內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍時(shí)空分布特征及其對(duì)產(chǎn)量的影響

王永璽，皇 彥，蘇 力

(1.阿拉善左旗氣象局，內(nèi)蒙古 阿拉善 750300；2.烏蘭察布市氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3.阿拉善盟拐子湖氣象站，內(nèi)蒙古 阿拉善 735408)

霜凍是植物生長(zhǎng)季內(nèi)，由于冷空氣的入侵，致使植物表面及近地層溫度和土壤溫度驟然下降，從而使植物受到傷害，甚至死亡的低溫凍害[1]。霜凍在我國(guó)發(fā)生范圍較廣，危害作物種類較多，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失[2-5]。霜凍主要發(fā)生在春、秋兩季，初霜凍提前或者終霜凍推遲都會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響[6,7]。內(nèi)蒙古地區(qū)海拔高、溫差大、氣候冷涼，非常適宜種植馬鈴薯，是我國(guó)最大的馬鈴薯生產(chǎn)基地。在內(nèi)蒙古地區(qū)，霜凍已成為影響馬鈴薯生產(chǎn)的重要?dú)庀鬄?zāi)害之一，特別是秋季，馬鈴薯正處于塊莖增長(zhǎng)和淀粉積累的重要時(shí)期，秋霜凍直接影響馬鈴薯的產(chǎn)量，甚至絕收[8]。因此，內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害應(yīng)該引起高度重視。能否有效減少霜凍對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)造成的損失，為政府部門決策生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，就成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。

20世紀(jì)初，歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家已建立氣候預(yù)測(cè)、診斷等方面的研究。隨著全球氣候變暖，霜凍的變化規(guī)律和特征引起了更多的關(guān)注。Katrina Richards等[9]以溫度為指標(biāo)，通過(guò)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚣暗匦蔚姆植?，分析新西蘭南部霜凍的分布特征，結(jié)果表明霜凍的空間分布與地表類型、海拔、經(jīng)緯度等密切相關(guān)。Mohammad Rahimi等[10]對(duì)伊朗中部的重要農(nóng)業(yè)地區(qū)進(jìn)行霜凍研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)霜凍出現(xiàn)的日期服從PoissonⅢ分布，霜凍出現(xiàn)的頻率與海拔高度呈正相關(guān)性，高海拔地區(qū)霜凍更為頻繁。國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者也做了大量研究工作，伏洋等[11]研究了德令哈地區(qū)的霜凍分布特點(diǎn)，根據(jù)不同生育期遭受霜凍害的臨界溫度值，確定出了適合該地區(qū)春小麥和油菜氣候特點(diǎn)的綜合霜凍指標(biāo)，全面地反映霜凍的實(shí)際情況。郭曉雷等[12]研究了寧夏枸杞種植區(qū)春霜凍發(fā)生的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)枸杞種植區(qū)發(fā)生霜凍次數(shù)呈現(xiàn)南北多、中間少的分布特征；終霜日呈現(xiàn)南部偏晚、中北部偏早的空間分布特征，終霜凍日以2.1 d/10a的速率提前，且階段性變化特征明顯。杜春英等[13]研究發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)初霜凍呈波動(dòng)式變化，出現(xiàn)時(shí)間呈由北向南逐漸推遲趨勢(shì)；黑龍江省最易發(fā)生初霜凍，玉米產(chǎn)量受初霜凍風(fēng)險(xiǎn)影響最大。楊松等[14]研究發(fā)現(xiàn)河套灌區(qū)各地春霜凍結(jié)束時(shí)間從西南向東北部地區(qū)延遲；春霜凍變化趨勢(shì)不同,但總趨勢(shì)均提前；春霜凍變化規(guī)律與氣溫變化規(guī)律不同，對(duì)中長(zhǎng)日期的向日葵生長(zhǎng)影響較大。王惠貞等[15]以不同氣候生態(tài)區(qū)的80%保證率成熟日期作為界限日期，評(píng)定大豆秋霜凍災(zāi)害，分析了內(nèi)蒙古大豆秋季霜凍發(fā)生的演變特征及空間分布特征，結(jié)果表明，在30年時(shí)間尺度內(nèi)，內(nèi)蒙古大豆不同等級(jí)秋季霜凍發(fā)生范圍有略變小的趨勢(shì)，初霜凍日均呈提前趨勢(shì)；輕霜凍發(fā)生范圍相對(duì)較廣且發(fā)生范圍的年際變化較大；不同等級(jí)秋季霜凍發(fā)生頻率大致呈東北高、西部和東南部低的空間分特征。

目前，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害的研究較少，對(duì)不同程度霜凍時(shí)空分布規(guī)律及霜凍對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響研究甚少。筆者選取內(nèi)蒙古中部地區(qū)21個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)，在前人研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建了內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍監(jiān)測(cè)指標(biāo)，研究?jī)?nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯不同等級(jí)秋霜凍發(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律，并分析了秋霜凍對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響，以期為內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯種植產(chǎn)業(yè)有效規(guī)避秋霜凍災(zāi)害提供科學(xué)的參考。

1 資料與方法

選取內(nèi)蒙古中部地區(qū)21個(gè)氣象觀測(cè)站(見(jiàn)圖1)1980年—2019年8月—10月日最低氣溫資料和6個(gè)農(nóng)氣觀測(cè)站1980年—2019年馬鈴薯發(fā)育期資料。1994年—2017年馬鈴薯產(chǎn)量資料來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，其他年代馬鈴薯產(chǎn)量資料存在缺失。由于21個(gè)氣象觀測(cè)站中只有6個(gè)站點(diǎn)具有發(fā)育期觀測(cè)資料，因此根據(jù)馬鈴薯生長(zhǎng)特性，采用就近替代的原則替代馬鈴薯生育期。馬鈴薯歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·內(nèi)蒙古卷》和中國(guó)氣象局氣象災(zāi)害直報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

利用ArcGIS空間分析技術(shù)研究?jī)?nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍發(fā)生頻率及強(qiáng)度。采用當(dāng)年內(nèi)蒙古中部地區(qū)出現(xiàn)馬鈴薯秋霜凍的氣象觀測(cè)站數(shù)與總氣象觀測(cè)站數(shù)(21個(gè)觀測(cè)臺(tái)站)的比值(IOC)方法，用以表示內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍出現(xiàn)的范圍大小。

圖1 研究區(qū)域氣象觀測(cè)站分布

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害的監(jiān)測(cè)指標(biāo)

根據(jù)內(nèi)蒙古中部地區(qū)6個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站馬鈴薯發(fā)育期資料和21個(gè)地面觀測(cè)站的多年秋霜凍日期，得出內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍發(fā)生在8月—10月。借鑒《中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 88-2008作物霜凍害等級(jí)》，結(jié)合歷年馬鈴薯遭受秋霜凍的實(shí)際情況，將內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害的指標(biāo)進(jìn)行修正(見(jiàn)表1)。

表1 內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2.2 內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍的發(fā)生規(guī)律

利用選取的21個(gè)氣象臺(tái)站1980年—2019年秋霜凍日期資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍出現(xiàn)的時(shí)間主要集中在9月下旬和10月上旬；烏蘭察布市秋霜凍主要出現(xiàn)9月中、下旬，出現(xiàn)時(shí)間要早于包頭市和呼和浩特市；包頭市和呼和浩特市秋霜凍主要出現(xiàn)在9月下旬和10月上旬，呼和浩特市略早于包頭市。各地北部秋霜凍比南部出現(xiàn)的早。從秋霜凍的80%保證率日期和歷年平均日期來(lái)看，烏蘭察布市秋霜凍出現(xiàn)時(shí)間最早，80%保證率日期多在9月下旬，其次為呼和浩特市，包頭市相對(duì)較晚，包頭市和呼和浩特市的秋霜凍80%保證率日期均在10月中旬。各地80%保證率的秋霜凍日期比歷年平均日期偏晚4 d～8 d(見(jiàn)表2)。

表2 內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍80%保證率日期與多年平均日期比較

察哈爾右翼中旗、固陽(yáng)縣、武川縣分別為烏蘭察布市、包頭市和呼和浩特市的馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，且均有馬鈴薯農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，具有較好的代表性，可以代表3個(gè)地區(qū)的馬鈴薯狀況。利用察哈爾右翼中旗、固陽(yáng)縣、武川縣三站的初霜凍日期資料，分析其時(shí)間變化趨勢(shì)，將8月21日記為1，8月22日記為2，……以此類推，由圖2可見(jiàn)，烏蘭察布市、包頭市、呼和浩特市3個(gè)地區(qū)的初霜凍日期時(shí)間變化不存在規(guī)律性，呈波動(dòng)變化。烏蘭察布市和呼和浩特市在20世紀(jì)80年代年際變化較大，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初相對(duì)平穩(wěn)，2010年之后年際變化變大。包頭市在20世紀(jì)80年代年際變化相對(duì)平穩(wěn)，20世紀(jì)90年代后開始劇烈變化。1983年、1986年、1988年、1990年、1997年、2007年、2012年等年份的初霜凍日期偏離平均狀態(tài)較多。烏蘭察布市和呼和浩特市的初霜凍發(fā)生日期隨年代呈推遲趨勢(shì)，包頭市基本維持不變，說(shuō)明隨著氣候變暖，內(nèi)蒙古中部地區(qū)初霜日呈推遲趨勢(shì)。

烏蘭察布市初霜凍出現(xiàn)的日期早于呼和浩特市，平均偏早4 d，呼和浩特市初霜凍出現(xiàn)的日期早于包頭市，平均偏早11 d?？梢?jiàn)內(nèi)蒙古中部地區(qū)烏蘭察布市初霜凍出現(xiàn)的最早，包頭市最晚，二者出現(xiàn)時(shí)間相差15 d，也說(shuō)明初霜凍對(duì)烏蘭察布市的影響最大(見(jiàn)圖2)。

圖2 1980年—2019年察哈爾右翼中旗、固陽(yáng)縣、武川縣站初霜凍日期變化趨勢(shì)

2.3 內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍發(fā)生面積比重及強(qiáng)度時(shí)間分布

采用當(dāng)年內(nèi)蒙古中部地區(qū)出現(xiàn)秋霜凍的氣象觀測(cè)站與總氣象觀測(cè)站數(shù)(21個(gè)觀測(cè)臺(tái)站)的比值(IOC)方法，表示內(nèi)蒙古中部地區(qū)全省秋霜凍出現(xiàn)的范圍。從圖3(a)中可以看出，內(nèi)蒙古中部地區(qū)發(fā)生秋霜凍面積比重從1980年—2019年總體呈下降的趨勢(shì)，20世紀(jì)前大多數(shù)年份秋霜凍發(fā)生面積比重高于40 a平均水平，20世紀(jì)后大多數(shù)年份秋霜凍發(fā)生面積比重低于40 a平均水平。內(nèi)蒙古中部地區(qū)較大范圍發(fā)生秋霜凍的年份有1980年、1982年、1985年、1997年、2006年、2011年，共6年，秋霜凍面積比重超過(guò)了50%臺(tái)站。

從圖3(b)秋霜凍發(fā)生的強(qiáng)度來(lái)看，重度秋霜凍發(fā)生面積比重高于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。重度秋霜凍、中度秋霜凍和輕度秋霜凍發(fā)生面積比重從1980年—2019年均呈下降的趨勢(shì)。1980年、1982年、1997年、2006年發(fā)生重度秋霜凍的面積比重達(dá)到了50%，即有一半的臺(tái)站發(fā)生了重度秋霜凍，1983年、2015年所有臺(tái)站未發(fā)生重度秋霜凍。中度秋霜凍發(fā)生的面積比重均在45%以下，2003年、2007年、2008年、2013年、2016年所有臺(tái)站未發(fā)生中度秋霜凍。輕度秋霜凍發(fā)生的面積比重均在40%以下，1998年、2007年、2015年、2019年這4年所有臺(tái)站未發(fā)生輕度秋霜凍。

2.4 內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍發(fā)生頻率及強(qiáng)度空間分布

內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍空間分布采用各站點(diǎn)1980年—2019年間秋霜凍發(fā)生的年數(shù)與40 a的比值來(lái)計(jì)算。從圖4(d)可以看出，從1980年—2019年，內(nèi)蒙古中部地區(qū)有不同程度的秋霜凍發(fā)生，頻率在2.5%～92.5%之間。整體來(lái)看，內(nèi)蒙古中部地區(qū)發(fā)生秋霜凍的頻率呈從南向北遞增的趨勢(shì)。烏蘭察布市北部地區(qū)發(fā)生秋霜凍的頻率最高，包頭市地區(qū)發(fā)生秋霜凍的頻率次之，呼和浩特市地區(qū)發(fā)生秋霜凍的頻率相對(duì)較低。烏蘭察布市的察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗、四子王旗發(fā)生秋霜凍的頻率較高，分別為92.5%、62.5%、57.5%。包頭市的達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗、固陽(yáng)縣發(fā)生秋霜凍的頻率較高，分別為82.5%、72.5%。呼和浩特市武川縣發(fā)生秋霜凍的頻率較高，為70%。

從霜凍空間分布的強(qiáng)度來(lái)看(見(jiàn)圖4)，輕度秋霜凍、中度秋霜凍、重度秋霜凍均主要分布在北部。從整個(gè)內(nèi)蒙古中部地區(qū)分布情況來(lái)看，重度秋霜凍發(fā)生的頻率大于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。最大值發(fā)生在烏蘭察布市的察哈爾右翼中旗，高達(dá)87.5%，即1980年—2019年間有35 a發(fā)生了重度秋霜凍。其次為包頭市的達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗，高達(dá)75%，即1980年—2019年間有30 a發(fā)生了重度秋霜凍，其余地區(qū)發(fā)生頻率低于70%。中度秋霜凍最大值發(fā)生在包頭市的達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗，達(dá)到了42.5%，其次為烏蘭察布市的商都縣，達(dá)到了37.5%，其余地區(qū)發(fā)生頻率低于30%。輕度秋霜凍主要發(fā)生在烏蘭察布市的察哈爾右翼中旗、四子王旗、察哈爾右翼后旗，包頭市的達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗和呼和浩特市的武川縣，發(fā)生頻率在30%左右，其余地區(qū)發(fā)生頻率低于20%。

(a)秋霜凍平均值 (b)不同程度秋霜凍

圖4 1980年—2019年秋霜凍空間分布

2.5 內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯單產(chǎn)與秋霜凍的關(guān)系

利用1994年—2017年內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯單位面積產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖5)，結(jié)果表明內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯單位面積產(chǎn)量呈總體波動(dòng)上升趨勢(shì)。2017年馬鈴薯單位面積產(chǎn)量最高，為4 003 kg/hm2。2016年馬鈴薯單位面積產(chǎn)量最低，為1 670 kg/hm2。1994年—2000年、2001年—2010年、2011年—2017年馬鈴薯單位面積產(chǎn)量均呈先增加后減少的趨勢(shì)。

圖5 內(nèi)蒙古中部地區(qū)1994年—2017年馬鈴薯單位面積產(chǎn)量

馬鈴薯單產(chǎn)大幅下降的年份為1997年、1999年、2001年、2005年、2007年、2009年、2015年、2016年，具體見(jiàn)表3。

由馬鈴薯單產(chǎn)和秋霜凍發(fā)生面積比重的時(shí)間變化對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯單產(chǎn)和秋霜凍發(fā)生面積比重變化基本呈相反的趨勢(shì)，即馬鈴薯單產(chǎn)增加的時(shí)間段恰好是秋霜凍發(fā)生面積比重減少的時(shí)間段。例如1996年、2003年、2012年馬鈴薯單產(chǎn)明顯增加，而當(dāng)年秋霜凍發(fā)生面積比重明顯下降；1997年、1999年、2009年、2016年馬鈴薯單產(chǎn)明顯減少，而當(dāng)年秋霜凍發(fā)生面積比重明顯增加。這說(shuō)明秋霜凍在一定程度上造成馬鈴薯的減產(chǎn)(見(jiàn)圖6)。

表3 馬鈴薯大幅減產(chǎn)年份(1994年—2017年)

圖6 1994年—2017年馬鈴薯單位面積產(chǎn)量與秋霜凍發(fā)生面積比重對(duì)比

3 討論

霜凍是影響內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，造成作物產(chǎn)量下降或者絕收。筆者研究了內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍的特征，發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古中部地區(qū)馬鈴薯秋霜凍發(fā)生的時(shí)間不存在規(guī)律性，隨年代呈波動(dòng)式變化。內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍發(fā)生時(shí)間呈推遲的趨勢(shì)，其中烏蘭察布市秋霜凍出現(xiàn)的最早，呼和浩特市次之，包頭市秋霜凍出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較晚。這是因?yàn)樵谌驓夂蜃兣拇蟊尘跋拢幱谵r(nóng)牧交錯(cuò)帶的內(nèi)蒙古中部地區(qū)增溫較顯著；另外，烏蘭察布市地處陰山山脈末端，受冷空氣影響更為直接，因此烏蘭察布市是最易發(fā)生初霜凍的地區(qū)，馬鈴薯受初霜凍影響的風(fēng)險(xiǎn)最大。馬鈴薯單位面積產(chǎn)量與秋霜凍面積比重變化趨勢(shì)相反，說(shuō)明在全球氣候變暖的趨勢(shì)下，內(nèi)蒙古中部地區(qū)初霜日推遲，秋霜凍發(fā)生范圍也在減小，一定程度上有利于提高該區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

①內(nèi)蒙古中部地區(qū)秋霜凍發(fā)生時(shí)間呈推遲的趨勢(shì)，烏蘭察布市最早，呼和浩特市次之，包頭市相對(duì)較晚。秋霜凍面積比重從1980年—2019年呈下降的趨勢(shì)，且重度秋霜凍發(fā)生面積比重高于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。②從空間分布來(lái)看，馬鈴薯秋霜凍的發(fā)生頻率呈從南向北遞增的趨勢(shì)。烏蘭察布市發(fā)生秋霜凍的頻率最高，包頭市發(fā)生秋霜凍的頻率次之，呼和浩特市發(fā)生秋霜凍的頻率相對(duì)較低。輕度秋霜凍、中度秋霜凍、重度秋霜凍均主要分布在北部，重度秋霜凍發(fā)生的頻率要大于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。③馬鈴薯單位面積產(chǎn)量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，基本與秋霜凍面積比重變化趨勢(shì)相反。

由于內(nèi)蒙古中部地區(qū)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站較少，本文采用就近替代的原則替代馬鈴薯生育期，研究過(guò)程中存在一定的誤差。此外，由于部分馬鈴薯產(chǎn)量資料缺失，導(dǎo)致早期馬鈴薯秋霜凍對(duì)產(chǎn)量的影響無(wú)法分析。以上不足需要進(jìn)一步改善，深入研究。