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    大氣環(huán)流指數(shù)對海南省稻飛虱發(fā)生的影響

    2018-02-06 07:14:53白蕤李寧吳立
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年15期
    關(guān)鍵詞:稻飛虱環(huán)流海南省

    白蕤 李寧 吳立

    摘要:基于因子膨化方法對74項大氣環(huán)流特征量進行合理擴充,采用相關(guān)分析、回歸分析等方法,完成對1961—2010年海南省稻飛虱發(fā)生面積率等級具有指示意義的大氣環(huán)流因子的篩選及其相應(yīng)等級指標的構(gòu)建,分析大氣環(huán)流影響海南稻飛虱的發(fā)生機制,建立基于大氣環(huán)流的海南稻飛虱發(fā)生面積率預(yù)測模型,并利用2010年資料對模型進行預(yù)測檢驗。結(jié)果表明,影響稻飛虱發(fā)生面積率等級的次序為副熱帶高壓類、極渦類、槽類以及其他類,影響的時段主要為上一年9—10月;不同指示因子的量值在稻飛虱發(fā)生輕、偏輕、偏重和重時差異顯著;關(guān)鍵環(huán)流因子與稻區(qū)氣象要素、海南稻飛虱發(fā)生面積率三者之間的存在密切關(guān)系;大氣環(huán)流模型回代檢驗等級準確率為81.63%,2010年等級預(yù)測準確率為100%,模型總體評價準確率為82%。該模型準確性較高,可為預(yù)測預(yù)報海南稻飛虱提供服務(wù)。

    關(guān)鍵詞:大氣環(huán)流;海南;稻飛虱;發(fā)生面積;因子;發(fā)生機制;預(yù)測模型;回歸分析

    中圖分類號: S435.112+.3文獻標志碼: A

    文章編號:1002-1302(2017)15-0080-05

    我國稻飛虱的發(fā)生程度與遷入蟲量、氣候生態(tài)條件、水稻品種及栽培管理措施等有著密切關(guān)系,其中遷入蟲量是決定其發(fā)生輕重的關(guān)鍵[1-2]。稻飛虱來源大致有3支[2-3]:一支由泰緬北部隨西南季風遷入,主降地區(qū)為云南西南邊境的局部地區(qū);一支由菲律賓于7―8月隨臺風外圍氣旋遷入,主降東南沿海地區(qū);另一支由中南半島隨盛行的西南季風于5—6月遷入,主降兩廣地區(qū),隨后遷向全國稻區(qū)。由此可見,海南省處于主降區(qū),稻飛虱的發(fā)生與大尺度氣候環(huán)流背景密切相關(guān),適宜的大氣環(huán)流場是稻飛虱遷飛的動力和載體。因此,研究海南省稻飛虱發(fā)生的氣候生態(tài)成因,建立并開展稻飛虱發(fā)生的中長期氣象預(yù)測,對增強防御稻飛虱災(zāi)害的能力十分重要。

    國外學(xué)者在氣候?qū)λ静∠x害的影響方面進行了較為系統(tǒng)的研究。Mills等認為,水稻害蟲在盛行的夏季風和季風中沿寬闊的軌跡向北遷移[4]。日本學(xué)者Morishita認為,厄爾尼諾的次年為日本褐飛虱大發(fā)生年[5]。國內(nèi)學(xué)者的研究多集中在對稻飛虱與大氣環(huán)流特征量的相關(guān)性分析上。高蘋等研究發(fā)現(xiàn),江蘇地區(qū)褐飛虱前期遷入量與太平洋海溫場存在顯著的遙相關(guān),水稻白背飛虱蟲情因子與環(huán)流因子之間存在非線性、非單調(diào)的單峰型相關(guān)[6-7];侯婷婷認為,西太平洋副熱帶高壓強度是影響我國稻飛虱發(fā)生的重要因素[8];于彩霞等篩選在我國稻飛虱發(fā)生前期對當年稻飛虱發(fā)生等級具有一定指示作用的大氣環(huán)流因子并構(gòu)建等級指示指標[9];錢拴等探索大尺度環(huán)流背景對我國稻飛虱發(fā)生的影響關(guān)系,以此為基礎(chǔ)建立我國稻飛虱發(fā)生面積中長期預(yù)報模式[10]。

    海南省位于我國的最南端,屬熱帶季風性氣候,全年溫熱給稻飛虱提供良好的生存繁殖和越冬的氣候環(huán)境。1987年4月下旬,海南省瓊海市、陵水黎族自治縣等地早稻局部田塊稻飛虱蟲口百叢密度達1 000~4 500頭,最高可達1.5萬頭,并有相當多的田塊出現(xiàn)“穿頂”[2]。2006年8月中下旬,海南省萬寧市、瓊海市等地的晚稻正處分蘗期,稻飛虱蟲口百叢密度為500~4 000頭,最高可達2萬頭,稻株全部枯干倒伏、顆粒無收[11]。王月姣等調(diào)查了海南省文昌市稻飛虱的發(fā)生規(guī)律,并從蟲源、氣候、品種、肥水管理等方面分析了稻飛虱成災(zāi)發(fā)生的原因[12]。肖彤斌等分析了海南省稻飛虱發(fā)生特點及成災(zāi)原因,并提出了相應(yīng)的防治措施[11]。目前,對海南省稻飛虱的研究多是定性、機制性的描述,或是部分區(qū)域、站點的針對性研究,而針對海南省稻飛虱的氣候背景研究甚少。本研究從全面反映大氣環(huán)流的74項特征量入手,根據(jù)海南省水稻種植制度和區(qū)域分布,探索大尺度環(huán)流背景對海南省稻飛虱發(fā)生的影響關(guān)系,以此為基礎(chǔ)建立海南省稻飛虱發(fā)生面積中長期預(yù)報模型,開展服務(wù),以便及早做好防御工作,減輕稻飛虱造成的危害和損失。

    1材料與方法

    1.1材料來源

    74項大氣環(huán)流特征量逐月資料取自國家氣候中心,時間為1960—2010年,具體情況如表1所示。稻飛虱資料來自全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,包括1961—2010年海南省稻飛虱逐年的發(fā)生面積、導(dǎo)致的水稻損失等。水稻面積、產(chǎn)量資料來自海南省統(tǒng)計年鑒,包括1961—2010年逐年的水稻種植面積、總產(chǎn)量等。

    1.2資料處理方法

    1.2.1稻飛虱發(fā)生等級劃分

    為消除水稻種植面積對稻飛虱發(fā)生面積的影響, 將稻飛虱發(fā)生面積轉(zhuǎn)化為稻飛虱發(fā)生面積率,即稻飛虱發(fā)生面積率=當年稻飛虱發(fā)生面積/當年水稻種植面積×100%[9]。由此得出歷年稻飛虱發(fā)生面積率距平序列。

    計算1961—2010年稻飛虱發(fā)生面積率的平均值,以平均值上下波動50%為等級間隔,對稻飛虱發(fā)生面積率進行輕、偏輕、偏重、重4個等級劃分[9],分別對應(yīng)發(fā)生程度1、2、3、4級(表2)。

    1.2.2預(yù)測因子膨化

    預(yù)測因子膨化技術(shù)能合理擴充不同時段環(huán)流特征量的信息,構(gòu)建的預(yù)測模型具有時間上的連續(xù)性,在預(yù)測準確率和挑選預(yù)測關(guān)鍵時段方面也具備優(yōu)勢[13]。

    根據(jù)統(tǒng)計各氣象站的水稻生育期,研究區(qū)水稻最早可在1月播種??紤]到稻飛虱的發(fā)生對大氣環(huán)流響應(yīng)的滯后性和各氣象站的水稻生育期,將上一年1月作為水稻稻飛虱因子膨化的時段組合起始時間,上一年12月作為時段組合的終止時間。通過因子膨化的方法從上一年1月至上年12月,按照1個月、2個月直至12個月對74項大氣環(huán)流特征量進行時段組合。其中,第4、第15、第26、第37項的每年6—9月無數(shù)據(jù),不參與時段組合。第65、第66、第70項每年6—8月無數(shù)據(jù),不參與時段組合,所有特征量共組合6 642個大氣環(huán)流因子。

    1.2.3相關(guān)性分析

    不同時間段組合的大氣環(huán)流特征量與海南省稻飛虱發(fā)生面積率之間的相關(guān)系數(shù)計算公式如下:endprint

    2結(jié)果與分析

    2.1影響海南省稻飛虱發(fā)生面積率的大氣環(huán)流特征量

    2.1.1影響海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流特征因子及影響時段

    由圖1可看出,74項環(huán)流特征因子中通過0.001水平顯著性檢驗的影響時段數(shù)和關(guān)鍵因子數(shù)。影響海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流因子有40項,其中副熱帶高壓類環(huán)流特征因子顯著影響時段數(shù)為518個,關(guān)鍵環(huán)流因子有22項,占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的55%;極渦類環(huán)流因子顯著影響時段數(shù)為340個,關(guān)鍵環(huán)流因子有10項,占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的25%;環(huán)流類因子顯著影響時段數(shù)為27個,關(guān)鍵環(huán)流因子有3項,占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的7.5%;槽類環(huán)流因子顯著影響時段數(shù)為17個,關(guān)鍵環(huán)流因子有3項,占全部關(guān)鍵環(huán)流[CM(25]特征因子的7.5%;其他類環(huán)流因子顯著影響時段數(shù)為5

    [TPBR1.tif]

    個,關(guān)鍵環(huán)流因子有2項,占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的5%。由此可見,北半球大氣環(huán)流對海南省稻飛虱發(fā)生面積率的發(fā)生影響程度次序為副熱帶高壓類>極渦類>環(huán)流類>槽類>其他類,其中副熱帶高壓類與海南省稻飛虱發(fā)生面積率的關(guān)系最為密切,其次為極渦類。副熱帶高壓面積指數(shù)、強度指數(shù)分別與海南省稻飛虱發(fā)生面積率呈正相關(guān),極渦類呈負相關(guān)。副熱帶高壓類的東太平洋副高北界、北非副高脊線、極渦類的北半球極渦強度指數(shù)對稻飛虱發(fā)生面積率影響顯著,最大相關(guān)系數(shù)分別是-0.794、0.655、-0.735,均達到極顯著相關(guān)。而副高北界和副高脊線與海南省稻飛虱發(fā)生相關(guān)程度較低,22個指數(shù)中僅有5個指數(shù)與海南省稻飛虱發(fā)生面積率的相關(guān)達到 0.001 顯著水平,且不同區(qū)的副高北界和脊線與海南省稻飛虱發(fā)生的相關(guān)情況不同,既有正相關(guān)也有負相關(guān)。

    對海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流特征因子進行影響時段統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),上一年1月至當年1月關(guān)鍵環(huán)流特征因子對海南省當年稻飛虱發(fā)生面積率均有顯著的影響。其中上一年9—10月和上一年的7—10月為集中影響時段,其次是上一年的2月至當年1月和上一年的3月至當年1月。各類關(guān)鍵環(huán)流因子中,副熱帶高壓類和極渦類環(huán)流因子對海南省稻飛虱的影響最為重要,其中上一年9—10月副熱帶高壓類環(huán)流因子的影響最為明顯,上一年6—11月極渦影響也比較明顯;而環(huán)流類、槽類和其他類環(huán)流特征因子對海南省稻飛虱的影響遠小于前兩者,其中環(huán)流類影響時段主要集中在上一年4月至當年1月。

    2.1.2影響海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流特征因子指標

    近50年(1961—2010)來,海南省稻飛虱發(fā)生面積呈明顯上升趨勢,以平均1萬 hm2/10年的速度增加。由圖2可看出,稻飛虱發(fā)生面積和發(fā)生面積率從20世紀60年代開始呈逐年緩慢增加趨勢,1985、1991、1997年呈現(xiàn)不同程度的小高峰,21世紀后呈現(xiàn)明顯增加的趨勢,到2009年達到最高值,稻飛虱的發(fā)生面積達到了9.44萬hm2,較20世紀80年代以前的發(fā)生面積增加近10倍。

    根據(jù)海南省稻飛虱發(fā)生面積率分級類別(表2),計算每個關(guān)鍵特征因子相應(yīng)級別的平均值,判斷關(guān)鍵環(huán)流因子量值在稻飛虱輕、偏輕、偏重、重發(fā)生時候的差異,篩選出量值差異較為明顯的關(guān)鍵環(huán)流因子作為稻飛虱發(fā)生等級的指示因子,以指示因子在4個發(fā)生等級的量值構(gòu)建稻飛虱發(fā)生等級的指示指標。選取對海南省氣候影響更為直接的因子(表3),共7個。其中關(guān)鍵環(huán)流特征因子表達為環(huán)流特征量編號、開始月份、結(jié)束月份,例如1s9s10為1號環(huán)流特征量,時段是上一年9—10月。篩選因子時應(yīng)注意對多個大氣環(huán)流特征量之間相互關(guān)聯(lián)和同一環(huán)流特征量的多個表征指數(shù),只挑選其中對稻飛虱發(fā)生影響最顯著的一個指數(shù);對于同一指數(shù)的多個時段,只篩選持續(xù)時間長、差異最顯著的時段。

    2.2大氣環(huán)流影響海南省稻飛虱發(fā)生的機制分析

    本研究對影響稻飛虱發(fā)生面積的關(guān)鍵環(huán)流特征因子,稻區(qū)上一年1月至當年1月不同時間段組合的平均氣溫、降水量、日照時數(shù)與海南省稻飛虱發(fā)生面積率三者之間進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明,關(guān)鍵環(huán)流特征因子與稻區(qū)的光、溫、水等生態(tài)氣象條件有著密切的關(guān)系,光、溫、水與大氣環(huán)流特征因子的相關(guān)程度次序為平均溫度>日照時數(shù)>降水量,并且同海南省稻飛虱發(fā)生面積率與稻區(qū)平均氣溫、降水量、日照時數(shù)的相關(guān)情況一致。這說明關(guān)鍵環(huán)流因子、稻區(qū)生態(tài)氣象條件和稻飛虱發(fā)生面積率三者之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。大氣環(huán)流影響稻區(qū)的氣溫、日照時數(shù)、降水量等條件,氣溫、日照時數(shù)、降水量等又影響稻飛虱的發(fā)生發(fā)展,三者之間存在較好的影響機制。這種關(guān)系具體表現(xiàn)為稻飛虱是變溫動物,它的體溫基本上取決于周圍的環(huán)境溫度,其生殖活動、遷飛行為、種群數(shù)量、存活率、壽命等在很大程度上受外界溫度所支配[15]。降水量影響稻飛虱的遷飛能力、體質(zhì)量變化、蟲口數(shù)量、存活率及發(fā)生程度等,有利時起加速促進作用,不利時則產(chǎn)生抑制作用[16]。光照時數(shù)對稻飛虱的取食、棲息、交尾、產(chǎn)卵等行為有關(guān)[17]。

    隨機選取一個大氣環(huán)流因子,即北半球極渦強度指數(shù)(表3),具體分析其與海南省稻飛虱發(fā)生面積率的關(guān)系。結(jié)果表明,上一年2—12月北半球極渦強度指數(shù)與當年海南省稻飛虱發(fā)生面積率呈明顯負相關(guān)(圖3),即北半球極渦強度指數(shù)小的年份,稻飛虱發(fā)生面積率偏高。1991—2006年北半球極渦強度整體呈減弱趨勢,稻飛虱發(fā)生面積率整體呈上升趨勢,即北半球極渦強度偏強不利于海南省稻飛虱的大發(fā)生。這主要是因為極渦是大規(guī)模冷空氣的表征,極渦面積越小,強度越弱、冷空氣積聚越少。當北半球極渦強度指數(shù)偏小,入侵冷空氣次數(shù)少、強度弱,使秋冬季氣溫偏高,進入越冬階段推遲,有利于稻飛虱在冬前侵染繁殖時間的延長、冬季繁殖或殘存數(shù)量的增加、越冬基數(shù)的增加以及范圍擴大,導(dǎo)致其越冬死亡率降低,致使第二年侵染基數(shù)增加。另外,如果春季氣溫回升較快,會使稻飛虱發(fā)育加快,繁殖代數(shù)增加,遷入為害期提前,從而引發(fā)稻飛虱暴發(fā)[15]。

    2.3海南省稻飛虱發(fā)生面積率長期預(yù)報模型的建立及效果驗證endprint

    在建立模型時使用1961—2009年的關(guān)鍵環(huán)流因子和海南稻飛虱發(fā)生面積率,2010年資料留做預(yù)測檢驗使用。建模時采用明顯影響海南省稻飛虱的關(guān)鍵環(huán)流因子與稻飛虱發(fā)生面積率進行逐步回歸分析,建立基于大氣環(huán)流因子的海南省稻飛虱發(fā)生面積率的多元回歸預(yù)測模型,所建模型通過了0001水平的顯著性檢驗。

    y=0.014x1-0.002x2+1.496x3-2.875x4-0.197x5-0.211x6+0.094x7+45 (R2=0.767,F(xiàn)=19.31)。[JY](6)

    式中:y為稻飛虱發(fā)生面積率,%;x1為上一年9—10月北半球副熱帶高壓面積指數(shù);x2為上一年9—10月北非副高強度指數(shù);x3為當年1月北非副高脊線;x4為上年12月東太平洋副高北界;x5為上一年2—12月北半球極渦強度指數(shù);x6為上一年12月大西洋歐洲環(huán)流型W;x7為上一年3月至當年1月西藏高原(25~35°N、80~100°E)。

    根據(jù)稻飛虱發(fā)生面積率等級劃分標準,利用模型對1961—2009年海南省稻飛虱發(fā)生面積率進行回代檢驗,對2010年進行預(yù)測檢驗(表4)??紤]到稻飛虱發(fā)生面積率的實際意義,當發(fā)生面積率預(yù)測值<0時,統(tǒng)一修正為0。結(jié)果表明,在49年建模樣本中,預(yù)測等級與實際等級相同的有40年,預(yù)測等級與實際等級相差一級的有8年,相差2級的有1年,模型回代檢驗等級準確率為81.63%,對2010年稻飛虱發(fā)生面積率的等級預(yù)測與實際相符。總體來說,模型的等級評價準確率為82%。通過以稻飛虱發(fā)生面積率逐年實際值與基于大氣環(huán)流模型的擬合值對比發(fā)現(xiàn),除了2009年超過10%以上,其他年份的預(yù)測值與實際值的誤差相對較小,回歸預(yù)測模型對海南省稻飛虱的整體擬合效果較好。

    3結(jié)論與討論

    利用1961—2010年海南省稻飛虱發(fā)生面積率與膨化后的大氣環(huán)流特征量進行相關(guān)分析,篩選出對海南省稻飛虱發(fā)生影響顯著的大氣環(huán)流特征量及組合時段。其中,副熱帶高壓類和極渦類環(huán)流量對海南省稻飛虱發(fā)生影響最為明顯, 其次為極渦類。副熱帶高壓類環(huán)流特征量對稻飛虱發(fā)生面積率的影響為正效應(yīng);極渦類對稻飛虱發(fā)生面積率的影響為負效應(yīng)。大氣環(huán)流因子影響海南省稻飛虱發(fā)生的時段主要為上一年9—10月和上一年的7—10月。

    以稻飛虱發(fā)生面積率歷年平均值及平均值上下波動50%為參考,將稻飛虱發(fā)生等級分為輕、偏輕、偏重、重4個等級,篩選出稻飛虱發(fā)生等級的大氣環(huán)流指示因子,以指示因子在稻飛虱各發(fā)生等級的平均值構(gòu)建稻飛虱發(fā)生等級指標。研究表明,影響稻飛虱發(fā)生面積率等級的指示因子為東太平洋副高北界、北半球極渦強度指數(shù)、北半球副熱帶高壓面積指數(shù)、北非副高強度指數(shù)、北非副高脊線、大西洋歐洲環(huán)流型W、西藏高原(25~35°N、80~100°E)。7個關(guān)鍵環(huán)流指標的指示性最好,明顯表達了各個發(fā)生級別的差異。

    通過分析關(guān)鍵環(huán)流因子、稻區(qū)氣象要素(光、溫、水)、海南稻飛虱發(fā)生面積率三者之間的關(guān)系,探討大氣環(huán)流對海南稻飛虱發(fā)生的可能影響機制。結(jié)果表明,它們存在密切關(guān)系,大氣環(huán)流不僅是稻飛虱遷飛的動力和載體,而且通過影響稻區(qū)生態(tài)氣象條件從而影響稻飛虱的發(fā)生發(fā)展。另外研究發(fā)現(xiàn),北半球極渦強度指數(shù)與海南省稻飛虱發(fā)生面積率之間呈負相關(guān)關(guān)系。當北半球極渦面積強度偏小時,入侵冷空氣次數(shù)少、強度弱,導(dǎo)致秋冬季氣溫偏高。由于海南省地處熱帶地區(qū),氣候條件有利于稻飛虱在冬季有少量的蟲源存活,暖冬可以使稻飛虱冬季大量繁殖或殘存數(shù)量大幅度增加,越冬范圍擴大、蟲源基數(shù)提高[15]。

    以影響海南省氣候最為直接的7個關(guān)鍵環(huán)流特征因子為預(yù)測因子,建立海南省稻飛虱發(fā)生面積率預(yù)測模型。模型回代檢驗等級準確率為81.63%,對2010年等級預(yù)測與實際相符??傮w來說,模型的等級評價準確率為82%,回歸預(yù)測模型對海南省稻飛虱的整體擬合效果較好。由于資料限制,本研究僅考慮在大氣環(huán)流因子對稻飛虱發(fā)生面積的影響,沒有考慮人類的生產(chǎn)活動對稻飛虱發(fā)生面積造成的影響,如耕作栽培制度、肥水管理等。而稻飛虱是遷飛性害蟲,其發(fā)生發(fā)展與其遷入的時段、蟲源基數(shù)、極端氣候事件、防治技術(shù)等因素有關(guān)[17-19],若在應(yīng)用模型時對其進行訂正,預(yù)報效果將會更好。

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