徐相明,顧品強(qiáng)*,費(fèi) 蕾,談建國(guó),王正大,顧艾節(jié),徐振宇
(1上海市奉賢區(qū)氣象局,上海 201416;2上海市氣候中心,上海 200030;3上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,上海 201499;4上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會(huì),上海 201499)
水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一,稻谷的產(chǎn)量問(wèn)題事關(guān)糧食安全一直深受?chē)?guó)人關(guān)注。自20世紀(jì)80年代以來(lái),全國(guó)各地水稻生產(chǎn)受氣候變暖的影響,水稻生長(zhǎng)季延長(zhǎng)、單產(chǎn)提高[1-5]。然而進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),以機(jī)械化工藝為主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展迅猛,以上海市奉賢區(qū)為例,2013年水稻、小麥等主要農(nóng)作物耕種(育苗插秧)和收獲的綜合機(jī)械化率達(dá)到90%以上[6]。但水稻生產(chǎn)實(shí)踐表明,水稻機(jī)械化作業(yè)在育秧、插秧、收獲等系列農(nóng)事活動(dòng)時(shí)受天氣因素的制約及不利影響超過(guò)人工耕作,如收割期間遇田角濕爛,機(jī)械設(shè)備無(wú)法正常入田,只能采用人工收割,大幅降低收割效率[7],如2015年秋季長(zhǎng)江中下游長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣延誤水稻收割和小麥播種,奉賢區(qū)當(dāng)年水稻收割緩慢、品質(zhì)及產(chǎn)量受到影響,小麥錯(cuò)過(guò)11月下旬安全播種臨界期[8]。我國(guó)眾多學(xué)者也針對(duì)性的開(kāi)展研究,如谷英楠等[9]提出受氣象條件限制,水稻收割時(shí)籽粒含水量可能偏高,影響聯(lián)合收割機(jī)收獲效率;王桂民等[10]發(fā)現(xiàn)糧食在適時(shí)收獲期時(shí)機(jī)械收獲損失率最低,而適時(shí)收獲期之前進(jìn)行收獲時(shí)損失量明顯上升;徐相明等[8]則發(fā)現(xiàn)水稻成熟后超過(guò)5—7 d收割會(huì)降低粒重,不利于糧農(nóng)增產(chǎn)增收。
目前,許多專(zhuān)家圍繞氣象因子及其變化對(duì)水稻生育、產(chǎn)量的影響作了大量的研究[11-15]。劉紹貴等[16-17]提出要將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝深度融合,加強(qiáng)水稻生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)技術(shù)研發(fā)和推廣,提升水稻種植機(jī)械化水平。但是,對(duì)氣象因素對(duì)水稻機(jī)械收割作業(yè)期的影響研究鮮有報(bào)道。為此,本研究通過(guò)分析奉賢2013—2020年水稻收割進(jìn)度特征及其對(duì)播栽期、生長(zhǎng)期氣候條件、收割期降水等要素的響應(yīng),討論1961—2020年奉賢水稻收割期間降水、連陰雨等氣象致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于推進(jìn)水稻收割作業(yè)期農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合、合理安排機(jī)械收割環(huán)節(jié)、提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。
上海市奉賢區(qū)2013—2020年歷年水稻種植面積、水稻收割機(jī)械動(dòng)力、水稻收種進(jìn)度等資料來(lái)源于上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會(huì)及各街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心。氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水等氣象資料來(lái)源于上海市奉賢區(qū)氣象局。某日水稻收割(播栽)進(jìn)度是指累計(jì)至當(dāng)日水稻收割(播栽)面積占應(yīng)收割(播栽)面積的百分比,收割(播栽)進(jìn)度5%、10%、…、100%(日期)分別為當(dāng)年水稻累計(jì)收割(播栽)面積達(dá)到應(yīng)收割(播栽)面積的5%、10%、…、100%的日期。本研究以水稻收割(播栽)進(jìn)度5%、98%作為開(kāi)始收割(播栽)、結(jié)束收割(播栽)的日期,以播栽、收割進(jìn)度50%作為播栽、收割平均時(shí)間。水稻機(jī)械收割作業(yè)期指水稻收割進(jìn)度5%至進(jìn)度98%的間隔日數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)作業(yè)期)。氣象要素以20時(shí)為日界,降水日數(shù)指日降水量≥0.1 mm的日數(shù),連陰雨指降水日數(shù)連續(xù)≥5 d,若在一次連陰雨過(guò)程中第6 d起,出現(xiàn)連續(xù)2 d非降水日數(shù),則視為本次連陰雨過(guò)程結(jié)束。
奉賢區(qū)每年種植一季水稻,種植品種以‘花優(yōu)14’‘秋優(yōu)金豐’等雜交晚粳水稻為主,一般水稻播栽期為5月下旬至6月下旬,成熟期為10月下旬至11月中旬。種植方式主要采用人工直播稻、機(jī)插稻和機(jī)穴播稻,2019年占比分別為19.4%、40.5%和40.1%,水稻機(jī)械化種植率為80.6%,水稻機(jī)收面積達(dá)到100%,全區(qū)水稻全程機(jī)械化水平達(dá)到94%。由圖1可見(jiàn),2013年以來(lái)奉賢區(qū)水稻種植面積呈“多—少—多”變化,2017年水稻種植面積由2013年的9 693.3 hm2減少至8 999.4 hm2,2018年開(kāi)始水稻種植面積逐年回升,2020年達(dá)到11 206.0 hm2,比2017年、2013年分別增加24.5%、15.6%,2013—2020年趨勢(shì)傾向率為208.6 hm2∕a。水稻收割機(jī)械總動(dòng)力總體保持一定增長(zhǎng)趨勢(shì),最低為7 354.3 kW(2013年),最高為13 365.8 kW(2019年),趨勢(shì)傾向率為683.7 kW∕a(P<0.1)。水稻種植面積與水稻收割機(jī)械總動(dòng)力的相關(guān)系數(shù)為0.603,呈不顯著的正相關(guān),表明水稻收割機(jī)械動(dòng)力隨水稻種植面積增加保持了適度的增長(zhǎng)速度,大致水稻種植面積每增加100 hm2,水稻收割機(jī)械動(dòng)力增長(zhǎng)146.5 kW。
圖1 2013—2020年水稻種植面積、收割機(jī)械動(dòng)力的變化Fig.1 Changes in rice planting area and power of harvesting machinery from 2013 to 2020
上海市奉賢區(qū)2013—2020年各年水稻收割進(jìn)度百分比達(dá)到5%、50%、98%(分別代表收割開(kāi)始、平均和結(jié)束)的日期和作業(yè)期列于表1。
表1 2013—2020年各年水稻收割進(jìn)度達(dá)到5%、50%、98%日期Table 1 Dates when the rice harvesting progress reaches 5%,50%,and 98%
由表1可見(jiàn),奉賢區(qū)2013—2020年水稻收割作業(yè)期平均為37 d,最短為22 d(2013年),最長(zhǎng)為51 d(2018年),最長(zhǎng)年與最短年相差29 d(為最短年的1.4倍)。作業(yè)期開(kāi)始日期平均值為10月27日,相對(duì)比較集中,大多開(kāi)始于10月下旬,最早為10月23日(2018年、2020年),最晚為11月1日(2016年),最早年與最晚年相差9 d,并以2017年為界,之前在10月27日—11月1日,之后提前至10月23—26日。作業(yè)期結(jié)束日期平均值為12月2日,年際間波動(dòng)幅度大,一般結(jié)束于11月下旬至12月中旬,最早為11月19日(2013年),最晚為12月15日(2015年),結(jié)束最早年與最晚年相差26 d,作業(yè)期結(jié)束日期的變幅為開(kāi)始日期的近3倍。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),水稻收割進(jìn)度5%日期與50%、98%日期之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.097、0.221,相關(guān)性不強(qiáng),這可能與2017年之后奉賢區(qū)早熟品種種植面積增加、由“稻麥”兩熟改為“水稻+(綠肥、深耕、休茬)”后其茬口季節(jié)矛盾不突出、播期早晚拉長(zhǎng)、由“賣(mài)稻谷”向“賣(mài)大米”轉(zhuǎn)變[18]等造成有部分水稻種植品種的成熟期普遍提早4—6 d有關(guān)。水稻收割進(jìn)度5%日期與作業(yè)期的相關(guān)系數(shù)為-0.430,呈不顯著的負(fù)相關(guān),表明水稻作業(yè)期開(kāi)始早,作業(yè)期反而容易偏長(zhǎng)。水稻收割進(jìn)度50%日期與98%日期呈正相關(guān),兩者相關(guān)系數(shù)為0.857(P<0.05),預(yù)示著收割進(jìn)度50%偏晚的年份,其水稻收割結(jié)束日期偏晚的可能性較大,兩者間隔日數(shù)在12—24 d,表明收割結(jié)束日期存在較大的不確定性。
2.3.1 水稻播栽期及生長(zhǎng)季(播栽——成熟)氣象條件對(duì)作業(yè)期的影響
選取奉賢2013—2020年水稻播栽進(jìn)度50%日期和收割進(jìn)度50%日期分析播栽期早晚對(duì)收割進(jìn)程的影響。由圖2可見(jiàn),水稻播栽進(jìn)度50%日期與收割進(jìn)度50%日期呈弱的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.135,說(shuō)明水稻播栽期啟動(dòng)雖然提前,但受播栽期大幅拉長(zhǎng)的影響,一定程度上抵消了水稻收割進(jìn)程提前效應(yīng)。
圖2 2013—2020年水稻播栽進(jìn)度50%和收割進(jìn)度50%日期的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Correspondence between the date of 50% sowing and planting progress of rice and 50% of harvesting progress from 2013 to 2020
以水稻播栽進(jìn)度50%日期至收割進(jìn)度50%日期的間隔日數(shù)表示當(dāng)年水稻生長(zhǎng)季長(zhǎng)短(簡(jiǎn)稱(chēng)“水稻生長(zhǎng)期天數(shù)”),并計(jì)算水稻生長(zhǎng)期天數(shù)與期間氣溫(積溫)、日照時(shí)數(shù)、降水等氣象要素的相關(guān)系數(shù)列于表2,可發(fā)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)季的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)及20℃有效積溫與生長(zhǎng)期天數(shù)呈負(fù)相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為-0.668、-0.044、-0.186;降水量、降水日數(shù)與生長(zhǎng)期天數(shù)呈正相關(guān),且降水日數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.802(P<0.05)。說(shuō)明奉賢區(qū)水稻生長(zhǎng)季的20℃有效積溫、日照、降水量等氣象條件基本能滿(mǎn)足水稻生長(zhǎng)需求,而隨著生長(zhǎng)季平均氣溫越高,水稻生長(zhǎng)期天數(shù)相應(yīng)縮短,平均作業(yè)日期也相應(yīng)提早,即平均氣溫每升高1℃,水稻生長(zhǎng)期天數(shù)(平均作業(yè)日期)縮短(提前)5.6 d;降水日數(shù)越多則水稻生長(zhǎng)期天數(shù)延長(zhǎng),降水日數(shù)每增加1 d,水稻生長(zhǎng)期天數(shù)(平均作業(yè)日期)延長(zhǎng)(延后)0.7 d。這表明水稻生長(zhǎng)期氣溫、降水日數(shù)對(duì)生長(zhǎng)期天數(shù)的趨勢(shì)研判有一定的指示意義,可為提前安排收割、烘干機(jī)械設(shè)備的清理和保養(yǎng)工作提供有益的參考[19]。
表2 2013—2020年水稻生長(zhǎng)期氣象因子與生長(zhǎng)期天數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between meteorological factors and the number of days
2.3.2 水稻收割期降水特征及對(duì)作業(yè)期的影響
統(tǒng)計(jì)2013—2020年各年水稻機(jī)收作業(yè)期降水量、降水日數(shù)、單位面積收割機(jī)械作業(yè)動(dòng)力(收割機(jī)械動(dòng)力與水稻種植面積的比值,以kW∕100 hm2表示)及與作業(yè)期的相關(guān)系數(shù)列于表3。
表3 2013—2020年各年水稻作業(yè)期及其與降水量、降水日數(shù)等的相關(guān)系數(shù)Table 3 The rice operation period from 2013 to 2020 and its correlation coefficient with precipitation,precipitation days,etc
由表3可見(jiàn),2013—2020年水稻單位面積(每100 hm2)收割機(jī)械作業(yè)動(dòng)力平均為108.0 kW,最大為128.6 kW,最小為75.9 kW。水稻作業(yè)期長(zhǎng)短與單位面積收割機(jī)械作業(yè)動(dòng)力呈正相關(guān),但未通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn),而且從2.1分析可知,奉賢區(qū)隨著水稻種植面積增加,水稻收割機(jī)械動(dòng)力增長(zhǎng)速度高于水稻單位收割機(jī)械作業(yè)動(dòng)力最大值,即水稻收割機(jī)械動(dòng)力滿(mǎn)足水稻生產(chǎn)需求。從可收割天數(shù)(作業(yè)期天數(shù)和降水日數(shù)的差值)也可看出,基本完成水稻收割任務(wù)所需天數(shù)最多30天(近一個(gè)月),表明水稻單位面積收割機(jī)械作業(yè)動(dòng)力的年際波動(dòng)不是影響水稻機(jī)械收割作業(yè)期的主要因素。而水稻作業(yè)期長(zhǎng)短與期間降水量、降水日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.784(P<0.05)、0.858(P<0.01),說(shuō)明降水條件是影響作業(yè)期長(zhǎng)短的主要因子。
據(jù)統(tǒng)計(jì),奉賢區(qū)水稻作業(yè)期間的平均降水量、降水日數(shù)分別為92.2 mm和14 d,但年際波動(dòng)大,降水量、降水日數(shù)最多分別為268.5 mm、29 d(均為2015年),最少分別為3.7 mm、5 d(均為2013年),降水量、降水日數(shù)最多的兩年(2015年、2018年)作業(yè)期最長(zhǎng),而作業(yè)期最短的一年(2013年)為降水量、降水日數(shù)最少的一年,表明水稻作業(yè)期間降水量、降水日數(shù)增多,作業(yè)期相應(yīng)延長(zhǎng),降水日數(shù)影響效應(yīng)強(qiáng)于降水量,且降水量、降水日數(shù)對(duì)水稻作業(yè)期的影響起疊加延后效應(yīng),是作業(yè)期長(zhǎng)短的主要限制因子。若綜合考慮降水量(X1)和降水日數(shù)(X2)雙重影響因素,則作業(yè)期(Y)長(zhǎng)短可用式(1)表示,且該方程式通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(Sig.F=0.006),可用于指導(dǎo)水稻生產(chǎn)。
進(jìn)一步分析機(jī)收作業(yè)期最短的一年(2013年)和最長(zhǎng)的兩年(2015年、2018年)降水分布特征表明,2013年降水偏少,盡管單位面積機(jī)械收割動(dòng)力75.9 kW為2013—2020年最低,但水稻收割作業(yè)期僅為22 d,說(shuō)明水稻生產(chǎn)現(xiàn)有的單位面積機(jī)械收割動(dòng)力及增長(zhǎng)速度與水稻生產(chǎn)實(shí)際需求基本相符。2015年、2018年降水量均顯著偏多,連陰雨天氣特征明顯,2015年10月29日—11月25日降水日數(shù)多達(dá)20 d,導(dǎo)致當(dāng)年至11月25日的水稻收割進(jìn)度僅為30%,比2013—2020年平均收割進(jìn)度日期(11月6日)偏晚19 d,造成2015年在收割進(jìn)度5%比2016年偏早3 d的情況下,水稻收割結(jié)束日期卻比2016年延后12 d;2018年12月2日—11日連續(xù)10 d均出現(xiàn)降水,導(dǎo)致當(dāng)年水稻收割進(jìn)度在12月2日達(dá)到92.4%后出現(xiàn)停滯,為作業(yè)期第二長(zhǎng)年。為此,將水稻作業(yè)期降水量、降水日數(shù)比平均值偏多70%,即分別達(dá)到155 mm、24 d以上,且出現(xiàn)持續(xù)10 d以上連陰雨天氣,作為對(duì)當(dāng)年水稻機(jī)械收割產(chǎn)生嚴(yán)重影響的不利氣象指標(biāo),有利于今后水稻生產(chǎn)中采取針對(duì)性的避災(zāi)措施。
統(tǒng)計(jì)奉賢1961—2020年歷年10月下旬至12月上旬的降水量、降水日數(shù),得出:水稻收割作業(yè)期間降水量、降水日數(shù)60年均值分別為88.6 mm、13.4 d,兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.781(P<0.01),降水量與降水日數(shù)呈同步變化,均呈先減少后增加的趨勢(shì),21世紀(jì)以來(lái)的20年降水量、降水日數(shù)平均值分別為112.5 mm、15.0 d,比1961—2000年同期平均分別偏多23.9 mm(27.0%)、1.6 d(11.7%),2015年降水量(270.2 mm)、降水日數(shù)(28 d)創(chuàng)60年最多紀(jì)錄。60年間的10月下旬至12月上旬出現(xiàn)累計(jì)降水量≥155 mm且降水日數(shù)≥24 d的年數(shù)僅為3a,其中1961—2010年出現(xiàn)1a(1974年)、2011—2020年出現(xiàn)2a(2015年、2018年),說(shuō)明最近10年奉賢區(qū)水稻收割作業(yè)期出現(xiàn)降水致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大幅提升。
統(tǒng)計(jì)水稻收割作業(yè)期連陰雨次數(shù)、最長(zhǎng)連陰雨天數(shù)表明(圖3),以2001年為界,出現(xiàn)連陰雨的概率由32.5%上升至50.0%,2015—2020年每年均出現(xiàn)連陰雨天氣,為60年來(lái)首次連續(xù)5年出現(xiàn)連陰雨。最長(zhǎng)連陰雨天數(shù)由6.4 d∕a增多至7.8 d∕a,其中最長(zhǎng)連陰雨天數(shù)≥10 d的年份共出現(xiàn)5a,均出現(xiàn)在2001—2020年。因此,21世紀(jì)以來(lái),奉賢區(qū)水稻收割作業(yè)期降水量、降水日數(shù)呈增多趨勢(shì),最長(zhǎng)連陰雨天數(shù)≥10 d出現(xiàn)概率顯著增大,導(dǎo)致因出現(xiàn)降水及降水引起的田塊濕爛而延誤水稻機(jī)械收割、影響后茬作物適時(shí)播栽的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提升。同時(shí),發(fā)現(xiàn)降水量、降水日數(shù)偏多年易與少雨年出現(xiàn)急轉(zhuǎn),如1973年少(降水量23.6 mm、雨日3 d)與1974年多(降水量210.3 mm、雨日29 d)、2014年少(降水量35.7 mm、雨日15 d)與2015年多,降水年際間大幅波動(dòng)使習(xí)慣于根據(jù)上年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)安排當(dāng)年水稻農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)的糧農(nóng)陷入被動(dòng)。
圖3 1961—2020年歷年10月下旬至12月上旬的連陰雨次數(shù)及最長(zhǎng)連陰雨天數(shù)Fig.3 The number of consecutive rainy days and the longest consecutive rainy days from late October to early December in each year during 1961 to 2020
上海市奉賢區(qū)2013—2020年水稻于10月下旬開(kāi)始收割,11月下旬至12月中旬結(jié)束收割,水稻作業(yè)期平均值為37 d,水稻收割結(jié)束日期年際間波動(dòng)幅度大于開(kāi)始日期。受奉賢區(qū)水稻早熟品種種植面積有所增多及銷(xiāo)售模式變化的影響,水稻收割開(kāi)始日期呈提前趨勢(shì),但與水稻收割進(jìn)度50%、98%相關(guān)性較弱。收割進(jìn)度50%的變化與收割進(jìn)度98%有一定的關(guān)聯(lián)度,可參照收割進(jìn)度50%的早晚合理安排剩余水稻的收割。
本研究結(jié)果顯示,在影響水稻收割作業(yè)期的因子中,水稻播栽期大幅拉長(zhǎng)抵消了水稻收割進(jìn)程提前效應(yīng),水稻生長(zhǎng)期氣溫等氣象因子通過(guò)影響水稻生長(zhǎng)速度來(lái)縮短(或延長(zhǎng))生長(zhǎng)期,如氣溫偏高(日照偏多)縮短生長(zhǎng)期,而降水日數(shù)偏多則延長(zhǎng)生長(zhǎng)期,對(duì)水稻收割作業(yè)期早晚有一定的影響。奉賢區(qū)水稻收割機(jī)械作業(yè)動(dòng)力總體呈波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì),對(duì)水稻機(jī)械收割作業(yè)期影響有限,而水稻作業(yè)期期間降水量、降水日數(shù)與作業(yè)期長(zhǎng)短呈顯著正相關(guān),故以降水量與降水日數(shù)乘積的平方根為指標(biāo),建立的作業(yè)期長(zhǎng)短與降水量和降水日數(shù)雙重影響因素的關(guān)系模型可較好的預(yù)估作業(yè)期長(zhǎng)短。對(duì)受降水影響致災(zāi)年(2015年、2018年)的降水進(jìn)行分析,建立了水稻機(jī)械收割不利氣象指標(biāo):降水量≥155 mm、降水日數(shù)≥24 d,且出現(xiàn)持續(xù)10 d以上連陰雨天氣,可為水稻生產(chǎn)上合理調(diào)配收割、烘干等機(jī)械設(shè)備及根據(jù)田塊成熟度適時(shí)收割作業(yè)提供重要的決策依據(jù)。
奉賢區(qū)水稻收割作業(yè)期降水量與降水日數(shù)同步變化,均呈先減少后增加的趨勢(shì),特別是21世紀(jì)以來(lái)的降水量(降水日數(shù))及出現(xiàn)連陰雨的概率(最長(zhǎng)連陰雨天數(shù))增多,增加了水稻收割的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。本研究2013—2020年的8年中,奉賢區(qū)水稻收割期間遭受降水偏多、連陰雨等不利天氣的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)度為四年一遇,應(yīng)引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和農(nóng)業(yè)管理部門(mén)的高度重視。為此,氣象部門(mén)及時(shí)研判水稻收割期間降水趨勢(shì),特別是符合水稻機(jī)械收割不利氣象指標(biāo)的天氣發(fā)生概率及出現(xiàn)時(shí)段;農(nóng)業(yè)相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)引導(dǎo),做好水稻早中晚品種搭配,適當(dāng)拉開(kāi)播(栽)期,錯(cuò)開(kāi)水稻生育期及成熟收割期;水稻種植戶(hù)隨時(shí)關(guān)注天氣變化信息,做好稻田排水,搶抓連晴天氣、雨停間隔等窗口期適時(shí)收割水稻,減輕降水對(duì)水稻收割的不利影響。
上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2022年6期