豫南地区油菜花期预报方法研究

庄若南

（1.信阳市茶叶气象重点实验室，河南 信阳 464000；2.信阳市气象局，河南 信阳 464000）

0 引言

近年来，随着人民生活水平和精神需求的不断提高，赏花旅游已成为人们外出旅游的主要方式之一。“牡丹花节”“樱花节”“油菜花节”等赏花节的举办日期与植物实际开花日期密切相关［1］。油菜花期又分为开花始期、普遍期、盛期和末期，游客在开花盛期前往观赏的效果最佳［2］。如果赏花节的举办时间较植物实际开花日期偏早或偏晚，游客的观赏感受也将有所下降［3］。

国外学者关于植物花期模拟和花期预测技术开展了大量的研究，主要包括：一是气候变化对植物花期的影响。在全球气候变暖的影响下，最近20 a来，几乎全部林木和农作物3—5月的发育期均有不同程度的提前［4］。在欧洲［5］、美国［6-7］和加拿大［8］，木本及农作物的春季物候期均提前了3~28 d；在日本，城市热岛效应会导致樱花开花期提前了1~8 d［9］。二是植物花期与气候要素的关系。根据物候学可知，光、温、水等是影响植物开花期早、晚的主要气候因子，气温是主导因子，降水量、空气相对湿度、光照强度和日照时数等对植物花期亦有影响［10-11］。三是植物花期的预测技术。如Morin等［12］预测了北美地区22种木本植物展叶始期在未来100 a间的变化情况。Ge等［13］发现在1952—2007年间有20种中国落叶阔叶林的始叶期平均提前了1.14 d/10 a。Hur等［14］利用全球和区域气候模式的季节预报，预测了1999—2008年间韩国的樱花、桃和梨的初花期。Chung等［15］应用温带落叶乔木物候模型，预测了华盛顿特区潮汐盆地和周边的大西洋中部各州樱花树（染井吉野、关山樱）的盛花期。

上述研究均为针对特定研究区域建立的油菜花期预报模型，但对非研究区域的油菜花期预报并不适用。目前，针对豫南地区油菜花期预报技术的研究仍处于空白。信阳作为河南省的油菜主产区，常年种植面积13.3万hm2左右，因此，开展豫南地区油菜开花期预报模型研究，找到适合本地的油菜花期预报方法，不仅能为政府相关部门制定决策提供科学依据，以及为油菜花节举办日期的确定提供决策依据［18-19］，而且还可以更好地推动乡村振兴，促进油菜花节旅游资源的开发和利用，由此带动当地旅游经济，进而促进当地经济社会的发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

信阳市位于河南省南部，为亚热带向暖温带过渡区域，同时具有亚热带气候和暖温带气候的部分特点，该地区季风气候显著，年平均温度15.2~15.6℃，≥10 ℃活动积温为4900~5200 ℃·d，年平均降水量为900~1300 mm，光、热、水资源匹配较为合理，且综合利用率高，区域内适合多种作物生长，油菜种植面积较大，约占河南省油菜面积的50%［20］。

1.2 资料来源

油菜的生育期资料主要来源于信阳市气象局和信阳市农业农村局，包括2010—2020年的油菜抽薹始期、开花始期、开花普遍期、开花盛期等生育期资料；气象资料为油菜观测站点的逐日平均气温资料，来自信阳市国家自动观测气象站(114°2′36″E、32°8′14″N)，时间序列为抽薹始期至开花盛期。利用2021—2022年信阳农业气象试验站观测的油菜生育期资料、逐日平均气温观测值进行预报效果检验。预报资料来自信阳市气象台逐日1~7 d或1~15 d的气温预报，并通过每日2次定时(02:00和14:00)气温预报的平均值来计算日平均气温。

1.3 研究方法

统计2010—2020年信阳市油菜逐年的生育期，包括抽薹内的各发育时段(始期、普遍期)、开花内的各发育时段(始期、普遍期、盛期)的日期，并求出各生育期的年平均日期。利用日平均气温计算抽薹始期至开花内各发育时段(始期、普遍期、盛期)、开花始期至开花内各发育时段(普遍期、盛期)的逐年有效积温，将计算得到的逐年有效积温进行求和与求平均值，得到各发育阶段的年平均有效积温，并将其作为预报指标，分别计算≥0、≥5、≥10 ℃的累积有效积温，计算公式为：

式（1）中，T为累积有效积温(℃·d)，Ti为日平均气温(℃)；t为有效积温计算的下限温度，取0、5、10 ℃，n为天数。

以站点实际观测的油菜抽薹始期和开花始期日期为基准，逐日计算实况日(实测抽薹始期或开花始期)至预报日的积温，再叠加预报日至未来15 d的积温，当积温达到或超过花期某发育时段(如始期、普遍期、盛期)的指标时，当日即为相应花期(始期、普遍期、盛期)的日期；若积温未达到相应的指标，则暂不考虑开花。

选取2021—2022年信阳市油菜开花各发育时段(始期、普遍期、盛期)开展逐日预报检验，对比下限温度分别为0、5、10 ℃预报指标的预测效果。为区分油菜花期模型存在的误差与预报数据误差，利用2021—2022年油菜抽薹始期至开花盛期期间的实测日平均气温再次对模型进行检验，对比2次检验的结果，得出最适宜的预报指标。

2 结果与分析

2.1 豫南地区油菜花期的特征

对2010—2020年信阳市农试站观测的油菜各年发育期时间进行统计，去除站点异常或缺失的数据，得到信阳市油菜抽薹至开花期发育期间隔日数并计算得到各时段的日期（表1、表2）。通过分析近10 a豫南地区油菜抽薹至开花各时段发育期间隔平均值和平均发育日期，由此可知：油菜在3月2日开始陆续抽薹，2.9 d后达到抽薹普遍期；抽薹普遍期至开花始期经历时间最长，为16.3 d；3月21日进入始花期，开花始期与普遍期间隔时间3.0 d，开花7.6 d后达到开花盛期。

两组治疗前神经功能评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；观察组治疗后神经功能缺损评分低于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1 2010—2020年豫南地区油菜抽薹至开花期间各发育期间隔日数 d

表2 2010—2020年豫南地区油菜抽薹至开花期各时段日期 月/日

各发育期间隔日数最大与最小之间相差4~17 d，其中，抽薹普遍期—开花始期之间的最大间隔为29 d，最小间隔为12 d，两者相差17 d。各发育期最早与最晚日期之间相差21~41 d，其中，最早抽薹始期在2月2日，最晚在3月14日，相差41 d；最早开花始期在3月8日，最晚在3月30日，相差22 d；开花盛期最早在3月16日，最晚在4月6日，相差21 d。

2.2 豫南地区油菜各发育阶段积温分析

计算2010—2020年信阳市油菜逐年在抽薹、开花各发育期时段内≥0、≥5、≥10 ℃积温，并分别求出≥0、≥5、≥10 ℃的积温在各发育时段内的年平均值(表3)。由豫南地区油菜在各发育阶段的年平均积温可知，油菜抽薹始期至开花盛期生长发育所需的积温最高(≥0 ℃)可达到310.3 ℃·d，开花始期至开花普遍期所需要的积温最少(≥0℃)只有39.2 ℃·d。从不同下限温度计算的豫南地区2010—2020年年平均积温来看，≥0、≥5、≥10℃的积温情况整体相似，但≥0 ℃的积温最高，≥5 ℃的积温次之。如从抽薹始期至开花盛期阶段，所需≥0 ℃的积温为310.3 ℃·d、≥5 ℃的积温为180.8 ℃·d、≥10 ℃的积温仅需72.1 ℃·d。

表3 2010—2020年豫南地区油菜发育时段 ≥0、≥5、≥10 ℃年平均积温 ℃·d

2.3 豫南地区油菜花期预报方法的建立

利用2.2中得到的抽薹始期至开花内各发育阶段(始期、普遍期、盛期)、开花始期至开花内各发育阶段(普遍期、盛期)的年平均积温作为油菜花期预报指标，根据油菜发育实际情况获取油菜抽薹始期和开花始期，再通过实测气温数据计算从抽薹始期、开花始期至当前预报日的实况积温，再累加1~15 d中期预报的平均气温求出总的积温，判断其是否达到开花(始期、普遍期、盛期)指标，从而确定从抽薹始期至开花各发育期、开花始期至开花各发育期的日期，综合2种预报结果后确定预报的油菜开花发育期的具体日期。

油菜开花期预报模型：

式（2）中，M为实际与模型的积温之差；T为模型指标；t分别取0、5和10 ℃。具体预报指标如表4所示。

表4 豫南地区油菜开花期预报模型指标 ℃·d

预报模型建立之后，从油菜抽薹始期开始，每天定时更新发育期实况、气温实况、气温预报数据，计算M值，当M值累加到大于0时，所对应的日期即为预报的相应油菜发育日期。

2.4 利用预报气温值进行预报与检验

利用上述油菜花期预报方法，选取≥0 ℃的积温指标，对2021年3月1—15日信阳市油菜开花发育期(始期、普遍期、盛期)开展逐日预报。将实际观测的发育期与每日预报的发育期日期进行对比分析，部分检验日预报的效果见图1。结果显示，总体预报效果较好，逐日预报结果都与实际发育期日相差±4 d之内，从抽薹始期开始预测的开花各发育期与实况相比提前了1~4 d；从开花始期开始预测的开花各发育期与实况相比发育期推迟1~2 d。

图1 2021年3月1—15日采用≥0 ℃积温指标预报开花各发育期与实际日期检验对比

采用≥10 ℃积温指标对2021年3月1—15日信阳地区油菜开花发育期(始期、普遍期、盛期)进行预报，并将实际观测的发育期与每日预报的发育期日期进行对比分析，部分检验日预报的效果如图2所示。结果发现，预报的开花各发育期结果与实况相差较大，最大误差可达-12 d，且在开花各发育期实测日期已经出现时，部分预报指标仍未达到。由此可知，≥10 ℃积温指标误差较大，因而不能实际运用于豫南地区油菜花期预报中。

图2 2021年3月1—15日采用≥10 ℃积温指标预报开花各发育期与实际日期检验对比

采用≥5 ℃积温指标对2021年3月1—15日信阳地区油菜开花发育期(始期、普遍期、盛期)进行预报，并将实际观测的发育期与每日预报的发育期日期进行对比分析，部分检验日预报的效果如图3所示。结果发现，大部分预报结论与实际发育期相比均有不同程度的提前，预报日期比实际日期延后的相对较少。从抽薹始期开始预报的开花始期较≥0 ℃积温指标预报效果相差不大；从抽薹始期开始预报的开花普遍期和开花盛期以及从开花始期开始预报的开花普遍期误差较小，最大误差为2 d，比采用≥0 ℃积温指标预测的效果好；从开花始期开始预测的开花盛期误差较≥0 ℃积温指标预报的大。整体来看，若需从开花始期预报开花盛期使用≥0 ℃积温指标预报结果较好，其他则使用≥5 ℃积温指标预测误差较小。

图3 2021年3月1—15日采用≥5 ℃积温指标预报开花各发育期与实际日期检验对比

采用≥0、≥5、≥10 ℃积温指标分别对2022年3月1—15日信阳地区油菜开花发育期(始期、普遍期、盛期)逐日进行预报，逐日对比开花各发育期预报和实况，结果发现，2022与2021年的预报结论整体相似。

2.5 利用实测气温值进行预报与检验

为区分油菜花期模型存在的误差与预报数据误差，利用2021—2022年抽薹始期至开花盛期的实测日平均气温再次对模型进行检验，2021年预报的效果如图4所示。结果发现，≥10 ℃的积温指标预报结果与实测发育期日期相差较大，故不再进行分析；≥5 ℃积温指标在从抽薹始期开始预测开花普遍期时的预报效果较好；≥0 ℃积温指标在从开花始期预测开花盛期时的预报效果较好，其他发育时段的预报效果基本一致。

图4 2021年采用≥0、≥5 ℃积温指标预报开花各发育期与实际日期检验对比

2022年预报效果如图5所示。结果发现，≥5℃积温指标在从抽薹始期开始预测开花始期时预报效果较好，≥0 ℃积温指标在从开花始期预测开花盛期时的预报效果较好，其他发育时段的预报效果基本一致。对比2021年与2022年检验结果可知，≥0 ℃积温指标在从开花始期预测开花盛期时预报效果较好，这与前期采用预报气温值检验时得出的结论一致，其他发育阶段≥0 ℃与≥5 ℃积温指标的预测结果基本一致，这与前期采用预报气温值检验时的结论不同。除从开花始期预测开花盛期外，采用预报气温值检验时有一定的误差，导致≥5 ℃积温指标的预报效果好于≥0 ℃。总的来看，排除气温预报存在的误差，采用≥0 ℃积温指标预报效果优于≥5、≥10 ℃。

图5 2022年采用≥0、≥5 ℃积温指标预报开花各发育期与实际日期检验对比

3 结论与讨论

近10 a来，豫南地区油菜平均在3月2日开始陆续抽薹，2.9 d后达到抽薹普遍期，抽薹普遍期至开花始期经历时间最长，为16.3 d；3月21日进入始花期，开花始期与普遍期间隔时间3.0 d，开花7.6 d后可达到开花盛期。各发育期的最早与最晚日期之间相差21~41 d，间隔日数的最大与最小之间相差4~17 d。

豫南地区油菜抽薹始期至开花盛期所需的积温最高(≥0 ℃)可达到310.3 ℃·d，开花始期至开花普遍期所需要的积温最少(≥0 ℃)只有39.2℃·d。3种指标的年平均积温情况整体相似，但≥0、≥5、≥10 ℃的积温依次降低。

通过2021—2022年春季部分时段花期预报结果检验看出，本文建立的预报模型的总体预报效果较好。其中，大部分预报结论与实际发育期相比均有不同程度的提前，预报结论比实际日期延后的相对较少。整体来看，≥10 ℃积温指标预报结果与实测发育期的日期相差较大。排除气温预报存在的误差，采用≥0 ℃积温指标的预报效果比采用≥5、≥10 ℃积温指标的好。由于农作物生育期资料不完整，预报和检验站点数量不多，且油菜花期的早晚还与日照、降水等气象因子有关，但本预报方法未考虑其他气象因子的影响，所以预报结果与实际相比可能存在一定的差异。