高建文，王連喜，劉 靜 ，吳志岐

（1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.中國(guó)旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002）

馬鈴薯為茄科茄屬1年生草本植物，又稱(chēng)地蛋、洋芋、土豆等，在我國(guó)已有400多年種植歷史。馬鈴薯蛋白質(zhì)含量高，含有人體的必需全部氨基酸，是維生素含量最全的糧食作物，其含量相當(dāng)于胡蘿卜的2倍，其中B族維生素含量是蘋(píng)果的4倍［1］。

近年來(lái)寧夏馬鈴薯播種面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量不斷提高，已成為寧夏第四大主糧作物。發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，對(duì)于保證國(guó)家糧食安全、農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展、增加農(nóng)民收入具有重要意義。寧南山區(qū)土壤疏松、土層深厚，氣候涼爽、晝夜溫差大，為喜涼喜光、耐寒耐旱的馬鈴薯生長(zhǎng)提供了良好環(huán)境［2］。研究表明，氣象條件對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成有顯著影響［3］，評(píng)價(jià)馬鈴薯各個(gè)生育期的光照、溫度、降水等氣候資源，對(duì)指導(dǎo)馬鈴薯種植結(jié)構(gòu)布局和產(chǎn)量預(yù)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)馬鈴薯而言，播種和開(kāi)花期是決定馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵發(fā)育期［4］。在馬鈴薯各個(gè)發(fā)育期技術(shù)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)中，物候法、積溫法、平均間隔法等傳統(tǒng)方法都是利用多年的農(nóng)業(yè)氣象和地面氣象觀測(cè)資料組建各發(fā)育期預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)模型。近年來(lái)，利用氣候適宜度方法分析不同尺度、不同作物發(fā)育期內(nèi)的氣候資源、氣候適宜度，并進(jìn)行發(fā)育期和產(chǎn)量預(yù)報(bào)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣象研究的熱點(diǎn)［5-7］。對(duì)于作物各個(gè)發(fā)育期，很多專(zhuān)家做過(guò)定性分析，但定量研究較少，且存在農(nóng)業(yè)氣象適宜度指標(biāo)不完整或不準(zhǔn)確等問(wèn)題，給馬鈴薯氣象服務(wù)的定量分析造成困難，同時(shí)在氣象服務(wù)的智慧化發(fā)展方面存在明顯短板。本文利用世界農(nóng)糧組織推薦的適宜度計(jì)算公式，計(jì)算馬鈴薯關(guān)鍵發(fā)育期平均溫度、降水、日照適宜度，以這些適宜度為自變量，歷史豐歉年為個(gè)案標(biāo)記依據(jù)，采用聚類(lèi)分析方法，推算馬鈴薯關(guān)鍵發(fā)育期溫度、降水、日照等氣象適宜度閾值，利用木桶原理得出馬鈴薯關(guān)鍵發(fā)育期氣象綜合適宜度閾值，對(duì)寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)馬鈴薯關(guān)鍵發(fā)育期的氣象適宜度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及缺測(cè)數(shù)據(jù)處理

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于1971年1月1日至2014年12月31日寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)海原、西吉、原州、隆德、涇源、鹽池等縣（區(qū)）大監(jiān)站日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日降水量、日日照數(shù)據(jù)、單產(chǎn)量以及西吉馬鈴薯發(fā)育期數(shù)據(jù)。如果某日溫度、日照、降水資料缺測(cè)，用歷年該日平均值代替。

1.2 馬鈴薯發(fā)育期反演

馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)播種期的計(jì)算利用日最低氣溫（歷史值），根據(jù)五日滑動(dòng)算法計(jì)算日最低氣溫連續(xù)3 d穩(wěn)定通過(guò)5℃的日期，以第3 d為露地馬鈴薯適宜播種始期。以播種日期為開(kāi)始日期，結(jié)合西吉縣馬鈴薯各個(gè)發(fā)育期平均積溫指標(biāo)，利用滑動(dòng)平均法反演歷年寧夏主產(chǎn)區(qū)馬鈴薯發(fā)育期。西吉縣歷年發(fā)育期間的平均活動(dòng)積溫計(jì)算公式為

式中，Ak為第k個(gè)發(fā)育期的活動(dòng)積溫，s為該發(fā)育期第一天日期，d為該發(fā)育期最后一天日期，Tk為第k發(fā)育期的下限溫度。

1.3 歷史馬鈴薯豐歉年分析

利用五年滑動(dòng)平均法計(jì)算出趨勢(shì)產(chǎn)量。馬鈴薯單產(chǎn)減去趨勢(shì)產(chǎn)量得到氣象單產(chǎn)，即氣象產(chǎn)量除以趨勢(shì)產(chǎn)量得到相對(duì)氣象產(chǎn)量。相對(duì)氣象產(chǎn)量加1，如果大于1.05劃分為豐年，用3表示；如果大于等于0.95小于等于1.05劃分為平年，用2表示；小于0.95劃分為歉收年。

1.4 馬鈴薯生育期氣象適宜度計(jì)算

1.4.1 溫度適宜度 采用馬樹(shù)慶等［2］的計(jì)算方法，溫度適宜度計(jì)算公式為

式中，PT為溫度適宜度，t1為下限溫度，t2為上限溫度，t0為作物生長(zhǎng)發(fā)育最適溫度，t為某日的平均氣溫。在以往研究［8-11］基礎(chǔ)上，結(jié)合寧夏地區(qū)各發(fā)育階段馬鈴薯生長(zhǎng)的溫度范圍，分析得出馬鈴薯各發(fā)育期三基點(diǎn)溫度（表1），然后計(jì)算馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)發(fā)育期逐日溫度適宜度，求和，即得到歷年發(fā)育期溫度適宜度。

表1 馬鈴薯三基點(diǎn)溫度（℃）

1.4.2 日照適宜度 參考趙峰等［12］的研究成果，把“天文 日長(zhǎng)”的0.7作為臨界值 ，實(shí)際日照時(shí)數(shù)大于此值，即認(rèn)為日照適宜度為1，小于此值用實(shí)際日照時(shí)數(shù)與0.7個(gè)天文日長(zhǎng)的比值表示日照適宜度。

式中，Ps為日照適宜度，S為某日日照時(shí)數(shù)，S0為日可照時(shí)數(shù)。

1.4.3 降水適宜度 參考李樹(shù)巖等［13］的計(jì)算方法，并結(jié)合寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)氣候特點(diǎn)，將降水適宜度分為兩個(gè)階段，第一階段為4月8日至8月10日，第二階段為8月11日至10月10日。

式中，PR為降水或灌溉適宜度，Ri為某日降水量（灌溉量）的剩余量，ri為某日降水量與灌溉量之和，ETc為某日需水量，ET0為參考作物蒸散量，K0為某日降水的消減系數(shù)。

1.4.4 水分剩余量 水分剩余量Ri的計(jì)算公式為

式中，Ri為某日降水量（灌溉量）的剩余量，Ri-1為前一日降水量（灌溉量）的剩余量，K0為某日降水的消減系數(shù)。Ri-1是個(gè)永遠(yuǎn)未知的數(shù)據(jù)，我們用遞推迭代和歸納方法把上式進(jìn)行變換如下：

式中，從理論上講，由于Ri-n是常數(shù)，K0＜1，當(dāng)n趨向無(wú)窮大時(shí)，趨向無(wú)窮小，無(wú)窮小與任何常數(shù)的積也是無(wú)窮小，因此，則：

由此可以算出第i天剩余降水量。但在實(shí)際計(jì)算時(shí)，n不可能取無(wú)窮大，需要確定一個(gè)合理的n值。用每個(gè)發(fā)育期30年的日平均氣溫，計(jì)算出水分消減系數(shù)K0，以每個(gè)發(fā)育期30年的某日最大降水量代替，使，兩邊取對(duì)數(shù)，從而確定n值，再代入上式，即可計(jì)算出每個(gè)發(fā)育期第一天的降水剩余量。

1.4.5 綜合適宜度 馬鈴薯光溫水綜合氣候適宜度是在各生長(zhǎng)階段內(nèi)所需要水分、溫度、光照等氣象條件的滿足程度。在確定最適宜的光溫水單因子氣候適宜度模型后，利用因子權(quán)重法、立方根法建立光溫水綜合氣候適宜度并計(jì)算馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)歷年播種-出苗、花序形成-開(kāi)花的綜合適度P。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏馬鈴薯播種-出苗期間的溫度、降水、日照適宜度閾值分析

以播種-出苗期間、花序形成-開(kāi)花期間的平均溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度為變量，以豐歉年為個(gè)案標(biāo)記依據(jù)，用以上變量1971—2014年數(shù)據(jù)樣本，采用K-值聚類(lèi)分析法，以任何中心的最大絕對(duì)坐標(biāo)0.0，經(jīng)過(guò)13、11次迭代而達(dá)到收斂，初始中心間的最小距離為 0.768、0.971，得出寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)播種-出苗期間、花序形成-開(kāi)花期間的溫度、降水、日照適宜度閾值（表2、表3）。

表2 馬鈴薯年饉發(fā)育期氣象適宜度指標(biāo)

表3 馬鈴薯發(fā)育期氣象適宜度閾值

2.2 閾值回代檢驗(yàn)

利用歷年寧夏馬鈴薯發(fā)育期數(shù)據(jù)、發(fā)育期間平均氣溫、平均降水量、平均日照數(shù)據(jù)，代入氣溫、降水、日照、綜合適宜度計(jì)算公式，計(jì)算出相應(yīng)的適宜度，并與其相對(duì)應(yīng)閾值進(jìn)行比較，把各適宜度是極適宜統(tǒng)計(jì)為豐年，適宜統(tǒng)計(jì)為平年，不適宜、極不適宜統(tǒng)計(jì)為歉年。通過(guò)回代檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，在馬鈴薯播種-出苗期的308個(gè)樣本中，降水、日照、溫度、綜合適宜度在閾值區(qū)間統(tǒng)計(jì)數(shù)分別為260、246、246、282，準(zhǔn)確率分別為84.4%、79.9%、79.9%、91.6%，其中日照、溫度適宜度準(zhǔn)確率最低，綜合適宜度準(zhǔn)確率最高（圖1）；在馬鈴薯花序形成-開(kāi)花的308個(gè)樣本中，降水、日照、溫度綜合適宜度在閾值區(qū)間統(tǒng)計(jì)數(shù)分別是226、228、202、274，準(zhǔn)確率分別是73.4%、74.0%、65.6 %、89%，其中溫度適宜度準(zhǔn)確最低，綜合適宜度準(zhǔn)確率最高（圖2）。

圖1 寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)馬鈴薯播種-出苗期間閾值回代檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)馬鈴薯花序形成-開(kāi)花期間閾值回代檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

依據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論，各氣候要素對(duì)作物生長(zhǎng)的適宜度是定義在此氣候要素取值范圍上在［0，1］區(qū)間上取值的模糊子集［14-15］，也就是馬鈴薯關(guān)鍵發(fā)育期氣候適宜度取值范圍在［0，1］區(qū)間，其取值越接近1，表明氣候條件對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)越有利。

根據(jù)聚類(lèi)分析結(jié)果和農(nóng)業(yè)氣象相關(guān)知識(shí)，把馬鈴薯關(guān)鍵發(fā)育期綜合適宜范圍劃分成四級(jí)。在播種-出苗，如果綜合適宜度Pt＜ 0.44，綜合適宜度范圍定義為極不適宜，表明氣候條件對(duì)馬鈴薯播種和出苗極為不利；如果0.44≤Pt＜0.53，綜合適宜度定義為不適宜，表明氣候條件對(duì)馬鈴薯播種和出苗極為不利；如果0.53≤Pt＜ 0.74，綜合適宜度定義為適宜，表明氣候條件對(duì)馬鈴薯播種和出苗有利；如果Pt≥0.74，綜合適宜度定義為極適宜，表明氣候條件對(duì)馬鈴薯播種和出苗極最為有利。花序形成-開(kāi)花的綜合適宜范圍與播種-出苗相同。金林雪等［16］研究了內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯關(guān)鍵生長(zhǎng)期綜合氣候適宜度為0.65～0.76，氣候綜合條件更佳，與本研究結(jié)果基本相同。吳美玲等［17］研究指出，適應(yīng)度值越大說(shuō)明其適應(yīng)性越好，馬鈴薯產(chǎn)量也越高。

在關(guān)鍵發(fā)育期，如果氣候綜合適宜度較小，對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)不利，具體是日照、溫度、降水哪個(gè)氣象因素造成的不利結(jié)果，查看該時(shí)段相應(yīng)的適宜度，就可做出較科學(xué)的結(jié)論。

馬鈴薯氣象服務(wù)指標(biāo)的建立及應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)氣象服的定量化具有關(guān)鍵意義，也是馬鈴薯氣象服務(wù)智能化和信息化的核心支撐，是氣象現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容。能減輕業(yè)務(wù)人員的勞動(dòng)量，杜絕因人工計(jì)算有資料潛在的錯(cuò)誤，只要原始數(shù)據(jù)輸入正確，中間結(jié)果和最終結(jié)果會(huì)正確無(wú)誤，方便原始記錄和計(jì)算結(jié)果的查詢(xún)，提高時(shí)間效率。

計(jì)算馬鈴薯關(guān)鍵期溫度適宜度時(shí)，用到馬鈴薯三基點(diǎn)溫度即下限溫度、上限溫度、最適宜溫度，不同地區(qū)有所區(qū)別，可以微調(diào)。因此在同一發(fā)育期，計(jì)算結(jié)果可能不同。某日降水量（灌溉量）的剩余量等于前一日降水量（灌溉量）的剩余量和前一日降水量之和，而前一日降水量（灌溉量）的剩余量是個(gè)永遠(yuǎn)未知量，為了計(jì)算方便，不同人有不同算法，本文采用數(shù)學(xué)極限思想和氣候統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，計(jì)算出某日降水量（灌溉量）的剩余量，有待后續(xù)進(jìn)一步討論。