2023年河南冬小麥成熟期連陰雨強度綜合評估

郭康軍, 鄒春輝, 余衛東, 胡麗婷, 房穩靜,檀艷靜, 張麗梅, 成 林

(1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室,鄭州 450003; 2.河南省氣象科學研究所,鄭州 450003;3.安陽國家氣候觀象臺,河南 安陽 455099; 4.駐馬店市氣象局,河南 駐馬店 463001;5.周口市氣象局,河南 周口 466002; 6.南陽市氣象局,河南 南陽 473010)

引 言

小麥是世界上僅次于玉米、水稻的第三大糧食作物。在全球氣候變暖背景下,極端氣象災害頻發、重發,農業氣候資源也發生了重要變化,導致小麥生長季內干旱、凍害、穗發芽等災害發生頻率增加、強度增強,嚴重危害小麥的產量和品質。小麥穗發芽是指小麥成熟收獲前由于遇到陰雨或潮濕環境條件籽粒在穗上萌動、發芽的現象,是一種世界性的自然災害[1-2]。小麥穗發芽嚴重影響小麥產量和品質,可導致產量減少6%～10%[3-4]。河南是中國小麥生產第一大省,產量約占全國的1/4。1980年以來,河南省小麥幾乎每年都會出現不同程度的穗發芽現象,且隨時間推移呈加重發生趨勢,尤其是豫南麥區平均每3年就會發生一次大面積穗發芽[5]。2023年麥收期間,河南省遭遇1961年以來同期影響范圍最廣、持續時間最長的一次陰雨天氣過程,持續降雨時間與小麥成熟收獲期疊加重合,連陰雨天氣造成河南部分地區小麥萌動發芽,夏糧單產和總產較2022年分別下降7.0%、6.9%[6]。

小麥成熟期穗發芽是一個復雜的過程,受種子遺傳特性與環境條件綜合影響,不僅由品種自身因素如穗部性狀、籽粒休眠特性、激素、α-淀粉酶等控制,而且與環境因素如降水、日照和陰雨日數等密切相關[7-9]。因此,連陰雨災害的形成是多種要素綜合作用的結果。近年來,有部分學者對小麥成熟期連陰雨氣象災害及其復合指標的構建都作了不少研究[10-12],但有關小麥成熟期連陰雨穗發芽敏感時段及其與氣象因素之間關系仍需進一步明確,且小麥成熟期連陰雨災害強度指數的研究至今仍較少。因此構建一個適用性的連陰雨災害強度指數,減少小麥成熟期連陰雨氣象災害風險,保障小麥安全生產和適時收獲,是當前農業、氣象等多部門關注的重點之一。

1 數據與方法

1.1 資料來源

本文所用氣象數據和農業氣象觀測數據均由河南省氣象探測數據中心提供。氣象數據為河南省111個地面氣象觀測站1961-2023年觀測資料;小麥發育期數據為河南省35個農業氣象觀測站實際觀測數據,時間序列也為1961-2023年,但其中1968-1978年數據缺失。

1.2 大田調查

2023年5月31日起,河南省氣象科學研究所組織河南省35個農業氣象觀測站,持續開展小麥連陰雨大田跟蹤調查工作,詳細調查內容如下。

(1)地段選擇:各農業氣象觀測站根據實際情況選取1個代表性地塊作為調查點,并在該地塊隨機選取2個樣方跟蹤調查。

(2)地段基本情況:主要包括地塊經緯度信息、小麥品種、品種熟性、播種日期、霉變日期、萌動發芽日期、收獲日期。

(3)跟蹤觀測信息:主要包括觀測日期、天空狀況、墑情狀況、發育期、成熟度、是否發生霉變、是否萌動發芽、萌動發芽是否持續、穗霉變莖數和發芽莖數、穗粒數、霉變粒數、發芽粒數。從5月31日開始,每2天進行一次觀測,直至小麥收獲。

(4)調查說明:每個取樣點選取1行小麥,連續數10莖,記錄穗霉變莖數和發芽莖數,重復2次,記錄平均值。每個取樣點連續選取5穗小麥,進行脫粒,分別記錄每穗穗粒數、穗籽粒霉變數和發芽數,取平均值。

1.3 氣象因子的歸一化

對各站點氣象要素進行歸一化處理,公式如下:

(1)

F表示歸一化的值;K表示某種氣象因素,如總降水量(R)、降水日數(Rn)、陰天日數(I)等,i表示站點,j表示年份。

1.4 連陰雨災害強度指數

目前尚無成熟技術能夠分離出單一氣象災害對農作物生長發育的影響。本文基于河南省35個農業氣象觀測站按照統一的規范進行連陰雨災害調查所取得的數據,可以很明確地解釋連陰雨災害對小麥生長的影響。此外,連陰雨對小麥穗發芽的影響主要發生在小麥成熟期前后5天的時段[13],因此本研究選取35個農業氣象觀測站小麥成熟期前后5天的時間為成熟期連陰雨研究時段。

研究結合河南實際情況,并參考《農業氣象觀測規范》及前人研究成果,構建了3種不同的連陰雨災害強度指數L,并結合35個農業氣象觀測站連陰雨災害調查的小麥籽粒發芽霉變率去檢驗評價這3種指數的適用性。

(1)連陰雨災害強度指數L1

參考《農業氣象觀測規范》中連陰雨的標準[14],并結合河南實際,從農業生產服務角度采用如下連陰雨氣象災害標準:連續3 d或3 d以上有降水(日降水量≥0.1 mm)作為一次連陰雨過程;在>3 d的連陰雨過程中,允許1 d無降水,但該日日照時數應<2 h。

連陰雨災害強度指數(L1)計算式為

(2)

式中,Ni為連陰雨日數。若發生m次或以上連陰雨過程,L1為每次連陰雨過程日數的累加值[12]。

(2)連陰雨災害強度指數L2

根據已有研究[15-18],連陰雨災害對成熟期小麥的危害,不僅與連陰雨過程持續日數有關,還與連陰雨過程期間的降水量(R)、降水日數(Rn)、日照時數(S)、相對濕度(U)、氣溫(T)和陰天日數(I)密切相關。研究選擇降水量、降水日數、日照時數、相對濕度、氣溫和陰天日數6個致災因子按(1)式進行歸一化處理,采用主成分分析法(PCA)[19],取主分量累計方差貢獻率滿足≥80%,將6個致災因子重建為1個表示連陰雨災害強度的指數L2。連陰雨災害強度指數L2構建的詳細步驟可參考文獻[10,19]。

確定主分量的原則:當第1個主分量的方差貢獻率≥80%時,即用第一個主成分代表原來6個因子標準化后的綜合影響,即y11=a11×FR1+a21×FRn2+a31×FS3+a41×FU4+a51×FT5+a61×FI6。當前2個主分量方能滿足累計方差貢獻率≥80%時,則取每個主分量所對應的特征值占原變量總方差的比例作為權重系數進行計算,以此作為原來6個因子的連陰雨災害強度指數L2,以此類推[19]。

(3)

式中,λ1、λ2、λ3分別為第一、第二、第三主成分特征值,y11、y12和y13分別表示第一、第二和第三主成分,以此類推;j=1,2,…,p,為所取的主成分個數;λj為第j個主成分特征值。

(3)連陰雨災害強度指數L3

借鑒前人研究成果[20-22],根據連陰雨實地調查數據和氣象因子之間的相關性分析結果,結合河南省農業氣象業務服務中的經驗,疊加小麥實際觀測成熟期時段,選擇總降水量(R)、降水日數(Rn)、陰天日數(I)3種氣象因子為綜合評估因子,并確定各因子對應的權重,構建出小麥成熟期連陰雨災害強度指數L3:

L3=a×FR+b×FRn+c×FI

(4)

式中,FR、FRn和FI分別為總降水量(R)、降水日數(Rn)和陰天日數(I)的歸一化值,a,b,c為權重系數。

1.5 數據處理

顯著性檢驗使用SPSS17.0軟件,空間分布圖使用ArcMap10.4版本。

2 結果與分析

2.1 大田調查結果

2023年小麥生長后期,河南省出現三輪大范圍降水天氣過程,特別是5月25日至30日,全省大部出現持續陰雨天氣,中南部、東部等地出現暴雨、局部大暴雨,是1961年以來同期影響范圍最廣、持續時間最長的一次陰雨天氣過程。為深入了解各地小麥受災情況及對后續產量的影響,河南省35個農業氣象觀測站于5月31日起,持續開展小麥大田跟蹤調查工作。調查結果顯示(圖1),河南省小麥發芽霉變區域間差異較大,中部、南部和東部麥區受災最重,小麥發芽和霉變情況較為普遍,北部和西部麥區由于成熟期較晚,受災相對較輕,信陽地區由于小麥品種穗發芽抗性較強原因,受災也稍輕。

圖1 河南省麥區2023年小麥成熟期連陰雨災后調查

2.2 2023年河南小麥開花、成熟期

根據調查和農業氣象觀測,2023年豫南大部、豫中、豫東局部開花日期較早,在4月21日前;豫北北部和豫西局部開花較晚,在4月27日后。2023年5月25日河南省出現連陰雨天氣前,豫西大部和豫北、豫東局部等地開花后天數在30天以內,豫南大部、豫中、豫東局部已開花超過35天以上(圖2),開花超過35天及以上的區域和河南省2023年連陰雨受災嚴重區域基本吻合,說明開花后超過35天是小麥受連陰雨災害最敏感的時段。豫南大部、豫中、豫東局部成熟期和5月25-30日河南省連陰雨過程重疊,也和河南省2023年連陰雨受災嚴重區域基本吻合。由于河南省小麥成熟期一般為開花后40天左右,也可以說河南省小麥成熟期前后5天時段是小麥對連陰雨災害影響最敏感的時段。

圖2 河南省2023年截至5月25日小麥開花后天數(a)和2023年小麥成熟期(b)

2.3 主要氣象因子和連陰雨災害的相關性分析

選取2023年河南小麥生長后期相關時段內降雨量、日照、濕度、氣溫、陰天日數、降水日數和河南省35個農業氣象觀測站的連陰雨災害調查數據進行相關性分析,結果顯示(表1):單一的氣象因子和霉變莖數百分比、發芽莖數百分比、霉變籽粒百分比、發芽籽粒百分比大部分無顯著的相關關系,僅霉變籽粒百分比和日照、相對濕度,以及降水日數和霉變莖數百分比、發芽莖數百分比有顯著相關關系(P<0.05)?？紤]到當時豫北、豫西地區并未進入成熟期和信陽地區小麥品種穗發芽抗性較強的因素,去掉豫北、豫西和信陽地區站點,再次進行相關性分析,結果仍顯示主要氣象因子(降雨量、日照、相對濕度、氣溫、陰天日數、降水日數)和霉變莖數百分比、發芽莖數百分比、霉變籽粒百分比、發芽籽粒百分比大部分仍無顯著相關關系,說明小麥連陰雨災害并不受單一氣象因子的影響,而應該是受多種氣象因子綜合影響。

表1 2023年河南小麥成熟期主要氣象因子和連陰雨災害相關系數

2.4 小麥成熟期連陰雨災害強度指數的檢驗和綜合評估

2.4.1 小麥成熟期連陰雨災害強度指數的構建與檢驗

根據前文“1.4連陰雨災害強度指數”進行3種連陰雨災害強度指數的構建,其中L3根據前人研究經驗[10,16-17],并參考2.3節主要氣象因子和連陰雨災害相關系數r值的分析結果,利用相關系數法進行權重計算[23-24]。對去掉豫北、豫西和信陽地區站點的降雨量、降水日數和陰天日數后與小麥籽粒發芽霉變的相關系數r值先求均值,其均值分別為0.166、0.121和0.199,然后再對三者均值求和,并取各因子所占比值,即為權重系數a、b和c的值,a、b、c分別為0.34、0.25和0.41。分別對3種連陰雨災害強度指數和籽粒發芽霉變率進行相關性分析,結果顯示:L1和籽粒發芽霉變率兩者并未達到顯著相關(P>0.05);L2、L3和發芽霉變率兩者達到極顯著相關(P<0.01),如果不考慮信陽地區,L2、L3和發芽霉變率也均達到極顯著相關(P<0.01),說明成熟期連陰雨災害強度指數L2、L3均能夠很好地解釋小麥成熟期因連陰雨災害的受災情況,但實際業務服務中考慮指標的簡潔性,L3指標可以優先在氣象為農業務服務中應用(表2)。

表2 2023年河南小麥成熟期連陰雨災害強度指數和各地籽粒發芽霉變率之間的P值

2.4.2 小麥成熟期連陰雨災害強度指數的綜合評估

L1連陰雨災害強度指數較高的區域主要集中在三門峽、洛陽、南陽、駐馬店和商丘等地區(圖3),這與各地農業氣象觀測站實際調查結果并不吻合,洛陽、三門峽2023年小麥發芽霉變不嚴重。2023年河南省平均成熟期連陰雨災害強度指數L1為4.5,是1961年以來有觀測數據的最高值,這較為吻合2023年河南小麥因連陰雨災害大幅減產的實際情況。

圖3 河南省2023年連陰雨災害強度指數L1分布圖

L2和L3連陰雨災害強度指數空間分布都表現為南高北低,數值較高的區域均主要集中在豫南、豫中和豫東地區(圖4),這與各地農業氣象觀測站實際調查結果基本吻合。研究中所構建的成熟期連陰雨災害強度指數并未考慮部分品種穗發芽抗性較強的因素,故而信陽地區成熟期連陰雨災害強度指數L2和L3雖較高,但實際調查顯示,2023年信陽地區小麥發芽霉變并不嚴重。2023年河南省平均成熟期連陰雨災害強度指數L2為0.81、L3為0.32,均為1961年以來有觀測數據的最高值(圖5),表明2023年河南省小麥成熟收獲期出現的連陰雨天氣過程為1961年以來綜合強度最強,也吻合河南省2023年小麥因成熟期連陰雨災害大幅減產的實際情況。

圖4 河南省2023年連陰雨災害強度指數L2(a)和L3(b)分布圖

圖5 河南省1961年以來有觀測數據年份連陰雨災害強度指數L2和L3數值

3 討 論

小麥穗發芽霉變與小麥的發育期密切相關。本研究初步得出小麥開花后35天是小麥穗發芽的敏感時段。由于河南小麥一般在開花后40天左右成熟,也就是小麥穗發芽敏感時段是成熟期前后5天,也與前人研究結果較為一致[25]。但是為什么是此時間段,其內在機理如何,仍需進一步研究。小麥穗發芽的遺傳機制較為復雜,不同品種間穗發芽抗性程度與機制差異顯著,種子休眠是植物在長期進化過程中產生的適應性性狀,休眠特性是影響穗發芽抗性的主要因素,其主要受植物激素和溫度的影響,休眠水平過低的小麥種子容易出現穗發芽的現象[26]。對于小麥穗發芽內在機理的研究是今后的一個重點方向之一。

此外,小麥籽粒發芽霉變受多種因素的綜合影響。在小麥籽粒生長發育過程中,溫度通過影響籽粒休眠特性從而影響小麥穗發芽抗性。不同生育進程的小麥籽粒休眠特性的不同與所經歷的溫度有很大關系,如小麥處在灌漿期遇到持續低溫可以增強小麥籽粒休眠程度,從而增強小麥穗發芽抗性,而且隨著溫度的升高發芽指數逐漸升高[27-28]。誘導小麥穗發芽的另外一個主要因素是濕度,空氣濕度會通過改變小麥籽粒的水分含量而影響其休眠特性,進而影響小麥穗發芽抗性[29-30]。小麥成熟期只要溫度、濕度、陰雨日數等多種氣象要素均達到一定條件,小麥籽粒才會有穗發芽現象發生[31-32]。研究中也發現,連陰雨災害與單一的氣象因子并沒有顯著的相關性,是一種典型的復合型災害,這與前人研究結果也較為一致[10]。

研究中還發現,信陽地區連陰雨災害強度指數都處于高值區,但是實際上信陽受災并不嚴重,主要考慮信陽地區大部地處淮河以南,其小麥種植品種與長江中下游地區小麥品種較為接近,而長江中下游地區由于其本身降雨量和降雨日數都較大,當地小麥品種穗發芽抗性稍強[33-34],使信陽地區2023年受連陰雨災害影響較輕。穗發芽抗性與小麥品種、穗部性狀、籽粒顏色均有關。有研究發現,較密的小穗比疏松的類型更有助于持水,因而小穗密度越大,穗發芽抗性越弱[35-36];紅粒小麥比白粒品種穗發芽抗性強,其可能是由于紅粒小麥的種皮細胞中含有較多的色素使種皮細胞加厚,阻止內外氣體交換,有助于保持休眠狀態[37-38]。因此,培育籽粒休眠性好的品種,可以較好預防穗發芽現象的發生,也是今后的一個重點方向之一。

4 結 論

(1)小麥開花后35天以上,是小麥籽粒品質對連陰雨天氣影響最敏感的時段。

(2)本文構建的3種連陰雨災害強度指數,其中2種(L2、L3)能夠很好地解釋小麥成熟期因連陰雨災害的受災情況(P<0.01),特別是L3兼具實用性和準確性,能夠滿足業務服務需要。

(3)2023年河南省小麥成熟期連陰雨災害強度指數L2、L3空間分布都表現為南高北低,全省平均L2為0.81、L3為0.32,均為1961年以來的最高值,表明2023年河南省小麥成熟收獲期出現的連陰雨天氣過程為1961年以來綜合強度最強。