河西走廊东部农业气象灾害变化特征及对现代农业发展的影响分析

罗晓玲，杨 梅，李岩瑛，3，蒋菊芳，伏芬琪

（1.甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.甘肃省武威国家气候观象台，甘肃 武威 733000；3.中国气象局 兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州 730020；4.兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

自然灾害与人类的生产与生活息息相关，在各类自然灾害中，气象灾害占到70%以上。我国每年受重大气象灾害影响的人口达4亿人次，所造成的经济损失占到国内生产总值的1%～3%。在近50 a中国发生的重大气象灾害中，受灾人口常高达数亿人次，造成的直接经济损失高达数千亿元［1-2］。近年来气候变化导致极端天气气候事件多发频发，农业气象灾害呈现出频率高、强度大、危害日益严重的态势，导致了主要粮食作物产量下降，对农业可持续发展和粮食安全构成了严重威胁。甘肃省气象灾害种类多、发生频率高、危害重，因气象灾害造成的损失占自然灾害损失的88.5%，高出全国平均水平18.5个百分点，占甘肃省GDP的3%～5%［3-5］。武威市地处甘肃省河西走廊东部，黄土高原与戈壁荒漠的交汇带，为半干旱气候与干旱气候的交界区，也是气候变化敏感和生态脆弱地带，气候类型复杂，气象灾害频发，严重制约了当地农业生产和农业经济的发展。在以变暖为主要特征的气候变化背景下，农业气象灾害的风险逐渐增大，呈现多灾种叠加的态势，已严重影响到地方经济的发展。杜会石等［6-7］研究了干旱、洪涝、风雹和低温冷害等气象灾害的成灾率和对农业生产的影响；罗晓玲等［8-11］对河西走廊沙尘暴、寒潮、干旱、霜冻等农业气象灾害及其影响进行了分析；李栋梁等［12-14］分析和探讨了气候变化和农业种植结构调整的关系。前人的研究大多数基于基本气象站数据，但资料年代短，缺乏使用区域站资料和灾情数据对研究区农业气象灾害系统性的分析研究。

本研究利用武威市辖区内国家基本气象站和区域气象观测站的逐日观测数据和气象灾情资料，分析了该区域气象灾害的时空分布特征及变化趋势，并详细阐述了气象灾害对武威市农牧业生产的影响，以期进一步了解极端灾害天气产生的机理，为准确预测、预报极端灾害天气，建立防灾减灾体系提供技术支撑，同时为农业气候资源的合理利用、农业气象灾害的有效防御、传统农业向特色农业的转变、粮食安全的有效保障等提供科学依据。

1 研究区概况及农业生产现状

武威市地处甘肃省河西走廊东部（图1），乌鞘岭以西，祁连山北麓，位于101°41′~104° 16′E、36°29′~39°27′N，共辖民勤、凉州、古浪、天祝4个县（市、区），地势西南高、东北低，海拔1300~3100 m，年降水量为110~410 mm，年蒸发量为1500~2700 mm。随着海拔的升高，由东北向西南气温呈下降趋势，降水则相反。区内气候干旱少雨，温差大，灾害天气多发，主要农业气象灾害有冻害（寒潮、霜冻、低温冷害、雪灾）、干旱、大风沙尘暴、暴雨洪涝、冰雹等。

图1 甘肃省武威市的地理位置

在甘肃省，武威市是典型的农业用水大市。随着城镇化和工业化进程的不断推进，同时受到土地供应紧张、水资源短缺等生产要素的制约，在保证粮食生产安全的前提下，武威市积极调整种植结构比例，重点发展以日光温室蔬菜、特色林果、制种产业、棉、油、药材等为主的高附加值经济作物，形成了以制种玉米、小乳瓜、茄子、辣椒、西红柿等为主的特色蔬果基地；以红枣、枸杞、皇冠梨、红提葡萄和薄皮核桃等为主的特色林果基地；以棉花、洋葱、食用菌、花卉、甜菜、酿酒葡萄和食葵等为主的特色高效作物基地；以牛羊养殖为主的肉类繁育生产基地。在保证传统农业一定规模的基础上逐渐向特色农业转型。

2 资料与方法

2.1 资料来源与说明

所用气象要素数据来源于1961—2020年武威市4个国家基本气象观测站（凉州、民勤、古浪、乌鞘岭）的逐日观测资料，以及辖区内2011—2020年92个区域气象观测站的逐日观测数据。灾害灾情资料取自1983—2020年武威市气象灾害普查记录。

根据中国气象局和甘肃省气象局制定的干旱标准，结合本地的实际情况，以降水距平百分率(ΔR)和日降水量＜5 mm的连续天数(ΔD)为依据，将干旱分为轻旱、中旱、重旱和特重旱4级（表1），并将干旱强度标准化定义为1～5级，无旱为1级，轻旱为2级，中旱为3级，重旱为4级，特重旱为5级。

表1 干旱等级划分标准

2.2 统计与分析方法

使用一元线性回归方程拟合各气象要素的线性变化趋势，即y=a+bx，其中y表示每年的气候要素值，x表示气候要素对应的年份，a为常数，b为气候倾向率，当b＞0时，气候要素随时间呈上升趋势。

以气候倾向率方法分析干旱强度、大风频次、沙尘暴频次、无霜期日数、寒潮频次的变化趋势；在此基础上，分析气象灾害对当地农牧业生产的影响，并深入细化防御指南和应对措施。

应用Excel 2007、SPSS 22.0、VB 6.0等软件对各类资料进行统计、处理和分析。

3 结果与分析

3.1 农业气象灾害的变化特征

3.1.1 干旱 武威市由于特殊的地理位置，水汽受青藏高原阻挡，无法到达该区域，常年干旱少雨，是典型的干旱、半干旱区。据统计，近60 a来，凉州、民勤分别发生了58、59 a干旱，几乎年年有旱；武威市干旱频率呈现从南到北（从高海拔到低海拔）逐渐增多的变化趋势，3种干旱（春旱、春末夏初旱、伏旱）的特重旱发生频率均以民勤最高，以古浪最低，最大频率是最小频率的4~5倍。

经统计，武威市1961—2020年春旱发生频率在22%~70%之间，春末夏初旱发生频率在13%~57%之间，伏旱发生频率在25%~90%之间。干旱是武威市的第二致灾灾种，年均经济损失超过5460万元，农业受灾面积最大，年均超过31639 hm2。

近60 a来武威各类干旱强度均呈不显著的减弱趋势（图2），线性倾向率表现为春旱(-0.10/10 a)＜春末夏初旱(-0.08/10 a)=伏旱(-0.08/10 a)。中度（3级）以上春旱、春末夏初旱、伏旱发生频次年代际变化（表2）显示，春旱发生频次以20世纪60年代和80年代最多，近20 a最少；春末夏初旱发生频次以20世纪70年代和21世纪00年代最多，90年代和近10 a最少；伏旱发生频次以20世纪70年代最多，80年代次多，60年代、90年代和近10 a最少。总体来看，中度以上干旱近10 a发生频次最少，较20世纪70—80年代减少了2.4次。本研究发现武威市近10 a的降水量为60 a来最多，这与各类干旱强度的减弱密切相关。

表2 武威市中度以上干旱发生频次的年代际变化 次

图2 武威市近60 a干旱强度的变化趋势

3.1.2 大风 受河西走廊峡管效应的影响，武威市大风频繁，从南向北大风年均发生频次依次为天祝乌鞘岭65.2 d、古浪3.7 d、凉州9.8 d、民勤19.2 d，呈南北多、中间少的特点。大风一年四季均可出现，以4—5月最多，9—10月最少；春季最多，秋季最少。

近60 a来，天祝乌鞘岭的大风频次呈极显著的增加趋势，年际倾向率为5.0 d/10 a；其他县（区）的大风频次呈减少趋势，年际倾向率表现为凉州(-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)；武威全市的大风频次总体呈减少趋势（-0.3 d/10 a）（图3）。年代际变化表明：20世纪60年代是近60 a来大风最少期，其中1967年最少，为8.3 d；1969—1982年则是大风最多期，其中1973年最多，为40.3 d；之后大风日数逐渐波动减少，近10 a略有反弹。

图3 武威市近60 a大风频次的变化趋势

在四季中，春季的大风频次呈略减少趋势，年际倾向率为-0.1 d/10 a；夏季的大风频次呈显著减少趋势，年际倾向率为-0.4 d/10 a；秋季的大风频次呈持平状态；冬季的大风频次呈略增加趋势，年际倾向率为0.2 d/10 a。春季大风的减少抵消了冬季大风的增多，减轻了对全年大风频次的影响程度；而夏季大风对全年大风频次的贡献最大。

3.1.3 沙尘暴 武威市是甘肃乃至全国沙尘暴的高发地区之一［15-16］，从北向南沙尘暴年均发生频次依次为民勤(20.9 d)＞凉州(4.9 d)＞古浪(2.1 d)＞天祝乌鞘岭(0.8 d)。沙尘暴发生频次的地理分布表现为临近沙漠地区多，远离沙漠地区少，其中民勤三面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠所围，因此是沙尘暴高发区。

武威市的沙尘暴一年四季均有发生，其中9、10月最少，4月最多；春季最多，为4.2 d；其次是夏季、冬季，秋季最少。

近60 a武威市沙尘暴发生频次的变化如图4所示，呈极显著的减少趋势，年际倾向率表现为民勤(-7.1 d/10 a)＜凉州（-2.3 d/10 a）＜古浪（-0.9 d/10 a）＜天祝乌鞘岭（-0.3 d/10 a）。在沙尘暴频次的年代际表现上，20世纪60—70年代是高发期，其中70年代最多；80年代开始逐步减少，90年代为转折急剧减少期，21世纪前10 a减少速度有所减缓；近10 a减少最显著，较70年代减少了13.2 d。1966年最多(19.8 d)，2017年最少（全年未出现）。

图4 武威市近60 a沙尘暴频次的变化趋势

四季沙尘暴均呈极显著的减少趋势，年际倾向率表现为春季(-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 霜冻 武威市古浪县的大部分地方和天祝县的平均海拔在2000 m以上，作物播种期较晚，种植结构简单，且以牧业为主，因此霜冻无明显危害。武威市中北部凉州区和民勤县在5—9月出现的霜冻危害较大，因此，主要分析5—9月期间出现的霜冻天气。

秋季出现的第一场霜冻称为早霜冻，春季出现的最后一次霜冻称为晚霜冻。随着气候逐渐变暖，农作物物候期显著提前，晚霜冻造成的危害明显加大。近年来春季晚霜冻结束时间明显提前，早霜冻出现的时间明显推迟，对秋粮和经济作物的成熟收获和高产优质极为有利。

无霜期是指春季最后一次霜冻至秋季最早一次霜冻之间的天数，一年中无霜期越长，对作物生长越有利。随着晚霜冻的提前和早霜冻的推迟，武威市年无霜期逐年延长（图5），年际倾向率表现为民勤（8.0 d/10 a)＞凉州（7.4 d/10 a)＞古浪（6.7 d/10 a），均达到了极显著水平。年无霜期的年代际变化表明，20世纪60—70年代无霜期较短，70年代最短，80年代开始逐步延长，近20 a无霜期的延长最明显，较20世纪70年代延长了35 d。1961年的无霜期最短(113 d)，2019年最长(173 d)。

图5 武威市近60 a无霜期的变化趋势

3.1.5 寒潮 武威市的寒潮在地理分布上表现为南北多，中间少。其中24 h寒潮出现次数最多的是民勤，占总次数的35%；其次为古浪，占总次数的25%；凉州区最少，占总次数的18%。48 h寒潮出现次数最多的是古浪，占总次数的29%；其次为民勤，占总次数的28%；凉州区最少，占总次数的16%。在月际分布上，24 h寒潮在4月最多，占总次数的18%，7月未出现过；48 h寒潮在4月最多，占总次数的20%，7、8月未出现过。总体来看，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武威市寒潮呈缓慢减少趋势，24 h寒潮的年际倾向率为-0.83～-0.06次/10 a（天祝、古浪P＞0.05，凉州、民勤P＜0.001），以民勤减少最快，古浪减少最慢(图6a)。48 h寒潮的年际倾向率为-0.13～-0.02次/10 a（均P＞0.05），以民勤减少最快，凉州减少最慢(图6b)。

图6 武威市近60 a寒潮频次的变化趋势

3.2 农业气象灾害影响分析及应对措施

3.2.1 干旱对传统农业的影响及防御 春旱对春播和牧草返青生长有明显不利的影响，不利于夏粮作物生长发育及秋粮作物苗期生长、山区牧草和森林生长及生态植被恢复。春末夏初旱，俗称卡脖子旱，会造成小麦灌浆速度变慢，导致灌浆不足、粒重降低。若最高气温达35 ℃以上，相对湿度在30%以下，风速大于3~4 m/s，则会引起麦粒枯死瘦瘪，造成严重减产；严重的春末夏初旱还会使祁连山各河流来水减少，影响春玉米的适时、充分灌溉，造成干旱受灾。伏期干旱对沿沙和沿山区玉米、马铃薯、小麦、大麦、青稞和蔬菜等作物的生长会产生不利影响，特别是会导致南部山区抽雄期玉米叶片加速衰败，造成果穗发育受阻，穗粒数减少；还会使灌浆期玉米籽粒灌浆速度减慢或停滞，秕粒数增加，秃尖增长，百粒重下降，从而造成减产。

干旱防御措施：灌溉是武威市最有效和主要的防旱措施，通过兴修水利，搞好渠系配套，减少渗漏和蒸发，以水定地，节约用水，科学灌溉；根据农业气候区划和当年的气候趋势预测，适当调整夏、秋作物的种植比例，合理布局作物及其品种；搞好伏秋耕，夏作物收割后，在伏秋期间要及时进行早灭茬、早深翻、多犁耕，晒土收阳，使土壤充分风化，提高其渗水、蓄水和保肥的能力，促使土壤有效地接纳伏秋雨，以增加底墒；选用耐旱抗高温的品种，并在作物抽穗、开花、乳熟期喷洒抗旱剂、助长剂、磷酸二氢钾等溶液，以增强植株的抗干旱能力；营造农田防护林带，大规模种草植树，这样可以改善水分循环，防旱，防风固沙，为农作物的生长发育创造良好的生态环境。

3.2.2 大风沙尘暴对特色农业的危害与防御 据统计，大风沙尘暴是武威市第三致灾灾种，造成的年均经济损失超过3783万元，年均农业受灾面积超过13195 hm2。突发性大风沙尘天气不仅会毁坏大棚，而且还会使得棚内作物受灾。大风沙尘暴会把农田的表层土壤卷起吹走，沙尘覆盖农田，使土壤肥力降低，作物减产；当沙尘天气来临时，光照不足，棚内蔬菜等作物的光合作用强度下降，易出现落花、花打顶等生理性病害，导致蔬菜的抗逆能力下降，易引发多种病害。沙尘天气会使牲畜机体的免疫功能下降，引发呼吸道及肠胃疾病，严重时导致“春乏”。

针对大风沙尘暴的防御措施：通过植树造林、压沙治沙，减小风速，降低落沙量；及时关注天气预报及预警信息，在大风沙尘来临前压紧、压牢放风口，防止大风撕裂、胀裂棚膜等，以避免设施内作物受灾；在大风沙尘过后要及时清理大棚表面的尘土，以提高棚膜的透光率，增加棚内的光照强度和升温效果，促进棚内作物快速生长；加强棚内温、湿度动态监测，过程过后要及时通风降温、降湿，同时做好水、肥管理和病虫害监测防治工作；各养殖场必须做好消毒、免疫、规范饲养管理等疫病防治工作，以减少牲畜发病机会，有效防止重大疫病的发生。

3.2.3 晚霜冻对特色林果的危害与防御 特色林果的开花期随着气候变暖和春季迅速升温而提早。雌蕊和雄蕊的耐寒性较差，因此开花期是林果抵抗冻害能力最弱的时期。在花期发生的晚霜冻极易对花朵造成伤害，导致花朵变褐、干枯，子房变黑，影响授粉受精。开花越早越容易遭遇晚霜冻危害，以致坐果数减少，果面受冻而产生冻斑。武威市冷空气活动最频繁的时段在3月中旬—5月上旬，全年大约40%的强降温天气发生在该时段，而此时主要特色林果正处于花芽膨大、开花和坐果等对低温最为敏感的发育关键期，低温冻害通过影响坐果率而最终影响产量、品质和产值，严重时甚至会造成果园绝收，因此晚霜冻已成为限制果业发展、影响果农增收的最主要气象灾害之一。

针对晚霜冻的防御措施：合理负载、控制氮肥、增施有机肥和磷钾肥，以增强果树的抗冻能力；在开花前增施土壤调理剂，改善土壤结构，增加微生物数量，增强土壤酶的活性，以促进树体根系生长；喷施植物生长调节剂，以抑制树体萌发；花前通过灌水和增施肥料，调节和推迟花期，以规避霜冻危害；在开花期通过熏烟、喷施防霜药剂来防止花器官遭受霜冻；将树干涂白，以增强树体的抗寒能力，防御花期受冻；花期未授粉的花柱受冻害影响，易失去授粉能力，因此要提前制备花粉，开花后及时进行人工授粉；如已受到冻害，则要对晚开的花和腋花进行人工授粉或放蜂授粉，以保证产出。

3.2.4 寒潮对设施农牧业的危害与防御 因为寒潮带来的降温可能达到10 ℃甚至20 ℃以上，通常超过农作物的耐寒能力，所以寒潮会使农作物发生冻害，同时还会带来大风降温甚至雨雪天气。据统计，冻害（寒潮、霜冻、低温冷害、雪灾）是武威市第一致灾灾种，造成的年均经济损失超过6387万元，年均农业受灾面积超过15542 hm2。

针对寒潮的防御措施：寒潮来临时风力较大，应注意加固棚架设施，防止棚架倒塌或大风掀开棚膜而加重冻害，并做好温、湿调控工作；通过加盖草垫、双层薄膜等保温材料来提高蔬菜或花卉大棚内的温度；家禽、家畜等养殖户要做好禽畜棚舍的防寒保温工作；水产养殖池要注水调温，并适当减少投饵量。

4 讨论

本研究选取河西走廊东部武威市4个国家基本气象观测站和辖区内2011—2020年92个区域气象观测站的逐日观测资料，探讨了主要气象灾害的特征及对武威市农牧业生产的影响。本研究结果虽然能较清晰地反映本地农业气象灾害的种类及变化趋势，但由于武威市处于不同气候区的交汇过渡带，天气特征和气候变化规律复杂，且研究区内气象区域站资料的时间较短、部分资料不完整，只有暴雨灾害采用了区域站数据，而其他灾害缺少区域站统计资料，存在站点稀少、分布不均、网格较粗的弊端。另外，本研究所用的气象灾情数据有漏统计和简单化现象，可能会对研究结果的准确性有一定的影响。因此，在将来的研究中需要增加更多的气象区域站观测资料和不同区域精细化数据，结合本地的分类灾情资料，进一步详细分析研究气象灾害对武威市农业生产和当地经济发展的影响。

5 结论

武威市干旱呈北多南少的特点，特重旱（5级）的发生频率以民勤最高，古浪最低。近60 a各类干旱强度均呈减弱趋势，年际倾向率表现为春旱＜春末夏初旱=伏旱；中度（3级）以上干旱近10 a发生频次最少，较20世纪60年代减少了2次。

武威市大风呈南北多、中间少的特点；以春季最多，秋季最少；近60 a大风总体呈减少趋势，春季略减少，夏季显著减少，秋季持平，冬季略增加。

武威市沙尘暴呈北多南少的特点，以春季最多，秋季最少；近60 a沙尘暴的发生频次显著减少，年际倾向率表现为民勤＜凉州＜古浪＜天祝乌鞘岭；近10 a沙尘暴的发生频次较20世纪70年代减少了13.2 d。四季沙尘暴的年际倾向率表现为春季=夏季＜冬季＜秋季。

随着晚霜冻的提前和早霜冻的推迟，武威市的无霜期逐年延长，年际倾向率表现为民勤＞凉州＞古浪。近20 a无霜期较20世纪70年代延长了35 d。

武威市寒潮在地理分布上表现为南北多、中间少。主要集中在9月—翌年5月，4月最多，6—8月最少。近60 a寒潮呈弱减少趋势，24 h寒潮倾向率为-0.83～-0.06 d/10 a，48 h寒潮倾向率为-0.13～-0.02 d/10 a。