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      近50年海原縣霜凍發(fā)生特征及其對農(nóng)業(yè)的影響

      2023-11-07 03:21:58徐璐娜王金弟褚永偉
      農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2023年8期
      關(guān)鍵詞:海原縣霜凍大白菜

      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(wèi)市氣象局,寧夏中衛(wèi) 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(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害,通常發(fā)生在春季和秋季,會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大損害。霜凍與最低氣溫有著密切的關(guān)系,秋收農(nóng)作物未成熟時遭遇初霜凍,將影響其產(chǎn)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(zāi)減災(zāi)的重要部分,備受相關(guān)學者的重視,寧夏是受霜凍影響較嚴重的省區(qū)之一,而海原縣是寧夏霜凍發(fā)生頻率較高的區(qū)域,所以研究海原縣霜凍發(fā)生的基本特征及異常特征,對于提供優(yōu)質(zhì)霜凍預(yù)報服務(wù)、防止農(nóng)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(fā)生霜凍[3]。以海原縣春、秋兩季日最低氣溫數(shù)據(jù),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(fā)生特點,以及霜凍對海原縣農(nóng)作物生長的影響,以期為霜凍防御氣象服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

      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(shù)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(shù)統(tǒng)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(tǒng)計量,ri為Pj(j=i+1,…,n)>Pi的樣本個數(shù)。

      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(jié)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(tǒng)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(jié)束,平均重度霜凍提前21 d結(jié)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(wěn)定性基本接近,無霜凍期由于兩者的綜合影響,穩(wěn)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(xiàn)出初霜凍日越來越晚出現(xiàn)、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(fù)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(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)計量Z0的值分別為0.825、0.689和0.679,終霜凍日統(tǒng)計量Z0的值分別為-0.712、-0.919和-0.916,無霜期統(tǒng)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(fā)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(fā)生頻率都達16%,其他發(fā)生頻率都在4%~14%。中度特早初霜凍最晚發(fā)生在2020年。對于特晚終霜凍,只有重度終霜凍在2003年發(fā)生1次,中度終霜凍都發(fā)生在20世紀70年代至90年代,未發(fā)生輕度特晚終霜凍。

      表3 海原縣各等級異常霜凍發(fā)生情況 年

      2.4 海原縣霜凍對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

      當氣溫突然下降,會導(dǎo)致農(nóng)作物體內(nèi)的水分結(jié)冰,尤其是植物細胞內(nèi)體積增大,造成細胞功能受到破壞時發(fā)生作物霜凍[6]。

      初霜凍越早發(fā)生,對農(nóng)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(xiàn)輕微偏早初霜凍,此時大部分農(nóng)作物已經(jīng)成熟。輕微特早初霜凍只在1972、2011年發(fā)生過,發(fā)生概率較小,加之是在9月上中旬發(fā)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(huán)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(xiàn)輕度凍害[7]。海原縣輕微異常初霜凍發(fā)生時,大白菜處于結(jié)球期,此時其會遭受輕度凍害。中度異常初霜凍發(fā)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(fā)生在10月上中旬,會使大白菜遭受重度凍害。

      終霜凍結(jié)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(fā)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(jié)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(jié)束,平均重度霜凍提前21 d結(jié)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(xiàn)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(fā)生頻率都達16%,其他發(fā)生頻率都在4%~14%,且中度霜凍都發(fā)生在20世紀70年代至90年代,未發(fā)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有利的,可以為本地農(nóng)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(nèi)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,它的發(fā)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(xiàn)在9月2日,比多年平均提前37 d。短時間內(nèi)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(zāi)害而減產(chǎn)。

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

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