上海奉贤区影响单季晚稻机械收割进度的因素分析

徐相明,顾品强*,费 蕾,谈建国,王正大,顾艾节,徐振宇

(1上海市奉贤区气象局,上海 201416;2上海市气候中心,上海 200030;3上海市奉贤区农业技术推广中心,上海 201499;4上海市奉贤区农业农村委员会,上海 201499)

水稻是我国最重要的粮食作物之一,稻谷的产量问题事关粮食安全一直深受国人关注。自20世纪80年代以来,全国各地水稻生产受气候变暖的影响,水稻生长季延长、单产提高[1-5]。然而进入21世纪以来,以机械化工艺为主导的农业现代化发展迅猛,以上海市奉贤区为例,2013年水稻、小麦等主要农作物耕种(育苗插秧)和收获的综合机械化率达到90%以上[6]。但水稻生产实践表明,水稻机械化作业在育秧、插秧、收获等系列农事活动时受天气因素的制约及不利影响超过人工耕作,如收割期间遇田角湿烂,机械设备无法正常入田,只能采用人工收割,大幅降低收割效率[7],如2015年秋季长江中下游长时间阴雨天气延误水稻收割和小麦播种,奉贤区当年水稻收割缓慢、品质及产量受到影响,小麦错过11月下旬安全播种临界期[8]。我国众多学者也针对性的开展研究,如谷英楠等[9]提出受气象条件限制,水稻收割时籽粒含水量可能偏高,影响联合收割机收获效率;王桂民等[10]发现粮食在适时收获期时机械收获损失率最低,而适时收获期之前进行收获时损失量明显上升;徐相明等[8]则发现水稻成熟后超过5—7 d收割会降低粒重,不利于粮农增产增收。

目前,许多专家围绕气象因子及其变化对水稻生育、产量的影响作了大量的研究[11-15]。刘绍贵等[16-17]提出要将农机与农艺深度融合,加强水稻生产过程中相关技术研发和推广,提升水稻种植机械化水平。但是,对气象因素对水稻机械收割作业期的影响研究鲜有报道。为此,本研究通过分析奉贤2013—2020年水稻收割进度特征及其对播栽期、生长期气候条件、收割期降水等要素的响应,讨论1961—2020年奉贤水稻收割期间降水、连阴雨等气象致灾风险,对于推进水稻收割作业期农机与农艺的融合、合理安排机械收割环节、提高水稻产量和品质具有一定的现实意义和参考价值。

1 资料与方法

上海市奉贤区2013—2020年历年水稻种植面积、水稻收割机械动力、水稻收种进度等资料来源于上海市奉贤区农业农村委员会及各街镇农业服务中心。气温、日照时数、降水等气象资料来源于上海市奉贤区气象局。某日水稻收割(播栽)进度是指累计至当日水稻收割(播栽)面积占应收割(播栽)面积的百分比,收割(播栽)进度5%、10%、…、100%(日期)分别为当年水稻累计收割(播栽)面积达到应收割(播栽)面积的5%、10%、…、100%的日期。本研究以水稻收割(播栽)进度5%、98%作为开始收割(播栽)、结束收割(播栽)的日期,以播栽、收割进度50%作为播栽、收割平均时间。水稻机械收割作业期指水稻收割进度5%至进度98%的间隔日数(简称作业期)。气象要素以20时为日界,降水日数指日降水量≥0.1 mm的日数,连阴雨指降水日数连续≥5 d,若在一次连阴雨过程中第6 d起,出现连续2 d非降水日数,则视为本次连阴雨过程结束。

2 结果与分析

2.1 奉贤区水稻种植机械化现状

奉贤区每年种植一季水稻,种植品种以‘花优14’‘秋优金丰’等杂交晚粳水稻为主,一般水稻播栽期为5月下旬至6月下旬,成熟期为10月下旬至11月中旬。种植方式主要采用人工直播稻、机插稻和机穴播稻,2019年占比分别为19.4%、40.5%和40.1%,水稻机械化种植率为80.6%,水稻机收面积达到100%,全区水稻全程机械化水平达到94%。由图1可见,2013年以来奉贤区水稻种植面积呈“多—少—多”变化,2017年水稻种植面积由2013年的9 693.3 hm2减少至8 999.4 hm2,2018年开始水稻种植面积逐年回升,2020年达到11 206.0 hm2,比2017年、2013年分别增加24.5%、15.6%,2013—2020年趋势倾向率为208.6 hm2∕a。水稻收割机械总动力总体保持一定增长趋势,最低为7 354.3 kW(2013年),最高为13 365.8 kW(2019年),趋势倾向率为683.7 kW∕a(P＜0.1)。水稻种植面积与水稻收割机械总动力的相关系数为0.603,呈不显著的正相关,表明水稻收割机械动力随水稻种植面积增加保持了适度的增长速度,大致水稻种植面积每增加100 hm2,水稻收割机械动力增长146.5 kW。

图1 2013—2020年水稻种植面积、收割机械动力的变化Fig.1 Changes in rice planting area and power of harvesting machinery from 2013 to 2020

2.2 水稻机械收割作业期的变化特征分析

上海市奉贤区2013—2020年各年水稻收割进度百分比达到5%、50%、98%(分别代表收割开始、平均和结束)的日期和作业期列于表1。

表1 2013—2020年各年水稻收割进度达到5%、50%、98%日期Table 1 Dates when the rice harvesting progress reaches 5%,50%,and 98%

由表1可见,奉贤区2013—2020年水稻收割作业期平均为37 d,最短为22 d(2013年),最长为51 d(2018年),最长年与最短年相差29 d(为最短年的1.4倍)。作业期开始日期平均值为10月27日,相对比较集中,大多开始于10月下旬,最早为10月23日(2018年、2020年),最晚为11月1日(2016年),最早年与最晚年相差9 d,并以2017年为界,之前在10月27日—11月1日,之后提前至10月23—26日。作业期结束日期平均值为12月2日,年际间波动幅度大,一般结束于11月下旬至12月中旬,最早为11月19日(2013年),最晚为12月15日(2015年),结束最早年与最晚年相差26 d,作业期结束日期的变幅为开始日期的近3倍。据相关统计,水稻收割进度5%日期与50%、98%日期之间的相关系数分别为-0.097、0.221,相关性不强,这可能与2017年之后奉贤区早熟品种种植面积增加、由“稻麦”两熟改为“水稻+(绿肥、深耕、休茬)”后其茬口季节矛盾不突出、播期早晚拉长、由“卖稻谷”向“卖大米”转变[18]等造成有部分水稻种植品种的成熟期普遍提早4—6 d有关。水稻收割进度5%日期与作业期的相关系数为-0.430,呈不显著的负相关,表明水稻作业期开始早,作业期反而容易偏长。水稻收割进度50%日期与98%日期呈正相关,两者相关系数为0.857(P＜0.05),预示着收割进度50%偏晚的年份,其水稻收割结束日期偏晚的可能性较大,两者间隔日数在12—24 d,表明收割结束日期存在较大的不确定性。

2.3 影响水稻机械收割作业期的气象因子分析

2.3.1 水稻播栽期及生长季(播栽——成熟)气象条件对作业期的影响

选取奉贤2013—2020年水稻播栽进度50%日期和收割进度50%日期分析播栽期早晚对收割进程的影响。由图2可见,水稻播栽进度50%日期与收割进度50%日期呈弱的负相关,相关系数为-0.135,说明水稻播栽期启动虽然提前,但受播栽期大幅拉长的影响,一定程度上抵消了水稻收割进程提前效应。

图2 2013—2020年水稻播栽进度50%和收割进度50%日期的对应关系Fig.2 Correspondence between the date of 50% sowing and planting progress of rice and 50% of harvesting progress from 2013 to 2020

以水稻播栽进度50%日期至收割进度50%日期的间隔日数表示当年水稻生长季长短(简称“水稻生长期天数”),并计算水稻生长期天数与期间气温(积温)、日照时数、降水等气象要素的相关系数列于表2,可发现水稻生长季的平均气温、日照时数及20℃有效积温与生长期天数呈负相关,其相关系数分别为-0.668、-0.044、-0.186;降水量、降水日数与生长期天数呈正相关,且降水日数的相关系数达到0.802(P＜0.05)。说明奉贤区水稻生长季的20℃有效积温、日照、降水量等气象条件基本能满足水稻生长需求,而随着生长季平均气温越高,水稻生长期天数相应缩短,平均作业日期也相应提早,即平均气温每升高1℃,水稻生长期天数(平均作业日期)缩短(提前)5.6 d;降水日数越多则水稻生长期天数延长,降水日数每增加1 d,水稻生长期天数(平均作业日期)延长(延后)0.7 d。这表明水稻生长期气温、降水日数对生长期天数的趋势研判有一定的指示意义,可为提前安排收割、烘干机械设备的清理和保养工作提供有益的参考[19]。

表2 2013—2020年水稻生长期气象因子与生长期天数的相关系数Table 2 Correlation coefficients between meteorological factors and the number of days

2.3.2 水稻收割期降水特征及对作业期的影响

统计2013—2020年各年水稻机收作业期降水量、降水日数、单位面积收割机械作业动力(收割机械动力与水稻种植面积的比值,以kW∕100 hm2表示)及与作业期的相关系数列于表3。

表3 2013—2020年各年水稻作业期及其与降水量、降水日数等的相关系数Table 3 The rice operation period from 2013 to 2020 and its correlation coefficient with precipitation,precipitation days,etc

由表3可见,2013—2020年水稻单位面积(每100 hm2)收割机械作业动力平均为108.0 kW,最大为128.6 kW,最小为75.9 kW。水稻作业期长短与单位面积收割机械作业动力呈正相关,但未通过显著性水平检验,而且从2.1分析可知,奉贤区随着水稻种植面积增加,水稻收割机械动力增长速度高于水稻单位收割机械作业动力最大值,即水稻收割机械动力满足水稻生产需求。从可收割天数(作业期天数和降水日数的差值)也可看出,基本完成水稻收割任务所需天数最多30天(近一个月),表明水稻单位面积收割机械作业动力的年际波动不是影响水稻机械收割作业期的主要因素。而水稻作业期长短与期间降水量、降水日数的相关系数分别为0.784(P＜0.05)、0.858(P＜0.01),说明降水条件是影响作业期长短的主要因子。

据统计,奉贤区水稻作业期间的平均降水量、降水日数分别为92.2 mm和14 d,但年际波动大,降水量、降水日数最多分别为268.5 mm、29 d(均为2015年),最少分别为3.7 mm、5 d(均为2013年),降水量、降水日数最多的两年(2015年、2018年)作业期最长,而作业期最短的一年(2013年)为降水量、降水日数最少的一年,表明水稻作业期间降水量、降水日数增多,作业期相应延长,降水日数影响效应强于降水量,且降水量、降水日数对水稻作业期的影响起叠加延后效应,是作业期长短的主要限制因子。若综合考虑降水量(X1)和降水日数(X2)双重影响因素,则作业期(Y)长短可用式(1)表示,且该方程式通过显著性检验(Sig.F=0.006),可用于指导水稻生产。

进一步分析机收作业期最短的一年(2013年)和最长的两年(2015年、2018年)降水分布特征表明,2013年降水偏少,尽管单位面积机械收割动力75.9 kW为2013—2020年最低,但水稻收割作业期仅为22 d,说明水稻生产现有的单位面积机械收割动力及增长速度与水稻生产实际需求基本相符。2015年、2018年降水量均显著偏多,连阴雨天气特征明显,2015年10月29日—11月25日降水日数多达20 d,导致当年至11月25日的水稻收割进度仅为30%,比2013—2020年平均收割进度日期(11月6日)偏晚19 d,造成2015年在收割进度5%比2016年偏早3 d的情况下,水稻收割结束日期却比2016年延后12 d;2018年12月2日—11日连续10 d均出现降水,导致当年水稻收割进度在12月2日达到92.4%后出现停滞,为作业期第二长年。为此,将水稻作业期降水量、降水日数比平均值偏多70%,即分别达到155 mm、24 d以上,且出现持续10 d以上连阴雨天气,作为对当年水稻机械收割产生严重影响的不利气象指标,有利于今后水稻生产中采取针对性的避灾措施。

2.4 水稻作业期降水(连阴雨)特征及致灾风险分析

统计奉贤1961—2020年历年10月下旬至12月上旬的降水量、降水日数,得出:水稻收割作业期间降水量、降水日数60年均值分别为88.6 mm、13.4 d,两者相关系数达到0.781(P＜0.01),降水量与降水日数呈同步变化,均呈先减少后增加的趋势,21世纪以来的20年降水量、降水日数平均值分别为112.5 mm、15.0 d,比1961—2000年同期平均分别偏多23.9 mm(27.0%)、1.6 d(11.7%),2015年降水量(270.2 mm)、降水日数(28 d)创60年最多纪录。60年间的10月下旬至12月上旬出现累计降水量≥155 mm且降水日数≥24 d的年数仅为3a,其中1961—2010年出现1a(1974年)、2011—2020年出现2a(2015年、2018年),说明最近10年奉贤区水稻收割作业期出现降水致灾风险大幅提升。

统计水稻收割作业期连阴雨次数、最长连阴雨天数表明(图3),以2001年为界,出现连阴雨的概率由32.5%上升至50.0%,2015—2020年每年均出现连阴雨天气,为60年来首次连续5年出现连阴雨。最长连阴雨天数由6.4 d∕a增多至7.8 d∕a,其中最长连阴雨天数≥10 d的年份共出现5a,均出现在2001—2020年。因此,21世纪以来,奉贤区水稻收割作业期降水量、降水日数呈增多趋势,最长连阴雨天数≥10 d出现概率显著增大,导致因出现降水及降水引起的田块湿烂而延误水稻机械收割、影响后茬作物适时播栽的致灾风险提升。同时,发现降水量、降水日数偏多年易与少雨年出现急转,如1973年少(降水量23.6 mm、雨日3 d)与1974年多(降水量210.3 mm、雨日29 d)、2014年少(降水量35.7 mm、雨日15 d)与2015年多,降水年际间大幅波动使习惯于根据上年生产经验安排当年水稻农艺和农机的粮农陷入被动。

图3 1961—2020年历年10月下旬至12月上旬的连阴雨次数及最长连阴雨天数Fig.3 The number of consecutive rainy days and the longest consecutive rainy days from late October to early December in each year during 1961 to 2020

3 结论与讨论

上海市奉贤区2013—2020年水稻于10月下旬开始收割,11月下旬至12月中旬结束收割,水稻作业期平均值为37 d,水稻收割结束日期年际间波动幅度大于开始日期。受奉贤区水稻早熟品种种植面积有所增多及销售模式变化的影响,水稻收割开始日期呈提前趋势,但与水稻收割进度50%、98%相关性较弱。收割进度50%的变化与收割进度98%有一定的关联度,可参照收割进度50%的早晚合理安排剩余水稻的收割。

本研究结果显示,在影响水稻收割作业期的因子中,水稻播栽期大幅拉长抵消了水稻收割进程提前效应,水稻生长期气温等气象因子通过影响水稻生长速度来缩短(或延长)生长期,如气温偏高(日照偏多)缩短生长期,而降水日数偏多则延长生长期,对水稻收割作业期早晚有一定的影响。奉贤区水稻收割机械作业动力总体呈波动式增长趋势,对水稻机械收割作业期影响有限,而水稻作业期期间降水量、降水日数与作业期长短呈显著正相关,故以降水量与降水日数乘积的平方根为指标,建立的作业期长短与降水量和降水日数双重影响因素的关系模型可较好的预估作业期长短。对受降水影响致灾年(2015年、2018年)的降水进行分析,建立了水稻机械收割不利气象指标:降水量≥155 mm、降水日数≥24 d,且出现持续10 d以上连阴雨天气,可为水稻生产上合理调配收割、烘干等机械设备及根据田块成熟度适时收割作业提供重要的决策依据。

奉贤区水稻收割作业期降水量与降水日数同步变化,均呈先减少后增加的趋势,特别是21世纪以来的降水量(降水日数)及出现连阴雨的概率(最长连阴雨天数)增多,增加了水稻收割的致灾风险。本研究2013—2020年的8年中,奉贤区水稻收割期间遭受降水偏多、连阴雨等不利天气的致灾风险度为四年一遇,应引起农业生产者和农业管理部门的高度重视。为此,气象部门及时研判水稻收割期间降水趋势,特别是符合水稻机械收割不利气象指标的天气发生概率及出现时段;农业相关部门加强引导,做好水稻早中晚品种搭配,适当拉开播(栽)期,错开水稻生育期及成熟收割期;水稻种植户随时关注天气变化信息,做好稻田排水,抢抓连晴天气、雨停间隔等窗口期适时收割水稻,减轻降水对水稻收割的不利影响。