近30年榆林市农作物病虫害发生的时间特征研究

2022-08-10杜心元徐玉霞

陕西农业科学 2022年6期

杜心元，徐玉霞，陈倩，廖欣

(1.宝鸡文理学院/ 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西宝鸡 721013；2. 榆林市星元小学, 陕西榆林 719400)

进入新世纪以来，由于全球气候的格局有所变化，产业结构被波及而有所改变，使得农作物病虫害的问题在农业生产、生活中表现异常突出[1～2]。整个农业部门的关键就在于农作物的种植，其对于人类生存和发展的意义也是不可比拟的，而由于农作物的生存、生长是在大自然中，它的生长情况不可避免的会受到自然灾害的影响[3]。自然灾害是指发生在我们赖以生存的自然界中，具有危害性的自然变异和极端事件。主要发生类型有：地质、地貌、气象、生物和天文灾害。病虫害，是生物灾害中常见的一种，常指农作物在病虫的危害下，生长、发育出现不健康的状态，从而使得作物产量减少，造成无法挽回的经济损失。农业生态系统自身具有一定的自我调节能力，所以，灾害的发生强度在自然状态下是处于正常范围内。然而，要是人类的强加干预和其他外力因素一同影响，那么农业生态系统的平衡和稳定则一定会被破坏，使得农作物在非良性循环的环境中继续生存，在有害生物不断的危害下，最终导致灾变发生。欧阳芳等[4]对我国1991-2010年期间，几类粮食作物发生病虫害的面积和强度的变化趋势进行了研究，发现：在研究时间段内，这几种农作物发生病虫害的面积和强度都有明显的增加。黄国勤等[5]进行了大量调查，研究了江苏省农作物病虫害的发生特点，发现：江苏省病虫害由于异常的气候变化影响，病虫害发生严重，范围大且面积广，农业生产的灾变情况越来越严重。赵淼等[6]研究认为，我国农作物的病虫害发生面积和发生率分别以 8 520.05千hm2次/年和0.605%/a的速率增长。赵梦等[7]研究结果得出：我国从2000到2010年期间，水稻种植区发生病虫害的面积有明显的上升态势。白基恒等[8]研究分析得出：从1950到2013年，重庆市水稻病虫害的灾变率是呈上升的趋势，尤其到1980年之后，发生范围广，损失增大。王茀望等[9]研究证明2000年以来，海南省农区鼠害呈现发生面积逐年上升，发生越发严重。GE Saiying[10]利用中国的统计数据，研究了中国从1991-2010年，棉花发生病虫害的面积、防治程度和损失率的变化特征。这些研究对于西北地区的研究较少，本文以榆林市为研究区域，揭示榆林市农作物病虫害的时间变化特征，从灾害科学的角度进行农作物病虫害研究[11]，为本地区研究关于生物灾害可以提供一定的参考。

1 研究区概况

1.1 研究区概况

榆林市位于东经107°28到111°15’和北纬36°57’到39°34’之间，隶属于陕西省，东边相隔黄河，与山西省相望，西部接宁夏、甘肃省，北部与内蒙古为邻，南边是本省的延安市。处于半干旱地区，为大陆性季风气候，雨热同期，四季分明春季干旱少雨，夏季炎热高温，秋季降水较多，冬季干旱漫长[12]。日照时间长，无霜期短，年平均气温10℃左右，年平均降水为400 mm左右。地貌类型北部为风沙草滩区；南部是典型的黄土丘陵沟壑区。平均海拔在1 000～1 500 m。每年都会出现不同程度的自然灾害发生。全市2017年农业户籍人口284.7万人，耕地总资源约108.18万hm2，人均耕地为0.38 hm2。2017年，农作物的主要播种的面积约为623 753 hm2，其中，粮食作物种植的面积为488 187 hm2，主要种植玉米、小麦、水稻和马铃薯等，播种油料作物的面积为53 719 hm2，主要是花生。2017年全年粮食作物总产量达1 658 921 t，油料作物总产量达101 421 t。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文中，1990到2017年农作物播种面积是选取于2018年“榆林市统计年鉴”中部分数据；1986到2018年农作物病虫害的发生面积、防治面积是选取于榆林市农业局1986-2018年统计资料；2008-2017年粮食作物实际损失数据来源于榆林市农业局1986-2017年统计资料。

2.2 研究方法

防治率:W=(C/B)×100%

上式中的字母代表着农作物的各项指标，A、B、C、D分别是:播种面积(千公顷)、发生面积(千公顷次)、防治面积(千公顷次)、实际损失(t)。

(2)变化倾向率

为了分析发生率和防治率等灾害要素，分析病虫害的时间变化特征，反应病虫害的变化趋势，以时间 t自变量为，建立一元线性回归方程，公式如下:

y=a+bx

上式中，y 是灾害因子，x 是时间(为1986-2018年)，b为线性趋势项， b×10为灾害因子每10 a的灾害变化倾向率，可以定量的分析农作物病虫害变化的趋势[13]。

(3)距平分析

其中λ为波长,αn,βn(t)可根据建立的几何模型进行推导(详细表达式参见附录A).式(4)～(6)表示由于p发射天线到q接收天线传播总距离导致的相位变化,式(7)是由于列车移动导致的多普勒频移,其中是最大多普勒频移:

距平是指变量偏离正常情况的量，在一组序列中，某一个值与均值之差就是距平，反应数据偏离平均值的程度[14]。经过距平处理，可以转化成均值是0的序列，这样处理有助于数据分析，使计算结果更直观。

(4) Morlet小波分析

小波分析是一种时间频率分析方法,可以通过多种运算功能对函数或信号序列进行多尺度细化分析,研究不同尺度随时间的演变情况[15]。本文利用小波变换对病虫害发生率的周期震荡进行了分析,揭示其时间尺度周期变化特征和趋势。

3 结果分析

3.1 榆林市农作物病虫害发生面积和发生率的时间变化

3.1.1 榆林市农作物病虫害发生面积和发生率的年际变化从图1可知，从1986到2018年，榆林市的农作物发生病虫害的面积，总体表现为向上发展的态势，发生面积的倾向率为226.48 千hm2次/10 a，置信度检验为0.001。榆林市农作物发生病虫害的面积由1986年的80.51千hm2次增加到至2018年的709.82千hm2次，期间2011年的发生面积最大，为1 426.81千hm2次。在研究时间段内，榆林市农作物病虫害年平均发生面积为635.78千hm2次。

图1 榆林市历年农作物病虫害发生面积

从图2可以看出，从1986-2018年榆林市的农作物病虫害，它的发生率和发生面积变化趋势具有一致性。病虫害的发生率也是增加的趋势，其发生率倾向率为0.418%/10a，置信度检验为0.001。发生率的最低值在1987年，只有9.26%;最大值出现在2011年，为253.11%，二者相差243.85%。整个变化过程可划分三个阶段：第一阶段表现出增长趋势，1986-1995年，榆林市农作物病虫害发生率在前5年较低，而且发生率变化不大，年均发生率为61.38%；第二阶段是1996-2012年间，榆林市农作物的病虫害发生率，呈现出"W"型的趋势，年均发生率高达119.14%；第三阶段在2013-2018年，榆林市病虫害生物灾害发生率有显著的下降，最低值下降到2018年的111.51%，这仍然是高发生率。综上所述，从1986到2018年榆林市农作物病虫害年均发生率为105.03%，灾害程度非常严重。

图2 榆林市历年农作物病虫害发生率

从图3中可以看出，榆林市农作物病虫害发生率其变化周期较明显。其发生率存在着准11和15年两个震荡周期。准11年的周期主要集中在2005-2016年之间，该震荡周期的时间连续性较好，其中榆林市农作物病虫害发生率偏高主要在2005-2006年、2009-2011年、2013-2014年和2015-2016年。准15年震荡周期震荡明显，并在时间上的连续性也较好。在过去的30年间，榆林市的农作物病虫害发生率经历了低-高-低-高-低-高-低的阶段，预计在未来几年，榆林市农作物病虫害发生率有可能会越来越低。

3.1.2 榆林市农作物病虫害发生面积和发生率的年代际变化如表1所示，榆林市农作物病虫害在各个年代，它的年平均发生面积变化表现为“先降后升”。从20世纪90年代至2000-2009年由648.90千hm2次下降到542.54千hm2次，进入2010年后，迅速增加至973.69千hm2次。在2000到2009年，可以看出年平均发生面积距平值，是平均水平之下的，为-92.74千hm2次，而紧接着2010-2018年间，病虫害的年平均发生面积距平值为338.41千hm2次，远远要高出平均水平。综上所述，榆林市各个年代农作物病虫害年均发生面积的变化属于转折上升的趋势，其中2000-2009年是一个明显的转折点。

(a)小波变换实部图 (b)小波方差图

表1 榆林农作物病虫害发生面积和发生率的年代际变化

如图4所示，榆林市各年代农作物病虫害，年平均发生率呈增长的变化趋向。榆林市各个年代农作物病虫害年均发生率最大值和最小值分别出现在2010-2018年和1990-1999年，分别为163.91%/a和92.47%/a，两者的差达71.44%。在2010年之前，榆林市各个年代的农作物病虫害，年平均发生率的距平值都显示为负，分别是-12.56%和-7.8%，而从2010年之后，年平均发生率的距平值显示为正，达58.55%。综上所述，榆林市各年代的农作物病虫害年均发生率呈现迅速上升的趋势，特别是2010年以后增长速度显著加快。榆林市各年代的农作物病虫害发生率，其变异系数有一个波动态势，基本呈 “S”型变化。在20世纪90年代和2000-2009年，农作物病虫害的发生率变异系数值一直在下降，由56%降至14%；在2010-2018年间，虫害发生率变异系数则呈现"∧"型变化，由之前的14%增加到25%，再减少到6%。

图4. 榆林市农作物病虫害发生率变异系数年代际变化

3.2 榆林市病虫害造成的粮食作物损失量的时间变化

榆林市播种的主要粮食作物小麦、玉米、大豆、薯类、稻谷等。在研究时间段内(2008-2017年)，粮食作物年均播种面积为480.3千hm2/a，年均产量为2 723 089.4 t/a。本文主要对粮食作物和实际损失量进行时间特征的研究，以期为榆林市农作物病虫害防治提供一定的有效方向。从图5可知，2008-2017年间榆林市病虫害造成的粮食作物损失量呈平缓的下降趋势，损失量倾向率为783.25 t/10 a，并通过了0.001的置信度检验。榆林市病虫害造成的粮食作物损失量由2008年的72 594.8 t增加到了2017年的82 448.4 t，研究时间段内，榆林市病虫害造成的粮食作物年均损失量达87 858.9 t，增长缓慢。

图5 榆林市历年病虫害造成的粮食作物损失量

3.3 榆林市农作物病虫害防治面积和防治率的时间变化

3.3.1 榆林市农作物病虫害防治面积和防治率的年际变化如图6所示，榆林市农作物病虫害防治面积从1986到2018年呈上升的趋势，防治面积倾向率为186.49千公顷次/10a，置信度检验为0.001。逾30 a来，病虫害防治面积在1986年为39.63千公顷次，到2018年则增加到467.16千公顷次，其中在2012年防治面积最大，达872.39千公顷次。综上所述，榆林市病虫害防治面积变化在研究时间段内有一定的起伏，但整体表现为增加的趋向，年均防治面积为338.78千公顷次。

图6 榆林市历年农作物病虫害防治面积

1986-2018年榆林市农作物病虫害防治率表现出明显向上的发展趋势，最小值在1992年，为18.78%，最大值在2016年，为73.27%，二者相差54.49%。如图7所示，该变化过程可以分三个阶段：第一阶段是1986-1992年间，榆林市农作物病虫害防治率波动很大，总体呈下降趋势，年均防治率为49.34%；第二阶段在1993-2005年，榆林市农作物病虫害防治率呈"M"型的趋势，增长变化过程仍有小幅度波动，年均防治率为37.48%；第三阶段在2006-2018年，榆林市农作物病虫害防治率虽然整体趋势是增加的，但期间防治率有小幅度不稳定的升降变化，最终防治率达65.81%。综上所述，1986-2018年榆林市农作物病虫害防治率处于波动上升的阶段，年均防治率为51.59%。

图7 榆林市历年农作物病虫害防治率

3.3.2 榆林市农作物病虫害防治面积和防治率的年代际变化榆林市各年代的农作物病虫害，年平均防治面积由1990到1999年的261.41千公顷次/a增加到了2010-2018年的638.84千公顷次/a，整体而言是呈上升趋势的，且后期变化速率明显加快。如表2所示，在1990-1999年，农作物病虫害的年平均防治面积距平值为-77.37千公顷次，接下来进入2000-2009年，距平值虽然也是负值，但还是有所增长的，为-73.45千公顷次，到了2010年以后，病虫害年均防治面积的距平值增为正值，达300.06千公顷次。

表2 榆林市农作物病虫害年平均防治面积和防治率的年代际变化

榆林市各个年代的农作物病虫害年平均防治率增长变化缓慢。年平均防治率的最大值出现在2010-2018年，为59.70 %/a，最低值在1990-1999年，为41.50 %/a，两者之差仅仅18.2%。可以看出，年平均防治率距平值均为负值出现在1990-1999年和2000-2009年，分别为-10.09%和-3.74%，到2010-2018年农作物病虫害防治率的距平值才出现正值，但仅为8.11%。综上所述，榆林市各年代农作物病虫害年均防治率总体是上升的，但增长速度较平稳，与平均水平差别很小。

如图8所示，榆林市各年代农作物的病虫害防治率变异系数呈向下倾斜的"W"型波动。其最高值在20世纪90年代的前5年(1990-1994年)，最低值在21世纪第一个10年的前5年(2000-2004年)，分别为37.97%和4.08%。由此可见，榆林市各个年代农作物病虫害防治率的波动较明显。

图8 榆林市农作物病虫害防治率变异系数年代际变化

4 结论与讨论

4.1 讨论

本文通过对榆林市灾情数据中病虫害发生面积、防治面积、粮食作物损失量等方面的分析，得出了榆林市农作物病虫害时间变化的特征：近30年来榆林市病虫害发生面积和发生率呈现明显的上升趋势，与朱煌武[16]对20世纪90年代安徽农作物生物灾害发生情况的研究结果一致。农作物病虫害的损失面积呈现出较平缓的增长趋势，说明农作物发生病虫害所造成的损失在可控范围内，病虫害的发生与受损具有同步性，与白基恒等[8]对重庆市水稻病虫害的研究结果一致。随着防治力度加大，防治面积和防治率呈现显著的增长趋势，说明政府的防治力度显著增大，重视程度更高。通过研究可以帮助榆林市有效预防病虫害，减少农作物病虫害带来的经济损失，有利于榆林市的农业发展，为榆林市农作物病虫害防治提供合理依据。

由于数据、资料有限，对榆林市农作物生病虫害时间特征的研究比较简略，并有以下不足和缺点：文章只对农作物病虫害的时间变化特征进行讨论，且研究时间尺度较短；只分析了农作物病虫害时间变化规律，没有对变化原因深入阐述；对农作物病虫害时间变化特征的数据分析如灾害发生的预测和空间变化的特征分析不全面，今后会加强数据分析。