气象因素对盘锦地区水稻产量的影响及预测模型的建立

杜 萌, 马凌霄，任 海，隋 鑫，李 旭，马 畅，全革

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

关键字：水稻产量；气象因素；预测模型

全球气候变暖作为一个不争的事实， 对农业生产造成不可避免地影响［1］。 国内外聚焦于研究气候变化对农业的影响。 由于农业生产与气候关系密切， 任何程度的气候变化都会给农业生产及其相关过程带来潜在的或显著的影响［2］。 探讨由于气候改变引起的农业变化以及其敏感性和脆弱性的变化，合理有效制定应对措施和对策，以及确保农业的可持续发展具有重大意义［3－8］。

水稻是我国主要粮食作物， 水稻生产对粮食安全和解决农业生产都具有重要地位， 对提高国民经济具有重要影响［9］。 气候变化对水稻生产的稳定性和可持续性具有显著影响。研究表明，未来气候条件下，水稻产量大多表现为减产趋势。本项目在盘锦地区开展， 研究气象因素对盘锦地区水稻产量的影响， 找出盘锦地区气象因素与水稻产量的关系， 产量与各年份气象因素进行相关性和回归性分析，得出水稻产量预测公式，为预测盘锦地区未来气候变化对水稻产量影响提供依据，对指导农业生产及减少保障粮食生产安全具有现实意义。

1 试验设计与方法

1.1 试验地理位置

盘锦市位于辽宁省西南部， 辽河三角洲中心地带，地理坐标为北纬40°39′～41°27′、东经121°25′～122°31′之间。 总面积4 071 平方公里，占辽宁省总面积的2.75%。 暖温带大陆性半湿润季风气候区。 气候特点为四季分明、雨热同季、干冷同期、温度适宜、光照充裕。

1.2 试验数据来源与方法

试验所需水稻单位面积产量及气象要素均来自于辽宁省统计年鉴盘锦地区2009～2018 年。

一般把作物产量分解为趋势产量、 气象产量和随机误差3 个部分， 其中趋势产量主要是受社会生产力发展平衡制约，也被称为技术产量；气象产量受气候因素为主的短周期变化因子（农业气象灾害为主）影响而波动；随机误差影响小，可忽略不计。水稻实际单产可表示：Y＝Yt＋Yw。式中，Y为水稻实际单产（kg·hm－2），Yt 为趋势单产 （kg·hm－2），Yw 为气象单产（kg·hm－2）。

选用指数平滑法测定水稻趋势产量， 根据公式Yw＝Y－Yt 计算得到气象产量Yw。 在指数平滑中，平滑系数α 取值不同，计算出的平滑结果会有较大差异。 本研究平滑系数α 分别取0.1、0.3、0.5、0.7 和0.9，分别计算出趋势产量，根据公式分离出气象产量。

水稻趋势产量：水稻实际产量为Y，n 年的水稻产量用Yn 表示，（n＋1）年的水稻产量用Y（n＋1）表示；n 年的趋势产量为Yt（n），（n＋1）年的水稻趋势产量为Yt（n＋1）

Yt（n＋1）＝αYn＋（1－α）Yt（n）

2 结果与分析

2.1 水稻趋势产量的计算及气象产量的分离

表1 为根据不同年份的水稻产量计算出水稻的趋势产量， 进而分离出水稻气象产量。 辽宁省2010、2011 年因暴雨引发的洪涝灾害的影响，盘锦地区水稻在这两年气象产量在5 个不同系数α 下均为减产，说明根据公式得到的水稻气象产量能大致体现出气象因素对水稻产量的影响。

表1 不同年份的水稻趋势产量和气象产量

2.2 气象产量和各气象因子的相关分析

盘锦地区水稻生育期为5 月到10 月，因此选用5 月到10 月的各主要气象因子与气象产量进行相关分析。 当平滑系数α＝0.1 时，5 月的最高温度、6 月的平均气温、7 月的平均气温与气象产量成显著正相关，6 月的湿度与气象产量成显著负相关；当平滑系数α＝0.3 时，5 月的最高温度、7 月的平均气温与气象产量成显著正相关； 当平滑系数α＝0.5 时，5 月的平均温度、5 月的最高气温与气象产量成显著正相关，7 月的湿度与气象产量成显著负相关；当平滑系数α＝0.7 时，5 月的平均温度与气象产量成显著正相关，7 月湿度、8 月湿度与气象产量成显著负相关； 当平滑系数α＝0.9时，5 月的平均温度与气象产量成极显著正相关，7 月湿度、8 月湿度与气象产量成显著负相关；

2.3 气象产量和关键气象因素的回归分析

根据气象产量与各气象因子的相关分析，在表2 中， 选取5 个平滑系数α 下相关性最高的2个气象因素，分别与气象产量进行回归分析，结果见表3。

表2 气象产量和各气象因子的相关分析

表3 气象产量与关键气象因素回归统计分析

R2（α＝0.9）＞R2（α＝0.7）＞R2（α＝0.3）＞R2（α＝0.1）＞R2（α＝0.5），表明α＝0.9 时模型拟合程度较高，同时标准误差S（α＝0.9）最小，说明α＝0.9 时实际观察点与所拟合的样本回归线的离差最小， 故选用平滑系数α＝0.9 时的分析结果。

由表4 可知，Significance F＝0.002510664 ＜0.01， 说明5 月的平均温度及7 月湿度同时对水稻气象产量影响极显著。 以下分别用P5、P7 表示。

表4 平滑系数α = 0. 9 时方差分析

表5 中，P5 的P 值为0.008388503＜0.01，说明5 月的平均温度对水稻气象产量影响极显著；P5 的P 值为0.019839831＜0.05，说明7 月湿度对水稻气象产量影响显著。

表5 平滑系数α = 0. 9 时回归参数

综上， 水稻气象产量方程可表示为：Yw＝－1824.74＋352.13×P5－55.67×P7

设盘锦地区水稻实际产量为Y，n 年的水稻产量用Yn 表示，（n＋1）年的水稻产量用Y（n＋1）表示；n 年的趋势产量为Yt（n），（n＋1）年的水稻趋势产量为Yt（n＋1），已知α＝0.9，则（n＋1）年的水稻趋势产量为

Yt（n＋1）＝0.9Yn＋（1－0.9）Yt（n）

盘锦地区（n＋1）年的水稻预测产量为

Y（n＋1）＝0.9Yn＋0.1Yt（n）＋（－1824.74＋352.13×P5－55.67×P7）

其中，P5、P7 为盘锦地区（n＋1）年的5 月平均气温、7 月的湿度。

2.4 水稻产量预测方程结果验证

检验2010～2018 年，预测产量的准确度。

由表6 可知2010 年到2018 年的预测准确度均大于95%，其中2011 年准确度最低为96.01%，2015 年准确度最高为99.68%， 表中各年的预测平均值为98.57%。

表6 盘锦地区2010～2018 年水稻产量与预测产量

3 结论与讨论

盘锦地区的水稻气象产量与盘锦当地气象各因素具有一定的相关性。 根据公式分离出的气象产量能大致体现出气象因素对水稻产量的影响，说明其水稻产量与气象因素也具有一定的相关性，其中，5 月平均温度及7 月的湿度对水稻气象产量的相关系数较高，∣r∣相对较大。 5 月为盘锦地区水稻移栽期，如果当期温度不稳定，过高过低都会影响水稻秧苗的正常生长；7 月主要为盘锦地区水稻拔节期， 这时空气中湿度越大越易发生病害虫害现象， 影响水稻正常生长发育从而发生减产。

通过回归分析可知5 月平均温度对水稻气象产量影响极显著；7 月湿度对水稻气象产量影响显著； 二者共同作用于水稻气象产量表现为极显著， 可以进一步说明盘锦地区水稻产量受二者影响显著。

在长时间序列的作物产量与气候因子关系的观测统计研究中， 分离趋势产量而得到准确的气候产量就显得尤其重要， 不同趋势产量模拟方法分离的气候产量的结果可能不同， 甚至截然相反［10］。试验采用平滑指数法，设置5 个不同的平滑系数α 得到其相应的气象产量，根据回归统计分析最终取α 等于0.9 时，其预测模型拟合优度最高、误差较小，预测水稻产量的准确度也较高。试验研究气象因素对盘锦地区水稻产量的影响， 为预测盘锦地区水稻产量提供依据， 对指导当地农业生产及保障粮食生产安全提供依据。