王春華 ，何 鋒 ，朱海霞

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

霜凍是指日平均氣溫高于0℃的時(shí)期，地面和作物表面的溫度迅速降低到0℃以下，作物遭受凍害，局部死亡或整株死亡的農(nóng)業(yè)災(zāi)害。關(guān)于初霜凍的研究，國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道，孫玉亭早在1986年就指出日最低氣溫或地表日最低溫度可用來(lái)評(píng)估初霜凍的發(fā)生情況[1]。近些年關(guān)于霜凍的研究主要集中于霜凍對(duì)農(nóng)作物影響[2-5]及霜凍的區(qū)劃[6-8]等方面。

黑龍江省地處中國(guó)最北部，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，光、熱、水資源豐富，且與作物生長(zhǎng)進(jìn)程同步，玉米、大豆、水稻等作物種植的品質(zhì)好、商品率高，黑龍江省現(xiàn)已成為重要的商品糧生產(chǎn)基地。氣候正常年份，黑龍江省作物的成熟期主要集中于9月份，但由于黑龍江省無(wú)霜期短，9月份的霜凍是影響作物安全成熟的一個(gè)關(guān)鍵因素，若作物生長(zhǎng)前期遭受一些農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，如苗期干旱，低溫冷害等而使得作物生育期延長(zhǎng)，更加重了作物霜前無(wú)法成熟的風(fēng)險(xiǎn)。霜凍的發(fā)生雖不能人為控制，但可根據(jù)霜凍的出現(xiàn)時(shí)間及地域的差別來(lái)合理安排作物種植，做到不同作物及不同熟性品種的合理搭配，可以做到作物在霜前正常成熟。本文從黑龍江省糧食安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，對(duì)黑龍江省各地近50 a來(lái)的作物成熟期霜凍發(fā)生時(shí)間進(jìn)行趨勢(shì)分析，并研究初霜凍發(fā)生的時(shí)間及地域差別，為各地合理安排作物種植，保證糧食穩(wěn)產(chǎn)增收提供理論依據(jù)。

2 資料與方法

根據(jù)孫玉亭的研究[1]，作物成熟期日最低氣溫≤1℃為霜凍指標(biāo)，利用該指標(biāo)計(jì)算黑龍江省80個(gè)氣象站的1961-2010年共50 a的霜凍發(fā)生日期，即日最低氣溫≤1℃出現(xiàn)的日期，并在農(nóng)區(qū)選擇6個(gè)氣象站點(diǎn)（表1），采用5 a滑動(dòng)平均及線性傾向估計(jì)[9-10]分析和檢驗(yàn)其霜凍時(shí)間上的變化趨勢(shì)；從農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的角度，繪制全省80個(gè)站點(diǎn)的80%保證率下作物安全成熟的霜凍日期分布圖，分析黑龍江省作物成熟期間初霜凍發(fā)生情況。

為便于計(jì)算，本研究中將日期轉(zhuǎn)化為日續(xù)，如1月1日為1,1月2日為2，…，12月31日為365。

表1 黑龍江各區(qū)域代表點(diǎn)的信息表

2.1 滑動(dòng)平均

滑動(dòng)平均是趨勢(shì)擬合技術(shù)最基礎(chǔ)的方法，用確定時(shí)間序列的平滑值來(lái)顯示變化趨勢(shì)，樣本量為n的序列x，其滑動(dòng)平均序列表示為：

式中：k為滑動(dòng)長(zhǎng)度。經(jīng)滑動(dòng)平均后，序列中短于滑動(dòng)長(zhǎng)度的周期大大削弱，顯現(xiàn)出變化趨勢(shì)。

2.2 線性傾向估計(jì)

將時(shí)間序列的變化趨勢(shì)用一次線性方程表示,即:

2.3 作物成熟期霜凍出現(xiàn)日期分布圖的繪制

經(jīng)SPSS檢驗(yàn)，黑龍江省各氣象站1961-2010年作物成熟期霜凍日續(xù)均為正態(tài)分布，因此，從作物安全生產(chǎn)的角度，利用EXCEL中的NORMINV函數(shù)計(jì)算80%保證率下作物安全成熟的霜凍日期，并利用SUFFER軟件繪制霜凍日期分布圖，繪圖的原理為克立格（Kriging）法。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省作物成熟期霜凍出現(xiàn)時(shí)間的趨勢(shì)分析

6個(gè)代表站點(diǎn)采用50 a霜凍（日最低氣溫≤1℃）日續(xù)，對(duì)霜凍日續(xù)的5 a滑動(dòng)平均和霜凍日續(xù)的線性傾向估計(jì)的變化趨勢(shì)作圖1a～f，圖中還給出了50 a霜凍的平均出現(xiàn)日期及Z和R。Z為5 a滑動(dòng)平均曲線序列的秩統(tǒng)計(jì)量[9]，|Z|=Zα，曲線變化趨勢(shì)達(dá)α水平顯著，本研究中Z0.05=0.200，Z0.01=0.263。R表示霜凍日續(xù)與時(shí)間之間線性相關(guān)的密切程度，|R|>Ra，表明霜凍日續(xù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)達(dá)α水平顯著，本研究中R0.05=0.273，Z0.01=0.354。采用上述方法分析黑龍江省各代表點(diǎn)作物成熟期霜凍的趨勢(shì)變化規(guī)律。

黑龍江省農(nóng)區(qū)北端的呼瑪縣霜凍的平均日期為9月15日，自1961年開(kāi)始（圖1a），霜凍日續(xù)波動(dòng)下降，至1966年出現(xiàn)近50 a的最低谷，表明霜凍出現(xiàn)日期趨于偏早，1966年后波動(dòng)上升，1994年和2005年是霜凍極晚發(fā)生的2 a。5 a滑動(dòng)平均顯示呼瑪縣總體呈上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)顯著(P＜0.01)，并大致以10 a左右的周期波動(dòng)上升。線性趨勢(shì)估計(jì)顯示呼瑪縣近50 a霜凍呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為1.644%/10 a，上升趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。1961-1980年霜凍的平均日期比1991-2010年霜凍的平均日期偏晚6 d，上述表明，呼瑪縣近50 a作物成熟期初霜凍出現(xiàn)的時(shí)期總體呈偏晚趨勢(shì)，且偏晚的趨勢(shì)明顯。

松嫩平原北部的北安縣霜凍的平均日期為9月20日（圖1b），霜凍日續(xù)總體呈波動(dòng)上升，1978年北安縣的霜凍日續(xù)跌至近50 a最低谷，表明霜凍出現(xiàn)日期過(guò)早，1994年和2000年是霜凍極晚發(fā)生的2 a。5 a滑動(dòng)平均顯示北安縣大致以10 a左右的周期波動(dòng)上升，變化趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。線性趨勢(shì)估計(jì)顯示北安縣近50 a霜凍呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.645%/10 a，但未達(dá)顯著(P＜0.05)。前20 a的霜凍平均日期比近20 a霜凍平均日期偏晚4 d，上述表明，北安縣近50 a中作物成熟期初霜凍出現(xiàn)的時(shí)期總體呈偏晚趨勢(shì)，且偏晚的趨勢(shì)明顯。

松嫩平原西部的齊齊哈爾市霜凍的平均日期為10月3日 （圖1c）， 霜凍日續(xù)總體呈波動(dòng)上升，1977、1999、2001和2010年齊齊哈爾市的霜凍日續(xù)均在谷底，霜凍出現(xiàn)日期過(guò)早，對(duì)作物安全成熟造成極大威脅。5 a滑動(dòng)平均顯示齊齊哈爾市以波幅較小的周期波動(dòng)上升，尤其是1975-1998年間，以較平穩(wěn)的趨勢(shì)逐漸上升，變化趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。線性趨勢(shì)估計(jì)顯示齊齊哈爾市近50 a霜凍呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為1.167%/10 a，但未達(dá)顯著(P＜0.05)。前20 a的霜凍平均日期比近20 a霜凍平均日期偏晚3 d，上述表明，齊齊哈爾市近50 a作物成熟期初霜凍出現(xiàn)的時(shí)期總體呈偏晚趨勢(shì)，且偏晚的趨勢(shì)明顯。

三江平原的富錦縣霜凍的平均日期為10月4日 （圖1d）， 霜凍日續(xù)總體呈波動(dòng)上升，1966、1969、1977、2001 和2010年富錦縣的霜凍日續(xù)均在谷底，霜凍出現(xiàn)日期過(guò)早，對(duì)作物安全成熟造成極大威脅，而1995年霜凍極晚發(fā)生。5 a滑動(dòng)平均顯示富錦縣波動(dòng)上升，變化趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。線性趨勢(shì)估計(jì)顯示富錦縣近50 a霜凍呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為1.049%/10 a，但未達(dá)顯著(P＜0.05)。前20 a的霜凍平均日期比近20 a霜凍平均日期偏晚4 d，上述表明，富錦縣近50 a作物成熟期初霜凍出現(xiàn)的時(shí)期總體呈偏晚趨勢(shì)，且偏晚的趨勢(shì)明顯。

松嫩平原南部的哈爾濱市霜凍的平均日期為10月1日（圖1e），霜凍日續(xù)總體呈波動(dòng)上升，1989年霜凍日續(xù)是近50 a的谷底，霜凍出現(xiàn)日期過(guò)早，對(duì)作物安全成熟造成極大威脅。5 a滑動(dòng)平均顯示哈爾濱市波動(dòng)上升，自1973年開(kāi)始波動(dòng)下降，至1990年至谷底，之后呈明顯的上升趨勢(shì)，總的上升趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。線性趨勢(shì)估計(jì)顯示哈爾濱市近50 a霜凍呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為1.466%/10 a，上升趨勢(shì)顯著(P＜0.05)。前20 a的霜凍平均日期比近20 a霜凍平均日期偏晚4 d，上述表明，哈爾濱市近50 a作物成熟期初霜凍出現(xiàn)的時(shí)期總體呈偏晚趨勢(shì)，且偏晚的趨勢(shì)明顯。

牡丹江半山區(qū)的牡丹江市霜凍的平均日期為9月29日（圖1f），霜凍日續(xù)總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1967年和1995年霜凍日續(xù)是近50 a的谷底，霜凍出現(xiàn)日期過(guò)早，對(duì)作物安全成熟造成極大威脅。5 a滑動(dòng)平均顯示牡丹江市波動(dòng)上升，變化趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。線性趨勢(shì)估計(jì)顯示牡丹江市近50 a霜凍呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為2.117%/10 a，上升趨勢(shì)顯著(P＜0.01)。前20 a的霜凍平均日期比近20 a霜凍平均日期偏晚6 d，上述表明，牡丹江市近50 a作物成熟期初霜凍出現(xiàn)的時(shí)期總體呈偏晚趨勢(shì)，且偏晚的趨勢(shì)明顯。

綜上所述，6個(gè)代表點(diǎn)作物成熟期霜凍日續(xù)呈波動(dòng)變化，并伴有上升趨勢(shì)，5 a滑動(dòng)平均顯示作物成熟期的霜凍呈周期性的上升，尤其是呼瑪縣和北安縣，周期大致為10 a，且6個(gè)代表點(diǎn)霜凍日續(xù)的波動(dòng)上升趨勢(shì)均顯著，線性傾向估計(jì)也表明6個(gè)代表點(diǎn)霜凍日續(xù)呈上升趨勢(shì)，且呼瑪縣、哈爾濱市和牡丹江市上升趨勢(shì)顯著，兩種方法都表明6個(gè)代表點(diǎn)作物成熟期霜凍都存在偏晚發(fā)生的趨勢(shì)。

圖1 1961-2010年黑龍江省6個(gè)代表站點(diǎn)初霜凍日續(xù)的變化曲線（虛線為初霜凍日續(xù)，細(xì)實(shí)線為5 a滑動(dòng)平均，粗實(shí)線為線性傾向估計(jì)）

3.2 80%保證率下作物安全成熟的霜凍分析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中既希望充分利用氣候資源獲得高產(chǎn)，又要求產(chǎn)量能夠比較穩(wěn)定，所以只考慮霜凍的平均出現(xiàn)日期是不夠的，還需要計(jì)算保證率。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的保證率一般為80%，因此，本文計(jì)算了80%保證率下的黑龍江省各地作物成熟期霜凍出現(xiàn)日期。

在80%保證率下，三江平原東北角的撫遠(yuǎn)作物成熟期霜凍在10月1日之后出現(xiàn)；松嫩平原西南部的杜爾伯特、肇源、賓縣，三江平原的綏濱和富錦作物成熟期霜凍在9月28-30日出現(xiàn)；松嫩平原中南部的泰來(lái)、甘南、齊齊哈爾市、安達(dá)、哈爾濱市、蘭西和呼蘭，三江平原的同江、雙鴨山市、寶清、樺川、鶴崗、虎林、勃利、密山和雞西，牡丹江半山區(qū)的東寧霜凍在9月25-27日出現(xiàn)；松嫩平原的龍江、富裕、青岡、肇州、阿城、方正、依蘭、雙城和五常，三江平原的湯原、集賢和雞東，牡丹江半山區(qū)的牡丹江市霜凍在9月22-24日出現(xiàn)；松嫩平原的克山、海倫、望奎、綏化、肇東、林甸、明水、巴彥和木蘭，三江平原的佳木斯市、樺南和饒河，牡丹江半山區(qū)的寧安霜凍在9月19-21日出現(xiàn)；黑河地區(qū)的黑河市，松嫩平原北部的訥河、依安、綏棱、克東、慶安和東部的通河、延壽、尚志，三江平原北部的蘿北，牡丹江半山區(qū)的穆棱、林口和海林霜凍在9月16-18日出現(xiàn)；黑河地區(qū)的遜克和五大連池，松嫩平原北部的北安和拜泉，伊春地區(qū)的嘉蔭和鐵力霜凍在9月13-15日出現(xiàn)；黑河地區(qū)的嫩江，伊春地區(qū)的伊春市，牡丹江半山區(qū)的綏芬河和農(nóng)區(qū)最北端的呼瑪霜凍在9月10-12日出現(xiàn)；黑河地區(qū)的孫吳霜凍在9月3日出現(xiàn)；霜凍日期在9月6日前出現(xiàn)的地區(qū)主要集中于大興安嶺及伊春地區(qū)，這部分區(qū)域農(nóng)業(yè)種植面積很少，因此不加贅述。

4 討論

本文通過(guò)分析作物成熟期初霜凍50 a的日續(xù)變化、5 a滑動(dòng)平均和線性傾向估計(jì)，發(fā)現(xiàn)6個(gè)代表點(diǎn)的初霜凍（日最低氣溫≤1℃）都存在一定的上升趨勢(shì)，表明黑龍江省各地的初霜凍發(fā)生時(shí)間均呈偏晚出現(xiàn)的趨勢(shì)。

從作物安全成熟的角度分析，分析了80%保證率下黑龍江省80個(gè)氣象站的初霜凍出現(xiàn)日期情況，概括為松嫩平原南部和三江平原大部的作物種植應(yīng)保證9月22日之前成熟，松嫩平原中北部及牡丹江中部作物應(yīng)保證在9月16日之前成熟，其余農(nóng)區(qū)應(yīng)保證作物在9月10日之前正常成熟，各地可依據(jù)上述的分析合理搭配不同作物及選擇適宜的熟性作物進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

黑龍江省作物主要以玉米、水稻、大豆為主，北部有少量的春小麥分布。近些年來(lái)，黑龍江省受全球氣候變暖影響，黑龍江省連續(xù)出現(xiàn)“自老山”現(xiàn)象，以及低溫冷害的發(fā)生程度和頻次的下降，農(nóng)民選用品種的成熟期越來(lái)越晚，造成黑龍江省每年都存在一定量的越區(qū)種植作物，且原只能種植生育期短的小麥、大豆等作物的北部地區(qū)，為追求更高的經(jīng)濟(jì)效益而種植生育期長(zhǎng)的玉米等作物，而使作物在成熟期面臨霜凍的巨大威脅。適區(qū)種植，保證作物霜前正常成熟，穩(wěn)產(chǎn)增收，提高品質(zhì)是黑龍江省保證商品糧質(zhì)和量的關(guān)鍵，因此各地一定要根據(jù)本文繪制的80%保證率下初霜凍時(shí)間分布圖來(lái)合理的安排農(nóng)業(yè)種植。由于黑龍江省北部地區(qū)霜凍出現(xiàn)的早，作物安全成熟的風(fēng)險(xiǎn)較大，種植適宜當(dāng)?shù)氐男←満驮缡齑蠖棺魑锟杀ＷC穩(wěn)產(chǎn)；松嫩平原的北部是作物種植的敏感地區(qū)，該地區(qū)應(yīng)嚴(yán)防越區(qū)種植，減少作物因霜凍危害而不能正常成熟的風(fēng)險(xiǎn)；由于松嫩平原南部和三江平原大部霜凍出現(xiàn)較晚，是作物安全成熟的主要種植區(qū)，但仍要注意適區(qū)種植。

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