朝阳霜期光热水资源变化特征

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霜期农业气候资源是农业气候资源的组成部分，是农业自然资源中不可或缺的资源，是发展霜期农业重要的物质和环境条件[1]，利用冷凉季节光能资源和气温环境开展设施农业的迅速发展，已经成为北方温带地区农业支柱产业之一[2-5]。气候变暖、冬季气温升高突出[6-8]，使气候变化更加不稳定[9-10]，给霜期农业发展带来阻碍。为了霜期农业的发展，众多专家学者致力于设施农业方面的研究，如乔淑等[11]研究了设施农业生产中气象灾害风险评估与气象指数保险理论，建立了气象灾害评价标准库；钟岩等[12]对沈阳地区冬半年（10月至翌年4月）日光温室草苫的揭盖时间进行了模拟，并建立了模型；赵统利等[13]探讨了晴天、多云、雨天及雪天条件下日光温室内外部温度、光照强度等主要环境因子的日变化规律及其内在关系；葛徽衍等[14]研究了气候变化对关中东部冬季日光温室生产的影响；孙智辉等[15]进行了延安日光温室冬季低温冻害天气分析与预报。本研究利用朝阳地区1953—2010年气象资料，研究了霜期、寒冷期气候变化特征，并讨论了霜期气候变化对设施农业的影响及应对策略，旨在为该地区发展霜期农业提供农业气候学依据。

1材料和方法

1.1研究区概况朝阳地区位于辽宁省西部，西邻内蒙古赤峰市和河北省承德市，东与辽宁省锦州市接壤，主要包括朝阳县、北票市、凌源市、喀左县及建平县的南部，大凌河、小凌河贯穿境内。朝阳地区属北温带亚干旱气候区，四季分明，雨热同季，自然灾害频繁[16]。朝阳地区为一年一熟耕作制，4—9月为大田耕作期；9月中下旬至翌年4月为有霜期，是塑料大棚生产栽培期；11月至翌年3月为较寒冷期。

1.2资料选用朝阳、北票、凌源、喀左和叶柏寿国家级气候监测站1953—2010年近58a资料，包括日平均气温、日最低气温、日平均最高气温、日照时间、降水量、风速、云量及最大冻土深度等。

1.3方法用气候倾向率描述气候因子变化趋势，用序列相关系数计算气候因子变化趋势显著性，用标准偏差[16]确定极端气候年。气候倾向率：其可反映气候要素变化趋势，由一元线性趋势方程y（x）＝a0＋a1x，dy（x）/dx＝a1获得，其中，a1×10为气候倾向率，方程中的系数用最小二乘法确定，y为气象要素，x为年序列（x＝1953，1954，1955，…，2010年）。标准偏差[17]：其是量度数据分布的分散程度的标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度，可确定极端事件发生几率。S为标准偏差，Yj－Y軍为历年值减去总体平均数，N为样本数。

2结果与分析

2.1霜期变化塑料大棚种植期在农闲的有霜期进行，朝阳地区初霜平均在9月30日；标准偏差为±8.7d。1966年初霜出现最早，在9月9日，1998年出现最晚，在10月18日。历年初霜日气候倾向率为2.548d/10a，序列相关系数为0.423，达到极显著水平（P＜0.01），呈明显后推趋势，近20a（1991—2010年）比总平均值晚5d。终霜平均日期为4月20日；标准偏差为±11.1d。1995年霜期结束最早，在4月1日，1977年霜期结束最晚，在5月14日；气候倾向率为0.536d/10a，序列相关系数为0.070，不显著（P＞0.05）。历年初霜日变化趋势平稳，朝阳地区平均霜期为204d；标准偏差为±13.5d；1986年霜期最长，为235d，2000年最短，为176d，极差为59d；气候倾向率为-1.973d/10a，序列相关系数为-0.212，不显著（P＞0.05），霜期呈缩短趋势，近20a（1991—2010年）霜期平均为197d，前20a（1953—1972年）霜期平均为206d，近20a比前20a缩短9d。

2.2霜期气温朝阳地区霜期（10月至翌年4月）平均气温为0.1℃，最高2.6℃（2004年），最低-2.8℃（1956年），极差为5.4℃；标准偏差为±1.2℃。由图1可知，霜期气温在波动中呈上升趋势，气候倾向率为0.475℃/10a，序列相关系数为0.665，达到极显著水平（P＜0.01）。朝阳地区霜期正常年平均气温为-1.1～1.3℃，高温（＞1.3℃）有12a，其中，近20a出现11a，几率为55.0%；低温（＜-1.1℃）有9a，近20a没有发生。霜期近20a（0.9℃）比前20a（-1.1℃）平均气温升高2.0℃。前20a霜期气温变化幅度为3.2℃，而近20a霜期气温变化幅度为3.4℃，气温变化幅度拉大对霜期农业影响较大，给生产管理带来难度。寒冷期（11月至翌年3月）平均气温-4.2℃，最高-1.6℃（2002年），最低-7.7℃（1956年），极差为6.1℃，标准偏差为±1.4℃。寒冷期气候倾向率为0.557℃/10a，序列相关系数为0.655，达到极显著水平（P＜0.01）。朝阳地区寒冷期正常气温为-5.6～-2.8℃，高温（＞-2.8℃）有11a，近20a出现9a，几率为45.0%；低温（＜-5.6℃）有7a，近20a没有发生。寒冷期近20a（-3.0℃）比前20a（-5.3℃）平均气温升高2.3℃，大于霜期的升温幅度。

2.3霜期日照光照是霜期农业（日光温室）的主要热能来源。朝阳地区历年平均日照时间2760h，霜期日照时间1527h，占全年的55.3%；霜期最多1731h（1953年），最少1295h（2005年），极差为436h，标准偏差为±104.4h。由图2可知，在标准偏差范围内朝阳地区霜期正常日照时间为1432～1631h，在近58a里寡照年（＜1432h）有9a，几率为15.5%，其中，近20a寡照年出现8a，几率上升到40.0%。1953—2010年朝阳地区霜期日照时间气候倾向率为-43.322h/10a，序列相关系数为-0.695，达极显著水平（P＜0.01），日照时间呈明显的减少趋势，近20a（1443h）比前20a（1602h）日照时数平均减少159h。寒冷期日照时间1046h，占全年的37.9%；最多1180h（1967年），最少900h（2010年），极差为280h，标准偏差为±72.2h，寒冷期正常日照时间为974～1118h。在近58a寡照年（＜974h）出现10a，几率为17.2%，其中，近20a寡照年出现9a，几率上升到45.0%。1953—2010年朝阳地区寒冷期日照时间气候倾向率为-30.318h/10a，序列相关系数为-0.703，达极显著水平（P＜0.01），日照时间呈减少趋势，近20a（987h）比前20年（1097h）平均减少110h。

2.4霜期降水量霜期降水（降雪）越多，对设施农业尤其对蔬菜大棚生产越不利，由于阴雨天增多，光照时间减少，加之风刮雪压影响日光温室、塑料大棚采暖，使植物因低温而受冻害。朝阳地区历年降水量平均值为476.8mm，霜期降水量为61.6mm，寒冷期降水量18.6mm。在霜期农业生产中，11月至翌年3月寒冷期的降水（降雪）对设施农业影响最大。从图3可以看出，朝阳地区霜期降水量呈微弱增加趋势，气候倾向率为2.808mm/10a，标准偏差为±29.7mm，最多降水量达到165.4mm（2010年），正常降水量为31.9～81.3mm；多雨年（＞81.3mm）有7a，几率为12.1%，其中，近20a发生4a，几率上升到20.0%。霜期近20a（66.7mm）比前20a（60.1mm）降水量平均增加6.6mm。寒冷期降水量越大形成的灾害越严重，朝阳地区11月至翌年3月平均降水量为18.6mm，最大降水量为57.6mm（2007年），标准偏差为±13.1mm，正常降水量为5.5～31.7mm；多雨年（＞31.7mm）有7a，几率为12.1%，其中，近20a发生2a，几率为10.0%；气候倾向率为0.369mm/10a。

2.5霜期阴天阴天太阳辐射能降低、光照时间缩短，使光热资源利用受到限制。沈阳市霜期阴天日数历年平均为18d，其中，2010年最多，达到34d，标准偏差为±5.6d；朝阳地区霜期正常阴天日数为13～24d，偏多有9a，几率为15.5%，其中，近20a有3a，几率为15.0%。1951—2010年霜期阴天日数气候倾向率为0.241d/10a，表明阴天日数趋势平稳，近20a（16.9d）比前20a（18.4d）平均值略有减少。

3结论与讨论

（1）朝阳地区霜期在10月至翌年4月，平均204d，气候倾向率为-1.973d/10a，霜期呈缩短趋势，1991—2010年比1953—1972年平均缩短9d。霜期、寒冷期气温倾向率分别为0.475，0.557℃/10a，气温升高趋势明显，近20a气温平均升高2.0～2.3℃。霜期气温升高对发展设施农业有很大的能源帮助，减少了低温冷害对植物的影响。近年来，气温升高虽然明显，但变化幅度较大，这也给设施农业管理带来困难。因此，气温存在升高趋势并未达到稳定程度，在生产上还不能放任管理。当低温来临时，应及时加温取暖，晴朗低温天气可选在午夜至凌晨时段加温，阴雪低温天气可全天连续加温。

（2）朝阳地区属光照条件丰富区[16，18]，霜期、寒冷期日照时间呈明显的减少趋势，气候倾向率分别为－43.322，－30.318h/10a；近20a霜期寡照年几率达到40.0%。寒冷期近20a寡照年几率为45.0%，寡照年增加十分明显；霜期、寒冷期平均日照时数近20a比前20a分别减少159，110h。光照是霜期设施农业的主要热能来源，寒冷期光照时间的长短尤为重要，朝阳地区在寒冷期日平均日照时间为6.9h，在辽宁省属于高值区，但日照时间的日趋减少，将给依靠自然光热条件发展设施农业带来不利。因此，朝阳地区在发展霜期农业建设的同时，应认真考虑光能变化等问题，确保霜期农业的顺利进行。

（3）霜期农业生产期朝阳地区降水量呈微弱增加趋势，霜期气候倾向率为2.808mm/10a，寒冷期气候倾向率为0.369mm/10a。霜期农业生产期间降水（降雪）对生产不利，甚至给设施农业带来灾害。大到暴雪压塌、压毁大棚等设施时有发生，暴雪和特大暴雪对设施农业是毁灭性的，因此，在设计大棚结构时，应考虑抗压参数，保证设施坚固耐用。

（4）朝阳地区霜期阴天日数气候倾向率为0.241d/10a，变化趋势略显增加，而近20a阴天日数增加不明显。朝阳地区霜期气温升高对设施农业生产有利，而日照时间减少、阴天日数和降水量的相对增加对生产不利。

当灾害来临时要及时采取有效的生产措施使损失降到最低，预防措施应掌握几点：

A.大棚设计要考虑大风及风向的危害。朝阳地区冬季多东北风，草苫应顺风压茬；大风来临之前要加固压膜线，关闭通风口，大风同时高温要间隔放草苫压膜。

B.大棚框架要增加负重能力，避免大雪压塌。大棚遇雪时，白天要尽量卷起草苫让棚内植物接受散射光，夜间视降雪厚度要及时清扫，以防压坏棚膜和棚架。

C.连续阴天易出现低温寡照，植物根系吸收能力下降，叶片蒸腾减弱，应增设辅助光源和加温设施。连阴多日突然放晴，棚内升温迅速易造成植物蒸腾过大而萎蔫，久阴骤晴应计划卷苫，控制棚内温度缓慢上升，避免冷热骤变带来的伤害。光照时间日趋减少、气温变化幅度大是朝阳地区霜期农业气候特点，尤其1月份的低温寡照对设施农业及蔬菜大棚生产显现能源不足，在栽培过程中尽可能躲避寒冷或增加取暖设备，确保霜期农业顺利稳定进行。