱力共同影響，氣候條件特殊，與其他地區(qū)的氣候背景有很大差異，加之全球氣候變暖加劇、農(nóng)業(yè)區(qū)作物品種不斷更新、栽培技術(shù)和耕作方式改進(jìn)以及種植制度改變，以及業(yè)務(wù)中對(duì)于播種期的預(yù)報(bào)指標(biāo)單一、對(duì)播種期氣象特征的表征程度不夠、使用的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低等原因[6]，當(dāng)前農(nóng)業(yè)區(qū)播種期指標(biāo)及其適用性研究已經(jīng)不能夠滿足農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)需求，降低了農(nóng)業(yè)氣象播種期預(yù)報(bào)的客觀性和時(shí)效性。

近年來(lái)，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者投入到氣候變暖對(duì)作物發(fā)育期影響的研究當(dāng)中[7-9],有研究表明溫度變化是影響作物生育期的主要原因[10]，全球氣候變暖對(duì)作物的影響普遍表現(xiàn)為返青期和成熟期的提前以及全生育期和越冬期的縮短[11-12]。由于氣候變暖會(huì)使作物的生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，種植區(qū)域北移西延。春小麥的生長(zhǎng)基本不受降水量的影響,并且深層土壤水分能夠彌補(bǔ)大氣降水的不足，對(duì)春小麥苗期生長(zhǎng)有利[13-14]。土壤溫度對(duì)作物種子發(fā)芽出苗有直接影響，因?yàn)橥寥罍囟群秃笃谒獌霭l(fā)生有一定的關(guān)系，從而影響作物的春耕春播等農(nóng)事活動(dòng)，但由于過(guò)去氣象觀測(cè)資料不完整，前人研究中涉及到的溫度大都是氣溫[15]，因此考慮土壤溫度分析作物播種期更有實(shí)際意義。青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)發(fā)生霜凍的時(shí)段主要在4—9月，5月發(fā)生頻率最高，會(huì)對(duì)播種期作物生長(zhǎng)發(fā)育造成一定的影響[16]。本研究通過(guò)對(duì)日平均氣溫、地溫、日平均5 cm和10 cm地溫、≥0℃和≥3℃積溫、穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日等氣象條件及地理信息與適宜播種最佳時(shí)段的閾值進(jìn)行分析，從而為作物應(yīng)對(duì)氣候變化及有效防御作物早播的潛在風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。在全球變暖的趨勢(shì)下，為更好開(kāi)展播種期氣象適宜度評(píng)價(jià)服務(wù)，確定作物播種期氣象要素的適宜范圍，分析春小麥和油菜播種期氣象要素的統(tǒng)計(jì)特征，探究主要影響農(nóng)作物播種期的氣象因子，構(gòu)建適用于青海省春小麥和油菜播種期氣象條件適宜性判識(shí)指標(biāo)，對(duì)青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)作物播種期的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)具有重要實(shí)踐意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)是青海省春小麥和油菜的主要產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)區(qū)光照充足，晝夜溫差大，光、溫配合適宜，有利于農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。本研究選取青海省東部春小麥和油菜種植區(qū)為研究區(qū)(89°35′～101°06′E，35°02′～37°58′N(xiāo)),地處祁連山達(dá)坂山以南、日月山以東，屬黃土高原向青藏高原過(guò)渡鑲嵌地帶，自然資源豐富，日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、土壤肥沃、水資源充足，春小麥和油菜面積約占總播種面積50%以上。西部從北至南與海北藏族自治州的祁連縣、海晏縣，黃南藏族自治州的澤庫(kù)縣相連，包括西寧、共和、貴南、大通、民和、樂(lè)都、平安、湟源、互助、化隆、循化、貴德、尖扎、同仁及門(mén)源等15個(gè)縣(市)，主要分布詳見(jiàn)圖1(見(jiàn) 235頁(yè))，其中春小麥種植區(qū)農(nóng)氣觀測(cè)站包括德令哈、大通、共和、貴南、互助、湟源、湟中，油菜種植區(qū)觀測(cè)站包括德令哈、共和、貴南、互助、門(mén)源。

圖1 研究區(qū)域分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in study area

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 選用1961―2019年青海省春小麥和油菜種植區(qū)的8個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站(圖1)的逐日平均地溫、5 cm和10 cm地溫、土壤相對(duì)濕度、觀測(cè)站點(diǎn)海拔和經(jīng)緯度、作物生長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。利用逐日平均氣溫和地溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到積溫、穩(wěn)定通過(guò)溫度和地溫的日序數(shù)。資料來(lái)自青海省氣象局信息中心。

1.2.2 氣候傾向率 用x表示樣本量為n的氣候變量，用t表示x所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，利用最小二乘法建立一元線性回歸方程，即x=b+ati(i=1，2，3，…，n)，其中，a為氣候變化量的傾向率，a>0表示直線遞增，a<0表示直線遞減，a×10表示每10年的趨勢(shì)變化率,表征了時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。

通過(guò)計(jì)算與播種期相關(guān)氣象要素的氣候傾向率(Slope)來(lái)分析時(shí)間上的變化特征。

(1)

式中，ti為氣象要素的等變量值。采用時(shí)間t與序列變量之間相關(guān)系數(shù)，即氣候趨勢(shì)系數(shù)對(duì)變化趨勢(shì)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2.3 累積距平 累積距平可以判斷氣象要素的變化趨勢(shì)，累積距平曲線若呈上升趨勢(shì)，則表示距平值增加，反之則表示距平值減小。對(duì)于某一序列x，其在某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

(2)

1.2.4 評(píng)估指標(biāo) 選取決定性系數(shù)R2和均方根誤差RMSE對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3)

(4)

1.2.5 閾值 對(duì)各觀測(cè)站點(diǎn)作物播種期時(shí)間序列與氣溫、地溫、日照等氣象要素進(jìn)行回歸分析，并繪制箱線圖，進(jìn)一步分析氣象要素的閾值分布，通過(guò)分析多年青海省春小麥和油菜播種期的逐日平均氣溫、0～5 cm土壤溫度、0～10 cm土壤溫度等氣象要素的閾值范圍，最終得出播種期適宜的氣象要素指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素變化趨勢(shì)

由圖2A可見(jiàn)，1961―2019年氣溫和地溫的增溫趨勢(shì)較為明顯，尤其在1990年開(kāi)始，有明顯的增溫趨勢(shì)。青海省春小麥和油菜種植區(qū)日平均氣溫年際變化呈波動(dòng)型升高，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2015年和1967年，日平均氣溫氣候傾向率為0.4℃·10a-1，平均地溫、5cm和10cm平均地溫氣候傾向率分別為0.44、0.33、0.35℃·10a-1，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；相對(duì)濕度從1994年開(kāi)始呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，其氣候傾向率為-5.7%·10a-1，表明地區(qū)相對(duì)濕度整體呈現(xiàn)持平略減趨勢(shì)。由圖2B累積距平變化曲線可以看出，日平均氣溫、地溫在1996年之前呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)、其后呈增加趨勢(shì)。整體來(lái)看，青海省春小麥和油菜農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)地區(qū)氣候表現(xiàn)出溫度遞增、濕度減小的變化特征。

圖2 1961―2019年青海省春小麥和油菜觀測(cè)站氣象要素年際變化曲線(A)和累積距平變化曲線(B)Fig.2 Evolution of cumulative anomaly of the meteorological elements with time (A) and interannual variation periods curves of the meteorological elements (B) in 1961-2019

2.2 春小麥和油菜播種期影響因子分析

分別對(duì)日平均氣溫、日平均地表溫度、日平均5 cm和10 cm地溫、≥0℃和≥3℃積溫，氣溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度(0℃和6℃)初日日序數(shù)、地溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度(10℃)初日日序數(shù)、土壤相對(duì)濕度、海拔高度、經(jīng)緯度和作物播種期日序數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析[17-19]。從圖3可以看出，與春小麥和油菜播種期日序數(shù)相關(guān)性較高的溫度相關(guān)要素包括日平均氣溫、平均地表溫度、日平均5 cm和10 cm地溫；日序數(shù)相關(guān)要素有氣溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度(0℃、6℃)、地溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度(10℃)初日日序數(shù)；地理信息相關(guān)要素有海拔高度和經(jīng)度。以上溫度類(lèi)要素與播種期日序數(shù)的相關(guān)性較好，且呈線性正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。

2.3 氣象要素閾值分析

研究區(qū)日平均氣溫3.1℃，平均5 cm地溫5.6℃、10 cm地溫4.8℃作為春小麥進(jìn)入適播期氣象適宜指標(biāo)(表1，見(jiàn)237頁(yè))；日平均氣溫6.3℃，平均5 cm地溫9.4℃、10 cm地溫9.0℃作為油菜進(jìn)入適播期氣象適宜指標(biāo)(表2，見(jiàn)237頁(yè))。由于各觀測(cè)站氣候條件差距較大，所以需對(duì)不同站點(diǎn)氣象要素適宜度指標(biāo)進(jìn)行討論。如圖4所示，春小麥種植區(qū)各站氣溫較地溫四分位差較大，說(shuō)明播種期氣溫?cái)?shù)據(jù)較為分散，10 cm地溫?cái)?shù)據(jù)分布較為集中，數(shù)值變化幅度較小。52737(德令哈)站和52869(湟中)站地溫四分位差較大，數(shù)據(jù)較其他站分布較為分散；如圖5 所示，油菜種植區(qū)52955(貴南)站的溫度數(shù)據(jù)分布較為分散，52737(德令哈)站5、10 cm地溫?cái)?shù)據(jù)分布較為集中，數(shù)值變化幅度較小。

注:*、**分別表示系數(shù)通過(guò)P<0.05和P<0.01的顯著性檢驗(yàn)。Note:* and ** represent significant difference at P<0.05 and P<0.01,respectively.圖3 相關(guān)系數(shù)熱力圖Fig.3 Heat map of correlation

圖4 春小麥種植區(qū)不同觀測(cè)站播種期氣象要素閾值Fig.4 Meteorological elements boxplot of spring wheat

圖5 油菜種植區(qū)不同觀測(cè)站播種期相關(guān)性氣象要素閾值Fig.5 Meteorological elements boxplot of rape

2.4 界限溫度空間分布特征

如圖6所示，青海省春小麥和油菜種植區(qū)氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃和6℃以及地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、6℃和10℃的初日在空間分布上受到海拔的影響，大體上呈“東南早、西北晚”的分布特征，其中門(mén)源穩(wěn)定通過(guò)各個(gè)界限溫度的初日最晚，南部地區(qū)中循化、樂(lè)都、民和、貴德、尖扎、同仁穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日早。根據(jù)圖7穩(wěn)定通過(guò)0℃、6℃和10℃氣溫氣候傾向率來(lái)看，各地區(qū)穩(wěn)定通過(guò)界限溫度初日提前的趨勢(shì)較為明顯，其中互助、大通穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃、6℃氣溫與0℃地溫的初日提前日數(shù)幅度最大，貴南和樂(lè)都最小，且氣溫較地溫的氣候傾向率變化幅度大。根據(jù)圖8穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日與年份計(jì)算的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，互助、大通穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃、6℃氣溫與0℃地溫初日呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 春小麥種植區(qū)氣象觀測(cè)站播種期氣象要素適宜指標(biāo)/℃Table 1 Spring wheat optimum index of meteorological elements

表2 油菜種植區(qū)氣象觀測(cè)站播種期氣象要素適宜指標(biāo)/℃Table 2 Rape optimum index of meteorological elements

圖6 1961―2019年青海省春小麥油菜種植區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the average temperature in the spring wheat rape planting area of Qinghai Province from 1961 to 2019 through 0℃,3℃ and 6℃ (A,B,C) and the average ground temperature stability through 0℃,6℃ and 10℃ (D,E,F)

圖7 1961—2019年青海省春小麥油菜種植區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日氣候傾向率的空間分布Fig.7 Spatial distribution of the average temperature of the spring wheat and rapeseed planting areas in Qinghai Province from 1961 to 2019 stably passed 0℃,3℃,and 6℃ (A,B,C),and the average ground temperature passed 0℃,6℃,and 10℃ (D,E,F)

2.5 模型構(gòu)建

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)有資料以及與春小麥和油菜播種期的相關(guān)性分析，采用百分位法確定通過(guò)80%、90%、95%保證率下，將氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃、6℃和地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、6℃、10℃的初日作為春小麥和油菜適宜播種的開(kāi)始日期，同時(shí)將穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日、經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理因子作為模型因子，模型如式(5)所示：

Y=f(h,λ,Ψ)+ε

(5)

式中，Y為穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日日序數(shù)，h、λ、Ψ分別表示海拔高度、緯度、經(jīng)度，ε為綜合地理殘差。利用日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日日序通過(guò)多元回歸分析得到春小麥和油菜進(jìn)入適宜播種期的模型，如表3、4所示。

圖8 1961—2019年青海省春小麥油菜種植區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the average temperature in the spring wheat and rapeseed planting area of Qinghai Province from 1961 to 2019 stably passed 0℃,3℃,and 6℃ (A,B,C),and the average ground temperature passed 0℃,6℃,and 10℃ (D,E,F)

表3 氣溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日與經(jīng)度、緯度、海拔高度建立春小麥播種期預(yù)報(bào)模型Table 3 First day of stable air temperature passing through the boundary temperature with longitude, latitude,and altitude to establish the model

對(duì)所構(gòu)建的春小麥和油菜進(jìn)入適宜播種期的預(yù)報(bào)模型進(jìn)行評(píng)估，如表5、6所示，95%、90%、80%保證率始播期穩(wěn)定通過(guò)0℃、6℃、10℃初日所有模型因變量Y的90%以上的變化由自變量海拔高度、緯度、經(jīng)度來(lái)解釋?zhuān)心Ｐ?0%、80%保證率RMSE小于3.8 d，其中95%保證率下，氣溫穩(wěn)定通過(guò)6℃初日的R2最大(0.97)、RMSE最小(2.96 d)；地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃初日的R2最大(0.97)、RMSE最小(1.86 d)。

表4 地溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度的初日與經(jīng)度、緯度、海拔高度建立油菜預(yù)報(bào)模型Table 4 First day of stable ground temperature passing through the boundary temperature with longitude,latitude,and altitude to establish the model

表5 氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃和6℃初日播種期預(yù)報(bào)模型決定系數(shù)及均方根誤差Table 5 Coefficient of determination and root mean square error of the temperature has passed 0℃,6℃ and 10℃ first day

表6 地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、6℃和10℃初日播種期預(yù)報(bào)模型決定系數(shù)及均方根誤差Table 6 Coefficient of determination and root mean square error of the ground temperature has passed 0℃,6℃ and 10℃

3 討 論

由于春天天氣變化異常，春小麥和油菜播種過(guò)早，地溫較低，更容易出現(xiàn)發(fā)芽慢、粉種、壞種的現(xiàn)象，所以受氣候變暖的影響，研究區(qū)春小麥和油菜播種期氣象適宜指標(biāo)、播種期氣象條件預(yù)報(bào)模型也需要及時(shí)調(diào)整。前人研究表明，氣溫、土壤溫度和后期霜凍發(fā)生有一定關(guān)系，從而影響作物的春耕春播等農(nóng)事活動(dòng)，所以溫度、土壤溫度是影響作物生育期的重要?dú)庀笠蛩?。本研究表明，與春小麥和油菜播種期相關(guān)的氣象要素中，地溫和氣溫的影響最大(相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.72以上)，這也驗(yàn)證了前人的研究結(jié)果，所以考慮增加地溫作為播種期相關(guān)氣象因子，土壤相對(duì)濕度與播種期的相關(guān)性不大(相關(guān)系數(shù)0.34以下)，地理信息因子如經(jīng)緯度、海拔高度也與播種期日序數(shù)有一定的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)與春小麥和油菜播種期相關(guān)的氣象條件中，日平均氣溫、地溫的增溫趨勢(shì)較為明顯，分別以0.40℃·10a-1和0.44℃·10a-1的速度增加，并且春小麥和油菜種植區(qū)北部地溫增溫較南部明顯，相對(duì)濕度在1994年之后，則呈緩慢減少趨勢(shì)(-0.57%·10a-1)。

2)當(dāng)日平均氣溫達(dá)到3.1℃，平均5 cm地溫達(dá)到5.6℃、10 cm地溫達(dá)到4.8℃建議開(kāi)展春小麥播種農(nóng)事活動(dòng)；日平均氣溫達(dá)到6.3℃，平均5 cm地溫達(dá)到9.4℃、10 cm地溫達(dá)到9.0℃建議開(kāi)展油菜播種農(nóng)事活動(dòng)。

3)氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃和6℃以及地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃、6℃和10℃的初日在空間分布上受到海拔的影響，大體上呈“東南早、西北晚”的分布特征；春小麥和油菜穩(wěn)定通過(guò)0℃、3℃，地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃初日提前的趨勢(shì)較為明顯。通過(guò)氣溫，地溫穩(wěn)定通過(guò)界限溫度初日統(tǒng)計(jì)法建立的春小麥和油菜播種期預(yù)測(cè)模型，其中95%保證率時(shí)，氣溫穩(wěn)定通過(guò)6℃初日、地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃初日模型效果最佳。