内蒙古大豆秋季霜冻发生的演变特征及气候危险性风险指数的构建

王惠贞 唐红艳 李丹

摘要：以1981—2010 年内蒙古自治区119个气象站日最低气温及初霜冻发生日期为基础，以不同气候生态区的80%保证率成熟日期作为界限日期，评定大豆[Glycine max （Linn.） Merr.]秋季霜冻灾害是否发生，并构建霜冻灾害气候危险性风险指数指标体系，分析内蒙古大豆秋季霜冻发生的演变特征及空间分布特征。结果表明，在30年时间尺度内，内蒙古大豆不同等级秋季霜冻发生范围虽有略变小的趋势，但各等级的初霜冻日均呈提前趋势;霜冻发生的区域特征明显，轻霜冻发生范围相对较广且发生范围的年际变化较大。不同等级秋季霜冻发生频率大致呈东北高、西部和东南部低的空间分布规律，变异系数与强度频率空间分布规律相对一致，变异性较大的地区主要分布在大兴安岭山脉和阴山山脉地区。通过气候危险性风险指数指标模型的构建和等级划分，内蒙古大豆秋季霜冻危险性存在较大的空间差异性，霜冻危险性高的区域集中在东北部地区，其中大兴安岭南麓农区是内蒙古大豆主产区之一，掌握霜冻变化规律，合理安排作物品种熟型，做好该地区的防灾减灾和气象为农服务工作是保证大豆丰产丰收的有利条件。

关键词：大豆[Glycine max （Linn.） Merr.];秋霜冻;年际变化;危险性;气候风险指数;内蒙古自治区

中图分类号：S565.1;S425         文獻标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）15-0066-05

Abstract： Based on the lowest daily temperature and the earliest frost occurrence date of 119 meteorological stations in Inner Mongolia Autonomous Region from 1981 to 2010， the maturity date of the 80% guarantee rate of different climate ecoregions was used as the boundary date to assess whether the soybean [Glycine max （Linn.） Merr.] frost disaster occurred. The climate hazard risk index system of frost disasters was constructed to analyze the evolution characteristics of Inner Mongolia soybean autumn frost and spatial distribution characteristics. The results showed that in the 30a time scale， different grade autumn frost of soybean occured in Inner Mongolia were slightly smaller trend， but the early frost days of different grades showed an early trend. The regional characteristics of frost occurrence were obvious， and the range of light frost occured in relatively large areas， and the interannual variation of light frost was obvious， and the date of occurrence was also significantly in advanced. The distribution law was that the frequency of autumn frost in different grades was generally high in the northeast， was low in west and southeast. The coefficient of variation and the spatial distribution of intensity and frequency were relatively consistent， and the regions with large variability were mainly distributed in the Daxinganling mountains and Yinshan mountains. Through the construction of climate hazard risk index model and classification of risk climate index， there was a large spatial difference for the risk of autumn frost in Inner Mongolia， the area with high risk of frost was concentrated in the northeast region. And among them， the south of Daxinganling was agricultural area that was one of the major soybean producing areas of Inner Mongolia. There is an advantageous condition for ensuring a high harvest of soybeans that mastering the change law of frost， rationally arranging crop varieties and familiarity， doing a good job in disaster prevention and mitigation and meteorological services for agriculture in the region.

Key words： soybean[Glycine max （Linn.） Merr.]; autumn frost; interannual variation; dangerous; climate hazard risk index; Inner Mongolia Autonomous Region

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（2013）指出，1951—2012年全球地表平均温度升高0.72 ℃，而中国在1961—2010年平均地表气温升高1.3 ℃，且北方地区较南方地区增温幅度更为明显，其中东北部和内蒙古中东部地区增温速率最大[1-3]。在气候变暖的背景下，极端天气事件频发，对农业生产和作物布局等必然产生重大影响[4，5]。

大豆[Glycine max （Linn.） Merr.]是世界上主要的粮油兼用作物。内蒙古自治区作为中国大豆主产区之一，种植面积仅次于黑龙江，拥有丰富的品种资源[6，7]。内蒙古地处中国最北部，属于中高纬度地区，地形和气候复杂多样，也是与气温相关的农业气象灾害较多的地区，尤其是秋季霜冻灾害对该地区大豆生产影响较为严重[8]。近年来，有学者陆续对各地区不同作物的霜冻灾害的风险性开展了相应的研究，结果表明，霜冻危险性对霜冻发生风险的大小起决定性作用，且掌握霜冻出现的时间规律尤为重要[9-13]。

目前，对内蒙古大豆霜冻灾害的风险研究尚未见报道，且对不同程度霜冻出现的时间分布特征研究甚少。随着社会的发展，资料时空精细化程度明显提高。本研究利用1981—2010 年内蒙古119个气象站日最低气温及初霜冻发生日期分析了该地区大豆秋季霜冻发生时间的演变规律，并与地理信息系统等现代技术手段相结合，从大豆不同等级秋季霜冻在安全成熟前发生的频率、强度和变异性等方面分析了该地区大豆不同等级秋霜冻发生的气候危险性风险指标及空间分布特征，以期指导生产者合理安排作物品种布局，提高秋季霜冻防御能力，减轻初霜冻造成大豆产量等方面的损失，保障大豆产业健康发展。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料为1981—2010 年内蒙古自治区 119 个气象站日最低气温及初霜冻发生日期，来源于内蒙古生态与农业气象中心。大豆生育期观测资料包括内蒙古扎兰屯农业气象观测站历年生育期数据（时间序列为1986—2012年）和内蒙古大豆品种区域和生产试验数据（时间序列为2009—2014年）[14]。地理信息资料包括经度、纬度、海拔等基础因子栅格数据，经纬度数据采用国家基础地理信息中心提供的1∶100万内蒙古基础地理背景数据。

1.2 内蒙古大豆秋季霜冻灾害发生的评定指标

大豆生长的发育期及其日最低气温共同决定了霜冻灾害是否发生。结合农业气象观测站的大豆生育期资料，统计各站点大豆的多年平均成熟日期，经过80%保证率的耿贝尔检验得到的成熟日期作为发生霜冻灾害的界限日期，如日最低气温指标值出现在界限日期之前，则表示该地区发生霜冻灾害，没有观测站的地区，界限日期用临近站点的界限日期代替。

根据不同区域气象条件相近程度，基于聚类分析理论，利用全区3个大豆农业气象观测站历年生育期资料，结合内蒙古大豆品种区域和生产试验数据，同时借鉴内蒙古农牧业厅生态区划分结果，将内蒙古自治区划分为8个气候生态区（表1）。

考虑內蒙古的气候特点、霜冻害发生的温度指标以及大豆种植结构，参考中华人民共和国气象行业标准[15]，将大豆秋季霜冻灾害划分为轻、中、重3 级，以轻霜冻（日最低气温≤0.5 ℃）、中霜冻（日最低气温≤0 ℃）、重霜冻（日最低气温≤-1.0 ℃）为界限，通过初霜冻发生日期是否在80%保证率成熟界限日期之前来判断霜冻灾害是否发生。

1.3 霜冻灾害气候危险性风险指数指标体系

1.3.1 霜冻发生强度频率指标 将1981—2010年内蒙古各旗（县）出现霜冻灾害的年份数量按霜冻灾害发生强度等级分为3组，即轻、中、重霜冻，计算不同等级霜冻灾害的发生频率。霜冻灾害频率指标（Dj）计算公式如下：

[Dj=Di30] （1）

式中，Di表示各旗（县）30年内不同等级霜冻发生的次数，i=1，2，3，分别代表轻、中、重霜冻级别;Dj表示不同等级霜冻的发生频率。

同时，找出霜冻灾害发生时日最低气温的中间值，结合发生频率，计算霜冻灾害强度频率（Ih）。

[Ih=i=13Djn×Gj]   （2）

式中，n为统计的年数;Gj为日最低气温中间值。

1.3.2 霜冻发生的变异性 由于同一地区霜冻灾害的发生日期不稳定，年际间差异较大，直接影响该地区霜冻灾害危险性的大小，因此将霜冻灾害发生日期的变异性作为反映致灾因子危险性大小的另一个指标，公式为：

[Dv=σD] （3）

式中，Dv为霜冻灾害发生日期的变异系数;σ为日序的标准差;D为日序的数学期望。

1.3.3 气候危险性风险指数 致灾危险性是风险产生和存在与否的必要条件，主要是由灾害强度、发生频率及发生的不稳定性共同决定的。上述2个指标分别从霜冻灾害的发生强度频率和初霜冻日变异性角度反映了霜冻灾害危险性的大小，结合内蒙古种植大豆的实际情况，运用专家经验赋值法确定的霜冻灾害强度频率指标和霜冻灾害发生日期的变异系数对气候危险性风险指标的权重分别为0.75 和0.25，将二者进行加权求和，即可得到各旗（县）的气候危险性风险指数（W） 。

[W=Ih×0.75+Dv×0.25] （4）

1.4 数据处理及专题图制作

1.4.1 资料标准化处理 在构建危险性指数时，为了使数据处于统一量纲之间，对霜冻发生强度、频率、变异系数等因子均进行了极差标准化处理，其表达式为：

3 小结与讨论

内蒙古大豆秋季发生轻霜冻的区域特征明显，发生范围相对较广，而从年际变化特征来看，30年间霜冻年际变化较中霜冻和重霜冻略大。不同等级的初霜冻日均呈提前趋势，不同等级霜冻可能发生范围均波动较大，总体呈持平略减小趋势，各等级的初霜冻日基本都在8月中旬以后出现，从20世纪90年代中后期开始初霜冻日有所提前，尤其是轻霜冻出现日期明显提前。秋霜冻的发生正值大豆进入鼓粒阶段，大豆耐寒能力较弱，一旦遭受冻害就无法挽回，因此秋霜冻出现越早，大豆生产损失越大。在气候变暖背景下，对内蒙古大豆秋季霜冻的预测及防御问题仍需重视。

各等级秋季霜冻发生频率大致均呈东北地区高、西部和东南部地区低的空间分布规律，发生轻霜冻概率大的地方，发生中霜冻和重霜冻的概率也相对较大，但发生轻霜冻频率较高的地区范围较中霜冻和重霜冻地区广。结合低温强度来看，呼伦贝尔大部分地区和兴安盟阿尔山地区强度频率指数最高，西部和东南部大部分地区发生霜冻的强度频率指数相对较低。内蒙古大豆秋季霜冻发生的变异系数与强度频率空间分布规律相对一致，变异性较大的地区主要分布在大兴安岭山脉和阴山山脉地区。

总体来看，内蒙古大豆秋季霜冻灾害发生的危险性受纬度和地形的影响较明显，自北向南随纬度的减小危险性有所降低，随海拔高度的增加危险性也有所增高，危险性最高的地区主要分布在大兴安岭地区，大兴安岭北麓林区和南麓农区气候危险性风险指数略高。其中，大兴安岭南麓农区是内蒙古大豆主产区之一，掌握霜冻变化规律，合理安排作物品种熟型，控制作物的播种期和成熟期，做好该地区的防灾减灾及气象为农服务工作是保证大豆丰产丰收的有利条件。影响内蒙古大豆秋季霜冻危险性的因子比较复杂，主要与地形、天气气候条件和种植品种等因素有关[16]，但基于数据的可获取性以及研究时间所限，本研究综合考虑霜冻强度、频率及发生时间的变异性所构建的危险性气候评价指标和模型作为一个初步方法，结合地形、品种结构特征可预测霜冻灾害危险性发生等级。

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