寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生的時空分布特征分析

郭曉雷 申雙和 張磊

摘要：利用寧夏枸杞種植區(qū)15個氣象站1961—2017年最低氣溫觀測資料，結合寧夏枸杞春霜凍致災指標，采用線性傾向估計、Moflet小波分析、正交經驗函數（EOF）分析等方法，研究寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生的時空分布特征。結果表明，（1）寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生次數呈現南北多、中間少的分布特征，晚霜凍日也呈現南部偏晚、中北部偏早的空間分布特征，霜凍發(fā)生次數最多和春霜凍日結束最晚都集中在南部地區(qū)，尤以興仁最為嚴重;（2）1961—2017年寧夏枸杞終霜凍日以2.1 d/10年的速率提前，且階段性變化特征明顯，20世紀70年代春霜凍都在5月上旬后結束，而到20世紀90年代末之后，大部分年份春霜凍都在5月上旬前結束;57年尺度上枸杞春霜凍發(fā)生次數以 2.1次/10年的速率減少，在1992年之前發(fā)生次數偏多，之后發(fā)生明顯突變，且1992年前存在明顯的7年、準4年的周期變化，之后周期性變化不明顯。（3）寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數在大部分年份都呈現偏多或偏少的一致性特征，也存在明顯的南北差異分布，但總體一致性是寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數變化的主要特征。

寧夏枸杞馳名中外，是唯一被載入《中華人民共和國藥典》（2010年版）的品種，因其較高的營養(yǎng)價值和藥用保健功效受到廣大消費者青睞。近年來，隨著政府的大力扶持，寧夏已形成了以中寧為核心、清水河流域和賀蘭山東麓為兩翼的枸杞產業(yè)帶，枸杞產業(yè)已經成為寧夏農業(yè)特色優(yōu)勢產業(yè)的重要組成部分。霜凍是威脅寧夏枸杞產業(yè)發(fā)展的主要氣象災害之一，且寧夏是霜凍多發(fā)區(qū)，正常年份春霜凍重于秋霜凍[1-2]，由于春季正值枸杞嫩梢期至花果期，春季霜凍災害的發(fā)生直接影響枸杞頭茬果和夏果的產量及品質[3]，而枸杞頭茬果和夏果的營養(yǎng)成分均高于秋果[4-5]，經濟價值更高，春季霜凍造成的損失尤為嚴重。因此，摸清寧夏枸杞種植區(qū)春季霜凍發(fā)生規(guī)律，可為寧夏枸杞春季霜凍預報提供基礎理論依據，從而提高防御枸杞春霜凍災害能力，保障寧夏枸杞產業(yè)健康發(fā)展。

多位研究者以氣象學上的霜凍致災指標（地面最低溫度 ≤ 0 ℃，最低氣溫 ≤ 0 ℃或最低氣溫 ≤ 2 ℃）來分析區(qū)域霜凍變化特征[6-13]，但對具體特色作物而言，因作物的種類、品種不同，其對霜凍災害的耐受性也不同， 普適性的霜凍致災指標還不能準確反映其受凍情況，鑒于此，部分學者利用茶樹[14-16]、蘋果花期[17]的凍害指標分析得出了區(qū)域內特色作物的霜凍變化規(guī)律。目前針對枸杞霜凍氣候特征方面的研究還鮮有報道，本試驗在前人研究的基礎上，擬利用枸杞霜凍的致災指標，統(tǒng)計分析寧夏枸杞種植區(qū)霜凍災害發(fā)生的時空分布特征，以期為優(yōu)化寧夏枸杞種植產業(yè)布局、提升枸杞種植區(qū)霜凍災害的預測服務能力提供參考依據。

1 材料與方法

本研究所用惠農、平羅、陶樂、賀蘭、銀川、永寧、靈武、吳忠、青銅峽、同心、中衛(wèi)、中寧、海原、興仁、固原15個站點的1961年到2017年逐日最低氣溫觀測資料來源于寧夏氣象信息中心，所選站點均為寧夏枸杞種植區(qū)內具有長序列氣象資料的站點，站點分布見圖1;筆者所在項目組通過調查多年春季受災情況，結合人工霜箱模擬和野外霜凍模擬試驗，擬定日最低氣溫Tmin ≤-1 ℃作為寧夏枸杞春季霜凍的致災指標，本研究也將采用這一指標開展統(tǒng)計分析;由于寧夏枸杞正常年份在4月下旬老眼枝開始顯蕾，所以春霜凍統(tǒng)計時段選定為4月21日至5月31日;將枸杞春季最后1次發(fā)生霜凍的日期定義為晚霜凍日。

本試驗采用反距離權重法進行空間插值分析寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生次數的空間分布特征[18]，運用ArcGIS 9.3制作了春霜凍發(fā)生次數的空間分布圖;運用線性傾向估計分析枸杞春霜凍發(fā)生的年際變化特征[19];運用Morlet小波變換分析逐年春霜凍發(fā)生總次數周期性變化[20-22];對1961—2017年寧夏逐年春霜凍發(fā)生總次數資料進行標準化處理，采用經驗正交函數（EOF）綜合分析寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生的時空變化特征[23-24]。

2 結果與分析

2.1 寧夏枸杞春霜凍發(fā)生的空間分布特征

2.1.1 枸杞春霜凍發(fā)生次數的空間分析 圖2反映了寧夏枸杞種植區(qū)1961—2017年春霜凍發(fā)生次數的空間分布情況。可以看出，寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍具有南部地區(qū)發(fā)生次數多、中間區(qū)域發(fā)生次數少的空間分布特征，具體情況如下：中衛(wèi)、同心以南的區(qū)域春霜凍發(fā)生次數總體偏多，包括興仁、海原、固原3地發(fā)生春霜凍的次數占總數的46%，其中發(fā)生次數的最多的區(qū)域為興仁，57年來共發(fā)生了113次，其次是固原，發(fā)生了60次;而北部的陶樂地區(qū)也是春霜凍發(fā)生相對較多的區(qū)域，57年來也發(fā)生了47次，其他地區(qū)均未超過40次;春霜凍發(fā)生較少的區(qū)域主要位于永寧、青銅峽、中寧等地，分析期內共發(fā)生了36次，其中永寧、中寧發(fā)生次數最少為11次。

2.1.2 枸杞晚霜凍日的空間分析 表1給出了1961—2017年寧夏枸杞種植區(qū)各站平均和最晚晚霜凍日的具體時間，可以看出，各站平均晚霜凍日結束時間除固原外均在4月下旬的中期到末期，平均晚霜凍日最晚的是固原，為5月2日，最早的是平羅和青銅峽，為4月24日;但從各站晚霜凍結束日期來看，最晚的區(qū)域集中在南部地區(qū)的興仁、海原、固原等地，都在5月中旬以后，結束最晚的是興仁，為5月28日;而北部地區(qū)的平羅、陶樂等地的最晚晚霜凍日也相對較晚，集中在5月中旬左右，其他地區(qū)除靈武外，最晚晚霜凍日都在5月上旬，最早的為永寧、中寧、同心，結束日期為5月4日。

2.2 寧夏枸杞春霜凍發(fā)生的時間變化

2.2.1 枸杞春霜凍發(fā)生的年際變化 由圖3可見，1961—2017年寧夏枸杞種植區(qū)逐年春霜凍發(fā)生次數呈減少趨勢，氣候傾向率為2.1次/10年，并且年際變化差異大，發(fā)生次數最多的年份為1976年，高達48次，而57年中有17年未發(fā)生春霜凍災害;特別是從20世紀90年代初開始，春霜凍的發(fā)生次數明顯減少，除2008年超過了10次外，其他年份均未超過10次，21世紀10年代開始更是連續(xù)3年未發(fā)生枸杞春霜凍。

從逐年晚霜凍日年際變化來看（圖4），在57年尺度上，晚霜凍日呈提前趨勢，氣候傾向率為 2.1 d/10年，晚霜凍日最晚日期在5月28日，分別發(fā)生在1961年和1975年，最早日期為4月23日，發(fā)生在1988年，晚霜凍日較晚的時期主要集中在20世紀70年代到80年代初期，都在5月上旬后結束， 而從20世紀90年代末開始，晚霜凍日明顯提前，基本都在5月上旬前結束，只有3年是在5月上旬后結束，最晚結束的發(fā)生在2015年，為5月22日。

2.2.2 枸杞春霜凍發(fā)生次數的周期變化及突變分析 對寧夏枸杞種植區(qū)1961—2017年春霜凍逐年發(fā)生次數的小波分析圖結合小波方差圖進行分析（圖5），結果顯示，在90年代之前，枸杞春霜凍發(fā)生次數主要存在7年的周期性變化，其次有4年的周期性變化，還存在較弱的15、23年的周期變化，而90年代之后的周期性變化規(guī)律不明顯。

計算57年來寧夏春霜凍發(fā)生次數的累計距平可知，枸杞春霜凍發(fā)生次數有2個突變點，即1972、1992年。從1972年開始春霜凍發(fā)生次數逐年增加，而1992年之后又逐年減少。利用滑動t檢驗方法進行突變分析，為減少人為主觀性，本研究選擇2～20年，共18個時間長度，得到霜凍發(fā)生次數的突變點為1992年，該突變點通過了0.001的置信度檢驗。

2.3 寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生次數EOF分析

為了將時間和空間結合起來對寧夏枸杞種植區(qū)逐年春霜

凍發(fā)生次數的變化特征進行綜合分析，對1961—2017年寧夏枸杞種植區(qū)各站逐年春霜凍發(fā)生次數資料進行標準化處理后，再進行EOF分解，所得方差貢獻率見表2?？梢钥闯?，前3個模態(tài)方差貢獻率分別為63.90%、8.60%、6.49%，累積方差貢獻率達到了78.99%，且3個模態(tài)均通過了North檢驗，所以本研究取前3個模態(tài)來反映寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數的時空分布型。

圖6-a、圖6-b給出了第1模態(tài)的空間分布及時間序列，可以看出57年來春霜凍發(fā)生呈現出一致性變化，即整個枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生一致偏多或者一致偏少，其中吳忠、青銅峽及以北大部分地區(qū)的載荷向量值普遍較大，說明該區(qū)域春霜凍發(fā)生次數的年際變化幅度大。從對應的時間序列可以看出，1962、1968、1976年寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數偏多明顯，而到1992年之后呈現一致偏少的狀態(tài)，這與前文中突變檢驗結果一致。

圖6-c、6-d為第2模態(tài)空間分布及對應的時間序列，可以看出在個別年份寧夏春霜凍呈現出南北差異分布。其中，1961、1975、1982年寧夏中寧、中衛(wèi)以北地區(qū)發(fā)生次數偏少明顯，以南地區(qū)偏多明顯，而 1962、1968年正好相反，中寧、中衛(wèi)以北地區(qū)偏多明顯，而以南地區(qū)相對偏少。

圖6-e、6-f為第3模態(tài)空間分布及對應的時間序列，可以看出寧夏春霜凍的發(fā)生在極個別年份呈現出3中心差異分布。其中，1981、1990年惠農、吳忠發(fā)生次數偏多較為明顯，海原發(fā)生次數相對偏少;而1962、1974、2009年則相反。

3 結論與討論

寧夏枸杞春霜凍發(fā)生的區(qū)域特征明顯，春霜凍發(fā)生次數呈現南北多、中間少的空間分布特征，發(fā)生次數較多的區(qū)域為南部的興仁和固原以及北部的陶樂地區(qū)，而發(fā)生較少的區(qū)域為永寧、中寧等地;而從晚霜凍日的空間分布特征來看，平均和最晚晚霜凍日結束最晚的區(qū)域還是集中在南部的固原和興仁，其他地區(qū)平均晚霜凍日結束日期主要集中在4月下旬中期到末期，而最晚晚霜凍日結束最早的主要區(qū)域仍然是用永寧、中寧、同心等地。總體來看，寧夏枸杞春霜凍防御的重點區(qū)域應該集中在南部地區(qū)，而被譽為“中國枸杞之鄉(xiāng)”的中寧等地，春霜凍影響較輕，對于發(fā)展枸杞產業(yè)比較有利。

從時間變化來看，57年來枸杞晚霜凍日以2.1 d/10年的速率提前，且階段性變化特征明顯，20世紀70年代到80年代初期晚霜凍結束日期在5月上旬以后，而進入21世紀以來，終霜凍日明顯提前，大都在5月上旬前結束;57年來枸杞春霜凍發(fā)生次數呈減少趨勢，氣候傾向率為-2.1次/10年，20世紀90年代前枸杞霜凍發(fā)生較多，之后明顯減少，1992年發(fā)生了明顯的突變;57年來寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數在20世紀90年代之前存在明顯的7年、準4年的周期變化，而從90年代初期以后這種周期性變化不明顯。

寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數的第1模態(tài)的分布型為主導分布型，即大多數年份內春霜凍發(fā)生次數呈現一致性變化特征，一致偏多或一致偏少，且1992年之前呈振蕩變化而之后呈明顯偏少的特征，吳忠、青銅峽及以北大部地區(qū)春霜凍發(fā)生次數年際變化幅度較大;從第2、第3模態(tài)可以看出，寧夏枸杞春霜凍發(fā)生次數還呈現南北差異分布，有些年份中衛(wèi)、中寧以南地區(qū)偏多明顯，而以北地區(qū)偏少明顯，有些年份正好相反。

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