湖南省油菜開花結莢期濕漬害指標研究

袁小康

（湖南省氣象科學研究所/氣象防災減災湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118）

【研究意義】湖南是全國油菜生產大省，2018 年湖南油菜播種面積居全國第1 位，總產量居全國第2 位［1］。湖南春季經常出現陰雨天氣，降水過程多，降水量大，田間易積水，從而造成油菜濕漬害。濕漬害是指土壤水分達到飽和形成嫌氣環境，使植物因氧氣虧缺而發生代謝改變，危害植株正常的生長發育［2］。湖南油菜在春季正值開花結莢期，是產量形成的關鍵時期。此階段如果出現濕漬害，將嚴重影響油菜產量和品質。生產經驗表明，濕漬害是造成湖南油菜產量減產、品質降低的主要農業氣象災害之一。如2009 年2月15 日至3 月4 日，湘中以北大部分地區出現連續15 d 以上的陰雨天氣，造成油菜濕漬害，當年油菜產量降低20%以上［3］。迄今為止，無人明確提出能在湖南農業氣象業務中應用的油菜濕漬害指標。研究提出油菜濕漬害指標，從而開展油菜濕漬害監測預警業務，對于發揮氣象部門防災減災“第一道防線”作用、保障油菜高產穩產具有重要意義。【前人研究進展】目前，關于油菜濕漬害的研究報道多集中在濕漬害致災機理［4-8］、濕漬害對生長和產量的影響［9-11］、濕漬害風險評估［12-13］和防治措施［14］等方面，而對油菜濕漬害指標的研究較少。霍治國等［15］提出，以降水持續天數和降水量兩要素構成江淮地區油菜澇漬害指標；韓沁哲等［3］以低溫持續天數、過程極端最低氣溫、過程平均氣溫、過程連陰雨天數4 個因子構建油菜連陰雨指標，根據生產經驗賦予各因子權重；陸魁東等［12］篩選出7 個制約湖南油菜高產的氣象災害因子，結合專家經驗確定各因子權重，建立湖南油菜氣象災害綜合風險指數；董芹等［16］通過分析油菜試驗田觀測資料和氣象數據，得到以降水持續天數單因子構建的油菜連陰雨預警指標；劉瑞娜等［17］分析安徽油菜主產區氣象資料和產量資料，得到以連陰雨日數和降水量兩因子構成的油菜花期連陰雨指標；范雨嫻等［18］通過對湖南油菜災情資料的收集和反演，構建逐日動態的油菜春季澇漬過程災變指標。【本研究切入點】目前，天氣預報業務能提供未來10 d 逐日的日最高氣溫、日最低氣溫和降水量等氣象要素的預報結果。本研究選擇天氣預報結果中某一氣象要素，作為構建油菜濕漬害指標的因子，從而直接應用天氣預報或者實況資料進行油菜濕漬害預警或監測。【擬解決的關鍵問題】從各地油菜產量觀測資料和同期氣象資料中分析得出湖南油菜濕漬害的致災因子，進一步確定不同程度災害等級指標。

1 材料與方法

1.1 資料來源

油菜產量資料是代表當地油菜主栽品種和生產管理水平的油菜田塊實際測定產量，由衡陽市農業氣象試驗站、懷化市農業氣象試驗站和益陽市氣象局、南縣氣象局提供。上述4 個單位長期對當地典型油菜田塊進行發育期、生長狀況和產量觀測，油菜品種、施肥等栽培管理措施與當地通行做法一致。氣象資料由湖南省氣象局信息中心提供。

1.2 數據處理

產量受社會經濟因素及氣象條件影響。一般將實際產量分解為依社會生產水平而變的趨勢產量、隨氣象條件而變的氣象產量和隨機誤差三部分［19］，即：

式中，Y為實際產量，Yt為趨勢產量，Yw為氣象產量，ε為隨機誤差，在通常情況下，隨機誤差一般很小，可忽略不計。通過常用的5 點滑動平均法模擬趨勢產量［21］，確定趨勢產量Yt后，氣象產量為：

為減少由生產力水平提高帶來產量增長對氣象產量的干擾，使氣象產量在時間和區域上有可比性，以相對氣象產量（Yr）進行分析［20］：

2 結果與分析

2.1 油菜減產年的確定

將相對氣象產量Yr≤-5%作為農作物受災減產的臨界值，即當Yr≤-5%時，該年被當作減產年。經計算，益陽市、南縣、懷化市和衡陽市的油菜減產年見表1。

2.2 油菜濕漬害致災因子的確定

湖南地形復雜，各地油菜播種期不同，導致開花期各不相同。為便于統計分析，根據湖南各農業氣象站油菜發育期觀測資料，將湖南各地油菜開花結莢期統一認定為3 月1 日至4 月30 日，把“過程降水量在20 mm 以上，過程降水日數在3 d 以上”作為一次降水天氣過程進行統計。以南縣為例，首先分析南縣油菜減產年油菜開花結莢期的降水特征。經統計分析，南縣油菜減產年共有11 年（表1）。為比較、分析油菜減產年和非減產年油菜開花結莢期降水特征，統計南縣歷年油菜開花結莢期降水過程次數、過程累計降水量。為便于比較，計算出過程平均降水量（過程累計降水量除以降水過程次數）和過程平均天數（過程累計天數除以降水過程次數），如圖1、圖2所示。

表1 湖南省油菜主產區減產年情況Table 1 Typical years of yield reduction in main rape producing regions in Hunan Province

由圖1 可知，過程累計降水量在年際間的升降變化趨勢，與過程平均降水量在年際間的變化趨勢完全一致；由圖2 可知，過程累計天數在年際間變化趨勢，也與過程平均天數在年際間的變化趨勢相同。因此，過程平均降水量、過程平均天數可分別代表過程累計降水量、過程累計天數大小。

圖1 南縣歷年油菜開花結莢期過程降水量Fig.1 Precipitation during the flowering and pod-bearing period of rape in Nanxian County

圖2 南縣歷年油菜開花結莢期降水過程天數Fig.2 Days of precipitation during the flowering and pod-bearing period of rape in Nanxian County

南縣油菜11 個減產年的油菜開花結莢期降水特征，呈現兩個特點：一是過程累計降水量和過程平均降水量較大，二是過程累計天數和過程平均天數較多。按同樣方法，再統計分析益陽市、懷化市和衡陽市油菜減產年開花結莢期降水特征，結果表明上述3 地油菜減產年開花結莢期降水特征與南縣一致，均體現出過程平均降水量大、過程平均天數多的特征。而過程平均降水量、過程平均天數與濕漬害之間存在直接因果關系。出現油菜濕漬害的原因是降水多、持續時間長，造成田間濕度過大，甚至田間出現積水，導致油菜根系呼吸作用困難，從而影響油菜植株正常生理生化過程。

將4 個站點油菜開花結莢期過程平均降水量、過程平均天數與相對氣象產量做相關分析，結果見表2。由表2 可知，過程平均降水量、過程平均天數與減產年相對氣象產量呈顯著負相關關系。因此，過程平均降水量、過程平均天數是油菜濕漬害的主要致災因子。

表2 湖南3 個站點油菜濕漬害影響因子與相對氣象產量的相關分析Table 2 Correlation analysis of influence factors of rape wet damage and relative meteorological yields in 3 stations in Hunan Province

2.3 油菜濕漬害指標的建立

挑選南縣、益陽市、懷化市油菜觀測資料中相對氣象產量≤-5%的樣本，運用SPSS 軟件將相對氣象產量、開花結莢期過程平均降水量、過程平均天數進行K-均值聚類分析，設定聚類數為2 類，用有限次逼近法，按照聚類最優原則得到相對氣象產量、過程平均降水量和過程平均天數的2 個聚類中心及每個聚類的案例數。

從表3 可以看出，減產率較低的聚類，致災因子聚類中心值較低，案例數較多。以第一類聚類中心值和第二類聚類中心值為界限，把油菜開花結莢期濕漬害等級劃分為輕度和中度以上兩個等級（表4）。

表3 過程平均降水量、過程平均降水天數和相對氣象產量的聚類中心值和案例Table 3 The cluster center value and the number of cases of average precipitation,average precipitation days during precipitation process and relative meteorological yield

表4 湖南省油菜開花結莢期濕漬害指標Table 4 Wet damage index of rape during flowering and pod-bearing period in Hunan Province

2.4 油菜濕漬害指標的檢驗

為檢驗油菜濕漬害指標準確性，用獨立數據——衡陽市農氣站的油菜觀測數據作為樣本進行檢驗，計算出衡陽農氣站觀測的油菜減產年油菜開花結莢期過程平均降水量、過程平均天數，結果見表5。由表5 可知，衡陽農氣站油菜8 個減產年開花結莢期的過程平均降水量和過程平均天數，均達到本研究提出的濕漬害指標受災條件，即符合輕度濕漬害指標。但達到重度濕漬害指標后，實際受災等級與本文提出的濕漬害指標不完全符合。

表5 湖南油菜開花結莢期濕漬害指標檢驗結果Table 5 Test results of wet damage index during flowering and pod-bearing period of rape in Hunan Province

3 討論

本研究結果表明，湖南油菜減產年相對氣象產量與油菜開花結莢期過程平均降水量、過程平均降水天數呈顯著負相關關系，說明油菜開花結莢期過程平均降水量、過程平均降水天數嚴重影響油菜產量。而過程平均降水量、過程平均降水天數與濕漬害呈直接因果關系。因此，過程降水量和過程降水天數是湖南省油菜開花結莢期濕漬害的主要致災因子，這與陸魁東等［12］指出開花期的低溫連陰雨和綠熟期連陰雨與油菜氣象產量密切相關的研究結果類似。

目前，針對油菜濕漬害指標的研究報道不多。已有油菜濕漬害指標是通過專家打分法或者依據生產經驗定性得出，或者通過歷史災情資料反演得到，大多數濕漬害指標沒有定量化，因而無法應用到農業氣象業務中。本研究通過統計分析南縣、益陽市、懷化市3 個農氣站油菜開花結莢期氣象要素與相對氣象產量的關系，得到油菜濕漬害的主要致災因子是過程降水量和過程降水天數。在確定油菜濕漬害致災因子后，再對南縣、益陽市懷化市3 個農氣站減產年的相對氣象產量與油菜開花結莢期過程平均降水量和過程平均降水天數作聚類分析，得出以過程降水量、過程降水天數兩因子構成的定量化油菜濕漬害指標。最后用獨立觀測數據檢驗，結果表明該指標判斷有無出現濕漬害準確率高。經咨詢相關專家，油菜輕度濕漬害指標“40 mm ≤過程降水量＜75 mm，5 d ≤過程降水天數＜6 d”和中度以上濕漬害指標“過程降水量＞75 mm，過程降水天數≥6 d”，與湖南省油菜實際生產中出現濕漬害時氣象條件非常一致。目前天氣預報業務中，有過程降水量和過程降水天數的預報結果。因此，利用本研究提出的油菜濕漬害指標，結合氣象監測資料和天氣預報結果可開展油菜濕漬害監測預警業務。

本研究得出的油菜濕漬害指標，在判斷有無出現濕漬害方面比較準確，但在判斷濕漬害災害等級，也就是受災嚴重程度時與實際情況不完全一致。這與劉瑞娜等［17］研究安徽油菜連陰雨災害損失評估指標得到的結果相似，安徽油菜連陰雨指標在評斷輕度和中度等級災害準確率較高，但在判斷重度災害時準確率相對較低。原因可能是在實際生產中，造成油菜減產的因素較多，有氣象災害的因素，也有生產管理的因素，氣象災害不是油菜減產的決定性因素。分析湖南各地油菜開花結莢期降水特征時發現，絕大多數減產年開花結莢期過程平均降水量、過程平均天數較大，但是個別非減產年份開花結莢期過程平均降水量、過程平均降水天數也較大。原因是強降水過程來臨時，如果農民管理到位、防范措施充分，就能避免油菜遭受嚴重濕漬害，在降水過后油菜得到恢復性生長，因而不會出現明顯減產。

4 結論

本研究結果表明，過程降水量和過程降水天數是湖南省油菜開花結莢期濕漬害的主要致災因子。湖南省油菜開花結莢期輕度濕漬害指標是：40 mm ≤過程降水量＜75 mm，過程降水天數為5 d；中度以上濕漬害指標是：過程降水量≥75 mm，過程降水天數≥6 d。經獨立數據檢驗，上述指標基本準確，因此可應用于湖南農業氣象業務中。