近50年海原縣霜凍發生特征及其對農業的影響

王 月，楊 貴，徐璐娜，王金弟，楊 晨，褚永偉

1.寧夏海原縣氣象局，寧夏海原 755200；2.寧夏中衛市氣象局，寧夏中衛 755000；3.寧夏涇源縣氣象局，寧夏涇源 756400；4.寧夏六盤山氣象站，寧夏隆德 756300

霜凍是一種常見的農業氣候災害，通常發生在春季和秋季，會對農業生產造成重大損害。霜凍與最低氣溫有著密切的關系，秋收農作物未成熟時遭遇初霜凍，將影響其產量；春播幼苗遭受終霜凍，可能凍死或凍傷，甚至遭到毀種[1]。霜凍風險研究作為防災減災的重要部分，備受相關學者的重視，寧夏是受霜凍影響較嚴重的省區之一，而海原縣是寧夏霜凍發生頻率較高的區域，所以研究海原縣霜凍發生的基本特征及異常特征，對于提供優質霜凍預報服務、防止農作物遭受霜凍等具有十分重要的意義[2]。一般最低氣溫低于2 ℃或植株表面溫度低于0 ℃時會發生霜凍[3]。以海原縣春、秋兩季日最低氣溫數據，按照2、0、-2 ℃定義了3個霜凍強度等級：輕微、中度、重度，從而分析海原縣霜凍發生特點，以及霜凍對海原縣農作物生長的影響，以期為霜凍防御氣象服務奠定基礎。

1 資料和方法

1.1 資料

將海原縣1971—2020年春（秋）季日最低氣溫≤2 ℃、≤0 ℃和≤-2 ℃的最后一天（第一天）分別定義為輕、中和重度霜凍的終（初）霜凍日，當年的終霜凍日到初霜凍日之間的天數稱為無霜凍期。

1.2 方法

累積濾波器法能夠反映一段時間序列的變化趨勢，選用它來計算海原縣近50年霜凍的序列累積平均值。公式為：

式（1）中，S是累積平均值；Pi是霜凍的時間序列；是時間序列平均值；n=1，2，…，N。

選擇非參數統計檢驗法作為變化趨勢的定量化指標[4]。其原理如下：

式（2）中，Z為統計量，ri為Pj（j=i+1，…，n）＞Pi的樣本個數。

在α=0.05的顯著水平下，則Z0.05=若|Z|＞Z0.05，則認為霜凍變化趨勢在α=0.05水平上是顯著的。

異常霜凍指標如下：ΔTd≤-1.65σ、-1.65σ＜ΔTd≤-σ分別定義為特早初霜凍、偏早初霜凍，ΔTd≥1.65σ、1.65σ＞ΔTd≥σ分別定義為特晚終霜凍、偏晚終霜凍。其中，ΔTd為初（終）霜凍日距平，σ為標準差[5]。

2 結果與分析

2.1 海原縣近50年霜凍的基本特征

海原縣1971—2020年3種霜凍強度下初霜凍日、終霜凍日和無霜凍期情況統計見表1。由表1得出，對于初霜凍日，平均輕霜凍為10月9日，平均中度霜凍推遲10 d到來，平均重度霜凍推遲18 d到來；近50年最早的初霜凍日在9月2日，最晚在11月19日。對于終霜凍日，平均輕霜凍在5月4日，平均中度霜凍提前14 d結束，平均重度霜凍提前21 d結束；近50年最早的終霜凍日在3月22日，最晚在5月21日。對于無霜期，平均輕度無霜期為157 d，平均中度無霜期為181 d，平均重度無霜期為196 d；近50年最短的無霜期為110 d，最長有236 d。表1中的標準差表明，各級強度下初霜凍日、終霜凍日的穩定性基本接近，無霜凍期由于兩者的綜合影響，穩定性稍差。

表1 海原縣各級霜凍強度的基本特征

2.2 海原縣近50年霜凍的變化特征

2.2.1 年代際變化 表2是海原縣各年代際霜凍平均值與多年（50年）平均值的距平。在20世紀70年代和80年代，與多年平均值相比，海原縣各級霜凍的平均初霜凍日提前1～5 d、終霜凍日推后3～8 d、無霜期縮短3～10 d。而至20世紀90年代，輕微初霜凍日和中度初霜凍日提前1～3 d，重度初霜凍日和常年接近，各級終霜凍日提前1～3 d；各級霜凍的無霜凍期延長1～3 d。21世紀開始，呈現出初霜凍日越來越晚出現、終霜凍日逐漸提前或接近常年、無霜凍期越來越長這一趨勢。各級霜凍強度下，21世紀10年代無霜凍期比20世紀70年代延長12～21 d?？傮w而言，各級強度霜凍都在20世紀90年代間的變化最為復雜。

表2 海原縣各級強度霜凍在各年代際距平值 d

2.2.2 變化趨勢 根據公式（1）計算3種霜凍強度的初霜凍日、終霜凍日、無霜凍期序列累積平均值。圖1呈現了輕微霜凍的初霜凍日、終霜凍日、無霜期的累積平均值曲線。由圖1得出，海原縣近50年輕微霜凍的初霜凍日和無霜期的變化趨勢接近一致，即初霜凍日逐漸變晚、無霜期逐漸變長，并且兩者的波動頻率和趨勢變化時間點基本一致。而終霜凍日體現出逐漸提前的趨勢，20世紀80年代后更加明顯（中度、重度霜凍的累積平均曲線同樣可以反映出以上趨勢，故略）。

圖1 海原縣近50年輕微霜凍的累積平均值曲線

利用累積平均序列計算海原縣輕、中和重度霜凍的初霜凍日統計量Z0的值分別為0.825、0.689和0.679，終霜凍日統計量Z0的值分別為-0.712、-0.919和-0.916，無霜期統計量Z0的值分別為0.846、0.882和0.830，Z0.05=0.179。說明在α=0.05的顯著性水平下，海原縣各級強度初霜凍的延后趨勢、終霜凍的提前趨勢和無霜期的延長趨勢是顯著的，其中最顯著的是中度霜凍的終霜凍日提前趨勢。

2.3 初終霜凍的異常特征

表3為海原縣異常霜凍發生情況。近50年中，海原縣中度特早初霜凍、中度偏晚終霜凍發生頻率都達16%，其他發生頻率都在4%～14%。中度特早初霜凍最晚發生在2020年。對于特晚終霜凍，只有重度終霜凍在2003年發生1次，中度終霜凍都發生在20世紀70年代至90年代，未發生輕度特晚終霜凍。

表3 海原縣各等級異常霜凍發生情況 年

2.4 海原縣霜凍對農業生產的影響

當氣溫突然下降，會導致農作物體內的水分結冰，尤其是植物細胞內體積增大，造成細胞功能受到破壞時發生作物霜凍[6]。

初霜凍越早發生，對農作物的損害就越大，受害作物主要是大秋作物，如玉米、糜谷，以及露天蔬菜，如大白菜等。海原縣秋糧作物的成熟日期為9月下旬至10月中旬。海原縣一般在9月24—26日可能出現輕微偏早初霜凍，此時大部分農作物已經成熟。輕微特早初霜凍只在1972、2011年發生過，發生概率較小，加之是在9月上中旬發生，因此，一般情況下輕微異常初霜凍不會影響海原縣秋糧作物。

大白菜是海原縣主要的冬季蔬菜之一，在海原各地廣泛種植。大白菜在一定程度上耐寒、喜涼爽，但抗害能力較弱，環境溫度低于10 ℃時生長減緩，低于5 ℃時甚至會生長停止；當日最低氣溫降至-2～-5 ℃、日平均氣溫在0 ℃時將出現輕度凍害[7]。海原縣輕微異常初霜凍發生時，大白菜處于結球期，此時其會遭受輕度凍害。中度異常初霜凍發生在10月上旬，此時為大白菜成熟期，其會遭受輕度凍害。重度異常初霜凍一般發生在10月上中旬，會使大白菜遭受重度凍害。

終霜凍結束時間越晚對作物的危害越嚴重。海原縣春播期在3月，播種出苗一般需15 d左右，重度終霜凍發生在春小麥苗期，由于幼苗抗低溫能力弱，其會遭受嚴重的凍害。

3 結論和討論

（1）對于初霜凍日，平均輕霜凍為10月9日，平均中度霜凍推遲10 d，平均重度霜凍推遲18 d；對于終霜凍日，平均輕霜凍在5月4日，平均中度霜凍提前14 d結束，平均重度霜凍提前21 d結束；對于無霜期，平均輕度無霜期為157 d，平均中度無霜期為181 d，平均重度無霜期為196 d。

（2）海原縣初霜凍日和無霜凍期呈現出相似的變化趨勢，初霜凍日越來越晚、無霜凍期越來越長，而終霜凍日則從20世紀80年代開始逐漸提前。

（3）在α=0.05的顯著性水平下，海原縣各級強度初霜凍的延后趨勢、終霜凍的提前趨勢和無霜期的延長趨勢是顯著的，其中最顯著的是中度霜凍的終霜凍日提前趨勢。

（4）近50年中，海原縣中度特早初霜凍、中度偏晚終霜凍發生頻率都達16%，其他發生頻率都在4%～14%，且中度霜凍都發生在20世紀70年代至90年代，未發生輕微特晚終霜凍。

（5）海原縣輕微異常初霜凍基本不影響秋糧作物，但會使大白菜遭受輕度凍害；中度異常初霜凍會使大白菜遭受輕度凍害；重度異常初霜凍會使大白菜遭受重度凍害。春播幼苗主要會受到重度終霜凍的影響。

初霜凍日越來越晚、終霜凍日越來越早、無霜凍期越來越長這一總體趨勢，對農業生產是有利的，可以為本地農作物生長提供更多的熱量資源；但霜凍是氣溫突降造成的，是短時間內的農業氣象災害，它的發生可能與長期氣候變化趨勢不一致。例如，1972年，初霜凍日出現在9月2日，比多年平均提前37 d。短時間內氣溫降幅過大，即使日最低氣溫沒有降至2 ℃以下，也會使未成熟的作物遭受霜凍災害而減產。

霜凍發生也會受氣候、地形、作物發育期及作物品種等各種因素的影響，在防范應對過程中，除了考慮霜凍本身發生規律，還要綜合分析多種環境因素。為了降低霜凍對農業的影響，首先，氣象局應加強對霜凍的監測和預警，使得農戶能夠及時采取噴灑保護劑、覆蓋物等保護措施，農戶還可以依據氣象部門的氣候趨勢預測挑選作物品種、調整栽培技術、調整播種時間等，以此提高農作物抵御霜凍的能力[8-10]。其次，政府應加大對農業保障的支持力度，提供保險和補貼等措施，以減少農民經濟損失。最后，科研機構應加強對霜凍的研究，提出更有效的防護方法和適應策略，以減少霜凍對農作物生長的影響，保障農民的收益和糧食安全。