湖北省冬播马铃薯苗期冻害风险区划*

叶 佩，刘可群，申双和，刘志雄，汤 阳，方治国

（1. 南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；2. 武汉区域气候中心，武汉 430074；3. 南京信息工程大学气象灾害预警预报与评估协同创新中心，南京 210044；4. 襄阳市农业科学院，襄阳 441057）

马铃薯（Solanum tuberosumL.）是继水稻、小麦、玉米之后世界第四大主粮作物，而中国是种植面积和产量最大的国家，发展和研究马铃薯生产具有重要的现实意义[1]。马铃薯作为湖北平原丘陵地区 开发冬闲田的优势作物，2017年种植面积达到25.79万hm2，总产量81.8 万t，同比增长7.7%，已成为推动湖北农业经济增长的新动力和农村脱贫致富的巨大助力[2]。随着品种结构的调整和主粮化战略的推进，湖北冬播马铃薯种植比例还将进一步加大。大量研究表明，天气气候条件对马铃薯生长发育及产量形成至关重要[3-5]，冷冻害、干旱等气象灾害或极端气候事件的发生频率直接影响马铃薯种植业发展布局。

近年来，马铃薯冷冻害等气象灾害及其气候风险引起了一些学者的高度关注[6-8]。方洁等[6]从马铃薯寒冻害发生机率、脆弱性和防灾减灾等方面对福建马铃薯苗期寒冻害风险进行了评估与区划；徐玲玲等[7]在分析了结薯期低温、淀粉累积期低温等不利气象条件对马铃薯产量影响的基础上，对山西马铃薯适宜性种植进行了气候分区；杨丽桃[8]从秋霜冻气象灾害对内蒙古马铃薯的种植气候风险进行分区评估与区划。据研究，苗期冻害是湖北冬播马铃薯生产中最主要的气象灾害[9-10]，严重发生时可导致马铃薯大面积绝收。伴随全球气候变化，湖北冬春季升温明显[11]，而晚霜冻、倒春寒等气象灾害或极端气候事件时有发生。实际生产中湖北冬播马铃薯播期相对固定，播种-出苗历期一般需50d 以上，播种后冬季平均气温高低可导致出苗期年际间相差近30d[12]。这种出苗期的剧烈波动性更加剧了冬播马铃薯苗期冻害风险，对湖北马铃薯苗期冻害的气候风险评估及区划显得十分必要。本研究拟采用积温推算[13-14]方法模拟计算湖北冬播马铃薯出苗期，分析马铃薯苗期冻 害风险发生规律，通过构建基于冻害频率、强度的风险评估模型，开展马铃薯冻害风险评估区划，以期为湖北冬播马铃薯种植业发展布局、防灾减灾等提供科学参考，确保马铃薯的安全生产。

1 资料与方法

1.1 资料来源

湖北中高山地区马铃薯种植方式多为春播夏收或夏播秋收，因此，选取海拔700m 以下的低山或平原作为冬播马铃薯苗期冻害风险研究区域，除鄂西少数几个高山县市外，其余70 个县市区均在研究范围，且每个县市区内均有1 个国家基本气象观测站（图1）。各站点1963-2018年逐日平均气温和最低气温资料来源于湖北省气象局气候档案室；马铃薯2013-2018年物候期观测资料来源于襄阳市农业科学院。

1.2 方法

1.2.1 出苗期确定

以往研究多采用积温法推算马铃薯的出苗期[15-17]，说明利用积温推算马铃薯的出苗期是可行的。但这些文献的研究范围主要集中在北方地区，研究结果不完全适用于湖北地区。对2013-2018年襄阳马铃薯物候期试验观测资料进行计算，结果如表1。由表可以看出，襄阳马铃薯播种-出苗所需≥0℃活动积温（以下简称积温）为 279.9～407.0℃·d，平均350.1℃·d。高广金等[18]在湖北武汉、沈其文等[19]在湖北咸宁对冬播马铃薯生育期的试验数据以及当地同步气象资料均显示，两地马铃薯播种-出苗期活动积温分别为332.5℃·d 和384.7℃·d，与襄阳地区马铃 薯播种-出苗活动积温指标范围一致，因此，采用活动积温350℃·d 作为湖北马铃薯播种-出苗期积温指标是适用、可行的。湖北冬播马铃薯主要播期为12月-翌年1月，采用12月20日作为马铃薯的播期，以马铃薯播种-出苗期活动积温指标350℃·d 推算马铃薯出苗期。

图1 湖北省冬播马铃薯种植区域及气象站点分布 Fig. 1 Geographical distribution of meteorological stations and planting areas of winter-sowing potato in Hubei province

表1 2013-2018年试验观测湖北省主栽马铃薯品种播种-出苗期所需≥0℃积温（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 冻害指标确定

采用气象行业标准马铃薯苗期冻害等级指标[20]，即以日最低气温Tmin≤-1℃为一次轻度以上冻害，Tmin≤-2℃为一次中度以上冻害，Tmin≤-3℃为一次重度以上冻害，连续多天达到冻害时以日最低气温最低的一天确定其冻害等级。

1.2.3 冻害风险指数

湖北冬播马铃薯普遍在12月-翌年1月播种，苗期（即出苗-现蕾开花期）为2月中下旬-3月下旬[10]。在此期间出现降温过程，且日最低气温达冻害标准的记1 次冻害，冻害风险频率（Pi）的计算式为

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为旬最低气温；轻度以上冻害时，Tmin0为-1℃；中度以上冻害时，Tmin0为-2℃；重度以上冻害时，Tmin0为-3℃。逐旬累计1964-2018年各等级冻害可能出现的年数，由各站点数据计算55a 各分区第i 旬苗期冻害风险频率（Pi）。

根据农业气象灾害风险原理，灾害风险性大小主要由致灾因子强度与频率，以及承载体面对灾害受灾程度决定[21]，由此，提出如下计算式

式中，I 为马铃薯苗期冻害风险指数，k=1、2、3 分别为轻度、中度、重度冻害等级，Pk为马铃薯整个苗期第k 级冻害发生频率，Lk为第k 级冻害对应受冻率，根据刘喜才等[22]研究制定的马铃薯冻害标准，轻度、中度、重度冻害受冻程度分别取0.3、0.5、0.7。

2 结果与分析

2.1 湖北冬播马铃薯出苗期的时空变化

图2 是以12月20日为播期推算的湖北省1964-2018年马铃薯平均出苗期。由图可见，马铃薯出苗期在地域上存在很大差异，最早为长江三峡河谷地区的巴东、秭归等地，在2月12-13日；其次是鄂东南、鄂西南低山地区和江汉平原中南部，出苗期主要在2月下旬；而鄂西北和鄂东北北部出苗期普遍较晚，出苗期在3月上中旬，其中竹溪、房县分别在3月16、17日。总体上呈现为马铃薯出苗期南早北晚；同纬度上东西早，中部略偏晚的特点。

图2 1964-2018年利用积温法推算的湖北省各站冬播马铃薯平均出苗日期（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)

图3 是推算的各区域典型代表站马铃薯历年出苗期，选取各区域内马铃薯种植面积相对较大、并有一定代表性的县市，鄂西北选取房县、鄂东北选取英山、鄂西南选取恩施、鄂东南选取通山、江汉平原选取监利为代表站。由图可见，受冬季平均气温波动的影响，每年马铃薯出苗期差异较大，研究期内有逐年提早出苗的趋势。由图3a 可见，湖北全区冬播马铃薯平均出苗期为3月1日；最早的出苗期是2月8日（1999年）；最晚出苗期为3月19日（1969年）。全省冬播马铃薯出苗期年际间相差40d，且冬季平均气温高，马铃薯出苗期提早。不仅在湖北全区马铃薯出苗期受冬季平均气温影响较大，在每个站点更是如此，55a 来，鄂西北（图3b）和鄂东北（图3c）代表站的平均出苗期为3月上旬；鄂西南（图3d）、鄂东南（图3e）和江汉平原（图3f）代表站平均出苗期为2月下旬。江汉平原马铃薯出苗期年际波动范围最大，年际间相差达到46d，其次是鄂东北、鄂东南和鄂西北等地出苗期年际间相差40d 左右，鄂西南年际间变化最小，出苗期年际间相差也超过30d，且亦呈现出冬季平均气温高，出苗提早的趋势。

2.2 冬播马铃薯苗期冻害高发时段分析

以12月20日为马铃薯播期，动态计算苗期各旬冻害发生的频率（图4）。由图4a 可见，湖北全区冬播马铃薯苗期冻害高发时段主要集中在2月下旬和3月上旬，其中3月上旬冻害发生频率最高，该时段中度和重度及以上冻害发生频率远高于轻度，且发生时间明显偏早。不同区域冻害发生频率的时段分布不同，鄂西北冻害发生时间明显偏晚（图4b），主要分布于3月上中旬，在3月上旬达到最高，轻、中、重度等级冻害发生频率分别为29.09%、12.73%、5.45%，且在3月下旬仍有冻害发生。鄂东北（图4c）、鄂东南（图4e）和江汉平原（图4f）冻害主要发生在2月下旬和3月上旬，3月上旬最多，轻、中、重度等级冻害发生频率分别为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（图4d）冻害发生频率主要集中在2月中下旬，在2月下旬达到最高，轻、中、重度等级冻害发生频率分别为20%、7.27%、3.64%，3月中旬及以后时段基本无冻害发生，冻害高发时段明显偏早。这与各区域马铃薯主要出苗期基本一致，马铃薯出苗期的早晚影响着冻害发生频率的时间分布。

2.3 冬播马铃薯苗期冻害频次时空分布

2.3.1 年际变化

图5 为湖北冬季平均气温与马铃薯苗期冻害站次的年际变化，由图可见，冬季平均气温与马铃薯苗期冻害发生站次年际变化具有很好的一致性，冬季平均气温偏高，则马铃薯苗期冻害发生站次越多。马铃薯冻害发生典型年份为1965、1966、1979、1987、1988、1999、2010、2014年等年份。其中1988年是冻害发生频次最多的年份，轻、中、重度冻害频次分别为68、13、1 站次，全年总计82 站次，也是轻度冻害发生最多的年份。1966年是中度和重度冻害站次发生最多的年份，1966年冬季平均温度为5.2℃，较历史同期偏高1℃。推算的全省出苗期较多年平均提前8d。但由于2月22-24日及3月6-9日两次强降温过程，导致大多数地区极端最低气温分别为-6～-4℃和-4～-1℃，造成鄂东南地区所有站点均发生重度冻害，全省中、重度低温冻害分别为17、33 站次。根据马铃薯出苗日期以及冻害发生站次的年际变化可知，马铃薯出苗日期偏早年和冻害发生站次偏多年大都是冬季平均气温偏高的年份，表明近年来湖北冬季增温显著[11]，导致冬播马铃薯出苗期提前，进而加重了马铃薯苗期冻害风险。

图3 1964-2018年湖北省各区域代表站点冬播马铃薯出苗日期和冬季平均气温的年际变化 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

图4 1964-2018年湖北省各区域马铃薯苗期不同等级冻害频率的时间分布 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 空间分布

图5 1964-2018年湖北省冬季平均气温和马铃薯苗期冻害站次的年际变化 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

图6 1964-2018年湖北省马铃薯苗期不同等级冻害频次的空间分布（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

图6 为马铃薯苗期不同等级冻害发生频次的空间分布。由图可见，湖北大部分地区均有不同程度的冻害发生，高值区主要分布在鄂东和江汉平原南部，其次是鄂西北的南部和中东部地区，鄂西南冻害发生频次最少，整体上呈现由东北部向中东部和西南部逐渐减弱的趋势。全省冻害高发频次区主要 位于鄂东地区的罗田、英山、通山和江汉平原的监利等地，最高在通山县发生了轻度及以上冻害23 次；其次是江汉平原的荆州以及鄂西北的襄阳等地区冻害发生频次相对较少，轻度及以上冻害次数不足10次；在鄂西南地区的巴东、秭归、恩施等地冻害发生频次最少，仅有2～3 次轻度冻害出现。受冬季平均气温影响，马铃薯出苗期的早晚也影响着冻害发生频次的空间分布，鄂东南地区的通山、通城等地出苗期为2月下旬，出苗期较早，导致通山、通城等地区冻害发生频次和强度均偏高；鄂西北地区出苗期偏晚，导致冻害发生频次偏少，且主要是以轻度冻害为主。而鄂西南地区的巴东、秭归等地出苗期较早，无论是轻度、中度还是重度及以上冻害发生频次都很少，这主要与三峡河谷北面大巴山脉对冷空气阻挡，导致该地区常年气候偏暖有关[23]。

2.4 湖北冬播马铃薯苗期冻害气候风险区划

表2 为湖北各区域马铃薯不同播期冻害风险指数，其中12月20日是较接近于湖北冬播马铃薯播种的实际情景，其它时段是在12月20日的基础上整体提前或延后播期模拟的马铃薯冻害风险指数。由表可见，播期提前则马铃薯冻害风险大大增加，提前5d 平均冻害风险指数增加49.4%。随着时间推迟，冻害风险指数呈下降趋势，播期推迟5d 平均冻害风险指数降低36.5%，推迟15d，平均冻害风险指 数降低74%，其中江汉平原地区冻害风险指数下降幅度最为显著。综合考虑避免马铃薯块茎膨大期遭遇高温、干旱灾害和尽早上市提升收益等因素，风险指数I 低于2%，冻害风险发生几率不到5%，其对应不同区域不同的播期可作为可控适宜播期。其中鄂西南和江汉平原适宜播期为1月1日；鄂西北适宜播期为1月5日；鄂东北和鄂东南适宜播期为1月10日。

根据式（3）计算湖北马铃薯冻害风险指数分布情况（图7）。由图7 可见，马铃薯冻害高风险区主要位于鄂东南和江汉平原南部以及鄂东北和鄂西北北部等地区，冻害风险指数I 大于8%，其中鄂东南和江汉平原南部地区马铃薯出苗早，导致冻害发生频率高，危害程度严重，该地区不利于马铃薯的安全种植。中风险区主要位于鄂西北南部和中东部各县市，冻害风险指数I 为4%～8%，鄂西北南部和中东部地区马铃薯出苗期偏晚，冻害相对较少且冻害强度主要以轻度为主。低风险区主要位于鄂西南大部地区，冻害风险指数I 不超过4%，甚至在恩施、建始等地冻害风险指数仅为1.09%，这主要是其临近三峡河谷温暖气候带，导致恩施55a 来仅发生2 次轻度冻害，且无中度和重度冻害发生。该地区适宜扩大马铃薯复种面积或采取与豆类、玉米、小麦间套带种等多种种植形式。在冻害高风险区应适当推迟播期，规避冻害风险。分别将鄂西南和江汉平原地区播期推迟10d，鄂西北地区播期推迟15d，鄂东北和鄂东南地区播期推迟20d，可使其冻害风险指数降至2%以下。

表2 湖北省各区域不同播期马铃薯苗期冻害风险指数（I，%） Table 2 Risk index of potato seedling stage freezing damage (I) if sowing on different date in each region of Hubei province（%）

图7 湖北省冬播马铃薯苗期冻害风险指数分布 Fig. 7 Distrbution of the freezing damage risk index for winter-sowing potato during seedling stage in Hubei province

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）马铃薯苗期冻害主要发生在2月下旬、3月上旬，尤以3月上旬冻害发生频率最高。但在不同地域发生时间不一致，其中鄂西北冻害主要发生在3月上中旬，鄂东北、鄂东南和江汉平原冻害主要发生在2月下旬和3月上旬，鄂西南冻害主要发生在2月中下旬，这主要与马铃薯出苗期的早晚有关。

（2）马铃薯苗期冻害高风险区主要位于鄂东南和江汉平原南部以及鄂东北和鄂西北北部等地区，不利于马铃薯的安全种植；中风险区主要位于鄂西北南部和中东部各县市；低风险区主要位于鄂西南大部地区，适宜马铃薯的种植和生长。在苗期冻害高风险区应适当推迟播期来规避冻害风险，分别将鄂西南和江汉平原播期推迟10d；鄂西北播期推迟15d；鄂东北和鄂东南播期推迟20d，可使其冻害风险下降至2%以下。

（3）冬季平均气温影响马铃薯苗期冻害，暖冬年马铃薯出苗早，冻害发生风险高；冷冬年马铃薯出苗晚，冻害发生风险低。因此，在冬季偏暖年不宜采取增温措施，冬季偏冷年则需要采取增温措施，降低冻害风险。

（4）受冬季平均气温影响，马铃薯出苗日序的年际变化波动大，且随着时间的推移，马铃薯出苗期呈现提早的趋势，造成马铃薯冻害风险高。在气候变化背景下，冬季平均气温升高显著，马铃薯出苗期将进一步提早，年际波动性还将加大，随之马铃薯遭遇冻害的风险还将更高。

3.2 讨论

受冬季平均气温升高影响，马铃薯出苗期和冻害发生频次年际变化大，致灾因子对马铃薯的危害程度和时段也将发生改变。利用积温推算马铃薯动态出苗期的方法，更好地反映了各地区马铃薯的普遍出苗期，由此进行马铃薯苗期冻害风险评估区划更接近于实际生产，为进行马铃薯甚至其它作物生育期对气象灾害的敏感性研究提供了一种新的方法和思路。本研究从马铃薯受冻率的角度研究冻害风险，一方面考虑了马铃薯受冻减产的风险，另一方面也考虑了马铃薯因受冻，发育期推迟，出现集中扎堆上市的情况，经济效益下滑的风险。区别大多数研究固定生育期和仅考虑气候减产的研究，提升了研究马铃薯冻害风险的准确性。

近年来，在气候变暖背景下，霜冻害发生不仅没有减轻，反而加重[24]，且马铃薯本身不抗冻，其应对气候变化的敏感性和生育期脆弱性增加[25]。本研究也表明冬季气温变暖将加大马铃薯出苗期的波动性，从而加重马铃薯苗期冻害。因此，全球气候变暖背景下的马铃薯冻害事件不容忽视。根据模拟不同播期的马铃薯冻害风险给出各地区马铃薯适宜播期来规避冻害，与邹宗成等[26]研究湖北恩施冬播马铃薯适宜播期在12月30日-1月9日的结论基本一致。说明本研究结果在马铃薯实际生产过程中具有科学的指导意义，同时也表明马铃薯收获期也与气候条件联系紧密，不同地区不同品种的适宜收获时段也需要进一步研究。

刘克文等[27]研究也发现鄂北随州等地为马铃薯苗期冻害高发风险区，与本研究结果相符。但受到马铃薯受冻灾害资料的限制，本研究未考虑承载体脆弱性和孕灾环境以及防灾减灾等因素对马铃薯冻害风险构成影响，反映湖北冬播马铃薯冻害风险准确度有限。今后需结合马铃薯生长发育模型[28]、中短期气候模式、天气气候模式预测等多种技术手段从马铃薯致灾因子危险性、承载体的脆弱性、孕灾环境和防灾减灾等方面综合研究马铃薯冻害风险，更加精确反映马铃薯苗期冻害风险。