基于作物生长模型的东北玉米冷害监测预测

在全球气候变暖背景下,东北地区的气温明显上升,但由于存在玉米相对晚熟品种越区(北扩)种植现象,区域性和阶段性的玉米低温冷害仍时有发生。因此,开展东北玉米低温冷害监测预测研究仍十分必要。本文首先利用东北玉米生长模型(NEC_MaGM)构造冷害监测指标,然后开展玉米冷害监测预测方法研究并进行个例分析。结果显示,从不利天气条件和玉米对低温响应两方面遴选的8个单项指标中,以指标2(DC_Tas9,抽雄期到9月底的累积热量单位与同期多年平均值的差值百分率)和指标1(DN_Tas,当年抽雄期与多年平均抽雄期的差值)对历史玉米冷害的概括能力最强;根据冷害致灾机理、单一指标的历史概括能力及其独立性等因素,构建了由指标1、2以及指标4(DW_GrS,水分适宜条件下模拟穗重与多年平均穗重的差值百分率)和指标7(DW_Fro,初霜冻日时模拟穗重与模拟成熟时穗重的差值百分率)组合而成的东北玉米低温冷害综合指标;基于NEC_MaGM和冷害综合指标进行单点冷害监测,确定了若45%以上站点出现玉米冷害即为区域性冷害的标准,独立样本监测检验与实际情况一致;利用NEC_MaGM在网格尺度上的监测可以得到更详细的冷害空间分布状况,有利于开展农业气象业务服务工作;根据前期天气实况加上区域气候模式预测的气象要素数据,再结合预报时效之后的多年平均气候数据,在格点尺度利用NEC_MaGM可以实现对东北玉米低温冷害的预测。预测个例表明,该方法能够反映冷害的形成过程和严重程度,但其准确性不仅与作物模型有关,还依赖于区域气候模式的模拟能力。

基于积温距平的玉米冷害动态评估及其与玉米产量的关系

利用1980-2014年黑龙江省15个玉米农业气象观测站的资料,基于中华人民共和国玉米冷害评估气象行业标准规定的≥10℃积温距平指标,对玉米3个发育关键时期出苗-七叶期、出苗-抽雄期、出苗-乳熟期的冷害进行动态判识,并分析其时空演变特征,同时应用统计方法分析积温距平与玉米实际单产的关系。研究结果表明：①1980-2014年间,玉米3个发育时期内的冷害年数在7～17年之间,冷害发生对气候变暖趋势具有明显的响应;②1980-2014年间研究区玉米3个发育时期冷害的发生随时间呈减少趋势,1990年代中期以前为高发期,之后冷害发生频率下降。空间分布上,冷害呈现北多南少特征,并具有群发性、区域性和局地性特点;③1980-2014年间,研究区玉米3个发育时期的≥10℃积温距平具有16年左右的周期变化,总体表现为1995年以前偏冷,之后偏暖,其中玉米出苗-七叶期积温距平存在最近几年偏冷的趋势;④研究区67%的站点≥10℃积温距平与玉米实际单产存在显著或极显著的相关关系,积温距平为100～200℃·d,利于玉米高产;⑤≥10℃积温距平指标赋予玉米冷害判识指标生物学和农学意义,充分表征玉米不同发育时期热量需求与供给的关系,有效提升作物冷害判识的客观性。

我国东北地区玉米冷害风险评估

根据年平均寒积温水平,将东北地区的玉米冷害分成4个区域。在分析各冷害区域年寒积温距平与年减产率关系的基础上,确定东北地区各地无冷害影响年、一般冷害年、严重冷害年的年寒积温距平指标。将危险度、脆弱度和暴露度作为冷害风险的评估因子,建立了冷害风险评估指标体系,并应用层次分析法对各指标赋予权重。建立了冷害危险度与年平均寒积温的回归方程,利用地理因子构建了年平均寒积温空间格点化模型,应用地理信息系统推算东北地区玉米冷害危险度,由危险度、脆弱度和暴露度得到我国东北地区玉米冷害风险指数,并开展风险评估。结果表明:东北地区的玉米冷害风险空间分布呈北侧和南部低、东部中等、西部高,松嫩平原东北部和西北部以及吉林省中北部主要为较高或高风险区,三江平原主要为中等风险区,黑龙江省北部、吉林省东南部和辽宁省主要为较低或低风险区。

基于作物生长模型的玉米生殖期冷害致灾因子研究

利用东北玉米生长模型(NEC_MaGM)结合历史冷害数据分析了东北玉米灌浆期低温和初霜冻的发生规律,探讨了两者对玉米生长发育过程的影响与实际冷害年份之间的对应关系。结果表明,东北地区玉米灌浆期间较易出现15～16℃以下的急剧降温天气,对籽粒灌浆影响很大;出现在发育指数(DVS)为1.9之前且日平均温度连续5d低于16℃的低温将对玉米贮存器官干重(WSO)积累造成重大影响,其出现年份与实际冷害发生年份符合度较高,是发生大面积冷害的致灾因子之一;随着气候变暖,东北各地初霜冻日和新玉米品种的成熟期均在推迟,但初霜冻日的年际波动不断增大。模拟显示,初霜冻发生在玉米成熟前的频率也在增加,初霜冻对玉米的影响仍不容忽视;初霜冻对WSO积累影响严重的年份与历史上出现冷害的一些典型年份比较一致,也是重要的冷害致灾因子之一。灌浆期低温和初霜冻出现时间以及由此导致WSO的损失程度可以作为基于作物生长模型进行玉米冷害监测预测的重要指标。同时,作物生长模型可以成为研究农业气象灾害致灾因子的有力工具。

≥10℃积温距平对玉米不同发育期冷害的判定及其与产量的关系

为了揭示冷害特征及其与产量的关系,为玉米生产趋利避害及种植结构调整提供气象参考,笔者利用1980—2014年15个农业气象站的资料,基于≥10℃积温距平指标,对玉米出苗—七叶期、出苗—抽雄期、出苗—乳熟期的冷害进行动态判识,分析其时空演变特征,并建立积温距平与玉米产量的关系。结果表明：（1）1980—2014年间,研究区玉米3个发育时期内的冷害年数为7-17年,冷害随时间呈减少趋势,对气候变暖具有明显的响应;空间上呈北多南少特征,并具有群发性、区域性和局地性特点;（2）研究期间,玉米3个发育时期的≥10℃积温距平具有16年左右的周期变化,1995年以前偏冷,之后偏暖;（3）在3个发育时期,研究区分别有13%、60%、67%的站点≥10℃积温距平与玉米单产存在显著或极显著的相关关系,积温距平为100-200℃·d利于玉米高产。以出苗—乳熟期分析热量与产量的关系效果最好;（4）≥10℃积温距平指标判识玉米冷害具有生物学和农学意义,有效提升作物冷害判识的客观性。

东北地区玉米低温冷害气候和经济损失风险分区

分析了东北地区玉米低温冷害发生的热量条件、发生频率、风险指数和风险概率,用冷害气候风险评价指标将东北地区划分成高、偏高、中等、较低和低风险5个玉米低温冷害气候风险区域。考虑到冷害气候风险和玉米产量和面积比例等农业生产结构因素,建立了玉米低温冷害的气候—灾损综合风险评估模式,并将东北地区划分成高风险、较高风险、中风险、较低风险和低风险5个玉米低温冷害灾损综合风险区域,并指出各区域减缓玉米冷害风险的技术和战略措施。结果表明,东北地区的北部、东部和中部低温冷害灾损风险较大,吉林省西南部和辽宁省大部风险较小。

玉米低温冷害远程诊断管理系统的设计

夏季低温冷害是中国低温灾害的主要类型之一,尤其在东北地区发生比较频繁,造成影响相当严重,基于此,笔者旨在为玉米低温冷害设计一个基于网络的远程诊断与管理的系统平台。通过对基于web的远程诊断管理系统关键技术的分析,在总结东北地区玉米低温冷害领域专家经验和知识的基础上,初步实现了一个基于web技术的玉米低温冷害远程诊断与管理系统。该系统采用J2EE技术规范和Java语言进行开发,并且与无线远程监测系统相结合,使之具有实时管理功能。用户可以通过访问该系统,实现玉米低温冷害主动和被动防御、低温冷害实时监控管理、专家知识浏览和系统维护等功能。该系统具有可靠性、易维护、易操作和普适性等性能,并可通过重建知识库和数据库,为更多种类作物气象灾害提供远程诊断及管理服务。

1980年以来黑龙江省玉米低温冷害风险变化研究

利用黑龙江省农作物生育期观测的24个气象台站1980-2010年逐日平均气温资料和玉米生育期资料,采用"黑龙江省玉米低温冷害综合指标体系"对黑龙江省1980年以来低温冷害危险性、暴露性、灾损敏感性进行了评估,进而建立了黑龙江省玉米低温冷害风险综合评估模型。根据模型,把黑龙江省划分为高、次高、中等、次低、低等5个风险区。以1996年为分界线,1996-2010年与1980-1995年相比,松嫩平原西部玉米低温冷害风险增高,三江平原西部由原来的次低风险和中等风险变为次高和高风险区。