河西走廊東部農業氣象災害變化特征及對現代農業發展的影響分析

羅曉玲，楊 梅，李巖瑛，3，蔣菊芳，伏芬琪

（1.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.甘肅省武威國家氣候觀象臺，甘肅 武威 733000；3.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020；4.蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021）

自然災害與人類的生產與生活息息相關，在各類自然災害中，氣象災害占到70%以上。我國每年受重大氣象災害影響的人口達4億人次，所造成的經濟損失占到國內生產總值的1%～3%。在近50 a中國發生的重大氣象災害中，受災人口常高達數億人次，造成的直接經濟損失高達數千億元［1-2］。近年來氣候變化導致極端天氣氣候事件多發頻發，農業氣象災害呈現出頻率高、強度大、危害日益嚴重的態勢，導致了主要糧食作物產量下降，對農業可持續發展和糧食安全構成了嚴重威脅。甘肅省氣象災害種類多、發生頻率高、危害重，因氣象災害造成的損失占自然災害損失的88.5%，高出全國平均水平18.5個百分點，占甘肅省GDP的3%～5%［3-5］。武威市地處甘肅省河西走廊東部，黃土高原與戈壁荒漠的交匯帶，為半干旱氣候與干旱氣候的交界區，也是氣候變化敏感和生態脆弱地帶，氣候類型復雜，氣象災害頻發，嚴重制約了當地農業生產和農業經濟的發展。在以變暖為主要特征的氣候變化背景下，農業氣象災害的風險逐漸增大，呈現多災種疊加的態勢，已嚴重影響到地方經濟的發展。杜會石等［6-7］研究了干旱、洪澇、風雹和低溫冷害等氣象災害的成災率和對農業生產的影響；羅曉玲等［8-11］對河西走廊沙塵暴、寒潮、干旱、霜凍等農業氣象災害及其影響進行了分析；李棟梁等［12-14］分析和探討了氣候變化和農業種植結構調整的關系。前人的研究大多數基于基本氣象站數據，但資料年代短，缺乏使用區域站資料和災情數據對研究區農業氣象災害系統性的分析研究。

本研究利用武威市轄區內國家基本氣象站和區域氣象觀測站的逐日觀測數據和氣象災情資料，分析了該區域氣象災害的時空分布特征及變化趨勢，并詳細闡述了氣象災害對武威市農牧業生產的影響，以期進一步了解極端災害天氣產生的機理，為準確預測、預報極端災害天氣，建立防災減災體系提供技術支撐，同時為農業氣候資源的合理利用、農業氣象災害的有效防御、傳統農業向特色農業的轉變、糧食安全的有效保障等提供科學依據。

1 研究區概況及農業生產現狀

武威市地處甘肅省河西走廊東部（圖1），烏鞘嶺以西，祁連山北麓，位于101°41′~104° 16′E、36°29′~39°27′N，共轄民勤、涼州、古浪、天祝4個縣（市、區），地勢西南高、東北低，海拔1300~3100 m，年降水量為110~410 mm，年蒸發量為1500~2700 mm。隨著海拔的升高，由東北向西南氣溫呈下降趨勢，降水則相反。區內氣候干旱少雨，溫差大，災害天氣多發，主要農業氣象災害有凍害（寒潮、霜凍、低溫冷害、雪災）、干旱、大風沙塵暴、暴雨洪澇、冰雹等。

圖1 甘肅省武威市的地理位置

在甘肅省，武威市是典型的農業用水大市。隨著城鎮化和工業化進程的不斷推進，同時受到土地供應緊張、水資源短缺等生產要素的制約，在保證糧食生產安全的前提下，武威市積極調整種植結構比例，重點發展以日光溫室蔬菜、特色林果、制種產業、棉、油、藥材等為主的高附加值經濟作物，形成了以制種玉米、小乳瓜、茄子、辣椒、西紅柿等為主的特色蔬果基地；以紅棗、枸杞、皇冠梨、紅提葡萄和薄皮核桃等為主的特色林果基地；以棉花、洋蔥、食用菌、花卉、甜菜、釀酒葡萄和食葵等為主的特色高效作物基地；以牛羊養殖為主的肉類繁育生產基地。在保證傳統農業一定規模的基礎上逐漸向特色農業轉型。

2 資料與方法

2.1 資料來源與說明

所用氣象要素數據來源于1961—2020年武威市4個國家基本氣象觀測站（涼州、民勤、古浪、烏鞘嶺）的逐日觀測資料，以及轄區內2011—2020年92個區域氣象觀測站的逐日觀測數據。災害災情資料取自1983—2020年武威市氣象災害普查記錄。

根據中國氣象局和甘肅省氣象局制定的干旱標準，結合本地的實際情況，以降水距平百分率(ΔR)和日降水量＜5 mm的連續天數(ΔD)為依據，將干旱分為輕旱、中旱、重旱和特重旱4級（表1），并將干旱強度標準化定義為1～5級，無旱為1級，輕旱為2級，中旱為3級，重旱為4級，特重旱為5級。

表1 干旱等級劃分標準

2.2 統計與分析方法

使用一元線性回歸方程擬合各氣象要素的線性變化趨勢，即y=a+bx，其中y表示每年的氣候要素值，x表示氣候要素對應的年份，a為常數，b為氣候傾向率，當b＞0時，氣候要素隨時間呈上升趨勢。

以氣候傾向率方法分析干旱強度、大風頻次、沙塵暴頻次、無霜期日數、寒潮頻次的變化趨勢；在此基礎上，分析氣象災害對當地農牧業生產的影響，并深入細化防御指南和應對措施。

應用Excel 2007、SPSS 22.0、VB 6.0等軟件對各類資料進行統計、處理和分析。

3 結果與分析

3.1 農業氣象災害的變化特征

3.1.1 干旱 武威市由于特殊的地理位置，水汽受青藏高原阻擋，無法到達該區域，常年干旱少雨，是典型的干旱、半干旱區。據統計，近60 a來，涼州、民勤分別發生了58、59 a干旱，幾乎年年有旱；武威市干旱頻率呈現從南到北（從高海拔到低海拔）逐漸增多的變化趨勢，3種干旱（春旱、春末夏初旱、伏旱）的特重旱發生頻率均以民勤最高，以古浪最低，最大頻率是最小頻率的4~5倍。

經統計，武威市1961—2020年春旱發生頻率在22%~70%之間，春末夏初旱發生頻率在13%~57%之間，伏旱發生頻率在25%~90%之間。干旱是武威市的第二致災災種，年均經濟損失超過5460萬元，農業受災面積最大，年均超過31639 hm2。

近60 a來武威各類干旱強度均呈不顯著的減弱趨勢（圖2），線性傾向率表現為春旱(-0.10/10 a)＜春末夏初旱(-0.08/10 a)=伏旱(-0.08/10 a)。中度（3級）以上春旱、春末夏初旱、伏旱發生頻次年代際變化（表2）顯示，春旱發生頻次以20世紀60年代和80年代最多，近20 a最少；春末夏初旱發生頻次以20世紀70年代和21世紀00年代最多，90年代和近10 a最少；伏旱發生頻次以20世紀70年代最多，80年代次多，60年代、90年代和近10 a最少。總體來看，中度以上干旱近10 a發生頻次最少，較20世紀70—80年代減少了2.4次。本研究發現武威市近10 a的降水量為60 a來最多，這與各類干旱強度的減弱密切相關。

表2 武威市中度以上干旱發生頻次的年代際變化 次

圖2 武威市近60 a干旱強度的變化趨勢

3.1.2 大風 受河西走廊峽管效應的影響，武威市大風頻繁，從南向北大風年均發生頻次依次為天祝烏鞘嶺65.2 d、古浪3.7 d、涼州9.8 d、民勤19.2 d，呈南北多、中間少的特點。大風一年四季均可出現，以4—5月最多，9—10月最少；春季最多，秋季最少。

近60 a來，天祝烏鞘嶺的大風頻次呈極顯著的增加趨勢，年際傾向率為5.0 d/10 a；其他縣（區）的大風頻次呈減少趨勢，年際傾向率表現為涼州(-2.8 d/10 a，P＜0.001)＜民勤(-2.7 d/10 a，P＜0.001)＜古浪(-0.6 d/10 a，P＜0.01)；武威全市的大風頻次總體呈減少趨勢（-0.3 d/10 a）（圖3）。年代際變化表明：20世紀60年代是近60 a來大風最少期，其中1967年最少，為8.3 d；1969—1982年則是大風最多期，其中1973年最多，為40.3 d；之后大風日數逐漸波動減少，近10 a略有反彈。

圖3 武威市近60 a大風頻次的變化趨勢

在四季中，春季的大風頻次呈略減少趨勢，年際傾向率為-0.1 d/10 a；夏季的大風頻次呈顯著減少趨勢，年際傾向率為-0.4 d/10 a；秋季的大風頻次呈持平狀態；冬季的大風頻次呈略增加趨勢，年際傾向率為0.2 d/10 a。春季大風的減少抵消了冬季大風的增多，減輕了對全年大風頻次的影響程度；而夏季大風對全年大風頻次的貢獻最大。

3.1.3 沙塵暴 武威市是甘肅乃至全國沙塵暴的高發地區之一［15-16］，從北向南沙塵暴年均發生頻次依次為民勤(20.9 d)＞涼州(4.9 d)＞古浪(2.1 d)＞天祝烏鞘嶺(0.8 d)。沙塵暴發生頻次的地理分布表現為臨近沙漠地區多，遠離沙漠地區少，其中民勤三面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠所圍，因此是沙塵暴高發區。

武威市的沙塵暴一年四季均有發生，其中9、10月最少，4月最多；春季最多，為4.2 d；其次是夏季、冬季，秋季最少。

近60 a武威市沙塵暴發生頻次的變化如圖4所示，呈極顯著的減少趨勢，年際傾向率表現為民勤(-7.1 d/10 a)＜涼州（-2.3 d/10 a）＜古浪（-0.9 d/10 a）＜天祝烏鞘嶺（-0.3 d/10 a）。在沙塵暴頻次的年代際表現上，20世紀60—70年代是高發期，其中70年代最多；80年代開始逐步減少，90年代為轉折急劇減少期，21世紀前10 a減少速度有所減緩；近10 a減少最顯著，較70年代減少了13.2 d。1966年最多(19.8 d)，2017年最少（全年未出現）。

圖4 武威市近60 a沙塵暴頻次的變化趨勢

四季沙塵暴均呈極顯著的減少趨勢，年際傾向率表現為春季(-1.2 d/10 a)＝夏季(-1.2 d/10 a)＜冬季(-0.6 d/10 a)＜秋季(-0.3 d/10 a)。

3.1.4 霜凍 武威市古浪縣的大部分地方和天祝縣的平均海拔在2000 m以上，作物播種期較晚，種植結構簡單，且以牧業為主，因此霜凍無明顯危害。武威市中北部涼州區和民勤縣在5—9月出現的霜凍危害較大，因此，主要分析5—9月期間出現的霜凍天氣。

秋季出現的第一場霜凍稱為早霜凍，春季出現的最后一次霜凍稱為晚霜凍。隨著氣候逐漸變暖，農作物物候期顯著提前，晚霜凍造成的危害明顯加大。近年來春季晚霜凍結束時間明顯提前，早霜凍出現的時間明顯推遲，對秋糧和經濟作物的成熟收獲和高產優質極為有利。

無霜期是指春季最后一次霜凍至秋季最早一次霜凍之間的天數，一年中無霜期越長，對作物生長越有利。隨著晚霜凍的提前和早霜凍的推遲，武威市年無霜期逐年延長（圖5），年際傾向率表現為民勤（8.0 d/10 a)＞涼州（7.4 d/10 a)＞古浪（6.7 d/10 a），均達到了極顯著水平。年無霜期的年代際變化表明，20世紀60—70年代無霜期較短，70年代最短，80年代開始逐步延長，近20 a無霜期的延長最明顯，較20世紀70年代延長了35 d。1961年的無霜期最短(113 d)，2019年最長(173 d)。

圖5 武威市近60 a無霜期的變化趨勢

3.1.5 寒潮 武威市的寒潮在地理分布上表現為南北多，中間少。其中24 h寒潮出現次數最多的是民勤，占總次數的35%；其次為古浪，占總次數的25%；涼州區最少，占總次數的18%。48 h寒潮出現次數最多的是古浪，占總次數的29%；其次為民勤，占總次數的28%；涼州區最少，占總次數的16%。在月際分布上，24 h寒潮在4月最多，占總次數的18%，7月未出現過；48 h寒潮在4月最多，占總次數的20%，7、8月未出現過。總體來看，武威市的寒潮主要集中在9月—翌年5月，以4月最多，6—8月最少。

近60 a武威市寒潮呈緩慢減少趨勢，24 h寒潮的年際傾向率為-0.83～-0.06次/10 a（天祝、古浪P＞0.05，涼州、民勤P＜0.001），以民勤減少最快，古浪減少最慢(圖6a)。48 h寒潮的年際傾向率為-0.13～-0.02次/10 a（均P＞0.05），以民勤減少最快，涼州減少最慢(圖6b)。

圖6 武威市近60 a寒潮頻次的變化趨勢

3.2 農業氣象災害影響分析及應對措施

3.2.1 干旱對傳統農業的影響及防御 春旱對春播和牧草返青生長有明顯不利的影響，不利于夏糧作物生長發育及秋糧作物苗期生長、山區牧草和森林生長及生態植被恢復。春末夏初旱，俗稱卡脖子旱，會造成小麥灌漿速度變慢，導致灌漿不足、粒重降低。若最高氣溫達35 ℃以上，相對濕度在30%以下，風速大于3~4 m/s，則會引起麥粒枯死瘦癟，造成嚴重減產；嚴重的春末夏初旱還會使祁連山各河流來水減少，影響春玉米的適時、充分灌溉，造成干旱受災。伏期干旱對沿沙和沿山區玉米、馬鈴薯、小麥、大麥、青稞和蔬菜等作物的生長會產生不利影響，特別是會導致南部山區抽雄期玉米葉片加速衰敗，造成果穗發育受阻，穗粒數減少；還會使灌漿期玉米籽粒灌漿速度減慢或停滯，秕粒數增加，禿尖增長，百粒重下降，從而造成減產。

干旱防御措施：灌溉是武威市最有效和主要的防旱措施，通過興修水利，搞好渠系配套，減少滲漏和蒸發，以水定地，節約用水，科學灌溉；根據農業氣候區劃和當年的氣候趨勢預測，適當調整夏、秋作物的種植比例，合理布局作物及其品種；搞好伏秋耕，夏作物收割后，在伏秋期間要及時進行早滅茬、早深翻、多犁耕，曬土收陽，使土壤充分風化，提高其滲水、蓄水和保肥的能力，促使土壤有效地接納伏秋雨，以增加底墑；選用耐旱抗高溫的品種，并在作物抽穗、開花、乳熟期噴灑抗旱劑、助長劑、磷酸二氫鉀等溶液，以增強植株的抗干旱能力；營造農田防護林帶，大規模種草植樹，這樣可以改善水分循環，防旱，防風固沙，為農作物的生長發育創造良好的生態環境。

3.2.2 大風沙塵暴對特色農業的危害與防御 據統計，大風沙塵暴是武威市第三致災災種，造成的年均經濟損失超過3783萬元，年均農業受災面積超過13195 hm2。突發性大風沙塵天氣不僅會毀壞大棚，而且還會使得棚內作物受災。大風沙塵暴會把農田的表層土壤卷起吹走，沙塵覆蓋農田，使土壤肥力降低，作物減產；當沙塵天氣來臨時，光照不足，棚內蔬菜等作物的光合作用強度下降，易出現落花、花打頂等生理性病害，導致蔬菜的抗逆能力下降，易引發多種病害。沙塵天氣會使牲畜機體的免疫功能下降，引發呼吸道及腸胃疾病，嚴重時導致“春乏”。

針對大風沙塵暴的防御措施：通過植樹造林、壓沙治沙，減小風速，降低落沙量；及時關注天氣預報及預警信息，在大風沙塵來臨前壓緊、壓牢放風口，防止大風撕裂、脹裂棚膜等，以避免設施內作物受災；在大風沙塵過后要及時清理大棚表面的塵土，以提高棚膜的透光率，增加棚內的光照強度和升溫效果，促進棚內作物快速生長；加強棚內溫、濕度動態監測，過程過后要及時通風降溫、降濕，同時做好水、肥管理和病蟲害監測防治工作；各養殖場必須做好消毒、免疫、規范飼養管理等疫病防治工作，以減少牲畜發病機會，有效防止重大疫病的發生。

3.2.3 晚霜凍對特色林果的危害與防御 特色林果的開花期隨著氣候變暖和春季迅速升溫而提早。雌蕊和雄蕊的耐寒性較差，因此開花期是林果抵抗凍害能力最弱的時期。在花期發生的晚霜凍極易對花朵造成傷害，導致花朵變褐、干枯，子房變黑，影響授粉受精。開花越早越容易遭遇晚霜凍危害，以致坐果數減少，果面受凍而產生凍斑。武威市冷空氣活動最頻繁的時段在3月中旬—5月上旬，全年大約40%的強降溫天氣發生在該時段，而此時主要特色林果正處于花芽膨大、開花和坐果等對低溫最為敏感的發育關鍵期，低溫凍害通過影響坐果率而最終影響產量、品質和產值，嚴重時甚至會造成果園絕收，因此晚霜凍已成為限制果業發展、影響果農增收的最主要氣象災害之一。

針對晚霜凍的防御措施：合理負載、控制氮肥、增施有機肥和磷鉀肥，以增強果樹的抗凍能力；在開花前增施土壤調理劑，改善土壤結構，增加微生物數量，增強土壤酶的活性，以促進樹體根系生長；噴施植物生長調節劑，以抑制樹體萌發；花前通過灌水和增施肥料，調節和推遲花期，以規避霜凍危害；在開花期通過熏煙、噴施防霜藥劑來防止花器官遭受霜凍；將樹干涂白，以增強樹體的抗寒能力，防御花期受凍；花期未授粉的花柱受凍害影響，易失去授粉能力，因此要提前制備花粉，開花后及時進行人工授粉；如已受到凍害，則要對晚開的花和腋花進行人工授粉或放蜂授粉，以保證產出。

3.2.4 寒潮對設施農牧業的危害與防御 因為寒潮帶來的降溫可能達到10 ℃甚至20 ℃以上，通常超過農作物的耐寒能力，所以寒潮會使農作物發生凍害，同時還會帶來大風降溫甚至雨雪天氣。據統計，凍害（寒潮、霜凍、低溫冷害、雪災）是武威市第一致災災種，造成的年均經濟損失超過6387萬元，年均農業受災面積超過15542 hm2。

針對寒潮的防御措施：寒潮來臨時風力較大，應注意加固棚架設施，防止棚架倒塌或大風掀開棚膜而加重凍害，并做好溫、濕調控工作；通過加蓋草墊、雙層薄膜等保溫材料來提高蔬菜或花卉大棚內的溫度；家禽、家畜等養殖戶要做好禽畜棚舍的防寒保溫工作；水產養殖池要注水調溫，并適當減少投餌量。

4 討論

本研究選取河西走廊東部武威市4個國家基本氣象觀測站和轄區內2011—2020年92個區域氣象觀測站的逐日觀測資料，探討了主要氣象災害的特征及對武威市農牧業生產的影響。本研究結果雖然能較清晰地反映本地農業氣象災害的種類及變化趨勢，但由于武威市處于不同氣候區的交匯過渡帶，天氣特征和氣候變化規律復雜，且研究區內氣象區域站資料的時間較短、部分資料不完整，只有暴雨災害采用了區域站數據，而其他災害缺少區域站統計資料，存在站點稀少、分布不均、網格較粗的弊端。另外，本研究所用的氣象災情數據有漏統計和簡單化現象，可能會對研究結果的準確性有一定的影響。因此，在將來的研究中需要增加更多的氣象區域站觀測資料和不同區域精細化數據，結合本地的分類災情資料，進一步詳細分析研究氣象災害對武威市農業生產和當地經濟發展的影響。

5 結論

武威市干旱呈北多南少的特點，特重旱（5級）的發生頻率以民勤最高，古浪最低。近60 a各類干旱強度均呈減弱趨勢，年際傾向率表現為春旱＜春末夏初旱=伏旱；中度（3級）以上干旱近10 a發生頻次最少，較20世紀60年代減少了2次。

武威市大風呈南北多、中間少的特點；以春季最多，秋季最少；近60 a大風總體呈減少趨勢，春季略減少，夏季顯著減少，秋季持平，冬季略增加。

武威市沙塵暴呈北多南少的特點，以春季最多，秋季最少；近60 a沙塵暴的發生頻次顯著減少，年際傾向率表現為民勤＜涼州＜古浪＜天祝烏鞘嶺；近10 a沙塵暴的發生頻次較20世紀70年代減少了13.2 d。四季沙塵暴的年際傾向率表現為春季=夏季＜冬季＜秋季。

隨著晚霜凍的提前和早霜凍的推遲，武威市的無霜期逐年延長，年際傾向率表現為民勤＞涼州＞古浪。近20 a無霜期較20世紀70年代延長了35 d。

武威市寒潮在地理分布上表現為南北多、中間少。主要集中在9月—翌年5月，4月最多，6—8月最少。近60 a寒潮呈弱減少趨勢，24 h寒潮傾向率為-0.83～-0.06 d/10 a，48 h寒潮傾向率為-0.13～-0.02 d/10 a。