水稻气候品质定量化认证模型构建

戈晓峰 薛丰昌 姬菲菲 张嫣然

摘要：农产品气候品质认证是指气候条件对农产品品质影响的优劣等级的评定，传统技术方法主要依据经验及历史数据对农产品生长气候条件进行定性化评分认证。以宁夏吴忠市灌区水稻为例，以历史气候数据作为参考背景，构建水稻品质气象条件适宜性梯度级，结合当年水稻各生育期的气候因素，综合考虑气象灾害对水稻品质的影响，建立水稻气候品质定量化认证模型，实现对水稻气候品质定量化评价。2019年宁夏吴忠市灌区水稻的气候品质认证结果与农业气象观测站记录基本吻合，表明该认证模型具有较好的实践应用性。

关键词：水稻;气候品质;定量化认证模型;吴忠市

中图分类号：S162.1 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2020）21-0110-06

水稻是我国种植面积最广、总产量和单位面积产量（简称单产）单产均最高的粮食作物，在我国粮食生产和消费中一直处于主导地位[1]。但水稻的产量和质量与其各生育期所处环境因素有着密切关系，樊晓玲等研究表明，水稻各生育期所处环境的温度、降水、日照时长以及是否有灾害发生都与该地水稻最终产量及品质有着密不可分的直接关系[2-4]。因此，通过评价某水稻种植区各生育期的环境因素，进行气候品质认证分析，便可客观反映出该地水稻的产品品质优劣情况。

所谓农产品气候品质认证是指天气气候条件对农产品品质影响的优劣等级的评定[5]。随着农产品市场的发展，消费者对其品质的关注也日益增加，由此诞生的农产品气候品质认证工作也迅速普及。但目前认证工作还普遍停留在人工阶段，需要大量的人力和物力，且耗时，目前相关研究报道中出现的认证方法仅涉及根据经验进行定性化的描述[5-7]，未见有认证过程中每一参数评分定量化标准的报道，这一现状极大地阻碍了农产品气候品质认证工作的发展。本研究以宁夏吴忠市灌区水稻为例，将吴忠市往年历史气候数据作为参考背景，结合当年水稻各生育期的气候因素，同时考虑气象灾害发生对水稻品质及产量的影响，建立水稻气候品质定量化认证模型，对吴忠市水稻气候品质进行客观评价，根据《农产品气候品质认证技术规范》，将其分为特优、优、良好、一般4个等级，研究成果能够提高气象业务人员农产品气候品质认证工作效率，促进农产品气候品质认证工作向高效化、自动化发展，同时也为其他地区进行水稻等农产品气候品质认证相关试验研究提供理论参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区所在气候区为内陆干旱半干旱气候区，具有冬长夏短、雨水稀少、气候干燥、昼夜温差大等特点。宁夏回族自治区引黄灌区也是干燥缺雨、地表蒸发大，是典型的大陆性干旱气候，但因自治区内有黄河过境可提供灌溉用水，故其稻作区的气候条件反而有利于水稻的生长[8]。宁夏引黄灌区距今已有近2 000年的水稻种植历史且产量高、质量优，1980年以来，单季稻单位面积产量更是位居全国之冠[9]。2008—2017年10年间，宁夏回族自治区水稻总产量平均高达67万t/年左右，其中2011、2012年年水稻总产量更是突破70万t[10]。引黄灌区主要集中分布在宁夏中北部的黄河冲击平原（即宁夏平原），得益于黄河源源不断的补充灌溉水源，可基本保证无旱无涝，同时稻作区所在的宁夏平原土地平整，土壤养分充足，是天然的农业生产宝地;除此之外，其优越的气候条件也保证了农作物的单产与质量：日照资源丰富，年总日照时长可达3 000 h左右，作物生长季节4—9月≥10 ℃的积温也可达3 200～3 400 ℃，非常适合水稻等喜温植物生长[11]。农业气象专家在对我国光热资源分析中发现，水稻的潜在生产力和现实生产力应新疆最高，宁夏次之[8]。综上所述，宁夏引黄灌区乃我国罕见之水稻高产优质种植区。

1.2 数据来源

气象资料来源于吴忠市气象观测自动站（站号53612，106.177 50°E、37.985 83°N），包括吴忠市2010—2019年的逐日平均温度、最低温度、降水量、日照时数等以及2010—2019年吴忠市水稻从播种至成熟的全生育期观测资料。

2 研究方法

2.1 水稻气候品质认证指标选取及分析

2.1.1 水稻种植气候适宜性区划影响分析 气候区划是以气候条件为主要因素，结合农作物生长过程中的最佳水分、光照及温度等条件，将不同地理区域划分为不同适宜等级区。由于气候区划综合考虑了作物生长过程中所需气候条件以及可能发生的气象灾害，故其区划结果也是影响作物品质的重要参考因素[12]。

由于宁夏回族自治区所在气候区为内陆干旱半干旱气候区，水稻水分来源无法仅靠天然降雨，所以宁夏水稻仅可种植于引黄灌区。从近10年水稻生育期观测数据可看出，水稻生长期主要集中于4—9月，这期间的光、热条件较充足，水稻关键生长期的温度及全生长期的积温对水稻单产影响较大，故水稻气候区划应以上述因素进行。

根据《宁夏农业气候资源及其分析》[13]，宁夏引黄灌区水稻全生育期≥10 ℃积温为3 000 ℃左右时适宜，大于3 200 ℃最优，低于2 800 ℃时严重影响水稻生长;水稻生长关键期的孕穗抽穗期主要在7月，當7月平均最低温度低于9 ℃严重影响稻穗分化;水稻生长关键期的孕穗期主要在8月，平均温度应保持在20 ℃以上，若低于18 ℃则会严重影响灌浆，导致空秕率大幅上涨，产量降低。

2.1.2 水稻当年气候条件影响分析 水稻当年气候条件对其当年的品质起决定性作用，故除水稻区划外，选取当年气候条件作为水稻当年品质评价指标[14]。相关文献还选取了企业生产管理条件作为农产品气候品质认证的指标[12]，笔者认为企业生产管理条件是人为因素，已脱离气候品质认证范围，故本研究未将其纳入认证指标。

气候条件评价主要从水稻正常生长发育、水稻商品品质形成等方面选取因素，如日照时长、温度、降水量等。在选取的评价因素中，又以温度对水稻生长及品质形成最为复杂且各生育期都对其有严格的要求。

通过阅读整理大量关于水稻不同生育期温度对其生理特征发育、品质形成影响的研究，构建针对生育期温度评价体系，其构建步骤为：在水稻不同生育期生长最适温度的基础上，通过查阅水稻不同时期的低温冻害等相关文献[15-18]确定最低阈值;然后通过查阅水稻不同时期的高温胁迫等相关文献确定最高阈值[15，19-20];最后结合水稻品质形成对如抽穗期、灌浆期等关键生育期的温度要求等相关文献[21-24]对评价体系进行修改完善。研究表明，直链淀粉含量是决定稻米蒸煮口味口感最重要的内在决定性因素之一[25]，故评价体系中主要选用稻米直链淀粉含量对关键生育期的温度要求进行修改完善。

宁夏水稻灌溉水源几乎全部来自黄河水，少雨缺水的影响较小;日照时长方面影响虽也较为重要，但其时效较长且影响效果也并不像生育期内温度的影响那么明显，故降水量和日照时长评价体系采用本生长季值与历史同期值相比的方法进行评分。

2.1.3 当年水稻气象灾害影响分析 在各气象灾害中，以低温冷害对水稻伤害最大最常见。水稻低温冷害即在水稻生育期内遭遇水稻生长最低温度以下的低温时，导致影响水稻正常生长甚至造成大规模减产的一种农业气象灾害。水稻是遭受低温冷害后减产规模极大的农作物之一，且在各生育期均会出现，导致难以估量的损失[26]。相关研究表明，移栽期-成熟期平均气温<18 ℃、抽穗扬花期连续3 d以上平均气温<20 ℃、8月1日至9月1日≥10 ℃积温值<840 ℃、孕穗期日最低温度≤15 ℃ 持续时间≥2 d均会发生低温冷害，对水稻造成不同程度的损伤[13]。故本研究在水稻气象灾害影响部分，选取对水稻伤害最大、发生最为频繁的低温冷害作为评价当年气象灾害影响的因素。

2.2 水稻气候品质定量化认证模型建立

将水稻种植气候适宜性区划得分、水稻当年生育期温度评价得分作为水稻气候品质认证的因子，采用加权指数求和法建立水稻气候品质定量化认证模型，计算方法见公式（1）。

式中：F表示水稻气候品质认证最终得分;G表示水稻种植气候适宜性区划得分;N表示水稻当年生长气候条件得分。水稻气候品质认证结果等级划分见表 1。

根据宁夏水稻气候适宜性区划因素分析，水稻种植气候适宜性区划得分（G）从7月平均最低气温（G1）、8月平均气温（G2）及水稻生育期内≥10 ℃积温（G3）3个方面进行评分，将对应指标分别设置得分为：最适宜区，100分;适宜区，85分;次适宜区，70分;不适宜区，50分。具体计算方法见公式（2）。

式中：在3个因素中又以水稻生育期内≥10 ℃积温（G3）对水稻生长影响最大，故将其权重设置为0.4，其他2因素分别设置为0.3。水稻气候适宜性区划各因素（G1-G3）评分具体标准设置表2。

水稻当年生长气候条件得分（N）分为两部分计算：当年水稻生长气候资源评分（α）与当年发生的水稻低温冷害影响评分（β），具体计算方法见公式（3）。

当年水稻生长气候资源评分（α）可分为当年水稻生育期温度资源评分（X1），降水资源评分（X2）、日光照资源评分（X3），具体计算方法见公式（4）。

根据分析，其中水稻生育期温度资源评分（X1）为水稻生育期内最重要品质影响因素，故权重为0.7;降水资源评分（X2）影响最小，故设置权重为0.1;日光照资源评分（X3）影响时效较长且效果较温度不明显，故设置权重为0.2。

水稻生育期温度资源评分（X1），按《农业气象观测规范》[27]规定，将水稻全发育期分为从播种期至成熟期11个阶段。水稻全生育期中相关品质形成的关键期在分蘖期、抽穗期及灌浆期，其中灌浆期温度对稻米直链淀粉含量影响最大，故各生育期温度资源评分权重分配为：播种-出苗期（Y1）权重为0.1;三叶期（Y2）权重为0.1;移栽-返青期（Y3）权重为0.1;分蘖期（Y4）权重为0.15;拔节期-孕穗期（Y5）权重为0.1;抽穗期（Y6）权重为0.15;乳熟-成熟期（Y7）权重为0.3。具体计算方法见公式（5）。

其中各生育期温度资源（Y1～Y7）评分具体标准设置见表3。

水稻生育期降水资源评分（X2）、日光照资源评分（X3）分别通过当年值与2010—2018年水稻对应历史生育期平均值M、R对比评分得出，具体评分方法见表4。

笔者认为，降水资源与光照时长在对应历史生育期平均值上下波动5%为正常范围，超出则可能对水稻产生较大影响，故上下阈值分别设为105%、95%。由于宁夏回族自治区所在气候区为内陆干旱半干旱气候区，天然降水本无法满足水稻生长发育需求，也就意味着历史平均降水量就处于很低的水平，故在历史平均降水量上浮5%以内均设为特优，可在一定程度上缓解干旱情况，而当年水稻生育期降水量低于历史平均降水量时则相应递减评分等级。日光照方面多于往年均值5%以内均评为特优级，是因为较多的日照资源对于水稻生长是促进的，日照资源充足有利于水稻更好地发育生长及其品质形成，若当年水稻生育期日照时长低于历史平均日照时长则相应递减评分等级。

根据相关研究表明，气象災害影响效果仅占20%，故当年水稻低温冷害影响评分（β）总分为20分，各灾害级别对应评分见表5。

其中，具体级别判定方法参照前文分析确定如下指标：指标1，移栽期-成熟期平均气温<18 ℃;指标2，抽穗扬花期连续3 d以上平均气温<20 ℃;指标3，8月1日至9月1日≥10 ℃积温值<840 ℃，并结合孕穗期日最低温度≤15 ℃持续日数分析当年水稻低温冷害影响情况，具体分级方法见表6。

3 结果与分析

通过2010—2019年吴忠市水稻全生育期观测资料确定往年及当年各生育期具体时间段，再结合吴忠市气象观测自动站（站号53612）2010—2019年气象数据（积温数据通过日平均温度处理计算后得出）计算并汇总出宁夏水稻气候品质认证评价体系中所需数据，供后续评价使用。

3.1 当年水稻种植气候适宜性

吴忠市水稻种植区位于宁夏引黄灌区，拥有充足的水资源和光照资源，同时由于黄河上游雪山融水中富含矿物质，引黄河水灌溉水稻更使其营养物质含量丰富[28]。由于吴忠市水稻种植区属于引黄灌区，故吴忠水稻种植气候适宜性区划评价可遵循表2。2019年吴忠市各项气候适宜性参数具体为：7月平均最低温度为18.1 ℃，属最适宜区评分范围，单项得分100分;8月平均温度为23.1 ℃，属最适宜区评分范围，单项得分100分;水稻生育期（04-20—09-18）内≥10 ℃积温为3 241.6 ℃，属最适宜区评分范围，单项得分100分。综上所述，2019年吴忠市引黄灌区水稻种植气候适宜性区划得分（G）为100分。

3.2 当年水稻生长气候条件

3.2.1 水稻生长气候资源 2019年吴忠市水稻各生育期温度资源评分（X1）细则见表7，根据式（5）加权指数求和后得出吴忠市水稻生育期温度资源评分（X1）为90.25分。

2019年吴忠市水稻生育期降水量为 171.1 mm、日光照时长为1 116.3 h，2010—2018年水稻对应历史生育期平均值M、R分别为 163.2 mm、1 480.1 h，使用M、R具体值替换表4中对应值，并得出水稻生育期降雨资源评分（X2）、日光照资源评分（X3），评分细则见表8。

从表8可得出，2019年吴忠市水稻生育期降水量为171.1 mm，属良好级评分范围，故降水资源评分（X2）为70分;日光照时长为1 116.3 h，属偏低级评分范围，故日光照资源评分（X3）为50分。

综上，水稻生育期温度资源评分（X1）得分为90.25分、水稻生育期降水资源评分（X2）得分为70分、水稻生育期日光照资源评分（X3）得分为50分，故2019年吴忠市水稻生长气候资源评分（α）得分为80.18分。

3.2.2 水稻低温冷害影响评分 通过对2019年逐日最低温度、平均温度以及积温分析汇总（表6），选取的各指标值及评级情况如下：移栽-成熟期平均气温21.9 ℃，未达到低温冷害指标;抽穗-扬花期日平均气温<20 ℃的最大连续时间为2 d，未达到低温冻害指标; 08-01—09-01≥10 ℃积温值为714.6 ℃，达到低温冻害指标;孕穗期日最低温度≤15 ℃ 持续时间为0 d，未达到低温冻害指标。综上，根据表 6可得2019年低温冷害级别为轻级，即水稻低温冷害影响评分（β）为5分。同时由于水稻生长气候资源评分（α）得分为80.18分，故水稻当年生长气候条件得分（N）为75.18分。

3.3 模型认证结果分析

从上述分析可知，水稻种植气候适宜性区划得分（G）为100分，水稻当年生长气候条件得分（N）为75.18分，故2019年吴忠市引黄灌区水稻气候品质认证最终得分为82.6分，即气候品质等级为优级。从各项得分中可以看出，吴忠市引黄灌区对于种植水稻十分适宜，水稻各生育期的总体温度资源较好，但是降水量较高、日照时长过短，从而导致水稻降水资源评分以及日光照资源评分过低，以及遭遇轻度低温冷害影响，导致水稻气候品质认证为优而非特优。

4 结论

以2019年吴忠市引黄灌区水稻为对象，利用构建的水稻气候品质定量化认证模型对其进行气候品质等级认证，结果为优级。其中，模型在吴忠市引黄灌区水稻种植气候适宜性区划评分中打了满分，这与宁夏引黄灌区为全国仅次于新疆的水稻种植适宜区相符;水稻生育期温度资源评分中，模型打分较高，说明2019年宁夏引黄灌区水稻产量等不会有太大波动，且与该区产量等相关统计数据相吻合。水稻降水资源、日光照资源评分中，模型打分较低，说明该年该区水稻生育期内阴雨天较多，且已对水稻生长造成较大影响;水稻低温冷害影响情况评分中，模型评定灾害等级为轻级，说明该年水稻生育期内遭受低温胁迫，但影响程度尚在可接受范围，最终模型认证等级为优级，且得分为优级较低分，与宁夏吴忠市农业气象观测站分析记录相吻合。本研究构建的定量化气候品质认證模型在实际使用验证中，与实际数据基本吻合，证明了其实际可操作性。

本模型可为气象部门开发在线水稻气候品质认证平台提供理论基础。由于本研究针对区域仅为宁夏吴忠地区，且使用的气象资料年限较短，存在一定的局限性，其他地区应用本模型开展水稻气候品质认证相关工作时，还须根据当地特点对本模型部分参数进行本地化修订。

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