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(shí)代的經(jīng)濟(jì)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值，也是精準(zhǔn)扶貧產(chǎn)業(yè)發(fā)展中帶動(dòng)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(zhǎng)于枯死的闊葉樹(shù)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(zhǎng)。現(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(guó)專家對(duì)黑木耳氣象條件做過(guò)相關(guān)研究。陳建軍在培育香菇、黑木耳的氣象問(wèn)題及小氣候調(diào)控技術(shù)上對(duì)黑木耳室內(nèi)培育的氣象條件進(jìn)行分析；王銀平對(duì)木耳生態(tài)環(huán)境進(jìn)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(zhǎng)；禹光波通過(guò)分區(qū)試驗(yàn)研究得出黑木耳的長(zhǎng)期適宜生長(zhǎng)的氣象指標(biāo)。但以上專家只是對(duì)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(jìn)行研究分析，均未涉及建立黑木耳生長(zhǎng)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(bào)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(dòng)氣象站觀整編資料，日照資料因馮家峪鎮(zhèn)無(wú)日照觀測(cè)儀器，故使用密云區(qū)國(guó)家基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)；生育期資料采用文獻(xiàn)參考法及耳農(nóng)、農(nóng)業(yè)氣象專家獲取；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(guò)邀請(qǐng)黑木耳的種植指導(dǎo)專家、有經(jīng)驗(yàn)的耳農(nóng)確定黑木耳的生長(zhǎng)發(fā)育期，通過(guò)相關(guān)系數(shù)法、因子分析法計(jì)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(guò)對(duì)本研究的黑木耳生長(zhǎng)期內(nèi)溫度、降水、光照等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定期適宜度函數(shù)，通過(guò)建立回歸模型法確定黑木耳氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型：

3 生長(zhǎng)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(kù)北岸，海拔200～1000m，屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候。氣溫穩(wěn)定通過(guò)10℃的時(shí)間均在4月上旬，因此黑木耳種植每年從4月上旬開(kāi)始進(jìn)行，7月底純木耳結(jié)束生長(zhǎng)期，黑木耳整個(gè)生長(zhǎng)周期為3～4個(gè)月。

通過(guò)專家咨詢法、走訪耳農(nóng)，實(shí)地觀測(cè)黑木耳的生長(zhǎng)發(fā)育期結(jié)合參考文獻(xiàn)法，將黑木耳生長(zhǎng)期定義為入地(開(kāi)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(gè)作物生長(zhǎng)期內(nèi)的必備條件，為研究分析出保峪嶺村的溫度條件對(duì)黑木耳各個(gè)生育期生長(zhǎng)發(fā)育的滿足程度，計(jì)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(jì)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(zhǎng)期某一個(gè)時(shí)段的旬平均氣溫；t1為黑木耳在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度；t2為黑木耳在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的上限溫度；t0為黑木耳在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的最適溫度，見(jiàn)表1；F(t)溫度適宜度指標(biāo)由實(shí)測(cè)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(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(shí)；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(duì)拋物線函數(shù)，如圖1所示，采用模糊隸屬函數(shù)來(lái)反映黑木耳對(duì)溫度需求，黑木耳對(duì)溫度的需求主要在入地(開(kāi)口)期、催耳芽時(shí)對(duì)溫度最為敏感，如果溫度低于下限溫度將會(huì)導(dǎo)致菌棒凍壞，直接影響產(chǎn)量；在成熟期不能超過(guò)上限溫度，超過(guò)上限溫度容易造成流耳，導(dǎo)致產(chǎn)量減少。實(shí)際上與其他作物的生長(zhǎng)規(guī)律一致，即作物產(chǎn)量在關(guān)鍵生長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)段的t0值、t1值、t2值[2]

圖1 黑木耳全生育期溫度反映過(guò)程

黑木耳全生長(zhǎng)期為21旬，將黑木耳的溫度適宜度用FT(t)表示，用來(lái)反映黑木耳生長(zhǎng)期對(duì)溫度條件的適宜過(guò)程，黑木耳的溫度適宜度隨時(shí)間變化在某一個(gè)生長(zhǎng)期的加權(quán)平均值為該生長(zhǎng)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(gè)生育期；n1,n2分別表示第n個(gè)生育期的開(kāi)始旬和結(jié)束旬；aTi表示第n個(gè)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(shí)間變化，通過(guò)加權(quán)平均后，定義為其生長(zhǎng)期的溫度適宜度，即叫作全生長(zhǎng)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(zhǎng)期適宜度可用下式計(jì)算：

(3)

y∈[1,21]

根據(jù)公式計(jì)算得出黑木耳各個(gè)生育期內(nèi)適宜的氣溫如表2所示，說(shuō)明馮家峪鎮(zhèn)保峪嶺村的氣溫條件滿足黑木耳生長(zhǎng)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(duì)降水的需求量確定起來(lái)比較復(fù)雜，因此降水適宜度函數(shù)無(wú)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(zhǎng)期i月的旬雨量和旬平均氣溫；k為生長(zhǎng)旬。

圖2 黑木耳生育期降水反映過(guò)程

通過(guò)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(zhǎng)。通過(guò)對(duì)黑木耳歷年產(chǎn)量與RQ的關(guān)系進(jìn)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(jìn)行比較，用于評(píng)價(jià)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(duì)黑木耳的影響可理解為一個(gè)模糊過(guò)程，是指在“適宜”與“不適宜”之間變化，即在0～1之間的不對(duì)稱線性變化，即在黑木耳入地后、催芽期對(duì)光照的需求較小，隨著黑木耳生長(zhǎng)的變化，對(duì)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(shí)數(shù)作為臨界點(diǎn)[6]，生長(zhǎng)期間日照百分率達(dá)到70%以上，說(shuō)明光照條件對(duì)黑木耳的影響最為適宜的狀態(tài)，見(jiàn)圖3。日照時(shí)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(shí)際日照時(shí)數(shù)；S1表示日照百分率70%的日照時(shí)數(shù)；b為常數(shù)。S1與b值見(jiàn)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(guò)程

光照條件能夠反映黑木耳全生育期內(nèi)日照條件對(duì)黑木耳適宜性影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本研究將黑木耳某生長(zhǎng)期內(nèi)日照適宜度隨時(shí)間變化，采用加權(quán)平均計(jì)算后用來(lái)表示日照適宜度，將其定義為黑木耳該生長(zhǎng)期的日照適宜度，計(jì)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(gè)生長(zhǎng)期；n1,n2分別表示第n個(gè)生長(zhǎng)期的開(kāi)始旬和結(jié)束旬；asi表示第n個(gè)生育期第i旬的權(quán)重占比。通過(guò)計(jì)算即可得到黑木耳全生長(zhǎng)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(gè)生育時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)期的氣象條件對(duì)黑木耳生長(zhǎng)的影響強(qiáng)度，對(duì)黑木耳各個(gè)生長(zhǎng)期或者全生長(zhǎng)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(guò)調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)，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(zhǎng)期內(nèi)有21個(gè)旬，各生長(zhǎng)期之間對(duì)光、溫、水所需要的占比不同，采用相關(guān)系數(shù)法無(wú)法很好地反映全生長(zhǎng)期的相關(guān)性，所以對(duì)光、溫水適宜度計(jì)算的權(quán)重系數(shù)采用專家咨詢法來(lái)確定，如表4所示。

表4 黑木耳各生長(zhǎng)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(gè)影響因素對(duì)黑木耳氣候適宜度的影響，合理反映評(píng)估密云區(qū)保峪嶺地區(qū)黑木耳種植的氣候條件適宜動(dòng)態(tài)，建立黑木耳氣候適宜度動(dòng)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(gè)生育期和全生育期的氣候適宜度。

用黑木耳各生長(zhǎng)期的氣候適宜度計(jì)算黑木耳各個(gè)生長(zhǎng)期的適宜值范圍，如表5所示。

表5 黑木耳各生長(zhǎng)期適宜值范圍

9 2016—2021年黑木耳產(chǎn)量動(dòng)態(tài)模型

本研究通過(guò)將黑木耳的實(shí)際產(chǎn)量與年平均產(chǎn)量的差值進(jìn)行產(chǎn)量分級(jí)，對(duì)2016—2021年的黑木耳產(chǎn)量進(jìn)行分級(jí)如表6所示。一般而言，在同一期時(shí)期內(nèi)實(shí)際產(chǎn)量與預(yù)報(bào)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(jí)

本研究通過(guò)黑木耳氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型，分別計(jì)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(bào)的動(dòng)態(tài)模型，將預(yù)報(bào)值進(jìn)行精確度檢驗(yàn)如表7所示。評(píng)分檢驗(yàn)結(jié)果顯示，除2020年得分較低外，其余得分均在85～98分，說(shuō)明本模型在豐年效果好，歉年預(yù)報(bào)效果不好。由于本地區(qū)種植黑木耳時(shí)間較短，有產(chǎn)量數(shù)據(jù)時(shí)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(bào)模型可以用來(lái)客觀地反映本地區(qū)黑木耳的產(chǎn)量預(yù)報(bào)。

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

本研究分別對(duì)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(bào)，如圖4～8所示。

圖4 黑木耳入地期動(dòng)態(tài)模型

圖5 黑木耳催芽期動(dòng)態(tài)模型

圖6 黑木耳耳片分化期動(dòng)態(tài)模型

圖7 成熟期動(dòng)態(tài)模型

圖8 黑木耳采耳期動(dòng)態(tài)模型

通過(guò)氣候適宜度模型進(jìn)行各生育期的產(chǎn)量預(yù)報(bào)，產(chǎn)量預(yù)報(bào)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(bào)方程

10 黑木耳生長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型的合理性檢驗(yàn)

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(huì)4個(gè)種植區(qū)為代表，采用相關(guān)系數(shù)法及F檢驗(yàn)，檢驗(yàn)氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型與黑木耳產(chǎn)量之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表9，4個(gè)種植代表區(qū)域的氣候適宜度動(dòng)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(jì)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(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化，所以可用于其他種植區(qū)進(jìn)行黑木耳適宜度評(píng)估。

表9 黑木耳氣候適宜度模型合理性檢驗(yàn)

11 結(jié)論

黑木耳的生長(zhǎng)期分為入地(開(kāi)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(gè)生長(zhǎng)期尤為關(guān)鍵，關(guān)系到后面產(chǎn)量的增減。

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

通過(guò)計(jì)算黑木耳各生長(zhǎng)期溫度、日照、降水的適宜度指標(biāo)，采用回歸法建立了動(dòng)態(tài)模型并進(jìn)行了模型的合理性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(dòng)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(píng)估。