基于氣候適宜度的水稻發(fā)育期預報模型

孫貴拓　楊若翰　楊柯　王鵬云　王輝　曾艷　胡春偉

摘要?利用昆明1994—2012年水稻發(fā)育期觀測資料和地面氣象觀測資料，計算各發(fā)育階段綜合氣候適宜度，構(gòu)建基于氣候適宜度的水稻發(fā)育期預報模型。結(jié)果表明，各發(fā)育階段間隔日數(shù)預報模型預測值與實測值平均絕對誤差均在3?d以內(nèi)，其中拔節(jié)—孕穗期平均絕對誤差為0;其次為三葉—返青、孕穗—抽穗、乳熟—成熟期平均絕對誤差均為1?d;返青—分蘗、分蘗—拔節(jié)期平均絕對誤差為2～3?d。全生育期預測值與實測值平均絕對誤差為1?d。預報模型模擬效果較好，可在水稻發(fā)育期預報業(yè)務(wù)中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞?氣候適宜度;水稻;發(fā)育期;預報模型

中圖分類號?S162文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0231-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.066

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Prediction?Model?of?Rice?Developmental?Phase?Based?on?Climatic?Suitability

SUN?Gui?tuo，YANG?Ruo?han，YANG?Ke?et?al?（Kunming?Agrometeorological?Station?of?Yunnan?Province，Kunming，Yunnan?650228）

Abstract?Based?on?the?observed?data?of?rice?developmental?phase?and?weather?data?from?1994?to?2012?in?Kunming，the?comprehensive?climatic?suitability?at?each?developmental?phase?was?calculated?to?construct?prediction?model?of?rice?developmental?phase.The?average?absolute?error?between?the?predicted?and?measured?values?of?the?prediction?model?of?the?interval?days?of?each?development?phase?was?within?3?days?all.The?average?absolute?error?of?the?joint?booting?stage?was?0，followed?by?the?three?leaves?returning，booting?heading，milking?maturity?mature?stage，the?average?absolute?error?was?1?d，and?the?returning?tillering，tilleringjointing?stage?were?2-3?d?last.The?average?absolute?error?between?the?predicted?and?measured?values?of?the?whole?growth?period?was?1?d.The?prediction?model?had?a?good?predicted?effect?and?can?be?popularized?and?applied?in?the?prediction?business?of?rice?developmental?stages.

Key?words?Climatic?suitability;Rice;Developmental?phase;Prediction?model

水稻是我國播種面積最大、總產(chǎn)量最多、單產(chǎn)量最高的糧食品種，在糧食生產(chǎn)和消費中處于主導地位[1]。云南水稻播種面積約占全省農(nóng)作物播種面積的1/3，水稻是云南主要的糧食作物[2]。

云南地處低緯高原，地形復雜，形成了獨特的氣候，其在全國雜交水稻種植區(qū)屬最佳種植區(qū)域之列[3]，但與同緯度相鄰地區(qū)比較，水稻生長期氣候條件的特點是氣溫偏低、水稻生育期長、播種育秧期常有“倒春寒”、中期高溫不足[4]。昆明位于中國氣候的脆弱帶?，同時受到東亞、西南兩支季風進退異常和明顯年際變化的影響，氣候變率極不穩(wěn)定，氣象災害頻發(fā)[5]。尤其是在全球變暖的氣候背景下，不同地區(qū)水稻種植的氣候適宜性也發(fā)生了變化，研究氣候變化對水稻生產(chǎn)的影響[6-7]已成為全球氣候變化研究中的一項重要課題，并且水稻發(fā)育期模型研究更是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。加強水稻農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，對防御農(nóng)業(yè)氣象災害，采用合理的栽培管理措施有十分重要的意義。然而，這些服務(wù)的前提是需要預知水稻未來所處的發(fā)育狀態(tài)，才能因時、因地、有針對性地進行農(nóng)業(yè)氣象災害預警和管理決策服務(wù)。因此，研究水稻發(fā)育期預報方法、準確提供發(fā)育期預報十分必要。

作物發(fā)育期的預報即是對作物從一個發(fā)育期到另一個相鄰發(fā)育期所經(jīng)歷時間間隔天數(shù)的預報，國內(nèi)外發(fā)展了很多作物發(fā)育期模擬模型，法國人?Reanmar早在1735年就創(chuàng)建基于積溫模擬的作物發(fā)育期模型（growing?degree?days，GDD），積溫模型隨后在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用[9-10];高亮之等[11]提出適合于計算機應(yīng)用的動態(tài)模擬模型——水稻鐘模型;戚昌瀚[12]、沈國權(quán)[13]建立了水稻發(fā)育溫度效應(yīng)的非線性模型。近年來，人們認識到采用單一氣象因子的作物發(fā)育期模型已不能完全解釋作物生長發(fā)育進程，隨著作物發(fā)育期模型研究的深入，模型得到不斷改善，眾多學者提出了以生理發(fā)育時間（physiological?development?time，PDT）[14-15]為尺度，考慮了光、溫因子的作用，建立作物發(fā)育期預測模型，但模型中同樣沒有考慮水分條件對作物發(fā)育速率的影響。為綜合考慮光、溫、水等氣象條件對水稻生長發(fā)育進程的影響，任玉玉等[16]提出了作物氣候適宜度評價方法;孔令帥等[17]將氣候適宜度應(yīng)用于水稻產(chǎn)量及冬小麥發(fā)育期預報，取得了很好的效果。但采用氣候適宜度對水稻發(fā)育期模擬的研究尚不多見，筆者采用氣候適宜度對水稻發(fā)育期模型進行模擬預報，為水稻生產(chǎn)氣象服務(wù)提供科學依據(jù)。

1?資料與方法

1.1?資料來源?選取昆明國家氣候基準站1994—2014年逐日平均氣溫、日照時數(shù)、降水量資料，以及昆明國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站1994—2014年平行觀測的水稻發(fā)育期數(shù)據(jù)。?根據(jù)水稻生長發(fā)育及昆明地區(qū)水稻種植特點，因播種—三葉期水稻為覆膜或搭棚育秧，其生長發(fā)育受膜或棚內(nèi)小氣候條件影響，因此，該研究將水稻全生育期劃分為三葉—返青、返青—分蘗、分蘗—拔節(jié)、拔節(jié)—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—乳熟、乳熟—成熟7個生長發(fā)育階段。

1.2?研究方法

1.2.1?溫度適宜度。

根據(jù)溫度三區(qū)間理論[18]，影響作物生長發(fā)育的溫度指標包括下限溫度、適宜溫度和上限溫度，作物各生長發(fā)育階段三基點溫度各不相同。適宜溫度能夠促進作物生長，而極端溫度通過對作物組織的破壞作用影響干物質(zhì)累積，抑制作物生長，溫度適宜度計算公式為：

S（T）=[（T-T?1）（T?h-T）B]/[（T?0-T?1）（T?h-T?0）B]（1）

B=（T?h-T?0）/（T?0-T?1）（2）

式中，S（T）為溫度適宜度，T為某日平均氣溫，T?0?、T?1和T?h分別為水稻各發(fā)育期所需的適宜溫度、下限溫度和上限溫度，水稻各生育期T?0、T?1、T?h不同（表1）。當T≤T?1或T≥T?h時，S（T）=0;當T=T?0?時，S（T）=1;當T?1

1.2.2?日照適宜度。日照適宜度計算公式為：

S（S）=e??-[（S-S?0）]/b]2S<S?0

1S≥S?0（3）

式中，S（S）為水稻某發(fā)育階段某日日照適宜度，S為某日日照時數(shù)，S?0為臨界日照時數(shù)，即日照百分率達70%時的日照時數(shù)，b為經(jīng)驗常數(shù)，水稻不同發(fā)育階段S?0和b的取值參照表2。當實際日照時數(shù)大于臨界日照時數(shù)（最適宜日照時數(shù)）?時，S（S）?為?1，此時光照對水稻生長發(fā)育最為適宜，S（S）也是在0～1取值的隸屬函數(shù)。

1.2.3?降水適宜度。降水適宜度計算公式如下：

S（R）=R/R?0R<R?0?R?0/RR≥R?0?（4）

式中，S（R）為降水適宜度，R為水稻某發(fā)育階段降水量，R?0為水稻某發(fā)育階段需水量。因水稻生長期水分來源不僅是自然降水，即使降水不足，也可以通過人工灌溉補充水分，且昆明水稻種植區(qū)灌溉條件較好，在計算光溫水綜合適宜度時，默認水分適宜度?S（R）為0.7[19]。

1.2.4?氣候適宜度。氣候適宜度能反映光、溫、水對水稻生育期的綜合影響，其計算式為：

S=3S（T）×S（R）×S（S）?（5）

式中，S為某日水稻氣候適宜度，S（T）、S（R）、S（S）為分別對應(yīng)的溫度、降水、日照適宜度。

1.2.5?發(fā)育日數(shù)與氣候適宜度。

當氣候適宜度（S）計算值為1時，表明該日非常適宜水稻生長，可將這一日確定為1個生長發(fā)育日;當氣候適宜度（S）計算值為0～1時，說明該日的氣象條件對水稻生長發(fā)育有影響，可將這一日確定為相應(yīng)數(shù)值的生長發(fā)育日數(shù);當氣候適宜度（S）計算值為0時，說明該日不利于水稻生長發(fā)育，水稻停止生長。即某日的氣候適宜度值，就是水稻生長發(fā)育日數(shù)，相鄰2個發(fā)育期間的發(fā)育日數(shù)由對應(yīng)時段內(nèi)的逐日氣候適宜度累加求得。

根據(jù)天氣預報產(chǎn)品，利用（1）～（5）式計算水稻某一發(fā)育階段逐日氣候適宜度，結(jié)合歷年水稻發(fā)育期觀測資料，統(tǒng)計水稻從一個發(fā)育期到進入下一個相鄰發(fā)育期所需的累計氣候適宜度，計算該發(fā)育階段累積氣候適宜度的多年平均值，作為該發(fā)育階段的氣候適宜度生理發(fā)育指標。各發(fā)育階段氣候適宜度生理發(fā)育指標計算公式為：

Ijk=mi=1S?i（6）

I?k=1nnj=1Ijk（7）

式中，Ijk表示第k年第j個發(fā)育階段累計氣候適宜度，m為各發(fā)育階段持續(xù)日數(shù)，I?k為各發(fā)育階段生理發(fā)育指標，n為發(fā)育期觀測資料年數(shù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?發(fā)育期氣候適宜度預報模型

利用1994—2012年昆明水稻不同發(fā)育階段的發(fā)育日數(shù)（x）和相鄰2個發(fā)育期實際間隔日數(shù)（y）建立不同發(fā)育階段持續(xù)天數(shù)的預報模型y=ax+b，各發(fā)育階段模型參數(shù)a、b取值及相關(guān)系數(shù)見表3。結(jié)果顯示，除拔節(jié)—孕穗、乳熟—成熟2個發(fā)育階段模型相關(guān)系數(shù)稍差外，分別為0.753、0.768，其他生長發(fā)育階段模擬模型相關(guān)性較好，均達到了0.800以上，三葉—返青、孕穗—抽穗的相關(guān)系數(shù)達到了0.900以上。

2.2?發(fā)育期動態(tài)預報

采用1994—2014年水稻發(fā)育期觀測數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，計算并統(tǒng)計得到三葉—返青、返青—分蘗、分蘗—拔節(jié)、拔節(jié)—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—乳熟、乳熟—成熟各發(fā)育階段氣候適宜度生理發(fā)育指標分別為16.2、9.8、15.1、6.9、4.8、13.8、12.0。當某一發(fā)育期的具體日期確定時，根據(jù)最新天氣預報產(chǎn)品光、溫、水等氣象要素預測值，計算逐日氣候適宜度并進行累加，當累積氣候適宜度達到該發(fā)育階段的氣候適宜度生理發(fā)育指標時，即說明水稻進入下一發(fā)育期，該日即為下一相鄰發(fā)育期的具體預報日期。

2.3?檢驗

2.3.1?模型檢驗。

采用（1）～（5）式計算各發(fā)育階段逐日氣候適宜度，將各發(fā)育階段逐日氣候適宜度累加即為相應(yīng)發(fā)育階段間隔日數(shù)模擬預測值，比較各發(fā)育階段間隔日數(shù)實測值與模擬預測值。結(jié)果顯示（圖1），各發(fā)育階段間隔日數(shù)實測值與模擬預測值變化趨勢基本一致，實測值與預測值平均絕對誤差為1～4?d，其中孕穗—抽穗階段平均絕對誤差最小，為1?d;分蘗—拔節(jié)階段平均絕對誤差最大，為4?d;全生育期平均絕對誤差為3?d，模擬效果較好。

2.3.2?預報檢驗。

利用2013和2014年昆明國家基準氣候站地面觀測氣象數(shù)據(jù)及相應(yīng)時段昆明國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站水稻發(fā)育期大田觀測數(shù)據(jù)，對各發(fā)育階段發(fā)育期預報模型進行

預報檢驗（表4）。各生育期實測值與預測值平均絕對誤差均在3?d以內(nèi)，其中拔節(jié)—孕穗期平均絕對誤差為0，模擬預報效果最好;其次為三葉—返青、孕穗—抽穗、乳熟—成熟期，平均絕對誤差均為1?d;返青—分蘗、分蘗—拔節(jié)期預報效果稍差，平均絕對誤差為2～3?d。全生育期預測值與實測值平均絕對誤差為1?d，且各發(fā)育階段預測值與實測值散點圖比較集中（圖2），預報模型精確，能滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

3?結(jié)論與討論

溫度、降水、日照等氣象條件對作物的生長發(fā)育速度和產(chǎn)量形成有顯著影響[20]。該研究在考慮溫度、降水、日照因子綜合作用基礎(chǔ)上，基于氣候適宜度方法，建立了水稻三葉—成熟期各發(fā)育階段的發(fā)育期預報模型，并可鏈接天氣預報業(yè)務(wù)，實現(xiàn)水稻發(fā)育期動態(tài)預報業(yè)務(wù)化應(yīng)用，相對于單一采用積溫或只考慮光、溫因子影響建立的預報模型有較大的改進[21-22]。模型檢驗結(jié)果表明，各發(fā)育階段間隔日數(shù)預測值與實測值一致性較好，平均絕對誤差均在3?d以內(nèi)，全生育期預報值與實測值平均絕對誤差為1?d，拔節(jié)—孕穗期模擬效果最好，平均絕對誤差為0;返青—分蘗、分蘗—拔節(jié)期預報效果稍差，平均絕對誤差為2～3?d。

由于水稻是一種灌溉作物，土壤水分的遷移和存儲過程十分復雜，而該研究的降水適宜度只考慮了大氣降水與作物需水的關(guān)系，未對土壤水分遷移和存儲做詳細探討。除此之外，作物的生長發(fā)育進程還與其生物學特性有關(guān)，吳玉潔等[23]利用不同積溫計算方法對作物發(fā)育期模擬效果對比時發(fā)現(xiàn)，分品種的模擬效果較不分品種的模擬效果更優(yōu)，該研究未對不同年份不同品種的水稻發(fā)育期模擬效果進行分類比較，有關(guān)品種對水稻發(fā)育期預報模型模擬效果的影響機理有待進一步完善。

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