2023年河南冬小麦成熟期连阴雨强度综合评估

2024-03-09郭康军邹春辉余卫东胡丽婷房稳静檀艳静张丽梅

气象与环境科学 2024年1期

郭康军, 邹春辉, 余卫东, 胡丽婷, 房稳静,檀艳静, 张丽梅, 成林

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州 450003; 2.河南省气象科学研究所,郑州 450003;3.安阳国家气候观象台,河南安阳 455099; 4.驻马店市气象局,河南驻马店 463001;5.周口市气象局,河南周口 466002; 6.南阳市气象局,河南南阳 473010)

引言

小麦是世界上仅次于玉米、水稻的第三大粮食作物。在全球气候变暖背景下,极端气象灾害频发、重发,农业气候资源也发生了重要变化,导致小麦生长季内干旱、冻害、穗发芽等灾害发生频率增加、强度增强,严重危害小麦的产量和品质。小麦穗发芽是指小麦成熟收获前由于遇到阴雨或潮湿环境条件籽粒在穗上萌动、发芽的现象,是一种世界性的自然灾害[1-2]。小麦穗发芽严重影响小麦产量和品质,可导致产量减少6%～10%[3-4]。河南是中国小麦生产第一大省,产量约占全国的1/4。1980年以来,河南省小麦几乎每年都会出现不同程度的穗发芽现象,且随时间推移呈加重发生趋势,尤其是豫南麦区平均每3年就会发生一次大面积穗发芽[5]。2023年麦收期间,河南省遭遇1961年以来同期影响范围最广、持续时间最长的一次阴雨天气过程,持续降雨时间与小麦成熟收获期叠加重合,连阴雨天气造成河南部分地区小麦萌动发芽,夏粮单产和总产较2022年分别下降7.0%、6.9%[6]。

小麦成熟期穗发芽是一个复杂的过程,受种子遗传特性与环境条件综合影响,不仅由品种自身因素如穗部性状、籽粒休眠特性、激素、α-淀粉酶等控制,而且与环境因素如降水、日照和阴雨日数等密切相关[7-9]。因此,连阴雨灾害的形成是多种要素综合作用的结果。近年来,有部分学者对小麦成熟期连阴雨气象灾害及其复合指标的构建都作了不少研究[10-12],但有关小麦成熟期连阴雨穗发芽敏感时段及其与气象因素之间关系仍需进一步明确,且小麦成熟期连阴雨灾害强度指数的研究至今仍较少。因此构建一个适用性的连阴雨灾害强度指数,减少小麦成熟期连阴雨气象灾害风险,保障小麦安全生产和适时收获,是当前农业、气象等多部门关注的重点之一。

1 数据与方法

1.1 资料来源

本文所用气象数据和农业气象观测数据均由河南省气象探测数据中心提供。气象数据为河南省111个地面气象观测站1961-2023年观测资料;小麦发育期数据为河南省35个农业气象观测站实际观测数据,时间序列也为1961-2023年,但其中1968-1978年数据缺失。

1.2 大田调查

2023年5月31日起,河南省气象科学研究所组织河南省35个农业气象观测站,持续开展小麦连阴雨大田跟踪调查工作,详细调查内容如下。

(1)地段选择:各农业气象观测站根据实际情况选取1个代表性地块作为调查点,并在该地块随机选取2个样方跟踪调查。

(2)地段基本情况:主要包括地块经纬度信息、小麦品种、品种熟性、播种日期、霉变日期、萌动发芽日期、收获日期。

(3)跟踪观测信息:主要包括观测日期、天空状况、墒情状况、发育期、成熟度、是否发生霉变、是否萌动发芽、萌动发芽是否持续、穗霉变茎数和发芽茎数、穗粒数、霉变粒数、发芽粒数。从5月31日开始,每2天进行一次观测,直至小麦收获。

(4)调查说明:每个取样点选取1行小麦,连续数10茎,记录穗霉变茎数和发芽茎数,重复2次,记录平均值。每个取样点连续选取5穗小麦,进行脱粒,分别记录每穗穗粒数、穗籽粒霉变数和发芽数,取平均值。

1.3 气象因子的归一化

对各站点气象要素进行归一化处理,公式如下:

(1)

F表示归一化的值;K表示某种气象因素,如总降水量(R)、降水日数(Rn)、阴天日数(I)等,i表示站点,j表示年份。

1.4 连阴雨灾害强度指数

目前尚无成熟技术能够分离出单一气象灾害对农作物生长发育的影响。本文基于河南省35个农业气象观测站按照统一的规范进行连阴雨灾害调查所取得的数据,可以很明确地解释连阴雨灾害对小麦生长的影响。此外,连阴雨对小麦穗发芽的影响主要发生在小麦成熟期前后5天的时段[13],因此本研究选取35个农业气象观测站小麦成熟期前后5天的时间为成熟期连阴雨研究时段。

研究结合河南实际情况,并参考《农业气象观测规范》及前人研究成果,构建了3种不同的连阴雨灾害强度指数L,并结合35个农业气象观测站连阴雨灾害调查的小麦籽粒发芽霉变率去检验评价这3种指数的适用性。

(1)连阴雨灾害强度指数L1

参考《农业气象观测规范》中连阴雨的标准[14],并结合河南实际,从农业生产服务角度采用如下连阴雨气象灾害标准:连续3 d或3 d以上有降水(日降水量≥0.1 mm)作为一次连阴雨过程;在>3 d的连阴雨过程中,允许1 d无降水,但该日日照时数应<2 h。

连阴雨灾害强度指数(L1)计算式为

(2)

式中,Ni为连阴雨日数。若发生m次或以上连阴雨过程,L1为每次连阴雨过程日数的累加值[12]。

(2)连阴雨灾害强度指数L2

根据已有研究[15-18],连阴雨灾害对成熟期小麦的危害,不仅与连阴雨过程持续日数有关,还与连阴雨过程期间的降水量(R)、降水日数(Rn)、日照时数(S)、相对湿度(U)、气温(T)和阴天日数(I)密切相关。研究选择降水量、降水日数、日照时数、相对湿度、气温和阴天日数6个致灾因子按(1)式进行归一化处理,采用主成分分析法(PCA)[19],取主分量累计方差贡献率满足≥80%,将6个致灾因子重建为1个表示连阴雨灾害强度的指数L2。连阴雨灾害强度指数L2构建的详细步骤可参考文献[10,19]。

确定主分量的原则:当第1个主分量的方差贡献率≥80%时,即用第一个主成分代表原来6个因子标准化后的综合影响,即y11=a11×FR1+a21×FRn2+a31×FS3+a41×FU4+a51×FT5+a61×FI6。当前2个主分量方能满足累计方差贡献率≥80%时,则取每个主分量所对应的特征值占原变量总方差的比例作为权重系数进行计算,以此作为原来6个因子的连阴雨灾害强度指数L2,以此类推[19]。

(3)

式中,λ1、λ2、λ3分别为第一、第二、第三主成分特征值,y11、y12和y13分别表示第一、第二和第三主成分,以此类推;j=1,2,…,p,为所取的主成分个数;λj为第j个主成分特征值。

(3)连阴雨灾害强度指数L3

借鉴前人研究成果[20-22],根据连阴雨实地调查数据和气象因子之间的相关性分析结果,结合河南省农业气象业务服务中的经验,叠加小麦实际观测成熟期时段,选择总降水量(R)、降水日数(Rn)、阴天日数(I)3种气象因子为综合评估因子,并确定各因子对应的权重,构建出小麦成熟期连阴雨灾害强度指数L3:

L3=a×FR+b×FRn+c×FI

(4)

式中,FR、FRn和FI分别为总降水量(R)、降水日数(Rn)和阴天日数(I)的归一化值,a,b,c为权重系数。

1.5 数据处理

显著性检验使用SPSS17.0软件,空间分布图使用ArcMap10.4版本。

2 结果与分析

2.1 大田调查结果

2023年小麦生长后期,河南省出现三轮大范围降水天气过程,特别是5月25日至30日,全省大部出现持续阴雨天气,中南部、东部等地出现暴雨、局部大暴雨,是1961年以来同期影响范围最广、持续时间最长的一次阴雨天气过程。为深入了解各地小麦受灾情况及对后续产量的影响,河南省35个农业气象观测站于5月31日起,持续开展小麦大田跟踪调查工作。调查结果显示(图1),河南省小麦发芽霉变区域间差异较大,中部、南部和东部麦区受灾最重,小麦发芽和霉变情况较为普遍,北部和西部麦区由于成熟期较晚,受灾相对较轻,信阳地区由于小麦品种穗发芽抗性较强原因,受灾也稍轻。

图1 河南省麦区2023年小麦成熟期连阴雨灾后调查

2.2 2023年河南小麦开花、成熟期

根据调查和农业气象观测,2023年豫南大部、豫中、豫东局部开花日期较早,在4月21日前;豫北北部和豫西局部开花较晚,在4月27日后。2023年5月25日河南省出现连阴雨天气前,豫西大部和豫北、豫东局部等地开花后天数在30天以内,豫南大部、豫中、豫东局部已开花超过35天以上(图2),开花超过35天及以上的区域和河南省2023年连阴雨受灾严重区域基本吻合,说明开花后超过35天是小麦受连阴雨灾害最敏感的时段。豫南大部、豫中、豫东局部成熟期和5月25-30日河南省连阴雨过程重叠,也和河南省2023年连阴雨受灾严重区域基本吻合。由于河南省小麦成熟期一般为开花后40天左右,也可以说河南省小麦成熟期前后5天时段是小麦对连阴雨灾害影响最敏感的时段。

图2 河南省2023年截至5月25日小麦开花后天数(a)和2023年小麦成熟期(b)

2.3 主要气象因子和连阴雨灾害的相关性分析

选取2023年河南小麦生长后期相关时段内降雨量、日照、湿度、气温、阴天日数、降水日数和河南省35个农业气象观测站的连阴雨灾害调查数据进行相关性分析,结果显示(表1):单一的气象因子和霉变茎数百分比、发芽茎数百分比、霉变籽粒百分比、发芽籽粒百分比大部分无显著的相关关系,仅霉变籽粒百分比和日照、相对湿度,以及降水日数和霉变茎数百分比、发芽茎数百分比有显著相关关系(P<0.05)。考虑到当时豫北、豫西地区并未进入成熟期和信阳地区小麦品种穗发芽抗性较强的因素,去掉豫北、豫西和信阳地区站点,再次进行相关性分析,结果仍显示主要气象因子(降雨量、日照、相对湿度、气温、阴天日数、降水日数)和霉变茎数百分比、发芽茎数百分比、霉变籽粒百分比、发芽籽粒百分比大部分仍无显著相关关系,说明小麦连阴雨灾害并不受单一气象因子的影响,而应该是受多种气象因子综合影响。

表1 2023年河南小麦成熟期主要气象因子和连阴雨灾害相关系数

2.4 小麦成熟期连阴雨灾害强度指数的检验和综合评估

2.4.1 小麦成熟期连阴雨灾害强度指数的构建与检验

根据前文“1.4连阴雨灾害强度指数”进行3种连阴雨灾害强度指数的构建,其中L3根据前人研究经验[10,16-17],并参考2.3节主要气象因子和连阴雨灾害相关系数r值的分析结果,利用相关系数法进行权重计算[23-24]。对去掉豫北、豫西和信阳地区站点的降雨量、降水日数和阴天日数后与小麦籽粒发芽霉变的相关系数r值先求均值,其均值分别为0.166、0.121和0.199,然后再对三者均值求和,并取各因子所占比值,即为权重系数a、b和c的值,a、b、c分别为0.34、0.25和0.41。分别对3种连阴雨灾害强度指数和籽粒发芽霉变率进行相关性分析,结果显示:L1和籽粒发芽霉变率两者并未达到显著相关(P>0.05);L2、L3和发芽霉变率两者达到极显著相关(P<0.01),如果不考虑信阳地区,L2、L3和发芽霉变率也均达到极显著相关(P<0.01),说明成熟期连阴雨灾害强度指数L2、L3均能够很好地解释小麦成熟期因连阴雨灾害的受灾情况,但实际业务服务中考虑指标的简洁性,L3指标可以优先在气象为农业务服务中应用(表2)。

表2 2023年河南小麦成熟期连阴雨灾害强度指数和各地籽粒发芽霉变率之间的P值

2.4.2 小麦成熟期连阴雨灾害强度指数的综合评估

L1连阴雨灾害强度指数较高的区域主要集中在三门峡、洛阳、南阳、驻马店和商丘等地区(图3),这与各地农业气象观测站实际调查结果并不吻合,洛阳、三门峡2023年小麦发芽霉变不严重。2023年河南省平均成熟期连阴雨灾害强度指数L1为4.5,是1961年以来有观测数据的最高值,这较为吻合2023年河南小麦因连阴雨灾害大幅减产的实际情况。

图3 河南省2023年连阴雨灾害强度指数L1分布图

L2和L3连阴雨灾害强度指数空间分布都表现为南高北低,数值较高的区域均主要集中在豫南、豫中和豫东地区(图4),这与各地农业气象观测站实际调查结果基本吻合。研究中所构建的成熟期连阴雨灾害强度指数并未考虑部分品种穗发芽抗性较强的因素,故而信阳地区成熟期连阴雨灾害强度指数L2和L3虽较高,但实际调查显示,2023年信阳地区小麦发芽霉变并不严重。2023年河南省平均成熟期连阴雨灾害强度指数L2为0.81、L3为0.32,均为1961年以来有观测数据的最高值(图5),表明2023年河南省小麦成熟收获期出现的连阴雨天气过程为1961年以来综合强度最强,也吻合河南省2023年小麦因成熟期连阴雨灾害大幅减产的实际情况。

图4 河南省2023年连阴雨灾害强度指数L2(a)和L3(b)分布图

图5 河南省1961年以来有观测数据年份连阴雨灾害强度指数L2和L3数值

3 讨论

小麦穗发芽霉变与小麦的发育期密切相关。本研究初步得出小麦开花后35天是小麦穗发芽的敏感时段。由于河南小麦一般在开花后40天左右成熟,也就是小麦穗发芽敏感时段是成熟期前后5天,也与前人研究结果较为一致[25]。但是为什么是此时间段,其内在机理如何,仍需进一步研究。小麦穗发芽的遗传机制较为复杂,不同品种间穗发芽抗性程度与机制差异显著,种子休眠是植物在长期进化过程中产生的适应性性状,休眠特性是影响穗发芽抗性的主要因素,其主要受植物激素和温度的影响,休眠水平过低的小麦种子容易出现穗发芽的现象[26]。对于小麦穗发芽内在机理的研究是今后的一个重点方向之一。

此外,小麦籽粒发芽霉变受多种因素的综合影响。在小麦籽粒生长发育过程中,温度通过影响籽粒休眠特性从而影响小麦穗发芽抗性。不同生育进程的小麦籽粒休眠特性的不同与所经历的温度有很大关系,如小麦处在灌浆期遇到持续低温可以增强小麦籽粒休眠程度,从而增强小麦穗发芽抗性,而且随着温度的升高发芽指数逐渐升高[27-28]。诱导小麦穗发芽的另外一个主要因素是湿度,空气湿度会通过改变小麦籽粒的水分含量而影响其休眠特性,进而影响小麦穗发芽抗性[29-30]。小麦成熟期只要温度、湿度、阴雨日数等多种气象要素均达到一定条件,小麦籽粒才会有穗发芽现象发生[31-32]。研究中也发现,连阴雨灾害与单一的气象因子并没有显著的相关性,是一种典型的复合型灾害,这与前人研究结果也较为一致[10]。

研究中还发现,信阳地区连阴雨灾害强度指数都处于高值区,但是实际上信阳受灾并不严重,主要考虑信阳地区大部地处淮河以南,其小麦种植品种与长江中下游地区小麦品种较为接近,而长江中下游地区由于其本身降雨量和降雨日数都较大,当地小麦品种穗发芽抗性稍强[33-34],使信阳地区2023年受连阴雨灾害影响较轻。穗发芽抗性与小麦品种、穗部性状、籽粒颜色均有关。有研究发现,较密的小穗比疏松的类型更有助于持水,因而小穗密度越大,穗发芽抗性越弱[35-36];红粒小麦比白粒品种穗发芽抗性强,其可能是由于红粒小麦的种皮细胞中含有较多的色素使种皮细胞加厚,阻止内外气体交换,有助于保持休眠状态[37-38]。因此,培育籽粒休眠性好的品种,可以较好预防穗发芽现象的发生,也是今后的一个重点方向之一。