海南島冬季瓜菜寒害氣象指標及發生規律研究

鄒海平　張京紅　李偉光　陳小敏　白蕤　呂潤

關鍵詞：冬季瓜菜；寒害氣象指標；Mann-Kendall 趨勢檢驗；站次比；海南島

中圖分類號：P49 文獻標志碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2024.04.021

海南島地處熱帶，屬熱帶季風海洋性氣候，冬季均溫為18.1～22.8 ℃[1]，為冬季瓜菜生產提供了極其有利的自然條件。目前，海南島冬種瓜菜種植面積保持在20 萬hm²左右，出島量近年均保持在300 萬t 以上[2]。冬季瓜菜作為海南熱帶高效農業中的支柱性產業，是海南建設國家現代熱帶高效農業基地的重要組成部分，在海南省產業脫貧、促進增收和保障民生及建設海南自由貿易港等方面發揮著重要作用。海南已成為我國冬季北運瓜菜重要的生產基地，在全國冬季瓜菜市場發揮了不可替代的作用[3-4]。但受冬季風影響，北方冷空氣仍有可能影響海南，引發冬季瓜菜低溫寒害[5]，導致減產。如2008 年1 月下旬至2 月中旬發生的重度低溫陰雨天氣導致海南冬季瓜菜受災達5.33 萬hm²，經濟損失約4.37 億元[6]。農業氣象災害等級指標的準確性及其時空分布特征是農業氣象災害研究的基礎，只有正確判斷災害的活動區域及其發生頻率，才能對研究區域災害程度有直觀、準確的了解，為下一步災害監測和風險評估等提供科學依據[7]。因此，研究海南島冬季瓜菜寒害氣象指標及其時空變化規律顯得十分必要。

研究者對水稻冷害[8]、玉米冷害[9]、冬小麥凍害[10]、香蕉和荔枝寒害[11]等低溫災害指標及其變化特征開展了大量細致的研究。在瓜菜寒害方面，有學者從農學角度分析了寒害對辣椒[12]、冬瓜[13]、西瓜[14]等瓜菜形態學和生理生化指標的影響。有學者采用考慮瓜菜生物學特性的有害積寒[15-16]和構建致災指標，分析了瓜菜寒害風險區劃。如張蕾等[16]基于海南島1998—2011 年氣象資料，分別以日最低氣溫≤10.0 ℃、持續日數≥3 d，日最低氣溫≤12.0 ℃、持續日數≥5d，日最低氣溫≤15.0 ℃、持續日數≥6 d 寒害過程的有害積寒和作為西瓜、辣椒、豇豆和絲瓜寒害年度氣候致災因子，綜合孕災敏感性、承載體易損性和防災能力，對海南島4 種瓜菜寒害進行風險評價與區劃。此外，海南省氣象局從氣候角度制定了海南冬季低溫陰雨過程等級標準[1]。前人在瓜菜寒害氣象指標和風險區劃方面做了大量工作，但也存在一些不足。采用有害積寒和構建各種瓜菜寒害致災指標雖然考慮了瓜菜生物學特性，但其僅考慮溫度對各種瓜菜的不利影響，未考慮陰雨寡照的影響，且該指標僅適合年度寒害等級確定，無法確定歷次寒害過程等級，同時該指標無法確定寒害對瓜菜這一大類的影響程度。海南冬季低溫陰雨災害等級雖然考慮了陰雨寡照對農作物的影響且能對每次寒害過程進行評估，但其所涉及溫度指標未充分考慮瓜菜的生物學特征。為此，本研究擬在前人研究基礎上，利用1971—2020 年氣象數據和瓜菜寒害災情資料，制定既考慮陰雨寡照影響又能量化歷次寒害過程影響程度且具備生物學特征的海南冬季瓜菜這一大類寒害氣象指標，并利用該指標得出海南冬季瓜菜寒害變化規律，以期為海南冬季瓜菜優化種植布局、抗寒減災和寒害監測預警等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

影響海南島冬季瓜菜的寒害主要發生在每年冬季的12 月至翌年2 月，因此采用此3 個月的1971—2020 年氣象數據和災情數據。其中，氣象數據包括海南島18 個氣象站的逐日平均溫度、最低溫度和日照時數，來自海南省氣象信息中心；災情數據來自《中國氣象災害大典·海南卷》[5]及海南省氣候中心調研、收集整理的災情庫。

1.2 方法

1.2.1 冬季瓜菜寒害氣象指標海南島主要種植瓜菜（如辣椒、豇豆、西瓜、南瓜、苦瓜等）的生物學溫度為日均溫15 ℃和12 ℃、日低溫10 ℃和5 ℃[17-19]。因此，將海南低溫陰雨過程等級標準中不具有生物學特征的溫度臨界值日均溫13 ℃、日低溫8 ℃ 和6 ℃ [1]分別改為日均溫12 ℃、日低溫10 ℃和5 ℃。利用海南冬季瓜菜寒害災情資料確定不同等級冬季瓜菜寒害過程的持續日數（表1）。表中寒害過程允許間隔1 日不符合寒害氣象指標條件，寒害過程持續日數為符合寒害氣象指標的日數。同一寒害過程若同時符合多種項目條件則取寒害等級最重者。

1.2.2 站次比計算站次比（%）是指某一年份某一區域內某等級冬季瓜菜寒害發生的站數占該區域內全部站數的比例，用于評價寒害影響范圍的大小，即

式中，Y_j 為站次比，j 為某年，m 為某級冬季瓜菜寒害發生的站數，M 為全部站數，即18。

1.2.3 Mann-Kendall 趨勢檢驗 Mann-Kendall 趨勢檢驗法[20-21]是一種非參數統計檢驗方法，不需要樣本遵從一定的分布，也不受異常值干擾，被廣泛應用于氣候和水文序列的分析，因此本研究采用該方法對冬季瓜菜寒害發生次數和站次比進行顯著性檢驗。

1.2.4 其他方法采用 ArcGIS9.3 軟件中的反距離權重模塊插值生成冬季瓜菜寒害發生次數的空間分布圖，柵格大小為200 m×200 m，再利用自然斷點法進行等級劃分。

2 結果與分析

2.1 冬季瓜菜寒害氣象指標的適應性驗證

利用 1971—2020 年寒害災情資料對冬季瓜菜寒害氣象指標準確性進行驗證，結果表明海南島63 個樣本中災情與瓜菜寒害氣象指標計算結果符合的樣本數為53 個，符合率為84.1%。可見本研究構建的冬季瓜菜寒害氣象指標可用于海南島冬季瓜菜寒害變化規律分析。因篇幅有限，僅列舉具有代表性的5 個站點災情驗證結果（表2）。

2.2 冬季瓜菜寒害發生次數的變化特征

2.2.1 冬季瓜菜寒害發生次數的空間分布（1）各月寒害發生次數。圖1 為海南島冬季各月瓜菜寒害1971—2020 年發生總次數空間分布圖。可見，海南島18 站點12 月、1 月和2 月瓜菜寒害50 年發生總次數分別為0～24、1～44 和0～22，其中12 月和1 月瓜菜寒害50 年發生總次數均大致呈中部、西北部向沿海地區減少趨勢，2 月略有不同，大致由中部、北部向沿海地區減少。18 個站點12 月瓜菜寒害50 年發生總次數占3 個月相應次數之和的比例為0.0%～66.7%，均值為28.0%，1 月和2 月相對應的占比均值分別為48.6%和23.4%。可見3 個月中海南島瓜菜寒害主要發生在1 月，約占3 個月瓜菜寒害發生次數的50%。

（2）各月不同等級寒害發生次數。圖2 為12月瓜菜不同等級寒害1971—2020 年發生總次數空間分布圖。由圖2 可見，海南島12 月瓜菜輕度和中度寒害50 年發生總次數均大致自中部、西北部向沿海地區減少，重度寒害略有不同大致由中部向沿海地區減少；1 月瓜菜各等級寒害50 年發生總次數空間分布均與1 月瓜菜寒害50 年發生總次數相似；2 月瓜菜輕度和中度寒害50 年發生總次數空間分布與2 月瓜菜寒害50 年發生總次數相似，重度寒害略有不同大致自中部、西北部向沿海地區減少。整體上，海南島冬季各月及各月不同等級瓜菜寒害發生次數高和次高值區主要分布在西北部和中部，低和次低值區主要分布在西部、南部、東部沿海一帶。

18 個站點12 月瓜菜輕度寒害50 年發生總次數 占 當 月 50 年發生總次數的比例為33.3%～100.0%，均值為59.2%，12 月中、重度寒害相對應的占比均值分別為27.1%、13.7%；1 月瓜菜輕至重度寒害相對應的占比均值分別為70.6%、19.2%、10.2%；2 月分別為65.7%、23.0%、11.3%。各月輕、中度寒害占比之和分別為86.3%、89.8%和88.7%。可見，3 個月瓜菜寒害均主要以輕、中度為主。18 個站點12 月瓜菜輕度寒害50 年發生總次數占3 個月瓜菜輕度寒害相應次數之和的比例為0.0%～66.7%，均值為25.4%，1 月和2 月輕度寒害相對應的占比均值分別為50.2%、24.4%；3 個月瓜菜中度寒害相對應的占比均值分別為35.2%、43.4%、21.4%；3 個月瓜菜重度寒害相對應的占比均值分別為27.4%、40.2%和32.4%。可見3 個月中，瓜菜輕、中和重度寒害均在1 月出現最多。

2.2.2 冬季瓜菜寒害發生次數的變化趨勢表 3為1971—2020 年冬季各月瓜菜寒害年發生次數變化趨勢。各月瓜菜寒害年發生次數呈減少趨勢的站點個數分別為17 個、17 個和14 個，占所有站點的比例分別高達94.4%、94.4%和77.8%（減少顯著的站點占比分別為11.1%、0.0%和5.6%）；不顯著增加的站點占比分別為0.0%、5.6%和5.6%；其余為未發生寒害無變化趨勢站點。具體到各寒害等級上，12 月瓜菜輕至重度寒害年發生次數不顯著減少的站點占比分別高達88.9%、83.3%和61.1%，不顯著增加的站點占比分別僅為5.6%、0.0%和5.6%，其余為未發生寒害無變化趨勢站點。此為絕大多數站點12 月瓜菜寒害年發生次數隨時間減少的原因；1 月情形與12 月類似，瓜菜輕至重度寒害年發生次數不顯著減少的站點占多數（占比分別為77.8%、72.2%和66.7%）；2月瓜菜輕、中度寒害情形與12 月和1 月類似，其年發生次數不顯著減少的站點占比分別為77.8%和66.7%。重度寒害有所不同，其年發生次數不顯著減少的站點占比僅為33.3%，不顯著增加的站點占比高達38.9%（主要分布在東部、中部、西部），但因輕、中度寒害年發生次數呈減少趨勢站點占比較高，導致大多數站點2 月瓜菜寒害年發生次數仍呈減少趨勢。可見，冬季各月及各月不同等級瓜菜寒害中除2 月重度瓜菜寒害年發生次數呈增加趨勢的站點較多外，其余瓜菜寒害年發生次數不顯著減少的站點占多數。

2.3 冬季瓜菜寒害發生站次比的變化特征

表 4 為1971—2020 年冬季各月瓜菜寒害發生站次比的均值及變化趨勢。各月瓜菜輕度寒害發生站次比均值明顯大于中度，中度又明顯大于重度，表明各月瓜菜不同等級寒害影響范圍均按寒害輕度至重度順序明顯縮小。月之間相比，12 月和2 月瓜菜寒害發生站次比均值接近（分別為19.8%和20.7%），明顯低于1 月數值（35.4%）；輕度和中度瓜菜寒害月之間亦表現出類似規律；重度瓜菜寒害情形有所不同，12 月和1 月瓜菜寒害發生站次比均值較接近（分別為4.2%和5.3%），明顯高于2 月數值（2.9%）。說明3 個月之間相比，12 月和2 月瓜菜寒害影響范圍接近且明顯小于1月；輕度和中度瓜菜寒害影響范圍月之間對比規律類似；重度寒害影響范圍有所不同12 月和1 月接近且明顯大于2 月。

時間變化趨勢上，冬季各月及各月輕至重度瓜菜寒害發生站次比均呈減小趨勢，其中僅12 月及其輕度寒害發生站次比顯著減小。可見，近50年海南島冬季各月及各月不同等級瓜菜寒害發生影響范圍均隨時間在縮小，且以不顯著縮小為主。

3 討論

（1）構建的海南島冬季瓜菜寒害氣象指標準確率為84.1%，可用于分析海南島冬季瓜菜寒害時空變化規律。

（2）空間分布上，海南島冬季各月及各月不同等級瓜菜寒害主要出現在西北部和中部地區，西部、南部、東部沿海一帶地區出現概率相對較低。因此，海南島冬季需重點防范中部、西北部地區瓜菜寒害，與海南冬季主要瓜菜寒害致災危險性結果[16]較一致。這是因為影響海南島的冷空氣主要自西北部或北部登陸，海南島中間高、四周低，冷空氣到達中部山區后受山體阻擋，不易逾越，在山區北部不斷積聚，且山間盆地有利于輻射降溫，而沿海地區有海溫調節作用，其遭受寒害程度和次數會輕于內陸[1， 22]；時間分布上，3個月中，海南島瓜菜寒害主要發生在1 月，瓜菜輕至重度寒害亦均在1 月出現最多。這是由海南島一年中1 月冷空氣系統出現頻率最高所致[23]；寒害發生等級上，各月瓜菜寒害均主要以輕、中度為主，二者占比約88.3%。這與海南島所處地理位置有關，海南島地處南海北部，北方冷空氣到達時已大為減弱，其對瓜菜的影響程度相應減輕。

（3）時間變化上，Mann-Kendall 趨勢檢驗表明，近50 年海南島大多數站點冬季各月及各月不同等級（除2 月為重度外）瓜菜寒害年發生次數呈不顯著減少趨勢，這與當前氣候變暖背景下我國寒潮事件減少[24]、海南省冷事件發生頻率整體降低[25]事實吻合。寒害發生站次比方面，近50年冬季各月及各月不同等級瓜菜寒害發生站次比均呈減小趨勢，這與海南省冷事件強度減弱[25]事實吻合。冬季瓜菜寒害年發生次數減少、發生站次比減小，對海南島冬季瓜菜種植總體有利。但2 月東部、中部、西部地區瓜菜重度寒害年發生次數呈增加趨勢，對當地冬季瓜菜種植不利，需重點關注。

本研究亦存在一些不足之處：因冬季瓜菜寒害災情資料有限，本研究僅用63 個樣本對構建的冬季瓜菜寒害氣象指標進行驗證，略顯不足。加之有些歷史災情資料對寒害等級的記載為人為判定，具有一定的主觀性，對指標的驗證有一定影響。因此今后需補充典型站點的實際寒害災情對瓜菜寒害氣象指標進行細致訂正，使研究結果更接近實際。此外，本研究對象為冬季瓜菜這一大類，而不同瓜菜其抗寒能力不同，在遭受同一寒害影響時，受災程度不盡相同，因此，后續將加強針對每一種瓜菜寒害氣象指標及其發生規律的研究，以提高海南冬季瓜菜寒害監測預警的精確度。