湖北省冬播馬鈴薯苗期凍害風險區劃*

葉 佩，劉可群，申雙和，劉志雄，湯 陽，方治國

（1. 南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；2. 武漢區域氣候中心，武漢 430074；3. 南京信息工程大學氣象災害預警預報與評估協同創新中心，南京 210044；4. 襄陽市農業科學院，襄陽 441057）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）是繼水稻、小麥、玉米之后世界第四大主糧作物，而中國是種植面積和產量最大的國家，發展和研究馬鈴薯生產具有重要的現實意義[1]。馬鈴薯作為湖北平原丘陵地區 開發冬閑田的優勢作物，2017年種植面積達到25.79萬hm2，總產量81.8 萬t，同比增長7.7%，已成為推動湖北農業經濟增長的新動力和農村脫貧致富的巨大助力[2]。隨著品種結構的調整和主糧化戰略的推進，湖北冬播馬鈴薯種植比例還將進一步加大。大量研究表明，天氣氣候條件對馬鈴薯生長發育及產量形成至關重要[3-5]，冷凍害、干旱等氣象災害或極端氣候事件的發生頻率直接影響馬鈴薯種植業發展布局。

近年來，馬鈴薯冷凍害等氣象災害及其氣候風險引起了一些學者的高度關注[6-8]。方潔等[6]從馬鈴薯寒凍害發生機率、脆弱性和防災減災等方面對福建馬鈴薯苗期寒凍害風險進行了評估與區劃；徐玲玲等[7]在分析了結薯期低溫、淀粉累積期低溫等不利氣象條件對馬鈴薯產量影響的基礎上，對山西馬鈴薯適宜性種植進行了氣候分區；楊麗桃[8]從秋霜凍氣象災害對內蒙古馬鈴薯的種植氣候風險進行分區評估與區劃。據研究，苗期凍害是湖北冬播馬鈴薯生產中最主要的氣象災害[9-10]，嚴重發生時可導致馬鈴薯大面積絕收。伴隨全球氣候變化，湖北冬春季升溫明顯[11]，而晚霜凍、倒春寒等氣象災害或極端氣候事件時有發生。實際生產中湖北冬播馬鈴薯播期相對固定，播種-出苗歷期一般需50d 以上，播種后冬季平均氣溫高低可導致出苗期年際間相差近30d[12]。這種出苗期的劇烈波動性更加劇了冬播馬鈴薯苗期凍害風險，對湖北馬鈴薯苗期凍害的氣候風險評估及區劃顯得十分必要。本研究擬采用積溫推算[13-14]方法模擬計算湖北冬播馬鈴薯出苗期，分析馬鈴薯苗期凍 害風險發生規律，通過構建基于凍害頻率、強度的風險評估模型，開展馬鈴薯凍害風險評估區劃，以期為湖北冬播馬鈴薯種植業發展布局、防災減災等提供科學參考，確保馬鈴薯的安全生產。

1 資料與方法

1.1 資料來源

湖北中高山地區馬鈴薯種植方式多為春播夏收或夏播秋收，因此，選取海拔700m 以下的低山或平原作為冬播馬鈴薯苗期凍害風險研究區域，除鄂西少數幾個高山縣市外，其余70 個縣市區均在研究范圍，且每個縣市區內均有1 個國家基本氣象觀測站（圖1）。各站點1963-2018年逐日平均氣溫和最低氣溫資料來源于湖北省氣象局氣候檔案室；馬鈴薯2013-2018年物候期觀測資料來源于襄陽市農業科學院。

1.2 方法

1.2.1 出苗期確定

以往研究多采用積溫法推算馬鈴薯的出苗期[15-17]，說明利用積溫推算馬鈴薯的出苗期是可行的。但這些文獻的研究范圍主要集中在北方地區，研究結果不完全適用于湖北地區。對2013-2018年襄陽馬鈴薯物候期試驗觀測資料進行計算，結果如表1。由表可以看出，襄陽馬鈴薯播種-出苗所需≥0℃活動積溫（以下簡稱積溫）為 279.9～407.0℃·d，平均350.1℃·d。高廣金等[18]在湖北武漢、沈其文等[19]在湖北咸寧對冬播馬鈴薯生育期的試驗數據以及當地同步氣象資料均顯示，兩地馬鈴薯播種-出苗期活動積溫分別為332.5℃·d 和384.7℃·d，與襄陽地區馬鈴 薯播種-出苗活動積溫指標范圍一致，因此，采用活動積溫350℃·d 作為湖北馬鈴薯播種-出苗期積溫指標是適用、可行的。湖北冬播馬鈴薯主要播期為12月-翌年1月，采用12月20日作為馬鈴薯的播期，以馬鈴薯播種-出苗期活動積溫指標350℃·d 推算馬鈴薯出苗期。

圖1 湖北省冬播馬鈴薯種植區域及氣象站點分布 Fig. 1 Geographical distribution of meteorological stations and planting areas of winter-sowing potato in Hubei province

表1 2013-2018年試驗觀測湖北省主栽馬鈴薯品種播種-出苗期所需≥0℃積溫（GDD） Table 1 Growing degree days (GDD) required from sowing to seeding for main varieties of potato in Hubei province by experimental observations from 2013 to 2018

1.2.2 凍害指標確定

采用氣象行業標準馬鈴薯苗期凍害等級指標[20]，即以日最低氣溫Tmin≤-1℃為一次輕度以上凍害，Tmin≤-2℃為一次中度以上凍害，Tmin≤-3℃為一次重度以上凍害，連續多天達到凍害時以日最低氣溫最低的一天確定其凍害等級。

1.2.3 凍害風險指數

湖北冬播馬鈴薯普遍在12月-翌年1月播種，苗期（即出苗-現蕾開花期）為2月中下旬-3月下旬[10]。在此期間出現降溫過程，且日最低氣溫達凍害標準的記1 次凍害，凍害風險頻率（Pi）的計算式為

式中，i=1 表示2月中旬，i=2 表示2月下旬，…，i=5 表示3月下旬。j=1 表示1964年，j=2 表示1965年，…，j=55 代表2018年。Tmin為旬最低氣溫；輕度以上凍害時，Tmin0為-1℃；中度以上凍害時，Tmin0為-2℃；重度以上凍害時，Tmin0為-3℃。逐旬累計1964-2018年各等級凍害可能出現的年數，由各站點數據計算55a 各分區第i 旬苗期凍害風險頻率（Pi）。

根據農業氣象災害風險原理，災害風險性大小主要由致災因子強度與頻率，以及承載體面對災害受災程度決定[21]，由此，提出如下計算式

式中，I 為馬鈴薯苗期凍害風險指數，k=1、2、3 分別為輕度、中度、重度凍害等級，Pk為馬鈴薯整個苗期第k 級凍害發生頻率，Lk為第k 級凍害對應受凍率，根據劉喜才等[22]研究制定的馬鈴薯凍害標準，輕度、中度、重度凍害受凍程度分別取0.3、0.5、0.7。

2 結果與分析

2.1 湖北冬播馬鈴薯出苗期的時空變化

圖2 是以12月20日為播期推算的湖北省1964-2018年馬鈴薯平均出苗期。由圖可見，馬鈴薯出苗期在地域上存在很大差異，最早為長江三峽河谷地區的巴東、秭歸等地，在2月12-13日；其次是鄂東南、鄂西南低山地區和江漢平原中南部，出苗期主要在2月下旬；而鄂西北和鄂東北北部出苗期普遍較晚，出苗期在3月上中旬，其中竹溪、房縣分別在3月16、17日。總體上呈現為馬鈴薯出苗期南早北晚；同緯度上東西早，中部略偏晚的特點。

圖2 1964-2018年利用積溫法推算的湖北省各站冬播馬鈴薯平均出苗日期（月/日） Fig. 2 Average seedling emergence date of winter-sowing potato calculated by growing degree days in each station of Hubei province from 1964 to 2018 (month/day)

圖3 是推算的各區域典型代表站馬鈴薯歷年出苗期，選取各區域內馬鈴薯種植面積相對較大、并有一定代表性的縣市，鄂西北選取房縣、鄂東北選取英山、鄂西南選取恩施、鄂東南選取通山、江漢平原選取監利為代表站。由圖可見，受冬季平均氣溫波動的影響，每年馬鈴薯出苗期差異較大，研究期內有逐年提早出苗的趨勢。由圖3a 可見，湖北全區冬播馬鈴薯平均出苗期為3月1日；最早的出苗期是2月8日（1999年）；最晚出苗期為3月19日（1969年）。全省冬播馬鈴薯出苗期年際間相差40d，且冬季平均氣溫高，馬鈴薯出苗期提早。不僅在湖北全區馬鈴薯出苗期受冬季平均氣溫影響較大，在每個站點更是如此，55a 來，鄂西北（圖3b）和鄂東北（圖3c）代表站的平均出苗期為3月上旬；鄂西南（圖3d）、鄂東南（圖3e）和江漢平原（圖3f）代表站平均出苗期為2月下旬。江漢平原馬鈴薯出苗期年際波動范圍最大，年際間相差達到46d，其次是鄂東北、鄂東南和鄂西北等地出苗期年際間相差40d 左右，鄂西南年際間變化最小，出苗期年際間相差也超過30d，且亦呈現出冬季平均氣溫高，出苗提早的趨勢。

2.2 冬播馬鈴薯苗期凍害高發時段分析

以12月20日為馬鈴薯播期，動態計算苗期各旬凍害發生的頻率（圖4）。由圖4a 可見，湖北全區冬播馬鈴薯苗期凍害高發時段主要集中在2月下旬和3月上旬，其中3月上旬凍害發生頻率最高，該時段中度和重度及以上凍害發生頻率遠高于輕度，且發生時間明顯偏早。不同區域凍害發生頻率的時段分布不同，鄂西北凍害發生時間明顯偏晚（圖4b），主要分布于3月上中旬，在3月上旬達到最高，輕、中、重度等級凍害發生頻率分別為29.09%、12.73%、5.45%，且在3月下旬仍有凍害發生。鄂東北（圖4c）、鄂東南（圖4e）和江漢平原（圖4f）凍害主要發生在2月下旬和3月上旬，3月上旬最多，輕、中、重度等級凍害發生頻率分別為27.27%、16.36%、5.45%和23.64%、3.64%、3.64%以及23.64%、12.73%、3.64%；而鄂西南（圖4d）凍害發生頻率主要集中在2月中下旬，在2月下旬達到最高，輕、中、重度等級凍害發生頻率分別為20%、7.27%、3.64%，3月中旬及以后時段基本無凍害發生，凍害高發時段明顯偏早。這與各區域馬鈴薯主要出苗期基本一致，馬鈴薯出苗期的早晚影響著凍害發生頻率的時間分布。

2.3 冬播馬鈴薯苗期凍害頻次時空分布

2.3.1 年際變化

圖5 為湖北冬季平均氣溫與馬鈴薯苗期凍害站次的年際變化，由圖可見，冬季平均氣溫與馬鈴薯苗期凍害發生站次年際變化具有很好的一致性，冬季平均氣溫偏高，則馬鈴薯苗期凍害發生站次越多。馬鈴薯凍害發生典型年份為1965、1966、1979、1987、1988、1999、2010、2014年等年份。其中1988年是凍害發生頻次最多的年份，輕、中、重度凍害頻次分別為68、13、1 站次，全年總計82 站次，也是輕度凍害發生最多的年份。1966年是中度和重度凍害站次發生最多的年份，1966年冬季平均溫度為5.2℃，較歷史同期偏高1℃。推算的全省出苗期較多年平均提前8d。但由于2月22-24日及3月6-9日兩次強降溫過程，導致大多數地區極端最低氣溫分別為-6～-4℃和-4～-1℃，造成鄂東南地區所有站點均發生重度凍害，全省中、重度低溫凍害分別為17、33 站次。根據馬鈴薯出苗日期以及凍害發生站次的年際變化可知，馬鈴薯出苗日期偏早年和凍害發生站次偏多年大都是冬季平均氣溫偏高的年份，表明近年來湖北冬季增溫顯著[11]，導致冬播馬鈴薯出苗期提前，進而加重了馬鈴薯苗期凍害風險。

圖3 1964-2018年湖北省各區域代表站點冬播馬鈴薯出苗日期和冬季平均氣溫的年際變化 Fig. 3 Interannual variation of seedling date of winter-sowing potato and winter average temperature at representative stations of each region in Hubei province from 1964 to 2018

圖4 1964-2018年湖北省各區域馬鈴薯苗期不同等級凍害頻率的時間分布 Fig. 4 Temporal distribution of freezing damage frequency at different levels during potato seedling stage in each region of Hubei province from 1964 to 2018

2.3.2 空間分布

圖5 1964-2018年湖北省冬季平均氣溫和馬鈴薯苗期凍害站次的年際變化 Fig. 5 Interannual variation of winter average temperature and the number of stations of freezing damage during potato seedling stage in Hubei province from 1964 to 2018

圖6 1964-2018年湖北省馬鈴薯苗期不同等級凍害頻次的空間分布（1964-2018年） Fig. 6 Spatial distribution of freezing damage times at different levels during potato seedling stage in Hubei province from 1964 to 2018

圖6 為馬鈴薯苗期不同等級凍害發生頻次的空間分布。由圖可見，湖北大部分地區均有不同程度的凍害發生，高值區主要分布在鄂東和江漢平原南部，其次是鄂西北的南部和中東部地區，鄂西南凍害發生頻次最少，整體上呈現由東北部向中東部和西南部逐漸減弱的趨勢。全省凍害高發頻次區主要 位于鄂東地區的羅田、英山、通山和江漢平原的監利等地，最高在通山縣發生了輕度及以上凍害23 次；其次是江漢平原的荊州以及鄂西北的襄陽等地區凍害發生頻次相對較少，輕度及以上凍害次數不足10次；在鄂西南地區的巴東、秭歸、恩施等地凍害發生頻次最少，僅有2～3 次輕度凍害出現。受冬季平均氣溫影響，馬鈴薯出苗期的早晚也影響著凍害發生頻次的空間分布，鄂東南地區的通山、通城等地出苗期為2月下旬，出苗期較早，導致通山、通城等地區凍害發生頻次和強度均偏高；鄂西北地區出苗期偏晚，導致凍害發生頻次偏少，且主要是以輕度凍害為主。而鄂西南地區的巴東、秭歸等地出苗期較早，無論是輕度、中度還是重度及以上凍害發生頻次都很少，這主要與三峽河谷北面大巴山脈對冷空氣阻擋，導致該地區常年氣候偏暖有關[23]。

2.4 湖北冬播馬鈴薯苗期凍害氣候風險區劃

表2 為湖北各區域馬鈴薯不同播期凍害風險指數，其中12月20日是較接近于湖北冬播馬鈴薯播種的實際情景，其它時段是在12月20日的基礎上整體提前或延后播期模擬的馬鈴薯凍害風險指數。由表可見，播期提前則馬鈴薯凍害風險大大增加，提前5d 平均凍害風險指數增加49.4%。隨著時間推遲，凍害風險指數呈下降趨勢，播期推遲5d 平均凍害風險指數降低36.5%，推遲15d，平均凍害風險指 數降低74%，其中江漢平原地區凍害風險指數下降幅度最為顯著。綜合考慮避免馬鈴薯塊莖膨大期遭遇高溫、干旱災害和盡早上市提升收益等因素，風險指數I 低于2%，凍害風險發生幾率不到5%，其對應不同區域不同的播期可作為可控適宜播期。其中鄂西南和江漢平原適宜播期為1月1日；鄂西北適宜播期為1月5日；鄂東北和鄂東南適宜播期為1月10日。

根據式（3）計算湖北馬鈴薯凍害風險指數分布情況（圖7）。由圖7 可見，馬鈴薯凍害高風險區主要位于鄂東南和江漢平原南部以及鄂東北和鄂西北北部等地區，凍害風險指數I 大于8%，其中鄂東南和江漢平原南部地區馬鈴薯出苗早，導致凍害發生頻率高，危害程度嚴重，該地區不利于馬鈴薯的安全種植。中風險區主要位于鄂西北南部和中東部各縣市，凍害風險指數I 為4%～8%，鄂西北南部和中東部地區馬鈴薯出苗期偏晚，凍害相對較少且凍害強度主要以輕度為主。低風險區主要位于鄂西南大部地區，凍害風險指數I 不超過4%，甚至在恩施、建始等地凍害風險指數僅為1.09%，這主要是其臨近三峽河谷溫暖氣候帶，導致恩施55a 來僅發生2 次輕度凍害，且無中度和重度凍害發生。該地區適宜擴大馬鈴薯復種面積或采取與豆類、玉米、小麥間套帶種等多種種植形式。在凍害高風險區應適當推遲播期，規避凍害風險。分別將鄂西南和江漢平原地區播期推遲10d，鄂西北地區播期推遲15d，鄂東北和鄂東南地區播期推遲20d，可使其凍害風險指數降至2%以下。

表2 湖北省各區域不同播期馬鈴薯苗期凍害風險指數（I，%） Table 2 Risk index of potato seedling stage freezing damage (I) if sowing on different date in each region of Hubei province（%）

圖7 湖北省冬播馬鈴薯苗期凍害風險指數分布 Fig. 7 Distrbution of the freezing damage risk index for winter-sowing potato during seedling stage in Hubei province

3 結論與討論

3.1 結論

（1）馬鈴薯苗期凍害主要發生在2月下旬、3月上旬，尤以3月上旬凍害發生頻率最高。但在不同地域發生時間不一致，其中鄂西北凍害主要發生在3月上中旬，鄂東北、鄂東南和江漢平原凍害主要發生在2月下旬和3月上旬，鄂西南凍害主要發生在2月中下旬，這主要與馬鈴薯出苗期的早晚有關。

（2）馬鈴薯苗期凍害高風險區主要位于鄂東南和江漢平原南部以及鄂東北和鄂西北北部等地區，不利于馬鈴薯的安全種植；中風險區主要位于鄂西北南部和中東部各縣市；低風險區主要位于鄂西南大部地區，適宜馬鈴薯的種植和生長。在苗期凍害高風險區應適當推遲播期來規避凍害風險，分別將鄂西南和江漢平原播期推遲10d；鄂西北播期推遲15d；鄂東北和鄂東南播期推遲20d，可使其凍害風險下降至2%以下。

（3）冬季平均氣溫影響馬鈴薯苗期凍害，暖冬年馬鈴薯出苗早，凍害發生風險高；冷冬年馬鈴薯出苗晚，凍害發生風險低。因此，在冬季偏暖年不宜采取增溫措施，冬季偏冷年則需要采取增溫措施，降低凍害風險。

（4）受冬季平均氣溫影響，馬鈴薯出苗日序的年際變化波動大，且隨著時間的推移，馬鈴薯出苗期呈現提早的趨勢，造成馬鈴薯凍害風險高。在氣候變化背景下，冬季平均氣溫升高顯著，馬鈴薯出苗期將進一步提早，年際波動性還將加大，隨之馬鈴薯遭遇凍害的風險還將更高。

3.2 討論

受冬季平均氣溫升高影響，馬鈴薯出苗期和凍害發生頻次年際變化大，致災因子對馬鈴薯的危害程度和時段也將發生改變。利用積溫推算馬鈴薯動態出苗期的方法，更好地反映了各地區馬鈴薯的普遍出苗期，由此進行馬鈴薯苗期凍害風險評估區劃更接近于實際生產，為進行馬鈴薯甚至其它作物生育期對氣象災害的敏感性研究提供了一種新的方法和思路。本研究從馬鈴薯受凍率的角度研究凍害風險，一方面考慮了馬鈴薯受凍減產的風險，另一方面也考慮了馬鈴薯因受凍，發育期推遲，出現集中扎堆上市的情況，經濟效益下滑的風險。區別大多數研究固定生育期和僅考慮氣候減產的研究，提升了研究馬鈴薯凍害風險的準確性。

近年來，在氣候變暖背景下，霜凍害發生不僅沒有減輕，反而加重[24]，且馬鈴薯本身不抗凍，其應對氣候變化的敏感性和生育期脆弱性增加[25]。本研究也表明冬季氣溫變暖將加大馬鈴薯出苗期的波動性，從而加重馬鈴薯苗期凍害。因此，全球氣候變暖背景下的馬鈴薯凍害事件不容忽視。根據模擬不同播期的馬鈴薯凍害風險給出各地區馬鈴薯適宜播期來規避凍害，與鄒宗成等[26]研究湖北恩施冬播馬鈴薯適宜播期在12月30日-1月9日的結論基本一致。說明本研究結果在馬鈴薯實際生產過程中具有科學的指導意義，同時也表明馬鈴薯收獲期也與氣候條件聯系緊密，不同地區不同品種的適宜收獲時段也需要進一步研究。

劉克文等[27]研究也發現鄂北隨州等地為馬鈴薯苗期凍害高發風險區，與本研究結果相符。但受到馬鈴薯受凍災害資料的限制，本研究未考慮承載體脆弱性和孕災環境以及防災減災等因素對馬鈴薯凍害風險構成影響，反映湖北冬播馬鈴薯凍害風險準確度有限。今后需結合馬鈴薯生長發育模型[28]、中短期氣候模式、天氣氣候模式預測等多種技術手段從馬鈴薯致災因子危險性、承載體的脆弱性、孕災環境和防災減災等方面綜合研究馬鈴薯凍害風險，更加精確反映馬鈴薯苗期凍害風險。