密云區(qū)黑木耳氣象適宜度模型研究

任舒珍 閆霜 廖明水 丁立芳 徐柳溪 李翔宇

(北京市密云區(qū)氣象局，北京 101500)

引言

隨著時代的經(jīng)濟發(fā)展，黑木耳作為菌類已成為人們餐桌上的一道美食，其富含豐富營養(yǎng)價值，也是精準(zhǔn)扶貧產(chǎn)業(yè)發(fā)展中帶動農(nóng)民增收的一種新興產(chǎn)業(yè)。黑木耳屬木腐菌，野生的多生長于枯死的闊葉樹上，黑木耳的生態(tài)環(huán)境一般在氣溫達(dá)到10℃以上雨水充足的季節(jié)生長?，F(xiàn)今黑木耳種植方法多種，既可在大棚內(nèi)種植，也可以在露天陸地種植，亦可在林下種植。目前，密云黑木耳種植方式有2種，全露天陸地種植和板栗林下種植。本文主要研究的是全露天種植的黑木耳。

我國專家對黑木耳氣象條件做過相關(guān)研究。陳建軍在培育香菇、黑木耳的氣象問題及小氣候調(diào)控技術(shù)上對黑木耳室內(nèi)培育的氣象條件進行分析；王銀平對木耳生態(tài)環(huán)境進行研究，研究分析了神農(nóng)架北區(qū)海拔500～1500m的段木黑木耳的生態(tài)環(huán)境，研究表明5—9月氣溫、降水和光照條件適宜黑木耳的生長；禹光波通過分區(qū)試驗研究得出黑木耳的長期適宜生長的氣象指標(biāo)。但以上專家只是對室內(nèi)培育、海拔較高利用椴木培育幾類種植方式的黑木耳氣象條件進行研究分析，均未涉及建立黑木耳生長適宜指標(biāo)及黑木耳氣候綜合適宜模型。本文采用專家咨詢法、因子分析法、隸屬度函數(shù)、相關(guān)系數(shù)法和回歸分析法，分析全露天陸地人工種植黑木耳的氣象適宜度指標(biāo)，建立綜合氣候模型，可為密云黑木耳種植氣象服務(wù)專報提供更精細(xì)化指標(biāo)。

1 資料背景

氣象資料溫度、降水為密云區(qū)馮家峪鎮(zhèn)2016—2021年自動氣象站觀整編資料，日照資料因馮家峪鎮(zhèn)無日照觀測儀器，故使用密云區(qū)國家基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)；生育期資料采用文獻參考法及耳農(nóng)、農(nóng)業(yè)氣象專家獲??；2016—2021年產(chǎn)量資料從密云區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站獲取。

2 分析方法

本研究采用專家咨詢法、因子分析法、隸屬度函數(shù)、相關(guān)系數(shù)法，通過邀請黑木耳的種植指導(dǎo)專家、有經(jīng)驗的耳農(nóng)確定黑木耳的生長發(fā)育期，通過相關(guān)系數(shù)法、因子分析法計算各旬適宜的溫度、降水和日照的權(quán)重系數(shù)。

溫度適宜函數(shù)：

F(T)=[(t-t1)(t2-t)b]/[(t0-t1)(t2-t0)b] 降水系數(shù)：

日照函數(shù)：

回歸模型法是指通過對本研究的黑木耳生長期內(nèi)溫度、降水、光照等數(shù)據(jù)進行分析，確定期適宜度函數(shù)，通過建立回歸模型法確定黑木耳氣候適宜度動態(tài)模型：

3 生長期確定

由于保峪嶺村處于馮家峪鎮(zhèn)位于密云區(qū)西北部，西北與懷柔區(qū)接壤，東北毗鄰河北省灤平縣，東與不老屯鎮(zhèn)交界，南臨密云水庫北岸，海拔200～1000m，屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候。氣溫穩(wěn)定通過10℃的時間均在4月上旬，因此黑木耳種植每年從4月上旬開始進行，7月底純木耳結(jié)束生長期，黑木耳整個生長周期為3～4個月。

通過專家咨詢法、走訪耳農(nóng)，實地觀測黑木耳的生長發(fā)育期結(jié)合參考文獻法，將黑木耳生長期定義為入地(開口)期、催耳芽、耳片分化期、展片期、成熟期、采耳期、曬耳期[1-3]。

4 黑木耳溫度適宜度指標(biāo)

溫度適宜是每個作物生長期內(nèi)的必備條件，為研究分析出保峪嶺村的溫度條件對黑木耳各個生育期生長發(fā)育的滿足程度，計算出黑木耳的溫度適宜度指標(biāo)，根據(jù)趙峰等[4]的研究，溫度適宜度指標(biāo)可用下式計算：

F(t)=[(t-t1)(t2-t)b]/[(t0-t1)(t2-t0)b]

(1)

b=(T2-T0)/(T0-T1)

式中，t為黑木耳生長期某一個時段的旬平均氣溫；t1為黑木耳在該時段內(nèi)生長發(fā)育的下限溫度；t2為黑木耳在該時段內(nèi)生長發(fā)育的上限溫度；t0為黑木耳在該時段內(nèi)生長發(fā)育的最適溫度，見表1；F(t)溫度適宜度指標(biāo)由實測氣溫和下限、上限、最適宜溫度決定；b為常量參數(shù)。根據(jù)黑木耳生長發(fā)育與溫度關(guān)系的密切程度，可以看出，當(dāng)旬平均氣溫(t)≤下限溫度(t1)時，溫度適宜度指標(biāo)F(t)=0；當(dāng)旬平均氣溫(t)=最適溫度(t0)時，溫度適宜度指標(biāo)F(t)=1；當(dāng)旬平均氣溫(t)≥上限溫度(t2)時；溫度適宜度指標(biāo)F(t)=0。因此，溫度適宜度指標(biāo)Ft(T)的變化范圍是在0～1的不對拋物線函數(shù)，如圖1所示，采用模糊隸屬函數(shù)來反映黑木耳對溫度需求，黑木耳對溫度的需求主要在入地(開口)期、催耳芽時對溫度最為敏感，如果溫度低于下限溫度將會導(dǎo)致菌棒凍壞，直接影響產(chǎn)量；在成熟期不能超過上限溫度，超過上限溫度容易造成流耳，導(dǎo)致產(chǎn)量減少。實際上與其他作物的生長規(guī)律一致，即作物產(chǎn)量在關(guān)鍵生長期和敏感期，作物產(chǎn)量隨溫度的變化而變化。

表1 黑木耳各生長時段的t0值、t1值、t2值[2]

圖1 黑木耳全生育期溫度反映過程

黑木耳全生長期為21旬，將黑木耳的溫度適宜度用FT(t)表示，用來反映黑木耳生長期對溫度條件的適宜過程，黑木耳的溫度適宜度隨時間變化在某一個生長期的加權(quán)平均值為該生長期的溫度適宜度指標(biāo)，其所占權(quán)重aTi表示，則第y年(y=1,2,3，4,…，21)第n生育期適宜度可記為：

(2)

式中，n表示第n個生育期；n1,n2分別表示第n個生育期的開始旬和結(jié)束旬；aTi表示第n個生育期第i旬的權(quán)重占比。

本研究把黑木耳的溫度適宜度隨時間變化，通過加權(quán)平均后，定義為其生長期的溫度適宜度，即叫作全生長期溫度適宜度，其權(quán)重系數(shù)可用aj表示，則黑木耳全生長期適宜度可用下式計算：

(3)

y∈[1,21]

根據(jù)公式計算得出黑木耳各個生育期內(nèi)適宜的氣溫如表2所示，說明馮家峪鎮(zhèn)保峪嶺村的氣溫條件滿足黑木耳生長條件，均在適宜值范圍內(nèi)。

表2 黑木耳全生育期內(nèi)適宜溫度范圍

5 黑木耳降水適宜度函數(shù)

因黑木耳對降水的需求量確定起來比較復(fù)雜，因此降水適宜度函數(shù)無法真正體現(xiàn)，故本研究引入王銀平的研究[5]降水系數(shù)(RQ)用于描述馮家峪鎮(zhèn)保峪嶺村黑木耳種植區(qū)的降水適宜度。

(4)

式中，Ri，Ti分別為黑木耳生長期i月的旬雨量和旬平均氣溫；k為生長旬。

圖2 黑木耳生育期降水反映過程

通過研究發(fā)現(xiàn)，黑木耳的產(chǎn)量與降水的關(guān)系密切，特別是在耳片分化期、展片期與成熟期，足夠的降水量才能促使黑木耳快速生長。通過對黑木耳歷年產(chǎn)量與RQ的關(guān)系進行研究分析，將黑木耳產(chǎn)量最高的年份作為降水適宜度指標(biāo)，將歷年降水量與產(chǎn)量最大年份進行比較，用于評價某種植區(qū)黑木耳的水濕條件。

6 日照適宜度函數(shù)

光、溫、水的適宜條件對黑木耳的影響可理解為一個模糊過程，是指在“適宜”與“不適宜”之間變化，即在0～1之間的不對稱線性變化，即在黑木耳入地后、催芽期對光照的需求較小，隨著黑木耳生長的變化，對光照的需求逐漸增大，特別是成熟期及曬耳期。因此，本研究以70%日照百分率的日照時數(shù)作為臨界點[6]，生長期間日照百分率達(dá)到70%以上，說明光照條件對黑木耳的影響最為適宜的狀態(tài)，見圖3。日照時數(shù)的適宜度公式:

FS=e1-[(S-S0)/b]2S>S1，S≥S1

(5)

式中，F(xiàn)S表示實際日照時數(shù)；S1表示日照百分率70%的日照時數(shù)；b為常數(shù)。S1與b值見表3。

表3 黑木耳不同生育期的S0與b值

圖3 黑木耳全生育期日照反映過程

光照條件能夠反映黑木耳全生育期內(nèi)日照條件對黑木耳適宜性影響的動態(tài)過程。本研究將黑木耳某生長期內(nèi)日照適宜度隨時間變化，采用加權(quán)平均計算后用來表示日照適宜度，將其定義為黑木耳該生長期的日照適宜度，計算權(quán)重asi表示，黑木耳第y年(y=1,2,3，…，21)第n生育期的日照適宜度可表示為：

(6)

公式中，n表示第n個生長期；n1,n2分別表示第n個生長期的開始旬和結(jié)束旬；asi表示第n個生育期第i旬的權(quán)重占比。通過計算即可得到黑木耳全生長期[0,n]日照適宜度：

y∈[1,21]

(7)

式中，asi表示第j旬日照適宜度的權(quán)重系數(shù)。

7 確定各適宜度的權(quán)重

由于黑木耳在各個生育時段內(nèi)所需要的氣候條件不同，每旬的溫度、降水、日照條件對黑木耳的隸屬度組成了其生育期或者各生育期光、溫、水條件對黑木耳的隸屬度，3種氣象要素條件每旬所占比例不同。為能更客觀地反映不同時期的氣象條件對黑木耳生長的影響強度，對黑木耳各個生長期或者全生長期的溫度、降水、日照的適宜度設(shè)定所占的權(quán)重系數(shù)。

本研究通過調(diào)研相關(guān)文獻，作物的適宜度設(shè)定權(quán)重的方法有專家咨詢法、因子分析法和相關(guān)系數(shù)法等。由于黑木耳生長期內(nèi)有21個旬，各生長期之間對光、溫、水所需要的占比不同，采用相關(guān)系數(shù)法無法很好地反映全生長期的相關(guān)性，所以對光、溫水適宜度計算的權(quán)重系數(shù)采用專家咨詢法來確定，如表4所示。

表4 黑木耳各生長期光、溫、水的權(quán)重系數(shù)

8 黑木耳氣候適宜度模型

為能夠綜合反映溫度、降水、日照3個影響因素對黑木耳氣候適宜度的影響，合理反映評估密云區(qū)保峪嶺地區(qū)黑木耳種植的氣候條件適宜動態(tài)，建立黑木耳氣候適宜度動態(tài)模型。具體如下：

(i=1,2,3，…，21)

(8)

(n=1,2,3,4,5)

(9)

(y=1,2,3,4,5,6)

(10)

式中，y表示黑木耳種植年序,y=1,2,3,4,5,6；Fci(y)、FCM(y)、Fc(y)分別表示黑木耳第i旬、第n個生育期和全生育期的氣候適宜度。

用黑木耳各生長期的氣候適宜度計算黑木耳各個生長期的適宜值范圍，如表5所示。

表5 黑木耳各生長期適宜值范圍

9 2016—2021年黑木耳產(chǎn)量動態(tài)模型

本研究通過將黑木耳的實際產(chǎn)量與年平均產(chǎn)量的差值進行產(chǎn)量分級，對2016—2021年的黑木耳產(chǎn)量進行分級如表6所示。一般而言，在同一期時期內(nèi)實際產(chǎn)量與預(yù)報產(chǎn)量的差用百分比表示增減，一般增減10%以上的年份為顯著增產(chǎn)年或者減產(chǎn)年，增減在5%～10%的年份為增產(chǎn)年或減產(chǎn)年，增減0～5%的年份為平年。

表6 2016—2021年黑木耳產(chǎn)量分級

本研究通過黑木耳氣候適宜度動態(tài)模型，分別計算得出2016—2021年綜合適宜度，并分別建立了各生育期內(nèi)產(chǎn)量預(yù)報的動態(tài)模型，將預(yù)報值進行精確度檢驗如表7所示。評分檢驗結(jié)果顯示，除2020年得分較低外，其余得分均在85～98分，說明本模型在豐年效果好，歉年預(yù)報效果不好。由于本地區(qū)種植黑木耳時間較短，有產(chǎn)量數(shù)據(jù)時間序列較短，在以后年份可將豐年、歉年、平年分別建立模型。目前該產(chǎn)量預(yù)報模型可以用來客觀地反映本地區(qū)黑木耳的產(chǎn)量預(yù)報。

表7 2016—2021年保峪嶺黑木耳產(chǎn)量預(yù)報模型準(zhǔn)確率

本研究分別對黑木耳入期地、催芽期、耳片分化期、成熟期、采耳期做了產(chǎn)量預(yù)報，如圖4～8所示。

圖4 黑木耳入地期動態(tài)模型

圖5 黑木耳催芽期動態(tài)模型

圖6 黑木耳耳片分化期動態(tài)模型

圖7 成熟期動態(tài)模型

圖8 黑木耳采耳期動態(tài)模型

通過氣候適宜度模型進行各生育期的產(chǎn)量預(yù)報，產(chǎn)量預(yù)報公式如下：

ΔY=-36.23x+306.1

(11)

式中，x為生育期內(nèi)適宜度。

表8 黑木耳各生育期預(yù)報方程

10 黑木耳生長期動態(tài)模型的合理性檢驗

從密云區(qū)不同黑木耳種植區(qū)域中選取保峪嶺、北香峪、大窩鋪、蒼術(shù)會4個種植區(qū)為代表，采用相關(guān)系數(shù)法及F檢驗，檢驗氣候適宜度動態(tài)模型與黑木耳產(chǎn)量之間的關(guān)系，結(jié)果見表9，4個種植代表區(qū)域的氣候適宜度動態(tài)模型與產(chǎn)量之間的相關(guān)性均為顯著性水平，表明本研究設(shè)計的黑木耳適宜度模型能夠客觀地反映密云區(qū)保峪嶺村黑木耳種植的氣候適宜度水平及生長期的動態(tài)變化，所以可用于其他種植區(qū)進行黑木耳適宜度評估。

表9 黑木耳氣候適宜度模型合理性檢驗

11 結(jié)論

黑木耳的生長期分為入地(開口)期、催耳芽、耳片分化期、展葉期、出耳(盛產(chǎn)期)、采耳、曬耳，其中前幾個生長期尤為關(guān)鍵，關(guān)系到后面產(chǎn)量的增減。

通過計算黑木耳各生長期對溫度條件的反應(yīng)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)黑木耳在入地、催耳芽及成熟期對溫度的敏感程度更高，即入地、催耳芽時，溫度不能低于下限溫度，否則菌棒會凍壞；成熟期不能高于上限溫度，否則會造成流耳，導(dǎo)致產(chǎn)量減少。其生長規(guī)律與其他作物一致，產(chǎn)量在關(guān)鍵生長期會隨氣溫的變化而變化；通過計算黑木耳各生長期對日照條件的反應(yīng)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)黑木耳入地期對光照、溫度的需求呈逐漸直線上升；通過計算降水條件對黑木耳生長反應(yīng)函數(shù)，得出黑木耳對降水的需求呈曲線變化。

通過計算黑木耳各生長期溫度、日照、降水的適宜度指標(biāo)，采用回歸法建立了動態(tài)模型并進行了模型的合理性檢驗，結(jié)果表明，本項目設(shè)計的氣候適宜度模型能夠客觀地反映密云區(qū)保峪嶺黑木耳的氣候適宜性水平及其動態(tài)變化，可用于密云區(qū)其他種植區(qū)黑木耳氣候適宜性評估。