湖南省油菜开花结荚期湿渍害指标研究

袁小康

（湖南省气象科学研究所/气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118）

【研究意义】湖南是全国油菜生产大省，2018 年湖南油菜播种面积居全国第1 位，总产量居全国第2 位［1］。湖南春季经常出现阴雨天气，降水过程多，降水量大，田间易积水，从而造成油菜湿渍害。湿渍害是指土壤水分达到饱和形成嫌气环境，使植物因氧气亏缺而发生代谢改变，危害植株正常的生长发育［2］。湖南油菜在春季正值开花结荚期，是产量形成的关键时期。此阶段如果出现湿渍害，将严重影响油菜产量和品质。生产经验表明，湿渍害是造成湖南油菜产量减产、品质降低的主要农业气象灾害之一。如2009 年2月15 日至3 月4 日，湘中以北大部分地区出现连续15 d 以上的阴雨天气，造成油菜湿渍害，当年油菜产量降低20%以上［3］。迄今为止，无人明确提出能在湖南农业气象业务中应用的油菜湿渍害指标。研究提出油菜湿渍害指标，从而开展油菜湿渍害监测预警业务，对于发挥气象部门防灾减灾“第一道防线”作用、保障油菜高产稳产具有重要意义。【前人研究进展】目前，关于油菜湿渍害的研究报道多集中在湿渍害致灾机理［4-8］、湿渍害对生长和产量的影响［9-11］、湿渍害风险评估［12-13］和防治措施［14］等方面，而对油菜湿渍害指标的研究较少。霍治国等［15］提出，以降水持续天数和降水量两要素构成江淮地区油菜涝渍害指标；韩沁哲等［3］以低温持续天数、过程极端最低气温、过程平均气温、过程连阴雨天数4 个因子构建油菜连阴雨指标，根据生产经验赋予各因子权重；陆魁东等［12］筛选出7 个制约湖南油菜高产的气象灾害因子，结合专家经验确定各因子权重，建立湖南油菜气象灾害综合风险指数；董芹等［16］通过分析油菜试验田观测资料和气象数据，得到以降水持续天数单因子构建的油菜连阴雨预警指标；刘瑞娜等［17］分析安徽油菜主产区气象资料和产量资料，得到以连阴雨日数和降水量两因子构成的油菜花期连阴雨指标；范雨娴等［18］通过对湖南油菜灾情资料的收集和反演，构建逐日动态的油菜春季涝渍过程灾变指标。【本研究切入点】目前，天气预报业务能提供未来10 d 逐日的日最高气温、日最低气温和降水量等气象要素的预报结果。本研究选择天气预报结果中某一气象要素，作为构建油菜湿渍害指标的因子，从而直接应用天气预报或者实况资料进行油菜湿渍害预警或监测。【拟解决的关键问题】从各地油菜产量观测资料和同期气象资料中分析得出湖南油菜湿渍害的致灾因子，进一步确定不同程度灾害等级指标。

1 材料与方法

1.1 资料来源

油菜产量资料是代表当地油菜主栽品种和生产管理水平的油菜田块实际测定产量，由衡阳市农业气象试验站、怀化市农业气象试验站和益阳市气象局、南县气象局提供。上述4 个单位长期对当地典型油菜田块进行发育期、生长状况和产量观测，油菜品种、施肥等栽培管理措施与当地通行做法一致。气象资料由湖南省气象局信息中心提供。

1.2 数据处理

产量受社会经济因素及气象条件影响。一般将实际产量分解为依社会生产水平而变的趋势产量、随气象条件而变的气象产量和随机误差三部分［19］，即：

式中，Y为实际产量，Yt为趋势产量，Yw为气象产量，ε为随机误差，在通常情况下，随机误差一般很小，可忽略不计。通过常用的5 点滑动平均法模拟趋势产量［21］，确定趋势产量Yt后，气象产量为：

为减少由生产力水平提高带来产量增长对气象产量的干扰，使气象产量在时间和区域上有可比性，以相对气象产量（Yr）进行分析［20］：

2 结果与分析

2.1 油菜减产年的确定

将相对气象产量Yr≤-5%作为农作物受灾减产的临界值，即当Yr≤-5%时，该年被当作减产年。经计算，益阳市、南县、怀化市和衡阳市的油菜减产年见表1。

2.2 油菜湿渍害致灾因子的确定

湖南地形复杂，各地油菜播种期不同，导致开花期各不相同。为便于统计分析，根据湖南各农业气象站油菜发育期观测资料，将湖南各地油菜开花结荚期统一认定为3 月1 日至4 月30 日，把“过程降水量在20 mm 以上，过程降水日数在3 d 以上”作为一次降水天气过程进行统计。以南县为例，首先分析南县油菜减产年油菜开花结荚期的降水特征。经统计分析，南县油菜减产年共有11 年（表1）。为比较、分析油菜减产年和非减产年油菜开花结荚期降水特征，统计南县历年油菜开花结荚期降水过程次数、过程累计降水量。为便于比较，计算出过程平均降水量（过程累计降水量除以降水过程次数）和过程平均天数（过程累计天数除以降水过程次数），如图1、图2所示。

表1 湖南省油菜主产区减产年情况Table 1 Typical years of yield reduction in main rape producing regions in Hunan Province

由图1 可知，过程累计降水量在年际间的升降变化趋势，与过程平均降水量在年际间的变化趋势完全一致；由图2 可知，过程累计天数在年际间变化趋势，也与过程平均天数在年际间的变化趋势相同。因此，过程平均降水量、过程平均天数可分别代表过程累计降水量、过程累计天数大小。

图1 南县历年油菜开花结荚期过程降水量Fig.1 Precipitation during the flowering and pod-bearing period of rape in Nanxian County

图2 南县历年油菜开花结荚期降水过程天数Fig.2 Days of precipitation during the flowering and pod-bearing period of rape in Nanxian County

南县油菜11 个减产年的油菜开花结荚期降水特征，呈现两个特点：一是过程累计降水量和过程平均降水量较大，二是过程累计天数和过程平均天数较多。按同样方法，再统计分析益阳市、怀化市和衡阳市油菜减产年开花结荚期降水特征，结果表明上述3 地油菜减产年开花结荚期降水特征与南县一致，均体现出过程平均降水量大、过程平均天数多的特征。而过程平均降水量、过程平均天数与湿渍害之间存在直接因果关系。出现油菜湿渍害的原因是降水多、持续时间长，造成田间湿度过大，甚至田间出现积水，导致油菜根系呼吸作用困难，从而影响油菜植株正常生理生化过程。

将4 个站点油菜开花结荚期过程平均降水量、过程平均天数与相对气象产量做相关分析，结果见表2。由表2 可知，过程平均降水量、过程平均天数与减产年相对气象产量呈显著负相关关系。因此，过程平均降水量、过程平均天数是油菜湿渍害的主要致灾因子。

表2 湖南3 个站点油菜湿渍害影响因子与相对气象产量的相关分析Table 2 Correlation analysis of influence factors of rape wet damage and relative meteorological yields in 3 stations in Hunan Province

2.3 油菜湿渍害指标的建立

挑选南县、益阳市、怀化市油菜观测资料中相对气象产量≤-5%的样本，运用SPSS 软件将相对气象产量、开花结荚期过程平均降水量、过程平均天数进行K-均值聚类分析，设定聚类数为2 类，用有限次逼近法，按照聚类最优原则得到相对气象产量、过程平均降水量和过程平均天数的2 个聚类中心及每个聚类的案例数。

从表3 可以看出，减产率较低的聚类，致灾因子聚类中心值较低，案例数较多。以第一类聚类中心值和第二类聚类中心值为界限，把油菜开花结荚期湿渍害等级划分为轻度和中度以上两个等级（表4）。

表3 过程平均降水量、过程平均降水天数和相对气象产量的聚类中心值和案例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 湖南省油菜开花结荚期湿渍害指标Table 4 Wet damage index of rape during flowering and pod-bearing period in Hunan Province

2.4 油菜湿渍害指标的检验

为检验油菜湿渍害指标准确性，用独立数据——衡阳市农气站的油菜观测数据作为样本进行检验，计算出衡阳农气站观测的油菜减产年油菜开花结荚期过程平均降水量、过程平均天数，结果见表5。由表5 可知，衡阳农气站油菜8 个减产年开花结荚期的过程平均降水量和过程平均天数，均达到本研究提出的湿渍害指标受灾条件，即符合轻度湿渍害指标。但达到重度湿渍害指标后，实际受灾等级与本文提出的湿渍害指标不完全符合。

表5 湖南油菜开花结荚期湿渍害指标检验结果Table 5 Test results of wet damage index during flowering and pod-bearing period of rape in Hunan Province

3 讨论

本研究结果表明，湖南油菜减产年相对气象产量与油菜开花结荚期过程平均降水量、过程平均降水天数呈显著负相关关系，说明油菜开花结荚期过程平均降水量、过程平均降水天数严重影响油菜产量。而过程平均降水量、过程平均降水天数与湿渍害呈直接因果关系。因此，过程降水量和过程降水天数是湖南省油菜开花结荚期湿渍害的主要致灾因子，这与陆魁东等［12］指出开花期的低温连阴雨和绿熟期连阴雨与油菜气象产量密切相关的研究结果类似。

目前，针对油菜湿渍害指标的研究报道不多。已有油菜湿渍害指标是通过专家打分法或者依据生产经验定性得出，或者通过历史灾情资料反演得到，大多数湿渍害指标没有定量化，因而无法应用到农业气象业务中。本研究通过统计分析南县、益阳市、怀化市3 个农气站油菜开花结荚期气象要素与相对气象产量的关系，得到油菜湿渍害的主要致灾因子是过程降水量和过程降水天数。在确定油菜湿渍害致灾因子后，再对南县、益阳市怀化市3 个农气站减产年的相对气象产量与油菜开花结荚期过程平均降水量和过程平均降水天数作聚类分析，得出以过程降水量、过程降水天数两因子构成的定量化油菜湿渍害指标。最后用独立观测数据检验，结果表明该指标判断有无出现湿渍害准确率高。经咨询相关专家，油菜轻度湿渍害指标“40 mm ≤过程降水量＜75 mm，5 d ≤过程降水天数＜6 d”和中度以上湿渍害指标“过程降水量＞75 mm，过程降水天数≥6 d”，与湖南省油菜实际生产中出现湿渍害时气象条件非常一致。目前天气预报业务中，有过程降水量和过程降水天数的预报结果。因此，利用本研究提出的油菜湿渍害指标，结合气象监测资料和天气预报结果可开展油菜湿渍害监测预警业务。

本研究得出的油菜湿渍害指标，在判断有无出现湿渍害方面比较准确，但在判断湿渍害灾害等级，也就是受灾严重程度时与实际情况不完全一致。这与刘瑞娜等［17］研究安徽油菜连阴雨灾害损失评估指标得到的结果相似，安徽油菜连阴雨指标在评断轻度和中度等级灾害准确率较高，但在判断重度灾害时准确率相对较低。原因可能是在实际生产中，造成油菜减产的因素较多，有气象灾害的因素，也有生产管理的因素，气象灾害不是油菜减产的决定性因素。分析湖南各地油菜开花结荚期降水特征时发现，绝大多数减产年开花结荚期过程平均降水量、过程平均天数较大，但是个别非减产年份开花结荚期过程平均降水量、过程平均降水天数也较大。原因是强降水过程来临时，如果农民管理到位、防范措施充分，就能避免油菜遭受严重湿渍害，在降水过后油菜得到恢复性生长，因而不会出现明显减产。

4 结论

本研究结果表明，过程降水量和过程降水天数是湖南省油菜开花结荚期湿渍害的主要致灾因子。湖南省油菜开花结荚期轻度湿渍害指标是：40 mm ≤过程降水量＜75 mm，过程降水天数为5 d；中度以上湿渍害指标是：过程降水量≥75 mm，过程降水天数≥6 d。经独立数据检验，上述指标基本准确，因此可应用于湖南农业气象业务中。