贛南大棚蔬菜冬季低溫災害時空分布及其風險評估

朱凌金，李 青，丁發明，李 建

（1.贛州市贛縣區氣象局，江西 贛縣 341100；2.興國縣氣象局，江西 興國 342400）

贛南地處江西省南部，位于24°29'N—27°09'N，113°54'E—116°38'E，境內氣候溫和，無霜期長，四季分明，熱量豐富，降水充沛，屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候區。贛南設施蔬菜規模擴增迅速［1］，截至2021 年底，贛州市累計建成規模蔬菜基地2.6 萬hm2左右，其中設施蔬菜基地近2 萬hm2，設施蔬菜已成為贛州市主要的農業支柱產業。然而，在全球氣候變化的大背景下，冬季低溫凍害已成為影響贛南大棚蔬菜生產的主要氣象災害，如2018 年1 月和2 月的2 次降溫以及2020 年1 月上旬的低溫霜凍，對贛州市蔬菜生產造成了較大影響，許多園區損失慘重［1］。因此，研究分析贛南大棚蔬菜冬季不同低溫災害指標發生的時空分布規律，開展低溫災害氣候風險評估具有重要意義。

國內學者在設施小氣候環境要素模擬與預測和設施內外部氣象要素變化規律等方面的研究較為成熟［2-4］。劉璐等［5］基于GIS 技術對陜西省設施農業越冬期低溫凍害進行了精細化風險區劃；楊再強等［6］的研究發現，南方塑料大棚的主要氣象災害是凍害；蔡冰等［7］利用溫室內外觀測數據構建了設施農業小氣候模型，再利用DEM 數據對江蘇省設施農業氣象災害進行了風險等級區劃；李德等［8］和樂章燕等［9］利用年極端低溫氣候概率及其波動性以及不同等級低溫指標發生頻率、發生強度等要素構建設施農業低溫風險指數并進行評估。

北方設施農業以日光溫室為主，且對棚內作物黃瓜、番茄的低溫冷害影響機理和階段的研究較多［10-15］，而對南方塑料大棚冬季低溫風險和評估的研究較少，本研究針對贛南大棚蔬菜的生產實際，利用1961—2020 年贛南17 個市（縣、區）氣象站逐日最低氣溫觀測資料，采用氣候傾向率、M-K 檢驗等數理統計方法，對贛南大棚蔬菜冬季低溫災害的時空分布和低溫災害風險進行評估，為減少或避免贛南蔬菜產業冬季低溫災害風險及科學合理利用氣候資源提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料

氣象資料來源于江西省氣象信息中心，選取贛州市17 個市（縣、區）氣象站1961—2020 年12 月至翌年2 月逐日最低氣溫氣象觀測資料以及各縣氣象站所在地的經度和緯度資料，站點分布見圖1。

圖1 氣象站站點分布

1.2 方法

1.2.1 大棚蔬菜低溫災害指數計算 年極端最低氣溫標準差（σ）能反映某地歷年的年極端最低氣溫數據離散程度（或稱波動程度）［16］，標準差越大，冬季年極端最低氣溫波動程度越大，對當地設施農業影響也越大。

低溫出現頻率（F）指某地歷年出現某一低溫災害指標的年數與總年數之比，反映受低溫風險影響程度［9］，F越大表明低溫的危害性越大，表達式如下。

式中，F為某一界限指標低溫出現頻率；n為某地歷年出現低于某一界限指標的極端最低氣溫的年份數；N為總年數。

低溫發生強度（S）是指某地冬季某一設施農業類型遭受低溫災害的強度［8］，當最低氣溫降至喜溫蔬菜生理溫度指標下限時，會對大棚內的蔬菜生產造成危害，低溫發生強度越大其遭受低溫凍害的風險也就越大，具體算式如下。

式中，S為低溫發生強度；d為某地歷年冬季出現某一低溫災害指標的平均日數；M為該地歷年冬季平均日數，本研究冬季平均日數取90 d（閏年取91 d）。

1.2.2 大棚蔬菜低溫災害綜合風險指數計算 在贛南，冬季對大棚蔬菜的危害多為凍害，隨著外界氣溫的降低（低于-3.0 ℃），塑料大棚內部最低氣溫也隨之降至0 ℃或以下時，會給蔬菜生產帶來危害。低溫出現頻率（F）、標準差（σ）、低溫發生強度（S）在一定程度上能反映冬季大棚蔬菜受低溫災害影響的程度，對上述3 個低溫災害指數分別進行歸一化處理，并用等權重法求平均值，可得到大棚蔬菜低溫災害綜合風險指數（P），具體算式如下。

式中，Xij為第i站第j個低溫災害指數的歸一化值，i＝1，2，3，…，17；j＝1，2，3；xij為第i站第j個低溫災害指數值；xmax和xmin分別為17 個氣象站第j個低溫災害指數的最大值和最小值；P為低溫災害風險指數。本研究將贛南大棚蔬菜冬季低溫災害風險分為3個等級，分別為輕度風險、中度風險、重度風險。

1.2.3 研究方法 運用DPS 數據處理系統［17］，采用一元線性回歸方法分析年極端最低氣溫隨時間變化的傾向率。采用Mann-Kendall（M-K）檢驗方法［18，19］進行變化趨勢分析及突變檢驗，給定的顯著性水平為0.01，對應的臨界值等于±2.576。運用Surfer 地理數據網格化繪圖軟件繪制低溫災害指數和低溫災害風險指數分布圖。

2 結果與分析

2.1 大棚蔬菜冬季低溫災害時空分布

2.1.1 年極端最低氣溫 圖2a 是贛南1961—2020年逐年年極端最低氣溫。60 年贛南年極端最低氣溫總體呈明顯的升高趨勢，增溫傾向率為每10 年0.3 ℃，通過了0.05 顯著性水平檢驗。年極端最低氣溫年際變化大，最低值出現在1962 年，為-8.0 ℃；年最低氣溫≤-5.0 ℃、≤-3.0 ℃出現頻率分別為35%和72%。M-K 檢驗結果顯示，UF 曲線20 世紀60—90年代呈階梯式上升趨勢，至2003 年達到最高值，隨后呈波浪式下降趨勢，并在臨界值附近波動，如圖2b 所示。由圖2b 可見，從1996 年開始UF 大于0.01顯著性水平的臨界值（2.575 8），表明年最低氣溫增溫顯著。UF、UB 曲線在1980 年出現交點，表明贛南年極端最低氣溫在1980 年出現了顯著增溫的突變。

圖2 1961—2020 年贛南逐年極端最低氣溫變化（a）和M-K 突變檢驗（b）

圖3 a 是贛南各地年極端最低氣溫分布情況。由圖3a可見，贛南年極端最低氣溫在-8.0～-4.2 ℃，年極端最低氣溫以中部的贛縣區、于都縣、南康區、信豐縣、定南縣和尋烏縣等地為最高，極端最低氣溫在-6.0 ℃以上，由中部向東北和西南逐漸降低，最低值出現在崇義縣，次低值出現在石城縣。

圖3 贛南年極端最低氣溫分布（a）和年最低氣溫≤-3.0 ℃（b）、≤-5.0 ℃（c）的頻率分布

2.1.2 低溫發生頻率 圖3b、圖3c 分別為年極端最低氣溫≤-3.0 ℃和≤-5.0 ℃的頻率分布情況，可以看出，贛南東北部的石城縣和寧都縣以及西部的崇義縣等地出現年最低氣溫≤-3.0 ℃和≤-5.0 ℃的頻率較高，分別為0.60 和0.15；贛南中部的贛縣區、于都縣、南康區和信豐縣等地區的頻率較低，分別為0.30和0.05；其余地區的頻率介于兩者之間。

2.1.3 低溫強度指數 圖4 是不同等級低溫強度指數的分布，由圖4a 可見，石城縣、寧都縣、崇義縣、大余縣和全南縣≤0 ℃的低溫強度指數都較大，表明這些地區出現低溫災害的風險較大。從圖4b 可以看出，石城縣、崇義縣和全南縣≤-3.0 ℃的低溫強度指數最大，是贛南低溫災害的高風險區域。由圖4c 可見，贛南≤-5.0 ℃的低溫強度指數較小，表明贛南大部分地區出現≤-5.0 ℃的低溫災害風險較小。

圖4 贛南不同等級低溫強度指數的分布

2.1.4 年極端最低氣溫標準差 年極端最低氣溫標準差（σ）能較好反映某地歷年的年極端最低氣溫數據離散程度（也稱波動程度），標準差越大，冬季年極端低溫波動程度越大，對當地設施農業影響也越大［9］。圖5 是贛南各地區年極端最低氣溫的標準差（歸一化）分布結果。由圖5 可知，石城縣、寧都縣、瑞金市、會昌縣、崇義縣、全南縣和定南縣的部分地區年極端最低氣溫標準差較大，說明冬季極端低溫波動較大，低溫災害的風險較高。其余地區冬季極端低溫變化較小，以南康區和信豐縣冬季極端低溫的波動最小，該地區出現低溫災害的風險較小。

圖5 贛南年極端最低氣溫標準差的分布

2.2 贛南大棚蔬菜冬季低溫災害風險評估

由式（4）得到贛南大棚蔬菜冬季低溫災害綜合風險指數，各地低溫災害風險分布見圖6。將各地的P由小到大進行排序，利用有序樣本聚類法［20］將其劃分為3 個區間（等級），從而得到贛南各地冬季大棚蔬菜遭受低溫凍害的綜合風險等級評估指標，結果見表1。

表1 贛南冬季大棚蔬菜低溫災害綜合風險評估指標

圖6 贛南大棚蔬菜冬季低溫災害風險指數

由圖6 和表1 可知，贛南大棚蔬菜冬季低溫災害重度風險區主要分布在東北部、西部和西南部的部分地區，包括石城縣、寧都縣、崇義縣、全南縣和上猶縣、大余縣、瑞金市的部分地區，該區低溫災害風險指數在0.6 以上，出現低溫災害的風險高，應特別注意防范低溫災害對大棚蔬菜的影響；建議這些地區發展大棚蔬菜時宜采用雙膜鋼架大棚，有條件的也可采用三膜鋼架大棚，棚內宜種植耐低溫蔬菜品種，如種植不耐寒瓜菜，則應準備棚內增溫設施以防冬季低溫的危害。中度風險區主要分布在興國縣、會昌縣、安遠縣、尋烏縣和瑞金市、上猶縣、大余縣的大部分地區以及龍南市、定南區的部分地區，該地區低溫災害風險指數在0.3～0.6，出現低溫災害的風險較高，應加強防范低溫災害對大棚蔬菜生產的不利影響；這些地區宜采用雙膜鋼架大棚，為提高大棚蔬菜生產的經濟效益，可采用種植耐寒蔬菜品種為主，喜溫瓜菜品種為輔的搭配方式，但遇強低溫時要注意防范低溫災害的不利影響。輕度風險區主要分布在贛南中部的贛州盆地，包括贛縣區、南康區、信豐縣、于都縣和龍南市、定南縣、上猶縣的部分地區，該地區低溫災害風險指數在0.3 以下，冬季出現低溫災害的風險相對較小，有條件的可采用雙膜鋼架大棚，棚內種植經濟效益高的喜溫蔬菜，但遇強低溫時要注意防范低溫災害對蔬菜的影響。

3 小結與討論

1）近60 年贛南年極端最低氣溫總體呈明顯的增溫趨勢，增溫傾向率為每10 年0.3 ℃，且年極端最低氣溫在1980 年出現了顯著增溫的突變。年極端最低氣溫以中部的贛縣區、于都縣、南康區、信縣豐、定南縣和尋烏縣等市（縣、區）為最高，極端最低氣溫均在-6.0 ℃以上，由中部向東北和西南逐漸降低。

2）贛南大棚蔬菜冬季低溫災害重度風險區主要分布在東北部、西部和西南部的部分地區，包括石城縣、寧都縣、崇義縣、全南縣和上猶縣、大余縣、瑞金市的部分地區；中度風險區主要分布在興國縣、會昌縣、安遠縣、尋烏縣和瑞金市、上猶縣、大余縣的大部以及龍南市、定南縣的部分地區；輕度風險區主要分布在贛南中部的贛州盆地，包括贛縣區、南康區、信豐縣、于都縣和龍南市、定南縣、上猶縣的部分地區。

3）贛南主要設施蔬菜類型為單膜鋼架大棚和單膜豎式頂通風連棟鋼架大棚，大棚內的溫度直接受外界環境溫度的影響，遇強降溫或冰霜凍時易出現低溫災害。相關研究［21，22］表明，冬季極端最低氣溫出現≤-5.0 ℃的氣候概率＜80%的地區，可采取單層塑料大棚生產喜溫蔬菜。贛南冬季極端最低氣溫≤-5.0 ℃的平均氣候概率（頻率）為9%，其中石城縣最高為20%，表明贛南發展大棚蔬菜具有較好的氣候資源優勢，適宜大棚蔬菜生產。

4）利用3 個低溫災害指數對贛南大棚蔬菜低溫災害進行綜合風險評估，綜合風險評估指數不僅考慮了年極端最低氣溫的波動性、冬季最低氣溫≤-3.0 ℃和≤-5.0 ℃的出現頻率，還結合了低溫災害發生的強度指數，從而彌補了單一要素［23，24］風險評估的不足。但由于大棚內的溫度除受外界環境溫度的影響外，還與大棚覆蓋方式、覆蓋物質量等因素有關［25］，所以，隨著大棚蔬菜生產水平的不斷提高，今后還需要對低溫災害指標進行修正。

5）不同作物不同生育期遭受低溫災害的下限溫度指標不盡相同，耐寒和半耐寒作物可耐0 ℃以下的低溫，而喜溫作物則不能忍受0 ℃以下的低溫［21，22，25］，當棚內溫度低于0 ℃時將出現低溫災害風險。當棚內種植喜溫的茄果類蔬菜時，為了防御和減免冬季低溫災害對贛南大棚蔬菜生產造成危害，要注意關注當地天氣預報，遇低溫時可通過棚內增溫或加膜覆蓋等方法減輕低溫災害的影響。