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行业专项成果综述-黄淮海地区冬小麦农业气象指标体系研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/4/13 11:41:37   标签:   浏览次数:1068

项目编号GYHY201106030

研究周期20111—201412

国拨经费284万元

项目负责人】毛留喜

项目骨干成员】郑大玮、侯英雨、郭安红、谭凯炎、杨晓光、李森、王纯枝、韩丽娟、马青荣、杨荣光、邬定荣、崔兆韵、李树岩、成林、张志红、李勇、徐华军、王静、任三学、赵花荣、邹俊丽、于静、王洪明、齐斌、李培和、王升国、王太生

项目承担单位】国家气象中心

项目协作单位】中国农业大学、中国气象科学研究院、河南省气象科学研究所、山东省泰安农业气象试验站

主要研究成果

明确了冬小麦农业气象指标内涵、提出了冬小麦农业气象指标理论体系框架,比较分析冬小麦农业气象指标与研究方法。完成《农业气象指标研究方法参考指南》1套;

重新界定了冬小麦农业气象指标体系的定义和内涵,完成黄淮海地区冬小麦农业气象指标体系设计:按照科学性原则、完备性原则、可行性原则和权威性原则、层次性原则和无重复原则、定性指标与定量指标相结合原则,构建冬小麦农业气象指标体系框架,包括冬小麦品种特性农业气象指标、关键生育期农业气象指标、主要农业气象灾害指标、主要病虫害指标四大类;对农业气象指标研究方法的优缺点进行了理论评述:修订了冬小麦农业气象指标研究方法参考手册,评价了田间试验法、人工环境模拟法、分析判断法和遥感监测方法的优缺点。

构建了研究区域冬小麦农业气象观测资料和气象资料数据库;对不同来源的农业气象指标进行集成创新,构建了1套实用的黄淮海农业气象指标体系

收集和整理了研究区域(包括北京、天津、河北、山西、河南和山东等地)所有农业气象观测站1990年以来冬小麦农业气象观测资料,包括:(1)作物发育期:期播种期、出苗期、返青期、拔节期、开花期、灌浆期、成熟期的物候观测数据;(2)对应年份、站点的逐日气象资料,包括日照时数、最高气温、最低气温、平均气温、降水量,以及相应的冬小麦产量资料,建设基础数据库。

本次研究通过3个来源获取冬小麦农业气象指标,包括:(1)通过在大田试验(分期播种、水分控制、灌浆期高温、干热风)、室外盆栽、室内人工控制试验获得的指标;(2)基于气象要素与气象产量之间统计关系得到的指标;(3)广泛收集到的现有指标。在此基础上集成建立了黄淮海地区冬小麦农业气象指标体系,包括华北冬性和半冬性、黄淮半冬性和弱春性品种全生育期和各关键生育阶段指标35项、农业气象灾害指标(包括干旱、越冬冻害、晚霜动、湿渍害、干热风、烂场雨)28项、冬小麦病虫害(白粉病、赤霉病、锈病、蚜虫)指标4项、冬小麦品种特性及区域布局指标11项,主要栽培品种类型农业气象指标和主要农业气象灾害(含病虫害)指标10项。

在3个省6个农业气象试验站开展了3年田间和室内人工控制试验,获取大量观测数据,为冬小麦指标率定、完善和修订提供了重要基础资料。

在河北固城、山东泰安、河南郑州、黄泛区农场、驻马店和南阳等6个农业气象试验站开展了3年不同冬性(强冬性、冬性、半(弱)冬性和弱春性)冬小麦品种的分期播种、水分控制、干热风、灌浆期高温试验,观测冬小麦干物质、成穗率、穗粒数、千粒重等生理生态指标对气象要素和土壤水分的响应。

①通过3年人工控制试验,建立了强冬性、冬性、弱冬性和春性代表性品种死苗率与低温的定量关系,确定了隆冬期不同冬春性小麦品种死苗率达10%、20%和50%的临界温度;定量了冻害发生后温度每降低1℃,死苗率增加的百分比,提出了越冬期冬小麦冻害指标。

②针对未来气候变暖背景下冬小麦灌浆中后期出现极端高温危害可能增加的趋势,通过3年大田红外辐射增温试验,得到高温有效度时与千粒重的定量关系,初步确定了冬小麦灌浆中后期高温热害的温度指标。

③针对当前农业生产管理中返青后第一水浇灌时点的认识缺乏,通过3年大田试验,初步提出了华北北部依据越冬水灌溉与否及越冬期降水量进行返青后第一水灌溉的时间指标。

④针对气候变暖背景、冬前气温和积温增加的趋势,在5个试验点3个生长季开展分期播种试验,明确壮弱苗、分蘖数与冬前积温的定量关系,确定了半冬性、弱春性小麦的适宜播期温度指标。

⑤针对干热风灾害,开展3年干热风对小麦生理过程影响的田间模拟试验,明确了干热风对冬小麦光合作用、根系活力、叶绿素、灌浆速度、粒重以及最终产量的影响,确立冬小麦干热风灾损指标。

探索了基于最优分割法等统计方法、作物模拟模型方法等构建冬小麦农业气象指标的新方法,其中利用统计方法构建了1套冬小麦各主要生长期光、温、水的适宜/致灾农业气象指标

①利用黄金/最优分割法等数理统计方法构建冬小麦主要生长发育阶段农业气象指标。首先利用所构建的基础数据库建立主要生育阶段气象要素-产量多因子数据文件,并对多因子数据文件进行线性相关/逐步回归分析,明确影响最终产量的主要阶段的主要指标;同时结合黄金/最优分割法等数理统计手段,确定冬小麦各主要生长期光、温、水的适宜/致灾农业气象指标。与其他指标比较后发现,利用统计方法得到的指标在较大程度上反应了产量与环境要素的关系,其结果可以作为其他方法得到指标的有益参考和补充。

②对现有干热风综合评价指数的计算方法进行了理论改进。针对现有干热风综合评价指数应用在长序列、大尺度时表现不佳的问题,本研究对现有指数进行改进,提出“干热风当量日数”的概念及计算公式,经与实测资料进行对比后发现,改进后的干热风当量日数指数有效解决了应用在长序列,大尺度时的问题,能更好地应用于气象业务服务。

③利用WOFOST作物模拟模型对冬小麦产量随灌溉时间及灌溉量的变化规律进行数值模拟,确定了不同年型灌溉方案最佳灌溉量及灌溉时间;建立了基于作物模型的干旱指标,与其他研究方法相比,可有效的剥离水分单一因子对产量的影响。

开发了冬小麦农业气象指标体系业务应用软件和平台1套

基于C#语言,结合WebGIS技术和Internet 网页开发技术,研发冬小麦农业气象指标体系应用与网络共享软件。系统分为5个模块:知识库、生育期指标、品种指标、灾害指标、主产区域的指标,其中知识库模块包括冬小麦农业气象指标定义、农业气象指标分类、农业气象指标确定方法和冬小麦临界气候条件;生育期指标模块包括冬小麦全生育期、播种、出苗、分蘖、越冬、返青、拔节、幼穗分化、抽穗开花、灌浆、成熟和收获期的农业气象指标;品种指标模块包括强冬性、冬性、弱(半)冬性、弱(半)春性、春性的相应区域的气象指标强冬性、冬性、弱(半)冬性、弱(半)春性、春性的相应区域的气象指标;灾害指标模块包括冬小麦生产过程中的主要气象灾害和病虫害,主要包含干旱、越冬冻害、霜冻、干热风、高温热害、青枯、湿渍害、烂场雨、白粉病、赤霉病、锈病和蚜虫的指标;主产区域指标模块包括华北、黄淮、西北、江淮、西南冬小麦主产区的相应气象指标。

获得气象行业标准立项1项

在本项目的支持下,获得中华人民共和国行业标准立项1项,行业标准名称为:黄淮海地区冬小麦冻害指标。目前已获得立项,处在征求意见阶段。

在该标准中,不同冬春性小麦初冬期和隆冬期抗冻能力温度基于3.0cm土壤温度设立,不同冬春性小麦初冬期和隆冬期冻害基于最低气温设立。

该标准全面反映了不同冬春性小麦抗冻能力,明确了不同冬春小麦抗冻能力,适用于黄淮海地区冬小麦越冬期冻害监测、预警和灾害评估工作,且方便不同用户使用。

编制完成《大宗作物气象服务手册》1部

在上述成果的基础上,编制完成《大宗作物气象服务手册》1部,内容包括冬小麦主要生育期的农业气象条件和气象灾害(干旱、干热风、霜冻害、烂场雨、湿渍害)和病虫害指标(条锈病、赤霉病),供气象业务服务使用。

成果应用情况

基于本项目得到的冬小麦主要指标,编制完成《大宗作物气象服务手册》1部,内容包括冬小麦主要生育期的农业气象条件和气象灾害(干旱、干热风、霜冻害、烂场雨、湿渍害)和病虫害指标(条锈病、赤霉病),供农业气象业务服务使用。该书成为国家级农业气象业务服务的“手边书”,实时用于农业气象业务服务生产实际中;同时也成为省级农业气象业务服务的“参照本”,有效指导和提升了省级农业气象业务服务工作。2011年至2015年有200余期国家级农业气象业务服务产品中采用了该手册中的成果,被新华网、新浪网、中国气象局等权威网站和门户网站转发,获得良好的社会和经济效益。

项目主要成果“冬小麦农业气象指标体系查询”软件,用户可以方便地查询不同地区、不同生育期的冬小麦农业气象指标及相应灾害指标,实现课题成果共享,可供省气象局农业气象业务单位、广大农业科技工作者、高等院校、农业生产管理者以及其他相关人员使用。

河南省驻马店、新乡、方城和项城县农业技术推广站(隶属农业部全国农业技术推广服务中心)关注“河南省现代农业气象服务平台”以及“冬小麦农业气象指标体系查询”软件相关成果,开展实时业务服务。其中在适时灌溉、干热风减损等方面取得了显著的效益,2013-2015年3年累计推广面积240万亩,示范应用与对照对比结果,每亩平均增产约26公斤(小麦价格按照1.91元/公斤计),3年累计新增产值8356.6万元。

山东省泰安气象局在为农气象服务中,对项目所凝练的冬小麦气象指标进行了应用,发布了冬小麦适宜始播期预报、冬小麦返青期预报、冬小麦春季麦田管理意见、冬小麦适宜灌溉期预报等服务材料,实现了从定性服务向定量服务的转变,得到广大农户的好评,取得了良好的社会效益。其中冬小麦最佳灌溉时间和灌溉量指标2012-2014年3年在岱岳区技术推广约60万亩,经济效益达2800万元。

    项目主要成果小麦冻害指标形成了气象行业标准,推动小麦农业气象灾害定量化监测与评估技术的发展,为准确评估小麦冻害提供科学依据。该标准已经立项,目前处于意见征集阶段。

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