黃淮冬麥區氣象因子與小麥晚霜凍害關系研究—以商丘市為例*

劉紅杰，武永峰，任德超，倪永靜，胡 新**

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黃淮冬麥區氣象因子與小麥晚霜凍害關系研究—以商丘市為例*

劉紅杰1，武永峰2，任德超1，倪永靜1，胡 新1**

(1.河南省商丘市農林科學院小麥研究所，商丘 476000; 2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部農業環境重點實驗室，北京 100081)

基于1956-2015年商丘市氣象數據和霜凍害資料，研究黃淮冬麥區商丘市氣象因子與霜凍害的關系，以及氣溫、地溫、相對濕度、風速與草面溫度的偏相關和多元線性回歸關系。結果表明：隨著全球氣溫變暖，商丘市冬春季積溫以4.35℃·d·a-1的速率逐年增加；晚霜凍害除受冷空氣活動影響外，與前期積溫和降水量密切相關，冬春季積溫偏高或降水量偏少的情況下易發生晚霜凍害；隨著小麥幼穗的發育，其對低溫的敏感度增加，且可引起霜凍害的最低溫度有逐漸升高的趨勢；氣溫、地表溫度、平均相對濕度、平均風速與草面溫度呈極顯著相關（P＜0.01），偏相關系數的大小表現為地表溫度＞氣溫＞平均相對濕度＞平均風速，可見，除氣溫、地表溫度外，平均相對濕度、平均風速也對霜凍害的發生及輕重程度起關鍵作用；各因子與草面溫度可用模型表述為Y=0.558ST+0.482AT+0.087RH+1.304WS-12.704，經檢驗，線性回歸方程成立，可通過該模型對草面溫度進行監測，并為未安裝草面溫度傳感器的地區提供可靠的凍害評估結果。

積溫；降水量；草面溫度；相對濕度；風速；多元線性回歸

晚霜凍害是指小麥拔節后抗寒力減弱，進入霜凍害敏感期，在遇冷空氣侵襲時植株溫度驟降到0℃以下，而導致植株受害或死亡的一種低溫災害[1-2]。黃淮冬麥區是中國小麥的重要產區，晚霜凍害頻發。地處黃淮冬麥區腹地的商丘，是晚霜凍害的重發區[3-4]，對小麥安全生產帶來嚴峻考驗。近百年來，隨著全球氣候逐漸變暖[5-6]，典型植物春季物候期有提前的趨勢[7]，冬小麥返青-成熟階段的發育時期也顯著提前[8]，且相比于氣候的平均狀態，極端天氣事件更加頻繁出現[9]，將導致農業生產不穩定性增加[10]。許多學者對冬小麥凍害進行了研究[11]，王春艷等[12]通過使用人工移動霜箱，研究了黃淮冬麥區不同品種抗霜力，將冬小麥抗霜凍能力分為4個等級，-4℃以上抗性弱，-5～-4℃抗性較弱，-6～-5℃抗性較強，-6℃以下抗性強；馮玉香等[13]利用人工霜箱控制試驗建立了冬小麥拔節后晚霜凍害與葉溫的關系；鐘秀麗等[14-15]認為藥隔期是冬小麥低溫敏感期；胡新等[16]通過對冬小麥進行生態考察及幼穗鏡檢，將霜凍害程度分為5級。晚霜凍害除受冷空氣活動影響外，與天空云量多寡、前期氣候背景、土壤干濕度等諸多氣候因素有關[17]。云、雨、霧、雪、凍雨等天氣會造成地面輻射減弱，不易降溫，因而較少發生晚霜凍害；前期氣候干旱，土壤墑情差，土壤相對于水的熱容量較小，若遭遇冷空氣侵襲，土壤降溫速度加快，較易發生晚霜凍害且凍害程度較重；夜間風力大，近地面湍流加強，不易發生明顯降溫過程[16]。可見，霜凍害發生是多種氣象因子相互影響，并最終作用于植株體的結果。目前，將最低氣溫作為影響霜凍害及其程度評估指標的研究較多[18]，但綜合考慮其它氣象因子的研究報道較少[3-4]。本研究依據多年氣象數據，對典型霜凍害年份的氣象條件進行分析，以此深入解析晚霜凍害發生因子及其定量關系，為晚霜凍害早期預警提供依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

1956-2015年商丘農業氣象觀測站有關氣象數據由商丘市氣象局提供；1956-2015年冬小麥霜凍害數據通過查閱文獻[19]、并結合歷年調查資料獲得。歷年霜凍害程度調查方法：調查當地2個主栽小麥品種，以葉尖或少部分葉片受凍，受凍株率小于50%，減產幅度10%以內為輕度霜凍害；以植株上半部葉片部分受凍，少數植株被凍死，受凍株率50%以上，減產幅度10%以上為重度霜凍害。

1.2 研究方法

1.2.1 與冬小麥晚霜凍害有關的氣象因子篩選

（1）降水量因子：選擇10月1日-翌年3月25日的總降水量作為播種-拔節期降水量因子（PREC1），選擇1月1日-3月25日的總降水量作為翌年開始-拔節期降水量因子（PREC2）。降水量的多少直接影響土壤墑情的高低，進而影響土壤相對水的熱容量及近地面空氣相對濕度的大小，如前期土壤水分含量偏少，遇冷空氣侵襲時土壤降溫相對較快，田間溫度隨之驟降，凍害程度將加重。

（2）積溫因子：將10月1日-翌年3月25日0℃以上的有效積溫作為播種-拔節期積溫因子（CT1），將1月1日-3月25日0℃以上有效積溫作為翌年開始-拔節期積溫因子（CT2）。前期積溫與冬小麥生長發育和抗寒力有直接關系。前期積溫偏高，冬小麥生育期提前，耐寒能力下降，易遭受冬季凍害和春季“倒春寒”的危害。

（3）溫度因子：將1956-2015年晚霜凍害易發期間（3月15日-4月30日）的每日草面溫度（GT）、空氣溫度（AT）和地表溫度（ST）作為溫度因子。空氣溫度的高低能直接反映冷空氣的強弱；地表溫度能直接反映土壤逆輻射能力的強弱，地表溫度越高，土壤逆輻射能力越強，田間降溫越趨于平緩，晚霜凍害越輕。反之田間降溫越劇烈，晚霜凍害越重；草面溫度探測的是近地表植被表面溫度，比空氣溫度更具凍害指示意義。

（4）濕度和風速因子：將1956-2015年晚霜凍害易發期間（3月15日-4月30日）的每日19：00-次日7：00相對濕度（RH）、風速（WS）的平均值分別作為濕度因子和風速因子。空氣中的水汽不但可以通過影響空氣的導熱性能，降低近地面空氣與高層空氣的熱量傳遞，而且其凝結所釋放的熱量也將影響周圍環境溫度；而風可以加速空氣流動，加快地表水分蒸發形成地面保溫層，增加由地表向近地面空氣的熱量傳遞。

1.2.2 統計分析

研究區有草面溫度觀測記錄的資料開始于2010年。因此，本研究基于2010-2015年晚霜凍害常發時段3月15日-4月30日的氣象數據，在偏相關分析基礎上，將最低草面溫度作為因變量，以對應的氣溫、地表溫度、每日19：00-次日7：00相對濕度及風速的平均值為氣象因子，通過SPSS20作為分析軟件，多元線性回歸建模，以構建基于其它氣象因子的草面溫度預測模型。

2 結果與分析

2.1 1956-2015年冬小麥播種-拔節期降水量特征

由圖1可見，1956-2015年商丘站冬小麥播種-拔節期降水量變化幅度較大，最大值達298.6mm，最小僅為42.8mm左右，平均為134.2mm。降水量不足134.2mm的年份為30a，占調查年份的50.0%；1月1日-3月25日降水量也表現出大幅振蕩的特點，最大值達121.5mm，最小僅為9.8mm左右，平均為53.2mm。降水量不足53.2mm的年份為31a，占調查年份的51.67%。分析表1中統計結果可見，在發生晚霜凍害的年份中，有12a播種-拔節期降水量低于歷年平均水平134.2mm，有10a其1月1日-3月25日降水量低于歷年平均水平53.2mm。

2.2 1956-2015年冬小麥播種-拔節期積溫特征

由圖2可見，1956-2015年商丘站冬小麥播種-拔節期積溫總體呈上升趨勢（n=60，r=0.61，P＜0.01），增加率為4.35℃·d·a-1，60a來積溫增加260.7℃·d；1月1日-3月25日積溫總體呈上升趨勢（n=60，r=0.54，P＜0.01），增加率為2.43℃·d·a-1，60a來積溫增加145.7℃·d，與全球氣溫變化的趨勢一致。分析表1統計結果可見，除1956年的播種-拔節期積溫和1月1日-3月25日積溫均分別低于1956-2015年的平均積溫外，其它晚霜凍害發生年份的播種-拔節期積溫或1月1日-3月25日積溫高于1956-2015年的平均積溫。其中，2006、2014、2015年的播種-拔節期積溫比平均積溫分別高17.48%、15.67%、12.91%，2006、2013、2014年的1月1日-3月25日的積溫分別比平均積溫高20.10%、23.38%、49.57%。

2.3 冬小麥晚霜凍害發生時日最低氣溫特征

商丘站1956-2015年冬小麥晚霜凍害發生日期及凍害發生時相應氣象條件的調查結果見表1，由表可見，期間影響冬小麥產量的晚霜凍害共發生15次，其中，受凍株率小于50%、減產幅度10%以內的輕度霜凍害7次；受凍株率50%以上、減產幅度10%以上的重度霜凍害8次。按霜凍害輕、重程度分別進行統計，其中重霜凍害發生時間順序為1994年3月26日（拔節前5d）、1995年4月3日（拔節后11d）、1993年4月11日（拔節后12d）、2015年4月8日（拔節后13d）、1962年4月4日（拔節后14d）、2013年4月6日（拔節后15d）、2013年4月10日（拔節后19d），相應每次凍害過程中的最低溫度分別為-0.6、-1.9、0.2、-2.0、-1.3、3.9、4.7℃。其特點表現為，除1993年4月11日晚霜凍害發生過程中的最低溫度為0.2℃外，其它發生于拔節14d前的晚霜凍害過程中的最低溫度均在0.0℃以下，發生于拔節14d后的晚霜凍害過程的最低溫度均在3.5℃以上。研究期間輕霜凍害發生時間順序為1956年3月26日（拔節前8d）、1998年3月21日（拔節前6d）、2011年3月25日（拔節后2d）、1961年4月9日（拔節后16d）、2010年4月15日（拔節后18d）、2006年4月13日（拔節后21d）、2014年4月6日（拔節后21d）、2013年4月21日（拔節后30d），相應每次凍害過程中的最低溫度分別為-1.8、-1.4、0.2、2.0、1.4、3.4、7.5、0.0℃。其特點表現為，拔節前發生晚霜凍害最低溫度均在-1.0℃以下，拔節后發生晚霜凍害最低溫度均在0.0℃以上，且最低溫度有逐漸升高的趨勢。

表1　1956-2015年冬小麥晚霜凍害發生日期及其對應氣象條件

注：PREC1為播種-拔節期降水量，PREC2為1月1日-3月25日降水量，CT1為播種-拔節期積溫，CT2為1月1日-3月25日積溫，Min AT為最低氣溫，Ave AT為平均氣溫，Ave RH為平均相對濕度。輕度霜凍害為受凍株率小于50%，減產幅度10%以內，重度霜凍害為受凍株率50%以上，減產幅度10%以上。

Note: PREC1is precipitation from seeding to jointing stage, PREC2is precipitation from January 1 to March 25, CT1is the accumulated temperature from seeding to jointing stage, and CT2is the accumulated temperature from January 1 to March 25. Min AT, Ave AT, and Ave RH are the minimum air temperature, the average air temperature, and the average relative humidity on the late frost date, respectively. Frost severity was divided into the two grades, that is slight and severe. Slight means the frosted plants rate less than 50% and the yield loss rate below 10%, and severe means the frosted plants rate more than 50% and the yield loss rate exceeding 10%.

2.4 冬小麥晚霜凍害發生時氣溫和濕度狀況

以1993和2010年發生的兩次晚霜凍害事件為例加以分析。2010年4月12-15日受西北氣流的影響，黃淮麥區的山西、河南、皖北、蘇北、魯西南受到冷空氣的侵襲，部分區域由于受區域天氣的影響，霜凍害發生程度形成巨大的差異。2009年12月-2010年3月，山西運城地區降水量偏少，土壤干旱，晚霜凍害發生時運城最低氣溫-1.2℃，日平均相對濕度僅41.0%，且此時冬小麥正處于拔節孕穗期，小麥霜凍害嚴重（圖3a）。其時，河南商丘地區最低溫度為1.4℃，而日平均相對濕度為75.1%（4月12-14日降水量5.8mm），此時冬小麥也正處于拔節孕穗期，僅幼穗發生了輕微的傷害，部分幼穗造成1～2粒的缺粒，對產量影響不大（圖3b）。

1993年4月11日凌晨，商丘地區氣溫驟降（圖3c），最低溫度0.2℃，日平均相對濕度為45.4%，空氣相對濕度較小，此時正處拔節孕穗的小麥全部受凍，全區10萬hm2小麥受凍，絕收2.67萬hm2。此次晚霜凍害發生時的最低氣溫和小麥幼穗發育時期與2010年4月14-15日運城、商丘發生晚霜凍害時相似，最低氣溫分別為0.2℃、-1.2℃、1.4℃，且小麥均處于拔節孕穗期（低溫敏感期）。但此次晚霜凍害發生時的空氣相對濕度與2010年運城較接近，其值分別為41.0%、45.0%，而與2010年商丘（75.1%）相差較大。

2.5 關鍵氣象因子與晚霜凍害關系

2.5.1 氣溫、地表溫度、草面溫度與晚霜凍害

草面溫度表征的是近地表植被表面溫度，比氣溫更能代表近地表溫度的狀況。草面溫度被廣泛應用于霜形成的判斷與預報[20-21]。2010年4月15日、2014年4月6日商丘分別遭受一次晚霜凍害，僅部分幼穗凍傷凍死，凍害程度較輕。對兩次低溫晚霜凍害發生過程的氣候特征進行分析，結果表明（圖4a、圖4b），2010年4月15日平均相對濕度為75.1%，最低氣溫、最低地表溫度分別為1.4℃、-0.2℃，而最低草面溫度低達-1.9℃，低溫持續8h。2014年4月6日平均相對濕度44.5%，最低氣溫、最低地表溫度分別為7.5℃、4.1℃，而最低草面溫度為-0.8℃，低溫持續8h。

2013年4月（6、10、21日），商丘市連續遭受3次晚霜凍害，小麥產量損失較重。從3次低溫晚霜凍害發生過程的氣候特征可知（圖4c、圖4d、圖4e），第1次，4月7日平均相對濕度為40.1%，最低氣溫、最低地表溫度分別為3.9℃、0℃，而最低草面溫度低達-4.7℃，低溫持續9h。第2次，4月10日平均相對濕度27.5%，最低氣溫、最低地表溫度分別為4.7℃、1.1℃，而最低草面溫度低達-4.4℃，低溫持續6h。這兩次凍害造成小麥幼穗凍傷凍死，凍害程度較重。第3次雖然最低草面溫度低達-3.5℃，低溫持續9h，但4月19-20日降雨16.2mm，4月20-21日的日平均相對濕度高達77.6%，低溫造成部分花藥或柱頭凍死凍傷，凍害程度較輕。可見，低溫是導致晚霜凍害的主導因子，而空氣相對濕度則是影響晚霜凍害程度輕重的調節因子。草面溫度比氣溫、地表溫度更能代表植株周圍環境溫度，對晚霜凍害預警預報更具現實指導意義。因此，本研究將草面溫度作為冬小麥晚霜凍害及其程度輕重的評估指標。

2.5.2 草面溫度與各氣象因素的偏相關和線性回歸

以2010-2015年期間各年3月15-4月30日最低草面溫度與其相對應的氣溫和地表溫度，以及每日19：00-次日7：00相對濕度及風速的平均值進行偏相關分析，結果見表2。由表中可知，草面溫度與氣溫、地表溫度、平均相對濕度、平均風速呈極顯著相關，其中地表溫度與草面溫度的偏相關系數最大，為0.557，平均風速與草面溫度的偏相關系數最小，為0.415。各因子與草面溫度偏相關性系數的排序為地表溫度＞氣溫＞平均相對濕度＞平均風速。

草面溫度傳感器的維護繁瑣復雜，而且干旱和降雪天氣易影響草面溫度的精準度[22]，加之部分地區未安裝草面溫度傳感器，如能建立氣溫、地表溫度、平均相對濕度、平均風速與草面溫度間的定量關系，則可對未安裝草面溫度傳感器的地區提供可靠的凍害評估結果。故采用多元線性回歸的逐步篩選方法進行建模，得到草面溫度預測模型為

Y=0.558ST+0.482AT+0.087RH+1.304WS-12.704 （1）

式中，ST為地表溫度，AT為氣溫，RH為平均相對濕度，WS為平均風速。R2=0.927,N=247，F=766.562，通過了0.01水平的顯著性檢驗，可以通過該模型對草面溫度進行預測。

表2 2010-2015年氣溫、地表溫度、相對濕度、風速與草面溫度的偏相關

注：*表示P＜0.05,**表示P＜0.01。

Note:*&**indicate the significant level 0.05 and 0.01, respectively. These data were derived from March 15 to April 30, 2010-2015, respectively. Of all the meteorological data, the average RH and WS were counted through averaging the RH and WS during 19：00– next 7：00, respectively (2010-2015).

3 結論與討論

（1）全球氣候變化背景下，商丘市1956-2015年播種-拔節期和1月1日-3月25日積溫均呈現逐漸增加的變化趨勢。播種-拔節期積溫增加率為4.35℃·d·a-1，60a積溫增加260.7℃·d，1月1日-3月25日積溫增加率為2.43℃·d·a-1，60a積溫增加145.7℃·d，與全球氣溫變化的趨勢一致。發生霜凍害的年份中，僅1956年的播種-拔節期積溫和1月1日-3月25日積溫均分別低于研究期平均積溫，其它晚霜凍害發生年份播種-拔節期積溫或1月1日-3月25日積溫均高于歷年平均積溫。可見，在冬、春季積溫偏高的條件下易發生晚霜凍害，這與閆小珍等[23]的研究結果，即冬季積溫與小麥各發育期始期呈負相關，積溫越高，發育期始期越提前，從而導致晚霜凍害發生的概率加大的結論一致；冬春季降水量偏少，土壤得不到充足的水分補充，會導致土壤相對水的熱容量降低，如遇冷空氣侵襲，土壤降溫相對較快，隨之田間氣溫驟降。在發生晚霜凍害的年份中，有12a播種-拔節期降水量低于歷年平均水平134.2mm，有10a其1月1日-3月25日降水量低于歷年平均水平53.2mm。可見，在冬、春季降水量偏少的情況下易發生晚霜凍害，這與魯坦等[17]研究結論一致。

（2）本研究發現，隨著小麥幼穗的發育，其對低溫的敏感度提高，引起重度霜凍和輕度霜凍的最低溫度有逐漸升高的趨勢，這與馮玉香等[13]研究發現，隨著霜凍害發生時間的后延，最低氣溫有逐漸升高趨勢的研究結論一致。此外，本研究表明，氣溫驟降時，空氣相對濕度的大小，將明顯影響晚霜凍害程度，空氣濕度較大，則晚霜凍害程度較輕，空氣濕度較小，則晚霜凍害程度較重。

（3）黃淮冬麥區晚霜凍害發生在3月中旬-4月下旬，此時小麥正處于拔節抽穗期，幼穗或花藥對霜凍較敏感，如遭遇冷空氣侵襲，極易造成霜凍害。研究霜凍害最好用植株體溫，但氣象站不對其進行常規測量[23]，而在各項氣象站數據中，草面溫度較接近植株體周圍環境的溫度。本研究發現，2010年4月15日、2013年4月7日、2013年4月10日、2013年4月21日、2014年4月6日的最低氣溫均在0℃以上，未引起農業主管部門和農民的重視，然而其最低草面溫度分別低達-1.9℃、-4.7℃、-4.4℃、-3.5℃、-0.8℃，致使小麥遭受不同程度的霜凍害。可見，草面溫度比氣溫、地溫更能代表近地表溫度的狀況，比氣溫、地溫更適于研究小麥霜凍害。

（4）本研究發現，草面溫度與氣溫、地表溫度、平均相對濕度、平均風速均呈極顯著正相關，各因子與草面溫度偏相關性系數的排序為地表溫度＞氣溫＞平均相對濕度＞平均風速。而張翠華等[22]研究發現，氣溫、地表溫度與草面溫度呈顯著正相關。可見，除氣溫、地表溫度外，平均相對濕度、平均風速也對霜凍害的發生及輕重程度起關鍵作用。本研究建立的草面溫度與其它氣象因子間的多元逐步線性回歸模型，可用于基于地表溫度、氣溫、平均相對濕度和風速等因子的小麥晚霜凍害精確預測。

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Correlation between Meteorological Factors and Late Frost Damage in Huanghuai Winter Wheat Region —A Case Study of Shangqiu in Henan Province

LIU Hong-jie1, WU Yong-feng2, REN De-chao1, NI Yong-jing1, HU Xin1

(1. Wheat Research Laboratory, Shangqiu Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shangqiu 476000, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081 )

Based on the meteorological data and frost damage observation data in Shangqiu during 1956-2015, meteorological conditions for the occurrence of late frosts were analyzed firstly, and then partial correlation and linear regression model of grass surface temperature (GT) and air temperature (AT), ground temperature (ST), relative humidity (RH), wind speed (WS) were studied to explore the relationship between meteorological factors and late frost damage. The results showed that the accumulated temperature (CT) in winter and spring increased year by year at 4.35℃·d·y-1with the climate warming. Late frost injury to winter wheat was closely related to the antecedent precipitation and accumulated temperature in addition to the cold air activity. If previous accumulated temperature was too high or the amount of precipitation was less, frost damage was prone to occur. With the development of young ear, its sensitivity to sub-freezing temperature increased, and the minimum temperature causing frost injury had a tendency to rise. Air temperature, ground temperature, average relative humidity and average wind speed were significantly correlated with grass surface temperature (P＜0.01), with an order of ground temperature＞air temperature＞average relative humidity＞average wind speed. It could be seen that the average relative humidity and average wind speed also played important roles to the occurrence and severity of frost damage, in addition to air temperature and ground temperature. The multiple linear regression model of the four meteorological factors and grass surface temperature was established by following formula: Y=0.558ST+0.482AT+0.087RH+1.304WS-12.704. The model has been tested by 0.01 significant levels and could predict grass surface temperature very well. Furthermore, reliable frost damage assessment results could provide for areas where the grass surface temperature sensor was not installed.

Accumulated temperature; Precipitation; Grass surface temperature; Relative humidity; Wind speed; Multiple linear regressions

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.08.006

2017-02-19

。E-mail：Huxin2699552@163.com

國家現代農業產業技術體系（CARS-3-2-32）；國家自然科學基金項目(41471342)

劉紅杰（1984-），碩士，助理研究員，主要從事小麥栽培與育種。E-mail：liuhj84@163.com

劉紅杰,武永峰,任德超,等. 黃淮冬麥區氣象因子與小麥晚霜凍害關系研究:以商丘市為例[J].中國農業氣象,2017,38(8):517-525