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業(yè)災害。關于初霜凍的研究，國內外均有報道，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評估初霜凍的發(fā)生情況[1]。近些年關于霜凍的研究主要集中于霜凍對農作物影響[2-5]及霜凍的區(qū)劃[6-8]等方面。

黑龍江省地處中國最北部，土壤有機質含量高，光、熱、水資源豐富，且與作物生長進程同步，玉米、大豆、水稻等作物種植的品質好、商品率高，黑龍江省現已成為重要的商品糧生產基地。氣候正常年份，黑龍江省作物的成熟期主要集中于9月份，但由于黑龍江省無霜期短，9月份的霜凍是影響作物安全成熟的一個關鍵因素，若作物生長前期遭受一些農業(yè)氣象災害，如苗期干旱，低溫冷害等而使得作物生育期延長，更加重了作物霜前無法成熟的風險。霜凍的發(fā)生雖不能人為控制，但可根據霜凍的出現時間及地域的差別來合理安排作物種植，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的角度出發(fā)，對黑龍江省各地近50 a來的作物成熟期霜凍發(fā)生時間進行趨勢分析，并研究初霜凍發(fā)生的時間及地域差別，為各地合理安排作物種植，保證糧食穩(wěn)產增收提供理論依據。

2 資料與方法

根據孫玉亭的研究[1]，作物成熟期日最低氣溫≤1℃為霜凍指標，利用該指標計算黑龍江省80個氣象站的1961-2010年共50 a的霜凍發(fā)生日期，即日最低氣溫≤1℃出現的日期，并在農區(qū)選擇6個氣象站點（表1），采用5 a滑動平均及線性傾向估計[9-10]分析和檢驗其霜凍時間上的變化趨勢；從農業(yè)安全生產的角度，繪制全省80個站點的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。

為便于計算，本研究中將日期轉化為日續(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)域代表點的信息表

2.1 滑動平均

滑動平均是趨勢擬合技術最基礎的方法，用確定時間序列的平滑值來顯示變化趨勢，樣本量為n的序列x，其滑動平均序列表示為：

式中：k為滑動長度。經滑動平均后，序列中短于滑動長度的周期大大削弱，顯現出變化趨勢。

2.2 線性傾向估計

將時間序列的變化趨勢用一次線性方程表示,即:

2.3 作物成熟期霜凍出現日期分布圖的繪制

經SPSS檢驗，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，從作物安全生產的角度，利用EXCEL中的NORMINV函數計算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 結果與分析

3.1 黑龍江省作物成熟期霜凍出現時間的趨勢分析

6個代表站點采用50 a霜凍（日最低氣溫≤1℃）日續(xù)，對霜凍日續(xù)的5 a滑動平均和霜凍日續(xù)的線性傾向估計的變化趨勢作圖1a～f，圖中還給出了50 a霜凍的平均出現日期及Z和R。Z為5 a滑動平均曲線序列的秩統(tǒng)計量[9]，|Z|=Zα，曲線變化趨勢達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)與時間之間線性相關的密切程度，|R|>Ra，表明霜凍日續(xù)隨時間的變化趨勢達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作物成熟期霜凍的趨勢變化規(guī)律。

黑龍江省農區(qū)北端的呼瑪縣霜凍的平均日期為9月15日，自1961年開始（圖1a），霜凍日續(xù)波動下降，至1966年出現近50 a的最低谷，表明霜凍出現日期趨于偏早，1966年后波動上升，1994年和2005年是霜凍極晚發(fā)生的2 a。5 a滑動平均顯示呼瑪縣總體呈上升趨勢，變化趨勢顯著(P＜0.01)，并大致以10 a左右的周期波動上升。線性趨勢估計顯示呼瑪縣近50 a霜凍呈上升趨勢，氣候傾向率為1.644%/10 a，上升趨勢顯著(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的時期總體呈偏晚趨勢，且偏晚的趨勢明顯。

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，表明霜凍出現日期過早，1994年和2000年是霜凍極晚發(fā)生的2 a。5 a滑動平均顯示北安縣大致以10 a左右的周期波動上升，變化趨勢顯著(P＜0.01)。線性趨勢估計顯示北安縣近50 a霜凍呈上升趨勢，氣候傾向率為0.645%/10 a，但未達顯著(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的時期總體呈偏晚趨勢，且偏晚的趨勢明顯。

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，霜凍出現日期過早，對作物安全成熟造成極大威脅。5 a滑動平均顯示齊齊哈爾市以波幅較小的周期波動上升，尤其是1975-1998年間，以較平穩(wěn)的趨勢逐漸上升，變化趨勢顯著(P＜0.01)。線性趨勢估計顯示齊齊哈爾市近50 a霜凍呈上升趨勢，氣候傾向率為1.167%/10 a，但未達顯著(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的時期總體呈偏晚趨勢，且偏晚的趨勢明顯。

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，霜凍出現日期過早，對作物安全成熟造成極大威脅，而1995年霜凍極晚發(fā)生。5 a滑動平均顯示富錦縣波動上升，變化趨勢顯著(P＜0.01)。線性趨勢估計顯示富錦縣近50 a霜凍呈上升趨勢，氣候傾向率為1.049%/10 a，但未達顯著(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的時期總體呈偏晚趨勢，且偏晚的趨勢明顯。

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)總體呈波動上升，1989年霜凍日續(xù)是近50 a的谷底，霜凍出現日期過早，對作物安全成熟造成極大威脅。5 a滑動平均顯示哈爾濱市波動上升，自1973年開始波動下降，至1990年至谷底，之后呈明顯的上升趨勢，總的上升趨勢顯著(P＜0.01)。線性趨勢估計顯示哈爾濱市近50 a霜凍呈上升趨勢，氣候傾向率為1.466%/10 a，上升趨勢顯著(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的時期總體呈偏晚趨勢，且偏晚的趨勢明顯。

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)總體呈波動上升趨勢，1967年和1995年霜凍日續(xù)是近50 a的谷底，霜凍出現日期過早，對作物安全成熟造成極大威脅。5 a滑動平均顯示牡丹江市波動上升，變化趨勢顯著(P＜0.01)。線性趨勢估計顯示牡丹江市近50 a霜凍呈上升趨勢，氣候傾向率為2.117%/10 a，上升趨勢顯著(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的時期總體呈偏晚趨勢，且偏晚的趨勢明顯。

綜上所述，6個代表點作物成熟期霜凍日續(xù)呈波動變化，并伴有上升趨勢，5 a滑動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個代表點霜凍日續(xù)的波動上升趨勢均顯著，線性傾向估計也表明6個代表點霜凍日續(xù)呈上升趨勢，且呼瑪縣、哈爾濱市和牡丹江市上升趨勢顯著，兩種方法都表明6個代表點作物成熟期霜凍都存在偏晚發(fā)生的趨勢。

圖1 1961-2010年黑龍江省6個代表站點初霜凍日續(xù)的變化曲線（虛線為初霜凍日續(xù)，細實線為5 a滑動平均，粗實線為線性傾向估計）

3.2 80%保證率下作物安全成熟的霜凍分析

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

在80%保證率下，三江平原東北角的撫遠作物成熟期霜凍在10月1日之后出現；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；松嫩平原中南部的泰來、甘南、齊齊哈爾市、安達、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；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；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；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；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；黑河地區(qū)的嫩江，伊春地區(qū)的伊春市，牡丹江半山區(qū)的綏芬河和農區(qū)最北端的呼瑪霜凍在9月10-12日出現；黑河地區(qū)的孫吳霜凍在9月3日出現；霜凍日期在9月6日前出現的地區(qū)主要集中于大興安嶺及伊春地區(qū)，這部分區(qū)域農業(yè)種植面積很少，因此不加贅述。

4 討論

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

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個氣象站的初霜凍出現日期情況，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保證在9月16日之前成熟，其余農區(qū)應保證作物在9月10日之前正常成熟，各地可依據上述的分析合理搭配不同作物及選擇適宜的熟性作物進行農業(yè)生產。

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，黑龍江省受全球氣候變暖影響，黑龍江省連續(xù)出現“自老山”現象，以及低溫冷害的發(fā)生程度和頻次的下降，農民選用品種的成熟期越來越晚，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)，為追求更高的經濟效益而種植生育期長的玉米等作物，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)產增收，提高品質是黑龍江省保證商品糧質和量的關鍵，因此各地一定要根據本文繪制的80%保證率下初霜凍時間分布圖來合理的安排農業(yè)種植。由于黑龍江省北部地區(qū)霜凍出現的早，作物安全成熟的風險較大，種植適宜當地的小麥和早熟大豆作物可保證穩(wěn)產；松嫩平原的北部是作物種植的敏感地區(qū)，該地區(qū)應嚴防越區(qū)種植，減少作物因霜凍危害而不能正常成熟的風險；由于松嫩平原南部和三江平原大部霜凍出現較晚，是作物安全成熟的主要種植區(qū)，但仍要注意適區(qū)種植。

[1]孫玉亭,曹英,祖世亨,等.黑龍江省農業(yè)氣候資源及其利用[M].氣象出版社,1986:330-333.

[2]孫玉亭,王書裕,楊永岐.東北地區(qū)作物冷害的研究[J].氣象學報,1983,41(3):234-242.

[3]齊鳴.霜凍對耐寒作物生理過程的影響[J].氣象科技,1978,(1):27-28.

[4]張霞,錢錦霞,靳寧.山西北部初終霜凍日特征及其對農業(yè)的影響[J].中國農學通報,2009,25(22):348-351.

[5]矯江,王伯倫.寒地早霜凍對水稻產量和品質影響初步研究[J].中國農業(yè)氣象,2003,24(1)25-27.

[6]朱琳,王萬瑞,任宗啟,等.陜北仁用杏的花期霜凍氣候風險分析及區(qū)劃[J].中國農業(yè)氣象,2003,(2):49-51.

[7]徐得源,王健,任水蓮,等.新疆杏的氣候生態(tài)適應性及花期霜凍氣候風險區(qū)劃[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2007,15(2):18-21.

[8]鐘秀麗,王道,龍趙鵬,等.黃淮麥區(qū)小麥拔節(jié)后霜凍的農業(yè)氣候區(qū)劃[J].中國生態(tài)農業(yè)氣象,2008,16(1):11-15.

[9]魏鳳英.現代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M].北京:氣象出版社.2007,43-44.

[10]黨碧玲,任志遠,張種.西安地區(qū)近50年降水量的統(tǒng)計分析[J].西北大學學報(自然科學版),2011,41(1):139-144.