黑龙江省作物成熟期近50 a初霜冻分析

王春华 ，何 锋 ，朱海霞

（1.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江 哈尔滨150030）

1 引言

霜冻是指日平均气温高于0℃的时期，地面和作物表面的温度迅速降低到0℃以下，作物遭受冻害，局部死亡或整株死亡的农业灾害。关于初霜冻的研究，国内外均有报道，孙玉亭早在1986年就指出日最低气温或地表日最低温度可用来评估初霜冻的发生情况[1]。近些年关于霜冻的研究主要集中于霜冻对农作物影响[2-5]及霜冻的区划[6-8]等方面。

黑龙江省地处中国最北部，土壤有机质含量高，光、热、水资源丰富，且与作物生长进程同步，玉米、大豆、水稻等作物种植的品质好、商品率高，黑龙江省现已成为重要的商品粮生产基地。气候正常年份，黑龙江省作物的成熟期主要集中于9月份，但由于黑龙江省无霜期短，9月份的霜冻是影响作物安全成熟的一个关键因素，若作物生长前期遭受一些农业气象灾害，如苗期干旱，低温冷害等而使得作物生育期延长，更加重了作物霜前无法成熟的风险。霜冻的发生虽不能人为控制，但可根据霜冻的出现时间及地域的差别来合理安排作物种植，做到不同作物及不同熟性品种的合理搭配，可以做到作物在霜前正常成熟。本文从黑龙江省粮食安全生产的角度出发，对黑龙江省各地近50 a来的作物成熟期霜冻发生时间进行趋势分析，并研究初霜冻发生的时间及地域差别，为各地合理安排作物种植，保证粮食稳产增收提供理论依据。

2 资料与方法

根据孙玉亭的研究[1]，作物成熟期日最低气温≤1℃为霜冻指标，利用该指标计算黑龙江省80个气象站的1961-2010年共50 a的霜冻发生日期，即日最低气温≤1℃出现的日期，并在农区选择6个气象站点（表1），采用5 a滑动平均及线性倾向估计[9-10]分析和检验其霜冻时间上的变化趋势；从农业安全生产的角度，绘制全省80个站点的80%保证率下作物安全成熟的霜冻日期分布图，分析黑龙江省作物成熟期间初霜冻发生情况。

为便于计算，本研究中将日期转化为日续，如1月1日为1,1月2日为2，…，12月31日为365。

表1 黑龙江各区域代表点的信息表

2.1 滑动平均

滑动平均是趋势拟合技术最基础的方法，用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势，样本量为n的序列x，其滑动平均序列表示为：

式中：k为滑动长度。经滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期大大削弱，显现出变化趋势。

2.2 线性倾向估计

将时间序列的变化趋势用一次线性方程表示,即:

2.3 作物成熟期霜冻出现日期分布图的绘制

经SPSS检验，黑龙江省各气象站1961-2010年作物成熟期霜冻日续均为正态分布，因此，从作物安全生产的角度，利用EXCEL中的NORMINV函数计算80%保证率下作物安全成熟的霜冻日期，并利用SUFFER软件绘制霜冻日期分布图，绘图的原理为克立格（Kriging）法。

3 结果与分析

3.1 黑龙江省作物成熟期霜冻出现时间的趋势分析

6个代表站点采用50 a霜冻（日最低气温≤1℃）日续，对霜冻日续的5 a滑动平均和霜冻日续的线性倾向估计的变化趋势作图1a～f，图中还给出了50 a霜冻的平均出现日期及Z和R。Z为5 a滑动平均曲线序列的秩统计量[9]，|Z|=Zα，曲线变化趋势达α水平显著，本研究中Z0.05=0.200，Z0.01=0.263。R表示霜冻日续与时间之间线性相关的密切程度，|R|>Ra，表明霜冻日续随时间的变化趋势达α水平显著，本研究中R0.05=0.273，Z0.01=0.354。采用上述方法分析黑龙江省各代表点作物成熟期霜冻的趋势变化规律。

黑龙江省农区北端的呼玛县霜冻的平均日期为9月15日，自1961年开始（图1a），霜冻日续波动下降，至1966年出现近50 a的最低谷，表明霜冻出现日期趋于偏早，1966年后波动上升，1994年和2005年是霜冻极晚发生的2 a。5 a滑动平均显示呼玛县总体呈上升趋势，变化趋势显著(P＜0.01)，并大致以10 a左右的周期波动上升。线性趋势估计显示呼玛县近50 a霜冻呈上升趋势，气候倾向率为1.644%/10 a，上升趋势显著(P＜0.01)。1961-1980年霜冻的平均日期比1991-2010年霜冻的平均日期偏晚6 d，上述表明，呼玛县近50 a作物成熟期初霜冻出现的时期总体呈偏晚趋势，且偏晚的趋势明显。

松嫩平原北部的北安县霜冻的平均日期为9月20日（图1b），霜冻日续总体呈波动上升，1978年北安县的霜冻日续跌至近50 a最低谷，表明霜冻出现日期过早，1994年和2000年是霜冻极晚发生的2 a。5 a滑动平均显示北安县大致以10 a左右的周期波动上升，变化趋势显著(P＜0.01)。线性趋势估计显示北安县近50 a霜冻呈上升趋势，气候倾向率为0.645%/10 a，但未达显著(P＜0.05)。前20 a的霜冻平均日期比近20 a霜冻平均日期偏晚4 d，上述表明，北安县近50 a中作物成熟期初霜冻出现的时期总体呈偏晚趋势，且偏晚的趋势明显。

松嫩平原西部的齐齐哈尔市霜冻的平均日期为10月3日 （图1c）， 霜冻日续总体呈波动上升，1977、1999、2001和2010年齐齐哈尔市的霜冻日续均在谷底，霜冻出现日期过早，对作物安全成熟造成极大威胁。5 a滑动平均显示齐齐哈尔市以波幅较小的周期波动上升，尤其是1975-1998年间，以较平稳的趋势逐渐上升，变化趋势显著(P＜0.01)。线性趋势估计显示齐齐哈尔市近50 a霜冻呈上升趋势，气候倾向率为1.167%/10 a，但未达显著(P＜0.05)。前20 a的霜冻平均日期比近20 a霜冻平均日期偏晚3 d，上述表明，齐齐哈尔市近50 a作物成熟期初霜冻出现的时期总体呈偏晚趋势，且偏晚的趋势明显。

三江平原的富锦县霜冻的平均日期为10月4日 （图1d）， 霜冻日续总体呈波动上升，1966、1969、1977、2001 和2010年富锦县的霜冻日续均在谷底，霜冻出现日期过早，对作物安全成熟造成极大威胁，而1995年霜冻极晚发生。5 a滑动平均显示富锦县波动上升，变化趋势显著(P＜0.01)。线性趋势估计显示富锦县近50 a霜冻呈上升趋势，气候倾向率为1.049%/10 a，但未达显著(P＜0.05)。前20 a的霜冻平均日期比近20 a霜冻平均日期偏晚4 d，上述表明，富锦县近50 a作物成熟期初霜冻出现的时期总体呈偏晚趋势，且偏晚的趋势明显。

松嫩平原南部的哈尔滨市霜冻的平均日期为10月1日（图1e），霜冻日续总体呈波动上升，1989年霜冻日续是近50 a的谷底，霜冻出现日期过早，对作物安全成熟造成极大威胁。5 a滑动平均显示哈尔滨市波动上升，自1973年开始波动下降，至1990年至谷底，之后呈明显的上升趋势，总的上升趋势显著(P＜0.01)。线性趋势估计显示哈尔滨市近50 a霜冻呈上升趋势，气候倾向率为1.466%/10 a，上升趋势显著(P＜0.05)。前20 a的霜冻平均日期比近20 a霜冻平均日期偏晚4 d，上述表明，哈尔滨市近50 a作物成熟期初霜冻出现的时期总体呈偏晚趋势，且偏晚的趋势明显。

牡丹江半山区的牡丹江市霜冻的平均日期为9月29日（图1f），霜冻日续总体呈波动上升趋势，1967年和1995年霜冻日续是近50 a的谷底，霜冻出现日期过早，对作物安全成熟造成极大威胁。5 a滑动平均显示牡丹江市波动上升，变化趋势显著(P＜0.01)。线性趋势估计显示牡丹江市近50 a霜冻呈上升趋势，气候倾向率为2.117%/10 a，上升趋势显著(P＜0.01)。前20 a的霜冻平均日期比近20 a霜冻平均日期偏晚6 d，上述表明，牡丹江市近50 a作物成熟期初霜冻出现的时期总体呈偏晚趋势，且偏晚的趋势明显。

综上所述，6个代表点作物成熟期霜冻日续呈波动变化，并伴有上升趋势，5 a滑动平均显示作物成熟期的霜冻呈周期性的上升，尤其是呼玛县和北安县，周期大致为10 a，且6个代表点霜冻日续的波动上升趋势均显著，线性倾向估计也表明6个代表点霜冻日续呈上升趋势，且呼玛县、哈尔滨市和牡丹江市上升趋势显著，两种方法都表明6个代表点作物成熟期霜冻都存在偏晚发生的趋势。

图1 1961-2010年黑龙江省6个代表站点初霜冻日续的变化曲线（虚线为初霜冻日续，细实线为5 a滑动平均，粗实线为线性倾向估计）

3.2 80%保证率下作物安全成熟的霜冻分析

农业生产中既希望充分利用气候资源获得高产，又要求产量能够比较稳定，所以只考虑霜冻的平均出现日期是不够的，还需要计算保证率。农业生产要求的保证率一般为80%，因此，本文计算了80%保证率下的黑龙江省各地作物成熟期霜冻出现日期。

在80%保证率下，三江平原东北角的抚远作物成熟期霜冻在10月1日之后出现；松嫩平原西南部的杜尔伯特、肇源、宾县，三江平原的绥滨和富锦作物成熟期霜冻在9月28-30日出现；松嫩平原中南部的泰来、甘南、齐齐哈尔市、安达、哈尔滨市、兰西和呼兰，三江平原的同江、双鸭山市、宝清、桦川、鹤岗、虎林、勃利、密山和鸡西，牡丹江半山区的东宁霜冻在9月25-27日出现；松嫩平原的龙江、富裕、青冈、肇州、阿城、方正、依兰、双城和五常，三江平原的汤原、集贤和鸡东，牡丹江半山区的牡丹江市霜冻在9月22-24日出现；松嫩平原的克山、海伦、望奎、绥化、肇东、林甸、明水、巴彦和木兰，三江平原的佳木斯市、桦南和饶河，牡丹江半山区的宁安霜冻在9月19-21日出现；黑河地区的黑河市，松嫩平原北部的讷河、依安、绥棱、克东、庆安和东部的通河、延寿、尚志，三江平原北部的萝北，牡丹江半山区的穆棱、林口和海林霜冻在9月16-18日出现；黑河地区的逊克和五大连池，松嫩平原北部的北安和拜泉，伊春地区的嘉荫和铁力霜冻在9月13-15日出现；黑河地区的嫩江，伊春地区的伊春市，牡丹江半山区的绥芬河和农区最北端的呼玛霜冻在9月10-12日出现；黑河地区的孙吴霜冻在9月3日出现；霜冻日期在9月6日前出现的地区主要集中于大兴安岭及伊春地区，这部分区域农业种植面积很少，因此不加赘述。

4 讨论

本文通过分析作物成熟期初霜冻50 a的日续变化、5 a滑动平均和线性倾向估计，发现6个代表点的初霜冻（日最低气温≤1℃）都存在一定的上升趋势，表明黑龙江省各地的初霜冻发生时间均呈偏晚出现的趋势。

从作物安全成熟的角度分析，分析了80%保证率下黑龙江省80个气象站的初霜冻出现日期情况，概括为松嫩平原南部和三江平原大部的作物种植应保证9月22日之前成熟，松嫩平原中北部及牡丹江中部作物应保证在9月16日之前成熟，其余农区应保证作物在9月10日之前正常成熟，各地可依据上述的分析合理搭配不同作物及选择适宜的熟性作物进行农业生产。

黑龙江省作物主要以玉米、水稻、大豆为主，北部有少量的春小麦分布。近些年来，黑龙江省受全球气候变暖影响，黑龙江省连续出现“自老山”现象，以及低温冷害的发生程度和频次的下降，农民选用品种的成熟期越来越晚，造成黑龙江省每年都存在一定量的越区种植作物，且原只能种植生育期短的小麦、大豆等作物的北部地区，为追求更高的经济效益而种植生育期长的玉米等作物，而使作物在成熟期面临霜冻的巨大威胁。适区种植，保证作物霜前正常成熟，稳产增收，提高品质是黑龙江省保证商品粮质和量的关键，因此各地一定要根据本文绘制的80%保证率下初霜冻时间分布图来合理的安排农业种植。由于黑龙江省北部地区霜冻出现的早，作物安全成熟的风险较大，种植适宜当地的小麦和早熟大豆作物可保证稳产；松嫩平原的北部是作物种植的敏感地区，该地区应严防越区种植，减少作物因霜冻危害而不能正常成熟的风险；由于松嫩平原南部和三江平原大部霜冻出现较晚，是作物安全成熟的主要种植区，但仍要注意适区种植。

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