基于气候适宜度的内蒙古兴安盟玉米生育期预报模型

高红霞　徐蔚军

摘要：在以日为尺度的兴安盟玉米（Zea mays L.）气候适宜度模型的基础上，利用突泉县农业观测站1982-2010年地面气象资料及同期的玉米生育期观测资料，建立了兴安盟玉米生育期预报生理指标及预报模型，并利用兴安盟3个玉米主产旗县2011-2015年的玉米生育期观测数据对模型的预报结果进行验证。结果表明，各生育期持续时间的预报值与实际观测值一致程度较高，各生育期预报值与观测值之间的平均绝对误差在1.7～4.5 d，均方根误差在1.2～3.7 d；营养生长阶段绝对误差在3 d以内出现的频次接近62%，生殖生长阶段绝对误差在3 d以内出现的频次约為64%，模型能较好地预测相关生育期（出苗、三叶、拔节、抽雄、乳熟和成熟期），预报精度基本可以满足需求。

关键词：玉米（Zea mays L.）；生育期；气候适宜度；预报模型；兴安盟

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）19-3615-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.005

Abstract： Based on the climate suitability model of Maize in Xingan League， physiological indexes and prediction model of maize was established using dailymeteorological data and growth stage observation data of Tuquan County Agricultural Observation Station from 1982 to 2010，and the models prediction results were verified using the maize growth period observation data of three major maize grain-producing counties in Xingan League from 2011 to 2015. The results showed that there was good agreement between predictions and observations for the duration of each growth stage. The average absolute error between the predicted value and the observed value was 1.7 to 4.5 days，root mean square error was 1.2 to 3.7 days. The frequencies of the absolute error within 3 days was near to 62% during the vegetative growth stage，and the frequencies of the absolute error less than 3 days was about 64% during reproductive growth stage. The model could predict the development period well， and the forecast accuracy could meet the requirements.

Key words： maize（Zea mays L.）； growth stage； climate suitability； prediction model； Xingan League

进入21世纪，农业生产在实现高产、优质、高效的同时，还要兼顾生态安全并迎接气候变化等多重挑战。作物发育期体现了作物生育过程中外部形态变化的特征，是衡量生态系统对气候变化的相应指标之一[1]。对于大田生产，农业气象条件对作物的生长发育及产量起决定性作用[2]。研究作物发育规律与气象条件的关系，准确及时地做出生育期预报，对合理进行作物田间管理，减少农业气象灾害影响、增产增收具有重要意义。

20世纪60年代开始，国内外许多专家相继研究过多种作物生育期预测模拟模型[1-8]，这些模型中常用的发育指标主要有积温和生理发育时间。温度与作物生长发育关系的最普遍规律是积温（Growing degree days，GDD）法则，即作物完成某一生育期所需要的总积温是基本不变的，在此基础上许多学者提出了积温或光温共同影响作物物候的线性和非线性模式，并得到了广泛应用[3]。生理发育时间是指对于某一种特定基因品种，在最适合的温光条件下，作物完成某一生理阶段所需时间基本恒定[4]。该模型考虑了光热效应和不同品种间的差异，具有一定的机理性，但大多并未考虑降水对作物发育速率的影响。为综合考虑光、温、水三要素对作物生长发育的影响，气候适宜度评价模型已被应用于作物生育期预测。它将温度、水分和光照看成3个模糊集，借助模糊变换原理，构建各要素隶属函数，并设置单个要素的影响权重，以综合评判多因素的影响作用[9]。该方法综合考虑多个气象要素的影响，可为准确预测作物生育期提供依据。

玉米作为主要粮食作物之一，在内蒙古自治区兴安盟的粮食生产中具有举足轻重的作用，年产量约占兴安盟粮食作物总产量的80%。因此，玉米生产气象条件影响分析一直是兴安盟农业气象服务的重要内容。本研究以兴安盟逐日气候适宜度模型为基础，借鉴基于生理发育时间的模拟模型的理念，综合评价兴安盟气象条件对玉米生长发育的影响，建立统一的生理发育气候适宜度指标，为客观、准确地进行兴安盟玉米生育期预测提供支撑。endprint

1 资料选取与方法

1.1 资料选取

由于兴安盟玉米主产区均位于东南部，所以本研究采用位于东南部的突泉县1982-2010年的地面气象资料以及同期农业气象观测资料。主要包括逐日平均气温、降水量、日照时间、日照百分率、计算潜在蒸散量所用的日最高气温、最低气温、水气压、风速以及同期的玉米生育期观测资料。

1.2 研究方法

根据兴安盟历年生育期观测资料情况，将玉米全生育期分为7个阶段，分别为播种-出苗期、出苗-三叶期、三叶-拔节期、拔节-抽雄期、抽雄-吐丝期、吐丝-乳熟期和乳熟-成熟期。以兴安盟逐日综合气候适宜度模型为基础，利用突泉县农业气象观测站1982-2010年的气象资料，计算出历年从播种至成熟期逐日的综合气候适宜度。以各生育期累积综合气候适宜度的平均值作为其生育期生理指标，在此基础上建立基于气候适宜度的玉米生育期预报模型。应用2011-2015年突泉县、科右前旗和科右中旗玉米生育期观测资料对模型进行检验，通过各生育期持续时间预报值和实际值的相关性分析，以及各生育期预报值与观测值之间的平均绝对误差和均方根误差对预报精度进行统计检验。由于兴安盟所播玉米大多属于晚熟品种，因此本研究未考虑不同品种的生育期差异。

2 结果与分析

2.1 模型的建立

2.1.1 温度适宜度函数 根据马树庆[10]的研究，结合兴安盟的实际情况，确定温度适宜度函数如公式（1）所示。

F（T）i=■

B=■ （1）

式中，F（T）i为某日平均温度适宜度函数；Ti为某日平均气温；Tl、Th、To分别为玉米某日所需的下限温度、上限温度和最适温度，各生育期所需三基点温度参考相关文献[11]确定，在此基础上结合兴安盟实际做了部分订正，具体取值见表1；B为由三基点温度决定的常数。然后采用多项式拟合技术，计算出播种至成熟每一天所需要的下限温度、上限温度和最适温度；F（T）i是由实际气温与三基点温度决定的温度适宜度，是一个在0～1变化的不对称抛物线函数。

2.1.2 降水适宜度函数 降水是作物水分供应和土壤水分的主要来源。水分在玉米整个生长发育过程中起着重要作用，玉米生长好坏、产量和品质高低都与水分有密切关系。由于玉米各个生育期长短、植株生长量、地面覆盖度等诸多因素的影响，各生育阶段对水分的需求有一定的差异，对水分的敏感程度亦不相同，作物对水分最敏感的时期称为需水临界期。一般玉米的需水临界期为抽雄开花期，此时水分不足将直接影响玉米的生长速度和产量。根据玉米日生理需水量的满足程度建立日降水适宜度函数[12]。

F（R）i=1-■， Ri

式中，F（R）i为某日降水适宜度函数，Wi为玉米某日的生理需水量（mm），Ri为某日降水量，ΔWi为某日农田水分盈亏值。由于降水影响的后延性，实际计算时如果前一天存在水分盈余，则将其计入下一天的水分来源中，即若ΔWi>0，则下一天的水分供给量为日降水量与ΔWi之和。其中，作物日参考蒸散量（EToi）采用国际粮食及农业组织（FAO）推荐的Penman-Monteith方法计算[13，14]；日作物系数（Kci）的计算主要参考文献[11]，将不同生育时期的作物系数通过多项式拟合得到了播种至成熟的作物系数变化曲线，得出了东北地区玉米生长的日作物系数。利用该方法，结合兴安盟历年的播种日期，计算得出玉米从播种至成熟期每日的作物系数。

y=0.000 000 3x3-0.000 08x2+0.021 59x+0.000 83（3）

式中，x为播种后天数，y为当日作物系数。

2.1.3 日照适宜度函数 要保证玉米正常的生长发育，一般要求从玉米播种至乳熟每天日照时间至少为7～9 h，乳熟至成熟每天要大于8 h。在保证正常成熟的条件下，日照时间越多，光照越强，则玉米产量越高。有研究[15]表明，日照时间达到日照百分率的70%以上时，作物对光照的反应处于最适状态，日照适宜度函数如公式（4）所示。

F（S）i=e■， S

式中，F（S）i为某日日照适宜度函数；S为某日实际日照时间；S0=70%×L0，L0为可照时间，其计算公式如式（5）所示；b为常数[11]，随生育期不同而变化，其参考取值见表1。

sin■=■ （5）

式中，Φ为地理纬度，δ为赤纬，γ为蒙气差，t为时角。依公式计算出t后，除以15再乘以2即可得出某地某日的可照时间。

2.1.4 日综合气候适宜度函数 玉米每日的综合气候适宜度是每日温度适宜度、降水适宜度和日照适宜度等综合作用的结果，同时，由于各生育期所需气象条件以及各生育期对玉米生长影响的程度均不相同，为客观反映不同生育期气象因子对玉米生长发育的影响程度，需为各个生育期的相关气象要素设定权重。由此得出日综合气候适宜度计算如公式（6）所示。

F（C）i=ai×F（T）i+bi×F（R）i+ci×F（S）i （6）

式中，F（C）i为某日综合气候适宜度；ai、bi和ci为平均气温、降水量和日照时间的权重，确定方法为各生育期平均气温、降水量和日照时间与相应年份的气象产量做相关分析，各相关系数除以3个要素的相关系数之和即得各因子权重，具体见表2。

2.2 生育期动态预报模型

通过上述模型，計算出1982-2010年从播种至成熟期逐日的综合气候适宜度，并对各生育期累积综合气候适宜度进行统计，以各生育期历年累积综合气候适宜度平均值作为该生育阶段的生理指标，见表3。使用该模型进行预报时，自某一生育期开始日期对每日的综合气候适宜度进行累加，当累计值达到该生育期的生理指标时，则认为已进入下一生育期。每次预测时，计算所用起始日期均需根据观测站实测生育期日期进行动态修正，以保证下一生育期预报结果的准确性。

2.3 生育期动态预报模型的检验

利用2011-2015年突泉县、科右前旗和科右中旗的气象资料进行各地玉米生育期持续时间预报，同时利用相应年份玉米生育期观测资料进行检验分析，结果如图1所示。由图1可见，该模型生育期持续时间预测值与实际观测值一致性较好。除播种-出苗期和乳熟-成熟期二者的相关系数稍低外，其他生育阶段相关系数均在0.6以上，并在0.01水平上通过显著性检验。

计算各生育阶段预报日期与实际日期的平均绝对误差和标准误差，分析预报结果的准确性，结果如表4所示。由表4可知，除乳熟-成熟期外，各生育期预报日期与实际日期绝对平均误差均小于4 d，均方根误差均小于等于3 d。营养生长阶段绝对误差在3 d以内出现的频次为62%，生殖生长阶段绝对误差在3 d以内出现的约为64%，预报精度基本可以满足日常业务所需。

3 小结与讨论

3.1 小结

通过以日为尺度的兴安盟玉米气候适宜度模型，对1982-2010年突泉县玉米从播种至成熟期间的逐日气候适宜度进行了计算，同时对各生育期累积综合气候适宜度进行统计，以各生育期历年累积综合气候适宜度平均值作为该生育阶段的生理指标，并使用2011-2015年突泉县、科右前旗和科右中旗的气象资料对模型进行检验。结果表明，除乳熟-成熟期外，模型预报结果与实测结果的平均误差均小于4 d，均方根误差均小于等于3 d，模型能较准确地预测各生育期，总体预报精度较好，能够为实际农业气象服务提供参考依据。

3.2 讨论

本研究从作物日生理需水量出发，同时考虑了降水影响的后延性，但没有考虑降水引起的地表径流以及降水的下渗，若要进一步提高模型预报精度，还需要考虑土壤相对湿度等因素。同时，受现有观测数据限制，本研究建立各生育期生理指标时，只使用了突泉县历年的生育期观测数据，而各旗县的气象条件和种植环境是存在一定差异的，这种差异将对模型预报精度产生一定影响。随着各旗县农业气象观测业务的不断完善，未来将根据各区域的玉米生育期观测数据，建立相应旗县的玉米生育期生理指标，从而进一步提高模型的精度和实用性。

参考文献：

[1] 张 帅，陶福禄.水稻发育模型研究进展[J].地理科学进展，2012， 31（11）：1485-1491.

[2] 陈祥兰，张雪峰，罗新兰，等.东北玉米生长发育动态模拟模型研究[J].吉林农业大学学报，2012，34（3）：242-247.

[3] LU H Y，LU C T，CHAN L F，et al. Seasonal variation in linear increase of Taro harvest index explained by growing degree days[J].Agronomy Journal，2001，93（5）：1136-1141.

[4] CAO W，MOSS D N. Modelling phasic development in wheat：A conceptual integration of physiological components[J].J Agri Sci，1997，129（2）：163-172.

[5] 潘學标.作物模型原理[M].北京：气象出版社，2003.

[6] 钱 拴，陈 晖，王良宇.全国棉花发育期业务预报方法研究[J].应用气象学报，2007，18（4）：539-547.

[7] 马富裕.棉花生育时期及蕾铃发生发育模拟模型研究[J].应用生态学报，2005，16（4）：626-630.

[8] 张立祯，曹卫星，张思平，等.基于生理发育时间的棉花生育模拟模型[J].棉花学报，2003，15（2）：97-103.

[9] 赵 峰，千怀遂，焦士兴.农作物气候适宜度模型研究[J].资源科学，2003，25（6）：77-82.

[10] 马树庆.吉林省农业气候研究[M].北京：气象出版社，1994.

[11] 侯英雨，张艳红，王良宇，等.东北地区春玉米气候适宜度模型[J].应用生态学报，2013，24（11）：3207-3212.

[12] 李树岩，彭记永，刘荣花.基于气候适宜度的河南夏玉米发育期预报模型[J].中国农业气象，2013，34（5）：576-581.

[13] ALLEN R G，SMITH M，PEREIRA L S，et al. An update for the calculation of reference evapotranspiration[J].ICID Bulletin，1994，43：35-92.

[14] 刘 钰，PEREIRA L S，TEIXEIRA J L，等.参考蒸散量的新定义及计算方法[J].水利学报，1997，28（6）：27-33.

[15] 黄 璜.中国红土壤地区作物生产的气候生态适应性研究[J].自然资源学报，1996，11（4）：340-346.endprint