内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻时空分布特征及其对产量的影响

王永玺，皇 彦，苏 力

(1.阿拉善左旗气象局，内蒙古 阿拉善 750300；2.乌兰察布市气象局，内蒙古 乌兰察布 012000；3.阿拉善盟拐子湖气象站，内蒙古 阿拉善 735408)

霜冻是植物生长季内，由于冷空气的入侵，致使植物表面及近地层温度和土壤温度骤然下降，从而使植物受到伤害，甚至死亡的低温冻害[1]。霜冻在我国发生范围较广，危害作物种类较多，给农业生产带来了巨大损失[2-5]。霜冻主要发生在春、秋两季，初霜冻提前或者终霜冻推迟都会给农业生产造成不利影响[6,7]。内蒙古地区海拔高、温差大、气候冷凉，非常适宜种植马铃薯，是我国最大的马铃薯生产基地。在内蒙古地区，霜冻已成为影响马铃薯生产的重要气象灾害之一，特别是秋季，马铃薯正处于块茎增长和淀粉积累的重要时期，秋霜冻直接影响马铃薯的产量，甚至绝收[8]。因此，内蒙古地区马铃薯霜冻灾害应该引起高度重视。能否有效减少霜冻对马铃薯生产造成的损失，为政府部门决策生产、防灾减灾提供科学依据，就成为一个严峻的问题。

20世纪初，欧美、日本等一些发达国家已建立气候预测、诊断等方面的研究。随着全球气候变暖，霜冻的变化规律和特征引起了更多的关注。Katrina Richards等[9]以温度为指标，通过结合当地气候及地形的分布，分析新西兰南部霜冻的分布特征，结果表明霜冻的空间分布与地表类型、海拔、经纬度等密切相关。Mohammad Rahimi等[10]对伊朗中部的重要农业地区进行霜冻研究，发现该地区霜冻出现的日期服从PoissonⅢ分布，霜冻出现的频率与海拔高度呈正相关性，高海拔地区霜冻更为频繁。国内的许多学者也做了大量研究工作，伏洋等[11]研究了德令哈地区的霜冻分布特点，根据不同生育期遭受霜冻害的临界温度值，确定出了适合该地区春小麦和油菜气候特点的综合霜冻指标，全面地反映霜冻的实际情况。郭晓雷等[12]研究了宁夏枸杞种植区春霜冻发生的时空分布特征，发现枸杞种植区发生霜冻次数呈现南北多、中间少的分布特征；终霜日呈现南部偏晚、中北部偏早的空间分布特征，终霜冻日以2.1 d/10a的速率提前，且阶段性变化特征明显。杜春英等[13]研究发现东北地区初霜冻呈波动式变化，出现时间呈由北向南逐渐推迟趋势；黑龙江省最易发生初霜冻，玉米产量受初霜冻风险影响最大。杨松等[14]研究发现河套灌区各地春霜冻结束时间从西南向东北部地区延迟；春霜冻变化趋势不同,但总趋势均提前；春霜冻变化规律与气温变化规律不同，对中长日期的向日葵生长影响较大。王惠贞等[15]以不同气候生态区的80%保证率成熟日期作为界限日期，评定大豆秋霜冻灾害，分析了内蒙古大豆秋季霜冻发生的演变特征及空间分布特征，结果表明，在30年时间尺度内，内蒙古大豆不同等级秋季霜冻发生范围有略变小的趋势，初霜冻日均呈提前趋势；轻霜冻发生范围相对较广且发生范围的年际变化较大；不同等级秋季霜冻发生频率大致呈东北高、西部和东南部低的空间分特征。

目前，对内蒙古地区马铃薯霜冻灾害的研究较少，对不同程度霜冻时空分布规律及霜冻对马铃薯产量的影响研究甚少。笔者选取内蒙古中部地区21个气象观测站点，在前人研究的基础上构建了内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻监测指标，研究内蒙古中部地区马铃薯不同等级秋霜冻发生的时空分布规律，并分析了秋霜冻对马铃薯产量的影响，以期为内蒙古中部地区马铃薯种植产业有效规避秋霜冻灾害提供科学的参考。

1 资料与方法

选取内蒙古中部地区21个气象观测站(见图1)1980年—2019年8月—10月日最低气温资料和6个农气观测站1980年—2019年马铃薯发育期资料。1994年—2017年马铃薯产量资料来源于内蒙古自治区统计年鉴，其他年代马铃薯产量资料存在缺失。由于21个气象观测站中只有6个站点具有发育期观测资料，因此根据马铃薯生长特性，采用就近替代的原则替代马铃薯生育期。马铃薯历史灾情数据来源于《中国气象灾害大典·内蒙古卷》和中国气象局气象灾害直报系统数据库。

利用ArcGIS空间分析技术研究内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻发生频率及强度。采用当年内蒙古中部地区出现马铃薯秋霜冻的气象观测站数与总气象观测站数(21个观测台站)的比值(IOC)方法，用以表示内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻出现的范围大小。

图1 研究区域气象观测站分布

2 结果与分析

2.1 内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻灾害的监测指标

根据内蒙古中部地区6个农业气象观测站马铃薯发育期资料和21个地面观测站的多年秋霜冻日期，得出内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻发生在8月—10月。借鉴《中华人民共和国气象行业标准QX/T 88-2008作物霜冻害等级》，结合历年马铃薯遭受秋霜冻的实际情况，将内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻灾害的指标进行修正(见表1)。

表1 内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻监测指标

2.2 内蒙古中部地区秋霜冻的发生规律

利用选取的21个气象台站1980年—2019年秋霜冻日期资料进行统计，结果表明：内蒙古中部地区秋霜冻出现的时间主要集中在9月下旬和10月上旬；乌兰察布市秋霜冻主要出现9月中、下旬，出现时间要早于包头市和呼和浩特市；包头市和呼和浩特市秋霜冻主要出现在9月下旬和10月上旬，呼和浩特市略早于包头市。各地北部秋霜冻比南部出现的早。从秋霜冻的80%保证率日期和历年平均日期来看，乌兰察布市秋霜冻出现时间最早，80%保证率日期多在9月下旬，其次为呼和浩特市，包头市相对较晚，包头市和呼和浩特市的秋霜冻80%保证率日期均在10月中旬。各地80%保证率的秋霜冻日期比历年平均日期偏晚4 d～8 d(见表2)。

表2 内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻80%保证率日期与多年平均日期比较

察哈尔右翼中旗、固阳县、武川县分别为乌兰察布市、包头市和呼和浩特市的马铃薯主产区，且均有马铃薯农业气象观测站，具有较好的代表性，可以代表3个地区的马铃薯状况。利用察哈尔右翼中旗、固阳县、武川县三站的初霜冻日期资料，分析其时间变化趋势，将8月21日记为1，8月22日记为2，……以此类推，由图2可见，乌兰察布市、包头市、呼和浩特市3个地区的初霜冻日期时间变化不存在规律性，呈波动变化。乌兰察布市和呼和浩特市在20世纪80年代年际变化较大，20世纪90年代至21世纪初相对平稳，2010年之后年际变化变大。包头市在20世纪80年代年际变化相对平稳，20世纪90年代后开始剧烈变化。1983年、1986年、1988年、1990年、1997年、2007年、2012年等年份的初霜冻日期偏离平均状态较多。乌兰察布市和呼和浩特市的初霜冻发生日期随年代呈推迟趋势，包头市基本维持不变，说明随着气候变暖，内蒙古中部地区初霜日呈推迟趋势。

乌兰察布市初霜冻出现的日期早于呼和浩特市，平均偏早4 d，呼和浩特市初霜冻出现的日期早于包头市，平均偏早11 d。可见内蒙古中部地区乌兰察布市初霜冻出现的最早，包头市最晚，二者出现时间相差15 d，也说明初霜冻对乌兰察布市的影响最大(见图2)。

图2 1980年—2019年察哈尔右翼中旗、固阳县、武川县站初霜冻日期变化趋势

2.3 内蒙古中部地区秋霜冻发生面积比重及强度时间分布

采用当年内蒙古中部地区出现秋霜冻的气象观测站与总气象观测站数(21个观测台站)的比值(IOC)方法，表示内蒙古中部地区全省秋霜冻出现的范围。从图3(a)中可以看出，内蒙古中部地区发生秋霜冻面积比重从1980年—2019年总体呈下降的趋势，20世纪前大多数年份秋霜冻发生面积比重高于40 a平均水平，20世纪后大多数年份秋霜冻发生面积比重低于40 a平均水平。内蒙古中部地区较大范围发生秋霜冻的年份有1980年、1982年、1985年、1997年、2006年、2011年，共6年，秋霜冻面积比重超过了50%台站。

从图3(b)秋霜冻发生的强度来看，重度秋霜冻发生面积比重高于中度秋霜冻和轻度秋霜冻。重度秋霜冻、中度秋霜冻和轻度秋霜冻发生面积比重从1980年—2019年均呈下降的趋势。1980年、1982年、1997年、2006年发生重度秋霜冻的面积比重达到了50%，即有一半的台站发生了重度秋霜冻，1983年、2015年所有台站未发生重度秋霜冻。中度秋霜冻发生的面积比重均在45%以下，2003年、2007年、2008年、2013年、2016年所有台站未发生中度秋霜冻。轻度秋霜冻发生的面积比重均在40%以下，1998年、2007年、2015年、2019年这4年所有台站未发生轻度秋霜冻。

2.4 内蒙古中部地区秋霜冻发生频率及强度空间分布

内蒙古中部地区秋霜冻空间分布采用各站点1980年—2019年间秋霜冻发生的年数与40 a的比值来计算。从图4(d)可以看出，从1980年—2019年，内蒙古中部地区有不同程度的秋霜冻发生，频率在2.5%～92.5%之间。整体来看，内蒙古中部地区发生秋霜冻的频率呈从南向北递增的趋势。乌兰察布市北部地区发生秋霜冻的频率最高，包头市地区发生秋霜冻的频率次之，呼和浩特市地区发生秋霜冻的频率相对较低。乌兰察布市的察哈尔右翼中旗、察哈尔右翼后旗、四子王旗发生秋霜冻的频率较高，分别为92.5%、62.5%、57.5%。包头市的达尔罕茂明安联合旗、固阳县发生秋霜冻的频率较高，分别为82.5%、72.5%。呼和浩特市武川县发生秋霜冻的频率较高，为70%。

从霜冻空间分布的强度来看(见图4)，轻度秋霜冻、中度秋霜冻、重度秋霜冻均主要分布在北部。从整个内蒙古中部地区分布情况来看，重度秋霜冻发生的频率大于中度秋霜冻和轻度秋霜冻。最大值发生在乌兰察布市的察哈尔右翼中旗，高达87.5%，即1980年—2019年间有35 a发生了重度秋霜冻。其次为包头市的达尔罕茂明安联合旗，高达75%，即1980年—2019年间有30 a发生了重度秋霜冻，其余地区发生频率低于70%。中度秋霜冻最大值发生在包头市的达尔罕茂明安联合旗，达到了42.5%，其次为乌兰察布市的商都县，达到了37.5%，其余地区发生频率低于30%。轻度秋霜冻主要发生在乌兰察布市的察哈尔右翼中旗、四子王旗、察哈尔右翼后旗，包头市的达尔罕茂明安联合旗和呼和浩特市的武川县，发生频率在30%左右，其余地区发生频率低于20%。

(a)秋霜冻平均值 (b)不同程度秋霜冻

图4 1980年—2019年秋霜冻空间分布

2.5 内蒙古中部地区马铃薯单产与秋霜冻的关系

利用1994年—2017年内蒙古中部地区马铃薯单位面积产量数据进行统计(见图5)，结果表明内蒙古中部地区马铃薯单位面积产量呈总体波动上升趋势。2017年马铃薯单位面积产量最高，为4 003 kg/hm2。2016年马铃薯单位面积产量最低，为1 670 kg/hm2。1994年—2000年、2001年—2010年、2011年—2017年马铃薯单位面积产量均呈先增加后减少的趋势。

图5 内蒙古中部地区1994年—2017年马铃薯单位面积产量

马铃薯单产大幅下降的年份为1997年、1999年、2001年、2005年、2007年、2009年、2015年、2016年，具体见表3。

由马铃薯单产和秋霜冻发生面积比重的时间变化对比可以发现，马铃薯单产和秋霜冻发生面积比重变化基本呈相反的趋势，即马铃薯单产增加的时间段恰好是秋霜冻发生面积比重减少的时间段。例如1996年、2003年、2012年马铃薯单产明显增加，而当年秋霜冻发生面积比重明显下降；1997年、1999年、2009年、2016年马铃薯单产明显减少，而当年秋霜冻发生面积比重明显增加。这说明秋霜冻在一定程度上造成马铃薯的减产(见图6)。

表3 马铃薯大幅减产年份(1994年—2017年)

图6 1994年—2017年马铃薯单位面积产量与秋霜冻发生面积比重对比

3 讨论

霜冻是影响内蒙古地区农作物生产的主要气象灾害之一，造成作物产量下降或者绝收。笔者研究了内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻的特征，发现内蒙古中部地区马铃薯秋霜冻发生的时间不存在规律性，随年代呈波动式变化。内蒙古中部地区秋霜冻发生时间呈推迟的趋势，其中乌兰察布市秋霜冻出现的最早，呼和浩特市次之，包头市秋霜冻出现的时间相对较晚。这是因为在全球气候变暖的大背景下，处于农牧交错带的内蒙古中部地区增温较显著；另外，乌兰察布市地处阴山山脉末端，受冷空气影响更为直接，因此乌兰察布市是最易发生初霜冻的地区，马铃薯受初霜冻影响的风险最大。马铃薯单位面积产量与秋霜冻面积比重变化趋势相反，说明在全球气候变暖的趋势下，内蒙古中部地区初霜日推迟，秋霜冻发生范围也在减小，一定程度上有利于提高该区马铃薯的产量。

4 结论

①内蒙古中部地区秋霜冻发生时间呈推迟的趋势，乌兰察布市最早，呼和浩特市次之，包头市相对较晚。秋霜冻面积比重从1980年—2019年呈下降的趋势，且重度秋霜冻发生面积比重高于中度秋霜冻和轻度秋霜冻。②从空间分布来看，马铃薯秋霜冻的发生频率呈从南向北递增的趋势。乌兰察布市发生秋霜冻的频率最高，包头市发生秋霜冻的频率次之，呼和浩特市发生秋霜冻的频率相对较低。轻度秋霜冻、中度秋霜冻、重度秋霜冻均主要分布在北部，重度秋霜冻发生的频率要大于中度秋霜冻和轻度秋霜冻。③马铃薯单位面积产量呈波动上升趋势，基本与秋霜冻面积比重变化趋势相反。

由于内蒙古中部地区观测时间较长的农业气象观测站较少，本文采用就近替代的原则替代马铃薯生育期，研究过程中存在一定的误差。此外，由于部分马铃薯产量资料缺失，导致早期马铃薯秋霜冻对产量的影响无法分析。以上不足需要进一步改善，深入研究。