內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍時空分布特征及其對產量的影響

王永璽，皇 彥，蘇 力

(1.阿拉善左旗氣象局，內蒙古 阿拉善 750300；2.烏蘭察布市氣象局，內蒙古 烏蘭察布 012000；3.阿拉善盟拐子湖氣象站，內蒙古 阿拉善 735408)

霜凍是植物生長季內，由于冷空氣的入侵，致使植物表面及近地層溫度和土壤溫度驟然下降，從而使植物受到傷害，甚至死亡的低溫凍害[1]。霜凍在我國發生范圍較廣，危害作物種類較多，給農業生產帶來了巨大損失[2-5]。霜凍主要發生在春、秋兩季，初霜凍提前或者終霜凍推遲都會給農業生產造成不利影響[6,7]。內蒙古地區海拔高、溫差大、氣候冷涼，非常適宜種植馬鈴薯，是我國最大的馬鈴薯生產基地。在內蒙古地區，霜凍已成為影響馬鈴薯生產的重要氣象災害之一，特別是秋季，馬鈴薯正處于塊莖增長和淀粉積累的重要時期，秋霜凍直接影響馬鈴薯的產量，甚至絕收[8]。因此，內蒙古地區馬鈴薯霜凍災害應該引起高度重視。能否有效減少霜凍對馬鈴薯生產造成的損失，為政府部門決策生產、防災減災提供科學依據，就成為一個嚴峻的問題。

20世紀初，歐美、日本等一些發達國家已建立氣候預測、診斷等方面的研究。隨著全球氣候變暖，霜凍的變化規律和特征引起了更多的關注。Katrina Richards等[9]以溫度為指標，通過結合當地氣候及地形的分布，分析新西蘭南部霜凍的分布特征，結果表明霜凍的空間分布與地表類型、海拔、經緯度等密切相關。Mohammad Rahimi等[10]對伊朗中部的重要農業地區進行霜凍研究，發現該地區霜凍出現的日期服從PoissonⅢ分布，霜凍出現的頻率與海拔高度呈正相關性，高海拔地區霜凍更為頻繁。國內的許多學者也做了大量研究工作，伏洋等[11]研究了德令哈地區的霜凍分布特點，根據不同生育期遭受霜凍害的臨界溫度值，確定出了適合該地區春小麥和油菜氣候特點的綜合霜凍指標，全面地反映霜凍的實際情況。郭曉雷等[12]研究了寧夏枸杞種植區春霜凍發生的時空分布特征，發現枸杞種植區發生霜凍次數呈現南北多、中間少的分布特征；終霜日呈現南部偏晚、中北部偏早的空間分布特征，終霜凍日以2.1 d/10a的速率提前，且階段性變化特征明顯。杜春英等[13]研究發現東北地區初霜凍呈波動式變化，出現時間呈由北向南逐漸推遲趨勢；黑龍江省最易發生初霜凍，玉米產量受初霜凍風險影響最大。楊松等[14]研究發現河套灌區各地春霜凍結束時間從西南向東北部地區延遲；春霜凍變化趨勢不同,但總趨勢均提前；春霜凍變化規律與氣溫變化規律不同，對中長日期的向日葵生長影響較大。王惠貞等[15]以不同氣候生態區的80%保證率成熟日期作為界限日期，評定大豆秋霜凍災害，分析了內蒙古大豆秋季霜凍發生的演變特征及空間分布特征，結果表明，在30年時間尺度內，內蒙古大豆不同等級秋季霜凍發生范圍有略變小的趨勢，初霜凍日均呈提前趨勢；輕霜凍發生范圍相對較廣且發生范圍的年際變化較大；不同等級秋季霜凍發生頻率大致呈東北高、西部和東南部低的空間分特征。

目前，對內蒙古地區馬鈴薯霜凍災害的研究較少，對不同程度霜凍時空分布規律及霜凍對馬鈴薯產量的影響研究甚少。筆者選取內蒙古中部地區21個氣象觀測站點，在前人研究的基礎上構建了內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍監測指標，研究內蒙古中部地區馬鈴薯不同等級秋霜凍發生的時空分布規律，并分析了秋霜凍對馬鈴薯產量的影響，以期為內蒙古中部地區馬鈴薯種植產業有效規避秋霜凍災害提供科學的參考。

1 資料與方法

選取內蒙古中部地區21個氣象觀測站(見圖1)1980年—2019年8月—10月日最低氣溫資料和6個農氣觀測站1980年—2019年馬鈴薯發育期資料。1994年—2017年馬鈴薯產量資料來源于內蒙古自治區統計年鑒，其他年代馬鈴薯產量資料存在缺失。由于21個氣象觀測站中只有6個站點具有發育期觀測資料，因此根據馬鈴薯生長特性，采用就近替代的原則替代馬鈴薯生育期。馬鈴薯歷史災情數據來源于《中國氣象災害大典·內蒙古卷》和中國氣象局氣象災害直報系統數據庫。

利用ArcGIS空間分析技術研究內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍發生頻率及強度。采用當年內蒙古中部地區出現馬鈴薯秋霜凍的氣象觀測站數與總氣象觀測站數(21個觀測臺站)的比值(IOC)方法，用以表示內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍出現的范圍大小。

圖1 研究區域氣象觀測站分布

2 結果與分析

2.1 內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍災害的監測指標

根據內蒙古中部地區6個農業氣象觀測站馬鈴薯發育期資料和21個地面觀測站的多年秋霜凍日期，得出內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍發生在8月—10月。借鑒《中華人民共和國氣象行業標準QX/T 88-2008作物霜凍害等級》，結合歷年馬鈴薯遭受秋霜凍的實際情況，將內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍災害的指標進行修正(見表1)。

表1 內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍監測指標

2.2 內蒙古中部地區秋霜凍的發生規律

利用選取的21個氣象臺站1980年—2019年秋霜凍日期資料進行統計，結果表明：內蒙古中部地區秋霜凍出現的時間主要集中在9月下旬和10月上旬；烏蘭察布市秋霜凍主要出現9月中、下旬，出現時間要早于包頭市和呼和浩特市；包頭市和呼和浩特市秋霜凍主要出現在9月下旬和10月上旬，呼和浩特市略早于包頭市。各地北部秋霜凍比南部出現的早。從秋霜凍的80%保證率日期和歷年平均日期來看，烏蘭察布市秋霜凍出現時間最早，80%保證率日期多在9月下旬，其次為呼和浩特市，包頭市相對較晚，包頭市和呼和浩特市的秋霜凍80%保證率日期均在10月中旬。各地80%保證率的秋霜凍日期比歷年平均日期偏晚4 d～8 d(見表2)。

表2 內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍80%保證率日期與多年平均日期比較

察哈爾右翼中旗、固陽縣、武川縣分別為烏蘭察布市、包頭市和呼和浩特市的馬鈴薯主產區，且均有馬鈴薯農業氣象觀測站，具有較好的代表性，可以代表3個地區的馬鈴薯狀況。利用察哈爾右翼中旗、固陽縣、武川縣三站的初霜凍日期資料，分析其時間變化趨勢，將8月21日記為1，8月22日記為2，……以此類推，由圖2可見，烏蘭察布市、包頭市、呼和浩特市3個地區的初霜凍日期時間變化不存在規律性，呈波動變化。烏蘭察布市和呼和浩特市在20世紀80年代年際變化較大，20世紀90年代至21世紀初相對平穩，2010年之后年際變化變大。包頭市在20世紀80年代年際變化相對平穩，20世紀90年代后開始劇烈變化。1983年、1986年、1988年、1990年、1997年、2007年、2012年等年份的初霜凍日期偏離平均狀態較多。烏蘭察布市和呼和浩特市的初霜凍發生日期隨年代呈推遲趨勢，包頭市基本維持不變，說明隨著氣候變暖，內蒙古中部地區初霜日呈推遲趨勢。

烏蘭察布市初霜凍出現的日期早于呼和浩特市，平均偏早4 d，呼和浩特市初霜凍出現的日期早于包頭市，平均偏早11 d。可見內蒙古中部地區烏蘭察布市初霜凍出現的最早，包頭市最晚，二者出現時間相差15 d，也說明初霜凍對烏蘭察布市的影響最大(見圖2)。

圖2 1980年—2019年察哈爾右翼中旗、固陽縣、武川縣站初霜凍日期變化趨勢

2.3 內蒙古中部地區秋霜凍發生面積比重及強度時間分布

采用當年內蒙古中部地區出現秋霜凍的氣象觀測站與總氣象觀測站數(21個觀測臺站)的比值(IOC)方法，表示內蒙古中部地區全省秋霜凍出現的范圍。從圖3(a)中可以看出，內蒙古中部地區發生秋霜凍面積比重從1980年—2019年總體呈下降的趨勢，20世紀前大多數年份秋霜凍發生面積比重高于40 a平均水平，20世紀后大多數年份秋霜凍發生面積比重低于40 a平均水平。內蒙古中部地區較大范圍發生秋霜凍的年份有1980年、1982年、1985年、1997年、2006年、2011年，共6年，秋霜凍面積比重超過了50%臺站。

從圖3(b)秋霜凍發生的強度來看，重度秋霜凍發生面積比重高于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。重度秋霜凍、中度秋霜凍和輕度秋霜凍發生面積比重從1980年—2019年均呈下降的趨勢。1980年、1982年、1997年、2006年發生重度秋霜凍的面積比重達到了50%，即有一半的臺站發生了重度秋霜凍，1983年、2015年所有臺站未發生重度秋霜凍。中度秋霜凍發生的面積比重均在45%以下，2003年、2007年、2008年、2013年、2016年所有臺站未發生中度秋霜凍。輕度秋霜凍發生的面積比重均在40%以下，1998年、2007年、2015年、2019年這4年所有臺站未發生輕度秋霜凍。

2.4 內蒙古中部地區秋霜凍發生頻率及強度空間分布

內蒙古中部地區秋霜凍空間分布采用各站點1980年—2019年間秋霜凍發生的年數與40 a的比值來計算。從圖4(d)可以看出，從1980年—2019年，內蒙古中部地區有不同程度的秋霜凍發生，頻率在2.5%～92.5%之間。整體來看，內蒙古中部地區發生秋霜凍的頻率呈從南向北遞增的趨勢。烏蘭察布市北部地區發生秋霜凍的頻率最高，包頭市地區發生秋霜凍的頻率次之，呼和浩特市地區發生秋霜凍的頻率相對較低。烏蘭察布市的察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗、四子王旗發生秋霜凍的頻率較高，分別為92.5%、62.5%、57.5%。包頭市的達爾罕茂明安聯合旗、固陽縣發生秋霜凍的頻率較高，分別為82.5%、72.5%。呼和浩特市武川縣發生秋霜凍的頻率較高，為70%。

從霜凍空間分布的強度來看(見圖4)，輕度秋霜凍、中度秋霜凍、重度秋霜凍均主要分布在北部。從整個內蒙古中部地區分布情況來看，重度秋霜凍發生的頻率大于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。最大值發生在烏蘭察布市的察哈爾右翼中旗，高達87.5%，即1980年—2019年間有35 a發生了重度秋霜凍。其次為包頭市的達爾罕茂明安聯合旗，高達75%，即1980年—2019年間有30 a發生了重度秋霜凍，其余地區發生頻率低于70%。中度秋霜凍最大值發生在包頭市的達爾罕茂明安聯合旗，達到了42.5%，其次為烏蘭察布市的商都縣，達到了37.5%，其余地區發生頻率低于30%。輕度秋霜凍主要發生在烏蘭察布市的察哈爾右翼中旗、四子王旗、察哈爾右翼后旗，包頭市的達爾罕茂明安聯合旗和呼和浩特市的武川縣，發生頻率在30%左右，其余地區發生頻率低于20%。

(a)秋霜凍平均值 (b)不同程度秋霜凍

圖4 1980年—2019年秋霜凍空間分布

2.5 內蒙古中部地區馬鈴薯單產與秋霜凍的關系

利用1994年—2017年內蒙古中部地區馬鈴薯單位面積產量數據進行統計(見圖5)，結果表明內蒙古中部地區馬鈴薯單位面積產量呈總體波動上升趨勢。2017年馬鈴薯單位面積產量最高，為4 003 kg/hm2。2016年馬鈴薯單位面積產量最低，為1 670 kg/hm2。1994年—2000年、2001年—2010年、2011年—2017年馬鈴薯單位面積產量均呈先增加后減少的趨勢。

圖5 內蒙古中部地區1994年—2017年馬鈴薯單位面積產量

馬鈴薯單產大幅下降的年份為1997年、1999年、2001年、2005年、2007年、2009年、2015年、2016年，具體見表3。

由馬鈴薯單產和秋霜凍發生面積比重的時間變化對比可以發現，馬鈴薯單產和秋霜凍發生面積比重變化基本呈相反的趨勢，即馬鈴薯單產增加的時間段恰好是秋霜凍發生面積比重減少的時間段。例如1996年、2003年、2012年馬鈴薯單產明顯增加，而當年秋霜凍發生面積比重明顯下降；1997年、1999年、2009年、2016年馬鈴薯單產明顯減少，而當年秋霜凍發生面積比重明顯增加。這說明秋霜凍在一定程度上造成馬鈴薯的減產(見圖6)。

表3 馬鈴薯大幅減產年份(1994年—2017年)

圖6 1994年—2017年馬鈴薯單位面積產量與秋霜凍發生面積比重對比

3 討論

霜凍是影響內蒙古地區農作物生產的主要氣象災害之一，造成作物產量下降或者絕收。筆者研究了內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍的特征，發現內蒙古中部地區馬鈴薯秋霜凍發生的時間不存在規律性，隨年代呈波動式變化。內蒙古中部地區秋霜凍發生時間呈推遲的趨勢，其中烏蘭察布市秋霜凍出現的最早，呼和浩特市次之，包頭市秋霜凍出現的時間相對較晚。這是因為在全球氣候變暖的大背景下，處于農牧交錯帶的內蒙古中部地區增溫較顯著；另外，烏蘭察布市地處陰山山脈末端，受冷空氣影響更為直接，因此烏蘭察布市是最易發生初霜凍的地區，馬鈴薯受初霜凍影響的風險最大。馬鈴薯單位面積產量與秋霜凍面積比重變化趨勢相反，說明在全球氣候變暖的趨勢下，內蒙古中部地區初霜日推遲，秋霜凍發生范圍也在減小，一定程度上有利于提高該區馬鈴薯的產量。

4 結論

①內蒙古中部地區秋霜凍發生時間呈推遲的趨勢，烏蘭察布市最早，呼和浩特市次之，包頭市相對較晚。秋霜凍面積比重從1980年—2019年呈下降的趨勢，且重度秋霜凍發生面積比重高于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。②從空間分布來看，馬鈴薯秋霜凍的發生頻率呈從南向北遞增的趨勢。烏蘭察布市發生秋霜凍的頻率最高，包頭市發生秋霜凍的頻率次之，呼和浩特市發生秋霜凍的頻率相對較低。輕度秋霜凍、中度秋霜凍、重度秋霜凍均主要分布在北部，重度秋霜凍發生的頻率要大于中度秋霜凍和輕度秋霜凍。③馬鈴薯單位面積產量呈波動上升趨勢，基本與秋霜凍面積比重變化趨勢相反。

由于內蒙古中部地區觀測時間較長的農業氣象觀測站較少，本文采用就近替代的原則替代馬鈴薯生育期，研究過程中存在一定的誤差。此外，由于部分馬鈴薯產量資料缺失，導致早期馬鈴薯秋霜凍對產量的影響無法分析。以上不足需要進一步改善，深入研究。