麦收期连阴雨对信阳市小麦籽粒品质和产量影响分析

庄若南, 李雨农, 张占魁, 杨慧洁

(1.信阳市茶叶气象重点实验室,河南 信阳 464000; 2.信阳市农业气象试验站,河南 信阳 464100; 3.信阳市气象台,河南 信阳 464000)

引 言

IPCC第6次评估报告指出,气候变化背景下极端高温、干旱和洪水等气候影响驱动因素(climate impact drivers,CIDs)的发生强度和频率增加,加剧了粮食生产的不安全[1]。连阴雨是极端天气的典型表现形式,常伴有低温、寡照、渍涝等。频繁的连阴雨天气不仅影响着小麦的播种与生殖过程,还影响小麦的收割、晾晒及储运,引发小麦倒伏、籽粒脱落、发芽、霉变等现象,导致粮食生产的丰产不丰收的局面[2]。信阳地处亚热带和暖温带过渡地带,对气候变化的响应较为敏感[3]。冬小麦是信阳地区的主要粮食作物之一,其成熟期与雨季开始期高度契合,连阴雨是除干旱外信阳地区农业气象灾害中的首要灾害性天气[4]。由于阴雨天气导致小麦不能及时收获或无法及时晾晒而引起籽粒发芽霉变,对小麦产量和品质造成了严重的影响[5-6]。

目前针对连阴雨对作物影响的研究主要有以下两个方面:一是侧重于研究作物生长发育关键阶段连阴雨的灾害影响[7-10]。李德等[7]采用主成分分析法构建连阴雨综合致灾因子,建立冬小麦灌浆期连阴雨灾害综合风险指数,对安徽淮北平原冬小麦灌浆期间的连阴雨灾害风险进行了划分。二是侧重于研究连阴雨形成原因、气候背景、时空分布变化特征等方面[11-15]。杜明哲等[16]利用统计分析、神经网络技术,分析了河南区域秋季连阴雨的时空分布特征。

大量研究证明,小麦籽粒发芽是遗传、生理和环境共同作用的结果[17-22]。小麦成熟阶段降水与其籽粒发芽霉变有必然联系,其他阶段的气象条件相对影响较小。高剑波等[22]认为小麦收获阶段遇连阴雨天气,就可能导致籽粒发芽的出现,并且成熟度越高,阴雨持续时间越长,田间湿度越大,籽粒发芽就越严重。李林繁[17]认为小麦成熟期只要温度和湿度达到了一定的条件,就会引发穗发芽。张彦波等[19]认为影响穗发芽的环境因素有光照、温度和水分。

信阳地区关于连阴雨对冬小麦的影响主要以分析小麦品种、遗传特性为主,涉及连阴雨对小麦籽粒发芽霉变的研究较少。据河南省近34年的统计,由连阴雨导致的小麦发芽霉变几乎每年都有不同程度的发生,且呈现加重趋势,尤其在豫南小麦地区,大面积发芽霉变发生达三年一遇[18,23-25]。因此,研究信阳地区小麦收获期连阴雨对籽粒发芽霉变的影响具有重要的现实意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

信阳位于河南省最南部,地处113°45′-115°55′E、30°23′-32°27′N,跨我国地理气候分界线,南部为北亚热带季风性湿润气候,北部为暖温带季风性半湿润气候(图1)。四季分明,夏季湿热,冬季干冷,春秋凉爽,降水丰沛,雨热同期。信阳年平均气温为15.9 ℃,年降水量为1079.3 mm,年日照时数为1779.5 h,极端最高气温为41.7 ℃,极端最低气温为-21.4 ℃。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,常年种植冬小麦面积为31.1 万hm2左右,约占河南省冬小麦种植面积的6%。

图1 研究区概况图

1.2 资料来源

小麦的生育期资料来源于信阳市气象局和信阳市农业农村局,包括1981-2023年的小麦成熟收获期生育期资料;小麦的产量数据主要来自信阳市统计局,包括1990年、1991年、2012年、2013年、2022年和2023年小麦单产数据;小麦籽粒发芽霉变数据源于河南优质小麦品质气象预报联合试验,由信阳农业气象试验站于2023年5月31日测定,其中播期2为正常播期,扬麦15为信阳本地主栽品种,相邻播期间隔10天。

气象资料为小麦观测站点1961-2022年的逐日降水量资料,信阳市2023年5月26-30日MICAPS资料,地面观测资料来自信阳市各县区国家自动观测气象站,时间序列为1961-2023年的5月中旬至6月上旬。

1.3 研究方法

根据信阳市实际情况,定义一次麦收期连阴雨过程为连续阴雨日≥5 d(日降水量≥0.1 mm)且过程累计降水量≥50 mm,其中允许有1 d无降水(或有微量降水)但日照时数须≤2 h[12,25]。

(1)根据麦收期连阴雨指标,得出1961-2022年信阳市麦收期连阴雨的发生年份、发生日期、持续天数和累计雨量,分析62年信阳市小麦麦收期连阴雨气象灾害发生特征。

(2)利用2023年5月26-30日信阳市9个国家气象站的观测资料与MICAPS资料,分析了2023年信阳市麦收期连阴雨过程。

(3)根据2023年信阳市麦收期连阴雨期间的逐日降水量、日平均日照时数和日平均空气相对湿度等气象观测要素,分析2023年信阳市麦收期连阴雨对小麦籽粒发芽霉变的影响。

(4)结合信阳市62年不同时段连阴雨对小麦产量影响、小麦发芽霉变率和小麦产量增减情况等,分析总结麦收期连阴雨对小麦产量品质的影响规律。

2 结果与分析

2.1 信阳市1961-2022年麦收期连阴雨发生特征

选取1961-2022年信阳市国家气象观测站日降水量气象资料,去除站点异常或缺失的数据,以信阳市小麦常年成熟收获时段5月11日至6月10日为标准,按照麦收期连阴雨指标进行分析,得到信阳市62年麦收期连阴雨分布特征,具体结果见表1。通过分析信阳市1961-2022年麦收期连阴雨发生年份可知,1961-2022年信阳地区共发生麦收期连阴雨11次,发生频率为1.8 次/(10年)。其中,1961-1970年发生2次,1971-1980年发生3次,1981-1990年发生2次,1991-2000年发生2次,2001-2010年发生1次,2011-2022年发生1次,信阳地区麦收期连阴雨在21世纪后发生频率减小。通过分析信阳市1961-2022年麦收期连阴雨发生日期可知,5月中旬共发生3次,5月中旬到5月下旬发生2次,5月下旬发生4次,5月下旬到6月上旬发生2次,6月上旬发生 0 次。由此可见,信阳地区麦收期连阴雨在5月下旬发生的概率最大,占总发生次数的36%,6月上旬发生的概率最小。通过分析信阳市1961-2022年麦收期连阴雨持续天数和过程累计降水量可知,信阳地区麦收期连阴雨持续天数为5～8 d,平均持续天数为6 d,累计降水量为70.6～132.2 mm,平均过程累计降水量为100.1 mm。

表1 信阳市1961-2022年麦收期连阴雨分布特征

2.2 信阳市2023年麦收期连阴雨气象条件分析

2.2.1 信阳市2023年麦收期连阴雨天气过程变化

信阳市2023年麦收期连阴雨出现在5月26-30日,过程持续时间共5 d,降水覆盖全市,为一次明显的区域性连阴雨。过程最大降水量为商城县黄柏山的139.3 mm,降水分布如图2,各县(区)国家气象站降水实况分析见表2。由表2可知,此次过程从5月26日开始,持续至5月30日,中间有一天间歇。过程以小到中雨为主,局部有大到暴雨。降水量分布呈南北大、东西小,全市平均降水量为40.3 mm,是常年同期的(16.5 mm)2倍以上。各县区雨日4～5 d,除光山、新县外,其他县区均为1961年以来同期最多。

表2 2023年5月26-30日各县(区)国家气象站降水实况

图2 2023年5月25日20时—30日20时信阳市降水实况图

2.2.2 环流形势及影响系统分析

2023年5月26日08:00,200 hPa上信阳位于副热带西风急流右侧上升辐散区,南亚高压稳定维持;500 hPa 40°N以北地区呈现两槽一脊的环流特征,西北太平洋副热带高压呈东西带状,菲律宾以东洋面有一台风生成,四川盆地至内蒙古有一低槽,信阳上空为槽前西南气流控制。中低层有西南急流和切变线,其中700 hPa西南急流中心风速为16 m/s,信阳位于急流出口区,比湿为9 g/kg以上,四川盆地至豫西山区有一切变线。850 hPa西南急流中心风速为20 m/s,信阳位于切变线北侧,比湿为15 g/kg。26-29日南亚高压稳定维持,台风先西折后北上迫使副高北推,低槽东移加深,同时中低层西南急流北伸,切变线逐渐逼近并影响信阳;30日20:00后低槽和切变线移出,信阳受槽后西北气流控制,连阴雨过程结束(图3)。

图3 2023年5月26日200 hPa(a)、500 hPa(b)高度场和风场及700 hPa(c)、850 hPa(d)高度场、风场和比湿高度单位:10-1dagpm,风速单位:m/s,比湿单位:g/kg

综上所述,此次连阴雨过程为北脊南槽型连阴雨过程:中高纬度维持两槽一脊特征,脊在乌拉尔山与贝加尔湖之间,咸海、里海一带为低槽或冷涡,远东地区到朝鲜为平底槽,南亚高压稳定维持,四川盆地东侧低槽东移加强。信阳受槽前西南气流控制,700 hPa和850 hPa的低空急流和切变线持续影响至30日白天。稳定的环流形式配合低层持续的天气系统是导致连阴雨天气持续时间长、雨量大的主要原因。

2.3 信阳市2023年麦收期连阴雨对小麦籽粒发芽霉变的影响

2023年5月下旬,信阳市遭遇大范围连阴雨天气过程,降水与当地小麦成熟收获期高度重合。根据农情调度显示,受降水影响,5月31日前小麦收获基本停滞。降水结束后,6月1日为收获高峰期,6月3日收获完毕。此次连阴雨过程持续时间长,累计降水量大,日照时数严重偏少,相对湿度严重偏高,对信阳小麦产量及品质造成了严重影响,经调查信阳农业气象试验站试验田小麦籽粒发芽霉变情况见表3。

表3 信阳农业气象试验站试验田小麦籽粒发芽霉变情况调查

就霉变率而言,扬麦15与新麦26的霉变率随着播期推迟整体呈现出增长的趋势。新麦26霉变率在播期4达到最大值,且与播期1、播期2、播期3有显著差异;扬麦15霉变率在播期2达到最大值,且与播期1有显著差异,播期3、播期4与播期1之间差异不显著。除播期4扬麦15的霉变率小于新麦26的外,播期1、播期2、播期3扬麦15的霉变率均高于新麦的。

就发芽率而言,新麦26各个播期间发芽率接近,且不显著;扬麦15发芽率随着播期推迟整体呈现出递减的趋势,扬麦15发芽率在播期2达到最大,与播期3有显著差异,与播期1、播期4无显著差异,播期3与播期4有显著差异,与播期1无显著差异。新麦26各个播期的发芽率均高于扬麦15的。

2.4 不同时段连阴雨对小麦产量的影响

1991年5月21-26日和5月28日-6月4日信阳地区出现麦收期连阴雨天气,降水日数分别为6 d和8 d,累计降水量分别为104.4 mm和93.7 mm。将2023年与1991年连阴雨典型年份对比可知,1991年5月下旬和6月上旬麦收期连阴雨降水量和范围均大于2023年的,2023年6月上旬信阳地区天气好转,但1991年连阴雨持续到6月4日且基本覆盖收获期,导致小麦严重减产且品质下降,单产较1990年下降50.85%。

2013年5月25-30日信阳地区出现麦收期连阴雨天气,持续降水天数为6 d,累计降水量为121.3 mm。将2023年与2013年连阴雨典型年份对比可知,2013年降水量级和范围均大于2023年的,2013年阴雨日数比2023年多1 d,但明显少于1991年的,并且2013年小麦成熟期偏晚,阴雨时段与小麦成熟收获期重叠度较小,但仍造成减产,单产较2012年的下降1.68%。

3 结论与讨论

3.1 结 论

(1)1961-2022年信阳地区共发生麦收期连阴雨11次,发生频率为1.8次/(10年)。连阴雨在21世纪后发生频率减小。信阳地区麦收期连阴雨在5月下旬发生的概率最大,占总发生次数的36%,6月上旬发生的概率最小。连阴雨持续天数为5～8 d,平均持续天数为6 d;累计降水量为70.6～132.2 mm,平均过程累计降水量为100.1 mm。

(2)2023年信阳市连阴雨天气过程为北脊南槽型连阴雨过程:中高纬度维持两槽一脊特征,脊在乌拉尔山与贝加尔湖之间,咸海、里海一带为低槽或冷涡,远东地区到朝鲜为平底槽,南亚高压稳定维持,四川盆地东侧低槽东移加强。在稳定的环流形式,持续的低槽、低空急流及切变线等系统共同作用下,导致连阴雨天气持续时间长、过程雨量大。

(3)2023年信阳市连阴雨过程持续时间长,累计降水量大,日照时数严重偏少,相对湿度严重偏高。同一品种相比,晚播小麦其霉变情况与早播小麦相比略重,晚熟品种发芽情况各个播期之间基本相似,早熟品种发芽情况随着播期推迟而逐渐变轻;同一播期相比,早熟品种霉变情况与晚熟品种相比略重,随着播期的推迟,霉变率逐渐趋于一致,早熟品种发芽情况明显重于晚熟品种的。

(4)连阴雨日数如与冬小麦成熟收获期重叠度较高,将导致小麦严重减产且品质下降,如大部分小麦未进入成熟收获期,阴雨时段与小麦成熟收获期重叠度较小,仍将造成减产,但减产幅度整体较小。

3.2 讨 论

种植不同品种的小麦、应用化学试剂调控及加强栽培管理等措施,可减弱麦收期连阴雨对信阳市冬小麦的影响,是调控产量和品质的重要原因。本文根据信阳市实际种植情况,提出以下三点意见。

(1)选用高抗性品种

加强小麦遗传机理研究,选育抗籽粒发芽霉变品种,特别是白皮小麦品种,应充分考虑当地气候、生态特点,充分认识该地区小麦品种适应性,选用在当地表现较好的抗性品种(如扬麦15),进行合理布局。

(2)应用化学调控制剂

选用多效唑和穗萌抑制剂,在小麦开花后一定时期内喷施,对籽粒发芽抑制效果分别可达60%和80%左右。还可从植物源天然物质中提取发芽抑制物质,在小麦抽穗后不同时期喷施,对成熟期籽粒发芽抑制率最高可达88.81%,且喷施后对农艺性状和种子质量无不良影响。

(3)加强栽培管理

一是适期早播,合理密植。通过播期调节小麦生育进程,使小麦成熟期避开雨季高峰,适时收获。二是建好田间配套沟系,确保灌排畅通,以降低田间湿度,减少籽粒发芽霉变发生条件。三是合理肥料运筹,防止肥料施用过迟过多而造成贪青晚熟。四是采取一些生化壮苗制剂,降低植株高度,防止倒伏。

由于观测小麦发芽霉变数据站点较少,资料不完整,本论文结论存在一定的局限性,与实际相比可能存在一定的差异,后续将继续完善资料,开展更深一步的研究。