桓臺(tái)縣冬小麥拔節(jié)至抽穗期晚霜凍災(zāi)害的氣溫服務(wù)指標(biāo)

榮云鵬，張繼波，李宜軒，于嘉昕，王錫久

(1.桓臺(tái)縣氣象局，山東 桓臺(tái) 256400；2.山東省氣象局，山東 濟(jì)南 250000；3.桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)局，山東 桓臺(tái) 256400)

冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)的主要糧食作物之一，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有極其重要的意義。晚霜凍嚴(yán)重影響冬小麥幼穗的分化進(jìn)程，是造成我國(guó)冬小麥產(chǎn)量重大損失的一種短時(shí)間突發(fā)性的低溫農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[1]。霜凍災(zāi)害是指秋初、春末季節(jié)，由于地表溫度(或氣溫)驟降，農(nóng)作物莖、葉溫度隨之降至0℃以下，使正在發(fā)育的農(nóng)作物受到凍害，從而導(dǎo)致減產(chǎn)、品質(zhì)下降或絕收[2]。馮秀藻等[3]認(rèn)為，我國(guó)北方麥區(qū)在小麥拔節(jié)期，氣溫低于0℃(或葉溫低于-4℃)就可能遭受霜凍危害。隨著冬小麥品種的變化，其抗寒能力也發(fā)生著改變。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)引起小麥晚霜凍災(zāi)害溫度指標(biāo)的表述是指作物植株處于0℃中的影響。

天氣預(yù)報(bào)中提到的氣溫是指百葉箱內(nèi)觀測(cè)到的氣溫，與大田冬小麥植株根部、冠層的氣溫存在一定差異。目前已有大量有關(guān)可能引起霜凍災(zāi)害的氣溫指標(biāo)研究。余衛(wèi)東[4]進(jìn)行相關(guān)對(duì)比研究認(rèn)為，冬小麥冠層附近的最低氣溫比氣象站觀測(cè)150 cm高度處的氣溫更低，冠層內(nèi)最低氣溫與150 cm高度處的最低氣溫及0 cm地溫呈極顯著正偏相關(guān)，可用于冬小麥冠內(nèi)最低氣溫的精確估測(cè)。晚霜凍造成冬小麥發(fā)育異常的原因很多，小麥拔節(jié)期前后最可能發(fā)生晚霜凍，隨著小麥拔節(jié)后的日數(shù)增加，冬小麥耐寒能力呈下降趨勢(shì)。小麥?zhǔn)軆龊Τ潭瘸c小麥品種、降溫強(qiáng)度和低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)外，也與播期、播量、土壤、耕作質(zhì)量及水肥管理等方面有很大關(guān)系[5-9]。

桓臺(tái)縣地處魯西北平原，地勢(shì)平坦，氣候條件對(duì)周邊平原地帶的氣候有一定的代表性，是山東省重點(diǎn)產(chǎn)麥區(qū)之一，種植面積約2.65萬(wàn)hm2。為進(jìn)一步確定冬小麥晚霜凍氣溫服務(wù)指標(biāo)為今后的霜凍預(yù)報(bào)服務(wù)提供參考，對(duì)桓臺(tái)縣近20年的霜凍災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合開(kāi)展2020年小麥拔節(jié)至抽穗期晚霜凍氣溫服務(wù)指標(biāo)大田觀測(cè)試驗(yàn)。

1 資料與方法

1.1 資料

研究資料包括氣象資料、小麥產(chǎn)量及災(zāi)情調(diào)查資料。氣象資料來(lái)自桓臺(tái)縣氣象局，包括2001-2020年大監(jiān)站氣溫、地面0 cm地溫及7個(gè)區(qū)域氣象自動(dòng)站最低氣溫資料?；概_(tái)縣氣象局和農(nóng)業(yè)部門(mén)提供的2001-2020年冬小麥晚霜凍災(zāi)害實(shí)況，桓臺(tái)縣統(tǒng)計(jì)局提供的2001-2020年小麥產(chǎn)量資料。2020年試驗(yàn)田塊實(shí)地觀測(cè)氣溫、小麥產(chǎn)量，來(lái)自桓臺(tái)縣氣象局農(nóng)氣人員和示范點(diǎn)農(nóng)戶田間實(shí)地觀測(cè)。

1.2 方法

采用統(tǒng)計(jì)分析方法研究2001-2020年造成冬小麥晚霜凍害氣溫情況，通過(guò)實(shí)地觀測(cè)和對(duì)比研究造成冬小麥晚霜凍災(zāi)害的氣溫情況。試驗(yàn)過(guò)程：2020年在小麥拔節(jié)后至小麥抽穗前開(kāi)展晚霜凍氣溫服務(wù)指標(biāo)大田觀測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊設(shè)在桓臺(tái)縣索鎮(zhèn)張橋村，距離桓臺(tái)國(guó)家一般站2.7 km，該地段冬小麥品種為魯原502，播種時(shí)間為2019年10月8日，次年2月14日返青，3月15日拔節(jié)，4月12日孕穗，4月28日抽穗；同地塊另一品種為藁優(yōu)5218，發(fā)育期與魯原502相近，均屬于早熟品種。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，對(duì)預(yù)測(cè)可能發(fā)生晚霜凍的低溫過(guò)程跟蹤觀測(cè)，提前在麥田中布設(shè)溫度表。觀測(cè)時(shí)間段選日極端最低氣溫出現(xiàn)幾率最高的5:00-7:00。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)2組溫度表，觀測(cè)點(diǎn)距離田間地頭10 m以上，各點(diǎn)之間距離10 m以上；開(kāi)展?jié)菜臀礉菜貕K氣溫及不同小麥品種后期發(fā)育實(shí)況對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)。田間觀測(cè)時(shí)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)布置3層觀測(cè)儀器，小麥冠層頂附近、生長(zhǎng)點(diǎn)高度附近、0 cm地面3層溫度；第1次田間試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)，參照當(dāng)時(shí)小麥的實(shí)際發(fā)育情況，從地面到冠層觀測(cè)氣溫高度設(shè)為0 cm、5 cm(大約在生長(zhǎng)點(diǎn)的高度)、30 cm(小麥冠頂附近)，并對(duì)澆水和未澆水田塊分別進(jìn)行觀測(cè)；第2次低溫過(guò)程田間試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)，將測(cè)溫層自下而上調(diào)整為0 cm、30 cm(大約在生長(zhǎng)點(diǎn)的高度)、50 cm(小麥冠頂附近)高度。觀測(cè)時(shí)間是觀測(cè)員實(shí)際讀表時(shí)間(精確到分)，田間觀測(cè)的數(shù)據(jù)是實(shí)際讀表的數(shù)據(jù)，參加對(duì)比數(shù)據(jù)有距離觀測(cè)田塊約1.5 km的桓臺(tái)縣國(guó)家氣象站同一分鐘氣溫?cái)?shù)據(jù)(百葉箱氣溫是指桓臺(tái)國(guó)家氣象站的分鐘氣溫)和桓臺(tái)縣7個(gè)區(qū)域氣象自動(dòng)站最接近讀表時(shí)間的整點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2002年、2009年和2013年冬小麥的晚霜凍危害

據(jù)2001-2020年的統(tǒng)計(jì)資料顯示，2002年、2009年和2013年由于晚霜凍導(dǎo)致小麥的單位面積產(chǎn)量較常年減少(圖1)。

圖 1 2001-2020年小麥的單位面積產(chǎn)量

2.1.1 2002年 4月25日凌晨出現(xiàn)低溫天氣，最低氣溫3.7℃，地面最低溫度0.7℃。桓臺(tái)縣氣象局對(duì)此次晚霜凍進(jìn)行災(zāi)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受凍作物較多，小麥發(fā)育后期出現(xiàn)嚴(yán)重空殼或不抽穗，當(dāng)年小麥單產(chǎn)7 020 kg/hm2。

2.1.2 2009年 4月15日夜間出現(xiàn)大風(fēng)和降水，4月16日氣溫驟降，出現(xiàn)霜和結(jié)冰；過(guò)程極端最低氣溫0.4℃，出現(xiàn)在16日5:00-6:00；低于5℃的時(shí)間是15日23:00至16日8:00。此時(shí)小麥處于拔節(jié)末期，抗凍性明顯減弱，縣內(nèi)小麥全部受凍，凍害面積2.43萬(wàn)hm2，絕產(chǎn)面積400 hm2，當(dāng)年小麥單產(chǎn)5 880 kg/hm2。

2.1.3 2013年 4月19-20日普降大雪，降水量達(dá)16.1 mm，麥田積雪厚度達(dá)6 cm左右，影響穗粒數(shù)的提高。19-21日極端最低氣溫0.3℃，0.3℃持續(xù)時(shí)段為19日19:00至20日1:00。0 cm地溫最低-0.7℃，出現(xiàn)時(shí)間21日4:00。此次晚霜凍過(guò)程中，極端最低氣溫是0.3℃，氣溫低于5.0℃時(shí)間是19日17:00至20日12:00。地溫極端最低為0.2℃；地溫低于5.0℃時(shí)間是19日16:00至20日11:00。此時(shí)小麥處于孕穗期，抗凍性弱，當(dāng)年小麥單產(chǎn)7 590 kg/hm2。

2.2 2020年低溫過(guò)程及霜凍危害

2020年小麥拔節(jié)至抽穗期桓臺(tái)縣主要有3次低溫過(guò)程，第1次發(fā)生在3月27-30日，第2次發(fā)生在4月4-6日，第3次發(fā)生在4月21-23日。第1次和第3次，開(kāi)展了田間試驗(yàn)觀測(cè)，第2次僅進(jìn)行了田間小麥實(shí)況的影像資料采集。據(jù)桓臺(tái)縣各鎮(zhèn)氣象服務(wù)示范點(diǎn)農(nóng)戶觀測(cè)，2020年該縣冬小麥拔節(jié)時(shí)間最早3月15日，最晚4月8日，平均為3月25日；抽穗期最早4月15日，最晚4月30日，平均為4月27日。據(jù)試驗(yàn)地段實(shí)地觀測(cè)，4月17日時(shí)該地段小麥高度(量至小麥最高葉尖)為63 cm，部分小麥抽穗。

2.2.1 第1次低溫過(guò)程 從表1看出，未澆水地塊各層溫度均較同時(shí)段澆水地塊各層溫度偏低，與觀測(cè)站百葉箱中氣溫和7個(gè)區(qū)域氣象自動(dòng)站整點(diǎn)平均氣溫相比更低；較未澆水0 cm地面溫度低但偏差略小。馮秀藻等[3]研究表明，灌溉產(chǎn)生的保溫效應(yīng)主要集中在地上0～5 cm處，至30 cm處則基本消失，該研究驗(yàn)證了該觀點(diǎn)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，3月28日和29日早觀測(cè)到霜，30日早觀測(cè)到露，被碰觸過(guò)的葉面露水轉(zhuǎn)為白霜。從表2和圖2看出，當(dāng)觀測(cè)站百葉箱氣溫為3.8～5.3℃時(shí)，冬小麥葉面可以觀測(cè)到霜，小麥暫時(shí)無(wú)法判斷是否遭受凍害。

表1 未澆水和澆水地塊小麥冠層各層次溫度、百葉箱氣溫及0 cm地面溫度 ℃

表2 試驗(yàn)各相應(yīng)時(shí)段內(nèi)桓臺(tái)國(guó)家氣象站的最低氣溫與7個(gè)區(qū)域站最低氣溫平均值 ℃

2.2.2 第2次低溫過(guò)程 大田觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，4月5日麥田受到霜凍危害，小麥單株受凍葉片結(jié)霜，葉尖可見(jiàn)冰珠；小麥節(jié)間點(diǎn)以上最嫩部位發(fā)生凍害呈水漬狀，變軟彎曲(圖3)。從表3看出，4月4-5日桓臺(tái)國(guó)家氣象站小時(shí)最低氣溫為1.5～7.0℃，7個(gè)區(qū)域站小時(shí)最低平均氣溫為0.2～5.1℃，二者均未降至0℃以下，但同一時(shí)間的地面0 cm地溫小時(shí)最低溫度為-5.4～17.3℃，5日4:00-6:00地面最低溫度均在0℃以下，特別是6:00最低，達(dá)-5.4℃?？梢?jiàn)，當(dāng)觀測(cè)站氣溫為1.5～3.0℃時(shí)，冬小麥已遭受霜凍危害。

圖 2 2020年3月28日和29日桓臺(tái)縣的小麥葉霜

表3 2020年4月4日夜間至5日相應(yīng)時(shí)段內(nèi)小時(shí)最低氣溫

2.2.3 第3次低溫過(guò)程 實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，4月22-23日部分小麥旗葉抽出，部分處于抽穗初期。22日和23日均觀測(cè)到霜，23日葉間露水結(jié)為冰球(圖4)。從表4看出，氣象站氣溫為5.4～11.6 ℃，0 cm地面溫度為2.3～9.0℃，二者均在0℃以上且溫度較高；試驗(yàn)田塊觀測(cè)到5 cm和30 cm高度處的氣溫分別為-2.4～6.0 ℃和-3.4～-0.3 ℃，其中5:00-6:00均在0℃以下。結(jié)合表5得出，當(dāng)氣象站氣溫在5℃左右時(shí)，田間也可形成霜，氣溫過(guò)程對(duì)小麥造成霜凍危害。

圖 3 4月5日麥田的小麥葉霜及冬小麥單株受凍癥狀

圖 4 4月22-23日試驗(yàn)點(diǎn)小麥葉霜現(xiàn)象

表4 4月21日至4月24日冬小麥冠層各層次溫度、百葉箱氣溫和0 cm地溫 ℃

表5 試驗(yàn)各相應(yīng)時(shí)段桓臺(tái)氣象站與7個(gè)區(qū)域站的小時(shí)最低氣溫 ℃

2.3 2020年試驗(yàn)點(diǎn)小麥后期發(fā)育與產(chǎn)量情況

從圖5看出，試驗(yàn)點(diǎn)冬小麥品種魯原502由于采取澆水等措施，所以很好地對(duì)抗了低溫過(guò)程影響，小麥單產(chǎn)為10 200 kg/hm2，產(chǎn)量較高；而同地段小麥藁優(yōu)5218由于未及時(shí)采取防凍措施，小麥穗部發(fā)育不均勻，空殼樣品較多，單產(chǎn)為9 600 kg/hm2。

圖 5 2020年5月4日試驗(yàn)點(diǎn)受低溫影響的小麥(藁優(yōu)5218)

3 結(jié)論與討論

綜合2002年、2009年和2013年的歷史統(tǒng)計(jì)資料分析得出，氣溫降至0℃左右但尚未低于0℃時(shí)，冬小麥會(huì)受霜凍災(zāi)害。根據(jù)田間實(shí)地試驗(yàn)對(duì)比分析得出，百葉箱測(cè)得氣溫和大田小麥冠層氣溫相差較大，日出前后，百葉箱測(cè)得氣溫高于大田氣溫；冬小麥冠層內(nèi)不同層次溫度不同；日出氣溫回升前，冠層內(nèi)比冠層頂溫度高；日出氣溫回升前，百葉箱氣溫接近0℃但不低于0℃時(shí)，同一時(shí)間，冬小麥冠層內(nèi)或冠層頂溫度低于0℃。對(duì)比3次低溫過(guò)程實(shí)地觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果看出，百葉箱氣溫與大田氣溫同一時(shí)間的數(shù)值最小差為4℃左右。

因預(yù)報(bào)、預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估氣象服務(wù)中，由于農(nóng)田經(jīng)緯度、地形狀況、冬小麥發(fā)育狀況、管理狀況不同，同一次低溫過(guò)程帶來(lái)的影響差異較大，兼顧服務(wù)對(duì)象地塊的多種狀況。結(jié)合試驗(yàn)觀測(cè)認(rèn)為，最低等級(jí)的凍害氣溫氣象服務(wù)指標(biāo)可定為4℃。因此，建議廣大小麥種植農(nóng)戶，在小麥拔節(jié)到抽穗前，遇到預(yù)報(bào)未來(lái)最低氣溫有低于4℃的天氣過(guò)程，要提前采取澆水等相關(guān)措施防御小麥晚霜凍。