王純枝 霍治國(guó) 張 蕾 郭安紅 黃 沖 陸明紅

1)(國(guó)家氣象中心， 北京 100081)2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)3)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044)4)(全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心， 北京 100125)

引 言

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物之一，北方地區(qū)是我國(guó)冬小麥的主產(chǎn)區(qū)，其產(chǎn)量對(duì)我國(guó)糧食安全占有舉足輕重的地位，而小麥蚜蟲(chóng)是危害小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要蟲(chóng)害[1-3]，研究我國(guó)北方主要小麥種植區(qū)域麥蚜氣象適宜度預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，對(duì)做好氣象保障、降低小麥產(chǎn)量損失、確保糧食安全具有重要意義。小麥蚜蟲(chóng)俗稱油蟲(chóng)、膩蟲(chóng)、蜜蟲(chóng)，屬同翅目(Hemiptera)，蚜科(Aphidoidea)，可對(duì)小麥進(jìn)行刺吸危害，麥長(zhǎng)管蚜和禾谷縊管蚜是影響我國(guó)小麥生產(chǎn)的最主要害蟲(chóng)[4-5]，麥長(zhǎng)管蚜則是危害的優(yōu)勢(shì)種[3,6]。

我國(guó)北方小麥主產(chǎn)區(qū)以麥長(zhǎng)管蚜(多為害上部葉片，抽穗灌漿期集中穗部為害)和麥二叉蚜(喜在苗期為害)發(fā)生數(shù)量最多，為害最重，其直接為害以成蚜、若蚜吸食小麥葉片、莖稈和嫩穗的汁液，使被害部位形成條斑、枯萎，植株生長(zhǎng)停滯甚至整株枯死，影響小麥光合作用及營(yíng)養(yǎng)吸收、傳導(dǎo)，穗期易造成麥粒不飽滿或形成秕粒，使千粒重降低，造成減產(chǎn)；間接為害是麥蚜傳播小麥病毒病[3]，如為害較大的小麥黃矮病。小麥蚜蟲(chóng)在南方無(wú)越冬期，在北方麥區(qū)以無(wú)翅胎生雌蚜在麥株基部葉叢或土縫內(nèi)越冬，或者以卵在麥苗枯葉上、雜草上、茬管中、土縫內(nèi)越冬。麥蚜的越冬、發(fā)育和繁殖與氣象條件密切相關(guān)[7-10]，如麥長(zhǎng)管蚜通常喜中溫不耐高溫，適宜溫度范圍為13～25℃，適宜空氣相對(duì)濕度范圍為40%～80%[11]；麥二叉蚜則喜干怕濕，5 d平均氣溫16～25℃和空氣相對(duì)濕度35%～67%為其適宜的繁殖條件[12-13]。

氣候條件是小麥蚜蟲(chóng)暴發(fā)成災(zāi)的主要影響因子[14]。暖冬可使小麥蚜蟲(chóng)越冬存活率增加，發(fā)生期提前[15]，暖春有利于蟲(chóng)害擴(kuò)展速度加快[16]，氣候變暖可使小麥蚜蟲(chóng)蟲(chóng)害發(fā)生趨勢(shì)加重[11]。幾乎所有大范圍流行性農(nóng)作物重大病蟲(chóng)害的發(fā)生發(fā)展均與氣象條件密切相關(guān)[7,10]，溫度、空氣濕度等直接與害蟲(chóng)的生殖、行為、種群演變、分布和發(fā)生程度有關(guān)[9-10,17]。目前，基于傳統(tǒng)病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法包括經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法、實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)法和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法[18-19]。有學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用現(xiàn)代非線性理論，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、相空間重構(gòu)預(yù)測(cè)法[20]、小波分析[21]、馬爾可夫鏈[22]、支持向量機(jī)和局部支持向量回歸[1]、模糊認(rèn)知圖(FCM)算法[8]等方法運(yùn)用于蚜蟲(chóng)等害蟲(chóng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，但由于算法復(fù)雜、訓(xùn)練過(guò)程長(zhǎng)、維數(shù)較高、參數(shù)較多或不能滿足全局算法一致等局限性，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法相比，在業(yè)務(wù)中應(yīng)用有限，統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法因組建模型相對(duì)簡(jiǎn)單、參數(shù)獲取簡(jiǎn)便、應(yīng)用推廣便捷等優(yōu)點(diǎn)，仍廣泛應(yīng)用[3,23-25]。因此，本研究根據(jù)我國(guó)北方主要小麥種植區(qū)域1958年以來(lái)的小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積、發(fā)生程度和氣象資料，結(jié)合小麥發(fā)育期區(qū)域分布規(guī)律和麥蚜自身生物學(xué)特性，采用相關(guān)分析法、逐步回歸法等，研究小麥蚜蟲(chóng)年發(fā)生程度與上年冬季至當(dāng)年6月上旬氣象因子間的關(guān)系，篩選與小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生程度相關(guān)顯著的關(guān)鍵氣象因子及時(shí)段，構(gòu)建北方小麥主產(chǎn)區(qū)不同區(qū)域的小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型，用于評(píng)估危害程度，為政府和生產(chǎn)部門及時(shí)采取防范措施、有效防控提供科技支撐和決策依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

研究區(qū)為我國(guó)北方冬小麥主產(chǎn)區(qū)8個(gè)省(市)，包括河北、北京、天津、山西、河南、山東、江蘇和安徽。1949—2018年各省小麥蚜蟲(chóng)年發(fā)生面積、發(fā)生程度等級(jí)、實(shí)際損失及2012—2018年始發(fā)期、盛發(fā)期資料來(lái)源于全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，其中發(fā)生程度等級(jí)序列連續(xù)性偏差，山西1949—1972年資料整體欠缺。1981—2018年冬小麥常年發(fā)育期和不同年份發(fā)育期資料來(lái)源于國(guó)家氣象中心。氣象資料來(lái)源于國(guó)家氣象中心，由于氣象資料從1958年開(kāi)始有較完整記錄，故采用長(zhǎng)度為1958—2018年，要素包括上年12月至當(dāng)年6月上旬的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、空氣相對(duì)濕度、大雨(暴雨)日數(shù)等。另外，引進(jìn)了溫雨系數(shù)指標(biāo)C，即

C=P/T。

(1)

式(1)中，P為月或旬累積降水量(單位：mm)，T為月或旬平均氣溫(單位：℃)。

1.2 資料處理

考慮到各省蟲(chóng)害實(shí)際發(fā)生程度等級(jí)資料序列不完整，而發(fā)生面積序列相對(duì)完整，為使建立的小麥蚜蟲(chóng)氣象等級(jí)指標(biāo)具有業(yè)務(wù)實(shí)用性，參照于彩霞等[26]對(duì)稻飛虱發(fā)生面積率的劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算1958—2018 年各省小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積平均值，以平均值上下波動(dòng)50% 為等級(jí)間隔，對(duì)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積進(jìn)行輕、偏輕、偏重和重4個(gè)等級(jí)劃分，1級(jí)表示輕發(fā)生(對(duì)應(yīng)氣象等級(jí)為不適宜)，2級(jí)表示偏輕發(fā)生(對(duì)應(yīng)氣象等級(jí)為較適宜)，3級(jí)表示偏重發(fā)生(對(duì)應(yīng)氣象等級(jí)為適宜)，4級(jí)表示重發(fā)生(對(duì)應(yīng)氣象等級(jí)為非常適宜)。小麥蚜蟲(chóng)測(cè)報(bào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]將蚜蟲(chóng)發(fā)生程度劃分為5級(jí)(輕發(fā)生、偏輕發(fā)生、中等發(fā)生、偏重發(fā)生、大發(fā)生)，為了保持一致，驗(yàn)證時(shí)將中等發(fā)生和偏重發(fā)生合并為偏重等級(jí)，即合并后的偏重發(fā)生等級(jí)對(duì)應(yīng)發(fā)生面積分級(jí)為3級(jí)，大發(fā)生對(duì)應(yīng)發(fā)生面積分級(jí)為4級(jí)，其余等級(jí)一一對(duì)應(yīng)不變。表1給出了各省小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積分級(jí)及對(duì)應(yīng)發(fā)生程度等級(jí)劃分。經(jīng)對(duì)各省發(fā)生面積分級(jí)與實(shí)際發(fā)生程度等級(jí)進(jìn)行一致性分析，發(fā)現(xiàn)華北、黃淮等級(jí)匹配一致性準(zhǔn)確率分別為90.3%，95.8%(華北樣本量n=93，黃淮樣本量n=72)，因此，采用發(fā)生面積分級(jí)代替實(shí)際發(fā)生程度等級(jí)可行。

表1 小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生等級(jí)劃分Table 1 Classification for occurrence area of wheat aphids

氣象站點(diǎn)的選擇依據(jù)中國(guó)氣象地理區(qū)劃[28]，并利用中國(guó)土地利用圖[29]和ArcGIS分析工具中的疊加Intersect功能剔除高山、城市開(kāi)發(fā)區(qū)等非農(nóng)田站點(diǎn)，操作在ArcMap10.2環(huán)境下完成，最終選取8個(gè)省(市)601個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)，其中在華北選取246站，包括北京10站、河北133站、天津11站、山西92站；在黃淮選取216站，包括山東106站、河南110站；在蘇皖兩省選取139站，包括安徽70站、江蘇69站。時(shí)間均為1958—2018年。對(duì)地面氣象資料，先將氣象站點(diǎn)上年12月至當(dāng)年6月上旬的逐日資料處理成旬平均和月平均資料，再計(jì)算各省(市)氣象要素和溫雨系數(shù)的區(qū)域平均，以及上年冬季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的逐年區(qū)域平均值，以便與各省蟲(chóng)害發(fā)生面積相對(duì)應(yīng)。

圖1 研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area

1.3 研究方法

1.3.1 相關(guān)分析

小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生程度以年發(fā)生面積為依據(jù)，因子普查采用Pearson相關(guān)分析法，分析年發(fā)生程度與上年12月至當(dāng)年6月上旬不同旬、月時(shí)段組合地面氣象要素和上年冬季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫間的相關(guān)關(guān)系，篩選與麥蚜發(fā)生程度顯著相關(guān)的華北、黃淮關(guān)鍵氣象因子及影響時(shí)段，相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)采用雙尾t檢驗(yàn)。

1.3.2 獨(dú)立性檢驗(yàn)

選用主成分識(shí)別法進(jìn)行因子的獨(dú)立性檢驗(yàn)[30-32]，剔除共線性因子，建立因子間的相關(guān)矩陣R。

(2)

剔除共線性自變量數(shù)量的確定方法：rij為因子i和j之間的相關(guān)系數(shù)，求相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λi，若因子間存在共線性，則有特征根接近0。因此，如果有k個(gè)特征量值近似等于0，則證明因子之間有k重共線性，需要剔除k個(gè)自變量。主成分分析法的具體步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[33-34]。

1.3.3 因子歸一化

在篩選出關(guān)鍵因子后，由于各因子影響程度不同、量綱不同，不便直接應(yīng)用，因此，對(duì)各關(guān)鍵氣象因子采用極差化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(歸一化法，使數(shù)據(jù)均分布在0～1之間)。

1.3.4 氣象適宜度綜合指數(shù)和模型構(gòu)建

利用華北、黃淮分區(qū)域歸一化處理后的關(guān)鍵氣象因子與對(duì)應(yīng)省份小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積劃分等級(jí)建立華北、黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度綜合指數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，Z為小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度綜合指數(shù)，C0為常數(shù)，Yi為歸一化后的第i項(xiàng)關(guān)鍵氣象因子，Ki為第i項(xiàng)歸一化關(guān)鍵因子的回歸系數(shù)，n為因子個(gè)數(shù)。

將1958—2015年華北、黃淮地區(qū)資料用于建模和模型擬合回代檢驗(yàn)，2016—2018年華北、黃淮及蘇皖兩省資料用于模型外推預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型

2.1.1 關(guān)鍵氣象因子篩選

根據(jù)小麥蚜蟲(chóng)生物學(xué)特性[4-5]和小麥常年發(fā)育期規(guī)律[35]，華北、黃淮小麥蚜蟲(chóng)為害特點(diǎn)見(jiàn)表2。小麥蚜蟲(chóng)主要為害期為冬小麥拔節(jié)至乳熟前期，盛發(fā)期為冬小麥抽穗開(kāi)花期；華北麥蚜主要為害期通常為4月上旬至5月中旬，盛發(fā)期為4月下旬至5月上旬；黃淮麥蚜主要為害期為3月下旬至5月上旬，盛發(fā)期為4月中下旬(表2)。小麥蚜蟲(chóng)為害盛期，蚜蟲(chóng)種類主要是小麥穗期優(yōu)勢(shì)種麥長(zhǎng)管蚜[5]。分析春季至夏初冬小麥主產(chǎn)區(qū)8個(gè)省(市)逐旬平均氣溫變化發(fā)現(xiàn)，4月上旬安徽、河南兩省平均氣溫已達(dá)到適宜麥長(zhǎng)管蚜發(fā)生發(fā)展的基點(diǎn)氣溫(13℃)[11]，4月中旬至6月上旬8個(gè)省(市)逐旬平均氣溫基本都在麥長(zhǎng)管蚜發(fā)生發(fā)展的適宜生理氣象指標(biāo)范圍(13～25℃)，僅4月中旬山西省平均氣溫偏低，說(shuō)明小麥蚜蟲(chóng)為害盛期氣溫條件并非影響其發(fā)生程度的主導(dǎo)限制因子。因此，探討冬春季的氣象條件對(duì)麥長(zhǎng)管蚜的影響及其相互關(guān)系尤為必要。

表2 北方小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲(chóng)為害特點(diǎn)[4-5，27，35]Table 2 Damage characteristics of wheat aphids in the main wheat growing areas in the northern China(from Reference [4-5,27，35])

首先采用單因子相關(guān)分析方法，計(jì)算華北、黃淮各省小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積與上年12月至當(dāng)年6月上旬各旬(月)氣象因子包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、空氣相對(duì)濕度、大雨(暴雨)日數(shù)、無(wú)雨日數(shù)、溫雨系數(shù)以及上年冬季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等的相關(guān)系數(shù)，篩選出相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.05顯著性水平的因子共40個(gè)，并進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)合北方小麥主產(chǎn)區(qū)蚜蟲(chóng)為害特點(diǎn)(表2)，最終篩選出影響華北地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)年發(fā)生程度的關(guān)鍵氣象因子8個(gè)，分別為上年冬季平均氣溫、當(dāng)年3月溫雨系數(shù)、3月最高氣溫大于等于25℃的日數(shù)、3月下旬日照時(shí)數(shù)、4月上旬平均氣溫、4月下旬最高氣溫大于等于28℃的日數(shù)、4月大雨日數(shù)和5月上旬空氣相對(duì)濕度介于40% ～ 80%范圍的日數(shù)；篩選出影響黃淮地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)年發(fā)生程度的關(guān)鍵氣象因子6個(gè)，分別為上年冬季平均氣溫、當(dāng)年1月下旬降水量、3月上旬空氣相對(duì)濕度大于80%的日數(shù)、3月平均氣溫、4月溫雨系數(shù)和4月下旬無(wú)雨日數(shù)。具體見(jiàn)表3和表4。

由表3、表4可見(jiàn)，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生與冬季、春季尤其春季的氣象因子密切相關(guān)，冬春不同時(shí)段平均氣溫與華北、黃淮小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積均呈顯著正相關(guān)，冬季氣溫偏高，利于小麥蚜蟲(chóng)越冬基數(shù)提高,春季氣溫偏高，利于小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展,這與文獻(xiàn)[3，8,15，24]的研究結(jié)果一致，熱量對(duì)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展具有正相關(guān)協(xié)同作用。3月、4月溫雨系數(shù)與華北、黃淮小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生程度呈顯著負(fù)相關(guān)，春季降水偏少、氣溫偏高，溫雨系數(shù)偏小，利于苗蚜和穗蚜的發(fā)生發(fā)展。華北小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積與3月最高氣溫大于等于25℃的日數(shù)和5月上旬空氣相對(duì)濕度為40%～80%的日數(shù)呈顯著正相關(guān)，與3月溫雨系數(shù)、3月下旬日照時(shí)數(shù)、4月下旬最高氣溫大于等于28℃的日數(shù)和4月大雨日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。黃淮小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積與1月下旬降水量、3月上旬空氣相對(duì)濕度大于80%的日數(shù)和4月溫雨系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與4月下旬無(wú)雨日數(shù)呈顯著正相關(guān)。這是由于小麥蚜蟲(chóng)在不同蟲(chóng)態(tài)、不同小麥發(fā)育期對(duì)空氣濕度、日照時(shí)數(shù)、水分條件的要求存在差異所致。據(jù)研究[24]，熱量和水分條件是影響小麥蚜蟲(chóng)種群消長(zhǎng)的關(guān)鍵氣象因素，水分因子(降水和濕度)具有反向抑制作用，其中大雨有沖刷作用，大雨日數(shù)越多，越利于抑制小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展；相反，無(wú)雨日數(shù)越多，越有利于小麥蚜蟲(chóng)的暴發(fā)流行。

表3 華北地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生程度與關(guān)鍵氣象因子相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between the occurrence area of wheat aphids and key meteorological factors in North China

注：①T，Tmx，C，D，S，H，P分別表示平均氣溫、最高氣溫、溫雨系數(shù)、日數(shù)、日照時(shí)數(shù)、空氣相對(duì)濕度、降水量，各指標(biāo)后下標(biāo)數(shù)字表示╳月╳旬，如T41，C3分別表示4月上旬平均氣溫、3月溫雨系數(shù)，Tw表示冬季平均氣溫，以此類推。下同。DTmx3，DTmx43，DP4，DH51分別表示3月最高氣溫大于等于25℃的日數(shù)、4月下旬最高氣溫大于等于28℃的日數(shù)、4月大雨日數(shù)、5月上旬空氣相對(duì)濕度介于40%～80%的日數(shù)。

②*，**和***分別表示達(dá)到0.05，0.01和0.001顯著性水平(樣本量為217)。

表4 黃淮地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生程度與關(guān)鍵氣象因子相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between the occurrence area of wheat aphids and key meteorological factors in the Huanghuai Area

注：P表示降水量。DH31，DP43分別表示3月上旬空氣相對(duì)濕度大于80%的日數(shù)、4月下旬無(wú)雨日數(shù)，其余各指標(biāo)后下標(biāo)緊跟數(shù)字同表3類推。*，**和***分別表示達(dá)到0.05，0.01和0.001顯著性水平(樣本量為116)。

2.1.2 小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度模型的建立

用華北區(qū)域?qū)?yīng)省份小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積等級(jí)序列與華北歸一化的8個(gè)關(guān)鍵氣象因子進(jìn)行回歸分析，建立華北小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型如下：

Znc=2.304+1.423Y1-0.88Y2-

0.267Y3-1.399Y4+1.343Y5-0.474Y6-

0.091Y7+0.247Y8。

(4)

其中，Znc為在具有一定蟲(chóng)源條件下僅考慮氣象條件影響的當(dāng)年華北小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度指數(shù)，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8分別為上年冬季平均氣溫(Tw)、當(dāng)年3月溫雨系數(shù)(C3)、3月最高氣溫大于等于25℃的日數(shù)(DTmx3)、3月下旬日照時(shí)數(shù)(S33)、4月上旬平均氣溫(T41)、4月下旬最高氣溫大于等于28℃的日數(shù)(DTmx43)、4月大雨日數(shù)(DP4)和5月上旬空氣相對(duì)濕度為40%～80%的日數(shù)(DH51)。方程復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.682，達(dá)到0.001顯著性水平，樣本量n=217。

用黃淮區(qū)域?qū)?yīng)省份小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積等級(jí)序列與黃淮歸一化的6個(gè)關(guān)鍵氣象因子進(jìn)行回歸分析，構(gòu)建黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型如下：

Zhh=0.605+2.085Y1-0.725Y2-1.41Y3+

0.796Y4+0.443Y5+1.667Y6。

(5)

其中，Zhh為當(dāng)年黃淮小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度指數(shù)，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6分別為上年冬季平均氣溫(Tw)、當(dāng)年1月下旬降水量(P13)、3月上旬空氣相對(duì)濕度大于80%的日數(shù)(DH31)、3月平均氣溫(T3)、4月溫雨系數(shù)(C4)和4月下旬無(wú)雨日數(shù)(DP43)。方程復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.688，達(dá)到0.001顯著性水平，樣本量n=116。

Z值越大表示氣象條件對(duì)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展越有利，反之越不利。為方便實(shí)際應(yīng)用，將北方地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)資料中華北217個(gè)樣本和黃淮116個(gè)樣本的小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生程度從小到大排序，分析蟲(chóng)害發(fā)生程度分別為輕(1級(jí))、偏輕(2級(jí))、偏重(3級(jí))和重(4級(jí))(對(duì)應(yīng)小麥蚜蟲(chóng)測(cè)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)[27]中等和偏重合并后)4個(gè)不同級(jí)別的樣本分布，將氣象適宜度指數(shù)Z值劃分為4個(gè)級(jí)別(表5)：1級(jí)為氣象條件不適宜蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展，Z<1.5；2 級(jí)為氣象條件較適宜蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展，1.5≤Z<2.5；3 級(jí)為氣象條件適宜蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展，2.5≤Z<3.5；4 級(jí)為氣象條件非常適宜蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展，Z≥3.5。

表5 華北、黃淮小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度指數(shù)分級(jí)表Table 5 Classification of meteorological suitability index for the occurrence and development of wheat aphids in North China and the Huanghuai Area

2.2 小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度模型的檢驗(yàn)

利用1958—2015年資料進(jìn)行模型回代擬合檢驗(yàn)，華北和黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度等級(jí)與實(shí)際發(fā)生等級(jí)相比，區(qū)域模型擬合級(jí)別一致平均準(zhǔn)確率均在90%以上(表6)。由表6兩區(qū)域分級(jí)擬合結(jié)果可知，4個(gè)級(jí)別擬合準(zhǔn)確率均不小于80%，2級(jí)(氣象條件較適宜)和3級(jí)(氣象條件適宜)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均達(dá)到90%以上，其中華北2級(jí)、3級(jí)基本正確的準(zhǔn)確率達(dá)100%，氣象條件較適宜和適宜等級(jí)的預(yù)報(bào)效果比氣象條件不適宜(1級(jí))明顯好，即隨著預(yù)報(bào)適宜程度增加，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率明顯提升；4級(jí)(氣象條件非常適宜)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較2級(jí)和3級(jí)雖有所下降，但華北4級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在85%以上，黃淮在90%以上，預(yù)報(bào)效果仍較好。

表6 1958—2015年華北和黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度模型回代擬合準(zhǔn)確率Table 6 Hindcast accuracy of forecast models of meteorological suitability for wheat aphids in North China and the Huanghuai Area from 1958 to 2015

注：預(yù)報(bào)與實(shí)際一致為正確，相差1個(gè)等級(jí)為基本正確，相差2個(gè)或2個(gè)以上等級(jí)為錯(cuò)誤。

利用分區(qū)域蟲(chóng)害氣象適宜度模型對(duì)2016—2018年華北和黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度等級(jí)進(jìn)行預(yù)報(bào)，利用黃淮區(qū)域氣象適宜度模型對(duì)江蘇、安徽兩省2016—2018年小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度等級(jí)進(jìn)行外推預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7和表8。由表7可以看到，與實(shí)際發(fā)生面積分級(jí)相比，模型對(duì)2016—2018年華北和黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度等級(jí)預(yù)報(bào)平均準(zhǔn)確率分別為75%和100%；黃淮模型外推至蘇皖地區(qū)，兩省預(yù)報(bào)3年平均準(zhǔn)確率為100%(表8)，效果理想。研究還表明：建立的小麥蚜蟲(chóng)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)模型對(duì)蚜蟲(chóng)發(fā)生偏重年份預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較偏輕年份更高，說(shuō)明模型對(duì)偏重年份的災(zāi)害等級(jí)的反映和響應(yīng)效果更好。

根據(jù)2016—2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對(duì)蟲(chóng)情實(shí)際發(fā)生等級(jí)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表7和表8)，2016—2018年河北省小麥蚜蟲(chóng)實(shí)際發(fā)生程度分別為4級(jí)、4級(jí)和3級(jí)，山西、山東、河南和安徽4省分別均為3級(jí)，天津市和江蘇省分別均為2級(jí)、3級(jí)、3級(jí)，北京均為2級(jí)。經(jīng)檢驗(yàn)，氣象適宜度等級(jí)與小麥蚜蟲(chóng)實(shí)際發(fā)生等級(jí)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，模型預(yù)測(cè)華北、黃淮及安徽、江蘇兩省基本正確(相差不超過(guò)1個(gè)等級(jí))的平均準(zhǔn)確率分別為91.7%，100%，100%和100%，模型預(yù)報(bào)效果較好。由表8可以看到，利用黃淮模型外推預(yù)報(bào)蘇皖兩省2016—2018年小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度等級(jí)，與實(shí)際發(fā)生等級(jí)相比，兩省預(yù)報(bào)3年平均基本正確準(zhǔn)確率為100%；單獨(dú)看，兩省3年中預(yù)報(bào)等級(jí)每年均正確或基本正確，基本正確準(zhǔn)確率均為100%，模型外推預(yù)報(bào)效果較為理想。因此，建立的分區(qū)域模型適用于華北、黃淮和江淮地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度等級(jí)預(yù)報(bào)。

表7 2016—2018年華北和黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Table 7 Extrapolated accuracy of forecast models of meteorological suitability for wheat aphids in North China and the Huanghuai Area from 2016 to 2018

注：預(yù)報(bào)與實(shí)際一致為正確，相差1個(gè)等級(jí)為基本正確，相差2個(gè)或2個(gè)以上等級(jí)為錯(cuò)誤。

表8 2016—2018年黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度預(yù)報(bào)模型外推預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Table 8 Extension forecasting accuracy of meteorological suitability models for wheat aphids in the Huanghuai Area from 2016 to 2018

注：預(yù)報(bào)與實(shí)際一致為正確，相差1個(gè)等級(jí)為基本正確，相差2個(gè)或2個(gè)以上等級(jí)為錯(cuò)誤。

3 結(jié)論與討論

本文基于1958—2015年北方小麥主產(chǎn)區(qū)8個(gè)省(市)小麥蚜蟲(chóng)逐年發(fā)生面積及對(duì)應(yīng)的601個(gè)氣象站逐日氣象資料，采用相關(guān)分析、主成分分析和逐步回歸等方法，從上年12月至當(dāng)年6月上旬各氣象要素不同時(shí)段的旬值、月值和上年冬季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫中，篩選出影響華北和黃淮小麥蚜蟲(chóng)年發(fā)生程度的關(guān)鍵氣象因子及其影響時(shí)段，構(gòu)建分區(qū)域的小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度指數(shù)和預(yù)報(bào)模型，可支持業(yè)務(wù)應(yīng)用，得到以下主要結(jié)論：

1) 影響華北小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵氣象因子有8個(gè)，分別是上年冬季平均氣溫、當(dāng)年3月溫雨系數(shù)、3月最高氣溫大于等于25℃的日數(shù)、3月下旬日照時(shí)數(shù)、4月上旬平均氣溫、4月下旬最高氣溫大于等于28℃的日數(shù)、4月大雨日數(shù)和5月上旬空氣相對(duì)濕度為40%～80%的日數(shù)；影響黃淮麥蚜發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵氣象因子有6個(gè)，分別是上年冬季平均氣溫、當(dāng)年1月下旬降水量、3月上旬空氣相對(duì)濕度大于80%的日數(shù)、3月平均氣溫、4月溫雨系數(shù)和4月下旬無(wú)雨日數(shù)。

2) 利用構(gòu)建的分區(qū)域小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度模型對(duì)華北和黃淮麥蚜發(fā)生發(fā)展氣象等級(jí)進(jìn)行預(yù)報(bào)，2016—2018年3年平均試報(bào)準(zhǔn)確率均在75%以上，預(yù)報(bào)效果較好。利用黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度模型預(yù)報(bào)蘇皖兩省2016—2018年小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生等級(jí)，預(yù)報(bào)誤差不超過(guò)1級(jí)，模型異地預(yù)報(bào)3年蘇皖分省等級(jí)均基本正確，效果較好，這說(shuō)明黃淮小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度模型對(duì)江淮地區(qū)麥蚜發(fā)生等級(jí)有一定的指示性，可用于江淮麥蚜發(fā)生等級(jí)反演和預(yù)報(bào)。

3) 模型考察開(kāi)始時(shí)間為上年冬季，結(jié)束時(shí)間最遲為5月上旬。結(jié)合不同區(qū)域小麥蚜蟲(chóng)盛發(fā)期的時(shí)間分布，對(duì)華北、黃淮和江淮可從上年冬季起，利用模型監(jiān)測(cè)計(jì)算某省或某站小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度指數(shù)，判別相應(yīng)氣象等級(jí)，進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，如4月中旬可發(fā)布災(zāi)害預(yù)警，當(dāng)預(yù)報(bào)未來(lái)一旬或一個(gè)月氣象條件利于蟲(chóng)害發(fā)生時(shí)，可將4月下旬至5月上旬氣象關(guān)鍵因子在常年值基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)報(bào)波動(dòng)幅度微調(diào)，用于開(kāi)展麥蚜發(fā)生發(fā)展預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

關(guān)鍵時(shí)段關(guān)鍵氣象因子對(duì)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展具有決定性作用。以小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生典型年2014年為例，該年黃淮海大部地區(qū)小麥穗期蚜蟲(chóng)偏重發(fā)生[36]，主要原因是春季氣溫偏高，3月山東、河南平均氣溫分別為10.5℃和12.0℃(均高于常年值6.7℃ 和8.6℃)，分別位居歷史次高和首位；4月上旬河北、北京、天津、山西區(qū)域平均氣溫分別為14.7℃，15.3℃，15.2℃和12.6℃(均高于常年值11.6℃，11.4℃，12.0℃和9.7℃)，京津冀氣溫均位居歷史首位，氣溫顯著偏高加快了生物發(fā)育進(jìn)程，小麥發(fā)育期和蚜蟲(chóng)發(fā)生期均提前，山東小麥蚜蟲(chóng)始發(fā)期為當(dāng)年2月20日，偏早約1個(gè)月。2014年關(guān)鍵時(shí)段關(guān)鍵氣象因子中溫度和濕度均在穗期優(yōu)勢(shì)種麥長(zhǎng)管蚜發(fā)生發(fā)展的適宜氣象條件范圍內(nèi)，高溫少雨導(dǎo)致5月初河北中南部、山東中西部及半島西部和河南北部部分地區(qū)出現(xiàn)旱情[37]，溫高光足，適宜的光、溫、水條件和干旱疊加效應(yīng)，促進(jìn)了小麥穗期蚜蟲(chóng)的發(fā)生為害，造成2014年小麥產(chǎn)量損失達(dá)9.186×105t[36]，這與前人研究結(jié)論吻合，水分缺乏可以提高干旱地區(qū)小麥蚜蟲(chóng)潛在的適應(yīng)能力，小麥蚜蟲(chóng)將耗費(fèi)更多的時(shí)間取食[38]。

關(guān)鍵氣象因子的選取是從小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展的適宜生理氣象指標(biāo)和區(qū)域氣候特征考慮，對(duì)進(jìn)行小麥蚜蟲(chóng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)有較好指示意義。由于不同地區(qū)氣候條件及小麥蚜蟲(chóng)發(fā)育進(jìn)程和作物發(fā)育期本身的差異，小麥蚜蟲(chóng)的氣象適宜度在時(shí)間和空間上存在一定差異，春季強(qiáng)降雨是影響麥長(zhǎng)管蚜種群消減的關(guān)鍵因子之一[38-39]，強(qiáng)降雨多不利于小麥蚜蟲(chóng)爆發(fā)，而降水偏少、無(wú)雨日數(shù)偏多及導(dǎo)致的干旱，有利于小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展。全球氣候變暖導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和極端天氣等衍生的干旱等災(zāi)害的頻頻發(fā)生[40-43]，導(dǎo)致小麥蚜蟲(chóng)對(duì)逆境環(huán)境適應(yīng)能力的顯著提高[11，44-45]。這也是本研究針對(duì)不同區(qū)域建立不同的小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度綜合指標(biāo)的意義所在。

本文僅考慮在一定蟲(chóng)源基數(shù)條件下地面氣象條件對(duì)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展的適宜性，但小麥蚜蟲(chóng)是遷飛性害蟲(chóng)，其發(fā)生發(fā)展除受地面氣象條件的重要影響外，還受大尺度環(huán)流背景、蟲(chóng)源基數(shù)、自身生物學(xué)特性、寄主作物及品種、天敵情況、耕作栽培方式、施肥和灌溉水平、田間管理措施及人為防治等綜合因素的影響[3,8,24]，北方小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生發(fā)展氣象適宜度等級(jí)僅對(duì)地面氣象條件的滿足程度進(jìn)行了分析。實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合小麥蚜蟲(chóng)氣象適宜度等級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)與其他因素綜合考慮小麥蚜蟲(chóng)的發(fā)生情況，開(kāi)展相關(guān)農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)。