近30年榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生的時(shí)間特征研究

杜心元，徐玉霞，陳 倩，廖 欣

(1.寶雞文理學(xué)院/ 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 寶雞 721013；2. 榆林市星元小學(xué), 陜西 榆林 719400)

進(jìn)入新世紀(jì)以來，由于全球氣候的格局有所變化，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)被波及而有所改變，使得農(nóng)作物病蟲害的問題在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活中表現(xiàn)異常突出[1～2]。整個(gè)農(nóng)業(yè)部門的關(guān)鍵就在于農(nóng)作物的種植，其對于人類生存和發(fā)展的意義也是不可比擬的，而由于農(nóng)作物的生存、生長是在大自然中，它的生長情況不可避免的會受到自然災(zāi)害的影響[3]。自然災(zāi)害是指發(fā)生在我們賴以生存的自然界中，具有危害性的自然變異和極端事件。主要發(fā)生類型有：地質(zhì)、地貌、氣象、生物和天文災(zāi)害。病蟲害，是生物災(zāi)害中常見的一種，常指農(nóng)作物在病蟲的危害下，生長、發(fā)育出現(xiàn)不健康的狀態(tài)，從而使得作物產(chǎn)量減少，造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自身具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，所以，災(zāi)害的發(fā)生強(qiáng)度在自然狀態(tài)下是處于正常范圍內(nèi)。然而，要是人類的強(qiáng)加干預(yù)和其他外力因素一同影響，那么農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定則一定會被破壞，使得農(nóng)作物在非良性循環(huán)的環(huán)境中繼續(xù)生存，在有害生物不斷的危害下，最終導(dǎo)致災(zāi)變發(fā)生。歐陽芳等[4]對我國1991-2010年期間，幾類糧食作物發(fā)生病蟲害的面積和強(qiáng)度的變化趨勢進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：在研究時(shí)間段內(nèi)，這幾種農(nóng)作物發(fā)生病蟲害的面積和強(qiáng)度都有明顯的增加。黃國勤等[5]進(jìn)行了大量調(diào)查，研究了江蘇省農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)：江蘇省病蟲害由于異常的氣候變化影響，病蟲害發(fā)生嚴(yán)重，范圍大且面積廣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的災(zāi)變情況越來越嚴(yán)重。趙淼等[6]研究認(rèn)為，我國農(nóng)作物的病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率分別以 8 520.05千hm2次/年和0.605%/a的速率增長。趙夢等[7]研究結(jié)果得出：我國從2000到2010年期間，水稻種植區(qū)發(fā)生病蟲害的面積有明顯的上升態(tài)勢。白基恒等[8]研究分析得出：從1950到2013年，重慶市水稻病蟲害的災(zāi)變率是呈上升的趨勢，尤其到1980年之后，發(fā)生范圍廣，損失增大。王茀望等[9]研究證明2000年以來，海南省農(nóng)區(qū)鼠害呈現(xiàn)發(fā)生面積逐年上升，發(fā)生越發(fā)嚴(yán)重。GE Saiying[10]利用中國的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究了中國從1991-2010年，棉花發(fā)生病蟲害的面積、防治程度和損失率的變化特征。這些研究對于西北地區(qū)的研究較少，本文以榆林市為研究區(qū)域，揭示榆林市農(nóng)作物病蟲害的時(shí)間變化特征，從災(zāi)害科學(xué)的角度進(jìn)行農(nóng)作物病蟲害研究[11]，為本地區(qū)研究關(guān)于生物災(zāi)害可以提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

榆林市位于東經(jīng)107°28到111°15’和北緯36°57’到39°34’之間，隸屬于陜西省，東邊相隔黃河，與山西省相望，西部接寧夏、甘肅省，北部與內(nèi)蒙古為鄰，南邊是本省的延安市。處于半干旱地區(qū)，為大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，四季分明春季干旱少雨，夏季炎熱高溫，秋季降水較多，冬季干旱漫長[12]。日照時(shí)間長，無霜期短，年平均氣溫10℃左右，年平均降水為400 mm左右。地貌類型北部為風(fēng)沙草灘區(qū)；南部是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。平均海拔在1 000～1 500 m。每年都會出現(xiàn)不同程度的自然災(zāi)害發(fā)生。全市2017年農(nóng)業(yè)戶籍人口284.7萬人，耕地總資源約108.18萬hm2，人均耕地為0.38 hm2。2017年，農(nóng)作物的主要播種的面積約為623 753 hm2，其中，糧食作物種植的面積為488 187 hm2，主要種植玉米、小麥、水稻和馬鈴薯等，播種油料作物的面積為53 719 hm2，主要是花生。2017年全年糧食作物總產(chǎn)量達(dá)1 658 921 t，油料作物總產(chǎn)量達(dá)101 421 t。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文中，1990到2017年農(nóng)作物播種面積是選取于2018年“榆林市統(tǒng)計(jì)年鑒”中部分?jǐn)?shù)據(jù)；1986到2018年農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生面積、防治面積是選取于榆林市農(nóng)業(yè)局1986-2018年統(tǒng)計(jì)資料；2008-2017年糧食作物實(shí)際損失數(shù)據(jù)來源于榆林市農(nóng)業(yè)局1986-2017年統(tǒng)計(jì)資料。

2.2 研究方法

防治率:W=(C/B)×100%

上式中的字母代表著農(nóng)作物的各項(xiàng)指標(biāo)，A、B、C、D分別是:播種面積(千公頃)、發(fā)生面積(千公頃次)、防治面積(千公頃次)、實(shí)際損失(t)。

(2)變化傾向率

為了分析發(fā)生率和防治率等災(zāi)害要素，分析病蟲害的時(shí)間變化特征，反應(yīng)病蟲害的變化趨勢，以時(shí)間 t自變量為，建立一元線性回歸方程，公式如下:

y=a+bx

上式中，y 是災(zāi)害因子，x 是時(shí)間(為1986-2018年)，b為線性趨勢項(xiàng)， b×10為災(zāi)害因子每10 a的災(zāi)害變化傾向率，可以定量的分析農(nóng)作物病蟲害變化的趨勢[13]。

(3)距平分析

其中λ為波長,αn,βn(t)可根據(jù)建立的幾何模型進(jìn)行推導(dǎo)(詳細(xì)表達(dá)式參見附錄A).式(4)～(6)表示由于p發(fā)射天線到q接收天線傳播總距離導(dǎo)致的相位變化,式(7)是由于列車移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻移,其中是最大多普勒頻移:

距平是指變量偏離正常情況的量，在一組序列中，某一個(gè)值與均值之差就是距平，反應(yīng)數(shù)據(jù)偏離平均值的程度[14]。經(jīng)過距平處理，可以轉(zhuǎn)化成均值是0的序列，這樣處理有助于數(shù)據(jù)分析，使計(jì)算結(jié)果更直觀。

(4) Morlet小波分析

小波分析是一種時(shí)間頻率分析方法,可以通過多種運(yùn)算功能對函數(shù)或信號序列進(jìn)行多尺度細(xì)化分析,研究不同尺度隨時(shí)間的演變情況[15]。本文利用小波變換對病蟲害發(fā)生率的周期震蕩進(jìn)行了分析,揭示其時(shí)間尺度周期變化特征和趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率的時(shí)間變化

3.1.1 榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率的年際變化 從圖1可知，從1986到2018年，榆林市的農(nóng)作物發(fā)生病蟲害的面積，總體表現(xiàn)為向上發(fā)展的態(tài)勢，發(fā)生面積的傾向率為226.48 千hm2次/10 a，置信度檢驗(yàn)為0.001。榆林市農(nóng)作物發(fā)生病蟲害的面積由1986年的80.51千hm2次增加到至2018年的709.82千hm2次，期間2011年的發(fā)生面積最大，為1 426.81千hm2次。在研究時(shí)間段內(nèi)，榆林市農(nóng)作物病蟲害年平均發(fā)生面積為635.78千hm2次。

圖1 榆林市歷年農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積

從圖2可以看出，從1986-2018年榆林市的農(nóng)作物病蟲害，它的發(fā)生率和發(fā)生面積變化趨勢具有一致性。病蟲害的發(fā)生率也是增加的趨勢，其發(fā)生率傾向率為0.418%/10a，置信度檢驗(yàn)為0.001。發(fā)生率的最低值在1987年，只有9.26%;最大值出現(xiàn)在2011年，為253.11%，二者相差243.85%。整個(gè)變化過程可劃分三個(gè)階段：第一階段表現(xiàn)出增長趨勢，1986-1995年，榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率在前5年較低，而且發(fā)生率變化不大，年均發(fā)生率為61.38%；第二階段是1996-2012年間，榆林市農(nóng)作物的病蟲害發(fā)生率，呈現(xiàn)出"W"型的趨勢，年均發(fā)生率高達(dá)119.14%；第三階段在2013-2018年，榆林市病蟲害生物災(zāi)害發(fā)生率有顯著的下降，最低值下降到2018年的111.51%，這仍然是高發(fā)生率。綜上所述，從1986到2018年榆林市農(nóng)作物病蟲害年均發(fā)生率為105.03%，災(zāi)害程度非常嚴(yán)重。

圖2 榆林市歷年農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率

從圖3中可以看出，榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率其變化周期較明顯。其發(fā)生率存在著準(zhǔn)11和15年兩個(gè)震蕩周期。準(zhǔn)11年的周期主要集中在2005-2016年之間，該震蕩周期的時(shí)間連續(xù)性較好，其中榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率偏高主要在2005-2006年、2009-2011年、2013-2014年和2015-2016年。準(zhǔn)15年震蕩周期震蕩明顯，并在時(shí)間上的連續(xù)性也較好。在過去的30年間，榆林市的農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率經(jīng)歷了低-高-低-高-低-高-低的階段，預(yù)計(jì)在未來幾年，榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率有可能會越來越低。

3.1.2 榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率的年代際變化 如表1所示，榆林市農(nóng)作物病蟲害在各個(gè)年代，它的年平均發(fā)生面積變化表現(xiàn)為“先降后升”。從20世紀(jì)90年代至2000-2009年由648.90千hm2次下降到542.54千hm2次，進(jìn)入2010年后，迅速增加至973.69千hm2次。在2000到2009年， 可以看出年平均發(fā)生面積距平值，是平均水平之下的，為-92.74千hm2次，而緊接著2010-2018年間，病蟲害的年平均發(fā)生面積距平值為338.41千hm2次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高出平均水平。綜上所述，榆林市各個(gè)年代農(nóng)作物病蟲害年均發(fā)生面積的變化屬于轉(zhuǎn)折上升的趨勢，其中2000-2009年是一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(a)小波變換實(shí)部圖 (b)小波方差圖

表1 榆林農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率的年代際變化

如圖4所示，榆林市各年代農(nóng)作物病蟲害，年平均發(fā)生率呈增長的變化趨向。榆林市各個(gè)年代農(nóng)作物病蟲害年均發(fā)生率最大值和最小值分別出現(xiàn)在2010-2018年和1990-1999年，分別為163.91%/a和92.47%/a，兩者的差達(dá)71.44%。在2010年之前，榆林市各個(gè)年代的農(nóng)作物病蟲害，年平均發(fā)生率的距平值都顯示為負(fù)，分別是-12.56%和-7.8%，而從2010年之后，年平均發(fā)生率的距平值顯示為正，達(dá)58.55%。綜上所述，榆林市各年代的農(nóng)作物病蟲害年均發(fā)生率呈現(xiàn)迅速上升的趨勢，特別是2010年以后增長速度顯著加快。榆林市各年代的農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率，其變異系數(shù)有一個(gè)波動(dòng)態(tài)勢，基本呈 “S”型變化。在20世紀(jì)90年代和2000-2009年，農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生率變異系數(shù)值一直在下降，由56%降至14%；在2010-2018年間，蟲害發(fā)生率變異系數(shù)則呈現(xiàn)"∧"型變化，由之前的14%增加到25%，再減少到6%。

圖4. 榆林市農(nóng)作物病蟲害發(fā)生率變異系數(shù)年代際變化

3.2 榆林市病蟲害造成的糧食作物損失量的時(shí)間變化

榆林市播種的主要糧食作物小麥、玉米、大豆、薯類、稻谷等。在研究時(shí)間段內(nèi)(2008-2017年)，糧食作物年均播種面積為480.3千hm2/a，年均產(chǎn)量為2 723 089.4 t/a。本文主要對糧食作物和實(shí)際損失量進(jìn)行時(shí)間特征的研究，以期為榆林市農(nóng)作物病蟲害防治提供一定的有效方向。從圖5可知，2008-2017年間榆林市病蟲害造成的糧食作物損失量呈平緩的下降趨勢，損失量傾向率為783.25 t/10 a，并通過了0.001的置信度檢驗(yàn)。榆林市病蟲害造成的糧食作物損失量由2008年的72 594.8 t增加到了2017年的82 448.4 t，研究時(shí)間段內(nèi)，榆林市病蟲害造成的糧食作物年均損失量達(dá)87 858.9 t，增長緩慢。

圖5 榆林市歷年病蟲害造成的糧食作物損失量

3.3 榆林市農(nóng)作物病蟲害防治面積和防治率的時(shí)間變化

3.3.1 榆林市農(nóng)作物病蟲害防治面積和防治率的年際變化 如圖6所示，榆林市農(nóng)作物病蟲害防治面積從1986到2018年呈上升的趨勢，防治面積傾向率為186.49千公頃次/10a，置信度檢驗(yàn)為0.001。逾30 a來，病蟲害防治面積在1986年為39.63千公頃次，到2018年則增加到467.16千公頃次，其中在2012年防治面積最大，達(dá)872.39千公頃次。綜上所述，榆林市病蟲害防治面積變化在研究時(shí)間段內(nèi)有一定的起伏，但整體表現(xiàn)為增加的趨向，年均防治面積為338.78千公頃次。

圖6 榆林市歷年農(nóng)作物病蟲害防治面積

1986-2018年榆林市農(nóng)作物病蟲害防治率表現(xiàn)出明顯向上的發(fā)展趨勢，最小值在1992年，為18.78%，最大值在2016年，為73.27%，二者相差54.49%。如圖7所示，該變化過程可以分三個(gè)階段：第一階段是1986-1992年間，榆林市農(nóng)作物病蟲害防治率波動(dòng)很大，總體呈下降趨勢，年均防治率為49.34%；第二階段在1993-2005年，榆林市農(nóng)作物病蟲害防治率呈"M"型的趨勢，增長變化過程仍有小幅度波動(dòng)，年均防治率為37.48%；第三階段在2006-2018年，榆林市農(nóng)作物病蟲害防治率雖然整體趨勢是增加的，但期間防治率有小幅度不穩(wěn)定的升降變化，最終防治率達(dá)65.81%。綜上所述，1986-2018年榆林市農(nóng)作物病蟲害防治率處于波動(dòng)上升的階段，年均防治率為51.59%。

圖7 榆林市歷年農(nóng)作物病蟲害防治率

3.3.2 榆林市農(nóng)作物病蟲害防治面積和防治率的年代際變化 榆林市各年代的農(nóng)作物病蟲害，年平均防治面積由1990到1999年的261.41千公頃次/a增加到了2010-2018年的638.84千公頃次/a，整體而言是呈上升趨勢的，且后期變化速率明顯加快。如表2所示，在1990-1999年，農(nóng)作物病蟲害的年平均防治面積距平值為-77.37千公頃次，接下來進(jìn)入2000-2009年，距平值雖然也是負(fù)值，但還是有所增長的，為-73.45千公頃次，到了2010年以后，病蟲害年均防治面積的距平值增為正值，達(dá)300.06千公頃次。

表2 榆林市農(nóng)作物病蟲害年平均防治面積和防治率的年代際變化

榆林市各個(gè)年代的農(nóng)作物病蟲害年平均防治率增長變化緩慢。年平均防治率的最大值出現(xiàn)在2010-2018年，為59.70 %/a，最低值在1990-1999年，為41.50 %/a，兩者之差僅僅18.2%?？梢钥闯?，年平均防治率距平值均為負(fù)值出現(xiàn)在1990-1999年和2000-2009年，分別為-10.09%和-3.74%，到2010-2018年農(nóng)作物病蟲害防治率的距平值才出現(xiàn)正值，但僅為8.11%。綜上所述，榆林市各年代農(nóng)作物病蟲害年均防治率總體是上升的，但增長速度較平穩(wěn)，與平均水平差別很小。

如圖8所示，榆林市各年代農(nóng)作物的病蟲害防治率變異系數(shù)呈向下傾斜的"W"型波動(dòng)。其最高值在20世紀(jì)90年代的前5年(1990-1994年)，最低值在21世紀(jì)第一個(gè)10年的前5年(2000-2004年)，分別為37.97%和4.08%。由此可見，榆林市各個(gè)年代農(nóng)作物病蟲害防治率的波動(dòng)較明顯。

圖8 榆林市農(nóng)作物病蟲害防治率變異系數(shù)年代際變化

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本文通過對榆林市災(zāi)情數(shù)據(jù)中病蟲害發(fā)生面積、防治面積、糧食作物損失量等方面的分析，得出了榆林市農(nóng)作物病蟲害時(shí)間變化的特征：近30年來榆林市病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，與朱煌武[16]對20世紀(jì)90年代安徽農(nóng)作物生物災(zāi)害發(fā)生情況的研究結(jié)果一致。農(nóng)作物病蟲害的損失面積呈現(xiàn)出較平緩的增長趨勢，說明農(nóng)作物發(fā)生病蟲害所造成的損失在可控范圍內(nèi)，病蟲害的發(fā)生與受損具有同步性，與白基恒等[8]對重慶市水稻病蟲害的研究結(jié)果一致。隨著防治力度加大，防治面積和防治率呈現(xiàn)顯著的增長趨勢，說明政府的防治力度顯著增大，重視程度更高。通過研究可以幫助榆林市有效預(yù)防病蟲害，減少農(nóng)作物病蟲害帶來的經(jīng)濟(jì)損失，有利于榆林市的農(nóng)業(yè)發(fā)展，為榆林市農(nóng)作物病蟲害防治提供合理依據(jù)。

由于數(shù)據(jù)、資料有限，對榆林市農(nóng)作物生病蟲害時(shí)間特征的研究比較簡略，并有以下不足和缺點(diǎn)：文章只對農(nóng)作物病蟲害的時(shí)間變化特征進(jìn)行討論，且研究時(shí)間尺度較短；只分析了農(nóng)作物病蟲害時(shí)間變化規(guī)律，沒有對變化原因深入闡述；對農(nóng)作物病蟲害時(shí)間變化特征的數(shù)據(jù)分析如災(zāi)害發(fā)生的預(yù)測和空間變化的特征分析不全面，今后會加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析。

4.2 結(jié)論

采用榆林市1986到2018年的農(nóng)作物病蟲害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)線性趨勢法和Morelet 小波分析法，探索榆林市農(nóng)作物病蟲害的時(shí)間變化規(guī)律，以年際和年代際為時(shí)間單位。主要結(jié)論如下：

(1)榆林市的農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積和發(fā)生率均表現(xiàn)出上升的態(tài)勢，年平均發(fā)生面積和發(fā)生率分別為635.78千公頃次和105.03%。

(2)榆林市農(nóng)作物病蟲害的損失面積呈現(xiàn)出增長的趨勢，但態(tài)勢平緩。

(3)榆林市的農(nóng)作物病蟲害，其防治面積和防治率的變化，均顯示出增長的趨勢，年均防治面積和防治率分別為338.78千公頃次和51.59%。

(4)目前的局面并沒有達(dá)到最好的防治效果，因此，榆林市政府和相關(guān)單位應(yīng)該制定相應(yīng)的措施，來減少病蟲害的發(fā)生，提高作物產(chǎn)量。