密云区黑木耳气象适宜度模型研究

任舒珍 闫霜 廖明水 丁立芳 徐柳溪 李翔宇

(北京市密云区气象局，北京 101500)

引言

随着时代的经济发展，黑木耳作为菌类已成为人们餐桌上的一道美食，其富含丰富营养价值，也是精准扶贫产业发展中带动农民增收的一种新兴产业。黑木耳属木腐菌，野生的多生长于枯死的阔叶树上，黑木耳的生态环境一般在气温达到10℃以上雨水充足的季节生长。现今黑木耳种植方法多种，既可在大棚内种植，也可以在露天陆地种植，亦可在林下种植。目前，密云黑木耳种植方式有2种，全露天陆地种植和板栗林下种植。本文主要研究的是全露天种植的黑木耳。

我国专家对黑木耳气象条件做过相关研究。陈建军在培育香菇、黑木耳的气象问题及小气候调控技术上对黑木耳室内培育的气象条件进行分析；王银平对木耳生态环境进行研究，研究分析了神农架北区海拔500～1500m的段木黑木耳的生态环境，研究表明5—9月气温、降水和光照条件适宜黑木耳的生长；禹光波通过分区试验研究得出黑木耳的长期适宜生长的气象指标。但以上专家只是对室内培育、海拔较高利用椴木培育几类种植方式的黑木耳气象条件进行研究分析，均未涉及建立黑木耳生长适宜指标及黑木耳气候综合适宜模型。本文采用专家咨询法、因子分析法、隶属度函数、相关系数法和回归分析法，分析全露天陆地人工种植黑木耳的气象适宜度指标，建立综合气候模型，可为密云黑木耳种植气象服务专报提供更精细化指标。

1 资料背景

气象资料温度、降水为密云区冯家峪镇2016—2021年自动气象站观整编资料，日照资料因冯家峪镇无日照观测仪器，故使用密云区国家基准站观测数据；生育期资料采用文献参考法及耳农、农业气象专家获取；2016—2021年产量资料从密云区农业技术推广站获取。

2 分析方法

本研究采用专家咨询法、因子分析法、隶属度函数、相关系数法，通过邀请黑木耳的种植指导专家、有经验的耳农确定黑木耳的生长发育期，通过相关系数法、因子分析法计算各旬适宜的温度、降水和日照的权重系数。

温度适宜函数：

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

日照函数：

回归模型法是指通过对本研究的黑木耳生长期内温度、降水、光照等数据进行分析，确定期适宜度函数，通过建立回归模型法确定黑木耳气候适宜度动态模型：

3 生长期确定

由于保峪岭村处于冯家峪镇位于密云区西北部，西北与怀柔区接壤，东北毗邻河北省滦平县，东与不老屯镇交界，南临密云水库北岸，海拔200～1000m，属于暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候。气温稳定通过10℃的时间均在4月上旬，因此黑木耳种植每年从4月上旬开始进行，7月底纯木耳结束生长期，黑木耳整个生长周期为3～4个月。

通过专家咨询法、走访耳农，实地观测黑木耳的生长发育期结合参考文献法，将黑木耳生长期定义为入地(开口)期、催耳芽、耳片分化期、展片期、成熟期、采耳期、晒耳期[1-3]。

4 黑木耳温度适宜度指标

温度适宜是每个作物生长期内的必备条件，为研究分析出保峪岭村的温度条件对黑木耳各个生育期生长发育的满足程度，计算出黑木耳的温度适宜度指标，根据赵峰等[4]的研究，温度适宜度指标可用下式计算：

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

(1)

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

式中，t为黑木耳生长期某一个时段的旬平均气温；t1为黑木耳在该时段内生长发育的下限温度；t2为黑木耳在该时段内生长发育的上限温度；t0为黑木耳在该时段内生长发育的最适温度，见表1；F(t)温度适宜度指标由实测气温和下限、上限、最适宜温度决定；b为常量参数。根据黑木耳生长发育与温度关系的密切程度，可以看出，当旬平均气温(t)≤下限温度(t1)时，温度适宜度指标F(t)=0；当旬平均气温(t)=最适温度(t0)时，温度适宜度指标F(t)=1；当旬平均气温(t)≥上限温度(t2)时；温度适宜度指标F(t)=0。因此，温度适宜度指标Ft(T)的变化范围是在0～1的不对抛物线函数，如图1所示，采用模糊隶属函数来反映黑木耳对温度需求，黑木耳对温度的需求主要在入地(开口)期、催耳芽时对温度最为敏感，如果温度低于下限温度将会导致菌棒冻坏，直接影响产量；在成熟期不能超过上限温度，超过上限温度容易造成流耳，导致产量减少。实际上与其他作物的生长规律一致，即作物产量在关键生长期和敏感期，作物产量随温度的变化而变化。

表1 黑木耳各生长时段的t0值、t1值、t2值[2]

图1 黑木耳全生育期温度反映过程

黑木耳全生长期为21旬，将黑木耳的温度适宜度用FT(t)表示，用来反映黑木耳生长期对温度条件的适宜过程，黑木耳的温度适宜度随时间变化在某一个生长期的加权平均值为该生长期的温度适宜度指标，其所占权重aTi表示，则第y年(y=1,2,3，4,…，21)第n生育期适宜度可记为：

(2)

式中，n表示第n个生育期；n1,n2分别表示第n个生育期的开始旬和结束旬；aTi表示第n个生育期第i旬的权重占比。

本研究把黑木耳的温度适宜度随时间变化，通过加权平均后，定义为其生长期的温度适宜度，即叫作全生长期温度适宜度，其权重系数可用aj表示，则黑木耳全生长期适宜度可用下式计算：

(3)

y∈[1,21]

根据公式计算得出黑木耳各个生育期内适宜的气温如表2所示，说明冯家峪镇保峪岭村的气温条件满足黑木耳生长条件，均在适宜值范围内。

表2 黑木耳全生育期内适宜温度范围

5 黑木耳降水适宜度函数

因黑木耳对降水的需求量确定起来比较复杂，因此降水适宜度函数无法真正体现，故本研究引入王银平的研究[5]降水系数(RQ)用于描述冯家峪镇保峪岭村黑木耳种植区的降水适宜度。

(4)

式中，Ri，Ti分别为黑木耳生长期i月的旬雨量和旬平均气温；k为生长旬。

图2 黑木耳生育期降水反映过程

通过研究发现，黑木耳的产量与降水的关系密切，特别是在耳片分化期、展片期与成熟期，足够的降水量才能促使黑木耳快速生长。通过对黑木耳历年产量与RQ的关系进行研究分析，将黑木耳产量最高的年份作为降水适宜度指标，将历年降水量与产量最大年份进行比较，用于评价某种植区黑木耳的水湿条件。

6 日照适宜度函数

光、温、水的适宜条件对黑木耳的影响可理解为一个模糊过程，是指在“适宜”与“不适宜”之间变化，即在0～1之间的不对称线性变化，即在黑木耳入地后、催芽期对光照的需求较小，随着黑木耳生长的变化，对光照的需求逐渐增大，特别是成熟期及晒耳期。因此，本研究以70%日照百分率的日照时数作为临界点[6]，生长期间日照百分率达到70%以上，说明光照条件对黑木耳的影响最为适宜的状态，见图3。日照时数的适宜度公式:

FS=e1-[(S-S0)/b]2S>S1，S≥S1

(5)

式中，FS表示实际日照时数；S1表示日照百分率70%的日照时数；b为常数。S1与b值见表3。

表3 黑木耳不同生育期的S0与b值

图3 黑木耳全生育期日照反映过程

光照条件能够反映黑木耳全生育期内日照条件对黑木耳适宜性影响的动态过程。本研究将黑木耳某生长期内日照适宜度随时间变化，采用加权平均计算后用来表示日照适宜度，将其定义为黑木耳该生长期的日照适宜度，计算权重asi表示，黑木耳第y年(y=1,2,3，…，21)第n生育期的日照适宜度可表示为：

(6)

公式中，n表示第n个生长期；n1,n2分别表示第n个生长期的开始旬和结束旬；asi表示第n个生育期第i旬的权重占比。通过计算即可得到黑木耳全生长期[0,n]日照适宜度：

y∈[1,21]

(7)

式中，asi表示第j旬日照适宜度的权重系数。

7 确定各适宜度的权重

由于黑木耳在各个生育时段内所需要的气候条件不同，每旬的温度、降水、日照条件对黑木耳的隶属度组成了其生育期或者各生育期光、温、水条件对黑木耳的隶属度，3种气象要素条件每旬所占比例不同。为能更客观地反映不同时期的气象条件对黑木耳生长的影响强度，对黑木耳各个生长期或者全生长期的温度、降水、日照的适宜度设定所占的权重系数。

本研究通过调研相关文献，作物的适宜度设定权重的方法有专家咨询法、因子分析法和相关系数法等。由于黑木耳生长期内有21个旬，各生长期之间对光、温、水所需要的占比不同，采用相关系数法无法很好地反映全生长期的相关性，所以对光、温水适宜度计算的权重系数采用专家咨询法来确定，如表4所示。

表4 黑木耳各生长期光、温、水的权重系数

8 黑木耳气候适宜度模型

为能够综合反映温度、降水、日照3个影响因素对黑木耳气候适宜度的影响，合理反映评估密云区保峪岭地区黑木耳种植的气候条件适宜动态，建立黑木耳气候适宜度动态模型。具体如下：

(i=1,2,3，…，21)

(8)

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

(9)

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

(10)

式中，y表示黑木耳种植年序,y=1,2,3,4,5,6；Fci(y)、FCM(y)、Fc(y)分别表示黑木耳第i旬、第n个生育期和全生育期的气候适宜度。

用黑木耳各生长期的气候适宜度计算黑木耳各个生长期的适宜值范围，如表5所示。

表5 黑木耳各生长期适宜值范围

9 2016—2021年黑木耳产量动态模型

本研究通过将黑木耳的实际产量与年平均产量的差值进行产量分级，对2016—2021年的黑木耳产量进行分级如表6所示。一般而言，在同一期时期内实际产量与预报产量的差用百分比表示增减，一般增减10%以上的年份为显著增产年或者减产年，增减在5%～10%的年份为增产年或减产年，增减0～5%的年份为平年。

表6 2016—2021年黑木耳产量分级

本研究通过黑木耳气候适宜度动态模型，分别计算得出2016—2021年综合适宜度，并分别建立了各生育期内产量预报的动态模型，将预报值进行精确度检验如表7所示。评分检验结果显示，除2020年得分较低外，其余得分均在85～98分，说明本模型在丰年效果好，歉年预报效果不好。由于本地区种植黑木耳时间较短，有产量数据时间序列较短，在以后年份可将丰年、歉年、平年分别建立模型。目前该产量预报模型可以用来客观地反映本地区黑木耳的产量预报。

表7 2016—2021年保峪岭黑木耳产量预报模型准确率

本研究分别对黑木耳入期地、催芽期、耳片分化期、成熟期、采耳期做了产量预报，如图4～8所示。

图4 黑木耳入地期动态模型

图5 黑木耳催芽期动态模型

图6 黑木耳耳片分化期动态模型

图7 成熟期动态模型

图8 黑木耳采耳期动态模型

通过气候适宜度模型进行各生育期的产量预报，产量预报公式如下：

ΔY=-36.23x+306.1

(11)

式中，x为生育期内适宜度。

表8 黑木耳各生育期预报方程

10 黑木耳生长期动态模型的合理性检验

从密云区不同黑木耳种植区域中选取保峪岭、北香峪、大窝铺、苍术会4个种植区为代表，采用相关系数法及F检验，检验气候适宜度动态模型与黑木耳产量之间的关系，结果见表9，4个种植代表区域的气候适宜度动态模型与产量之间的相关性均为显著性水平，表明本研究设计的黑木耳适宜度模型能够客观地反映密云区保峪岭村黑木耳种植的气候适宜度水平及生长期的动态变化，所以可用于其他种植区进行黑木耳适宜度评估。

表9 黑木耳气候适宜度模型合理性检验

11 结论

黑木耳的生长期分为入地(开口)期、催耳芽、耳片分化期、展叶期、出耳(盛产期)、采耳、晒耳，其中前几个生长期尤为关键，关系到后面产量的增减。

通过计算黑木耳各生长期对温度条件的反应函数，发现黑木耳在入地、催耳芽及成熟期对温度的敏感程度更高，即入地、催耳芽时，温度不能低于下限温度，否则菌棒会冻坏；成熟期不能高于上限温度，否则会造成流耳，导致产量减少。其生长规律与其他作物一致，产量在关键生长期会随气温的变化而变化；通过计算黑木耳各生长期对日照条件的反应函数，发现黑木耳入地期对光照、温度的需求呈逐渐直线上升；通过计算降水条件对黑木耳生长反应函数，得出黑木耳对降水的需求呈曲线变化。

通过计算黑木耳各生长期温度、日照、降水的适宜度指标，采用回归法建立了动态模型并进行了模型的合理性检验，结果表明，本项目设计的气候适宜度模型能够客观地反映密云区保峪岭黑木耳的气候适宜性水平及其动态变化，可用于密云区其他种植区黑木耳气候适宜性评估。