基于氣候適宜度的內蒙古興安盟玉米生育期預報模型

高紅霞　徐蔚軍

摘要：在以日為尺度的興安盟玉米（Zea mays L.）氣候適宜度模型的基礎上，利用突泉縣農業(yè)觀測站1982-2010年地面氣象資料及同期的玉米生育期觀測資料，建立了興安盟玉米生育期預報生理指標及預報模型，并利用興安盟3個玉米主產旗縣2011-2015年的玉米生育期觀測數據對模型的預報結果進行驗證。結果表明，各生育期持續(xù)時間的預報值與實際觀測值一致程度較高，各生育期預報值與觀測值之間的平均絕對誤差在1.7～4.5 d，均方根誤差在1.2～3.7 d；營養(yǎng)生長階段絕對誤差在3 d以內出現的頻次接近62%，生殖生長階段絕對誤差在3 d以內出現的頻次約為64%，模型能較好地預測相關生育期（出苗、三葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟和成熟期），預報精度基本可以滿足需求。

關鍵詞：玉米（Zea mays L.）；生育期；氣候適宜度；預報模型；興安盟

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）19-3615-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.005

Abstract： Based on the climate suitability model of Maize in Xingan League， physiological indexes and prediction model of maize was established using dailymeteorological data and growth stage observation data of Tuquan County Agricultural Observation Station from 1982 to 2010，and the models prediction results were verified using the maize growth period observation data of three major maize grain-producing counties in Xingan League from 2011 to 2015. The results showed that there was good agreement between predictions and observations for the duration of each growth stage. The average absolute error between the predicted value and the observed value was 1.7 to 4.5 days，root mean square error was 1.2 to 3.7 days. The frequencies of the absolute error within 3 days was near to 62% during the vegetative growth stage，and the frequencies of the absolute error less than 3 days was about 64% during reproductive growth stage. The model could predict the development period well， and the forecast accuracy could meet the requirements.

Key words： maize（Zea mays L.）； growth stage； climate suitability； prediction model； Xingan League

進入21世紀，農業(yè)生產在實現高產、優(yōu)質、高效的同時，還要兼顧生態(tài)安全并迎接氣候變化等多重挑戰(zhàn)。作物發(fā)育期體現了作物生育過程中外部形態(tài)變化的特征，是衡量生態(tài)系統對氣候變化的相應指標之一[1]。對于大田生產，農業(yè)氣象條件對作物的生長發(fā)育及產量起決定性作用[2]。研究作物發(fā)育規(guī)律與氣象條件的關系，準確及時地做出生育期預報，對合理進行作物田間管理，減少農業(yè)氣象災害影響、增產增收具有重要意義。

20世紀60年代開始，國內外許多專家相繼研究過多種作物生育期預測模擬模型[1-8]，這些模型中常用的發(fā)育指標主要有積溫和生理發(fā)育時間。溫度與作物生長發(fā)育關系的最普遍規(guī)律是積溫（Growing degree days，GDD）法則，即作物完成某一生育期所需要的總積溫是基本不變的，在此基礎上許多學者提出了積溫或光溫共同影響作物物候的線性和非線性模式，并得到了廣泛應用[3]。生理發(fā)育時間是指對于某一種特定基因品種，在最適合的溫光條件下，作物完成某一生理階段所需時間基本恒定[4]。該模型考慮了光熱效應和不同品種間的差異，具有一定的機理性，但大多并未考慮降水對作物發(fā)育速率的影響。為綜合考慮光、溫、水三要素對作物生長發(fā)育的影響，氣候適宜度評價模型已被應用于作物生育期預測。它將溫度、水分和光照看成3個模糊集，借助模糊變換原理，構建各要素隸屬函數，并設置單個要素的影響權重，以綜合評判多因素的影響作用[9]。該方法綜合考慮多個氣象要素的影響，可為準確預測作物生育期提供依據。

玉米作為主要糧食作物之一，在內蒙古自治區(qū)興安盟的糧食生產中具有舉足輕重的作用，年產量約占興安盟糧食作物總產量的80%。因此，玉米生產氣象條件影響分析一直是興安盟農業(yè)氣象服務的重要內容。本研究以興安盟逐日氣候適宜度模型為基礎，借鑒基于生理發(fā)育時間的模擬模型的理念，綜合評價興安盟氣象條件對玉米生長發(fā)育的影響，建立統一的生理發(fā)育氣候適宜度指標，為客觀、準確地進行興安盟玉米生育期預測提供支撐。endprint

1 資料選取與方法

1.1 資料選取

由于興安盟玉米主產區(qū)均位于東南部，所以本研究采用位于東南部的突泉縣1982-2010年的地面氣象資料以及同期農業(yè)氣象觀測資料。主要包括逐日平均氣溫、降水量、日照時間、日照百分率、計算潛在蒸散量所用的日最高氣溫、最低氣溫、水氣壓、風速以及同期的玉米生育期觀測資料。

1.2 研究方法

根據興安盟歷年生育期觀測資料情況，將玉米全生育期分為7個階段，分別為播種-出苗期、出苗-三葉期、三葉-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽雄期、抽雄-吐絲期、吐絲-乳熟期和乳熟-成熟期。以興安盟逐日綜合氣候適宜度模型為基礎，利用突泉縣農業(yè)氣象觀測站1982-2010年的氣象資料，計算出歷年從播種至成熟期逐日的綜合氣候適宜度。以各生育期累積綜合氣候適宜度的平均值作為其生育期生理指標，在此基礎上建立基于氣候適宜度的玉米生育期預報模型。應用2011-2015年突泉縣、科右前旗和科右中旗玉米生育期觀測資料對模型進行檢驗，通過各生育期持續(xù)時間預報值和實際值的相關性分析，以及各生育期預報值與觀測值之間的平均絕對誤差和均方根誤差對預報精度進行統計檢驗。由于興安盟所播玉米大多屬于晚熟品種，因此本研究未考慮不同品種的生育期差異。

2 結果與分析

2.1 模型的建立

2.1.1 溫度適宜度函數 根據馬樹慶[10]的研究，結合興安盟的實際情況，確定溫度適宜度函數如公式（1）所示。

F（T）i=■

B=■ （1）

式中，F（T）i為某日平均溫度適宜度函數；Ti為某日平均氣溫；Tl、Th、To分別為玉米某日所需的下限溫度、上限溫度和最適溫度，各生育期所需三基點溫度參考相關文獻[11]確定，在此基礎上結合興安盟實際做了部分訂正，具體取值見表1；B為由三基點溫度決定的常數。然后采用多項式擬合技術，計算出播種至成熟每一天所需要的下限溫度、上限溫度和最適溫度；F（T）i是由實際氣溫與三基點溫度決定的溫度適宜度，是一個在0～1變化的不對稱拋物線函數。

2.1.2 降水適宜度函數 降水是作物水分供應和土壤水分的主要來源。水分在玉米整個生長發(fā)育過程中起著重要作用，玉米生長好壞、產量和品質高低都與水分有密切關系。由于玉米各個生育期長短、植株生長量、地面覆蓋度等諸多因素的影響，各生育階段對水分的需求有一定的差異，對水分的敏感程度亦不相同，作物對水分最敏感的時期稱為需水臨界期。一般玉米的需水臨界期為抽雄開花期，此時水分不足將直接影響玉米的生長速度和產量。根據玉米日生理需水量的滿足程度建立日降水適宜度函數[12]。

F（R）i=1-■， Ri

式中，F（R）i為某日降水適宜度函數，Wi為玉米某日的生理需水量（mm），Ri為某日降水量，ΔWi為某日農田水分盈虧值。由于降水影響的后延性，實際計算時如果前一天存在水分盈余，則將其計入下一天的水分來源中，即若ΔWi>0，則下一天的水分供給量為日降水量與ΔWi之和。其中，作物日參考蒸散量（EToi）采用國際糧食及農業(yè)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith方法計算[13，14]；日作物系數（Kci）的計算主要參考文獻[11]，將不同生育時期的作物系數通過多項式擬合得到了播種至成熟的作物系數變化曲線，得出了東北地區(qū)玉米生長的日作物系數。利用該方法，結合興安盟歷年的播種日期，計算得出玉米從播種至成熟期每日的作物系數。

y=0.000 000 3x3-0.000 08x2+0.021 59x+0.000 83（3）

式中，x為播種后天數，y為當日作物系數。

2.1.3 日照適宜度函數 要保證玉米正常的生長發(fā)育，一般要求從玉米播種至乳熟每天日照時間至少為7～9 h，乳熟至成熟每天要大于8 h。在保證正常成熟的條件下，日照時間越多，光照越強，則玉米產量越高。有研究[15]表明，日照時間達到日照百分率的70%以上時，作物對光照的反應處于最適狀態(tài)，日照適宜度函數如公式（4）所示。

F（S）i=e■， S

式中，F（S）i為某日日照適宜度函數；S為某日實際日照時間；S0=70%×L0，L0為可照時間，其計算公式如式（5）所示；b為常數[11]，隨生育期不同而變化，其參考取值見表1。

sin■=■ （5）

式中，Φ為地理緯度，δ為赤緯，γ為蒙氣差，t為時角。依公式計算出t后，除以15再乘以2即可得出某地某日的可照時間。

2.1.4 日綜合氣候適宜度函數 玉米每日的綜合氣候適宜度是每日溫度適宜度、降水適宜度和日照適宜度等綜合作用的結果，同時，由于各生育期所需氣象條件以及各生育期對玉米生長影響的程度均不相同，為客觀反映不同生育期氣象因子對玉米生長發(fā)育的影響程度，需為各個生育期的相關氣象要素設定權重。由此得出日綜合氣候適宜度計算如公式（6）所示。

F（C）i=ai×F（T）i+bi×F（R）i+ci×F（S）i （6）

式中，F（C）i為某日綜合氣候適宜度；ai、bi和ci為平均氣溫、降水量和日照時間的權重，確定方法為各生育期平均氣溫、降水量和日照時間與相應年份的氣象產量做相關分析，各相關系數除以3個要素的相關系數之和即得各因子權重，具體見表2。

2.2 生育期動態(tài)預報模型

通過上述模型，計算出1982-2010年從播種至成熟期逐日的綜合氣候適宜度，并對各生育期累積綜合氣候適宜度進行統計，以各生育期歷年累積綜合氣候適宜度平均值作為該生育階段的生理指標，見表3。使用該模型進行預報時，自某一生育期開始日期對每日的綜合氣候適宜度進行累加，當累計值達到該生育期的生理指標時，則認為已進入下一生育期。每次預測時，計算所用起始日期均需根據觀測站實測生育期日期進行動態(tài)修正，以保證下一生育期預報結果的準確性。

2.3 生育期動態(tài)預報模型的檢驗

利用2011-2015年突泉縣、科右前旗和科右中旗的氣象資料進行各地玉米生育期持續(xù)時間預報，同時利用相應年份玉米生育期觀測資料進行檢驗分析，結果如圖1所示。由圖1可見，該模型生育期持續(xù)時間預測值與實際觀測值一致性較好。除播種-出苗期和乳熟-成熟期二者的相關系數稍低外，其他生育階段相關系數均在0.6以上，并在0.01水平上通過顯著性檢驗。

計算各生育階段預報日期與實際日期的平均絕對誤差和標準誤差，分析預報結果的準確性，結果如表4所示。由表4可知，除乳熟-成熟期外，各生育期預報日期與實際日期絕對平均誤差均小于4 d，均方根誤差均小于等于3 d。營養(yǎng)生長階段絕對誤差在3 d以內出現的頻次為62%，生殖生長階段絕對誤差在3 d以內出現的約為64%，預報精度基本可以滿足日常業(yè)務所需。

3 小結與討論

3.1 小結

通過以日為尺度的興安盟玉米氣候適宜度模型，對1982-2010年突泉縣玉米從播種至成熟期間的逐日氣候適宜度進行了計算，同時對各生育期累積綜合氣候適宜度進行統計，以各生育期歷年累積綜合氣候適宜度平均值作為該生育階段的生理指標，并使用2011-2015年突泉縣、科右前旗和科右中旗的氣象資料對模型進行檢驗。結果表明，除乳熟-成熟期外，模型預報結果與實測結果的平均誤差均小于4 d，均方根誤差均小于等于3 d，模型能較準確地預測各生育期，總體預報精度較好，能夠為實際農業(yè)氣象服務提供參考依據。

3.2 討論

本研究從作物日生理需水量出發(fā)，同時考慮了降水影響的后延性，但沒有考慮降水引起的地表徑流以及降水的下滲，若要進一步提高模型預報精度，還需要考慮土壤相對濕度等因素。同時，受現有觀測數據限制，本研究建立各生育期生理指標時，只使用了突泉縣歷年的生育期觀測數據，而各旗縣的氣象條件和種植環(huán)境是存在一定差異的，這種差異將對模型預報精度產生一定影響。隨著各旗縣農業(yè)氣象觀測業(yè)務的不斷完善，未來將根據各區(qū)域的玉米生育期觀測數據，建立相應旗縣的玉米生育期生理指標，從而進一步提高模型的精度和實用性。

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