近50年海原县霜冻发生特征及其对农业的影响

王 月，杨 贵，徐璐娜，王金弟，杨 晨，褚永伟

1.宁夏海原县气象局，宁夏海原 755200；2.宁夏中卫市气象局，宁夏中卫 755000；3.宁夏泾源县气象局，宁夏泾源 756400；4.宁夏六盘山气象站，宁夏隆德 756300

霜冻是一种常见的农业气候灾害，通常发生在春季和秋季，会对农业生产造成重大损害。霜冻与最低气温有着密切的关系，秋收农作物未成熟时遭遇初霜冻，将影响其产量；春播幼苗遭受终霜冻，可能冻死或冻伤，甚至遭到毁种[1]。霜冻风险研究作为防灾减灾的重要部分，备受相关学者的重视，宁夏是受霜冻影响较严重的省区之一，而海原县是宁夏霜冻发生频率较高的区域，所以研究海原县霜冻发生的基本特征及异常特征，对于提供优质霜冻预报服务、防止农作物遭受霜冻等具有十分重要的意义[2]。一般最低气温低于2 ℃或植株表面温度低于0 ℃时会发生霜冻[3]。以海原县春、秋两季日最低气温数据，按照2、0、-2 ℃定义了3个霜冻强度等级：轻微、中度、重度，从而分析海原县霜冻发生特点，以及霜冻对海原县农作物生长的影响，以期为霜冻防御气象服务奠定基础。

1 资料和方法

1.1 资料

将海原县1971—2020年春（秋）季日最低气温≤2 ℃、≤0 ℃和≤-2 ℃的最后一天（第一天）分别定义为轻、中和重度霜冻的终（初）霜冻日，当年的终霜冻日到初霜冻日之间的天数称为无霜冻期。

1.2 方法

累积滤波器法能够反映一段时间序列的变化趋势，选用它来计算海原县近50年霜冻的序列累积平均值。公式为：

式（1）中，S是累积平均值；Pi是霜冻的时间序列；是时间序列平均值；n=1，2，…，N。

选择非参数统计检验法作为变化趋势的定量化指标[4]。其原理如下：

式（2）中，Z为统计量，ri为Pj（j=i+1，…，n）＞Pi的样本个数。

在α=0.05的显著水平下，则Z0.05=若|Z|＞Z0.05，则认为霜冻变化趋势在α=0.05水平上是显著的。

异常霜冻指标如下：ΔTd≤-1.65σ、-1.65σ＜ΔTd≤-σ分别定义为特早初霜冻、偏早初霜冻，ΔTd≥1.65σ、1.65σ＞ΔTd≥σ分别定义为特晚终霜冻、偏晚终霜冻。其中，ΔTd为初（终）霜冻日距平，σ为标准差[5]。

2 结果与分析

2.1 海原县近50年霜冻的基本特征

海原县1971—2020年3种霜冻强度下初霜冻日、终霜冻日和无霜冻期情况统计见表1。由表1得出，对于初霜冻日，平均轻霜冻为10月9日，平均中度霜冻推迟10 d到来，平均重度霜冻推迟18 d到来；近50年最早的初霜冻日在9月2日，最晚在11月19日。对于终霜冻日，平均轻霜冻在5月4日，平均中度霜冻提前14 d结束，平均重度霜冻提前21 d结束；近50年最早的终霜冻日在3月22日，最晚在5月21日。对于无霜期，平均轻度无霜期为157 d，平均中度无霜期为181 d，平均重度无霜期为196 d；近50年最短的无霜期为110 d，最长有236 d。表1中的标准差表明，各级强度下初霜冻日、终霜冻日的稳定性基本接近，无霜冻期由于两者的综合影响，稳定性稍差。

表1 海原县各级霜冻强度的基本特征

2.2 海原县近50年霜冻的变化特征

2.2.1 年代际变化 表2是海原县各年代际霜冻平均值与多年（50年）平均值的距平。在20世纪70年代和80年代，与多年平均值相比，海原县各级霜冻的平均初霜冻日提前1～5 d、终霜冻日推后3～8 d、无霜期缩短3～10 d。而至20世纪90年代，轻微初霜冻日和中度初霜冻日提前1～3 d，重度初霜冻日和常年接近，各级终霜冻日提前1～3 d；各级霜冻的无霜冻期延长1～3 d。21世纪开始，呈现出初霜冻日越来越晚出现、终霜冻日逐渐提前或接近常年、无霜冻期越来越长这一趋势。各级霜冻强度下，21世纪10年代无霜冻期比20世纪70年代延长12～21 d。总体而言，各级强度霜冻都在20世纪90年代间的变化最为复杂。

表2 海原县各级强度霜冻在各年代际距平值 d

2.2.2 变化趋势 根据公式（1）计算3种霜冻强度的初霜冻日、终霜冻日、无霜冻期序列累积平均值。图1呈现了轻微霜冻的初霜冻日、终霜冻日、无霜期的累积平均值曲线。由图1得出，海原县近50年轻微霜冻的初霜冻日和无霜期的变化趋势接近一致，即初霜冻日逐渐变晚、无霜期逐渐变长，并且两者的波动频率和趋势变化时间点基本一致。而终霜冻日体现出逐渐提前的趋势，20世纪80年代后更加明显（中度、重度霜冻的累积平均曲线同样可以反映出以上趋势，故略）。

图1 海原县近50年轻微霜冻的累积平均值曲线

利用累积平均序列计算海原县轻、中和重度霜冻的初霜冻日统计量Z0的值分别为0.825、0.689和0.679，终霜冻日统计量Z0的值分别为-0.712、-0.919和-0.916，无霜期统计量Z0的值分别为0.846、0.882和0.830，Z0.05=0.179。说明在α=0.05的显著性水平下，海原县各级强度初霜冻的延后趋势、终霜冻的提前趋势和无霜期的延长趋势是显著的，其中最显著的是中度霜冻的终霜冻日提前趋势。

2.3 初终霜冻的异常特征

表3为海原县异常霜冻发生情况。近50年中，海原县中度特早初霜冻、中度偏晚终霜冻发生频率都达16%，其他发生频率都在4%～14%。中度特早初霜冻最晚发生在2020年。对于特晚终霜冻，只有重度终霜冻在2003年发生1次，中度终霜冻都发生在20世纪70年代至90年代，未发生轻度特晚终霜冻。

表3 海原县各等级异常霜冻发生情况 年

2.4 海原县霜冻对农业生产的影响

当气温突然下降，会导致农作物体内的水分结冰，尤其是植物细胞内体积增大，造成细胞功能受到破坏时发生作物霜冻[6]。

初霜冻越早发生，对农作物的损害就越大，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。海原县秋粮作物的成熟日期为9月下旬至10月中旬。海原县一般在9月24—26日可能出现轻微偏早初霜冻，此时大部分农作物已经成熟。轻微特早初霜冻只在1972、2011年发生过，发生概率较小，加之是在9月上中旬发生，因此，一般情况下轻微异常初霜冻不会影响海原县秋粮作物。

大白菜是海原县主要的冬季蔬菜之一，在海原各地广泛种植。大白菜在一定程度上耐寒、喜凉爽，但抗害能力较弱，环境温度低于10 ℃时生长减缓，低于5 ℃时甚至会生长停止；当日最低气温降至-2～-5 ℃、日平均气温在0 ℃时将出现轻度冻害[7]。海原县轻微异常初霜冻发生时，大白菜处于结球期，此时其会遭受轻度冻害。中度异常初霜冻发生在10月上旬，此时为大白菜成熟期，其会遭受轻度冻害。重度异常初霜冻一般发生在10月上中旬，会使大白菜遭受重度冻害。

终霜冻结束时间越晚对作物的危害越严重。海原县春播期在3月，播种出苗一般需15 d左右，重度终霜冻发生在春小麦苗期，由于幼苗抗低温能力弱，其会遭受严重的冻害。

3 结论和讨论

（1）对于初霜冻日，平均轻霜冻为10月9日，平均中度霜冻推迟10 d，平均重度霜冻推迟18 d；对于终霜冻日，平均轻霜冻在5月4日，平均中度霜冻提前14 d结束，平均重度霜冻提前21 d结束；对于无霜期，平均轻度无霜期为157 d，平均中度无霜期为181 d，平均重度无霜期为196 d。

（2）海原县初霜冻日和无霜冻期呈现出相似的变化趋势，初霜冻日越来越晚、无霜冻期越来越长，而终霜冻日则从20世纪80年代开始逐渐提前。

（3）在α=0.05的显著性水平下，海原县各级强度初霜冻的延后趋势、终霜冻的提前趋势和无霜期的延长趋势是显著的，其中最显著的是中度霜冻的终霜冻日提前趋势。

（4）近50年中，海原县中度特早初霜冻、中度偏晚终霜冻发生频率都达16%，其他发生频率都在4%～14%，且中度霜冻都发生在20世纪70年代至90年代，未发生轻微特晚终霜冻。

（5）海原县轻微异常初霜冻基本不影响秋粮作物，但会使大白菜遭受轻度冻害；中度异常初霜冻会使大白菜遭受轻度冻害；重度异常初霜冻会使大白菜遭受重度冻害。春播幼苗主要会受到重度终霜冻的影响。

初霜冻日越来越晚、终霜冻日越来越早、无霜冻期越来越长这一总体趋势，对农业生产是有利的，可以为本地农作物生长提供更多的热量资源；但霜冻是气温突降造成的，是短时间内的农业气象灾害，它的发生可能与长期气候变化趋势不一致。例如，1972年，初霜冻日出现在9月2日，比多年平均提前37 d。短时间内气温降幅过大，即使日最低气温没有降至2 ℃以下，也会使未成熟的作物遭受霜冻灾害而减产。

霜冻发生也会受气候、地形、作物发育期及作物品种等各种因素的影响，在防范应对过程中，除了考虑霜冻本身发生规律，还要综合分析多种环境因素。为了降低霜冻对农业的影响，首先，气象局应加强对霜冻的监测和预警，使得农户能够及时采取喷洒保护剂、覆盖物等保护措施，农户还可以依据气象部门的气候趋势预测挑选作物品种、调整栽培技术、调整播种时间等，以此提高农作物抵御霜冻的能力[8-10]。其次，政府应加大对农业保障的支持力度，提供保险和补贴等措施，以减少农民经济损失。最后，科研机构应加强对霜冻的研究，提出更有效的防护方法和适应策略，以减少霜冻对农作物生长的影响，保障农民的收益和粮食安全。