冬馬鈴薯苗期霜凍害的指標因子、預報方法及風險趨勢

吳 昊，馬 力，陳 宜，魯速明，楊 磊

(1.江西省九江市氣象局，江西 九江 332000；2.江西省氣象災害應急預警中心，江西 南昌 330096；3.江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

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冬馬鈴薯苗期霜凍害的指標因子、預報方法及風險趨勢

吳 昊1，馬 力2，陳 宜3，魯速明3，楊 磊3

(1.江西省九江市氣象局，江西 九江 332000；2.江西省氣象災害應急預警中心，江西 南昌 330096；3.江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

針對“棉薯連作輕簡化栽培”方式下，冬馬鈴薯春季破膜放苗期間遭遇的霜凍害損失與結霜期最低氣溫之間的不對稱性，引入草面溫度平行資料進行比較分析。結果表明，草面最低溫度能更客觀地反映馬鈴薯苗遭受的霜凍害強度，是馬鈴薯春霜凍害的最佳指標因子。綜合分析結霜天氣背景，篩選常規天氣預報要素，建立了草面最低溫度的預報模型，以提高霜凍害強度定量預報的準確性與實用性。診斷分析近57年終霜日期資料結果表明，在全球氣候變化的大背景下，近30年該地區終霜日期整體呈提早出現的趨勢，部分地區達到線性提早顯著水平；少數地區在2000年代中期出現終霜日期提早的突變點，并在2014～2015年突變顯著；在終霜期提早凸顯的趨勢下，晚霜風險依然存在，且周期性振蕩不顯著。

馬鈴薯苗；霜凍害；指標因子；草溫預報；風險

0 引言

馬鈴薯糧菜飼兼用，還可作為生物能源原料，對保障糧食安全、能源安全、消除貧困起著十分重要的作用[1-2]。世界馬鈴薯生產格局正在發生重大變化，亞洲是世界上馬鈴薯生產增長最快的地區[3]。據農業部消息，我國將啟動馬鈴薯主糧化戰略，預計2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費[4]。可見，其需求潛力很大，加上馬鈴薯可以利用冬閑田種植，耕地成本降低，且在上市季節上具有靈活性，因此，馬鈴薯產業市場前景好[1]。

江西省九江市位于鄱陽湖北部(28°47′～30°06′ N)，是江西省的棉花主產區和高產區，棉花種植面積和產量均占全省的70%以上[5]，是我國三大主產棉區之一的長江流域棉區的重要組成部分，具有得天獨厚的自然條件，植棉技術較高，連片籽棉單產多次突破7500 kg/hm2大關。棉花一直是該地區的農業支柱產業。然而，隨著國家棉花收儲政策的取消，棉花生產資料價格上漲，農村留守勞動力老化弱化，原棉價格下跌與棉花生產存在的技術復雜、周期長、環節多、用工多、投入多、機械化程度低等矛盾日益凸顯，植棉比較效益偏低，棉花生產不斷呈現下滑趨勢[6-7]。

為了幫助老棉區走出困局，江西省棉花研究所在大量調查研究的基礎上，引導棉農在棉地耕作制度改革上下功夫，對接國家糧食戰略調整，將棉花與馬鈴薯這個當今世界第四大糧食作物結合起來，開展了“棉花+馬鈴薯輕簡化栽培技術”試驗示范。

棉花+馬鈴薯輕簡化栽培，就是在冬閑的棉地上種植馬鈴薯，通過技術革新，實現“免耕、免挖”，最大限度地減輕人力負擔，實現農產品提質、農耕地增效、植棉積極性不減的目的。2014～2015年，該項技術示范獲得了60000 kg/hm2的好收成。

棉花+馬鈴薯輕簡化栽培，在播種至發芽期實行“稻草+地膜”保護性栽培；進入出苗期后，為了避免春季氣溫回升造成高溫燒苗現象，需實行“破膜放苗”，即馬鈴薯幼苗進入露天生長狀態，失去了溫度保護。在前幾年的試驗示范中，沒有遇到春寒天氣情況，收成良好。

霜是當氣溫下降使地表或接近地表的物體表面最低溫度降到0 ℃或0 ℃以下，空氣中水汽直接凝華在地表或物體上形成白色冰晶的一種天氣現象[8]。霜凍害則是霜天使得正在生長發育的作物受到凍傷，從而導致減產、品質下降或絕收的一種農業氣象災害[8]。

2016年3月上旬末至中旬初，九江市出現寒潮天氣，以致3月11～12日全市大部分地區出現結霜天氣，造成馬鈴薯幼苗凍死率達到75%～95%、減產幅度達到50%的嚴重損失。從受影響程度看，依據中華人民共和國氣象行業標準《作物霜凍害等級》[8]，本次災害等級達到了重霜凍標準。

然而，天氣實況資料表明，同期最低氣溫在-1.0 ℃以上，較《作物霜凍害等級》中的重霜凍害標準高出2 ℃以上，甚至連輕霜凍標準都沒有達到。針對這一情況，本文引用近年來氣象臺站新增觀測項目——草面溫度資料，通過比較分析，發現最低氣溫在霜凍害程度的表達上存在較大的誤差性，而草面最低溫度更接近馬鈴薯苗等作物冠層溫度，更適合作為霜凍害的農業氣象指標。在此基礎上對草面最低溫度的預報方法進行了探討；此外，本文對近57年當地春霜風險趨勢進行了氣候診斷分析，旨在更好地指導冬馬鈴薯生產的發展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

馬鈴薯物候觀測資料來源于江西省棉花研究所，馬鈴薯試種品種為中薯5號；氣象資料來源于九江市氣象局，時間序列為1960～2016年。

1.2 研究方法

1.2.1 比較分析 應用比較分析的方法，對馬鈴薯苗情、災情與氣象觀測等平行資料進行研究分析，篩選出能客觀表征馬鈴薯霜凍害致災強度的關鍵氣象因子。

1.2.2 回歸分析 應用逐步回歸分析方法，對馬鈴薯苗期霜凍害氣象指標因子與其它常規天氣氣象要素、特別是在日常天氣預報中通用的要素之間進行相關性分析，建立相關模型，形成霜凍害預測預警技術方法。

應用線性回歸分析方法，將終霜日期序列與自然數數列進行相關性分析，通過相關系數的顯著性檢驗，判斷該要素與時間變化的相關性；通過擬合線斜率b值的正、負與大小，可以判斷該要素隨時間變化趨勢的強弱。把相關系數的顯著水平p稱為“氣候線性變化趨勢傾向顯著水平”；把擬合線斜率b稱為“趨勢傾向率”，把b×10表示某氣象要素每10年的氣候傾向率[9]。

1.2.3 小波分析 應用小波分析方法，分析研究當地近50多年來終霜日期的周期性變化特征。 小波分析的原理[10-12]如下：

為了便于計算機計算，應將其離散化和量子化。選擇a0，b0,使a=a0j,b=kb0;a0ja0>1,b0∈R,j、k∈Z,則小波基函數變為：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)。

在一定條件下，{ψj,k(x)|j,k∈Z}構成一組完備標準正交基。

1.2.4 Mann-Kendall檢驗 Mann-Kendall檢驗分析法(以下簡稱M-K檢驗)是目前被廣泛應用的趨勢分析方法，能很好地揭示時間序列的趨勢變化。其優點在于不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾。本文應用該方法診斷分析終霜日期的突變性表現，其原理如下[12]：

設時間序列為{xi}(i=1，2，…，n)，時間序列{xi}的對偶數S(xi

其中，sgn()為符號函數。

M-K統計量U的計算公式為：

M-K統計量U的取值范圍為(-∞，+∞)。U>0時，表示時間序列{xi}為上升趨勢;U<0時，表示時間序列{ xi}為下降趨勢；│U│>U0.05/2=1.96，表示序列趨勢變化顯著。

使用M-K法檢驗突變時，其具體原理如下：設時間序列為{xi}(i=1，2，…，n)，構造一新系列dk：

其中，mi為xi>xj(1≤j≤i)的樣本累積數。dk的均值以及方差分別為：

在時間序列隨機獨立假設下，定義統計量UFk：

給定顯著性水平α，查正態分布表，得到臨界值t。當|UFk|>t時，表明時間序列存在明顯的上升或下降趨勢，所有UFk將組成一條曲線UF；把同樣的方法引用到反序列中，得到另一條曲線UB。將統計量曲線UF、UB以及±t這2條直線繪在同一坐標系上，如果UF>0，表示時間序列呈上升趨勢，如果UF<0，表示時間序列呈下降趨勢，當它們超過臨界值直線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB 這2條曲線出現交點，則交點為突變點。

2 結果與分析

2.1 霜天背景及影響

2016年3月8日，北方冷空氣開始入侵影響九江市，自8日至9日，3 h變壓持續處于>0的狀態，24 h變溫持續處于<0狀態；冷空氣過境后，受高壓系統控制，天氣晴好，除西部山區的修水、武寧2站外，九江市各臺站3月10日中午～12日上午的可照時間均有日照；3月10日夜間至11日晨以及11日夜間至12日晨，天空晴朗少云，地面輻射冷卻作用明顯，全市大部分地區出現結霜現象。

霜天過程后數天，馬鈴薯地上部分先是變為水漬狀，然后腐爛變黑，失去生命活力。表1為“棉花+”馬鈴薯輕簡化栽培示范點結霜天氣出現前，馬鈴薯的物候期進程以及霜凍害造成的植株受害率與產量損失率。由表1可知，此次霜凍害給馬鈴薯生產造成了重度影響。

表1 2016年3月10～11日“棉花+”馬鈴薯苗霜凍害情況

2.2 結霜期不同活動面最低溫度的比較

表2為德安、湖口2站結霜天氣出現前后，地表、草面(地表以上5～10 cm)以及百葉箱高度(地表以上150 cm)3個活動面的日最低溫度，即：地表最低溫度、草面最低溫度、最低氣溫。

比較分析表2可以看出，在結霜天氣現象出現時，最低草溫較最低氣溫和最低地面溫度明顯偏低；最低草溫與最低氣溫的差值德安站平均為-2.2 ℃，湖口站平均為-4.1 ℃，表現出空間上的相對穩定性；最低氣溫與最低地面溫度之間互有高低，差異性不穩定。綜上所述，采用氣溫或者地表溫度作為霜凍害的氣象指標，不能真實地反映結霜天氣的凍害強度；草坪活動面與馬鈴薯苗不僅高度相似，而且在結霜天氣時熱量交換物理機制相似，將草溫作為馬鈴薯苗霜凍害指標更為合理；最低草溫與最低氣溫的差值表現出的空間相對穩定性，為草溫預報模型的研究提供了探索的可能。

2.3 草面最低溫度預報

2.3.1 結霜日最低草溫預報模型 對九江市轄區內2016年3月11日～12日出現了結霜現象氣象臺站的日最低氣溫、日最低地表溫度以及平均風速(夜間20：00時～早晨7：00時)與日最低草溫進行相關分析，結果如表3。

表2 霜天前后不同活動面最低溫度的比較

表3 不同活動面最低溫度及風速間的相關分析

由表3可知，草面最低溫度與最低氣溫、地表最低溫度、夜間平均風速均呈顯著的正相關；最低氣溫與夜間平均風速相關不顯著；最低地表溫度與最低氣溫、夜間平均風速均呈顯著的正相關。需要說明的是，云對夜間地面輻射冷卻具有明顯的抑制作用，但由于近年來各氣象臺站(除基本站外)取消了云量與云高觀測，故而本文沒有涉及到云量。

綜合上述分析，將最低草溫作為預報對象，采用逐步回歸方法，篩選出最低氣溫與夜間平均風速作為預報因子(兩者之間的偏相關不顯著)，建立模型如下：

Y最低草溫= - 3.49 + 0.552t最低氣溫+ 0.546U平均風速

(1)

模型 (1)的復相關系數為0.862，F值為18.83，顯著水平p為0.0001，剩余標準差S為5.37。

分析表3不難看出，盡管草面最低溫度與最低氣溫、夜間平均風速均顯著相關，但與最低氣溫相關的顯著水平更高。考慮到最低氣溫與夜間平均風速這兩個因子均為預報因子，而預報因子越多，存在的不確定性和不穩定性也就越大，對預報對象的準確性會產生影響。故此，本文采用最低氣溫作為單預報因子，建立草面最低溫度的預報模型(2)如下：

Y最低草溫= - 2.97 + 0.60t最低氣溫

(2)

模型 (2)的F值為28.25，顯著水平p為0.0001, 剩余標準差S為5.88。

圖1列出了模型(2)的擬合誤差。由圖1可以看出，采用單因子(最低氣溫)建立的預報模型(2)進行最低草溫預報，其誤差絕對值<1，預報信度可靠。

圖1 草面最低溫度預報模型擬合效果

2.3.2 模型應用效果檢驗 2016年3月26日與27日，九江市再次出現了一次結霜天氣過程，此次霜凍害強度較弱，對馬鈴薯苗生長未造成明顯影響。表4、表5分別為運用上述模型，開展2016年3月26日與27日草面最低溫度預報試驗的誤差分析結果。

表4 3月26日草面最低溫度預報試驗誤差分析 ℃

表5 3月27日草面最低溫度預報試驗誤差分析 ℃

表4與表5中，2016年3月26～27日九江市轄區內，天氣現象實況達到結霜標準的站次共計有13個。針對這13個樣本，預報模型的試驗效果如下：

(1)定性預報結果(指有霜或無霜)的正確率，兩個模型均為77%；

(2)最大預報殘差，模型(1)為2.0 ℃，模型(2)為1.8 ℃；

(3)殘差≤1.5 ℃的比率，模型(1)為85%，模型(2)為92%；

(4)殘差≤1.0 ℃的比率，兩個模型均達到85%；

(5)殘差≤0.5 ℃的比率，模型(1)為69%，模型(2)為77%。

表4與表5中，該地區還有7個站次沒有出現結霜天氣現象，其中有4個站次的最低氣溫并不偏高，且風力不夠大，其原因可能與云量有關。

綜上所述，可以得出：一是采用地面最低溫度與夜間平均風速，或者簡單地采用地面最低溫度預報結論，能夠開展霜天現象與霜凍害強度預報；二是在開展霜預報時，應充分利用衛星云圖、雷達回波等資料，對天空晴朗度進行準確的預估，對預報結論進行訂正。

2.3.3 馬鈴薯苗霜凍害預警指標 據文獻報道，馬鈴薯在播種后、出苗前，一般受冷害的影響不大，塊莖在氣溫回暖后會繼續萌發，只是出苗期會相應延遲[13]。當氣溫下降到-0.8 ℃時幼苗即受寒害；氣溫在-1.5 ℃時莖部受凍害；當氣溫變暖時，受害部位變成水浸狀，隨后部分莖葉枯死、變黑，但氣溫回升后還能從節部發出新的莖葉，繼續生長；-3 ℃時莖葉全部枯死[14-15]。同樣只要種薯薯塊未被凍死，氣溫回升后，塊莖會由芽眼處重新萌芽[16]。受凍后的馬鈴薯植株容易被病菌感染，從而影響產量[17]。

對比分析2016年3月11～12日馬鈴薯苗霜凍害天氣背景、災情以及文獻資料，不難看出，上述溫度指標所指的是馬鈴薯苗的冠層溫度，而非氣象臺站觀測的百葉箱氣溫。據此，本文綜合研究制定出春季馬鈴薯苗霜凍害的天氣背景與氣象指標，如表6所示。

表6 春季馬鈴薯苗霜凍害的天氣背景與指標

大量觀測與研究表明，霜的形成受到云量和風力的直接影響。當云量較大時，云對地面物體夜間的輻射冷卻具有阻礙作用，抑制霜的形成。而當風力達到3～4級以上時，上下層的空氣容易互相混合而產生熱量交換，加上空氣流動快，與冷物體表面接觸的時間短，從而阻礙霜的形成。

為使上述指標更好地與日常天氣預報接軌，應用草面最低氣溫預報模型(1)與模型(2)進行換算，得到春季馬鈴薯苗霜凍害氣象預警指標(如表7)。

2.4 終霜日期的時間變化特征

九江市轄區的6個代表站終霜日期存在一定的空間分布差異，終霜最早的日期出現在1月中旬～2月初，最晚的日期均在4月上旬；終霜日期的氣候平均日期各地均出現在3月上旬；終霜日期的80%保證率日期在3月11日～3月24日之間。下面分析一下終霜日期的時間變化特征。

為了便于統計分析，將終霜日期以日為單位，按照先后進行自然數擬合處理，即確定某個日期為零值點，向后遞增，向前遞減。

表7 春季馬鈴薯苗霜凍害氣象預警指標

2.4.1 線性變化 表8為九江市轄區內的6個代表站1960～2016年終霜日期序列與自然數數列相關性分析，結果表明，近57年終霜日期的年變化總體呈現出提早的趨勢，其中有半數臺站這種趨勢達到顯著水平，趨勢傾向率b達到1.9～3.5 d/年；另有半數臺站的提早趨勢尚不顯著。

2.4.2 周期性變化 采用Wave子波30年對稱延伸法，對九江市轄區內的6個代表站1960～2016年終霜日期的周期性振蕩特征進行了分析，圖2為各代表站近57年終霜日期小波分析各尺度的方差。從圖2看出，6個代表站的小波方差曲線均沒有出現峰值點，表明其振蕩的周期性不顯著。圖3為全市平均終霜日期年變化小波分析圖，圖中曲線僅僅零散地在一些很小的時間段偶爾出現了幾個中心縱坐標值約為2～3年及10年的淺封閉區，這也表明九江地區平均終霜日期年變化的周期性振蕩特征處于較弱的水平。

圖2 各尺度小波方差

2.4.3 年代際變化 統計分析表明，九江市轄區內6個代表站10年際平均終霜日期，1960s～1980s出現在3月3日～3月15日，1990s開始普遍提前到3月上旬，永修站甚至提前到2月中旬末；進入2010s以來，全區終霜日期提早趨勢更加顯著，終霜平均日期提早到2月中旬～3月初，各臺站分別有3～5年終霜日期出現在3月份之前，最早出現在1月底，但在2016年也出現了半數臺站終霜日期為3月下旬后期的特殊情況。

表8 九江市終霜日期年變化線性回歸分析

圖3 全市平均終霜日期年變化小波分析

2.4.4 突變分析 Mann-Kendall檢驗分析結果表明，1960年以來的57年，九江市大部分代表站點的終霜日期尚未出現突變現象，只有星子、永修2站約在2006～2007年出現提早的突變點，并在2014年突破-tα=0.05，達到顯著的突變，但永修站2016年∣UFk∣<∣tα=0.05∣，中止了顯著突變的趨勢。圖4A～4C為星子站、永修站的終霜日期和全市6個代表站的平均終霜日期年變化的Mann-Kendall檢驗分析圖。

3 結論與討論

草面最低溫度與最低氣溫、地表最低溫度之間顯著相關，但不可相互替代。草面、地表以及百葉箱高度空氣層，代表著近地層3個不同空間位置、不同物理性質的介面，在結霜天氣現象發生時，輻射作用與水相變化使其溫度變化狀況既相互聯系，又相互區別。因此，最低氣溫與地表最低溫度均不能客觀反映農作物霜凍害的影響程度。在分析作物霜凍害影響時，既要考慮到作物對凍害的敏感性程度，又要考慮到作物對凍害敏感部分的空間位置(即活動面高度)，從而客觀選擇指標因子。

A：星子站；B：永修站；C：全市平均。

農作物溫度指標引用時，不宜簡單地與氣象部門觀測的氣溫混用。受專業限制，文獻資料中“氣溫”資料的觀測不一定都與氣象部門的規定一致。因此，在成果引用時，要具體情況具體對待，弄清楚其獲取環境(所代表的活動面)非常重要，以保證結果的科學性。

應用草面溫度研制霜凍害指標合理性更強。無論是在活動面熱量平衡物理特性方面，還是在空間分布方面，草面與馬鈴薯苗期群體冠層具有更顯著的相似性，將草面溫度作為霜凍害氣象指標因子，合理性明顯。

應用草面溫度預報霜凍害簡便實用。霜天現象發生的天氣背景特點明確，即風輕云淡，通過草面最低溫度與最低氣溫的相關模型建立的霜凍害強度的預報方法，既具有較好的客觀性，又簡單實用。

春霜凍害指標可延伸到相似作物。本文是立足冬馬鈴薯幼苗與氣候觀測場草面的物理學相似性，研制馬鈴薯霜凍害的農業氣象指標。同理，該指標可延伸使用到春季其他低矮作物(如蔬菜等)的預警預報服務。

未來一定時期終霜日期總體提早與個別極端年份偶爾偏晚的趨勢并存。在氣候變化背景下，研究地區終霜日期變化總體呈提早出現趨勢，同時也存在個別極端年份的出現日期明顯偏晚。終霜日期的顯著提早，對于充分利用冬閑地資源，如發展冬種馬鈴薯產業等，是有利的一面。但是，在看到有利一面的同時，對少數極端年份終霜日期偏晚的風險也要高度重視，絕不可心存僥幸。覆蓋免耕栽培技術不僅能顯著提高馬鈴薯的產量、減輕勞動強度，而且保水、保溫增強馬鈴薯的抗寒能力[18]，實行輕簡化馬鈴薯栽培有利于降低霜凍害風險。

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(責任編輯:許晶晶)

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

江西省科技計劃重點項目(20144BBF60014)。

吳昊(1966─)，男，江西湖口人，高級工程師，主要研究方向為農業氣象。

S162

A

1001-8581(2016)11-0059-07