宁夏枸杞生长季气候资源和主要气象灾害变化趋势及影响研究

为了适应气候变化,更高效利用区域农业气候资源,趋利避害,助力枸杞产业高质量发展,本研究选取宁夏枸杞产区10个国家气象观测站1961—2021年气象资料,评估了枸杞生育期主要气象因子的气候变化趋势,研判了主要气象灾害的发生趋势及其对枸杞产业的可能影响。结果表明:宁夏枸杞产区生育期的气温、高温日数均呈上升趋势,近10年较20世纪60年代,平均、最高、最低气温分别升高1.51℃∙a^(−1)、1.25℃∙a^(−1)和2.06℃∙a^(−1),≥33℃高温日数增加12.2 d∙a^(−1),且在2001年发生突变,突变后较之前增加9.2 d∙a^(−1)。相应地,热量资源也呈显著增加趋势,近10年较20世纪60年代,两季枸杞产区夏、秋果期≥10℃活动积温分别增加266.1℃·d∙a^(−1)和132℃·d∙a^(−1),且均在20世纪90年代发生突变,突变后较之前增多10.6%和9.1%;一季枸杞产区全生育期≥10℃活动积温增加319.9℃·d∙a^(−1),1997年出现突变,突变后较之前增多11.4%。此外,宁夏枸杞产区降水量和降水日数的年际间变率较大,秋果期日照时数总体呈减少趋势。气候变化导致枸杞生育进程普遍提前11~13 d,全生育期延长。各气象灾害中,枸杞春季霜冻灾害风险整体增加,尤其是2010年以来的中度到重度霜冻风险增加明显;枸杞高温热害显著增加,2001年发生突变,突变后较之前平均增加12.2 d∙a^(−1);阴雨寡照灾害整体呈增加趋势,年际变率较大;冰雹灾害呈减少趋势,近10年较20世纪60年代平均每年减少了6站次。本研究分析了宁夏枸杞产区生育期间的农业气候资源演变趋势,合理解释了其变化对枸杞生长发育的利弊,同时也分析了枸杞主要气象灾害的变化情况,为宁夏枸杞质量提升提供了科学参考,建议应充分认识到气候变化导致的枸杞重大气象灾害不断加剧,需要进一步加强预警和防御能力。

宁夏马铃薯产量形成的关键影响气象因素分析

宁夏中南部山区以历年各市县马铃薯种植面积为权重重新建立宁夏气象资料序列,通过马铃薯水分满足率、水分盈亏量、水分利用效率和温度、水分、日照和综合适宜度分别与马铃薯相对气象产量进行相关关系研究,分析影响宁夏中南部山区马铃薯产量的气象因子。研究表明宁夏中南部山区马铃薯产量与气象条件关系紧密,其中温度是马铃薯苗期关键气象因子,花序形成-开花期水分和光照因子对马铃薯产量有影响,其中水分影响最大。薯块膨大期温度、水分和日照对马铃薯产量均有影响,其中日照影响最大。结果与宁夏实际生产符合,为改进马铃薯种植措施提供支持。

贺兰山东麓酿酒葡萄埋土防寒层冬春季温度变化特征

2021/2022年和2022/2023年冬春季,在贺兰山东麓产区选择4个不同土壤类型的埋土层,即试验地1(F1):重砾石及砂石土;试验地2(F2):40%砾石土和60%沙质土;试验地3(F3):淡灰钙土;试验地4(F4):细沙土,实时监测内部距离表层土壤10cm(T1)、20cm(T2)、30cm(T3)和40cm(T4)处的土壤温度,分析冬季(12月-翌年2月)和春季(3月-出土)土壤温度变化特征。结果表明:(1)冬季各试验地埋土层日平均温度、日最低温度波动与气温趋势一致,随埋土深度增加波动逐渐减小;试验地1-3埋土层在相同深度的平均温度和平均最低温度最大分别相差1.2℃和2.2℃,试验地4埋土层温度较其他试验地偏低;随埋土深度增加,各试验地埋土层平均温度每10cm增加0.2~1.3℃,最低温度增加0.9~2.2℃。(2)各试验地埋土层温度连续最低5日的起始日期出现在降温过程后的1d内,埋土层日最低温度出现时刻随埋土深度增加逐渐推迟,持续时间也延长。(3)春季各试验地埋土层日平均温度随埋土深度增加逐渐降低,每10cm降低0.1~1.2℃;≥10℃活动积温随时间呈线性增长,埋土层T1与T2、T3与T4处≥10℃活动积温差异不大,日增长率分别在13.1~14.4℃·d和12.2~13.7℃·d,T1/T2和T3/T4活动积温平均相差25.4~33.8℃·d;基于赤霞珠土内萌芽温度指标可知,T2-T4处萌芽起始日期的≥10℃活动积温在277.9~307.6℃·d;(4)由试验地1-3埋土层T1/T2和T3/T4处≥10℃活动积温与≥10℃空气积温的关系方程可知,二者响应关系均呈一元一次方程变化趋势,且拟合效果较好,模型效率系数均在0.95以上,平均绝对误差在22.4℃·d以下。说明冬季不同土壤类型埋土层内部,酿酒葡萄枝条受越冬冻害风险较小,埋土层温度随深度增加呈增加趋势且波动逐渐减少,细沙土较其他土壤类型埋土层的温度略偏低;建立的葡萄土内萌芽起始日期≥10℃活动积温指标及春季空气积温-埋土层积温线性关系模型可为春季出土作业提供参考。

气候变化对宁夏南部山区马铃薯产量的影响及马铃薯水分供需特征分析

了解气候变化背景下,宁夏南部山区马铃薯的产量变化与气象要素之间的关系,以及马铃薯的水分供需特征,为该地区马铃薯的种植提供科学依据。结果表明,近55年来,在马铃薯生育期内宁夏南部山区气温显著升高,不利于未来马铃薯产业的发展。8月中旬的旬平均气温、7月下旬的旬平均最高气温、7月上旬的旬平均最低气温以及7月的月平均最高气温是产量形成的限制因子,均与马铃薯气象产量呈显著负相关。7月中旬是马铃薯需水的关键期,其降水量与气象产量关系密切。除8月第4候外,宁夏南部山区的马铃薯从5月下旬到8月下旬均处于水分亏缺状态,有灌溉条件的地区应适时进行灌溉。

基于地温的宁夏初霜冻日期气候演变及环流异常成因

利用1961年以来宁夏20个气象站地面温度、美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐月位势高度场资料、研究宁夏初霜冻日期最新的气候演变特征及其环流异常的影响,为宁夏开展霜冻灾害预测工作提供理论支撑。结果表明:(1)宁夏初霜冻日期呈现“南早北晚”空间分布特征,黄土丘陵区最早,中部干旱带次之,最晚出现在引黄灌区,这与日平均最低气温“南低北高”分布型相一致。(2)全球明显变暖前后宁夏初霜冻日期呈现出显著差异,相较于气候平均值(1981—2010年),变暖前(1961—1980年)初霜日期普遍偏早,平均出现在9月下旬,各地平均偏早7 d;变暖后(1981—2019年)则明显偏晚,平均出现在10月上旬,各地平均偏晚2 d,2000年以后更是平均偏晚5 d。(3)宁夏初霜冻日期自1961年以来明显推迟,趋势为3.0 d·(10a)^(-1),其中引黄灌区最为显著,可达到3.2 d·(10a)^(-1),中部干旱带与黄土丘陵区次之,分别为2.6 d·(10a)^(-1)、2.7 d·(10a)^(-1);但在气候变暖背景下仍会发生初霜冻异常偏早的情况,引黄灌区、中部干旱带和黄土丘陵区新世纪以来偏早的概率分别为15%、25%和30%。(4)宁夏初霜冻偏早年与偏晚年的高、中、低层大气环流存在显著的年代际和年际差异,其空间分布明显相反,当初霜冻日期偏早(偏晚)时,东亚大槽较常年偏强(偏弱)、西太平洋副热带高压偏弱(偏强),有利于(不利于)冷空气活跃南下。

宁夏冬季气温变化与大气环流异常的关系

利用1961~2015年冬季(12月到次年2月)宁夏20个气象站月平均气温资料,NCEP/NCAR发布的500 h Pa位势高度场和海平面气压场,200 h Pa、850 h Pa风场月平均再分析资料,运用线性倾向估计、M-K法及合成分析等方法,在研究宁夏冬季平均气温的年际变化及年代际变化特征的基础上,分突变前后的冷、暖期时段进一步分析大气环流场不同影响因子与宁夏冬季气温异常的关系,揭示宁夏冬季气温异常的成因。结果表明:(1)宁夏冬季平均气温由冷变暖的趋势非常显著,在1985年之前为冷期,1985年以后为暖期;冬季平均气温年代际变化在20世纪增暖趋势显著,21世纪后上升趋势趋于平缓。(2)不仅500 h Pa位势高度场的乌拉尔山高压脊和西太平洋副高是影响宁夏冬季气温异常的主要系统,海平面气压场的西伯利亚高压也是影响宁夏冬季气温异常的关键系统;高低空的偏北气流和偏南暖湿气流异常流场也对宁夏冬季气温变化造成一定影响。

宁夏引黄灌区头水灌溉对春小麦生长和产量的影响

通过对宁夏引黄灌区春小麦进行不同时期头水灌溉处理,研究不同时期头水灌溉对春小麦生育形态、生育结构和产量的影响。结果表明,黄河来水前提早5 d和10 d灌头水(T2、T3处理)下春小麦生育期期间密度、单株分蘖数、株高均最高,其株高随着生育期进程迅速增大,其密度和单株分蘖数保持在较高水平;灌水提早10 d处理春小麦地上部鲜质量和干质量为最高,分别达到10.3 g/株和4.8 g/株,春小麦在分蘖至抽穗期阶段含水率保持在较高水平,加速了叶片和茎秆等器官的生长,植株体内组织运水、储水能力得以迅速提高;灌溉时间提早5 d和10 d显著延长了春小麦灌浆进程,春小麦花后15~20 d灌浆速率达到最大值;灌溉时间提早5 d和10 d处理理论产量和实际产量显著高于CK处理,理论产量分别增加31.39%和21.83%,实际产量分别增加18.75%和11.45%,说明在黄河来水之前提前5~10 d灌头水对补偿籽粒灌浆具有一定的促进作用,有利于提升春小麦产量。

宁夏固原地区主要作物需水量对近年气候变化的响应

以小麦、冬小麦、胡麻、玉米、牧草、豌豆为研究对象,利用固原气象站1961—2015年的常规气象观测资料和作物发育期资料,采用Penman-Monteith公式和作物系数,计算了6种作物的需水量,并分析了作物发育期气象因子的变化特征及其与作物需水量之间的关系。结果表明:近55年来,作物发育期的温度和总降水量均呈升高趋势,平均风速均呈减小趋势;固原地区春小麦、玉米、牧草生育期需水量呈减少趋势,冬小麦、胡麻和豌豆需水量呈增加趋势;不同气象要素对不同种类作物需水量的影响各不相同,平均风速与6种作物需水量均呈正相关,生育期总降水量与6种作物需水量均成负相关。

基于GIS的宁夏裸燕麦NLY17-05种植气候适宜性精细化区划

利用宁夏24个地面气象台站1981—2010年气象观测资料,采用GIS技术进行气候适宜性精细化区划。利用2017、2018年试验数据筛选出具有高产性、稳产性的裸燕麦NLY17-05品种,并以此作为宁夏不同气候条件下适宜种植的主体品种及研究品种。通过对产量与关键气象因子的相关性分析,选取4个气候适应性区划指标:海拔、5—6月降水量、6—7月最高气温≥32℃日数、4—6月平均最高气温。研究结果表明,宁夏海原县西南部、西吉县、固原市原州区、隆德县、彭阳县、泾源县为裸燕麦NLY17-05适宜种植区(最适宜区和适宜区),该地区海拔较高,裸燕麦生长发育需水关键期降水充足、灌浆期间气温适宜、高温日数较少,可以满足裸燕麦NLY17-05正常生长发育所需的气候条件。

宁夏番茄开花-收获期气温的时空变化特征

根据宁夏2007-2016年25个气象站点6-9月逐日平均、最高、最低气温资料,采用线性趋势分析方法,在分析宁夏番茄开花-收获期平均气温整体变化特征的基础上,选取与番茄生长较为密切的8个极端气温指标,系统分析了宁夏番茄开花-收获期内极端气温指标的时空变化特征。研究结果表明:(1)宁夏2007-2016年番茄开花-收获期平均气温、平均最高气温和平均最低气温上升趋势均不显著。宁夏番茄开花-收获期内与日最低气温相关的极端气温升温幅度低于与日最高气温相关的极端气温,极端温度指标中LMaxT线性倾向率最大,为6.68℃/10年,且通过了α=0.05的显著性检验,除LMaxT外其他7个指标均未发生显著升高。HMinT在6月、7月和8月基本保持平稳状态,9月明显低于其他3月;LMinT在7月最高,9月最低,整体变化较为平稳;HMaxT在6、7、8、9月四个月的上升趋势都不明显,且波动较小,7月最高,9月最小;LMaxT在6月、7月和8月三个月波动较小,9月呈现明显上升的趋势,上升速率为6.9℃/10年。(2)极端气温各指标空间变化总体上均表现为从中北部向南递减的趋势。LMinT变化幅度在-1.9~4.2℃之间,在2007-2016年10年中番茄开花-收获期有80%的站点出现过轻霜冻,有20%的站点出现过霜冻。HMaxT变化幅度在29.9~39.5℃之间,在2007-2016年10年中番茄开花-收获期有76%的站点出现大于35.0℃的高温。HMinT变化幅度在18.4~25.9℃之间。LMaxT变化幅度在4.7~12.6℃之间。

机器学习算法在高光谱感知作物信息中的应用及展望

机器学习作为一种统计学与计算机科学相结合的新兴技术,近年来在作物信息获取任务中得到广泛应用。传统的作物信息获取方式主要依靠化学检测法,测定过程耗时、耗力。基于机器学习算法和高光谱遥感技术能够通过无损的方式,快速感知作物外观及内部理化参数,具有明显的应用优势和发展前景。本文对国内外作物信息高光谱遥感相关研究进行系统性梳理。总结了不同机器学习算法在高光谱感知作物信息中的应用及优缺点,归纳了机器学习算法建模的不确定性,指出高光谱感知作物信息的未来发展趋势为,通过多源遥感协同观测实现作物信息获取方式互补,发展高光谱遥感与作物模型同化技术、高光谱遥感与人工智能深度融合技术,从而实现面向作物全生育期的关键信息智能化获取与决策。

贺兰山东麓酿酒葡萄需水量变化特征及影响因素分析

明确贺兰山东麓酿酒葡萄生育期需水量的变化特征及其影响因素,可为合理调剂供水量、提高水资源利用效率、减少水土流失等提供科学依据,为区域酿酒葡萄品质及产量提升提供理论支撑。研究基于1981—2020年贺兰山东麓产区6个基本气象站点的资料,采用Penman-Monteith及有效降雨量公式计算了酿酒葡萄生育期的需水量、缺水量及有效降雨量,并通过通径分析研究风速、平均气温、日照时数、有效降水、最高气温等气象要素对酿酒葡萄需水量的影响。结果表明:1981—2020年间,贺兰山东麓产区酿酒葡萄生育期需水量为458.04~546.74 mm,总体呈现“低-高-低”的抛物线走势,表现为4月需水量最少,7月需水量最大;有效降雨呈增加趋势,需水量、缺水量均呈减少趋势;逐年水分盈亏指数为﹣87%~﹣49%,石嘴山、永宁、贺兰、青铜峡、银川产区水分盈亏指数均呈上升趋势,仅同心产区呈下降趋势;影响酿酒葡萄生育期需水量的要素有风速、平均气温、最高温度、日照时数和有效降雨,其中风速和平均气温对需水量的影响较大。

越冬期埋土防寒层厚度对贺兰山东麓葡萄园土壤温度的影响

2019/2020年和2020/2021年冬季于贺兰山东麓葡萄园开展不同埋土防寒层厚度试验,结合不同深度土壤温度监测结果,研究越冬期葡萄园埋土防寒层覆盖下根区土壤温度变化规律,明确不同埋土防寒层厚度对根区土壤温度和葡萄越冬冻害的影响,为葡萄越冬冻害监测、评估及葡萄园冬季埋土管理提供参考。结果表明:(1)酿酒葡萄越冬期(12月-翌年2月)土壤温度呈先下降后上升的趋势;土壤温度随土层深度的增加而增加,波动随深度增加而缩小,埋土防寒层的覆盖,进一步减少了土壤温度的波动。(2)土壤温度随着埋土防寒层厚度的增加而增加,与不埋土处理(H0)相比,埋土防寒层厚度60cm(H60)处理,20cm日最低土壤温度冬季可提高0.2~2.7℃,冬季平均可提高1.1℃;40cm土壤温度冬季可提高0.1~1.3℃,冬季平均可提高0.6℃。(3)0cm、20cm、40cm土壤温度日较差随着埋土防寒层厚度增加而减小,且极值出现时间依次滞后,60cm土壤温度几乎恒定。(4)20cm土壤温度,根干(C0)处显著高于距根干50cm(C50)、距根干100cm(C100)和距根干150cm(C150)(P<0.05),距离根干越远土壤温度越低。土壤温度最低日,埋土防寒层厚度30cm、40cm、50cm三个处理根干(C0)处20cm土层温度较C50、C100和C150分别提高1.7~2.2℃、1.7~3.3℃、2.4~3.4℃。可见,根系受冻风险随土壤深度增加而降低,增加埋土防寒层厚度可提高土壤温度,减少土壤温度的波动,最低温度出现的时间随着埋土防寒层厚度增加而出现滞后。越冬冻害发生程度随埋土厚度增加而减少,其中副根受冻率高于主根。

河套灌区不同育苗期和大棚温度对水稻生长的影响模拟

为确定宁夏河套灌区水稻适宜育秧和移栽期的综合气象指标,利用中卫市1996-2003年对宁粳16号水稻品种观测的资料,采用CERES-Rice模型对遗传参数进行本地化调试。模拟水稻产量、结实粒数、播种-开花和全生育期日数,并利用宁夏灌区10个市(县)资料验证模型的区域模拟能力。设置不同育秧日数和棚内气温,模拟二者对水稻产量、单位面积结实粒数和生育进程的单独和综合影响,以确定适宜移栽期的综合气象指标。结果表明:模型对水稻产量、结实粒数、播种-开花和全生育期日数模拟能力较好,产量和结实粒数的模拟最大误差分别为2.93%和3.47%,一致性指数分别达0.98和0.92;播种-开花日数模拟误差大多在3d以内,一致性指数为0.77。假定本田期的气象条件、施肥、灌溉等措施均不变,设置不同育秧温度和育秧日数,模拟发现育秧日数26~30d比18~24d时水稻产量高,结实粒数多。32℃下育秧的水稻产量和结实粒数最高,播种-开花和全生育期日数相对较短。同时改变育秧日数和育秧棚内气温,在育秧期较短时育秧温度升高将提高产量,增加结实粒数。而在育秧期较长时,育秧温度升高造成产量下降,结实粒数减少。32℃下育秧20d时水稻产量最高,结实最多,播种-开花和全生育期日数相对较短。育秧日数相同时,播种-开花和全生育期日数随育秧温度的升高而缩短;育秧温度相同时,播种-开花和全生育期日数随育秧期的延长而缩短。不同育秧温度下的最适育秧日数可作为预测河套灌区各地水稻适宜移栽期的综合农业气象指标,为细化水稻适宜移栽期的农业气象指标提供了新途径。

低温对富士苹果花抗性生理指标的影响

以富士苹果花为研究对象,采用霜冻模拟试验箱模拟自然霜冻降温过程,分别测定-2、-2.5、-3、-3.5、-4、-4.5℃时苹果花的丙二醛(MDA)、脯氨酸、可溶性蛋白质和可溶性糖含量。结果表明,随温度的降低,苹果花可溶性糖含量在-2.5℃时显著增加,达到峰值后其含量开始下降并趋于稳定;可溶性蛋白含量在-2.5℃时显著增加,在-3.5^-4℃时达到峰值后显著降低;脯氨酸含量在-3^-3.5℃时显著增加;MDA含量在-3~3.5℃时达到峰值后显著降低。总体来说,上述抗性生理指标对低温响应表现出较好的一致性,初步确定苹果花对低温响应的临界温度为-2.5^-3.5℃。

基于深度迁移学习的酿酒葡萄种植信息提取

为利用遥感手段快速、精准提取宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植信息,提出了一种基于深度迁移学习的酿酒葡萄种植信息提取方法。该方法以全卷积神经网络(Fully convolutional networks,FCN)为基础,利用高分二号卫星遥感资料,以地面采集样本数据进行网络模型训练,利用迁移学习方法将训练好的网络模型迁移到FCN网络模型中,对其进行初始化,避免过拟合问题的发生,其网络训练验证集准确率高达88.16%,较传统的基于深度学习方法准确率提高7.17个百分点。结果表明,基于深度迁移学习的贺兰山东麓酿酒葡萄种植信息提取检测准确率可达91.93%,检测召回率达到91.15%。

土壤湿度模拟研究进展

准确和高分辨率的土壤湿度数据是深入了解地气过程、研究生态环境演变、水文循环和气候变化,以及预测天气气候和评估水旱灾害等的基础性资料,受到多学科学者的广泛关注。近年来,全球土壤湿度观测计划及利用遥感反演和模式模拟具有高时空分辨率的土壤湿度得到长足发展,从最初的研究层面逐渐应用到实际业务中。简要介绍了模拟土壤湿度的主要陆面模式,以及陆面过程参数化方案比较计划(PILPS)和全球土壤湿度项目(GSWP)的相应结果;从数据同化算法和陆面同化系统两个方面介绍了国内外陆面数据同化系统模拟土壤湿度的进展;最后,归纳了土壤湿度验证的主要方法、验证指标和表现形式。文末从4个方面进行了展望:1)升级观测系统以获得高质量实地观测数据;2)研发高精度气象驱动数据和制备陆面参数以提升模式结果;3)增加地气系统的认识以完善模式物理过程;4)改进数据同化算法以最大限度鉴别和利用观测数据。

遥感与积温数据融合的葡萄种植面积提取最佳时相选择

本研究提出一种应用遥感数据与气象学中的积温数据,结合植被指数获取区分不同作物最佳时相的新模型,达到减小提取贺兰山东麓葡萄种植面积误差的目标。选取2016年宁夏地区时间分辨率高的MODIS 250 m数据定点提取NDVI指数,构建不同作物的NDVI时间曲线,找出葡萄与其他作物的NDVI差值最大时相并确定为当年最佳时相;结合气象学中的积温数据,构建最佳时相判断模型,反推其他年份的最佳时相。试验结果表明由NDVI差值测得的最佳时相可用,即能够获取分类效果最好的最佳时段内遥感图像,为后续作物分类工作打下良好的基础。

葡萄越冬冻害研究现状及发展趋势

越冬冻害是制约葡萄与葡萄酒产业发展的主要限制性因素。研究表明,近年来中国北方遭受越冬冻害比较频繁,不同品种的抗寒性差异较大,采用砧木嫁接技术可提高葡萄的抗寒性。通过可溶性蛋白、相对电导率、酶活性、可溶性糖和游离脯氨酸含量等指标衡量葡萄枝条和根系的抗寒能力,亦可通过选育抗寒能力高的品种、合理栽培以及特殊的保温材料覆盖来预防葡萄遭受越冬冻害,保障葡萄安全越冬。

1961—2016年我国南方地区雾天气的时空气候变化特征分析

根据1961—2016年278个站点的雾日数资料,分析了南方地区雾日数的空间分布、季节变化以及年际变化特征。结果表明:(1)南方地区雾区与地形密切相关,主要分布在四川东部、湖南、江西、福建大部及云南南部等地;(2)雾日数在四川西部、广西中南部为增加趋势,尤其是河南南部、安徽北部及云南东南部增加趋势明显;(3)在季节变化上,冬季雾的频率最高,其次是秋季和春季,夏季最低;(4)年代际变化明显,20世纪60年代到80年代初呈增加趋势,80年代中到21世纪初呈减少趋势,2012年后变为明显的增加趋势,在2000年左右发生了突变;(5)EOF分解后的第一向量的方差贡献达52.0%,为主导模态,空间分布特征为全区一致型。