引言

2008年11月至2009年2月中旬，安徽省北部冬小麦主产区淮北平原降水长期稀少，麦田严重失墒，出现了30年一遇的干旱灾害，部分地区一度出现人畜饮水困难^[1]。同时，2008年12月下旬初，受强冷空气南下影响，各地极端最低气温骤降至-10 ℃以下，冬小麦在干旱环境胁迫下，又遭遇低温冻害而使灾情加重。据2009年1月31日调查，安徽省冬小麦有80万hm²以上面积遭受严重旱灾，直接经济损失15.9亿元^[2]，其中，宿州市小麦受旱面积达35.03万hm²。2009年2月1日，安徽省气象局首次发布了干旱红色预警信号^[2-3]。

淮北平原冬小麦生产在安徽省具有重要地位，宿州市位于淮北平原腹地，气候具有极强的代表性^[4]。研究评估2008—2009年度秋冬低温干旱灾情，揭示灾害发生规律，对未来小麦高产稳产和气象防灾减灾工作具有重要理论与现实意义。陶诗言等^[1]从天气背景角度，研究揭示了秋冬连旱的主因是欧亚中高纬度存在稳定的准静止环流所造成的长时期降水持续稀少所致，但至今尚未见更多关于这次灾害的成因及其对冬小麦的影响评估工作。

因此，本文根据大田灾害发生期间的调查数据和宿州市国家气象观测站逐日气象监测资料，结合冬小麦生育规律，采取相似年对比法和积分回归等分析手段，对2008—2009年度的秋冬低温干旱成因和影响进行了评估，初步获得一些可以参考的结论。

1 资料与方法 1.1 资料来源

(1) 1953—2009年2月逐日气象资料，取自安徽省宿州市国家气象观测站，其地理位置：33°38′N、116°59′E，海拔25.9 m。宿州市下辖四县一区(即砀山县、萧县、埇桥区、灵璧县、泗县)，位于安徽淮北平原，其中，宿州国家气象观测站设于埇桥区内。

(2) 灾情资料抄自宿州市民政局灾情报表，灾害发生期间有关数据来自安徽省宿州市国家农业气象试验站大田调查资料。

(3) 分析所用的1953—2009年冬小麦单产资料取自宿州市统计年鉴。

1.2 资料处理与分析方法

(1) 冬小麦气象相对产量的获取：先对历年冬小麦产量资料采用5年滑动平均方法^[5]，从实际产量(y)中分离出趋势产量(y_t)，由式(1) 获得每年的气象相对产量(y_w)。

$ {y_w} = \frac{{\left( {y - {y_t}} \right)}}{{{y_t}}} \times 100\% $

(1)

(2) 选取灾害相似年的方法：按照文献[6]给出的标准，即冬小麦出苗至冬季期间降水持续偏少，对小麦正常生育造成影响的气象灾害现象^[6]，称为秋冬连旱。

(3) 灾害发生期间气象要素对冬小麦最终产量的影响分析方法，采用常用的Fisher积分回归法^[5]：通过求取当年10月中旬至次年5月下旬逐旬气象要素(日照时数、降水量、平均气温)对当年冬小麦气象相对产量(y_w)的影响效应函数[a_j(t)]，即某气候要素每升高(增加)或降低(减少)一个单位时，气象相对产量(y_w)增加或降低情况。由影响效应函数分析11月上旬至2月灾情发生期间气象要素对冬小麦产量的影响。具体方法详见文献[5]。

$ {a_j}\left( t \right) = \sum\limits_{k = 0}^m {{\alpha _k}{\mathit{\Phi} _{jk}}\left( t \right)} $

(2)

式中，α_k为正交多项式系数，k=0, 1, 2，…，m, 本文m=3；Φ_jk(t)为正交多项式表中值，j=1, 2，…，t，本文t=12(即10月中旬至5月下旬，共计23旬)。

(4) 气候要素常年值，按世界气象组织(WMO)规定取1971—2000年的30年平均值。

(5) 干旱期间降水分布规律及其发生概率，采用数理统计法进行分析^[5]。

另外，在研究分析中还引用部分标准，即：

干旱灾害等级标准：采用中国气象局制定(QX/T81-2007) 的降水负距平百分率指标进行统计，即统计时段内的降水量与同期降水量常年值的差值，再与常年值相比的百分比值(p_a)^[7]。对于季尺度而言，当-80%＜p_a≤-70%时，为重旱。

冬小麦低温冻害等级标准：采用2008年中国农业部^[8]制定的《低温冻害田间调查分级标准(试用)》，即，1级：叶片有冻伤，但基部完好，生长点未受冻，死茎率5%以下；2级：叶片上部枯萎，少数分蘖死亡，部分生长点受冻，死茎率5%~15%；3级：地上部大部分枯萎，部分分蘖死亡或生长点皱缩，死茎率15%~50%。

2 2008—2009年秋冬低温干旱成灾因素分析 2.1 降水量持续稀少

2008年10月下旬至2009年2月上旬，宿州市各地降水量持续稀少(见图 1)。由图 1可见，除11月23—24日降水过程的降水量超过5 mm，其他7次(12月3日降水量为0.0 mm)均为3 mm以下的无效降水，其中，2008年11月25日—12月27日，长达32天降水量不足1 mm。2009年1月份仅1月2日(1.8 mm)和21日(0.5 mm)出现降水。经对宿州市所属站点的统计发现，除泗县单站降水量偏少44%外，其他3县1区降水量，较同期常年值偏少70%~80%，是近10多年来降水最少的一年。按小麦干旱灾害等级标准^[7]，属重旱级别。

2.2 麦田墒情严重不足

图 2给出2008年12月18日至2009年2月13日麦田(土壤为砂浆黑土、肥力中等)0~10 cm、10~20 cm土壤相对湿度变化情况。

由图 2可看出，麦田旱情主要发生在2009年1月中旬至2月上旬。旱情开始时间为1月中旬初期，如1月13日0~10 cm土壤相对湿度已低至60%。随后，麦田墒情持续下降，至2月上旬降至最低(2月8日0~10 cm土壤相对湿度仅为37%)，按文献[8]给出的麦田土壤干旱等级标准判断，此段时期应属重度干旱级别。

2.3 初冬气温突降且强度大

冬小麦生理学研究表明^[9-11]，只有经过日平均气温从3 ℃降到0 ℃的低温抗寒锻炼过程，冬小麦植株体内才会发生一些必要的生理变化，如分蘖节处糖分增加，从而增强抗寒能力。否则，如果前期温度高，冬小麦未经受抗寒锻炼，遇到低于-5 ℃的强降温，便会遭受冻害，遇到-10 ℃的低温就会遭受严重冻害。

图 3为2008年12月21日04时至23日14时宿州市国家气象观测站逐时平均气温波动情况。

从图 3可以看出，自12月21日12时开始降温到0 ℃以下后，一直持续降温，直到23日12时才回升到0.1 ℃。期间有2次低温期，第一次在21日22时至22日10时，逐时平均气温≤-6.5 ℃，其中有4小时的逐时平均气温≤-9.5 ℃。第二次在23日00—08时，逐时平均气温≤-6.5 ℃。尤其是12月22日日平均气温多在-6~-7 ℃、日极端最低气温在-10 ℃以下。

3 2008—2009年秋冬低温干旱与历史相似年比较分析 3.1 秋冬干旱相似年比较

按照文献[6]的标准，结合民政部门的灾情资料，统计分析1953—2009年气象资料，结果：近60年来，共发生9次秋冬连旱灾害(见表 1)，频率为16.07%。其中：1970年前和1990年以来各出现2次，占22.2%。1970—1990年出现5次，占55.6%，为秋冬连旱的主要发生期。

同时，由表 1可见，9次秋冬干旱灾害，平均开始日期多在10月下旬后期(9次秋冬干旱的平均日期为10月24—25日)。1955—1956年为发生最早的一次，开始于9月下旬。1987—1988年的秋冬干旱发生最迟，在12月上旬开始出现旱情。持续时间最长的一次为1976—1977年，历时121天，旱情直到次年春季3月中旬解除。持续时间最短的一次为1963—1964年，历时66天。持续日数在100天以上有6次，占66.7%，表明宿州市秋冬连旱一旦旱情发生，则持续时间较长。

从历次秋冬连旱前10日降水总量看，有5次降水总量在20 mm以下，其中：1963—1964年、1976—1977年和1995—1996年秋冬连旱开始前10天降水总量＜15 mm。9次秋冬连旱期间的总降水量均在15 mm以下，其中有6次小于10 mm。

因此，总体来看，2008—2009年出现的秋冬连旱灾害，在旱灾持续日数上属于较长的1次，为112天。从灾前10日与干旱期间的总降水量看，属于中等偏重年份。灾前和灾中降水总量分别为42.6 mm和13.6 mm，按照降水负距平百分率指标^[7]计算，2008—2009年秋冬干旱属重旱级别(负距平百分率为77.2%)。

另外，为分析推断未来类似秋冬干旱的发生概率，进行了数理统计研究。即先采用偏度系数法^[5]，对历年11月至次年2月降水量(x)资料进行正态分布检验。结果降水序列(x)符合正态概率分布(即实际偏度系数为0.3123远小于理论偏度系数4.3581)。然后，再利用极大似然法^{[5, 12]}求得历年11月至次年2月降水正态概率分布的2个参数：平均值(μ)和标准差(σ)分别为：μ=91.0579，σ=39.3207。则得到11月至次年2月降水正态概率分布模型式(3)，即

$ F\left( x \right) = \frac{1}{{\sqrt {2{\rm{\pi }}} \sigma }}\int {{{\rm{e}}^{ - \frac{1}{{2{\sigma ^2}}}{{\left( {x - \mu } \right)}^2}}}{\rm{d}}x} $

(3)

最后，运用式(3) 即可推断出不同降水量级的发生概率。经计算：类似2008—2009年11月至次年2月降水量为30.1 mm的年份的重现期为其概率(0.0605) 的倒数，即1/0.0605=16.5年，约17年一遇。不过，这里要说明的是，“重现期”并非是经过16.5年时间后，必然再现的“周期”，它只是概率意义上的“回转周期(return period)”^[12]。

3.2 初冬低温相似年比较

统计分析宿州市9次秋冬连旱期间的低温冻害资料，仅1987—1988年和2008—2009年初冬出现了强降温天气，对冬小麦造成了危害。表 2为2次初冬气温下降前后的相关气象要素变化情况。

由表 2可以看出，2次初冬气温下降期间的极端最低气温均低于-10.0 ℃。宿州市国家农业气象试验站的作物发育期观测资料表明，在强降温过程后，2个年度的冬小麦均由正常生长发育转入越冬期。1987—1988年低温冻害发生前，日平均气温≥12.0 ℃，正处于冬小麦冬前分蘖的适宜温度指标10~17 ℃^[9-11]之内。2008—2009年冻害发生前，日平均气温一直处于5.0 ℃以上，冬小麦幼穗分化处于二棱期。同时，降温前日与次日的平均气温差值，即降温幅度，1987—1988年为11.1 ℃，2008—2009年的5.4 ℃，且降温过程内日平均气温≤0 ℃日数，1987年为6天, 2008年为3天。因此，2次低温冻害发生前，冬小麦均未经必要的抗寒锻炼而遭受冻害，按照农业部田间灾情调查分级标准^[8]，结合大田灾情调查资料, 分析认为：2008年为2级冻害，1987年为3级冻害。

4 2008—2009年秋冬低温干旱对冬小麦生长和最终产量的影响 4.1 对小麦长势的影响

宿州市冬小麦常年越冬期内，在气温短暂回升期间，麦苗并不停止生长而是缓慢生长着，不仅促生分蘖，而且幼穗器官在较低温度和短日照条件下，会不断进行小穗原基分化，对增加小穗数十分有利的，但其发生分蘖和进行幼穗分化的条件是土壤相对湿度处于60%~80%^[9]。然而，2008—2009年秋冬干旱期间，麦田墒情严重不足，且有≥6.5 cm以上的干土层，麦苗无法正常生长，表现为色黄势弱、分蘖少、生长量不足，无法实现壮苗越冬。表 3为2008—2009年度与2000—2008年度越冬开始期的平均苗情。

从表 3可以看出，2008—2009年度越冬开始期苗情，无论是总茎数，单株分蘖数，还是叶面积系数等产量因素均少于前9年的平均值。尤其是单株分蘖数比前9年偏少1.6个。

另一方面，2008年12月下旬初以后，特别是12月21—23日的低温强度，为1991年以来(17年)最显著的一次，导致95%以上的小麦遭受冻害，受害症状为叶片卷曲，天气回暖后呈褐色，似开水烫过，部分田块发生少数分蘖死亡现象发生。

2009年2月10日，利用NOAA卫星遥感监测资料，获得宿州市的平均绿度值为0.20，较近3年同期平均值偏低13%。据民政部门调查统计资料，截至2月10日，宿州市冬小麦受旱面积达35.03万hm²，其中，重旱面积17.6万hm²，点片死苗0.75万hm²。

4.2 对小麦生长量的影响

研究表明^[10]，麦田土壤相对湿度长时间低于60%时，小麦植株体内的养分运输就会受到障碍，吸收和积累的营养物质大大减少，分蘖节处于饥饿状态，分蘖发生会延迟，分蘖力会显著下降，分蘖不能很好形成，甚至无法形成分蘖。从大田调查资料看，2008—2009年的秋冬干旱期间，有30天以上麦田土壤相对湿度低于50%，属于严重缺水，冬小麦分蘖发生和根系生长均遭到水分亏缺影响，尤其是播种后一直未补水的麦田受害较重(见表 4)，其次生根数量和长度分别为补水1次麦田的32.4%和14.6%。而播种后灌水1次的麦田，次生根条数和长度均接近或达到壮苗标准^{[9, 11]}。

4.3 2008—2009年秋冬低温干旱对后期产量的影响

亩穗数、穗粒数和千粒重是反映小麦产量高低的三大要素^[10]。从冬小麦生育生理规律看，2008—2009年灾害发生期间，是决定亩穗数和穗粒数，尤其是小穗数多少的重要时期，低温和干旱除给小麦外部形态造成伤害外，还会给分蘖与幼穗分化造成一定影响，而分蘖多少决定了亩穗数的高低，幼穗分化优劣则影响着穗粒数的多少，最终都会对单产造成一定影响。如2月7日的调查数据：未补水麦田亩茎孽数仅851.5个/m²，远未达到亩总茎孽数约1 050个/m²的壮苗标准^[10]。而成熟期(5月31日)对3个点的调查表明，每穗小穗数(品种为皖麦50) 平均较前5年少3.1个。

为分析灾害发生期间逐旬光温水对最终产量的定量影响，进行了积分回归分析^[5]，即利用冬小麦全生育期内(当年10月中旬至次年5月下旬)逐旬日照时数、平均气温、降水量资料，采用Fisher积分回归分析，得到光、温、水要素逐旬变化对冬小麦最终产量的影响效应曲线(见图 4)。建立的积分回归效应方程，均通过显著性水平α=0.01的F检验，日照时数、平均气温和降水量积分回归方程各自的复相关系数(R²)分别为：0.534，0.452和0.611。

从图 4可见，总体上，光温水三要素对小麦最终产量的影响曲线中，光照和均温二要素影响曲线近似，约在2月中旬前，每增加一个要素单位，其对产量的增加效应较为缓慢，之后，则效应曲线增速加快。降水量的影响效应曲线则呈波浪形，即自10月中旬开始，对产量的有利效应逐渐增加，至11月中旬至12月中旬达最高，之后，变为减产效应，到3月下旬和4月上旬减产效应至最大后，影响效应曲线开始呈增加趋势，并一直持续到5月底成熟。具体到秋冬干旱和低温发生的11月至次年2月，光照和均温对产量提高的效应曲线是缓慢增加的，即每多增加一个光照和均温单位，均利于后期增产。其生物学意义是，温度升高，光照条件好，小麦分蘖力强、分蘖增多，相应的亩穗数会增加。而11月至次年2月降水量的影响效应曲线则呈倒“U”型，但仅在11月下旬、12月上旬两旬为正效应，如12月上旬每增加10 mm降水量，可使后期气象相对产量增加5%。在小麦越冬之间前，降水增加对后期产量增加有利。生物学意义是，这一时期土壤水分适宜，对分蘖有利。但在自12月中旬开始，影响效应曲线逐渐下降，且为负值，即降水量增加对后期产量提高不利，其生物学意义是降水过多，光照会相应减少(而日照的影响效应是自11月中旬开始到次年5月都为正效应)，从而制约分蘖的发生和幼穗的良好发育，继而影响到产量的增加。

5 结论与讨论

(1) 2008—2009年的秋冬干旱和初冬低温冻害，为干旱叠加低温冻害型灾害。成灾的主因是长时期降水稀少、麦田失墒和小麦未经抗寒锻炼而突遭-10 ℃以下低温。

(2) 灾害造成的主要影响是冬小麦叶片受害，分蘖与次生根在干旱缺水下无法正常伸出，幼穗分化受到抑制和阻碍，并有部分田块发生分蘖死亡现象。经评估，旱灾与冻害对小麦的危害可评定为重旱和2级冻害。

(3) 57年间，宿州市共发生2次秋冬干旱与初冬气温骤降型灾害，灾害特点是干旱持续时间长，初冬降温幅度大，冻害重。类似于2008—2009年11月至次年2月降水量为30.1 mm的干旱年份的重现期为16.5年。

(4) 秋冬干旱和低温对小麦产量的影响，目前尚缺乏以产量为单位鉴定的方法，本文从生物学角度进行了定性分析评估。同时，尝试引入积分回归法鉴定分析灾害发生期间光温水要素对小麦产量的影响，但这种评估结果反映的只是气象要素均值对小麦产量的影响，若需要更客观定量化评估灾害对产量的影响，还要深入探讨。

(5) 限于资料不足，仅研究了光、温、水单一要素对小麦最终产量的影响，但正如文献[11]、^[13]和^[14-15]所言，光、温、水对小麦产量的影响是综合性的，即还存在匹配合理与否的问题。同时，前期发育良好的作物比前期发育不良的作物更能经受恶劣条件的考验^[16]。因此，这方面的工作尚需进一步系统开展。