山西省1981—2018年農(nóng)業(yè)霜凍危險(xiǎn)性時(shí)空變化特征

鈔錦龍 ， 趙德一 ， 李浩杰 ， 吳林棟 ， 楊 朔 ， 李樂樂

(1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619； 2.山西省氣象信息中心，太原 030600)

0 引言

霜凍是指由于寒潮等冷空氣過境產(chǎn)生的降溫天氣使農(nóng)作物在生長期遭受持續(xù)的溫度偏低而導(dǎo)致作物生育延遲、生理障礙并引起減產(chǎn)的自然災(zāi)害。霜凍災(zāi)害是我國主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[1-3]，嚴(yán)重威脅著糧食生產(chǎn)安全。工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展與居高不下的人口數(shù)量，要求任何時(shí)候糧食供給必須充足和穩(wěn)定[4]。農(nóng)業(yè)是受低溫霜凍影響最大的產(chǎn)業(yè)，霜凍的發(fā)生頻率與強(qiáng)度直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)出[5]。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出，1880—2012年，全球平均地表溫度上升了0.85 ℃[6]，全球氣候變暖并非簡單溫度升高導(dǎo)致極熱氣候事件，而是導(dǎo)致氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定。劇烈的升溫會(huì)影響霜凍災(zāi)害的時(shí)空分布，造成霜凍事件的大幅減少，無霜期增加[7-8]。氣溫升高可能延長作物生長期，對(duì)北方種植的影響集中體現(xiàn)在種植邊界和適宜的水稻種植區(qū)域向西北移動(dòng)，北移幅度較大[9-10]。已有研究表明，氣候變化已導(dǎo)致全國極冷事件顯著減少[11]，農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生重大變化[12-14]，這些變化間接地影響了作物的生長分布。我國南北增溫差異研究表明，自20世紀(jì)80年代開始，全國氣候明顯變暖，北方比南方增溫快，冬季和春季尤為明顯[15-16]。山西省作為華北地區(qū)平均海拔最高的省份，平均海拔800 m，省內(nèi)五臺(tái)山(海拔3 058 m)被譽(yù)為“華北屋脊”。山西同時(shí)具有悠久的農(nóng)耕歷史，糧食種植廣泛，是全國重要的雜糧生產(chǎn)基地。山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深受霜凍災(zāi)害影響，1990年全省遭受霜凍災(zāi)害的糧食作物面積209.33萬hm2，占播種面積的54%，成災(zāi)面積135.13萬hm2，占播種面積的35%，其中糧食作物受災(zāi)面積112.47萬hm2[17]。然而，山西農(nóng)業(yè)霜凍災(zāi)害的時(shí)空特征在全球氣候變暖背景下的演替特征未見深入闡述，尤其是分區(qū)域探討山西省的霜凍危險(xiǎn)級(jí)別變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的相關(guān)研究較少[18-19]。因此，本研究基于山西省108個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，考慮南北農(nóng)作物生長期差異，通過定量指標(biāo)篩選、計(jì)算，分析山西省1981—2018年38年的農(nóng)業(yè)霜凍危險(xiǎn)級(jí)別的時(shí)空變化特征，旨在為優(yōu)化山西農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)及設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域、研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于34°N～40°N，110°E～114°E，下轄11個(gè)地級(jí)市，117個(gè)縣級(jí)行政單位。地形復(fù)雜多樣，地勢(shì)東北高西南低，海拔1 000～2 000 m，屬山地型高原地區(qū)，既有緯度地帶性，又有明顯的垂直變化，這些特點(diǎn)決定了山西成為霜凍多發(fā)地區(qū)[20]。山西省農(nóng)作物以小麥、玉米、大豆等糧食作物為主，夾雜以棉花、油菜等經(jīng)濟(jì)作物，多發(fā)的霜凍災(zāi)害影響僅次于干旱，是山西省的第二大農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害。

1.2 研究方法

1.2.1Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法。Mann-Kendall(M-K)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，應(yīng)用于氣候診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于待測(cè)定數(shù)據(jù)可以不遵循特定的分布，而且中間某些異常值對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)的干擾是可以忽略的，能有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動(dòng)還是存在確定的變化趨勢(shì)[21]。

1.2.2霜凍頻率等級(jí)(Pi)及強(qiáng)度指數(shù)(AT)。參考李紅英等[22]、岳慧欣等[23]的研究方法，對(duì)農(nóng)業(yè)霜凍頻率(Pi)分級(jí)、分站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)農(nóng)業(yè)霜凍出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行劃分：低頻率(0,0.2]，較低頻率(0.2,0.4]，中頻率(0.4,0.6]，較高頻率(0.6,0.8]，高頻率(0.8,1.0]。將數(shù)據(jù)分為4個(gè)時(shí)間段，1981—1990年，1991—2000年，2001—2010年，2011—2018年。參考李紅英等[22]的霜凍強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)算山西省農(nóng)業(yè)霜凍強(qiáng)度指數(shù)(AT)。

1.2.3霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)(FI)。根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論，霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性需要考慮霜凍強(qiáng)度和霜凍頻率兩大要素。參照李紅英等[22]、岳慧欣等[23]的研究方法，計(jì)算各站點(diǎn)農(nóng)業(yè)霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)(FI)。

1.2.4農(nóng)業(yè)霜凍站次比(Pj)。參考黃晚華等[24]，王秋京等[25]的研究方法、用農(nóng)業(yè)霜凍站次比(Pj)代表農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生范圍的大小。霜凍影響范圍定義：Pj≥50%，研究區(qū)域有一半以上站點(diǎn)發(fā)生霜凍，為全域霜凍；50%>Pj≥33%，為區(qū)域性霜凍；33%>Pj≥25%，為部分區(qū)域性霜凍；25%>Pj≥10%，為局域性霜凍；Pj<10%，為無明顯霜凍發(fā)生。

1.3 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于山西省氣象局，包括山西省108個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2018年逐日最低氣溫資料，以此為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)篩選、修正，構(gòu)建系統(tǒng)、可靠的數(shù)據(jù)庫。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采用山西省2001—2019年統(tǒng)計(jì)年鑒中縣市統(tǒng)計(jì)資料，篩選各站點(diǎn)逐年糧食種植面積和產(chǎn)量。

2 區(qū)域劃分及霜凍識(shí)別

針對(duì)山西省南北狹長、緯度跨度大、熱量條件不同導(dǎo)致境內(nèi)南北區(qū)域農(nóng)作物生長期存在地域差異的特點(diǎn)，參考山西省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳《2021年糧食作物生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見》中對(duì)玉米、谷子、高粱及大豆等糧食作物播種適宜時(shí)間，將山西省不同地域進(jìn)行農(nóng)業(yè)適時(shí)劃分，劃分為晉北、晉中、晉南三大產(chǎn)區(qū)(表1)。

表1 山西省糧食適播時(shí)間劃分

災(zāi)害統(tǒng)計(jì)使用的是該種災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)。霜凍災(zāi)害表現(xiàn)為持續(xù)遭受低溫氣象條件致災(zāi)，植物受災(zāi)時(shí)的溫度是劃分災(zāi)害等級(jí)的主要依據(jù)之一，植物莖葉處溫度低于0 ℃時(shí)，會(huì)受到凍傷，當(dāng)氣溫低于0 ℃時(shí)，冬小麥幼穗開始受害，-1 ℃時(shí)植株和小穗就發(fā)生死亡[26-30]。本研究以地面最低溫度<0 ℃為霜日界限，將各站點(diǎn)農(nóng)業(yè)生長期內(nèi)出現(xiàn)的連續(xù)兩日地表日最低溫度小于0 ℃定義為出現(xiàn)一次農(nóng)業(yè)霜凍災(zāi)害[1]。據(jù)此統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)逐年的農(nóng)業(yè)低溫霜凍情況，分析山西省各站點(diǎn)農(nóng)業(yè)霜凍受災(zāi)特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 霜凍時(shí)空變化特征

3.1.1霜凍的頻次變化。山西省不同年代間不同頻率農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生次數(shù)存在較大差異，總體上看，Pi逐步降低，高頻率霜凍發(fā)生的次數(shù)明顯減少，由1981—1990年的31次到2011—2018年的7次；低頻率、較低頻率霜凍逐步增多，到21世紀(jì)，低頻率霜凍占據(jù)主體地位，且各站點(diǎn)低頻率以無霜凍發(fā)生為主(表2)。

表2 1981—2018年山西省 各站點(diǎn)發(fā)生霜凍不同頻率等級(jí)(Pi) 次

3.1.2霜凍頻次突變分析。M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，在0.05顯著性檢驗(yàn)下山西省農(nóng)業(yè)逐年霜凍總次數(shù)在1998年出現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)。1981—1997年，各站點(diǎn)霜凍總次數(shù)呈先減后增的變化過程，UF曲線自1998年起始終低于0值線參考線，表明霜凍總次數(shù)自1998年開始呈減小態(tài)勢(shì)，在2003年后甚至低于0.05的顯著性檢驗(yàn)線，說明減少態(tài)勢(shì)最為明顯(圖1)。

圖1 1981—2018年山西省 農(nóng)業(yè)霜凍次數(shù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.1 Mann-Kendall mutation test for agricultural frost times in Shanxi Province from 1981 to 2018

3.1.3霜凍的時(shí)空變化。時(shí)空分布不均衡，低頻率霜凍的站點(diǎn)逐漸增多(圖2)。霜凍低頻率站點(diǎn)隨時(shí)間變化向北推進(jìn)，北部和中部地區(qū)(大同盆地、忻定盆地和太原盆地)霜凍頻率等級(jí)降低明顯。38年中各地區(qū)發(fā)生高頻率霜凍的站點(diǎn)越來越少，僅存留于呂梁山區(qū)及太行山脈的部分站點(diǎn)。霜凍高頻率在20世紀(jì)80年代發(fā)生最多，進(jìn)入21世紀(jì)后減少；霜凍較高頻率站點(diǎn)在1990年后小幅增加，2000年之后明顯減少，到2010年后又小幅上升；霜凍中頻率的站點(diǎn)在2000年之前的20年間小幅增加，2000年后有所減少，在2010年后減少到最低值；霜凍較低頻率的站點(diǎn)在前30年逐漸增多，2010—2018年明顯減少；霜凍低頻率站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，且近年來逐漸成為山西省霜凍的主要等級(jí)類型。以上變化特點(diǎn)主要是地形和緯度所決定的熱量條件的不同所導(dǎo)致的[13]。

圖2 山西省不同年代霜凍頻率等級(jí)分布

從整體看，山西省農(nóng)業(yè)霜凍20世紀(jì)80年代以高頻率為主，90年代以較高頻率霜凍為主，進(jìn)入21世紀(jì)，霜凍以低頻率為主。從局部看，山西省南部地區(qū)最具代表性，20世紀(jì)80—90年代出現(xiàn)的霜凍頻率由高到低間隙分布，21世紀(jì)初開始，霜凍高頻率大幅減少，并呈現(xiàn)了低霜凍頻率占優(yōu)勢(shì)的局面，21世紀(jì)10年代則完全由低霜凍頻率占據(jù)主導(dǎo)。

為定量化分析霜凍范圍的變化，用站次比(Pj)評(píng)價(jià)霜凍范圍的大小(圖3)。山西省38年中Pj在4.6%～78.7%的范圍波動(dòng)變化，整體呈下降趨勢(shì)，Pj變化率為-8.8%/10a。其中，僅有1998年、2016年無明顯霜凍發(fā)生，其余年份均出現(xiàn)不同程度的霜凍。1981—1985年、1989年、1991年、1993—1997年、2000年和2010年，共有14個(gè)年份發(fā)生全域霜凍，占整個(gè)時(shí)間段的37%。1981—1997年發(fā)生全域霜凍概率為71%，這一時(shí)間段霜凍嚴(yán)重；1998—2018年僅出現(xiàn)兩個(gè)年份全域霜凍，屬于霜凍程度較輕時(shí)段。

圖3 1981—2018年山西省農(nóng)業(yè)霜凍站次比

3.2 霜凍強(qiáng)度及霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

3.2.1霜凍強(qiáng)度指數(shù)。山西省農(nóng)業(yè)霜凍強(qiáng)度指數(shù)(AT)分布具有明顯地域特點(diǎn)(圖4)。AT最高的區(qū)域集中分布在呂梁山北部，包括左云、右玉和平魯?shù)龋珹T>0.8；AT次高(0.6～0.8)區(qū)域主要位于西北部的大同、渾源、廣靈以及呂梁山南部交口、五臺(tái)山地區(qū)及中東部的陽曲、和順縣；山西省南部地區(qū)AT低于北部，大多在0～0.2；忻定盆地北部和大同盆地AT值較低(0.2～0.4)。

圖4 1981—2018年山西省農(nóng)業(yè)霜凍強(qiáng)度指數(shù)(AT)

3.2.2霜凍危險(xiǎn)性指數(shù)。結(jié)合山西省農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生頻率、強(qiáng)度指數(shù)，計(jì)算出各站點(diǎn)農(nóng)業(yè)霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)(FI)(圖5)。由圖5可知，山西省FI分布具有明顯的地域性，呈現(xiàn)由南到北增加的趨勢(shì)。FI除因緯度差異呈現(xiàn)北高南低外，還受海拔高度的影響，同緯度海拔越高，F(xiàn)I越高。FI分區(qū)如下。

無危險(xiǎn)區(qū)(FI=0)。分布在山西南部廣大地區(qū)，包括臨汾、運(yùn)城盆地全部，太原盆地的介休、平遙、祁縣、太谷和清徐等，晉城地區(qū)，長治地區(qū)的壺關(guān)、長治、長子及平順等。緯度低是這些地區(qū)無霜凍危險(xiǎn)性的主要原因。

低危險(xiǎn)區(qū)(FI∈(0,0.2])。主要分布在呂梁山南部的蒲縣、隰縣、石樓，太原盆地的古交、交城、孝義、汾陽，長治盆地的榆社、武鄉(xiāng)和沁縣，最北到忻州地區(qū)的原平、定襄。

中危險(xiǎn)區(qū)(FI∈(0.2,0.4])。分布在關(guān)帝山附近的方山、婁煩，鄰近管涔山的寧武，東部的左權(quán)、壽陽、偏關(guān)及大同盆地的廣大地區(qū)。

次危險(xiǎn)區(qū)(FI∈(0.4,0.6])。分布于山西省北部的渾源、天鎮(zhèn)和大同縣等，呂梁山南部的交口縣，陽曲山附近的和順縣，恒山地區(qū)的五臺(tái)縣，忻州地區(qū)的靜樂、岢嵐、嵐縣地區(qū)。

圖5 1981—2018年山西省 農(nóng)業(yè)霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)(FI)

高危險(xiǎn)區(qū)(FI∈(0.6,0.9])。分布于呂梁山北部的平魯、五寨、左云、右玉等。緯度高和山地地形使這些地區(qū)處于FI高值區(qū)域。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)山西省農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生頻率呈總體降低的趨勢(shì)，逐漸由低等級(jí)農(nóng)業(yè)霜凍占主導(dǎo)，對(duì)山西農(nóng)業(yè)種植較為有利。省內(nèi)高海拔地區(qū)種植農(nóng)作物成為可能。

(2)山西省農(nóng)業(yè)霜凍站次比呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，平均下降趨勢(shì)為-8.8%/10a，農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生范圍逐步減小，根據(jù)M-K檢測(cè)分析，霜凍總次數(shù)減少這一突變現(xiàn)象從1998年開始。

(3)山西省各站點(diǎn)霜凍災(zāi)害呈現(xiàn)由緯度主導(dǎo)向海拔主導(dǎo)的變化，不同地區(qū)受緯度影響產(chǎn)生的霜凍危害逐漸減少，由海拔不同而產(chǎn)生農(nóng)業(yè)霜凍強(qiáng)度的差異增加。

(4)農(nóng)業(yè)霜凍危險(xiǎn)性分布呈由南向北增加的趨勢(shì)，高危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在呂梁山北部地區(qū)。

4.2 討論

(1)寒潮及強(qiáng)冷空氣活動(dòng)南下是影響霜凍發(fā)生的重要因素[31]，因強(qiáng)烈降溫而出現(xiàn)平流霜災(zāi)是山西低溫冷害的主要類型[32-33]。因此，山西省霜凍危險(xiǎn)級(jí)別會(huì)因冬季風(fēng)強(qiáng)弱呈現(xiàn)一定的年際間變化[34]。本研究認(rèn)為，山西省農(nóng)業(yè)霜凍的發(fā)生頻率呈降低趨勢(shì)，并逐步由低等級(jí)農(nóng)業(yè)霜凍占主導(dǎo)，農(nóng)業(yè)霜凍危險(xiǎn)級(jí)別空間分布呈現(xiàn)“南低北高，自西南向中東部及北部山區(qū)增大”的變化趨勢(shì)[35]，這與全球氣候變暖背景下不同區(qū)域呈現(xiàn)增溫響應(yīng)有較大的關(guān)聯(lián)。且本研究結(jié)果與李艷麗等[20]、李娜等[36]研究結(jié)果較為一致。已有研究指出黃河流域小麥霜凍災(zāi)害的發(fā)生重于華北北部[37-39]，這說明研究霜凍災(zāi)害的同時(shí)，要考慮農(nóng)作物的發(fā)育期、生長期等因子[40]。山西省南北不同區(qū)域熱量條件不同導(dǎo)致農(nóng)作物生長季節(jié)不一致，根據(jù)緯度劃分不同產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)霜凍的時(shí)間范圍，可以為農(nóng)業(yè)相關(guān)部門應(yīng)對(duì)不同等級(jí)霜凍、針對(duì)性地防災(zāi)減災(zāi)提供借鑒。

(2)本研究結(jié)合山西省各氣象站點(diǎn)所在行政縣區(qū)2001—2018年糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及相同區(qū)域?qū)?yīng)年農(nóng)業(yè)霜凍級(jí)別變化，發(fā)現(xiàn)大部分站點(diǎn)糧食單產(chǎn)與霜凍指標(biāo)呈現(xiàn)高度相關(guān)性。糧食單產(chǎn)高(8～10 t/hm2)的站點(diǎn)明顯增多，農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生頻率降低，霜凍危險(xiǎn)性指數(shù)下降，會(huì)減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害性并相應(yīng)地提高糧食作物單位產(chǎn)量[29]，山西省2011—2018年較2001—2010年大多數(shù)縣市糧食單產(chǎn)得到了提高。通過對(duì)農(nóng)業(yè)霜凍發(fā)生頻率及危險(xiǎn)性指數(shù)判斷得出不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)出效率，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整具有指導(dǎo)意義。

(3)山西農(nóng)業(yè)霜凍的形成是一個(gè)綜合的過程，是緯度、海拔以及寒冷事件等因素綜合作用下形成的。在全球氣候變暖的大背景下，緯度對(duì)山西農(nóng)業(yè)霜凍的影響力逐步被削弱，地形及極端天氣事件等對(duì)山西霜凍的影響在逐步體現(xiàn)。近年來全球氣溫的升高雖然在一定程度上增加了山西部分地區(qū)作物產(chǎn)量及可種植品種，但在全省開展結(jié)合地域?qū)嶋H優(yōu)化布局農(nóng)作物仍是實(shí)現(xiàn)山西農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要保障。本研究對(duì)山西省霜凍承災(zāi)體的脆弱性、極冷事件未進(jìn)行探討，今后將通過不斷積累氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究更長時(shí)間序列霜凍的發(fā)生規(guī)律，并將霜凍防災(zāi)減災(zāi)及準(zhǔn)確預(yù)報(bào)納入今后研究中。