内蒙古大田作物播种气象适宜度评价模型

王志春

（赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

内蒙古是农牧业大省，是我国13个粮食主产区之一，在保障国家粮食安全中具有重要的战略地位。内蒙古总耕地面积9.13×106hm2，其中，粮食作物播种面积6.83×106hm2。因地处半干旱大陆性季风气候区，降水少、蒸发大，干旱是制约农业发展的最突出因素，特别是春季更是“十年九旱”，除黄灌区外，大多数年份春播形势比较严峻。

内蒙古地域广阔，作物种类多样。即便是同种作物，由于地理和气候条件的不同，适宜播种期也相差甚大。因地处北纬37°24′～53°23′，受热量条件和无霜期的限制，大田作物的生长季较短。因此，如何充分利用作物生长季有限的气候资源，同时规避农业气象灾害风险，实现农业效益最大化，已成为内蒙古经济社会发展的首要问题。作物播种是整个农业生产的第一个重要环节，如何对播种气象适宜条件进行客观评估，也成为科学指导春播生产的关键。

关于作物生长气象适宜度评价模型研究颇多。侯英雨等[1]构建了东北地区春玉米日尺度的光、温、水适宜度评价模型；谭方颖等[2]对东北地区玉米气候适宜评价指标进行了确定与验证；王彦平等[3]分析了内蒙古东北部大豆气候适宜度等级及种植区划；马树庆等[4]对东北地区玉米整地、播种和收获几个农事活动的气象适宜度进行了评价；另外还有代立芹等[5]、盛绍学等[6]、李树岩等[7]、孙小龙等[8]诸多学者对玉米的气候适宜度进行了分析和研究。

上述研究大多是针对作物整个生育期气象条件的综合评价，只针对作物播种期的研究比较少，而且受地域气候特征差异的影响，某地作物播种气象适宜度的指标、因子的权重等不尽相同。本研究针对内蒙古地区4 大主要粮食作物，根据当地气候背景特征及农业生产实际，确定大田作物播种气象适宜度评价指标，构建大田作物播种气象适宜度评价模型，依托高时空分辨率、高预报准确率的气象数值预报产品，以期为内蒙古地区春播生产提供指导，为保障粮食安全提供气象科技支撑。

1 材料和方法

选取内蒙古东北部（扎兰屯市、突泉县）、东南部（松山区）、中西部（武川市、商都县、察哈尔右翼中旗）6个农业气象观测站玉米、春小麦、马铃薯、大豆的播种日期资料，赤峰市松山区玉米、翁牛特旗马铃薯的大田播种进度资料，春播期间农田土壤水分观测资料，以及上述地区对应气象观测站的降水量、土壤温度、春季土壤解冻深度等逐日气象观测资料。

根据大田作物种子萌发对温度、水分的需求以及气象条件对耕作的影响，结合内蒙古历年春播实际，筛选出对春播具有显著影响的气象因子，构建播种气象适宜度评价子模型，确定玉米、春小麦、马铃薯和大豆在4个子模型中的气象指标，运用层次分析建立播种气象适宜度综合评价模型，确立播种气象适宜等级划分标准。用农业气象观测站的作物播种日期资料或旗（县、区）大田作物播种进度资料进行适宜度评价模型的验证，以验证指标和模型的合理性和适用性。

2 播种气象适宜度评价模型建立

播种时机的选择对于大田作物整个生长过程非常重要，特别是在作物生长季短，且春季干旱多发的内蒙古尤为突出，不仅直接影响作物的出苗率和苗情，对作物的产量和品质也会产生影响。

大田作物播种一般需要具备以下条件：一是土壤耕作层必须完全解冻（春小麦除外）；二是土壤不能太湿、太黏、太干，最好松散且不板结，便于耕作；三是热量条件能够满足种子萌发所需；四是天气晴好，风力小。

2.1 土壤水分适宜度模型

作物种子的萌发需要一定的水分条件。当土壤水分低于作物种子萌发所需的下限时，种子不能发芽。而当土壤水分含量过高时，其通透性变差，氧气含量相对减少，种子发芽能力弱。长时间处于不当的水分条件下，极易导致出苗不齐，甚至粉种[9-10]。

构建土壤水分适宜度模型为如下

式（1）中，H为0～20 cm 平均土壤相对湿度；H0为播种最适宜土壤相对湿度；H1、H2分别为土壤相对湿度下限和上限（表1）。

表1 大田作物播种0～20 cm 平均土壤相对湿度适宜度界限值[15] 单位：%

2.2 土壤温度适宜度模型

作物播种期对土壤温度的要求非常高，温度过低会造成种子发芽困难；温度过高则破坏种子发芽酶的活性，失去催化能力，从而导致种子失去萌发力[9-10]。

构建土壤温度适宜度模型[11-14]如下

式（2）中，T为10 cm日平均土壤温度；T0、T1分别为播种最适宜土壤温度和种子萌发下限温度（表2）。

表2 大田作物播种10 cm 土壤温度适宜度界限值[15] 单位：℃

2.3 土壤解冻深度适宜度模型

一般情况下，大田作物播种深度10～20 cm，因此，土壤解冻深度在30 cm 以上才能开播，当解冻深度大于60 cm后对播种再无影响。由于春小麦需要经过一定持续日数的低温春化才能正常生长，内蒙古地区土壤解冻5 cm左右时即可顶凌播种。

构建土壤解冻深度适宜度模型如下

式（3）中，D为土壤解冻深度；D0、D1分别为播种适宜土壤解冻深度和可播种的土壤解冻深度（表3）。

表3 大田作物播种土壤解冻深度适宜度界限值 单位：cm

2.4 天气条件适宜度模型

降水、大风、沙尘等天气条件对播种作业影响主要气候因素，尤其以降水天气影响最大，会造成播种困难。如果降水量较大，即便强行播种，由于播种器械、犁具、人力等会造成土壤黏结，且易造成种子分布不均，不利于作物出苗。影响次之的是大风、沙尘，尽管内蒙古地区春季大风、沙尘天气时有发生，但对春播作业的影响相对很小，可不做考虑。

构建天气条件（降水量）适宜度模型[4]如下

式（4）中，R为日降水量；R2=5 mm为能够播种的降水量上限。

2.5 播种气象适宜度综合模型

用以上4个气象适宜度子模型，运用层次分析法构建播种气象适宜度综合评价模型

4个气象适宜度指标的权重a、b、c、d分别为0.35、0.30、0.15、0.20。

μ（H，T，D，R）是值在0～1的函数。若μ（H）、μ（T）、μ（D）、μ（R） 中有一个为0，则μ（H，T，D，R）为0。

2.6 播种气象适宜等级划分

运用农业气象观测站作物播种普期前后各5 d的土壤水分资料、气象观测资料进行分析，确定播种气象适宜等级及划分标准（表4）。

表4 大田作物播种气象适宜等级划分

3 播种气象适宜度综合模型的适用性检验

分别采用农业气象观测站的作物播种日期，旗（县、区）大田春播进度两种方式进行适宜度模型验证。以呼伦贝尔市扎兰屯市的大豆和赤峰市松山区的玉米为例，其他地区其他作物的验证结果未列。

3.1 用农业气象观测站播种日期验证适宜度模型

选取呼伦贝尔市扎兰屯市农业气象观测站大豆播种日期进行适宜度验证。验证日期为大豆播种普期，具体适宜度评价结果见表5。

评价结果表明，农业气象观测站大豆播种当日的气象适宜度均为最高的适宜等级。

3.2 用大田春播进度验证适宜度模型

为了减少农业气象观测站小样本验证造成的偏差，选用大田播种进度进行补充验证。选取赤峰市松山区2012—2016年同时段（4月18—24日）玉米实际播种进度进行验证。选择这一时段是因为赤峰市松山区自4月中旬开始进入玉米播种期，选择春播前期作为验证时段，是为了避免春播后期赶农时而抢播，使播种进度不能客观反映适宜度的真实状况，而造成验证偏差。首先计算逐日播种适宜度，然后统计各适宜度等级天数，最后统计分析与对应时段播种进度的关系。各年气象适宜度各等级天数见表6。

表5 呼伦贝尔市扎兰屯市大豆播种气象适宜度及等级

表6 赤峰市松山区2012—2016年4月18—24日玉米播种气象适宜度与播种进度

由表6可知，赤峰市松山区2012—2016年同时段（4月18—24日）玉米播种气象适宜度各等级天数多寡，与同期播种进度具有显著的对应关系。2016年由于土壤相对湿度偏低，播种气象适宜度均为不适宜，但同期播种进度仍有3.3×103hm2，分析认为，该时段内除了土壤湿度偏低，其余各气象条件均满足玉米播种所需，而松山区有约4.7×104hm2水浇地，不受土壤湿度条件的限制，且基本全部种植玉米，因此，2016年的评估结论也符合生产实际。

通过验证可知，内蒙古大田作物播种气象适宜度评价模型的指标、模型、参数设计构建合理，评价方法适用。

4 结论与讨论

（1）构建的内蒙古大田作物播种气象适宜度评价模型，充分考虑了种子萌发对温度、湿度的需求，具有明确的生物学意义；土壤解冻深度是耕作的前提；降水的多寡则影响着耕种的进度和质量。（2）检验结果表明，选择的评价指标、构建的评价模型能够客观地反映气象条件对春播的影响，依托高时空分辨率、高预报准确率的气象数值预报产品，对指导春播生产具有重要意义。（3）受内蒙古地区热量条件的限制，大田作物播种土壤温度适宜度模型中，适宜土壤温度低于作物发芽最适温度，这是在保证作物能够正常萌发，且避免低温影响，并同时兼顾最大程度利用当地热量条件而确定的最优参数（界限值）。（4）大田作物播种气象适宜度评价模型中涉及的气象要素，在业务应用中均为天气预报要素，因此，播种气象适宜度评价结果的准确性，与短期天气预报准确率密切相关。内蒙古地区春旱多，常因土壤墒情差而不能按时播种，此时，当预报未来有有效降水出现时，为抢农时往往会采取干埋等雨的措施，但鉴于降水量级预报具有不确定性，干埋等雨会存在一定的风险，需慎重考虑。（5）修正了马树庆等[4]的土壤水分适宜度模型，其模型并不是连续函数，当土壤相对湿度超过播种土壤相对湿度上限和下限时，评估值不具有连续性，修正后的模型保证了评估值的连续性，使得土壤水分评价更加客观。