桓台县冬小麦拔节至抽穗期晚霜冻灾害的气温服务指标

荣云鹏，张继波，李宜轩，于嘉昕，王锡久

(1.桓台县气象局，山东 桓台 256400；2.山东省气象局，山东 济南 250000；3.桓台县农业局，山东 桓台 256400)

冬小麦是我国的主要粮食作物之一，对保障我国粮食安全具有极其重要的意义。晚霜冻严重影响冬小麦幼穗的分化进程，是造成我国冬小麦产量重大损失的一种短时间突发性的低温农业气象灾害[1]。霜冻灾害是指秋初、春末季节，由于地表温度(或气温)骤降，农作物茎、叶温度随之降至0℃以下，使正在发育的农作物受到冻害，从而导致减产、品质下降或绝收[2]。冯秀藻等[3]认为，我国北方麦区在小麦拔节期，气温低于0℃(或叶温低于-4℃)就可能遭受霜冻危害。随着冬小麦品种的变化，其抗寒能力也发生着改变。目前，国内对引起小麦晚霜冻灾害温度指标的表述是指作物植株处于0℃中的影响。

天气预报中提到的气温是指百叶箱内观测到的气温，与大田冬小麦植株根部、冠层的气温存在一定差异。目前已有大量有关可能引起霜冻灾害的气温指标研究。余卫东[4]进行相关对比研究认为，冬小麦冠层附近的最低气温比气象站观测150 cm高度处的气温更低，冠层内最低气温与150 cm高度处的最低气温及0 cm地温呈极显著正偏相关，可用于冬小麦冠内最低气温的精确估测。晚霜冻造成冬小麦发育异常的原因很多，小麦拔节期前后最可能发生晚霜冻，随着小麦拔节后的日数增加，冬小麦耐寒能力呈下降趋势。小麦受冻害程度除与小麦品种、降温强度和低温持续时间长短有关外，也与播期、播量、土壤、耕作质量及水肥管理等方面有很大关系[5-9]。

桓台县地处鲁西北平原，地势平坦，气候条件对周边平原地带的气候有一定的代表性，是山东省重点产麦区之一，种植面积约2.65万hm2。为进一步确定冬小麦晚霜冻气温服务指标为今后的霜冻预报服务提供参考，对桓台县近20年的霜冻灾害进行统计分析，并结合开展2020年小麦拔节至抽穗期晚霜冻气温服务指标大田观测试验。

1 资料与方法

1.1 资料

研究资料包括气象资料、小麦产量及灾情调查资料。气象资料来自桓台县气象局，包括2001-2020年大监站气温、地面0 cm地温及7个区域气象自动站最低气温资料。桓台县气象局和农业部门提供的2001-2020年冬小麦晚霜冻灾害实况，桓台县统计局提供的2001-2020年小麦产量资料。2020年试验田块实地观测气温、小麦产量，来自桓台县气象局农气人员和示范点农户田间实地观测。

1.2 方法

采用统计分析方法研究2001-2020年造成冬小麦晚霜冻害气温情况，通过实地观测和对比研究造成冬小麦晚霜冻灾害的气温情况。试验过程：2020年在小麦拔节后至小麦抽穗前开展晚霜冻气温服务指标大田观测试验。试验地块设在桓台县索镇张桥村，距离桓台国家一般站2.7 km，该地段冬小麦品种为鲁原502，播种时间为2019年10月8日，次年2月14日返青，3月15日拔节，4月12日孕穗，4月28日抽穗；同地块另一品种为藁优5218，发育期与鲁原502相近，均属于早熟品种。根据天气预报，对预测可能发生晚霜冻的低温过程跟踪观测，提前在麦田中布设温度表。观测时间段选日极端最低气温出现几率最高的5:00-7:00。每个观测点设2组温度表，观测点距离田间地头10 m以上，各点之间距离10 m以上；开展浇水和未浇水地块气温及不同小麦品种后期发育实况对比观测试验。田间观测时，每个测温点布置3层观测仪器，小麦冠层顶附近、生长点高度附近、0 cm地面3层温度；第1次田间试验观测时，参照当时小麦的实际发育情况，从地面到冠层观测气温高度设为0 cm、5 cm(大约在生长点的高度)、30 cm(小麦冠顶附近)，并对浇水和未浇水田块分别进行观测；第2次低温过程田间试验观测时，将测温层自下而上调整为0 cm、30 cm(大约在生长点的高度)、50 cm(小麦冠顶附近)高度。观测时间是观测员实际读表时间(精确到分)，田间观测的数据是实际读表的数据，参加对比数据有距离观测田块约1.5 km的桓台县国家气象站同一分钟气温数据(百叶箱气温是指桓台国家气象站的分钟气温)和桓台县7个区域气象自动站最接近读表时间的整点气温数据。

2 结果与分析

2.1 2002年、2009年和2013年冬小麦的晚霜冻危害

据2001-2020年的统计资料显示，2002年、2009年和2013年由于晚霜冻导致小麦的单位面积产量较常年减少(图1)。

图 1 2001-2020年小麦的单位面积产量

2.1.1 2002年 4月25日凌晨出现低温天气，最低气温3.7℃，地面最低温度0.7℃。桓台县气象局对此次晚霜冻进行灾情调查发现，受冻作物较多，小麦发育后期出现严重空壳或不抽穗，当年小麦单产7 020 kg/hm2。

2.1.2 2009年 4月15日夜间出现大风和降水，4月16日气温骤降，出现霜和结冰；过程极端最低气温0.4℃，出现在16日5:00-6:00；低于5℃的时间是15日23:00至16日8:00。此时小麦处于拔节末期，抗冻性明显减弱，县内小麦全部受冻，冻害面积2.43万hm2，绝产面积400 hm2，当年小麦单产5 880 kg/hm2。

2.1.3 2013年 4月19-20日普降大雪，降水量达16.1 mm，麦田积雪厚度达6 cm左右，影响穗粒数的提高。19-21日极端最低气温0.3℃，0.3℃持续时段为19日19:00至20日1:00。0 cm地温最低-0.7℃，出现时间21日4:00。此次晚霜冻过程中，极端最低气温是0.3℃，气温低于5.0℃时间是19日17:00至20日12:00。地温极端最低为0.2℃；地温低于5.0℃时间是19日16:00至20日11:00。此时小麦处于孕穗期，抗冻性弱，当年小麦单产7 590 kg/hm2。

2.2 2020年低温过程及霜冻危害

2020年小麦拔节至抽穗期桓台县主要有3次低温过程，第1次发生在3月27-30日，第2次发生在4月4-6日，第3次发生在4月21-23日。第1次和第3次，开展了田间试验观测，第2次仅进行了田间小麦实况的影像资料采集。据桓台县各镇气象服务示范点农户观测，2020年该县冬小麦拔节时间最早3月15日，最晚4月8日，平均为3月25日；抽穗期最早4月15日，最晚4月30日，平均为4月27日。据试验地段实地观测，4月17日时该地段小麦高度(量至小麦最高叶尖)为63 cm，部分小麦抽穗。

2.2.1 第1次低温过程 从表1看出，未浇水地块各层温度均较同时段浇水地块各层温度偏低，与观测站百叶箱中气温和7个区域气象自动站整点平均气温相比更低；较未浇水0 cm地面温度低但偏差略小。冯秀藻等[3]研究表明，灌溉产生的保温效应主要集中在地上0～5 cm处，至30 cm处则基本消失，该研究验证了该观点。观测发现，3月28日和29日早观测到霜，30日早观测到露，被碰触过的叶面露水转为白霜。从表2和图2看出，当观测站百叶箱气温为3.8～5.3℃时，冬小麦叶面可以观测到霜，小麦暂时无法判断是否遭受冻害。

表1 未浇水和浇水地块小麦冠层各层次温度、百叶箱气温及0 cm地面温度 ℃

表2 试验各相应时段内桓台国家气象站的最低气温与7个区域站最低气温平均值 ℃

2.2.2 第2次低温过程 大田观测发现，4月5日麦田受到霜冻危害，小麦单株受冻叶片结霜，叶尖可见冰珠；小麦节间点以上最嫩部位发生冻害呈水渍状，变软弯曲(图3)。从表3看出，4月4-5日桓台国家气象站小时最低气温为1.5～7.0℃，7个区域站小时最低平均气温为0.2～5.1℃，二者均未降至0℃以下，但同一时间的地面0 cm地温小时最低温度为-5.4～17.3℃，5日4:00-6:00地面最低温度均在0℃以下，特别是6:00最低，达-5.4℃。可见，当观测站气温为1.5～3.0℃时，冬小麦已遭受霜冻危害。

图 2 2020年3月28日和29日桓台县的小麦叶霜

表3 2020年4月4日夜间至5日相应时段内小时最低气温

2.2.3 第3次低温过程 实地调查发现，4月22-23日部分小麦旗叶抽出，部分处于抽穗初期。22日和23日均观测到霜，23日叶间露水结为冰球(图4)。从表4看出，气象站气温为5.4～11.6 ℃，0 cm地面温度为2.3～9.0℃，二者均在0℃以上且温度较高；试验田块观测到5 cm和30 cm高度处的气温分别为-2.4～6.0 ℃和-3.4～-0.3 ℃，其中5:00-6:00均在0℃以下。结合表5得出，当气象站气温在5℃左右时，田间也可形成霜，气温过程对小麦造成霜冻危害。

图 3 4月5日麦田的小麦叶霜及冬小麦单株受冻症状

图 4 4月22-23日试验点小麦叶霜现象

表4 4月21日至4月24日冬小麦冠层各层次温度、百叶箱气温和0 cm地温 ℃

表5 试验各相应时段桓台气象站与7个区域站的小时最低气温 ℃

2.3 2020年试验点小麦后期发育与产量情况

从图5看出，试验点冬小麦品种鲁原502由于采取浇水等措施，所以很好地对抗了低温过程影响，小麦单产为10 200 kg/hm2，产量较高；而同地段小麦藁优5218由于未及时采取防冻措施，小麦穗部发育不均匀，空壳样品较多，单产为9 600 kg/hm2。

图 5 2020年5月4日试验点受低温影响的小麦(藁优5218)

3 结论与讨论

综合2002年、2009年和2013年的历史统计资料分析得出，气温降至0℃左右但尚未低于0℃时，冬小麦会受霜冻灾害。根据田间实地试验对比分析得出，百叶箱测得气温和大田小麦冠层气温相差较大，日出前后，百叶箱测得气温高于大田气温；冬小麦冠层内不同层次温度不同；日出气温回升前，冠层内比冠层顶温度高；日出气温回升前，百叶箱气温接近0℃但不低于0℃时，同一时间，冬小麦冠层内或冠层顶温度低于0℃。对比3次低温过程实地观测试验结果看出，百叶箱气温与大田气温同一时间的数值最小差为4℃左右。

因预报、预警和风险评估气象服务中，由于农田经纬度、地形状况、冬小麦发育状况、管理状况不同，同一次低温过程带来的影响差异较大，兼顾服务对象地块的多种状况。结合试验观测认为，最低等级的冻害气温气象服务指标可定为4℃。因此，建议广大小麦种植农户，在小麦拔节到抽穗前，遇到预报未来最低气温有低于4℃的天气过程，要提前采取浇水等相关措施防御小麦晚霜冻。