冬马铃薯苗期霜冻害的指标因子、预报方法及风险趋势

吴 昊，马 力，陈 宜，鲁速明，杨 磊

(1.江西省九江市气象局，江西 九江 332000；2.江西省气象灾害应急预警中心，江西 南昌 330096；3.江西省棉花研究所，江西 九江 332105)



冬马铃薯苗期霜冻害的指标因子、预报方法及风险趋势

吴 昊1，马 力2，陈 宜3，鲁速明3，杨 磊3

(1.江西省九江市气象局，江西 九江 332000；2.江西省气象灾害应急预警中心，江西 南昌 330096；3.江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

针对“棉薯连作轻简化栽培”方式下，冬马铃薯春季破膜放苗期间遭遇的霜冻害损失与结霜期最低气温之间的不对称性，引入草面温度平行资料进行比较分析。结果表明，草面最低温度能更客观地反映马铃薯苗遭受的霜冻害强度，是马铃薯春霜冻害的最佳指标因子。综合分析结霜天气背景，筛选常规天气预报要素，建立了草面最低温度的预报模型，以提高霜冻害强度定量预报的准确性与实用性。诊断分析近57年终霜日期资料结果表明，在全球气候变化的大背景下，近30年该地区终霜日期整体呈提早出现的趋势，部分地区达到线性提早显著水平；少数地区在2000年代中期出现终霜日期提早的突变点，并在2014～2015年突变显著；在终霜期提早凸显的趋势下，晚霜风险依然存在，且周期性振荡不显著。

马铃薯苗；霜冻害；指标因子；草温预报；风险

0 引言

马铃薯粮菜饲兼用，还可作为生物能源原料，对保障粮食安全、能源安全、消除贫困起着十分重要的作用[1-2]。世界马铃薯生产格局正在发生重大变化，亚洲是世界上马铃薯生产增长最快的地区[3]。据农业部消息，我国将启动马铃薯主粮化战略，预计2020年50%以上的马铃薯将作为主粮消费[4]。可见，其需求潜力很大，加上马铃薯可以利用冬闲田种植，耕地成本降低，且在上市季节上具有灵活性，因此，马铃薯产业市场前景好[1]。

江西省九江市位于鄱阳湖北部(28°47′～30°06′ N)，是江西省的棉花主产区和高产区，棉花种植面积和产量均占全省的70%以上[5]，是我国三大主产棉区之一的长江流域棉区的重要组成部分，具有得天独厚的自然条件，植棉技术较高，连片籽棉单产多次突破7500 kg/hm2大关。棉花一直是该地区的农业支柱产业。然而，随着国家棉花收储政策的取消，棉花生产资料价格上涨，农村留守劳动力老化弱化，原棉价格下跌与棉花生产存在的技术复杂、周期长、环节多、用工多、投入多、机械化程度低等矛盾日益凸显，植棉比较效益偏低，棉花生产不断呈现下滑趋势[6-7]。

为了帮助老棉区走出困局，江西省棉花研究所在大量调查研究的基础上，引导棉农在棉地耕作制度改革上下功夫，对接国家粮食战略调整，将棉花与马铃薯这个当今世界第四大粮食作物结合起来，开展了“棉花+马铃薯轻简化栽培技术”试验示范。

棉花+马铃薯轻简化栽培，就是在冬闲的棉地上种植马铃薯，通过技术革新，实现“免耕、免挖”，最大限度地减轻人力负担，实现农产品提质、农耕地增效、植棉积极性不减的目的。2014～2015年，该项技术示范获得了60000 kg/hm2的好收成。

棉花+马铃薯轻简化栽培，在播种至发芽期实行“稻草+地膜”保护性栽培；进入出苗期后，为了避免春季气温回升造成高温烧苗现象，需实行“破膜放苗”，即马铃薯幼苗进入露天生长状态，失去了温度保护。在前几年的试验示范中，没有遇到春寒天气情况，收成良好。

霜是当气温下降使地表或接近地表的物体表面最低温度降到0 ℃或0 ℃以下，空气中水汽直接凝华在地表或物体上形成白色冰晶的一种天气现象[8]。霜冻害则是霜天使得正在生长发育的作物受到冻伤，从而导致减产、品质下降或绝收的一种农业气象灾害[8]。

2016年3月上旬末至中旬初，九江市出现寒潮天气，以致3月11～12日全市大部分地区出现结霜天气，造成马铃薯幼苗冻死率达到75%～95%、减产幅度达到50%的严重损失。从受影响程度看，依据中华人民共和国气象行业标准《作物霜冻害等级》[8]，本次灾害等级达到了重霜冻标准。

然而，天气实况资料表明，同期最低气温在-1.0 ℃以上，较《作物霜冻害等级》中的重霜冻害标准高出2 ℃以上，甚至连轻霜冻标准都没有达到。针对这一情况，本文引用近年来气象台站新增观测项目——草面温度资料，通过比较分析，发现最低气温在霜冻害程度的表达上存在较大的误差性，而草面最低温度更接近马铃薯苗等作物冠层温度，更适合作为霜冻害的农业气象指标。在此基础上对草面最低温度的预报方法进行了探讨；此外，本文对近57年当地春霜风险趋势进行了气候诊断分析，旨在更好地指导冬马铃薯生产的发展。

1 资料与方法

1.1 资料来源

马铃薯物候观测资料来源于江西省棉花研究所，马铃薯试种品种为中薯5号；气象资料来源于九江市气象局，时间序列为1960～2016年。

1.2 研究方法

1.2.1 比较分析 应用比较分析的方法，对马铃薯苗情、灾情与气象观测等平行资料进行研究分析，筛选出能客观表征马铃薯霜冻害致灾强度的关键气象因子。

1.2.2 回归分析 应用逐步回归分析方法，对马铃薯苗期霜冻害气象指标因子与其它常规天气气象要素、特别是在日常天气预报中通用的要素之间进行相关性分析，建立相关模型，形成霜冻害预测预警技术方法。

应用线性回归分析方法，将终霜日期序列与自然数数列进行相关性分析，通过相关系数的显著性检验，判断该要素与时间变化的相关性；通过拟合线斜率b值的正、负与大小，可以判断该要素随时间变化趋势的强弱。把相关系数的显著水平p称为“气候线性变化趋势倾向显著水平”；把拟合线斜率b称为“趋势倾向率”，把b×10表示某气象要素每10年的气候倾向率[9]。

1.2.3 小波分析 应用小波分析方法，分析研究当地近50多年来终霜日期的周期性变化特征。 小波分析的原理[10-12]如下：

为了便于计算机计算，应将其离散化和量子化。选择a0，b0,使a=a0j,b=kb0;a0ja0>1,b0∈R,j、k∈Z,则小波基函数变为：ψj,k(x)=2j/2ψ(a0-jx-kb0)，通常取a0=2，b0=1, 于是有：ψj,k(x)=2j/2ψ(2-jx-k)。

在一定条件下，{ψj,k(x)|j,k∈Z}构成一组完备标准正交基。

1.2.4 Mann-Kendall检验 Mann-Kendall检验分析法(以下简称M-K检验)是目前被广泛应用的趋势分析方法，能很好地揭示时间序列的趋势变化。其优点在于不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。本文应用该方法诊断分析终霜日期的突变性表现，其原理如下[12]：

设时间序列为{xi}(i=1，2，…，n)，时间序列{xi}的对偶数S(xi

其中，sgn()为符号函数。

M-K统计量U的计算公式为：

M-K统计量U的取值范围为(-∞，+∞)。U>0时，表示时间序列{xi}为上升趋势;U<0时，表示时间序列{ xi}为下降趋势；│U│>U0.05/2=1.96，表示序列趋势变化显著。

使用M-K法检验突变时，其具体原理如下：设时间序列为{xi}(i=1，2，…，n)，构造一新系列dk：

其中，mi为xi>xj(1≤j≤i)的样本累积数。dk的均值以及方差分别为：

在时间序列随机独立假设下，定义统计量UFk：

给定显著性水平α，查正态分布表，得到临界值t。当|UFk|>t时，表明时间序列存在明显的上升或下降趋势，所有UFk将组成一条曲线UF；把同样的方法引用到反序列中，得到另一条曲线UB。将统计量曲线UF、UB以及±t这2条直线绘在同一坐标系上，如果UF>0，表示时间序列呈上升趋势，如果UF<0，表示时间序列呈下降趋势，当它们超过临界值直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UF和UB 这2条曲线出现交点，则交点为突变点。

2 结果与分析

2.1 霜天背景及影响

2016年3月8日，北方冷空气开始入侵影响九江市，自8日至9日，3 h变压持续处于>0的状态，24 h变温持续处于<0状态；冷空气过境后，受高压系统控制，天气晴好，除西部山区的修水、武宁2站外，九江市各台站3月10日中午～12日上午的可照时间均有日照；3月10日夜间至11日晨以及11日夜间至12日晨，天空晴朗少云，地面辐射冷却作用明显，全市大部分地区出现结霜现象。

霜天过程后数天，马铃薯地上部分先是变为水渍状，然后腐烂变黑，失去生命活力。表1为“棉花+”马铃薯轻简化栽培示范点结霜天气出现前，马铃薯的物候期进程以及霜冻害造成的植株受害率与产量损失率。由表1可知，此次霜冻害给马铃薯生产造成了重度影响。

表1 2016年3月10～11日“棉花+”马铃薯苗霜冻害情况

2.2 结霜期不同活动面最低温度的比较

表2为德安、湖口2站结霜天气出现前后，地表、草面(地表以上5～10 cm)以及百叶箱高度(地表以上150 cm)3个活动面的日最低温度，即：地表最低温度、草面最低温度、最低气温。

比较分析表2可以看出，在结霜天气现象出现时，最低草温较最低气温和最低地面温度明显偏低；最低草温与最低气温的差值德安站平均为-2.2 ℃，湖口站平均为-4.1 ℃，表现出空间上的相对稳定性；最低气温与最低地面温度之间互有高低，差异性不稳定。综上所述，采用气温或者地表温度作为霜冻害的气象指标，不能真实地反映结霜天气的冻害强度；草坪活动面与马铃薯苗不仅高度相似，而且在结霜天气时热量交换物理机制相似，将草温作为马铃薯苗霜冻害指标更为合理；最低草温与最低气温的差值表现出的空间相对稳定性，为草温预报模型的研究提供了探索的可能。

2.3 草面最低温度预报

2.3.1 结霜日最低草温预报模型 对九江市辖区内2016年3月11日～12日出现了结霜现象气象台站的日最低气温、日最低地表温度以及平均风速(夜间20：00时～早晨7：00时)与日最低草温进行相关分析，结果如表3。

表2 霜天前后不同活动面最低温度的比较

表3 不同活动面最低温度及风速间的相关分析

由表3可知，草面最低温度与最低气温、地表最低温度、夜间平均风速均呈显著的正相关；最低气温与夜间平均风速相关不显著；最低地表温度与最低气温、夜间平均风速均呈显著的正相关。需要说明的是，云对夜间地面辐射冷却具有明显的抑制作用，但由于近年来各气象台站(除基本站外)取消了云量与云高观测，故而本文没有涉及到云量。

综合上述分析，将最低草温作为预报对象，采用逐步回归方法，筛选出最低气温与夜间平均风速作为预报因子(两者之间的偏相关不显著)，建立模型如下：

Y最低草温= - 3.49 + 0.552t最低气温+ 0.546U平均风速

(1)

模型 (1)的复相关系数为0.862，F值为18.83，显著水平p为0.0001，剩余标准差S为5.37。

分析表3不难看出，尽管草面最低温度与最低气温、夜间平均风速均显著相关，但与最低气温相关的显著水平更高。考虑到最低气温与夜间平均风速这两个因子均为预报因子，而预报因子越多，存在的不确定性和不稳定性也就越大，对预报对象的准确性会产生影响。故此，本文采用最低气温作为单预报因子，建立草面最低温度的预报模型(2)如下：

Y最低草温= - 2.97 + 0.60t最低气温

(2)

模型 (2)的F值为28.25，显著水平p为0.0001, 剩余标准差S为5.88。

图1列出了模型(2)的拟合误差。由图1可以看出，采用单因子(最低气温)建立的预报模型(2)进行最低草温预报，其误差绝对值<1，预报信度可靠。

图1 草面最低温度预报模型拟合效果

2.3.2 模型应用效果检验 2016年3月26日与27日，九江市再次出现了一次结霜天气过程，此次霜冻害强度较弱，对马铃薯苗生长未造成明显影响。表4、表5分别为运用上述模型，开展2016年3月26日与27日草面最低温度预报试验的误差分析结果。

表4 3月26日草面最低温度预报试验误差分析 ℃

表5 3月27日草面最低温度预报试验误差分析 ℃

表4与表5中，2016年3月26～27日九江市辖区内，天气现象实况达到结霜标准的站次共计有13个。针对这13个样本，预报模型的试验效果如下：

(1)定性预报结果(指有霜或无霜)的正确率，两个模型均为77%；

(2)最大预报残差，模型(1)为2.0 ℃，模型(2)为1.8 ℃；

(3)残差≤1.5 ℃的比率，模型(1)为85%，模型(2)为92%；

(4)残差≤1.0 ℃的比率，两个模型均达到85%；

(5)残差≤0.5 ℃的比率，模型(1)为69%，模型(2)为77%。

表4与表5中，该地区还有7个站次没有出现结霜天气现象，其中有4个站次的最低气温并不偏高，且风力不够大，其原因可能与云量有关。

综上所述，可以得出：一是采用地面最低温度与夜间平均风速，或者简单地采用地面最低温度预报结论，能够开展霜天现象与霜冻害强度预报；二是在开展霜预报时，应充分利用卫星云图、雷达回波等资料，对天空晴朗度进行准确的预估，对预报结论进行订正。

2.3.3 马铃薯苗霜冻害预警指标 据文献报道，马铃薯在播种后、出苗前，一般受冷害的影响不大，块茎在气温回暖后会继续萌发，只是出苗期会相应延迟[13]。当气温下降到-0.8 ℃时幼苗即受寒害；气温在-1.5 ℃时茎部受冻害；当气温变暖时，受害部位变成水浸状，随后部分茎叶枯死、变黑，但气温回升后还能从节部发出新的茎叶，继续生长；-3 ℃时茎叶全部枯死[14-15]。同样只要种薯薯块未被冻死，气温回升后，块茎会由芽眼处重新萌芽[16]。受冻后的马铃薯植株容易被病菌感染，从而影响产量[17]。

对比分析2016年3月11～12日马铃薯苗霜冻害天气背景、灾情以及文献资料，不难看出，上述温度指标所指的是马铃薯苗的冠层温度，而非气象台站观测的百叶箱气温。据此，本文综合研究制定出春季马铃薯苗霜冻害的天气背景与气象指标，如表6所示。

表6 春季马铃薯苗霜冻害的天气背景与指标

大量观测与研究表明，霜的形成受到云量和风力的直接影响。当云量较大时，云对地面物体夜间的辐射冷却具有阻碍作用，抑制霜的形成。而当风力达到3～4级以上时，上下层的空气容易互相混合而产生热量交换，加上空气流动快，与冷物体表面接触的时间短，从而阻碍霜的形成。

为使上述指标更好地与日常天气预报接轨，应用草面最低气温预报模型(1)与模型(2)进行换算，得到春季马铃薯苗霜冻害气象预警指标(如表7)。

2.4 终霜日期的时间变化特征

九江市辖区的6个代表站终霜日期存在一定的空间分布差异，终霜最早的日期出现在1月中旬～2月初，最晚的日期均在4月上旬；终霜日期的气候平均日期各地均出现在3月上旬；终霜日期的80%保证率日期在3月11日～3月24日之间。下面分析一下终霜日期的时间变化特征。

为了便于统计分析，将终霜日期以日为单位，按照先后进行自然数拟合处理，即确定某个日期为零值点，向后递增，向前递减。

表7 春季马铃薯苗霜冻害气象预警指标

2.4.1 线性变化 表8为九江市辖区内的6个代表站1960～2016年终霜日期序列与自然数数列相关性分析，结果表明，近57年终霜日期的年变化总体呈现出提早的趋势，其中有半数台站这种趋势达到显著水平，趋势倾向率b达到1.9～3.5 d/年；另有半数台站的提早趋势尚不显著。

2.4.2 周期性变化 采用Wave子波30年对称延伸法，对九江市辖区内的6个代表站1960～2016年终霜日期的周期性振荡特征进行了分析，图2为各代表站近57年终霜日期小波分析各尺度的方差。从图2看出，6个代表站的小波方差曲线均没有出现峰值点，表明其振荡的周期性不显著。图3为全市平均终霜日期年变化小波分析图，图中曲线仅仅零散地在一些很小的时间段偶尔出现了几个中心纵坐标值约为2～3年及10年的浅封闭区，这也表明九江地区平均终霜日期年变化的周期性振荡特征处于较弱的水平。

图2 各尺度小波方差

2.4.3 年代际变化 统计分析表明，九江市辖区内6个代表站10年际平均终霜日期，1960s～1980s出现在3月3日～3月15日，1990s开始普遍提前到3月上旬，永修站甚至提前到2月中旬末；进入2010s以来，全区终霜日期提早趋势更加显著，终霜平均日期提早到2月中旬～3月初，各台站分别有3～5年终霜日期出现在3月份之前，最早出现在1月底，但在2016年也出现了半数台站终霜日期为3月下旬后期的特殊情况。

表8 九江市终霜日期年变化线性回归分析

图3 全市平均终霜日期年变化小波分析

2.4.4 突变分析 Mann-Kendall检验分析结果表明，1960年以来的57年，九江市大部分代表站点的终霜日期尚未出现突变现象，只有星子、永修2站约在2006～2007年出现提早的突变点，并在2014年突破-tα=0.05，达到显著的突变，但永修站2016年∣UFk∣<∣tα=0.05∣，中止了显著突变的趋势。图4A～4C为星子站、永修站的终霜日期和全市6个代表站的平均终霜日期年变化的Mann-Kendall检验分析图。

3 结论与讨论

草面最低温度与最低气温、地表最低温度之间显著相关，但不可相互替代。草面、地表以及百叶箱高度空气层，代表着近地层3个不同空间位置、不同物理性质的介面，在结霜天气现象发生时，辐射作用与水相变化使其温度变化状况既相互联系，又相互区别。因此，最低气温与地表最低温度均不能客观反映农作物霜冻害的影响程度。在分析作物霜冻害影响时，既要考虑到作物对冻害的敏感性程度，又要考虑到作物对冻害敏感部分的空间位置(即活动面高度)，从而客观选择指标因子。

A：星子站；B：永修站；C：全市平均。

农作物温度指标引用时，不宜简单地与气象部门观测的气温混用。受专业限制，文献资料中“气温”资料的观测不一定都与气象部门的规定一致。因此，在成果引用时，要具体情况具体对待，弄清楚其获取环境(所代表的活动面)非常重要，以保证结果的科学性。

应用草面温度研制霜冻害指标合理性更强。无论是在活动面热量平衡物理特性方面，还是在空间分布方面，草面与马铃薯苗期群体冠层具有更显著的相似性，将草面温度作为霜冻害气象指标因子，合理性明显。

应用草面温度预报霜冻害简便实用。霜天现象发生的天气背景特点明确，即风轻云淡，通过草面最低温度与最低气温的相关模型建立的霜冻害强度的预报方法，既具有较好的客观性，又简单实用。

春霜冻害指标可延伸到相似作物。本文是立足冬马铃薯幼苗与气候观测场草面的物理学相似性，研制马铃薯霜冻害的农业气象指标。同理，该指标可延伸使用到春季其他低矮作物(如蔬菜等)的预警预报服务。

未来一定时期终霜日期总体提早与个别极端年份偶尔偏晚的趋势并存。在气候变化背景下，研究地区终霜日期变化总体呈提早出现趋势，同时也存在个别极端年份的出现日期明显偏晚。终霜日期的显著提早，对于充分利用冬闲地资源，如发展冬种马铃薯产业等，是有利的一面。但是，在看到有利一面的同时，对少数极端年份终霜日期偏晚的风险也要高度重视，绝不可心存侥幸。覆盖免耕栽培技术不仅能显著提高马铃薯的产量、减轻劳动强度，而且保水、保温增强马铃薯的抗寒能力[18]，实行轻简化马铃薯栽培有利于降低霜冻害风险。

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(责任编辑:许晶晶)

Index Factors, Forecast Method and Risk Trend of Frost Damage to Winter Potato Seedlings

WU Hao1, MA Li2, CHEN Yi3, LU Su-ming3, YANG Lei3

(1. Meteorological Bureau of Jiujiang City in Jiangxi Province, Jiujiang 332000, China; 2. Jiangxi Meteorological Disaster Emergency Early Warning Center, Nanchang 330096, China; 3. Jiangxi Cotton Research Institute, Jiujiang 332105, China)

In the light and simplified cultivation of cotton-potato continuous cropping, there existed a asymmetry between the minimum air temperature in frosting period and the winter potato yield loss caused by frost damage at film-rupturing and transplanting stage in spring. Aiming at this problem, we introduced grass surface temperature to study the index factors, forecast method and risk trend of frost damage to winter potato seedlings. The results indicated that the minimum temperature of grass surface could more objectively reflect the frost damage intensity of potato seedlings, and it was the best index factor of potato spring-frost damage. The weather background of frosting was comprehensively analyzed, some routine weather elements were screened, and the prediction model using grass surface minimum temperature as predictive factor was established to enhance the accuracy and practicability of quantitative prediction of frost damage intensity. The results of diagnostic analysis of latest frost date data in recent 57 years revealed that: under the large background of global climate change, the latest frost date in this region in recent 30 years became earlier as a whole, and this ahead trend in some districts reached a significantly linear level. A sudden change point of latest frost date in minority districts appeared in the mid 2000s, and the sudden change was significant during 2014～2015. Under the trend that the latest frost appeared earlier, the late frost risk still existed, and its periodic oscillation was not significant.

Potato seedling; Frost damage; Index factor; Grass temperature forecast; Risk

2016-09-05

江西省科技计划重点项目(20144BBF60014)。

吴昊(1966─)，男，江西湖口人，高级工程师，主要研究方向为农业气象。

S162

A

1001-8581(2016)11-0059-07