冰雹對油菜災損的模擬試驗研究

摘要為探究冰雹對油菜的災損影響。本文通過在野外田間開展模擬試驗，用5、10、25和30 mm不同尺度大小的鋼球模擬不同尺寸的冰雹，探討不同直徑和相同直徑不同密度冰雹對油菜的損害，并對不同直徑冰雹對油菜地上部生物量的影響以及油菜冠層光譜進行測定，收集油菜在開花期、終花期的災害損失情況，并對油菜產量進行統計。結果表明，模擬30 mm大直徑冰雹對油菜的災害損失影響最大；同一直徑的模擬冰雹中，密度越大，造成的災害損失越大；油菜受災前后的光譜分析所得結論不明顯，后續需要開展進一步研究。為降低冰雹對油菜造成的損害、提高作物產量提供參考。

關鍵詞氣象災害；模擬冰雹；油菜；地上部生物量

中圖分類號S565.4文獻標識碼A文章編號1007-7731（2024）18-0105-07

DOI號10.16377/j.cnki.issn.1007-7731.2024.18.023

Simulation experiment study on hail induced damage to rapeseed

CHEN ZhilongZHAO Guiqiong

（Chengdu Xinjin District Meteorological Bureau， Chengdu 610000， China）

Abstract To investigate the impact of hail on the damage of rapeseed. The simulation experiments were conducted in the field using steel balls of different sizes such as 5， 10， 25， and 30 mm to simulate the damage of hail with different diameters and densities to rapeseed. The effects of hail with different diameters on the aboveground biomass of rapeseed and the canopy spectrum of rapeseed were measured. The disaster losses of rapeseed during flowering and final flowering periods were collected， and the yield of rapeseed was statistically analyzed. The results indicated that simulating hail with a diameter of 30 mm had the greatest impact on the disaster losses of rapeseed. In simulated hail of the same diameter， the higher the density， the greater the disaster losses caused. The conclusions drawn from the spectral analysis of rapeseed before and after the disaster were not clear， and further research was needed in the future. To provide references for reducing the damage caused by hail to rapeseed and improving crop yield.

Keywords meteorological disaster; simulating hail; rapeseed; aboveground biomass

冰雹是對流云中的一種固態降水物，是在一定的大尺度環流背景下產生的中、小尺度的天氣現象，具有突發性強、破壞力大和生命史短的特點，是一種常見的災害性天氣。冰雹災害是一種局部地區性強、季節性明顯、來勢急、持續時間短、破壞力強且以砸傷為主的氣象災害，常伴有大風、暴雨，給農牧業生產，尤其是給豐收在望的農作物帶來重大損失。據張強^[1]、周嵬等^[2]、李麗華等^[3]和湯興芝等^[4]研究統計，每年因冰雹造成的經濟損失高達億元，所造成的經濟損失也在不斷增加。近年來，相關研究聚焦于對冰雹的預報及對其天氣系統的探究，如冰雹的形成與發展、冰雹物理過程的動力學等方面。孫安平等^[5]在一個三維冰雹云模式和一個二維軸對稱積云起電模式的基礎上，初步建立了三維強風暴動力與電耦合模式，探討各種微物理過程參數化方案，并分析該模式的初邊值條件和對流啟動方式^[6-7]。李大山^[8]、胡志晉^[9]和董安祥等^[10]根據雹云形成的環境條件，總結其概念模式，把冰雹云數值模式與微機化單站統計預報模式相結合，初步建立了根據單站統計預報模式計算的物理量。李金輝等^[11]對冰雹云內部結構開展了個例分析，得出冰雹產生的環境場配置。劉春文等^[12]對一次典型降雹過程的冰雹微物理形成機理進行數值模擬，其模擬的降水、降雹和回波強度等物理量與對應的觀測量基本一致，并發現雹/霰胚的主要生成來源是通過過冷雨滴的概率凍結產生的凍滴。在冰雹時空演變的氣候態特征方面，對本地較小區域尺度的研究較多^[13-14]。實踐中，對于模擬冰雹并統計其災害受損情況的研究較少，因此，本文模擬冰雹對農作物的災害損失，以通過對冰雹的模擬情況提出有建設性的災害防御措施。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗地位于四川成都新津區（103°53′56″ E，30°31′32″ N）。在一塊均勻移栽的油菜田中架起三角梯，選取三角梯周圍6塊油菜田進行冰雹模擬試驗。供試油菜于2021年11月27日移栽，配施復合肥75 kg/hm²，尿素15 kg/hm²，均做基肥，移栽平均密度12.5株/m²。

1.2 試驗原理

用不同尺度大小的鋼球模擬冰雹對油菜的災損影響情況。其原理是某一特定尺度冰雹和同體積鋼球的落地動能相等^[7]，通過調整其落地高度來進行試驗模擬。其計算如式（1）～（3）。

冰雹末速度：

由式（1）～（2）可得到拋擲高度：

根據冰雹受災等級劃分情況^[15]，結合式（3），計算各等級受災情況對應的鋼球拋擲高度，得出不同規格鋼球的相應高度。如表1所示。

根據相關標準^[16]，劃分冰雹受災等級，如表2所示。

1.3 測定指標及方法

（1）不同直徑冰雹對油菜的損害。根據不同直徑的鋼球所對應的高度，分別在開花期和籽實期對相同面積的油菜進行冰雹模擬試驗。測量開花期不同直徑冰雹對油菜造成的損害，主要包括折斷枝數、莖枝劃痕和葉傷數等指標；測量終花期不同直徑冰雹對油菜造成的損害，主要包括折斷枝數、莖枝劃痕、角果劃傷數和角果脫落數指標。

（2）相同直徑不同密度對油菜的損害。通過模擬同一種直徑的冰雹，對比不同密度下冰雹對油菜造成災害的損傷程度。在油菜田塊中隨機抽取樣品，分析開花期、終花期的油菜災害損失情況（包括折斷分枝數、莖枝劃痕和角果數等）與模擬冰雹密度之間的關系。

（3）不同直徑冰雹對油菜地上部生物量的影響。對受災后的油菜生物量損失進行統計，取樣稱鮮重后，將樣品置于105 ℃烘箱中殺青30 min，以70 ℃恒溫烘干至恒重，稱重獲取油菜生物量。

（4）油菜冠層光譜測定。采用ASD FieldSpec 3便攜式近紅外光譜儀，選擇晴朗無風的天氣，測量油菜開花期模擬冰雹前后的光譜并對比。每次測定時間在10：00—14：00（太陽高度角大于45°）。觀測油菜時，傳感器垂直向下，距離冠層0.5 m，每個處理于測量前、后均用白板進行校正。油菜受災前后以模擬30 mm冰雹為例進行對比。

2 結果與分析

2.1 不同直徑冰雹對油菜的損害

開花期油菜受災情況統計如表3所示。大直徑冰雹對油菜造成的傷害分別是折斷枝數、莖枝劃痕和葉傷數。大直徑冰雹在冰雹災害中的占比很低，但對農作物的殺傷力較大。其中，模擬30 mm冰雹對油菜的損害較大，平均折斷分枝數27個/hm²，平均莖上劃痕和葉傷數分別是25、22處/hm²；模擬25 mm冰雹的受損較少。這說明大冰雹主要是通過砸斷油菜的分枝造成災害，莖上劃痕和葉傷數相對較少。這可能是由于大冰雹的直徑比較大，質量大，從高空落下接觸到的油菜分枝較多，且作用強度大，造成的損害較嚴重。相比而言，5和10 mm冰雹對油菜的損害較小，斷枝較少，尤其是5 mm冰雹幾乎沒有砸斷分枝。而莖枝劃痕較其他直徑的冰雹是最多的，可見，小直徑冰雹對油菜損害主要是劃痕。10 mm直徑大小的冰雹是比較常見的冰雹，對農作物的損傷也較大，砸斷枝數、莖劃痕和葉傷數的模擬數值均不低，均對油菜造成中等水平的傷害。這些輕級冰雹的質量較小，加上一般輕級冰雹對油菜傷害較小，因此只有在冰雹密度較大時，對油菜的作用面積大，會造成油菜莖上和角果有劃痕和劃傷。

終花期油菜災害損失統計如表4所示。大冰雹對油菜的傷害較大，特別是模擬30 mm的冰雹砸斷油菜分枝33個/hm²，造成的莖劃痕和角果劃痕不多，砸落的角果數量較多，達到100個/hm²。25、30 mm的大冰雹對油菜的傷害較大，傷害程度大致相同，其中，模擬25 mm冰雹對油菜災害損害中，莖劃痕較少，這可能是因為在模擬降落冰雹的過程中，人為拋落冰雹的準度不夠，使得模擬25 mm冰雹未全部有效砸落到試驗田中。5 mm的小冰雹對油菜的傷害遠遠沒有大冰雹的傷害大，無砸斷分枝數，造成的角果脫落較少，莖劃痕和角果劃痕數較多。10 mm冰雹對油菜的傷害較為平均，無砸斷分枝數，莖劃痕、角果劃痕和角果脫落較多，對油菜的傷害處于中等水平。可見，輕級冰雹對油菜造成的損害大小取決于冰雹密度的高低。

上述結果表明，模擬大直徑25和30 mm冰雹對油菜的傷害較為嚴重，劃痕少，有砸斷分枝；10 mm冰雹對油菜的傷害處于中等水平；5 mm冰雹對油菜的傷害較輕，劃痕多，無砸斷分枝。

2. 2 相同直徑不同密度對油菜的損害

根據表3可知，在模擬的10 mm冰雹密度下，大約300個/hm²冰雹對油菜開花期損害較小，大約900個/hm²冰雹對油菜的損害較為嚴重。10 mm冰雹屬于輕級，其在云層中停留的時間比大直徑冰雹少，高度較低，所包含的能量較小，且對油菜的作用面積也較小，油菜田之間存在許多空隙，小冰雹落到空隙中的概率較大，從而對油菜造成損失較小。小冰雹密度越大對油菜造成的傷害越大，主要原因在于對油菜的作用面積大，使得受災情況隨密度的增大而變得更加嚴重。可以看出，處于開花期的油菜災害損失情況與模擬冰雹的密度呈正比，冰雹密度越大，油菜的受損程度越高。在開花期模擬10 mm冰雹時，密度600個/hm²的樣本砸斷的分枝數比其他兩個樣本均更多，這個可能是由于冰雹在砸斷了一個比較大的分枝后，后續的冰雹又繼續砸，存在重復砸斷的現象，造成了數據統計與實際分析狀況存在差異。

由表4可以看出，在終花期模擬冰雹直徑10 mm、密度600個/hm²條件下，在該塊油菜田中隨機抽取1株樣品，發現樣品中沒有折斷的分枝數。而模擬冰雹直徑10 mm、密度900個/hm²所得的試驗數據與密度600個/hm²存在一定的差異，無折斷分枝，但比密度600個/hm²的模擬冰雹試驗油菜損失較嚴重。可知，終花期油菜災害受損與模擬冰雹的密度呈正比。其原因可能是冰雹對油菜的作用面積較大，造成的損害也就較大。

由表3可以看出，輕微級模擬5 mm冰雹對分枝傷害較小，對莖劃痕和油菜葉傷害較大，尤其是莖劃痕，而且同種級別的5 mm模擬冰雹對開花期油菜的傷害與冰雹密度呈正比。

對比表3和表4可以發現，油菜遭受的災害損失略有不同。在終花期，油菜的角果數量比在開花期更多。終花期是油菜進入成熟期的開始，油菜開始結籽粒，葉片生長速度變慢，更多的營養流向角果，角果數量逐漸增加，此時角果一旦受到冰雹打擊，對油菜的產量將會產生較大的影響。開花期，模擬冰雹對莖桿和葉片造成傷害較多，角果幾乎不計。原因可能是人為取樣對油菜產生了一定的傷害，從而造成過多的角果脫落。

總的來說，同一個級別的冰雹對油菜造成的災害損失與冰雹的密度呈正比，冰雹密度越大，油菜遭受的災害損失越大。

2. 3 不同直徑冰雹對油菜地上部生物量的影響

生物量是指某一時刻單位面積內實存生活的有機物質（干重，包括生物體內所存食物的質量）總量。植物群落中各種群的植物量很難測定，特別是地下器官的挖掘和分離工作較為困難^[17]。出于經濟利用和科研目的的需要，對油菜地上部分生物量進行取樣調查統計，以判斷冰雹對該作物在不同生育期地上生物量的影響。

取1株油菜測量其地上生物量，計算得出其開花期的地上生物量，如表5所示。揭示了不同直徑和密度的模擬冰雹對油菜開花期地上生物量的不同影響，為評估冰雹災害對油菜生長和產量的潛在影響提供了有價值的參考信息。

油菜終花期冰雹模擬試驗所得災害損失情況如表6所示。終花期的油菜角果逐漸開始成熟，抗災能力較開花期強，其中，模擬30 mm冰雹對油菜的傷害最大，造成角果脫落鮮重達到1 234.37 kg/hm²，使得該作物大量減產；模擬25、10和5 mm的冰雹也對油菜造成了一定的災害損失，但均無30 mm模擬冰雹造成的損失大。大直徑冰雹落在處于終花期的油菜田中，會砸落大量的角果，此時角果剛剛開始進入營養生長期，大直徑的冰雹所含能量較大，易使得角果受到打擊而落下，影響油菜產量，并造成生物量的減少。可見，大直徑冰雹對油菜造成的災害損失較嚴重，且直徑越大、包含能量越高，對油菜造成的損失越嚴重。模擬10 mm冰雹分別有600和900個/hm²兩種密度，其對油菜的傷害主要是砸落角果，使得地上生物量減少，而密度越大，冰雹對其作用面積越大，造成的損傷會越多。可見，在模擬10 mm冰雹量級下，冰雹的密度越大，造成油菜的損失越多。模擬5 mm冰雹分別有2 000和4 000個/hm²兩種密度，其中，2 000個/hm²冰雹密度造成油菜的地上生物量有較少的損失，4 000個/hm²冰雹密度未造成油菜的地上生物量減少，但造成了更多的角果劃痕和莖劃痕。原因可能是冰雹密度為2 000個/hm²時對油菜的有效作用較多，砸在角果上的模擬冰雹較多，而冰雹密度為4 000個/hm²時可能更多地砸到了油菜之間的空隙中，未對油菜造成有效傷害。且不能排除取樣時對油菜生物量造成破壞的可能性。可見，大直徑冰雹造成油菜地上生物量損失較大，直徑越大造成的損失也越大。在相同直徑的大冰雹中，其密度越大，造成油菜的地上生物量損失越大；而小直徑的冰雹密度與油菜的地上生物量損失并非呈正相關，原因可能是小直徑冰雹只是造成地上部生物產生許多劃痕，而不會造成生物量的損失。

在油菜田中隨機取樣1株油菜，計算地上各個生物量的質量。與模擬冰雹試驗油菜損失的數量進行對比，得出實際受災后油菜的地上生物量占標準取樣油菜生物量的百分率，如表7所示。模擬30 mm的冰雹對油菜地上生物量造成的損失較為嚴重，其實際角果鮮重只有原來的48%，干重只占原來生物量的47%；而模擬25、10和5 mm冰雹對油菜地上生物量的損害較模擬30 mm冰雹輕微。原因可能是30 mm的冰雹體積大，能量大，使得植株的損傷更嚴重。可見，生物量損失與冰雹直徑呈正比。需要注意的是，不能排除人工取樣過程中對油菜造成的損傷，即該損傷也記錄在冰雹對油菜的損傷數據中。在冰雹不同密度方面，生物量的損傷與冰雹特征不明顯。

綜合看出，冰雹直徑越大，所造成油菜地上生物量的損失越大，而小直徑冰雹更多的是造成劃痕與劃傷，對生物量造成的損失不明顯。

2.4 模擬冰雹的油菜冠層光譜分析

油菜受災前后以模擬30 mm冰雹為例進行對比，其冠層光譜反射率曲線的整體變化趨勢一致。這是因為在藍紫光和紅光區域受到葉綠素等色素強烈吸收，使得綠光區域形成相對較強的反射峰，從而在可見光區域反射特征表現為“兩谷一峰”（藍紫谷、紅谷和綠峰）^[17]。在開花期，冠層出現了金黃色的油菜花，其反射光譜如圖1所示，在500～700 nm波段范圍內反射率值達0.145。因此，在開花期觀測油菜冠層光譜時，由于進入傳感器黃光波段附近的能量迅速增加，在可見光波段尤其是在綠光波段至紅光波段反射率值明顯增大。在近紅外區域因受葉片細胞內部結構的支配作用表現為較高的反射率；短波紅外區域主要受植被水分含量的影響，形成了以1 400和1 900 nm為中波長的吸收峰^[17-19]。在反射率的大小方面，模擬30 mm冰雹的反射率比正常進行對照的反射率要小，原因可能是模擬30 mm的冰雹對油菜的傷害較大，特別是對其地上生物量造成了很大的損失，使得反射率降低^[20]。

模擬不同直徑的冰雹對油菜光譜與標準油菜光譜進行對比，結果表明，受到模擬25 mm冰雹災害的油菜光譜反射率最高，而標準的油菜光譜是處于模擬25和30 mm的冰雹災害的油菜光譜的中間位置。因此，模擬25 mm冰雹對油菜地上生物量的破壞較少。實踐中，三者之間對比的關系單憑本次試驗數據并不能明確判斷。油菜受災前后的光譜大致趨勢是一定的，但是具體到不同直徑的模擬冰雹，由于數據較少，暫不能得出明確的結論。

3 結論

本文通過對油菜進行模擬冰雹試驗，得到災害損失數據，并分別對這些數據進行分析討論，即不同直徑的模擬冰雹對油菜的損害，同一直徑不同密度模擬冰雹對油菜損害，模擬冰雹對油菜地上生物量的損害和模擬冰雹對油菜損害前后光譜的變化情況。得出以下結論。

（1）通過不同直徑的冰雹模擬對應不同的高度對油菜進行試驗。得出模擬30 mm冰雹造成油菜的損失最大，造成油菜分枝折斷，而劃痕和劃傷較少。模擬5 mm冰雹造成油菜損失較模擬30 mm損失少，主要是造成大量的劃痕和劃傷。可見，冰雹的直徑越大，對油菜傷害越大，造成的損失越嚴重。

（2）采用同一直徑不同密度的冰雹模擬對油菜造成損失的試驗，得出模擬10 mm（600個/hm²）和10 mm（900個/hm²）冰雹，模擬5 mm（2 000個/hm²）和5 mm（4 000個/hm²）冰雹對油菜造成的災害損失不同的結論，同一直徑密度越大，造成油菜災害的損失越大。

（3）在油菜田中，隨機取樣1株油菜，計算其地上生物量，并估算油菜的實際地上生物量，通過與受災前后的數據對比，發現模擬直徑越大的冰雹，對油菜的地上生物量造成的損失越大，甚至影響油菜產量。

（4）用便攜式光譜儀對模擬災害前后的油菜進行光譜測量，分析得出受災前后油菜的光譜大致趨向是一定的，不同的是大直徑冰雹造成地上生物量的損失會影響到油菜光譜。模擬大級別的冰雹對油菜災害，得出其反射率在近紅光區域越小，但是對于小級別的冰雹試驗數據不夠充分，暫不能得到有效的結論。

本文模擬研究了冰雹對油菜的災損影響，但部分冰雹的條件并沒有完全達到，例如，冰雹在融化過程中會造成油菜局部凍害，冰雹的持續時間明確，暫未考慮天氣條件對試驗的影響。對于模擬冰雹對油菜的損害試驗研究，后續將進一步滿足更多條件，使得模擬試驗的數據更具參考性，以更好地研究減少冰雹對油菜損害的方法。

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（責任編輯：楊歡）