油菜生育期气象指数等级及灾害预警指标研究

董芹　霍焱　蒋骏　裴善善　吴建秋　姚丽娜　吴晶璐　陈宏波

摘要：应用2004—2012年金坛市气象局油菜试验田观测的生育数据和气象数据进行分析，结果表明，育苗移栽和直播栽培方式的不同导致油菜全生育期、播种期、苗期持续天数和气象要素出现较大差异，但对蕾薹期、开花期、成熟期影响较小；气象灾害对各生育期影响不同。（1）连阴雨主要影响苗期、蕾薹期、开花期；（2）寒潮主要影响苗期、蕾薹期；（3）暴雨在苗期和开花期偶有发生；（4）暴雪对苗期影响越来越大；（5）苗期低温冻害趋于严重，开花期低温影响趋小；（6）高温逼熟显著加重。利用SPSS软件中位数聚类法、专家调查法等，结合农业气象条件普查等，提出油菜生长需要的气象要素适宜与否区间及各生育期综合气象指数等级；通过气象灾害分析、灾情普查、专家指导等，得到不同气象灾害在各生育期的预警指标及综合预警等级。

关键词：油菜；生育期；气象指数等级；灾害预警指标；SPSS中位数聚类法；农业气象灾害

中图分类号： S165 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0084-07

油菜作为冬季生长的唯一油料作物，其独具的优点是其他作物所无法比拟的，如改善土壤理化性质、根系有机酸溶解土壤磷素、茎秆果壳及落花落叶为难得的有机肥，油菜花供人们旅游观赏等，这也是气象工作者长期致力于研究油菜生长与气象关系的原因。随着当今油菜观测项目的丰富以及数据采集途径的增多，人们对油菜研究内容和形式更加多样化。陈秀斌对油菜生育进程差异及对温度日长要求、油菜器官发育对积温的要求等作了详细分析[1]；汤亮等研究构建了具有广适性和可靠性的油菜阶段发育与物候期预测模型[2]；杨永龙等阐明春性油菜各生育期与0、5、7 ℃的积温有很好的相关性[3]；官春云指出，油菜受干旱影响将会造成内部生理机能受阻，生长发育推迟和花期缩短[4]。但关于油菜生育期气象指数等级及农业气象灾害预警指标等的研究较少。

常州油菜自宋朝种植以来，面积不断扩大，尤其是改革开放之后，种植面积从1981年的18 800 hm2增至1982年的 27 800 hm2，至2000年达最多，为49 653.3 hm2，随后10年面积快速萎缩，至2012年已不足16 000 hm2，且68%集中在溧阳市境内。尽管如此，油菜在常州种植作物中仍占据着重要地位，与水稻、小麦齐称为“粮食三巨头”。因研究油菜生育期适宜气象条件、农业气象灾害预警指标，对开展油菜精细化气象服务、提高油菜产量和防御气象灾害很有必要。

1 资料的选取和处理

为近距离研究江苏省常州地区油菜生长与气象条件、灾害天气的关联度，自2003年起，金坛市气象局在观测站内建设了占地1 300 m2以上的油菜试验田，并实时记录油菜各生育阶段的起始时间。本研究主要选用2004—2012年（油菜为跨年度作物，此处年份表示收获年份）间金坛局观测到的油菜生育数据与气象数据来进行对比分析，在研究过程中，将观测记录中的播种、出苗、第5真叶、移栽、成活、现蕾、抽薹、开花、开花盛期、绿熟、成熟等生育节点合并为5大生育期：播种期（播种至出苗）、苗期（出苗至现蕾）、蕾薹期（现蕾至开花）、开花期（开花到绿熟）、成熟期（绿熟到成熟）。

2 油菜不同生育期及气象要素

2.1 不同生育期起始时间

从表1看出，金坛市气象局试验田在油菜种植方式上采用了育苗移栽和直播种植（2006—2009年）2种，品种2004—2005年为史力丰，2006—2010年为苏油1号和秦油10号，2011—2012年为宝油85号，均与大田一致且为甘蓝型半冬性品种。采用育苗移栽方式油菜的播种时间主要集中在9月18—27日，而直播种植集中在10月18—24日，比育苗移栽晚了近1个月；出苗时间育苗移栽集中在9月24日至10月20日，直播栽培集中在10月24日至11月2日，时间相差 10～30 d；从现蕾开始，2种种植方式时间基本同步，主要集中在2月的中旬、下旬，现蕾最早是在2月12日（2007年），最晚是在3月6日（2005年）；开花时间集中在3月中旬、下旬，最早为3月15日（2004年），最晚为3月31日（2005年）；绿熟时间集中在5月上旬、中旬，最早为5月6日（2007年），最晚为5月18日（2008年）；成熟收获时间集中在5月中旬至6月上旬，其中最早为5月13日（2007年），最晚为6月2日（2010年）。

2.2 不同生育期持续时间

不同生育期持续时间见表2，油菜从播种至成熟，全生育期平均需要230 d，其中最短216 d（2008年），最长249 d（2011年），直播种植比育苗移栽平均少27 d。不同生育期持续天数为：播种期平均6 d，其中最短4 d，最长9 d，均值以下有6年且5年为育苗移栽方式；苗期平均131 d，其中最短 105 d，最长151 d，均值以下有4年且均为直播种植；蕾薹期平均31 d，其中最短27 d，最长37 d，均值以下有4年且育苗移栽占3年；开花期平均50 d，其中最短44 d，最长58 d，均值以下有5年且育苗移栽占3年；成熟期平均11 d，其中最短 6 d，最长18 d，均值以下有5年且育苗移栽占3年。可见油菜生长过程中，苗期持续时间最长，占全生育期的57%，其次为开花期，占全生育期的13%，最短的是播种期，仅为全生育期的3%。同时育苗移栽和直播种植因播种时间不同而导致全生育期、播种期、苗期持续天数的差异，给后续气象要素的研究带来一定的影响，但蕾薹期、开花期、成熟期受影响较小，可以忽略不计。

2.3 不同生育期气象要素变化

种植方式的不同对播种期、苗期乃至全生育期都有较大影响，因此在分析全生育期、播种期、苗期气象要素变化情况时将进行分类研究，即将育苗移栽种植下的2004—2006年和2011—2012年（5年）、直播种植下的2007—2010年（4年）分别进行分析（表3）。

2.3.1 全生育期 经统计育苗移栽种植方式下5年全生育期平均气温为11.5 ℃，0 ℃以上积温（简称0 ℃积温，下同） 2 787.9 ℃，降水量460.5 mm，日照时数1190.2 h，雨日69 d，相对湿度72%，而直播种植方式下4年全生育期平均气温为10.5 ℃，0 ℃以上积温2 259.4 ℃，降水量454.9 mm，日照时数 1 047.7 h，雨日71 d，相对湿度72%，可见2种种植方式下气象要素的差别比较大，其中平均气温育苗移栽高直播种植 1.0 ℃，积温高528.5 ℃，日照时数多142.5 h，雨日少2 d，但直播种植0 ℃积温更满足油菜生长发育需要的1 800～2 500 ℃ 的条件。

2.3.2 播种期 选取对油菜生长影响较大的气象要素即平均气温、0 ℃以上积温、降水量、日照时数进行分析。从表3可以看出，育苗移栽种植方式下，播种期均温平均值为22.9 ℃，年最高为25.2 ℃，年最低为20.7 ℃；直播种植方式下，均温平均值仅为19.2 ℃，比前者低了3.7 ℃，且年最高为22.0 ℃，最低为17.8 ℃。0 ℃以上积温：育苗移栽种植方式平均为 123.5 ℃，年最多为151.0 ℃，最少为93.8 ℃；直播种植平均为147.5 ℃，较育苗移栽种植方式多出24 ℃，且年最多为172.0 ℃，最少为124.5 ℃。降水量：育苗移栽种植方式平均为2.0 mm，年最多为5.0 mm，最少为0.0 mm；直播种植平均为12.0 mm，较育苗移栽种植方式平均偏多10.0 mm，且年最多为15.2 mm，最少为8.8 mm。日照时数：育苗移栽种植方式平均为30.9 h，年最多为49.8 h，最少为5.6 h；直播种植平均为37.0 h，比育苗移栽种植方式平均偏多6.1 h，且年最多为49.3 h，最少为26.8 h。表明直播种植除播种期平均气温低于育苗移栽外，其他要素均较育苗移栽偏高或偏多。

2.3.3 苗期 从表4可以看出，育苗移栽方式，苗期温均平均值为9.1 ℃，年最高9.9 ℃，最低8.6 ℃，而直播种植方式，苗期均温平均值为6.6 ℃，较育苗移栽偏低2.5 ℃，且年最高 7.7 ℃，最低5.8 ℃。0 ℃以上积温：育苗移栽平均为 1 333.1 ℃，年最多1 421.9 ℃，最少1 276.5 ℃；直播种植平均为 742.5 ℃，较育苗移栽偏少590.6 ℃，且年最多848.1 ℃，最少614.6 ℃。降水量：育苗移栽平均为 209.6 mm，年最多319.4 mm，最少121.5 mm；直播种植平均为201.1 mm，较育苗移栽减少8.5 mm，且年最多289.1 mm，最少127.1 mm；日照时数：育苗移栽平均为660.3 h，年最多839.4 h，最少 563.3 h；直播种植平均为495.2 h，较育苗移栽偏少165.1 h，且年最多512.8 h，最少486.1 h。表明直播种植在苗期所有气象要素均较育苗移栽偏低或偏少。

2.3.4 蕾薹期 从图1至图4可以看出，2004—2012年蕾薹期均温平均值为8.8 ℃，各年变化区间在7.2～10.2 ℃，均值以下共有4年，反映平均气温正以每年0.2 ℃的速度在下降；0 ℃ 以上积温平均为271.2 ℃，变化区间在211.3～328.2 ℃，并呈现出两峰和两谷态势，且以每年0.41 ℃的速度在缓慢增加；降水量平均为84.6 mm，年变化区间在 30.9～141.7 mm，其中前5年均在100 mm以下，但近4年中有3年（2009年、2011年、2012年）超过了100 mm，趋势以每年7.7 mm在增多；日照时数平均为129.3 h，变化区间在109.0～171.4 h，其中6年集中在120～140 h之间，趋势正以每年1.1 h的速度在减少。由此看出蕾薹期平均气温、日照时数随气候变化呈下降或减少趋势，但0 ℃以上积温和降水量却在逐步上升或增多过程中。

2.3.5 开花期 从图1至图4可以看出，开花期9年均温平均值为16.4 ℃，各年变化范围在14.6～18.8 ℃，趋势变化平缓，9年间仅上升0.2 ℃；0 ℃以上积温平均为826.1 ℃，变化范围在731.4～950.9 ℃，其中前6年锯齿状变化明显，即1年多1年少，但后3年变为2年少1年多，且以每年10.0 ℃的速度在减少；降水量平均为128.4 mm，年变化在34.7～246.2 mm，其中100 mm以上的有6年，占66.7%，趋势为每年减少11.8 mm；日照时数平均为309.4 h，变化范围在 259.6～384.8 h，其中300 h以上的有5年，占55.6%，趋势以每年1.4 h的速度在缓慢增多。可见开花期平均气温、日照时数随气候变化呈上升或增多趋势，但0 ℃以上积温、降水量却呈现出快速下降和显著减少趋势。

2.3.6 成熟期 从图1至图4可以看出，2004—2012年成熟期均温平均值为21.8 ℃，各年变化范围在20.6～24.1 ℃，趋势总体变化平缓，每年约降低1.1 ℃；0 ℃以上积温平均为 245.0 ℃，变化区间在123.3～380.8 ℃，高低差达到257.5 ℃，说明各年之间变化剧烈，其中前5年保持在260 ℃附近，但后4年中有3年超过了370 ℃，说明该生育阶段积温上升速度非常显著，达到每年20.7 ℃的速度；平均降水量为31.9 mm，变化范围在4.4～55.2 mm，呈现出两头多中间少的态势，其中30 mm以上有6年，占66.7%，趋势正以每年 1.4 mm 的速度在小幅增多；平均日照时数为67.6 h，变化区间在19.7～124.0 h，整个过程呈现出阶梯上升态势，上升速度达到每年9.2 h。表明成熟期平均气温随气候变化呈缓慢下降趋势，但0 ℃以上积温、降水量、日照时数均呈现出上升或增多趋势，其中积温和日照时数的表现更加突出。

3 不同生育期农业气象灾害影响

油菜一生中最害怕的农业气象灾害有：苗期低温冻害、

开花期低温、灌浆成熟期高温逼热、连阴雨、寒潮、暴雨、大雪等。不同各生育期江苏金坛油菜发生的农业气象灾害见表5、 表6。

3.1 连阴雨（5 d以上）

从表5可以看出，连阴雨在各生育期都有发生，其中出现次数最多的是苗期，共19次，基本为1年2次，持续时间最长达10 d，出现在2006年1月12—21日；其次为蕾薹期和开花期，分别为7次和4次，基本达1年1次和2年1次，蕾薹期持续时间最长为12 d，出现在2009年2月22日至3月5日，开花期持续时间最长为6 d，出现在2004年4月29日至5月4日；最少为播种期和成熟期，各出现1次。可见连阴雨是苗期、蕾薹期、开花期的主要灾害天气，其中对渍害敏感性依次为蕾薹期、开花期、苗期[5-6]。

3.2 寒潮

寒潮过程主要发生在苗期、蕾薹期、开花期（表5），共计29次，其中苗期占21次，蕾薹期、开花期分别占6次和2次。苗期最大降温幅度在8.0～11.7 ℃，最低气温达-5.2 ℃，年最多出现4次；蕾薹期最大降温幅度在9.0～12.2 ℃，最低气温达-0.1 ℃，年最多出现2次，且随时间变化有减少趋势；开花期最大降温幅度在8.2～9.4 ℃，最低气温达2.5 ℃，年最多出现2次。表明寒潮影响最大的以苗期和蕾薹期为主。

3.3 暴雨

暴雨主要出现在苗期、开花期，共3次，其中苗期1次，开花期2次。苗期最大降雨量为50.7 mm，出现在2005年11月5日；开花期最大降雨量为55.2 mm，出现在2006年4月21日（表5）。暴雨影响明显小于连阴雨和寒潮天气，但开花期的突发暴雨应给予重视。

3.4 大雪

大雪天气（24 h降雪量≥5 mm）主要出现在苗期（表5），共9次，发生频次基本为2年1次以上，且出现时间大多集中在1月下旬至2月中旬，其中2008年1月26—28日为连续 3 d 暴雪，降雪量累计达到了51.8 mm，积雪深度31 cm。可见大雪或暴雪的频发，对苗期的影响将越来越大。

3.5 苗期低温冻害

苗期低温冻害是指气温降至-3～-5 ℃状态，叶片开始受冻，-7～-8 ℃受害较重，如伴有大风出现，冻害更加严重。2011年苗期后期，油菜受到低温（最低气温-9.5 ℃）影响，叶片遭到严重冻害。统计历年日最低温度≤-5 ℃的天数、最低温度、连续天数等（表6）。从表6可以看出，2004—2012年共出现39 d低温天气，其中2012年最多，为8 d；日极端最低温度为-9.5 ℃，出现在2011年；连续低温天数最多为4 d，出现在2012年，并且苗期低温冻害随时间有加重趋势，其中年天数由2004年的2 d增加到2012年的8 d，低温值也明显走低，由2004年的-6.4 ℃降到2011年的-9.5 ℃，连续发生天数由3 d也增加至4 d。

3.6 开花期低温

开花期低温是指开花期气温骤降至5 ℃油菜将停止开花，0 ℃ 以下的低温或冰天雪地可受冻致死，甚至整个花序、花蕾枯萎脱落。从表6可以看出，2004—2012年开花期内，金坛试验田从未出现0 ℃以下低温，最低气温为0.6 ℃，出现在2010年；5 ℃以下低温出现年份共有6年，占总年份的66.7%，其中低温连续在5 ℃以下的有3年，分别为2009年 2 d （2次）、2010年3 d、2011年3 d（2次），表明开花期油菜受0 ℃冻害较轻，但5 ℃以下低温影响较大，并且随着气候变暖变得愈加明显。

3.7 灌浆成熟期高温逼熟

高温逼熟是指油菜灌浆成熟期日最高气温≥30 ℃，造成高温逼熟以致减产。从表6可以看出，历年油菜自开花至成熟≥30 ℃高温天气总共出现了45 d，最多为14 d，出现在2011年，因而造成该年油菜籽千粒质量大幅下降和产量下降；其次为2008年、2012年，各5 d。最高温度为36.5 ℃，出现在2011年，其次为35.0 ℃，出现在2009年，最低的为 31.6 ℃，出现在2007年。连续≥30 ℃的天数最多5 d，出现在2011年，其次为2008年、2009年，各4 d，最少的为2007年，1次也没有出现。由此看出，高温天气在不断增多，表明高温逼熟灾害有加重的趋势。

4 油菜不同生育期综合气象指数等级划分和气象灾害预警指标的确定4.1 油菜不同生育期气象指数等级的划分

应用SPSS软件提供的中位数聚类法[7]和Excel软件提供的散点图分类等，对影响金坛油菜生长的主要气象要素，如日平均气温、日照时数、生育期降水量、生育期雨日数等进行密集区、次密集区、稀疏区的划分，并以此初定为气象条件适宜与否的量化区间，以播种期日平均气温为例，2004—2012年播种期累计58 d，经过中位数聚类分析后，所得到的气温密集区、次密集区、稀疏区分别对应于>15～

结合专家调查、文献查阅[8-11]，以及参照油菜历年生育期农业气象条件普查和生育期气象条件的分析等，对所划分的区间进行适当调整，最终得到各生育期不同气象要素最适宜、较适宜、不适宜的划分区间，并分别对应等级1级、2级、3级（表7）。

各生育期综合气象指数等级的确定，是基于各气象要素等级基础上，采取“多数优先、对等取中”的原则，即不同气象要素等级相同时，气象指数等级取同级；当各自等级不同时，以多数为准，否则取中间等级，同样以播种期为例，当日平均气温、生育期降水量、生育期雨日数同均处1级、最适宜时，综合气象指数等级则为1级，表示最适宜；当日平均气温、生育期降水量、生育期雨日数分别出现2级、2级、3级时，根据多数优先原则，综合气象指数等级则为2级，表示较适宜。

4.2 油菜不同生育期气象灾害预警等级的确定

根据各生育期气象灾害影响程度分析，结合2004—2012年间金坛油菜试验田灾情普查情况，如2004年成熟期受降水多及持续大风影响，油菜角果不饱满、空角较多、千粒质量明显下降、产量明显下降；2008年苗期油菜接连受到强寒潮和连续暴雪侵袭，造成油菜严重受冻，旱地油菜叶柄折断，渍害十分严重；2012年蕾薹期出现连续低温寡照天气，致使油菜根系活力受到影响，生育期也相应推迟1周以上，同时参考相关文献[12-14]和农业专家的指导意见，归纳和确定了油菜各生育期不同农业气象灾害1级、2级、3级（轻度危害、中度危害、重度危害）的预警阈值，结果见表8。油菜不同生育期最终综合预警等级的确定，规定以不同气象灾害中最高预警级别为准，譬如油菜苗期中同时出现了大雪、连阴雨、寒潮、低温冻害4种不同灾害，且各自预警最高级别分别为1、2、2、3级，根据规定，生育期综合预警等级为3级，表示可能出现重度危害。

5 结论与讨论

本研究对2004—2012年江苏省金坛市气象局试验田观测到的油菜生育资料及同时期气象资料进行了对比分析，结果表明，育苗移栽种植的油菜播种时间较直播栽培早1个月，出苗时间早10～30 d，但现蕾之后二者时间上逐渐实现同步；全生育期平均时长230 d，但直播种植比育苗移栽平均少 27 d，生育期中以苗期时间最长，达全生育期的57%，其次为开花期，达全生育期的13%，最少的是播种期，不足全生育期的3%。

育苗移栽和直播栽培种植时间的不同，不仅造成2种种植方式油菜在全生育期、播种期、苗期时长上的不同，而且导致各自气象要素也出现了明显差异，就全生育期而言，前者较后者平均气温偏高1.0 ℃、0 ℃以上积温偏多528.5 ℃、日照时数偏多142.5 h，降水量基本接近。蕾薹期、开花期、成熟期基本不受种植方式的影响。

油菜生长过程中遇到的农业气象灾害众多，但各生育期影响程度不同。（1）连阴雨是苗期、蕾薹期、开花期的主要灾害天气；（2）寒潮影响最大的是苗期和蕾薹期；（3）暴雨在苗期和开花期偶有出现，影响相对较小，开花期突发暴雨要给予重视；（4）大雪或暴雪频发，对苗期影响越来越大；（5）苗期低温冻害随时间有加重趋势，开花期受低温影响几率减小；（6）高温逼熟灾害有明显加重趋势。

应用SPSS软件中位数聚类法、Excel软件散点图分类法、专家调查法、文献查阅法，结合生育期农业气象条件普查、生育期气象条件分析结果等，划分出不同气象要素如平均气温、日照时数、降水量等在各生育期的适宜与否区间，分最适宜、较适宜、不适宜3级表示，并基于“多数优先、对等取中”的原则，最终确定各生育期的综合气象指数等级。

根据各生育期气象灾害影响程度分析，结合历年油菜灾情普查，并参考大量相关文献和农业专家的指导意见，归纳总结出油菜各生育期不同农业气象灾害预警阈值，分3级表示，即轻度、中度、重度。各生育期综合预警等级的确定，则以不同气象灾害中预警最高级别的为准。

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