青海省春小麦和油菜播种期气象条件分析及预测模型构建

申燕玲，赵梦凡，赵 彤，沈晓燕

(1.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001)

气温对农作物生长发育至关重要，如果播种过早，气温没有达到种子萌发时对温度的需求，种子在低温影响下，会出现烂种、弱苗等现象；播种过晚则会影响作物的成熟[1-2]。由此可见，通过适宜的气象条件以及气候资源确定作物的适宜播种期是作物高产、稳产的基础[3-5]。青海省东部农业区是青海省农作物的主要产区，但由于青海省受到青藏高原的动力热力共同影响，气候条件特殊，与其他地区的气候背景有很大差异，加之全球气候变暖加剧、农业区作物品种不断更新、栽培技术和耕作方式改进以及种植制度改变，以及业务中对于播种期的预报指标单一、对播种期气象特征的表征程度不够、使用的数据准确性低等原因[6]，当前农业区播种期指标及其适用性研究已经不能够满足农业气象预报的业务需求，降低了农业气象播种期预报的客观性和时效性。

近年来，越来越多的专家学者投入到气候变暖对作物发育期影响的研究当中[7-9],有研究表明温度变化是影响作物生育期的主要原因[10]，全球气候变暖对作物的影响普遍表现为返青期和成熟期的提前以及全生育期和越冬期的缩短[11-12]。由于气候变暖会使作物的生长季延长，种植区域北移西延。春小麦的生长基本不受降水量的影响,并且深层土壤水分能够弥补大气降水的不足，对春小麦苗期生长有利[13-14]。土壤温度对作物种子发芽出苗有直接影响，因为土壤温度和后期霜冻发生有一定的关系，从而影响作物的春耕春播等农事活动，但由于过去气象观测资料不完整，前人研究中涉及到的温度大都是气温[15]，因此考虑土壤温度分析作物播种期更有实际意义。青海省东部农业区发生霜冻的时段主要在4—9月，5月发生频率最高，会对播种期作物生长发育造成一定的影响[16]。本研究通过对日平均气温、地温、日平均5 cm和10 cm地温、≥0℃和≥3℃积温、稳定通过界限温度的初日等气象条件及地理信息与适宜播种最佳时段的阈值进行分析，从而为作物应对气候变化及有效防御作物早播的潜在风险提供科学依据。在全球变暖的趋势下，为更好开展播种期气象适宜度评价服务，确定作物播种期气象要素的适宜范围，分析春小麦和油菜播种期气象要素的统计特征，探究主要影响农作物播种期的气象因子，构建适用于青海省春小麦和油菜播种期气象条件适宜性判识指标，对青海省东部农业区作物播种期的农业气象服务具有重要实践意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

青海省东部农业区是青海省春小麦和油菜的主要产区，农业区光照充足，昼夜温差大，光、温配合适宜，有利于农作物营养物质的积累。本研究选取青海省东部春小麦和油菜种植区为研究区(89°35′～101°06′E，35°02′～37°58′N),地处祁连山达坂山以南、日月山以东，属黄土高原向青藏高原过渡镶嵌地带，自然资源丰富，日照时间长、太阳辐射强、土壤肥沃、水资源充足，春小麦和油菜面积约占总播种面积50%以上。西部从北至南与海北藏族自治州的祁连县、海晏县，黄南藏族自治州的泽库县相连，包括西宁、共和、贵南、大通、民和、乐都、平安、湟源、互助、化隆、循化、贵德、尖扎、同仁及门源等15个县(市)，主要分布详见图1(见 235页)，其中春小麦种植区农气观测站包括德令哈、大通、共和、贵南、互助、湟源、湟中，油菜种植区观测站包括德令哈、共和、贵南、互助、门源。

图1 研究区域分布图Fig.1 Distribution of meteorological stations in study area

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源 选用1961―2019年青海省春小麦和油菜种植区的8个农业气象观测站(图1)的逐日平均地温、5 cm和10 cm地温、土壤相对湿度、观测站点海拔和经纬度、作物生长等数据。利用逐日平均气温和地温数据计算得到积温、稳定通过温度和地温的日序数。资料来自青海省气象局信息中心。

1.2.2 气候倾向率 用x表示样本量为n的气候变量，用t表示x所对应的时间，利用最小二乘法建立一元线性回归方程，即x=b+ati(i=1，2，3，…，n)，其中，a为气候变化量的倾向率，a>0表示直线递增，a<0表示直线递减，a×10表示每10年的趋势变化率,表征了时间序列的变化趋势。

通过计算与播种期相关气象要素的气候倾向率(Slope)来分析时间上的变化特征。

(1)

式中，ti为气象要素的等变量值。采用时间t与序列变量之间相关系数，即气候趋势系数对变化趋势的显著性进行检验。

1.2.3 累积距平 累积距平可以判断气象要素的变化趋势，累积距平曲线若呈上升趋势，则表示距平值增加，反之则表示距平值减小。对于某一序列x，其在某一时刻t的累积距平表示为：

(2)

1.2.4 评估指标 选取决定性系数R2和均方根误差RMSE对模型精度进行评价。

(3)

(4)

1.2.5 阈值 对各观测站点作物播种期时间序列与气温、地温、日照等气象要素进行回归分析，并绘制箱线图，进一步分析气象要素的阈值分布，通过分析多年青海省春小麦和油菜播种期的逐日平均气温、0～5 cm土壤温度、0～10 cm土壤温度等气象要素的阈值范围，最终得出播种期适宜的气象要素指标。

2 结果与分析

2.1 气象要素变化趋势

由图2A可见，1961―2019年气温和地温的增温趋势较为明显，尤其在1990年开始，有明显的增温趋势。青海省春小麦和油菜种植区日平均气温年际变化呈波动型升高，最大值和最小值分别出现在2015年和1967年，日平均气温气候倾向率为0.4℃·10a-1，平均地温、5cm和10cm平均地温气候倾向率分别为0.44、0.33、0.35℃·10a-1，均通过了显著性检验；相对湿度从1994年开始呈现减小趋势，其气候倾向率为-5.7%·10a-1，表明地区相对湿度整体呈现持平略减趋势。由图2B累积距平变化曲线可以看出，日平均气温、地温在1996年之前呈现递减趋势、其后呈增加趋势。整体来看，青海省春小麦和油菜农业气象观测地区气候表现出温度递增、湿度减小的变化特征。

图2 1961―2019年青海省春小麦和油菜观测站气象要素年际变化曲线(A)和累积距平变化曲线(B)Fig.2 Evolution of cumulative anomaly of the meteorological elements with time (A) and interannual variation periods curves of the meteorological elements (B) in 1961-2019

2.2 春小麦和油菜播种期影响因子分析

分别对日平均气温、日平均地表温度、日平均5 cm和10 cm地温、≥0℃和≥3℃积温，气温稳定通过界限温度(0℃和6℃)初日日序数、地温稳定通过界限温度(10℃)初日日序数、土壤相对湿度、海拔高度、经纬度和作物播种期日序数进行相关分析[17-19]。从图3可以看出，与春小麦和油菜播种期日序数相关性较高的温度相关要素包括日平均气温、平均地表温度、日平均5 cm和10 cm地温；日序数相关要素有气温稳定通过界限温度(0℃、6℃)、地温稳定通过界限温度(10℃)初日日序数；地理信息相关要素有海拔高度和经度。以上温度类要素与播种期日序数的相关性较好，且呈线性正相关关系，通过了显著性检验。

2.3 气象要素阈值分析

研究区日平均气温3.1℃，平均5 cm地温5.6℃、10 cm地温4.8℃作为春小麦进入适播期气象适宜指标(表1，见237页)；日平均气温6.3℃，平均5 cm地温9.4℃、10 cm地温9.0℃作为油菜进入适播期气象适宜指标(表2，见237页)。由于各观测站气候条件差距较大，所以需对不同站点气象要素适宜度指标进行讨论。如图4所示，春小麦种植区各站气温较地温四分位差较大，说明播种期气温数据较为分散，10 cm地温数据分布较为集中，数值变化幅度较小。52737(德令哈)站和52869(湟中)站地温四分位差较大，数据较其他站分布较为分散；如图5 所示，油菜种植区52955(贵南)站的温度数据分布较为分散，52737(德令哈)站5、10 cm地温数据分布较为集中，数值变化幅度较小。

注:*、**分别表示系数通过P<0.05和P<0.01的显著性检验。Note:* and ** represent significant difference at P<0.05 and P<0.01,respectively.图3 相关系数热力图Fig.3 Heat map of correlation

图4 春小麦种植区不同观测站播种期气象要素阈值Fig.4 Meteorological elements boxplot of spring wheat

图5 油菜种植区不同观测站播种期相关性气象要素阈值Fig.5 Meteorological elements boxplot of rape

2.4 界限温度空间分布特征

如图6所示，青海省春小麦和油菜种植区气温稳定通过0℃、3℃和6℃以及地温稳定通过0℃、6℃和10℃的初日在空间分布上受到海拔的影响，大体上呈“东南早、西北晚”的分布特征，其中门源稳定通过各个界限温度的初日最晚，南部地区中循化、乐都、民和、贵德、尖扎、同仁稳定通过界限温度的初日早。根据图7稳定通过0℃、6℃和10℃气温气候倾向率来看，各地区稳定通过界限温度初日提前的趋势较为明显，其中互助、大通稳定通过0℃、3℃、6℃气温与0℃地温的初日提前日数幅度最大，贵南和乐都最小，且气温较地温的气候倾向率变化幅度大。根据图8稳定通过界限温度的初日与年份计算的相关系数来看，互助、大通稳定通过0℃、3℃、6℃气温与0℃地温初日呈负相关关系。

表1 春小麦种植区气象观测站播种期气象要素适宜指标/℃Table 1 Spring wheat optimum index of meteorological elements

表2 油菜种植区气象观测站播种期气象要素适宜指标/℃Table 2 Rape optimum index of meteorological elements

图6 1961―2019年青海省春小麦油菜种植区日平均气温稳定通过0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地温稳定通过0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日的空间分布Fig.6 Spatial distribution of the average temperature in the spring wheat rape planting area of Qinghai Province from 1961 to 2019 through 0℃,3℃ and 6℃ (A,B,C) and the average ground temperature stability through 0℃,6℃ and 10℃ (D,E,F)

图7 1961—2019年青海省春小麦油菜种植区日平均气温稳定通过0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地温稳定通过0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日气候倾向率的空间分布Fig.7 Spatial distribution of the average temperature of the spring wheat and rapeseed planting areas in Qinghai Province from 1961 to 2019 stably passed 0℃,3℃,and 6℃ (A,B,C),and the average ground temperature passed 0℃,6℃,and 10℃ (D,E,F)

2.5 模型构建

根据相关文献及现有资料以及与春小麦和油菜播种期的相关性分析，采用百分位法确定通过80%、90%、95%保证率下，将气温稳定通过0℃、3℃、6℃和地温稳定通过0℃、6℃、10℃的初日作为春小麦和油菜适宜播种的开始日期，同时将稳定通过界限温度的初日、经度、纬度、海拔高度等地理因子作为模型因子，模型如式(5)所示：

Y=f(h,λ,Ψ)+ε

(5)

式中，Y为稳定通过界限温度的初日日序数，h、λ、Ψ分别表示海拔高度、纬度、经度，ε为综合地理残差。利用日平均气温稳定通过界限温度的初日日序通过多元回归分析得到春小麦和油菜进入适宜播种期的模型，如表3、4所示。

图8 1961—2019年青海省春小麦油菜种植区日平均气温稳定通过0℃(A)、3℃(B)、6℃(C)及日平均地温稳定通过0℃(D)、6℃(E)、10℃(F)初日相关系数的空间分布Fig.8 Spatial distribution of the average temperature in the spring wheat and rapeseed planting area of Qinghai Province from 1961 to 2019 stably passed 0℃,3℃,and 6℃ (A,B,C),and the average ground temperature passed 0℃,6℃,and 10℃ (D,E,F)

表3 气温稳定通过界限温度的初日与经度、纬度、海拔高度建立春小麦播种期预报模型Table 3 First day of stable air temperature passing through the boundary temperature with longitude, latitude,and altitude to establish the model

对所构建的春小麦和油菜进入适宜播种期的预报模型进行评估，如表5、6所示，95%、90%、80%保证率始播期稳定通过0℃、6℃、10℃初日所有模型因变量Y的90%以上的变化由自变量海拔高度、纬度、经度来解释，所有模型90%、80%保证率RMSE小于3.8 d，其中95%保证率下，气温稳定通过6℃初日的R2最大(0.97)、RMSE最小(2.96 d)；地温稳定通过0℃初日的R2最大(0.97)、RMSE最小(1.86 d)。

表4 地温稳定通过界限温度的初日与经度、纬度、海拔高度建立油菜预报模型Table 4 First day of stable ground temperature passing through the boundary temperature with longitude,latitude,and altitude to establish the model

表5 气温稳定通过0℃、3℃和6℃初日播种期预报模型决定系数及均方根误差Table 5 Coefficient of determination and root mean square error of the temperature has passed 0℃,6℃ and 10℃ first day

表6 地温稳定通过0℃、6℃和10℃初日播种期预报模型决定系数及均方根误差Table 6 Coefficient of determination and root mean square error of the ground temperature has passed 0℃,6℃ and 10℃

3 讨 论

由于春天天气变化异常，春小麦和油菜播种过早，地温较低，更容易出现发芽慢、粉种、坏种的现象，所以受气候变暖的影响，研究区春小麦和油菜播种期气象适宜指标、播种期气象条件预报模型也需要及时调整。前人研究表明，气温、土壤温度和后期霜冻发生有一定关系，从而影响作物的春耕春播等农事活动，所以温度、土壤温度是影响作物生育期的重要气象因素。本研究表明，与春小麦和油菜播种期相关的气象要素中，地温和气温的影响最大(相关系数达到0.72以上)，这也验证了前人的研究结果，所以考虑增加地温作为播种期相关气象因子，土壤相对湿度与播种期的相关性不大(相关系数0.34以下)，地理信息因子如经纬度、海拔高度也与播种期日序数有一定的相关性。

4 结 论

1)研究区与春小麦和油菜播种期相关的气象条件中，日平均气温、地温的增温趋势较为明显，分别以0.40℃·10a-1和0.44℃·10a-1的速度增加，并且春小麦和油菜种植区北部地温增温较南部明显，相对湿度在1994年之后，则呈缓慢减少趋势(-0.57%·10a-1)。

2)当日平均气温达到3.1℃，平均5 cm地温达到5.6℃、10 cm地温达到4.8℃建议开展春小麦播种农事活动；日平均气温达到6.3℃，平均5 cm地温达到9.4℃、10 cm地温达到9.0℃建议开展油菜播种农事活动。

3)气温稳定通过0℃、3℃和6℃以及地温稳定通过0℃、6℃和10℃的初日在空间分布上受到海拔的影响，大体上呈“东南早、西北晚”的分布特征；春小麦和油菜稳定通过0℃、3℃，地温稳定通过0℃初日提前的趋势较为明显。通过气温，地温稳定通过界限温度初日统计法建立的春小麦和油菜播种期预测模型，其中95%保证率时，气温稳定通过6℃初日、地温稳定通过0℃初日模型效果最佳。