内蒙古兴安盟水稻气候适宜度模型构建及检验

高红霞　孙荣宇　李倩文

摘  要：利用兴安盟科右前旗农业气象观测站2010年～2022年逐日气象资料和水稻生育期观测资料，以温度、日照时数为影响因子，构建了以日为尺度的兴安盟水稻综合气候适宜度评价模型。首先结合兴安盟实际情况，对水稻温度和日照气候适宜度函数的参数进行修订，然后采用熵权法确定了二者的权重系数。最后使用该模型对科右前旗历年水稻从移栽至成熟期间的逐日气候适宜度进行了计算，同时计算出历年全生育期综合气候适宜度，并将水稻历年气象产量与全生育期综合气候适宜度进行相关分析。结果显示二者显著正相关，且在0.05置信水平上等级相关，表明该模型能够较好地反映出兴安盟气象条件对水稻生长状况的影响，可以用来评价兴安盟水稻生长的气候适宜度情况。

关键词：水稻;气候适宜度模型;熵权法;兴安盟

Construction and Test of Rice Climate Suitability Model

in Xingan League of Inner Mongolia

GAO Hong-xia ， SUN Rong-yu ， LI Qian-wen

（ Xingan League Meteorological Bureau， Ulanhot， Inner Mongolia 137400， China）

Abstract： Using the daily meteorological data and growth period observation data of Horqin Right Front Banner Agricultural Observation Station in Xingan League from 2010 to 2022， taking temperature and sunshine hours as influencing factors， an evaluation model of rice climate suitability in Xingan League on a daily scale was constructed. First， the parameters of rice temperature and sunshine climate suitability function were revised according to the actual situation of Xingan League， and then the weight coefficients of temperature and sunshine were determined by entropy weight method. Finally， the model was used to calculate the daily climate suitability of rice from transplanting to maturity over the years in Horqin Right Front Banner， and the whole growth period climate suitability were calculated. The correlation analysis between the comprehensive climate suitability of the whole growth period and the meteorological yield of rice over the years shows that they are significantly positive correlation， and the grade correlation is at the 0.05 confidence level. These shows that the model can better reflect the impact of meteorological conditions on rice growth in Xingan League， and can be used to evaluate the climate suitability of rice growth in Xingan League.

Key words： Rice; Climate suitability model; Entropy weight method; Xingan League

興安盟位于内蒙古东北部大兴安岭南麓生态圈，地处黑龙江、吉林、内蒙古三省区交界处的“中国稻米金三角”，属于北纬46度“寒地水稻黄金带”。兴安盟水稻种植广泛，是内蒙古重要的稻米生产基地。随着农业和农村经济的发展，传统的农业气象服务内容，已经不能适应新农村建设的需要。面对新的形势需开展更科学、更定量化的农业气象服务，为农业生产提供更有力的气象保障。

气候适宜度是综合反映光、温、水等气象条件对作物生长发育的适宜程度[1]。近年来国内学者对气候适宜度进行了大量研究，研究对象从以往的玉米[2-7]、小麦[8，9]、水稻[10-15]等大田作物，逐渐延伸到茶叶、烤烟等特色作物[16，17]。研究的时间尺度也从生育期、旬逐渐细化到日尺度。相关成果也被广泛应用到农作物生长评价、生育期预报、作物产量年景预测等方面。但是不同作物在同一地区以及同种作物在不同地区的种植方式以及适宜程度都是不同的，在实际应用中需结合当地的气候特点和生产情况进行本地化。本文结合兴安盟水稻生产实际，对已有的气候适宜度模型的参数进行修订和改进，构建了基于日尺度的兴安盟水稻气候适宜度评价模型及指标。

1  资料与方法

1.1  资料来源

兴安盟水稻主要种植区域位于东北部，因此本研究采用科右前旗气象局农业气象观测站2010年～2022年的水稻生育期观测数据以及同期的日平均气温、日照时数、水稻观测地段产量数据为主要分析资料，并以扎赉特旗气象局和乌兰浩特市气象局2017年～2021年的水稻生长对比观测试验数据为补充（主要用于气候适宜度函数中相关参数的确定），以此构建兴安盟水稻气候适宜度评价模型。

1.2  气象产量提取

作物产量不仅与气象因子有关，还与社会经济发展、品种更新等有关。因此，在长时间序列的作物产量与气象因子关系的研究中，一般把作物产量分解为趋势产量、气象产量和随机误差[18]。随机误差因其基本无规律可循，故不计入方程中。因此，作物产量构成常表示为：

式中Yt为趋势产量，Yw为气象产量。气象产量是指受气象因子变化影响的产量分量，为了估算这部分产量，需要从产量序列中提取出趋势产量。目前较常用的趋势产量模拟方法为滑动平均法，本文采用该方法提取历年水稻的趋势产量。

1.3  熵权法

本文采用熵权法确定相关气象要素及生育期权重。作为一种客观赋权法，熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定权重。若某个指标的信息熵越小，表明指标的差异程度越大，提供给决策者的信息量就越多，在综合评价中的权重也就越大。反之，其权重也就越小[19]。首先，根据信息论中信息熵的定义，计算相关指标的信息熵（式2），其次，通过信息熵计算各指标的权重（式3）。

式（2）中          ，如果pij =0，则定义             ，Ej为第j个指标的信息熵，n为第j个指标的样本数。式（3）中Wi为第i个指标的权重，k为指标总数。

2  模型建立及检验

2.1  模型建立

兴安盟水稻实行棚内育秧，适期移栽的种植模式。播种至移栽期间受外界气象条件的影响较小，同时兴安盟水稻移栽后的水分需求以灌溉为主，采用浅湿干交替的人为调控方式。因此，本文主要研究水稻移栽后温度和日照对其生长的影响。根据兴安盟水稻生长观测实际，文中将生育期分为移栽-返青期、返青-分蘖期、分蘖-拔节期、拔节-抽穗期、抽穗-乳熟期和乳熟-成熟期，共6个生育阶段。然后以历年各生育期期间的日气象要素为基础，建立兴安盟水稻日温度适宜度函数和日照适宜度函数。

2.1.1  温度适宜度函数  根据前人的研究[20]，并结合兴安盟水稻生产实际，确定温度适宜度函数如下：

其中，ti为某日平均气温，t0，tl，th分别为水稻某日所需的最适温度、下限温度和上限温度。文中水稻各生育期所需三基点温度参考了相关文献[11]，并结合兴安盟实际进行了订正，具体取值见表1。然后采用多项式拟合的方法，计算出水稻移栽至成熟逐日最适温度、下限温度和上限温度。

2.1.2  日照适宜度函数  研究表明[21]，当日照时数达到可照时数的70%以上时，作物对光照的反应处于最适状态，相应日照适宜度函数为：

F（s）i为日日照适宜度函数，S为某日实际日照时数，S0为当日可照时数的70%，其计算公式如（6）所示。b为常数，其参考取值见表1。

上式中Φ为地理纬度，δ为赤纬，γ为蒙气差，t为时角。

2.1.3  日综合气候适宜度模型  水稻每日的综合气候适宜度是气温、水分和日照等气象要素综合作用的结果。由于水分以灌溉为主，因此认为水稻生长过程中水分条件一直是适宜的，文中主要考虑气温和日照的影响。为客观反映不同气象因子对水稻生长发育的影响程度，以科右前旗历年水稻温度适宜度和日照适宜度序列为基础，采用熵权法計算得出气温和日照的权重系数。由此得出水稻日综合气候适宜度公式如下：

F（c）i为水稻某日综合气候适宜度，F（t）i、F（s）i分别为该日温度适宜度和日照适宜度。a、b为相应权重系数，经计算a为0.24，b为0.76。

2.1.4  全生育期综合气候适宜度模型  由于不同生育期对水稻生长及产量的影响程度不同，文中将各生育期的综合气候适宜度加权求和，得出水稻全生育期的综合气候适宜度。

F（c）为水稻当年全生育期综合气候适宜度，F（ci）为该年某生育期综合气候适宜度，Ki为各生育期权重系数，采用熵权法确定，具体权重值见表2，n为全生育期包含的生育期数目，本文中为6。

2.2  模型的检验

2.2.1  检验方法  为了检验所构建的气候适宜度模型，能否客观地评价气象条件对水稻生长的影响。本文利用科右前旗农业气象观测站的气象资料和水稻生育期观测资料，计算了2010年～2022年水稻移栽至成熟期间的全生育期综合气候适宜度，然后将历年全生育期综合气候适宜度与对应年份的气象产量做相关性分析，如果二者相关性较高，则表明模型能够较好地反映出气象条件对水稻生长状况的影响。

2.2.2  检验结果  本文对科右前旗2010年～2022年的全生育期综合气候适宜度与相应年份的气象产量进行相关性分析，同时，计算了二者的秩相关系数（表3），结果表明水稻气象产量与综合气候适宜度显著正相关，且在0.05置信水平上等级相关。表明该模型能够较好地反映出兴安盟气象条件对水稻生长状况的影响，可以用来评价兴安盟水稻生长的气候适宜度情况。

2.3  气候适宜度评价指标

本文参考前人的研究结果[4]，采用数学统计方法对科右前旗农业气象观测站2010年～2022年的逐日气候适宜度由低到高进行排序，得到13个水稻气候适宜度序列，即S1，S2......S13。分别将日气候适宜度序列中的S3（前20%），S7（中值）和S11（后20%）作为不适宜、较适宜和适宜的评价指标。

由图1可以看出，在水稻移栽至拔節期间“不适宜”指标变化幅度较大，“较适宜”和“适宜”指标变化较为平缓，此时正值春末夏初，兴安盟气温变化较为频繁，不适宜的气象条件出现较多，对移栽后水稻正常生长影响较大;拔节至抽穗期（移栽后50～75 d），“不适宜”和“适宜”指标变化较小，分别在0.0～0.3和0.9～1.0之间变化，表明此阶段的气象条件较利于水稻的正常生长;抽穗至成熟期（移栽后76～112 d）“不适宜”指标波动较大，在0.0～0.5之间变化，“较适宜”指标在0.6～0.8，“适宜”指标在0.8～1.0（表4），说明此期间，兴安盟的整体气象条件较利于水稻的灌浆成熟，但是入秋后气温开始下降，个别年份会出现气温较低，不适宜水稻成熟的情况。

3  结论与讨论

3.1  结论

气象条件对农作物生长的适宜程度是个模糊的概念，适宜用模糊数学函数来表达。由于兴安盟地区水稻生产过程中的水分条件，主要采用浅湿干交替的人工控制模式，在水稻生长过程中水分条件都是适宜的。因此，本文在前人研究的基础上，综合考虑了气温和日照对兴安盟水稻生长的影响，建立了基于日尺度的兴安盟水稻综合气候适宜度评价模型。首先，通过查阅文献，并结合兴安盟历年水稻观测数据，确定了兴安盟水稻主要生育期的三基点温度，并对日照适宜度函数的参数进行了确定;其次，通过模糊隶属函数建立了水稻温度适宜度函数和日照适宜度函数，并采用熵权法确定了二者的权重系数，在此基础上构建了兴安盟水稻日综合气候适宜度评价模型和水稻全生育期综合气候适宜度评价模型。经检验，模型计算结果与水稻气象产量的相关性较高，表明该模型能够较好地反映出兴安盟气象条件对水稻生长状况的影响，可以用来评价兴安盟水稻生长的气候适宜度情况;最后，采用数学统计方法，建立了兴安盟水稻综合气候适宜度评价指标。

3.2  讨论

农业气象服务中需要评价气象条件对农作物生长的影响，以往的评价多以定性分析为主。随着气象现代化的不断推进，对农业气象工作提出了更高的要求。近几年多地针对当地特色农作物开展了气候适宜性方面的研究，以更定量化地分析气象条件对农作物生长的影响，开展更科学的农业气象服务。

兴安盟是内蒙古自治区稻米的主产区，随着稻米品牌的不断升级，各旗县水稻种植面积趋于增加，但当地针对水稻的气象服务基本空白，很多农业气象问题没有解决。因此，本文采用气候适宜度方法，较深入地研究了气象条件对兴安盟水稻生长发育的影响，以期为当地合理安排水稻生产和发展水稻种植业提供一定依据。但是，农作物的生长不仅受气象条件影响，还受品种、种植方式等的影响。因此，有必要进一步结合品种类型、栽培技术等因素开展更准确、更精细化的研究。

参考文献：

[1] 魏瑞江，王鑫.气候适宜度国内外研究进展及展望[J].地球科学进展，2019，34（6）：584-595.

[2] 姚小英，蒲金涌，姚茹莘，等.气候暖干化背景下甘肃旱作区玉米气候适宜性变化[J].地理学报，2011，66（1）：59-67.

[3] 宫丽娟，王晨轶，王萍，等.东北三省玉米气候适宜度变化分析[J].玉米科学，2013，21（5）：140-146.

[4] 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.

[5] 李树岩，陈怀亮.河南省夏玉米气候适宜性评价[J].干旱气象，2014，32（5）：751-759.

[6] 王展，刘荣花，薛明，等.基于气候适宜度的夏玉米发育期模拟模型[J].气象科学，2015，35（1）：77-82.

[7] 高红霞，武荣胜，刘洋.内蒙古兴安盟玉米气候适宜度模型构建[J].内蒙古农业大学学报：自然科学版，2017，38（1）：23-28.

[8] 张佩，田娜，赵会颖，等.江苏省冬小麦气候适宜度动态模型建立及应用[J].气象科学，2015，35（4）：468-473.

[9] 王胜，田红，党修伍，等.安徽淮北平原冬小麦气候适宜度分析及作物年景评估[J].气候变化研究进展，2017，13（3）253-261.

[10] 谭孟祥，景元书，曹海宁.江苏省一季稻生长季气候适宜度及其变化趋势分析[J].江苏农业科学，2016，44（1）：349-353.

[11] 胡春丽，陈鹏狮，王婉昭，等.辽宁水稻气候适宜度变化特征及其对区域气候变暖的响应[J].江西农业学报，2021，33（7）：13-18.

[12] 徐敏，吴洪颜，张佩，等.基于气候适宜度的江苏水稻气候年景预测方法[J].气象，2018，44（9）：1200-1207.

[13] 黄淑娥，田俊，吴慧峻，等.江西省双季水稻生长季气候适宜度评价分析[J].中国农业气象，2012，33（4）：527-533.

[14] 孙科，娄伟平，朱晓晨.绍兴市水稻气候适宜度精细化分布特征[J].浙江农业科学，2019，60（2）：331-336.

[15] 黄维，杨沈斌，陈德，等.苏皖鄂地区一季稻气候适宜度模型的构建[J].江苏农业科学，2017，45（2）：232-238.

[16] 余会康.闽东茶叶气候适宜度变化特征[J]. 山地学报，2016，34（4）：415-424.

[17] 何永坤，张建平.渝东地区烤烟气候适宜度及其变化特征研究[J].西南大学学报：自然科学版，2014，36（9）：140-146.

[18] 房世波.分离趋势产量和气候产量的方法探讨[J].自然灾害学报，2011，20（6）：13-18.

[19] 贾艳红，赵军，南忠仁，等.基于熵权法的草原生态安全评价[J].生态学杂志，2006，25（8）：1003-1008.

[20] 马树庆.气候变化对东北区粮食产量的影响及其适应性对策[J].气象学报，1996，54（4）：484-492.

[21] 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.

基金项目：内蒙古气象局引导性创新项目（nmqxydcx202208）。

收稿日期：2023-02-02

作者简介：高红霞（1982-），高级工程师，硕士，主要从事农业气象与生态监测方面的研究工作。