高寒地區(qū)大豆產(chǎn)量動態(tài)預報研究

陳 雪，高夢竹，趙 晶，李新華，喬 梁

（1黑龍江省氣象服務中心，哈爾濱 150036；2黑龍江省氣象臺，哈爾濱 150030；3內(nèi)蒙古興安盟氣象局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400；4黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，哈爾濱 150030）

0 引言

黑龍江省作為中國農(nóng)業(yè)大省，是國家重要的商品糧生產(chǎn)基地和糧食戰(zhàn)略儲備基地。據(jù)統(tǒng)計，2017—2019年中國糧食作物播種面積年均11703萬hm2，糧食產(chǎn)量年均66111.4 萬t，黑龍江省兩者占比高達12.2%和11.3%，為糧食播種面積和產(chǎn)量最高的省份，其中大豆種植面積約占總作物播種面積27.1%，年均產(chǎn)量709.3萬t左右[1]，因高產(chǎn)量、高質(zhì)量被授予“中國綠色大豆之都”、“國家高油高蛋白大豆種植標準化示范區(qū)”等標志，黑河嫩江市更有“中國大豆之鄉(xiāng)”、“北國糧倉”的美譽，產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展在穩(wěn)定中國大豆生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。氣候變化是作物產(chǎn)量不穩(wěn)定的主要因素之一，定量評估氣象條件對大豆生產(chǎn)影響，提供準確的發(fā)育期預測、產(chǎn)量預報、氣象年景預測信息，對合理調(diào)整大豆生產(chǎn)布局、科學制定應對氣候變化的對策具有重要意義。

氣象部門自20世紀80年代以來，針對農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預報已形成一套較為成熟的體系，如統(tǒng)計模型預報法[2]、關鍵氣象因子影響指數(shù)法[3-4]、產(chǎn)量歷史豐歉氣象影響指數(shù)法等[5-6]。基于溫度、降水、日照等氣象條件構建的氣候適宜度理論，成為近年來分析氣候變化對作物生長發(fā)育定量化影響的重要途徑[7]，被國內(nèi)相關領域?qū)W者廣泛應用于作物氣候適宜度評價[8-9]、農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候分區(qū)[10]及產(chǎn)量預報[11]等方面，通過建立水稻[12]、玉米[13]、小麥[14]、大豆[15]等作物的氣候適宜度模型，揭示不同生育期氣候條件適宜程度的變化規(guī)律。但已有的研究成果多集中于河南[16-17]、河北[18]、江蘇[19]、浙江[20-21]、內(nèi)蒙古[22-23]、遼寧[24]、吉林[25]等省份，以“中華糧倉”為名的黑龍江省卻少有涉及，此外氣候適宜度的評價指標和模型由于地理、氣候等條件的差異具有很大的區(qū)域適用性，因此探索黑龍江省本地基于氣候適宜度指數(shù)的作物產(chǎn)量動態(tài)預報技術，進一步提高農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預報信息及時性、準確性，是目前氣象為農(nóng)服務的一項重要研究內(nèi)容。

本研究在前人研究的基礎上，選取黑龍江省和大豆種植基地嫩江市作為研究區(qū)，利用大豆各生長時段內(nèi)氣象要素，從生長發(fā)育的生理生態(tài)特征出發(fā)，分析各時段溫度、降水、日照及綜合氣候適宜度，建立基于氣候適宜度指數(shù)的大豆產(chǎn)量預報模型，實現(xiàn)逐旬省級和市級的產(chǎn)量預報，以期通過作物生長的氣象條件，更好滿足當?shù)卣扔嘘P部門的需求，保證農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預報工作順利開展。

1 資料與方法

1.1 資料處理

氣象資料來源于黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，采用1995—2019 年研究區(qū)內(nèi)85 個氣象觀測站記錄的大豆生長季（5—9 月）逐日最低氣溫(℃)、平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、降水量(mm)及日照時數(shù)(h)數(shù)據(jù)。產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于各農(nóng)業(yè)氣象觀測站和黑龍江省統(tǒng)計年鑒，為對應年份研究區(qū)內(nèi)各地方大豆單產(chǎn)(kg/hm2)及生長狀況觀測數(shù)據(jù)。

為分析氣象條件變化對產(chǎn)量的影響，將大豆單產(chǎn)做如下處理，如式(1)所示。

式(1)中，i為第i年，i-1代表第i年的前一年，Yi、Yi-1分別為第i年、第i-1 年大豆單產(chǎn)，ΔYi為第i年相對于第i-1年大豆單產(chǎn)的豐歉值，即相對氣象產(chǎn)量。

1.2 模型建立

1.2.1 溫度適宜度模型 為定量評價黑龍江省熱量資源對大豆生長發(fā)育的滿足程度，根據(jù)馬樹慶[26]的研究，建立溫度適宜度模型，如式(2)～(3)所示。

式中，F(xiàn)(t)是由實際氣溫與三基點溫度決定的溫度適宜度。t為某站點某日的平均氣溫，tl、th、to分別為大豆所需的最低溫度、最高溫度和最適溫度，各生育期tl、th、to值的確定參考文獻[15]。當t≤tl或t≥th時，F(xiàn)(t)=0；當tl

1.2.2 降水適宜度模型 在大豆生長發(fā)育過程中水分條件同樣重要，選取降水量數(shù)據(jù)建立降水適宜度模型，如式(4)所示。

式中，F(xiàn)(p)為降水適宜度。p為全省某旬的降水量(mm)，pa為相應旬多年（1995—2015 年）降水量平均值。

1.2.3 日照適宜度模型 定量評價大豆生長光照條件，建立日照適宜度模型，如式(5)所示。

式中，F(xiàn)(s)為日照適宜度。s為全省某旬的日照時數(shù)(h)，H是相應旬多年（1995—2015年）日照時數(shù)平均值(h)。

1.2.4 氣候適宜度指數(shù) 氣候適宜度綜合分析了溫度、降水、日照三個要素，反映氣象條件對大豆適宜度的影響，建立氣候適宜度模型如式(6)所示。

式中，F(xiàn)(c)為某旬綜合氣候適宜度。F(t)、F(p)、F(s)分別為溫度適宜度、降水適宜度和日照適宜度。氣候適宜度指數(shù)是自大豆播種開始至某一時段的逐旬氣候適宜度加權集成構成，其中，各旬權重系數(shù)的大小是通過計算大豆相對氣象產(chǎn)量與各旬氣候適宜度之間的相關系數(shù)大小來確定，各旬權重系數(shù)如式(7)所示。

式中，n為大豆從播種至某一發(fā)育階段期間的旬數(shù)，Ri為大豆氣象產(chǎn)量與各旬的氣候適宜度的相關系數(shù)。氣候適宜度指數(shù)的表達式如式(8)所示。

式中，F(xiàn)I(ci)是氣候適宜度指數(shù)。Ki是第i旬的權重系數(shù)，F(xiàn)(ci)是第i旬的氣候適宜度。

1.2.5 產(chǎn)量動態(tài)預報模型 通過回歸統(tǒng)計方法建立大豆各生育時段氣候適宜度指數(shù)與相對氣象產(chǎn)量的關系方程，即大豆產(chǎn)量動態(tài)預報模型，如式(9)所示。

式中，ΔY為相對氣象產(chǎn)量，F(xiàn)I為播種到某時段的氣候適宜度指數(shù)，a、b為擬合系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 大豆產(chǎn)量分布特征

對1995—2019 年黑龍江省各市縣大豆產(chǎn)量空間分布特征進行分析。如圖1 所示，大豆年均單產(chǎn)空間上從南至北呈逐級遞減趨勢，其中哈爾濱市西南部、綏化市南部和大慶市東南部大豆產(chǎn)量最高，年均單產(chǎn)值超過了2.3 t/hm2，包含雙城、肇州、五常等12 個市縣在內(nèi)；其次為綏化市中東部、伊春市南部、哈爾濱東北部和七臺河市，年均單產(chǎn)在2.1～2.3 t/hm2之間，包括肇東、慶安、通河等地；全省大部地區(qū)單產(chǎn)約為1.8～2.1 t/hm2，主要分布在齊齊哈爾市、黑河市、伊春市、鶴崗市、雙鴨山市、雞西市和牡丹江市，包含市縣站點數(shù)量的百分比達34.8%；而加格達奇、塔河、撫遠等地大豆種植面積較少且產(chǎn)量不高，年均單產(chǎn)僅在1.5 t/hm2左右，集中分布在大興安嶺地區(qū)、黑河市北部和佳木斯市東北部。

圖1 黑龍江省大豆年均單產(chǎn)空間分布

圖2為1995—2019年黑龍江省大豆單產(chǎn)時間變化趨勢，整體波動較大。1995—2004 年呈上下起伏狀，1997、1999、2002 年增產(chǎn)顯著，均超過了2 t/hm2，其中1997 年單產(chǎn)值達2.41 t/hm2，為25 年內(nèi)產(chǎn)量最高的年份；2004—2007 年單產(chǎn)持續(xù)下降，尤其2007 年僅有1.14 t/hm2，相對于2006年下降0.52 t/hm2，為25年內(nèi)大豆單產(chǎn)值最低的年份；2007—2012 年持續(xù)上升，后2012—2019 年呈相對平緩趨勢，全省大豆平均單產(chǎn)1.81 t/hm2。各市縣年均總產(chǎn)量存在顯著差距，46.5%的地區(qū)總產(chǎn)值在5 萬t 以上，其中僅有16 個市縣超過10萬t，黑河嫩江市大豆產(chǎn)量最高，達46.68萬t，其次為齊齊哈爾訥河市年均30.79萬t，克山縣年均23.56萬t。

圖2 黑龍江省大豆歷年單產(chǎn)時間分布

2.2 氣候適宜度指數(shù)檢驗

選取全省和總產(chǎn)最高的嫩江市為研究區(qū)，對1995—2015 年大豆相對氣象產(chǎn)量和大豆從播種至任意生長時段的氣候適宜度指數(shù)進行相關性分析，結果顯示兩者顯著相關，7月上旬—8月下旬各生長時段均通過了0.01 水平的顯著檢驗，相關系數(shù)分別為0.804、0.834、0.838、0.859、0.886和0.864，即氣候條件越適宜，相對氣象產(chǎn)量越高。繪制播種至各生長時段氣候適宜度指數(shù)與大豆相對氣象產(chǎn)量的年際變化可知，兩者增減趨勢具較高的一致性，如1997、1999、2002、2004、2008年全省大豆相對氣象產(chǎn)量顯著增加，1998、2000、2003、2007 年顯著下降（圖3a），嫩江市1996、1999、2004、2008、2014 年大幅上升，1998、2003、2007、2009、2013年大幅下降（圖3b），其年份的氣候適宜度指數(shù)也出現(xiàn)相應的趨勢，說明本研究建立的氣候適宜度模型能夠客觀地反映黑龍江省氣候適宜度與大豆單產(chǎn)豐歉值的變化，可以綜合評價氣象要素對大豆生長發(fā)育的適宜程度。

圖3 大豆播種至各生長時段氣候適宜度指數(shù)與相對氣象產(chǎn)量的年際變化（a全??；b嫩江市）

2.3 產(chǎn)量動態(tài)預報模型檢驗

黑龍江省大豆的播種時間約在5月上中旬，9月中下旬陸續(xù)成熟，根據(jù)為農(nóng)服務中產(chǎn)量預報業(yè)務的時間節(jié)點，建立黑龍江省7月上旬—8月下旬產(chǎn)量動態(tài)預報模型，對全省和嫩江市逐旬進行大豆產(chǎn)量預報。如表1所見，不同時段的預報模型均通過了0.01水平的有效檢驗。說明建立的產(chǎn)量動態(tài)預報模型可以客觀反映大豆產(chǎn)量變化情況，其中大豆單產(chǎn)預報值如式(10)所示。

表1 基于氣候適宜度指數(shù)的各生長時段產(chǎn)量預報模型

式中各指標含義見公式(1)。

2.3.1 回代檢驗 將1995—2015 年全省和嫩江市歷史資料代入建立的產(chǎn)量動態(tài)預報模型，對大豆單產(chǎn)進行回代檢驗。歷史擬合相對氣象產(chǎn)量與實際相對氣象產(chǎn)量的年際變化基本相一致，8 月中旬的擬合趨勢與實際變化趨勢最相符（圖4a、b），相關分析的相關系數(shù)分別為0.829、0.858、0.855、0.894 和0.873，均在0.8 以上，且都通過了0.01水平的顯著性檢驗。預報準確率由式(11)所示。

圖4 各生長時段產(chǎn)量預報模型擬合與實際相對氣象產(chǎn)量的年際變化（a全省；b嫩江市）

計算可得，各生長時段平均準確率為多年準確率的平均值，如表2 所示，1995—2015 年共21 年中各旬單產(chǎn)預報趨勢準確的年份均在12年以上，7月中旬—8月中旬數(shù)值相對較高；全省預報產(chǎn)量在實際產(chǎn)量20%區(qū)間內(nèi)(90%～110%)的年數(shù)均超過15 年，各旬數(shù)值相差不大，平均占總年數(shù)百分率76.2%，各時段平均準確率均大于90%，其中8月上旬、8月中旬、8月下旬準確率分別達93.3%、93.8%和93.1%；嫩江市20%區(qū)間的年數(shù)在14 年左右，各時段平均準確率約86.3%，其中7 月下旬、8 月上旬、8 月中旬準確率分別達87.1%、87.6%和87%。上述說明擬合檢驗結果較好，模型的模擬性能總體上較準確。

表2 各生長時段產(chǎn)量預報模型歷史回代檢驗

2.3.2 預報檢驗 利用建立的產(chǎn)量預報模型對2017—2019年大豆進行產(chǎn)量外推預報，進一步驗證模型的適用性和準確性。如表3所示，全省2017年7月上旬—8月下旬各預報時段的準確率均在85%以上，分別為86.97%、86.71%、88.09%、87.58%、88.72%和90.41%，嫩江市相對較高，平均值約93.09%，8 月中旬達94.73%；2018 年全省各預報時段的準確率均超過90%，8 月中旬預報單產(chǎn)1.93 t/hm2，準確率高達95.58%，其次為8 月下旬準確率為94.34%；2019 年全省各預報時段準確率均在90%左右，預測單產(chǎn)分別為2.01、1.99、1.97、1.97、1.95、1.96 t/hm2，8 月中旬準確率達92.97%，其次為8 月下旬92.81%，嫩江市在70%左右。

表3 2016—2018年各生育期產(chǎn)量動態(tài)預報檢驗結果

3 結論

黑龍江省大豆年均單產(chǎn)空間上從南至北呈逐級遞減趨勢，其中哈爾濱市西南部、綏化市南部和大慶市東南部大豆產(chǎn)量最高；時間上呈年代際變化，近年來呈相對平緩趨勢；各市縣年均總產(chǎn)量存在顯著差距，其中嫩江市大豆產(chǎn)量最高；1995—2015年全省和嫩江市氣候適宜度指數(shù)與其對應的大豆相對氣象產(chǎn)量相關系數(shù)均通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明構建的氣候適宜度模型可以客觀反映出大豆各生長時段內(nèi)氣象條件變化情況；建立的產(chǎn)量預報模型回代檢驗平均準確率在80%以上，通過了0.01水平有效檢驗；1995—2015年各旬單產(chǎn)預報趨勢準確的年份在12年以上；預報產(chǎn)量在實際產(chǎn)量20%區(qū)間內(nèi)(90%～110%)的年數(shù)百分比達76.2%；2017—2019 年全省大豆產(chǎn)量外推預報準確性均超過了85%，嫩江市2017 年平均值達93.09%，8 月中旬高達95.58%，但2018 年和2019 年準確率僅70%左右，趨勢預報不穩(wěn)定。

4 討論

近幾年基于氣候適宜度指數(shù)的產(chǎn)量預報方法在產(chǎn)量預報業(yè)務服務中應用廣泛，但在黑龍江省農(nóng)業(yè)氣象服務中還未見開展該方法的應用研究。本研究初步嘗試利用氣候適宜度指數(shù)方法構建大豆產(chǎn)量預報模型，結果顯示該方法適用于黑龍江省大豆產(chǎn)量預報服務中。但由于模型是基于統(tǒng)計方法建立的，僅考慮常規(guī)氣象要素變化，對極端低溫、洪澇等氣象災害和病蟲害影響并未分析，可能造成模型預報結果不穩(wěn)定。因此，在后續(xù)研究中，將綜合考慮各種影響因素，進一步提高預報的準確性。