連云港市小麥拔節(jié)期凍害災(zāi)損判別指標(biāo)和風(fēng)險分布

任曙霞 郝玲 李中林

摘要：利用連云港站1986—2016年的逐年最低氣溫資料，采用現(xiàn)代氣候診斷分析方法，分析連云港市初、終霜和無霜期變化特征。通過時間序列分析等數(shù)學(xué)方法擬合趨勢產(chǎn)量，用實(shí)際產(chǎn)量與趨勢產(chǎn)量的偏差率引入災(zāi)損率，統(tǒng)計(jì)出連云港小麥主要災(zāi)害年和豐產(chǎn)年，找出決定連云港小麥產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃?。結(jié)果表明，連云港地區(qū)春季小麥返青拔節(jié)孕穗期最低氣溫氣象要素對產(chǎn)量減少的影響程度大。依據(jù)風(fēng)險分析理論對連云港小麥基地進(jìn)行春霜凍風(fēng)險分析，確定小麥拔節(jié)期間凍害指標(biāo)，按照不同權(quán)重將春霜凍氣候區(qū)劃因子疊加，繪制連云港霜凍風(fēng)險分布圖，得出其風(fēng)險的空間分布特點(diǎn)，結(jié)論可為指導(dǎo)小麥生產(chǎn)提供氣象保障。

關(guān)鍵詞：小麥;災(zāi)損率;災(zāi)損指標(biāo);霜凍風(fēng)險分布

中圖分類號： S425? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0270-06

連云港市地處黃海之濱，江蘇省北部，具有季風(fēng)特點(diǎn)的海洋性氣候，溫和濕潤，寒暑相宜，四季分明，適合多種大田農(nóng)作物的發(fā)展。小麥?zhǔn)沁B云港市主要的夏收作物之一，其產(chǎn)量占江蘇省小麥單位面積產(chǎn)量前列。

研究結(jié)果指出，江蘇省冬小麥氣候適宜度呈現(xiàn)較弱的南北分布規(guī)律，較適宜區(qū)主要分布在連云港中北部，氣候適宜度在0.638以下[1]。近幾十年來，氣候變化使極端災(zāi)害性氣候頻發(fā)[2]。連云港地區(qū)各類氣象災(zāi)害，尤其是拔節(jié)期間凍害時有發(fā)生，氣候變暖，小麥抗寒能力的下降，冬春交替，冷暖交替突變，增大了小麥遭受初春霜凍危害的概率，給冬小麥生長帶來的危害加大。研究表明，小麥霜凍危害主要分布在105°～120°E、33°～38°N范圍內(nèi)，而 110°～118°E、34°～36°N為重發(fā)區(qū)，即黃淮麥區(qū)[3];國內(nèi)外學(xué)者從霜凍規(guī)律、霜凍指標(biāo)、防霜技術(shù)與霜凍評估等幾個角度開展了大量研究[4-6]。有研究者在風(fēng)險理論的基礎(chǔ)上，綜合考慮多因子，構(gòu)建霜凍風(fēng)險評估方法，為研究區(qū)域潛在災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究提供了可行性的方法[7]。

但對于小麥?zhǔn)芩獌鲞@種特殊的災(zāi)害，確定指標(biāo)的方法以及定量指標(biāo)和模型，國內(nèi)研究還不多[8]，特別是針對不同地理環(huán)境下小麥返青拔節(jié)期間凍害方面的研究，目前研究成果更是少見。針對連云港市小麥拔節(jié)期間的災(zāi)害，目前指標(biāo)還不夠完善，存在不可通用等問題，尚不能滿足氣象為農(nóng)服務(wù)的需求。所以，從開展災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)損程度出發(fā)，加強(qiáng)冬小麥霜凍害的發(fā)生機(jī)制、霜凍害防御對策等方面的研究，對連云港地區(qū)小麥災(zāi)害的綜合分析，研究小麥春霜凍災(zāi)害的基本特征，根據(jù)霜凍發(fā)生時期的最低氣溫、日較差確定連云港小麥拔節(jié)期間霜凍影響的監(jiān)測指標(biāo)和損失評估模型，探討定量確定小麥拔節(jié)期間凍害指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測與災(zāi)損評估的技術(shù)方法，通過建立災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，開展連云港小麥凍害災(zāi)害風(fēng)險分析，減輕霜凍害對冬小麥的危害，對保證小麥的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)有著重要意義，可為促進(jìn)農(nóng)業(yè)增收、農(nóng)民增效提供氣象服務(wù)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)

小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)源于連云港市的新浦、贛榆、東海、灌云、灌南等縣（區(qū)）以及全市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒，時間為1986—2016年，包括冬小麥總產(chǎn)、種植面積、單位面積產(chǎn)量以及代表站點(diǎn)生育期觀測數(shù)據(jù)。發(fā)育期資料包括播種、開始越冬、返青拔節(jié)、抽穗揚(yáng)花和灌漿成熟等5個發(fā)育期。選用1986—2016年連云港市冬小麥連續(xù)種植超過50年的5個氣象觀測站的逐日天氣現(xiàn)象資料進(jìn)行建模和分析。

1.2 地理信息數(shù)據(jù)

利用ArcGIS技術(shù)，從美國地理信息中心網(wǎng)站提取連云港邊界、高程等數(shù)據(jù)，制作連云港市鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖和地理分布圖。數(shù)據(jù)的處理和圖件的制作主要是運(yùn)用Excel 2010軟件。

1.3 趨勢產(chǎn)量計(jì)算方法

1.3.1 趨勢產(chǎn)量的擬合 選擇最優(yōu)擬合曲線，要求擬合精度均大于0.80，分別對各縣區(qū)小麥產(chǎn)量進(jìn)行擬合，趨勢產(chǎn)量擬合效果和擬合方程見圖1。

一般在分析氣象條件對農(nóng)作物產(chǎn)量影響時，常通過時間序列分析等數(shù)學(xué)方法擬合趨勢產(chǎn)量，本研究選取最優(yōu)曲線擬合的方法模擬連云港各縣（區(qū)）的歷年小麥趨勢產(chǎn)量。將以縣（區(qū)）為統(tǒng)計(jì)單元，將實(shí)際產(chǎn)量（Y）分解為趨勢產(chǎn)量項(xiàng)（Yt）和由氣象條件變化引起的氣象產(chǎn)量項(xiàng)（Yw）。

1.4 災(zāi)損率

1.4.1 災(zāi)損率的定義 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害最主要的影響就是造成最終產(chǎn)量減小，因此，災(zāi)害指標(biāo)構(gòu)建必須首先考慮致災(zāi)因子與減產(chǎn)率的相互關(guān)系[9]。

式中：實(shí)際產(chǎn)量（Y）為小麥總產(chǎn)量與種植面積的比值，kg/hm2;趨勢產(chǎn)量（Yt）采用直線滑動平均法確定，主要反映農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步、農(nóng)業(yè)政策、農(nóng)業(yè)投入等對產(chǎn)量水平的影響，kg/hm2;氣象產(chǎn)量（Yw）反映當(dāng)?shù)貧庀髼l件波動所引起的產(chǎn)量波動，kg/hm2。當(dāng)實(shí)際產(chǎn)量小于趨勢產(chǎn)量時，減產(chǎn)量為趨勢產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量的差值。由于該值為減產(chǎn)的絕對量，在不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平下對災(zāi)情的反映不具可比性，因此引入災(zāi)損率（ΔY），即式中：ΔY表示實(shí)際產(chǎn)量與趨勢產(chǎn)量的偏差率，是一個具有時空可比性的相對指標(biāo)。當(dāng)實(shí)際產(chǎn)量高于趨勢產(chǎn)量即Y-Yt>0時，則ΔY>0，表示增產(chǎn)，即氣象條件對作物生長發(fā)育總體有利;當(dāng)實(shí)際產(chǎn)量低于趨勢產(chǎn)量即Y-Yt<0時，則ΔY<0，即氣象條件對作物生長發(fā)育總體不利，出現(xiàn)災(zāi)損。ΔY客觀地描述出作物因氣象災(zāi)害造成的災(zāi)害損失的大小，ΔY負(fù)值越大，表示災(zāi)害損失越大。

1.4.2 災(zāi)損率的定量計(jì)算 將趨勢產(chǎn)量計(jì)算結(jié)果帶入式（1）得到各縣區(qū)的氣象產(chǎn)量，再將趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量帶入式（2），得到相對氣象產(chǎn)量，即災(zāi)損率。連云港市氣象災(zāi)害災(zāi)損率變化見圖2。

1.5 典型災(zāi)害年

以ΔY≤-5%為小麥?zhǔn)転?zāi)減產(chǎn)的臨界值，按照災(zāi)損率≤-5%挑選出各站點(diǎn)的歷史減產(chǎn)年。若某一年減產(chǎn)率≤-5%站點(diǎn)超過該區(qū)域站點(diǎn)數(shù)的50%，則該年為該區(qū)域的典型災(zāi)害年。從 ΔY≤-5% 的樣本中挑選出主要由春霜凍引起減產(chǎn)的樣本作為分析春凍害災(zāi)損特征、確定災(zāi)損指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出1986—2016年典型災(zāi)害年。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1989、1990、1993、1994、1995、2010年為連云港市小麥的典型災(zāi)害年;1992、1994、1996、1997、2004、2005、2006、2008年為連云港市小麥的典型豐產(chǎn)年。

由表3可知，1993年和2013年，在實(shí)際發(fā)生的小麥春霜凍中，雖然發(fā)生了春季凍害，但由于凍害時間較短，凍害程度不深，后期采取了補(bǔ)救措施，當(dāng)年達(dá)到豐產(chǎn)，這說明春霜凍只是對產(chǎn)量構(gòu)成威脅的一部分，其最后產(chǎn)量的高低還與灌漿成熟期溫光水、收獲期的降水和光照以及當(dāng)?shù)胤N植的品種等有關(guān)。據(jù)市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局資料，近幾年使用小麥煙農(nóng)19、濟(jì)麥22號、連麥8號品種較多。由于小麥品種的不同，生育期和抗凍程度有所差異。

2.3 連云港小麥返青拔節(jié)孕穗期霜凍發(fā)生地域特征

災(zāi)害風(fēng)險大小與災(zāi)害出現(xiàn)概率和強(qiáng)度密切相關(guān)。基于1986—2016年各連云港小麥種植基地統(tǒng)計(jì)出的受災(zāi)年小麥?zhǔn)軆龊r的最低溫度、受凍害面積、受凍害時間，按照小麥不同等級春霜凍氣象災(zāi)害發(fā)生概率，再由專家打分，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)分別賦予溫度災(zāi)害權(quán)重，將不同小麥?zhǔn)艽核獌龊Φ臋?quán)重和小麥春霜凍的氣候區(qū)劃因子疊加，以綜合值為指標(biāo)，基于GIS，將氣候要素內(nèi)插或推算到一定空間分辨率的細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)上，用ArcGIS繪制連云港小麥春霜凍風(fēng)險指數(shù)分布圖（圖4）。從圖4可以看出，連云港小麥春霜凍風(fēng)險自西向東呈逐級減小的趨勢，大部分地區(qū)為中度偏高風(fēng)險區(qū)，連云港東部以及東北部沿海地區(qū)為城鎮(zhèn)及灘涂，為中度到輕度小麥春霜凍風(fēng)險區(qū)。連云港的西連島及西連島附近的地區(qū)，受海洋的影響，小麥春霜凍的風(fēng)險較低。由于地域因素，海邊鹽堿較大，不適合發(fā)展小麥種植。灌云和灌南的中西部地區(qū)，屬兩灌地區(qū)，地勢較低，為偏高風(fēng)險區(qū)。對連云港進(jìn)行實(shí)地考察，連云港兩灌地區(qū)是連云港小麥種植大區(qū)，最低氣溫氣象要素對產(chǎn)量減少的風(fēng)險值大。用年冬小麥春霜凍害實(shí)況對指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，與實(shí)際情況基本相符，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中的災(zāi)害調(diào)查及災(zāi)害預(yù)警。

3 結(jié)論與討論

本研究在已有的大量研究基礎(chǔ)上，使用30年數(shù)據(jù)，結(jié)合連云港市小麥生理生態(tài)特征，運(yùn)用相對氣象產(chǎn)量，即災(zāi)損率，用積分回歸方法分析各氣象因子對小麥產(chǎn)量的影響，計(jì)算對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)程度，構(gòu)建小麥返青拔節(jié)孕穗期致災(zāi)指標(biāo)方法?；贕IS，用ArcGIS繪制連云港小麥春霜凍風(fēng)險指數(shù)分布圖、小麥返青拔節(jié)孕穗期霜凍發(fā)生地域特征。

連云港小麥返青拔節(jié)孕穗期最低氣溫和灌漿成熟期溫光水，以及收獲期的降水和光照是決定連云港小麥產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞蜃印４杭景喂?jié)期間霜凍害不是小麥產(chǎn)量的唯一致災(zāi)因子。

3月中旬至4月中旬的最低氣溫滑動48 h溫差值（T差）、最低氣溫值（Tmin）與災(zāi)損率顯著性相關(guān)，對小麥拔節(jié)期間的霜凍災(zāi)害的形成起著至關(guān)重要作用，得出3月中旬至4月中旬的最低氣溫滑動 48 h 溫差值（T差）、最低氣溫值（Tmin）是連云港小麥春霜凍評估的關(guān)鍵因子。

連云港春季凍害因素對產(chǎn)量的影響程度表現(xiàn)為3月中旬至4月中旬的最低氣溫>3月中旬至4月中旬的48 h溫差。連云港市3月中旬至4月中旬最低氣溫低于1 ℃，小麥即受凍。

連云港東部以及東北部沿海地區(qū)為城鎮(zhèn)及灘涂，為霜凍中度到輕度風(fēng)險區(qū)風(fēng)險。沿海地區(qū)屬霜凍的低風(fēng)險區(qū)。灌云和灌南的兩灌地區(qū)，屬霜凍高風(fēng)險區(qū)。灌云兩灌地區(qū)，如發(fā)生小麥拔節(jié)期的凍害，受凍害的程度大于其他地區(qū)。春霜凍只是對產(chǎn)量構(gòu)成威脅的一部分，其最后產(chǎn)量的高低還與灌漿成熟期溫光水、收獲期的降水和光照以及當(dāng)?shù)胤N植的品種有關(guān)。

本研究在構(gòu)建連云港小麥春霜凍風(fēng)險指數(shù)時，僅考慮到小麥春霜凍的致災(zāi)因子，未考慮小麥品種以及種植的地理位置和栽培管理方式等影響小麥生產(chǎn)的諸多條件，連云港小麥對災(zāi)害的敏感性需要進(jìn)一步深入研究。在實(shí)際應(yīng)用時，霜凍的實(shí)際危害程度還需要結(jié)合以上多種因素綜合本研究冬小麥凍害指標(biāo)，結(jié)合判斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]張 佩，田 娜，趙會穎，等. 江蘇省冬小麥氣候適宜度動態(tài)模型建立及應(yīng)用[J]. 氣象科學(xué)，2015，35（4）：468-473.

[2]郝志新，鄭景云，陶向新. 氣候增暖背景下的冬小麥種植北界研究——以遼寧省為例[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，2001，20（3）：254-261.

[3]馮玉香，何維勛，孫忠富，等. 我國冬小麥霜凍害的氣候分析[J]. 作物學(xué)報，1999，25（3）：335-340.

[4]馮玉香，何維勛. 霜凍的研究[M]. 北京：氣象出版社，1996：108-125.

[5]張雪芬，余衛(wèi)東，王春乙，等. Wofost模型在冬小麥晚霜凍害評估中的應(yīng)用[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報，2006，15（6）：337-341.

[6]伏 洋，李風(fēng)霞，張國勝. 德令哈地區(qū)霜凍災(zāi)害氣候指標(biāo)的對比分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2003，24（4）：8-11.

[7]包云軒，王 瑩，高 蘋，等. 江蘇省冬小麥春霜凍害發(fā)生規(guī)律及其氣候風(fēng)險區(qū)劃[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（1）：134-141.

[8]任曙霞，朱敏華，時敦倫，等. 連云港市霜凍變化趨勢分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（3）：492-494.

[9]陸魁東，彭莉莉，黃晚華，等. 氣候變化背景下湖南油菜氣象災(zāi)害風(fēng)險評估[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（2）：191-196.

[10]濮梅娟. 江蘇省決策氣象服務(wù)手冊[M]. 北京：氣象出版社，2001. 高 操，邢麗珠，張方敏，等. 沙坡頭國家級自然保護(hù)區(qū)土地利用格局及生態(tài)服務(wù)價值變化評估[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（20）：276-282.