桓臺縣冬小麥拔節至抽穗期晚霜凍災害的氣溫服務指標

榮云鵬，張繼波，李宜軒，于嘉昕，王錫久

(1.桓臺縣氣象局，山東 桓臺 256400；2.山東省氣象局，山東 濟南 250000；3.桓臺縣農業局，山東 桓臺 256400)

冬小麥是我國的主要糧食作物之一，對保障我國糧食安全具有極其重要的意義。晚霜凍嚴重影響冬小麥幼穗的分化進程，是造成我國冬小麥產量重大損失的一種短時間突發性的低溫農業氣象災害[1]。霜凍災害是指秋初、春末季節，由于地表溫度(或氣溫)驟降，農作物莖、葉溫度隨之降至0℃以下，使正在發育的農作物受到凍害，從而導致減產、品質下降或絕收[2]。馮秀藻等[3]認為，我國北方麥區在小麥拔節期，氣溫低于0℃(或葉溫低于-4℃)就可能遭受霜凍危害。隨著冬小麥品種的變化，其抗寒能力也發生著改變。目前，國內對引起小麥晚霜凍災害溫度指標的表述是指作物植株處于0℃中的影響。

天氣預報中提到的氣溫是指百葉箱內觀測到的氣溫，與大田冬小麥植株根部、冠層的氣溫存在一定差異。目前已有大量有關可能引起霜凍災害的氣溫指標研究。余衛東[4]進行相關對比研究認為，冬小麥冠層附近的最低氣溫比氣象站觀測150 cm高度處的氣溫更低，冠層內最低氣溫與150 cm高度處的最低氣溫及0 cm地溫呈極顯著正偏相關，可用于冬小麥冠內最低氣溫的精確估測。晚霜凍造成冬小麥發育異常的原因很多，小麥拔節期前后最可能發生晚霜凍，隨著小麥拔節后的日數增加，冬小麥耐寒能力呈下降趨勢。小麥受凍害程度除與小麥品種、降溫強度和低溫持續時間長短有關外，也與播期、播量、土壤、耕作質量及水肥管理等方面有很大關系[5-9]。

桓臺縣地處魯西北平原，地勢平坦，氣候條件對周邊平原地帶的氣候有一定的代表性，是山東省重點產麥區之一，種植面積約2.65萬hm2。為進一步確定冬小麥晚霜凍氣溫服務指標為今后的霜凍預報服務提供參考，對桓臺縣近20年的霜凍災害進行統計分析，并結合開展2020年小麥拔節至抽穗期晚霜凍氣溫服務指標大田觀測試驗。

1 資料與方法

1.1 資料

研究資料包括氣象資料、小麥產量及災情調查資料。氣象資料來自桓臺縣氣象局，包括2001-2020年大監站氣溫、地面0 cm地溫及7個區域氣象自動站最低氣溫資料。桓臺縣氣象局和農業部門提供的2001-2020年冬小麥晚霜凍災害實況，桓臺縣統計局提供的2001-2020年小麥產量資料。2020年試驗田塊實地觀測氣溫、小麥產量，來自桓臺縣氣象局農氣人員和示范點農戶田間實地觀測。

1.2 方法

采用統計分析方法研究2001-2020年造成冬小麥晚霜凍害氣溫情況，通過實地觀測和對比研究造成冬小麥晚霜凍災害的氣溫情況。試驗過程：2020年在小麥拔節后至小麥抽穗前開展晚霜凍氣溫服務指標大田觀測試驗。試驗地塊設在桓臺縣索鎮張橋村，距離桓臺國家一般站2.7 km，該地段冬小麥品種為魯原502，播種時間為2019年10月8日，次年2月14日返青，3月15日拔節，4月12日孕穗，4月28日抽穗；同地塊另一品種為藁優5218，發育期與魯原502相近，均屬于早熟品種。根據天氣預報，對預測可能發生晚霜凍的低溫過程跟蹤觀測，提前在麥田中布設溫度表。觀測時間段選日極端最低氣溫出現幾率最高的5:00-7:00。每個觀測點設2組溫度表，觀測點距離田間地頭10 m以上，各點之間距離10 m以上；開展澆水和未澆水地塊氣溫及不同小麥品種后期發育實況對比觀測試驗。田間觀測時，每個測溫點布置3層觀測儀器，小麥冠層頂附近、生長點高度附近、0 cm地面3層溫度；第1次田間試驗觀測時，參照當時小麥的實際發育情況，從地面到冠層觀測氣溫高度設為0 cm、5 cm(大約在生長點的高度)、30 cm(小麥冠頂附近)，并對澆水和未澆水田塊分別進行觀測；第2次低溫過程田間試驗觀測時，將測溫層自下而上調整為0 cm、30 cm(大約在生長點的高度)、50 cm(小麥冠頂附近)高度。觀測時間是觀測員實際讀表時間(精確到分)，田間觀測的數據是實際讀表的數據，參加對比數據有距離觀測田塊約1.5 km的桓臺縣國家氣象站同一分鐘氣溫數據(百葉箱氣溫是指桓臺國家氣象站的分鐘氣溫)和桓臺縣7個區域氣象自動站最接近讀表時間的整點氣溫數據。

2 結果與分析

2.1 2002年、2009年和2013年冬小麥的晚霜凍危害

據2001-2020年的統計資料顯示，2002年、2009年和2013年由于晚霜凍導致小麥的單位面積產量較常年減少(圖1)。

圖 1 2001-2020年小麥的單位面積產量

2.1.1 2002年 4月25日凌晨出現低溫天氣，最低氣溫3.7℃，地面最低溫度0.7℃。桓臺縣氣象局對此次晚霜凍進行災情調查發現，受凍作物較多，小麥發育后期出現嚴重空殼或不抽穗，當年小麥單產7 020 kg/hm2。

2.1.2 2009年 4月15日夜間出現大風和降水，4月16日氣溫驟降，出現霜和結冰；過程極端最低氣溫0.4℃，出現在16日5:00-6:00；低于5℃的時間是15日23:00至16日8:00。此時小麥處于拔節末期，抗凍性明顯減弱，縣內小麥全部受凍，凍害面積2.43萬hm2，絕產面積400 hm2，當年小麥單產5 880 kg/hm2。

2.1.3 2013年 4月19-20日普降大雪，降水量達16.1 mm，麥田積雪厚度達6 cm左右，影響穗粒數的提高。19-21日極端最低氣溫0.3℃，0.3℃持續時段為19日19:00至20日1:00。0 cm地溫最低-0.7℃，出現時間21日4:00。此次晚霜凍過程中，極端最低氣溫是0.3℃，氣溫低于5.0℃時間是19日17:00至20日12:00。地溫極端最低為0.2℃；地溫低于5.0℃時間是19日16:00至20日11:00。此時小麥處于孕穗期，抗凍性弱，當年小麥單產7 590 kg/hm2。

2.2 2020年低溫過程及霜凍危害

2020年小麥拔節至抽穗期桓臺縣主要有3次低溫過程，第1次發生在3月27-30日，第2次發生在4月4-6日，第3次發生在4月21-23日。第1次和第3次，開展了田間試驗觀測，第2次僅進行了田間小麥實況的影像資料采集。據桓臺縣各鎮氣象服務示范點農戶觀測，2020年該縣冬小麥拔節時間最早3月15日，最晚4月8日，平均為3月25日；抽穗期最早4月15日，最晚4月30日，平均為4月27日。據試驗地段實地觀測，4月17日時該地段小麥高度(量至小麥最高葉尖)為63 cm，部分小麥抽穗。

2.2.1 第1次低溫過程 從表1看出，未澆水地塊各層溫度均較同時段澆水地塊各層溫度偏低，與觀測站百葉箱中氣溫和7個區域氣象自動站整點平均氣溫相比更低；較未澆水0 cm地面溫度低但偏差略小。馮秀藻等[3]研究表明，灌溉產生的保溫效應主要集中在地上0～5 cm處，至30 cm處則基本消失，該研究驗證了該觀點。觀測發現，3月28日和29日早觀測到霜，30日早觀測到露，被碰觸過的葉面露水轉為白霜。從表2和圖2看出，當觀測站百葉箱氣溫為3.8～5.3℃時，冬小麥葉面可以觀測到霜，小麥暫時無法判斷是否遭受凍害。

表1 未澆水和澆水地塊小麥冠層各層次溫度、百葉箱氣溫及0 cm地面溫度 ℃

表2 試驗各相應時段內桓臺國家氣象站的最低氣溫與7個區域站最低氣溫平均值 ℃

2.2.2 第2次低溫過程 大田觀測發現，4月5日麥田受到霜凍危害，小麥單株受凍葉片結霜，葉尖可見冰珠；小麥節間點以上最嫩部位發生凍害呈水漬狀，變軟彎曲(圖3)。從表3看出，4月4-5日桓臺國家氣象站小時最低氣溫為1.5～7.0℃，7個區域站小時最低平均氣溫為0.2～5.1℃，二者均未降至0℃以下，但同一時間的地面0 cm地溫小時最低溫度為-5.4～17.3℃，5日4:00-6:00地面最低溫度均在0℃以下，特別是6:00最低，達-5.4℃。可見，當觀測站氣溫為1.5～3.0℃時，冬小麥已遭受霜凍危害。

圖 2 2020年3月28日和29日桓臺縣的小麥葉霜

表3 2020年4月4日夜間至5日相應時段內小時最低氣溫

2.2.3 第3次低溫過程 實地調查發現，4月22-23日部分小麥旗葉抽出，部分處于抽穗初期。22日和23日均觀測到霜，23日葉間露水結為冰球(圖4)。從表4看出，氣象站氣溫為5.4～11.6 ℃，0 cm地面溫度為2.3～9.0℃，二者均在0℃以上且溫度較高；試驗田塊觀測到5 cm和30 cm高度處的氣溫分別為-2.4～6.0 ℃和-3.4～-0.3 ℃，其中5:00-6:00均在0℃以下。結合表5得出，當氣象站氣溫在5℃左右時，田間也可形成霜，氣溫過程對小麥造成霜凍危害。

圖 3 4月5日麥田的小麥葉霜及冬小麥單株受凍癥狀

圖 4 4月22-23日試驗點小麥葉霜現象

表4 4月21日至4月24日冬小麥冠層各層次溫度、百葉箱氣溫和0 cm地溫 ℃

表5 試驗各相應時段桓臺氣象站與7個區域站的小時最低氣溫 ℃

2.3 2020年試驗點小麥后期發育與產量情況

從圖5看出，試驗點冬小麥品種魯原502由于采取澆水等措施，所以很好地對抗了低溫過程影響，小麥單產為10 200 kg/hm2，產量較高；而同地段小麥藁優5218由于未及時采取防凍措施，小麥穗部發育不均勻，空殼樣品較多，單產為9 600 kg/hm2。

圖 5 2020年5月4日試驗點受低溫影響的小麥(藁優5218)

3 結論與討論

綜合2002年、2009年和2013年的歷史統計資料分析得出，氣溫降至0℃左右但尚未低于0℃時，冬小麥會受霜凍災害。根據田間實地試驗對比分析得出，百葉箱測得氣溫和大田小麥冠層氣溫相差較大，日出前后，百葉箱測得氣溫高于大田氣溫；冬小麥冠層內不同層次溫度不同；日出氣溫回升前，冠層內比冠層頂溫度高；日出氣溫回升前，百葉箱氣溫接近0℃但不低于0℃時，同一時間，冬小麥冠層內或冠層頂溫度低于0℃。對比3次低溫過程實地觀測試驗結果看出，百葉箱氣溫與大田氣溫同一時間的數值最小差為4℃左右。

因預報、預警和風險評估氣象服務中，由于農田經緯度、地形狀況、冬小麥發育狀況、管理狀況不同，同一次低溫過程帶來的影響差異較大，兼顧服務對象地塊的多種狀況。結合試驗觀測認為，最低等級的凍害氣溫氣象服務指標可定為4℃。因此，建議廣大小麥種植農戶，在小麥拔節到抽穗前，遇到預報未來最低氣溫有低于4℃的天氣過程，要提前采取澆水等相關措施防御小麥晚霜凍。