陜西黃土高原日光溫室冬季低溫凍害風(fēng)險分析

劉 紅，楊愛琴，孫智輝，黨曉東，劉志超，都全勝，牛 騁

(1.安塞區(qū)氣象局，陜西安塞 717400；2.延安市氣象局，陜西延安 716000；3.子長市氣象局，陜西子長 717300)

陜西為農(nóng)業(yè)大省，近年來設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培逐年增加，設(shè)施農(nóng)業(yè)主要分布在黃土高原，涵蓋陜北和關(guān)中地區(qū)大部。當(dāng)前全省設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積為24.1萬hm2，已成為主導(dǎo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一。陜西地理位置獨特，暴雨(雪)、冰雹、干旱、凍害、大風(fēng)等災(zāi)害多發(fā)，低溫凍害是影響設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害之一。目前，國內(nèi)外對設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候要素模擬與預(yù)測[1-2]、設(shè)施內(nèi)外氣象因子變化規(guī)律[3-6]等方面研究較多，劉金玉[7]等對影響黃驊大棚蔬菜生長的凍害等主要氣象災(zāi)害特征進(jìn)行探討，葛徽衍等[8]就強降溫對設(shè)施農(nóng)業(yè)影響風(fēng)險開展研究，在設(shè)施農(nóng)業(yè)低溫凍害的風(fēng)險分析和指標(biāo)評估方面已有一些成果；但對黃土高原日光溫室低溫凍害風(fēng)險指標(biāo)研究較少。為有效防御凍害，減輕設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，本研究對陜西黃土高原日光溫室越冬期的極端最低氣溫氣候概率分布和低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行分析，為陜西省日光溫室生產(chǎn)規(guī)劃提供參考依據(jù)，更好地指導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)農(nóng)戶增收、農(nóng)業(yè)增效。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

所用資料為1990—2019年陜西省陜北和關(guān)中地區(qū)74個氣象觀測站越冬期(11月—次年3月)逐日極端最低氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 低溫凍害指標(biāo) 采用數(shù)理統(tǒng)計方法，根據(jù)前人研究結(jié)果[9-14]，結(jié)合當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)員的指導(dǎo)和農(nóng)戶多年的種植經(jīng)驗，綜合得出黃土高原地區(qū)日光溫室的低溫凍害指標(biāo)(表1)。

表1 1990—2019年陜西省黃土高原地區(qū)日光溫室不同等級低溫凍害指標(biāo) 單位：℃

1.2.2 低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)計算 極端最低氣溫出現(xiàn)的氣候概率(p)為某地出現(xiàn)低于某一低溫指標(biāo)的極端低溫概率。對74個氣象觀測站的極端最低氣溫序列進(jìn)行峰度和偏度系數(shù)檢驗，發(fā)現(xiàn)全部站點均符合正態(tài)分布。利用各站極端最低氣溫統(tǒng)計得出陜北和關(guān)中地區(qū)日光溫室越冬期不同等級低溫凍害指標(biāo)發(fā)生的氣候概率(p)：p=n/N，n為某地出現(xiàn)低于某一低溫指標(biāo)的極端最低氣溫的年數(shù)，N為總年數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差(σ)反映數(shù)據(jù)的離散程度[9]。如果某地冬季極端最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差大，表明最低氣溫的波動程度高，對設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響與危害則越大。

冬季隨著外界氣溫的降低，日光溫室內(nèi)部氣溫隨之降至蔬菜生理溫度指標(biāo)下限附近，對蔬菜生產(chǎn)造成一定危害。定義低溫凍害指數(shù)(k)，k=(d/M)m，d為某地歷年冬季出現(xiàn)低于某一低溫指標(biāo)的日數(shù)，M為歷年冬季的總?cè)諗?shù)，m為該地歷年冬季出現(xiàn)低于某一低溫指標(biāo)的年平均日數(shù)。k是整個越冬期出現(xiàn)可誘發(fā)日光溫室遭受低溫凍害的日最低氣溫的強度和頻率的綜合值[9]，k越大，日光溫室遭受低溫凍害的風(fēng)險也就越大。

將氣候概率(p)、標(biāo)準(zhǔn)差(σ)、低溫凍害指數(shù)(k)3個影響日光溫室低溫凍害的因子分別進(jìn)行歸一化處理，用等權(quán)重方法求平均，得到某地日光溫室不同等級低溫對應(yīng)的低溫凍害風(fēng)險指數(shù)R1、R2、R3，對不同等級低溫凍害風(fēng)險指數(shù)按0.5、0.3、0.2賦予權(quán)重，采用加權(quán)平均方法得到某地日光溫室低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)(R)，R=0.5R1+0.3R2+0.2R3。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端最低氣溫氣候概率分布

當(dāng)某地出現(xiàn)日光溫室不能抵御的極端最低氣溫的氣候概率較高時，蔬菜的生長和品質(zhì)將受影響，生產(chǎn)成本增大，綜合考慮日光溫室生產(chǎn)實際，此地可適當(dāng)減少日光溫室種植。陜西黃土高原設(shè)施農(nóng)業(yè)多種植茄子、黃瓜、番茄、辣椒四類蔬菜。番茄不能忍耐5 ℃以下的氣溫，短期0 ℃以下即可死亡；茄子在15 ℃以下生長緩慢，7～8 ℃有遭受寒害的可能，0～1 ℃的條件下將受凍害；黃瓜在10 ℃以下生長緩慢，5 ℃以下有遭受寒害的可能，0 ℃以下將受凍死亡；辣椒在10 ℃以下生長緩慢[10,12，15-17]。

分別統(tǒng)計陜北地區(qū)極端最低氣溫≤-15 ℃、≤-20 ℃、≤-25 ℃和關(guān)中地區(qū)極端最低氣溫≤-7 ℃、≤-10 ℃、≤-14 ℃下氣候概率，結(jié)果見圖1。由于陜北地區(qū)極端最低氣溫≤-15 ℃、關(guān)中地區(qū)極端最低氣溫≤-7 ℃的氣候概率均大于90%，因此不做具體分析。

從圖1a可見，陜北地區(qū)極端最低氣溫≤-25 ℃的氣候概率僅榆林市的橫山縣、榆陽區(qū)高于0.2，榆林市大部的極端最低氣溫氣候概率在0.1～0.2之間，延安市除吳起縣外，其余縣(區(qū)、市)的極端最低氣溫氣候概率均小于0.1。當(dāng)陜北日光溫室室外最低氣溫≤-25 ℃時，室內(nèi)最低氣溫≤0 ℃，日光溫室內(nèi)將遭受低溫凍害。由于陜北地區(qū)大部極端最低氣溫≤-25 ℃的氣候概率在0.2以下，日光溫室內(nèi)出現(xiàn)最低氣溫≤0 ℃的氣候概率較低，日光溫室內(nèi)遭受0 ℃極端最低氣溫凍害的可能性較小。

從圖1b可見，陜北地區(qū)大部極端最低氣溫≤-20 ℃的氣候概率在0.3～0.8之間，榆林市橫山縣、榆陽區(qū)、定邊縣和延安市吳起縣西北部≤-20 ℃的氣候概率高于0.8，延安市洛川縣南部、宜川縣南部、黃龍縣南部≤-20 ℃的氣候概率僅在0.2以內(nèi)。陜北地區(qū)南北部≤-20 ℃的氣候概率差距較大，榆林市明顯大于延安市。陜北日光溫室室外最低氣溫≤-20 ℃時，室內(nèi)最低氣溫≤5 ℃，根據(jù)蔬菜生長發(fā)育對溫度的基本要求[10,12，15-17]，溫室內(nèi)茄子、番茄、黃瓜生長將受到影響，考慮到蔬菜種植效益的最大化，榆林市橫山縣、榆陽區(qū)、定邊縣，延安市吳起縣西北部不太適宜種植茄子、番茄、黃瓜。日光溫室外極端最低氣溫≤-20 ℃時，要及時采取加蓋保溫被、溫室內(nèi)增溫等措施，提高溫室溫度，保證蔬菜正常生長。

圖1 1990—2019年陜西省陜北(a、b)關(guān)中(c、d)地區(qū)日光溫室越冬期不同等級低溫概率分布

從圖1c可見，關(guān)中地區(qū)大部極端最低氣溫≤-14 ℃的氣候概率在0.1～0.5之間，北部大于南部。寶雞市麟游縣，咸陽市長武縣、彬州市，銅川市宜君縣≤-14 ℃的氣候概率高于0.6；西安市、渭南市南部≤-14 ℃的氣候概率小于0.2；位于關(guān)中西南部的寶雞市太白縣≤-14 ℃的氣候概率大于0.4，明顯高于關(guān)中南部其他地區(qū)。日光溫室室外最低氣溫≤-14 ℃時，室內(nèi)最低氣溫≤0 ℃，溫室內(nèi)蔬菜遭受0 ℃低溫凍害的可能性較大，寶雞市麟游縣，咸陽市長武縣、彬州市，銅川市宜君縣≤-14 ℃的氣候概率較高，不太適宜發(fā)展日光溫室?？紤]到生產(chǎn)成本，西安市、渭南市南部可適當(dāng)發(fā)展帶保溫墻的塑料大棚，同時做好日常保溫防護(hù)。

從圖1d可見，關(guān)中地區(qū)大部極端最低氣溫≤-10 ℃的氣候概率在0.6～1.0之間，寶雞市東北部、咸陽市西北部、銅川市大部、渭南市西北部≤-10 ℃的氣候概率為1.0，西安市西部≤-10 ℃的氣候概率僅為0.3，南北氣候概率最大相差0.7，關(guān)中南北氣候差異較大。日光溫室室外最低氣溫≤-10 ℃時，室內(nèi)最低氣溫≤5 ℃，寶雞市東北部、咸陽市西北部、銅川市大部、渭南市西北部≤-10 ℃的氣候概率過高，不太適宜種植茄子、番茄、黃瓜。關(guān)中地區(qū)冬季備好保溫材料，日光溫室外極端最低氣溫≤-10 ℃時，采取有效措施提升日光溫室保溫能力。

2.2 低溫凍害綜合風(fēng)險評估

計算陜西黃土高原地區(qū)的低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)R，并分別對陜北和關(guān)中地區(qū)的低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)分布(見圖2)進(jìn)行分析。將各地的R從小到大進(jìn)行排序，結(jié)合實地調(diào)查和設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)員的指導(dǎo)和種植戶多年的種植經(jīng)驗，并結(jié)合典型年調(diào)查驗證的方法，將R劃分為5個區(qū)間，得到陜西黃土高原日光溫室越冬期遭受低溫凍害的綜合風(fēng)險指數(shù)等級(表2)。

由圖2和表2可知，對于陜北地區(qū)，隨著緯度的升高，日光溫室的低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)逐漸增大。榆林市大部日光溫室的低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)在0.3～0.5之間，處于中度風(fēng)險區(qū)，僅吳堡縣、綏德縣、清澗縣為輕度風(fēng)險區(qū)；延安市大部處于輕度風(fēng)險區(qū)，吳起縣、志丹縣、甘泉縣、安塞區(qū)西北部、子長市北部處于中度風(fēng)險區(qū)，黃陵東部、洛川南部、黃龍南部低溫凍害的綜合風(fēng)險指數(shù)基本在0.1以下。

圖2 1990—2019年陜西省陜北地區(qū)(a)、關(guān)中地區(qū)(b)日光溫室越冬期低溫凍害綜合風(fēng)險分布

表2 1990—2019年陜西省黃土高原日光溫室越冬期低溫凍害綜合風(fēng)險指數(shù)等級

關(guān)中地區(qū)大部日光溫室的低溫凍害綜合風(fēng)險為中度；寶雞市眉縣，西安市周至縣、戶縣，咸陽市武功縣、興平市處于輕度風(fēng)險區(qū)；寶雞市麟游縣，咸陽市長武縣、彬州市、旬邑縣，銅川市宜君縣為重度風(fēng)險區(qū)，不適宜發(fā)展日光溫室，與實際生產(chǎn)基本相符。西安市西部綜合風(fēng)險指數(shù)在0.2以下，低溫凍害風(fēng)險較低，可適當(dāng)發(fā)展帶保溫墻的塑料大棚。雖關(guān)中地區(qū)北部低溫凍害風(fēng)險高于南部，但西南部的寶雞市太白縣低溫凍害的綜合風(fēng)險指數(shù)大于0.5，明顯高于相鄰地區(qū)，太白的特殊地形對風(fēng)險指數(shù)影響較大。

3 結(jié)論和討論

(1)陜北地區(qū)大部極端最低氣溫≤-25 ℃的氣候概率小于0.2，日光溫室遭受0 ℃低溫凍害的可能性較小；極端最低氣溫≤-20 ℃的氣候概率在0.3～0.8之間。陜北地區(qū)榆林市大部日光溫室的低溫凍害綜合風(fēng)險為中度，延安市大部處于輕度風(fēng)險區(qū)。

(2)關(guān)中地區(qū)寶雞市麟游縣，咸陽市長武縣、彬州市，銅川市宜君縣極端最低氣溫≤-14 ℃的氣候概率大于0.6，日光溫室遭受0 ℃低溫凍害的可能性較大；關(guān)中地區(qū)大部極端最低氣溫≤-10 ℃的氣候概率在0.6～1.0之間。關(guān)中地區(qū)大部日光溫室的低溫凍害綜合風(fēng)險為中度。

(3)本研究僅對日光溫室越冬期低溫凍害風(fēng)險進(jìn)行了分析，黃土高原地區(qū)塑料大棚也占一定比例，由于日光溫室與塑料大棚的構(gòu)造、建造材質(zhì)、保溫被選擇等有明顯不同，兩者抵御低溫凍害的能力和效果不盡相同。后期，可就塑料大棚低溫凍害風(fēng)險進(jìn)行研究，以期得到陜西黃土高原不同設(shè)施農(nóng)業(yè)類型低溫凍害風(fēng)險指數(shù)，更好地服務(wù)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。