朱凌金，李 青，丁發(fā)明，李 建

（1.贛州市贛縣區(qū)氣象局，江西 贛縣 341100；2.興國(guó)縣氣象局，江西 興國(guó) 342400）

贛南地處江西省南部，位于24°29'N—27°09'N，113°54'E—116°38'E，境內(nèi)氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，四季分明，熱量豐富，降水充沛，屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。贛南設(shè)施蔬菜規(guī)模擴(kuò)增迅速［1］，截至2021 年底，贛州市累計(jì)建成規(guī)模蔬菜基地2.6 萬(wàn)hm2左右，其中設(shè)施蔬菜基地近2 萬(wàn)hm2，設(shè)施蔬菜已成為贛州市主要的農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)。然而，在全球氣候變化的大背景下，冬季低溫凍害已成為影響贛南大棚蔬菜生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，如2018 年1 月和2 月的2 次降溫以及2020 年1 月上旬的低溫霜凍，對(duì)贛州市蔬菜生產(chǎn)造成了較大影響，許多園區(qū)損失慘重［1］。因此，研究分析贛南大棚蔬菜冬季不同低溫災(zāi)害指標(biāo)發(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律，開(kāi)展低溫災(zāi)害氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在設(shè)施小氣候環(huán)境要素模擬與預(yù)測(cè)和設(shè)施內(nèi)外部氣象要素變化規(guī)律等方面的研究較為成熟［2-4］。劉璐等［5］基于GIS 技術(shù)對(duì)陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)越冬期低溫凍害進(jìn)行了精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；楊再?gòu)?qiáng)等［6］的研究發(fā)現(xiàn)，南方塑料大棚的主要?dú)庀鬄?zāi)害是凍害；蔡冰等［7］利用溫室內(nèi)外觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建了設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候模型，再利用DEM 數(shù)據(jù)對(duì)江蘇省設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃；李德等［8］和樂(lè)章燕等［9］利用年極端低溫氣候概率及其波動(dòng)性以及不同等級(jí)低溫指標(biāo)發(fā)生頻率、發(fā)生強(qiáng)度等要素構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)低溫風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并進(jìn)行評(píng)估。

北方設(shè)施農(nóng)業(yè)以日光溫室為主，且對(duì)棚內(nèi)作物黃瓜、番茄的低溫冷害影響機(jī)理和階段的研究較多［10-15］，而對(duì)南方塑料大棚冬季低溫風(fēng)險(xiǎn)和評(píng)估的研究較少，本研究針對(duì)贛南大棚蔬菜的生產(chǎn)實(shí)際，利用1961—2020 年贛南17 個(gè)市（縣、區(qū)）氣象站逐日最低氣溫觀測(cè)資料，采用氣候傾向率、M-K 檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害的時(shí)空分布和低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為減少或避免贛南蔬菜產(chǎn)業(yè)冬季低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及科學(xué)合理利用氣候資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

氣象資料來(lái)源于江西省氣象信息中心，選取贛州市17 個(gè)市（縣、區(qū)）氣象站1961—2020 年12 月至翌年2 月逐日最低氣溫氣象觀測(cè)資料以及各縣氣象站所在地的經(jīng)度和緯度資料，站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 氣象站站點(diǎn)分布

1.2 方法

1.2.1 大棚蔬菜低溫災(zāi)害指數(shù)計(jì)算 年極端最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差（σ）能反映某地歷年的年極端最低氣溫?cái)?shù)據(jù)離散程度（或稱(chēng)波動(dòng)程度）［16］，標(biāo)準(zhǔn)差越大，冬季年極端最低氣溫波動(dòng)程度越大，對(duì)當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)影響也越大。

低溫出現(xiàn)頻率（F）指某地歷年出現(xiàn)某一低溫災(zāi)害指標(biāo)的年數(shù)與總年數(shù)之比，反映受低溫風(fēng)險(xiǎn)影響程度［9］，F(xiàn)越大表明低溫的危害性越大，表達(dá)式如下。

式中，F(xiàn)為某一界限指標(biāo)低溫出現(xiàn)頻率；n為某地歷年出現(xiàn)低于某一界限指標(biāo)的極端最低氣溫的年份數(shù)；N為總年數(shù)。

低溫發(fā)生強(qiáng)度（S）是指某地冬季某一設(shè)施農(nóng)業(yè)類(lèi)型遭受低溫災(zāi)害的強(qiáng)度［8］，當(dāng)最低氣溫降至喜溫蔬菜生理溫度指標(biāo)下限時(shí)，會(huì)對(duì)大棚內(nèi)的蔬菜生產(chǎn)造成危害，低溫發(fā)生強(qiáng)度越大其遭受低溫凍害的風(fēng)險(xiǎn)也就越大，具體算式如下。

式中，S為低溫發(fā)生強(qiáng)度；d為某地歷年冬季出現(xiàn)某一低溫災(zāi)害指標(biāo)的平均日數(shù)；M為該地歷年冬季平均日數(shù)，本研究冬季平均日數(shù)取90 d（閏年取91 d）。

1.2.2 大棚蔬菜低溫災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算 在贛南，冬季對(duì)大棚蔬菜的危害多為凍害，隨著外界氣溫的降低（低于-3.0 ℃），塑料大棚內(nèi)部最低氣溫也隨之降至0 ℃或以下時(shí)，會(huì)給蔬菜生產(chǎn)帶來(lái)危害。低溫出現(xiàn)頻率（F）、標(biāo)準(zhǔn)差（σ）、低溫發(fā)生強(qiáng)度（S）在一定程度上能反映冬季大棚蔬菜受低溫災(zāi)害影響的程度，對(duì)上述3 個(gè)低溫災(zāi)害指數(shù)分別進(jìn)行歸一化處理，并用等權(quán)重法求平均值，可得到大棚蔬菜低溫災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（P），具體算式如下。

式中，Xij為第i站第j個(gè)低溫災(zāi)害指數(shù)的歸一化值，i＝1，2，3，…，17；j＝1，2，3；xij為第i站第j個(gè)低溫災(zāi)害指數(shù)值；xmax和xmin分別為17 個(gè)氣象站第j個(gè)低溫災(zāi)害指數(shù)的最大值和最小值；P為低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。本研究將贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分為3個(gè)等級(jí)，分別為輕度風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)、重度風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 研究方法 運(yùn)用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［17］，采用一元線性回歸方法分析年極端最低氣溫隨時(shí)間變化的傾向率。采用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)方法［18，19］進(jìn)行變化趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)，給定的顯著性水平為0.01，對(duì)應(yīng)的臨界值等于±2.576。運(yùn)用Surfer 地理數(shù)據(jù)網(wǎng)格化繪圖軟件繪制低溫災(zāi)害指數(shù)和低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害時(shí)空分布

2.1.1 年極端最低氣溫 圖2a 是贛南1961—2020年逐年年極端最低氣溫。60 年贛南年極端最低氣溫總體呈明顯的升高趨勢(shì)，增溫傾向率為每10 年0.3 ℃，通過(guò)了0.05 顯著性水平檢驗(yàn)。年極端最低氣溫年際變化大，最低值出現(xiàn)在1962 年，為-8.0 ℃；年最低氣溫≤-5.0 ℃、≤-3.0 ℃出現(xiàn)頻率分別為35%和72%。M-K 檢驗(yàn)結(jié)果顯示，UF 曲線20 世紀(jì)60—90年代呈階梯式上升趨勢(shì)，至2003 年達(dá)到最高值，隨后呈波浪式下降趨勢(shì)，并在臨界值附近波動(dòng)，如圖2b 所示。由圖2b 可見(jiàn)，從1996 年開(kāi)始UF 大于0.01顯著性水平的臨界值（2.575 8），表明年最低氣溫增溫顯著。UF、UB 曲線在1980 年出現(xiàn)交點(diǎn)，表明贛南年極端最低氣溫在1980 年出現(xiàn)了顯著增溫的突變。

圖2 1961—2020 年贛南逐年極端最低氣溫變化（a）和M-K 突變檢驗(yàn)（b）

圖3 a 是贛南各地年極端最低氣溫分布情況。由圖3a可見(jiàn)，贛南年極端最低氣溫在-8.0～-4.2 ℃，年極端最低氣溫以中部的贛縣區(qū)、于都縣、南康區(qū)、信豐縣、定南縣和尋烏縣等地為最高，極端最低氣溫在-6.0 ℃以上，由中部向東北和西南逐漸降低，最低值出現(xiàn)在崇義縣，次低值出現(xiàn)在石城縣。

圖3 贛南年極端最低氣溫分布（a）和年最低氣溫≤-3.0 ℃（b）、≤-5.0 ℃（c）的頻率分布

2.1.2 低溫發(fā)生頻率 圖3b、圖3c 分別為年極端最低氣溫≤-3.0 ℃和≤-5.0 ℃的頻率分布情況，可以看出，贛南東北部的石城縣和寧都縣以及西部的崇義縣等地出現(xiàn)年最低氣溫≤-3.0 ℃和≤-5.0 ℃的頻率較高，分別為0.60 和0.15；贛南中部的贛縣區(qū)、于都縣、南康區(qū)和信豐縣等地區(qū)的頻率較低，分別為0.30和0.05；其余地區(qū)的頻率介于兩者之間。

2.1.3 低溫強(qiáng)度指數(shù) 圖4 是不同等級(jí)低溫強(qiáng)度指數(shù)的分布，由圖4a 可見(jiàn)，石城縣、寧都縣、崇義縣、大余縣和全南縣≤0 ℃的低溫強(qiáng)度指數(shù)都較大，表明這些地區(qū)出現(xiàn)低溫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大。從圖4b 可以看出，石城縣、崇義縣和全南縣≤-3.0 ℃的低溫強(qiáng)度指數(shù)最大，是贛南低溫災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。由圖4c 可見(jiàn)，贛南≤-5.0 ℃的低溫強(qiáng)度指數(shù)較小，表明贛南大部分地區(qū)出現(xiàn)≤-5.0 ℃的低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖4 贛南不同等級(jí)低溫強(qiáng)度指數(shù)的分布

2.1.4 年極端最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差 年極端最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差（σ）能較好反映某地歷年的年極端最低氣溫?cái)?shù)據(jù)離散程度（也稱(chēng)波動(dòng)程度），標(biāo)準(zhǔn)差越大，冬季年極端低溫波動(dòng)程度越大，對(duì)當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)影響也越大［9］。圖5 是贛南各地區(qū)年極端最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差（歸一化）分布結(jié)果。由圖5 可知，石城縣、寧都縣、瑞金市、會(huì)昌縣、崇義縣、全南縣和定南縣的部分地區(qū)年極端最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明冬季極端低溫波動(dòng)較大，低溫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較高。其余地區(qū)冬季極端低溫變化較小，以南康區(qū)和信豐縣冬季極端低溫的波動(dòng)最小，該地區(qū)出現(xiàn)低溫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖5 贛南年極端最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的分布

2.2 贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由式（4）得到贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，各地低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布見(jiàn)圖6。將各地的P由小到大進(jìn)行排序，利用有序樣本聚類(lèi)法［20］將其劃分為3 個(gè)區(qū)間（等級(jí)），從而得到贛南各地冬季大棚蔬菜遭受低溫凍害的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 贛南冬季大棚蔬菜低溫災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

圖6 贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

由圖6 和表1 可知，贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東北部、西部和西南部的部分地區(qū)，包括石城縣、寧都縣、崇義縣、全南縣和上猶縣、大余縣、瑞金市的部分地區(qū)，該區(qū)低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.6 以上，出現(xiàn)低溫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)高，應(yīng)特別注意防范低溫災(zāi)害對(duì)大棚蔬菜的影響；建議這些地區(qū)發(fā)展大棚蔬菜時(shí)宜采用雙膜鋼架大棚，有條件的也可采用三膜鋼架大棚，棚內(nèi)宜種植耐低溫蔬菜品種，如種植不耐寒瓜菜，則應(yīng)準(zhǔn)備棚內(nèi)增溫設(shè)施以防冬季低溫的危害。中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在興國(guó)縣、會(huì)昌縣、安遠(yuǎn)縣、尋烏縣和瑞金市、上猶縣、大余縣的大部分地區(qū)以及龍南市、定南區(qū)的部分地區(qū)，該地區(qū)低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.3～0.6，出現(xiàn)低溫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)加強(qiáng)防范低溫災(zāi)害對(duì)大棚蔬菜生產(chǎn)的不利影響；這些地區(qū)宜采用雙膜鋼架大棚，為提高大棚蔬菜生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，可采用種植耐寒蔬菜品種為主，喜溫瓜菜品種為輔的搭配方式，但遇強(qiáng)低溫時(shí)要注意防范低溫災(zāi)害的不利影響。輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在贛南中部的贛州盆地，包括贛縣區(qū)、南康區(qū)、信豐縣、于都縣和龍南市、定南縣、上猶縣的部分地區(qū)，該地區(qū)低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.3 以下，冬季出現(xiàn)低溫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，有條件的可采用雙膜鋼架大棚，棚內(nèi)種植經(jīng)濟(jì)效益高的喜溫蔬菜，但遇強(qiáng)低溫時(shí)要注意防范低溫災(zāi)害對(duì)蔬菜的影響。

3 小結(jié)與討論

1）近60 年贛南年極端最低氣溫總體呈明顯的增溫趨勢(shì)，增溫傾向率為每10 年0.3 ℃，且年極端最低氣溫在1980 年出現(xiàn)了顯著增溫的突變。年極端最低氣溫以中部的贛縣區(qū)、于都縣、南康區(qū)、信縣豐、定南縣和尋烏縣等市（縣、區(qū)）為最高，極端最低氣溫均在-6.0 ℃以上，由中部向東北和西南逐漸降低。

2）贛南大棚蔬菜冬季低溫災(zāi)害重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東北部、西部和西南部的部分地區(qū)，包括石城縣、寧都縣、崇義縣、全南縣和上猶縣、大余縣、瑞金市的部分地區(qū)；中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在興國(guó)縣、會(huì)昌縣、安遠(yuǎn)縣、尋烏縣和瑞金市、上猶縣、大余縣的大部以及龍南市、定南縣的部分地區(qū)；輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在贛南中部的贛州盆地，包括贛縣區(qū)、南康區(qū)、信豐縣、于都縣和龍南市、定南縣、上猶縣的部分地區(qū)。

3）贛南主要設(shè)施蔬菜類(lèi)型為單膜鋼架大棚和單膜豎式頂通風(fēng)連棟鋼架大棚，大棚內(nèi)的溫度直接受外界環(huán)境溫度的影響，遇強(qiáng)降溫或冰霜凍時(shí)易出現(xiàn)低溫災(zāi)害。相關(guān)研究［21，22］表明，冬季極端最低氣溫出現(xiàn)≤-5.0 ℃的氣候概率＜80%的地區(qū)，可采取單層塑料大棚生產(chǎn)喜溫蔬菜。贛南冬季極端最低氣溫≤-5.0 ℃的平均氣候概率（頻率）為9%，其中石城縣最高為20%，表明贛南發(fā)展大棚蔬菜具有較好的氣候資源優(yōu)勢(shì)，適宜大棚蔬菜生產(chǎn)。

4）利用3 個(gè)低溫災(zāi)害指數(shù)對(duì)贛南大棚蔬菜低溫災(zāi)害進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指數(shù)不僅考慮了年極端最低氣溫的波動(dòng)性、冬季最低氣溫≤-3.0 ℃和≤-5.0 ℃的出現(xiàn)頻率，還結(jié)合了低溫災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度指數(shù)，從而彌補(bǔ)了單一要素［23，24］風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的不足。但由于大棚內(nèi)的溫度除受外界環(huán)境溫度的影響外，還與大棚覆蓋方式、覆蓋物質(zhì)量等因素有關(guān)［25］，所以，隨著大棚蔬菜生產(chǎn)水平的不斷提高，今后還需要對(duì)低溫災(zāi)害指標(biāo)進(jìn)行修正。

5）不同作物不同生育期遭受低溫災(zāi)害的下限溫度指標(biāo)不盡相同，耐寒和半耐寒作物可耐0 ℃以下的低溫，而喜溫作物則不能忍受0 ℃以下的低溫［21，22，25］，當(dāng)棚內(nèi)溫度低于0 ℃時(shí)將出現(xiàn)低溫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)棚內(nèi)種植喜溫的茄果類(lèi)蔬菜時(shí)，為了防御和減免冬季低溫災(zāi)害對(duì)贛南大棚蔬菜生產(chǎn)造成危害，要注意關(guān)注當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)，遇低溫時(shí)可通過(guò)棚內(nèi)增溫或加膜覆蓋等方法減輕低溫災(zāi)害的影響。