设施农业是农业现代化最直接表现形式之一，是河南省现代农业的主要发展方向，也是乡村振兴的主要产业^[1]，据《中国县域统计年鉴(县市卷)》^[2]统计，截至2017年底河南省设施农业面积达2000 km²。目前，河南省各地设施农业类型多样，既有塑料大棚又有日光温室，均以非加温为主，其内部温度高低主要依赖于外界天气条件。冬季在农业生产过程中，设施内常因强降温天气出现低温逆境^[3]，如2018年1月上旬河南省出现大范围的暴雪寒潮天气，致使设施蔬菜发生不同程度的低温灾害，受灾面积达107.1 km^{2 [4]}。低温灾害已成为河南省设施农业生产中主要灾害之一^[5-6]，因此了解设施农业生产中冬季不同低温灾害指标发生的时空分布规律，并进行风险评估具有重要意义。

中国幅员辽阔，各地气候差异较大，且设施类型的后墙和覆盖材料不同，抗低温的能力也不尽相同，尤其在冬季农业生产中，最低气温的高低决定设施农业类型、运行成本及设施作物是否健康生长发育^[7]。目前国内设施农业低温灾害风险的研究主要集中在两方面：一是针对单一设施类型的低温风险，如研究发现北方以日光温室低温冷害风险为主^[8⇓⇓-11]，南方以塑料大棚低温冻害风险为主^[12];二是针对设施内具体作物的风险，多以不同地区的日光温室黄瓜^[13-14]和番茄^[15]等设施果菜研究为主。受气候和当地经济水平影响，设施农业低温风险研究成果应用具有一定的地域局限性，如外界气温低于-9 ℃时，山东省日光温室黄瓜可能发生低温冷害风险^[3]，而天津市日光温室黄瓜^[16]和河南省塑料大棚黄瓜^[17]则可能发生低温冻害风险。在河南省设施农业发展过程中，以往单一设施农业类型风险评估研究不能对设施形式的布局进行选择^[18-19]，出现设施农业生产类型与当地气候条件不适宜的现象，致使设施内作物生长过程中发生不同程度低温灾害，对其品质和产量有一定影响。因此本文针对河南省冬季设施农业类型多样性的生产实际，利用河南省113个国家自动气象站近37 a观测资料，采用数理统计方法，对河南省主要设施农业类型的低温灾害风险进行研究，以期为各地因地制宜选择设施农业类型、减少或避免冬季低温灾害风险及科学合理利用气候资源提供参考。

所用资料为中国气象局提供的河南省113个国家气象站(图1)1981—2018年冬季(12月至翌年2月)逐日最低气温观测资料;中国科学院遥感与数字地球研究所发布的2015年全球30 m精细地表覆盖产品，产品编号为XDA19090201_001(http：//data.casearth.cn/)，利用ArcGIS提取耕地类型数据，用于绘制低温灾害风险图;2016—2018年河南省冬季低温灾情数据(指因低温灾害引发设施作物受灾数据，包括持续时间、发生区域和危害程度)来源于服务过程中记录、文献收集^[4,20]以及媒体报道。

文中附图涉及河南省及其市(县)行政边界均基于自然资源网政务服务平台(测绘地理信息)下载的审图号为GS(2019)1822号的标准地图制作，底图无修改。

冬季设施农业生产中，从经济回报效益和能源消耗考虑，若一地出现某种设施农业类型不能抵御冬季某一低温灾害指标的气候概率P≥0.80时，说明此地不适宜发展该设施农业类型^[7]。采用信息扩散理论^[21]计算某一低温灾害指标的气候概率时，当样本容量较小时，简单正态分布优于指数分布和对数正态分布，因此利用正态扩散模型计算该低温灾害指标的气候概率。

假设某地n年内年最低气温的记录集为X=x1,x2,⋯,xn，以此来确定离散论域U=u1,u2,⋯,un，年最低气温观测样本点x按照公式(1)将所携带的信息扩散至U中所有点^[21]。

式中：u_j为离散论域U中第j个点;h为扩散系数，可以根据某一低温灾害样本最大值b、最小值a及样本数量确定^[22]，当样本数量n≥11时^[21]，h=[2.6851×(b-a)]/(n-1)。

年最低气温标准差(σ)反映某地历年的年最低气温数据离散程度(或称波动程度)^[23]，标准差越大，冬季年低温波动程度越大，对当地设施农业影响也越大;低温发生频率(F)指某地历年出现某一低温灾害指标的年数与总年数之比，反映受低温风险影响程度^[7];低温发生强度(k)是指某地冬季某一设施农业类型遭受低温灾害的强度^[7]，具体公式为k=d/N，其中d为某地历年冬季出现某一低温灾害指标的平均日数，N为该地历年冬季平均日数。

低温气候概率(P)、标准差(σ)、发生频率(F)、发生强度(k)在一定程度上能反映冬季设施农业受低温灾害影响的程度，对上述4个指数(P、σ、F、k)进行归一化处理，且用等权重法计算低温灾害风险指数(M)，具体公式^[7]如下：

式中：Y_ij为第i站、第j个低温灾害指数的归一化值，i=1，2，3，…，113，j=1，2，3，4;y_ij为第i站、第j个低温灾害指数值;y_jmax和y_jmin分别为113站第j个低温灾害指数的最大值和最小值;M_i为第i站低温灾害风险指数。

河南省冬季设施农业类型主要以塑料大棚和日光温室为主，但部分地区仍采用塑料小拱棚生产。根据设施栽培的技术要点^[24⇓-26]和设施农业类型特点^[27]，冬季出现低温灾害指标小于等于-5 ℃(-3 ℃)的气候概率大于等于0.80的地区不能采用单层塑料大(小)拱棚进行设施农业生产。根据不同设施农业类型采取不同覆盖方式的增温幅度^[28]和作物生长发育温度的界限指标，得出不同设施农业类型的外界低温灾害指标I_t(表1)。

图2为1981—2018年河南省冬季低温灾害指标小于等于-3.0 ℃、-5.0 ℃的气候概率、发生频率、发生强度及出现日数气候趋势的时空分布。可以看出，河南省各地低温灾害指标小于等于-3.0 ℃的气候概率和发生频率均达到1.00;低温灾害指标小于等于-3.0 ℃的发生强度(k)呈南弱北强趋势，其中信阳(除了息县北部和市辖区北部外)、南阳西峡县南部和淅川县北部的小部分地区k≤0.20，驻马店中南部、南阳中南部和周口西南部0.20<k≤0.30，南阳北部和镇平县、驻马店北部、漯河、许昌大部、周口大部、商丘西南部和夏邑县中东部及永城市西部、开封中西部、郑州大部、洛阳中东部和焦作中部0.30<k≤0.40，平顶山中西部、许昌鄢陵县北部和襄城县西部、洛阳西北部和东部、三门峡中部和东部、济源、焦作西部和东部、新乡、开封尉氏县中部和北部、商丘中西部和东南部0.40<k≤0.50，三门峡西部和渑池县西部、安阳(除滑县南部外)、鹤壁和濮阳k>0.50;低温灾害指标小于等于-3.0 ℃的出现日数整体呈显著减少或极显著减少趋势(F检验^[29]，极显著、显著分别表示通过α=0.01、α=0.05的显著性检验，不显著表示未通过检验。下同)，信阳中南部和南阳东南部呈增加趋势，但变化趋势不显著。因此即使在气候变暖背景下，各地也不能采用单层的塑料大(小)拱棚形式进行设施农业生产，只能通过提高设施保温能力生产耐寒蔬菜。

河南省各地低温灾害指标小于等于-5.0 ℃的气候概率和发生频率均超过0.86;其发生强度仍呈南弱北强趋势，其中信阳、驻马店南部、南阳淅川县西部、邓州东北部及新野县西部发生强度k≤0.10，南阳大部、驻马店中北部、漯河、周口、商丘西南部、开封中西部、许昌大部、平顶山南部和北部、郑州大部、洛阳东北部、济源北部、焦作中部等地区0.10<k≤0.20，平顶山中部、洛阳西部、三门峡中部、济源东部、焦作西部、新乡、鹤壁南部、安阳南部、开封东部和商丘大部0.20<k≤0.30，三门峡西北部和东部、鹤壁中北部、安阳大部和濮阳区域k>0.30;除信阳南部外各地低温灾害指标小于等于-5.0 ℃的出现日数仍呈减少趋势，且大部分地区出现日数呈极显著减少趋势。因此河南南部采用塑料大棚形式生产耐寒蔬菜时，也需覆盖3层膜提高保温能力，同时生产中应常备草苫等必要的保温材料，应对强降温天气。

图3为1981—2018年河南省冬季低温灾害指标小于等于-8.0 ℃、-10.0 ℃的气候概率、发生频率、发生强度及出现日数气候趋势的时空分布。可以看出，低温灾害指标小于等于-8.0 ℃的气候概率和发生频率，除了信阳、驻马店中南部和南阳中西部在0.70以下，其他地区均在0.70以上;河南省低温灾害指标小于等于-8.0 ℃的发生强度总体不强，除濮阳、安阳大部和鹤壁北部发生强度k>0.10外，其他地区基本上k≤0.10，郑州中西部、洛阳大部、平顶山西部和许昌西部k≤0.05且冬季低温灾害指标小于等于-8.0 ℃的出现日数呈显著减少趋势，这些地区在暖冬年份可以通过"1层毡布+2层膜"的塑料大棚方式进行设施蔬菜生产;信阳市辖区、息县以南、南阳淅川县和邓州市部分区域低温灾害指标小于等于-8.0 ℃的气候概率和发生频率均在0.50以下，发生强度在0.05以下，这些区域的设施农业类型可采取"1层毡布+2层膜"的塑料大棚方式进行设施作物生产。

信阳的固始县和商城县、南阳淅川县、内乡县和邓州市低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的气候概率P≤0.20，信阳大部和南阳新野县0.20<P≤0.30，信阳市辖区南部和息县南部、南阳中东部、驻马店大部、周口中南部、漯河东南部、平顶山北部、许昌西北部、洛阳大部、三门峡市辖区、济源中西部、焦作北部和东南部、郑州中西部0.30<P≤0.50，其他地区P>0.50，其中鹤壁、安阳和濮阳高达0.80以上;信阳、南阳、驻马店、周口大部、商丘柘城县西南部、漯河东南部、平顶山大部、许昌东北部、洛阳大部、三门峡市辖区和陕县北部、济源大部、焦作大部、郑州大部、开封通许县低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的发生频率F≤0.50，其他地区F>0.50;各地低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的发生强度k<0.10，其中安阳西北部和东北部、濮阳大部k>0.05，其他地区k≤0.05;河南大部分地区低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的出现日数呈减少趋势，但大部分地区减少趋势未通过α=0.05的显著性检验，随着气候变暖，极端天气增多，驻马店、南阳等地的部分地区低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的出现日数呈增加趋势，但未通过α=0.05的显著性检验。因此低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的气候概率和发生频率均在0.50以下的地区可以考虑塑料大棚形式生产，需覆盖"1层毡布+2层膜"，在生产中应关注强降温、寒潮和持续性低温天气;低温灾害指标小于等于-10.0 ℃的气候概率和发生频率均在0.50以上的地区需发展日光温室进行设施作物生产。

图4为1981—2018年河南省冬季低温灾害指标小于等于-12.0 ℃、-15.0 ℃时的气候概率、发生频率、发生强度及出现日数气候趋势的时空分布。可以看出，三门峡西部和东北部、洛阳西北部、焦作温县东部、商丘大部、开封东北部、新乡中东部、鹤壁、安阳和濮阳低温灾害指标小于等于-12.0 ℃的气候概率P>0.30，其他地区P≤0.30，其中安阳和濮阳P>0.50;从低温灾害指标小于等于-12.0 ℃的发生频率看，商丘的永城、虞城县(市)辖区东部和睢县东部、开封东部、三门峡西部和东部、新乡中东部、鹤壁、安阳和濮阳等地发生频率F>0.30，其他地区F≤0.30，其中鹤壁东部、安阳大部和濮阳全境区域F>0.70，但低温灾害指标小于等于-12.0 ℃的发生强度均在0.03以下，且低温灾害指标小于等于-12.0 ℃的出现日数趋势大多呈减少趋势(未通过α=0.05显著性检验)。根据作物生长基本温度指标和不同设施农业类型的保温能力，低温灾害指标小于等于-12.0 ℃的气候概率在0.30以下的区域可以采用"1层毡布+1层膜"的日光温室类型，但气候概率在0.30以上的区域，冬季若进行设施喜温作物的生产，需提高设施的保温能力，常备增温材料或加温设备。

除三门峡中部、商丘东部、鹤壁北部、安阳大部和濮阳外，河南省大部分地区低温灾害指标小于等于-15.0 ℃的P≤0.10，其中安阳内黄县和濮阳这些区域的气候概率较高，P>0.20;从低温灾害指标小于等于-15.0 ℃的发生频率和发生强度来看，1981—2018年河南大部分地区未出现小于等于 -15.0 ℃的低温;从低温灾害指标小于等于-15.0 ℃的出现日数气候趋势看，整体呈减少趋势。因此在低温灾害指标小于等于-15.0 ℃的气候概率较高的区域，需采用"1层棉被+1层毡布+1层膜"日光温室的设施农业类型提升保温能力，方能抵御强低温的危害。

对河南省主要适宜发展的塑料大棚和日光温室2种设施农业类型进行风险评估，考虑不同等级低温灾害指标的低温灾害指数时空分布和设施农业生产过程中投资成本，综合表1中塑料大(小)拱棚和日光温室不同保温措施下外界低温灾害指标，确定塑料大棚和日光温室发展的界限温度指标分别为-5 ℃和-10 ℃，利用有序样本聚类法^[30]并结合灾害年调查验证^[7]方法，得到塑料大棚和日光温室的低温灾害风险指数等级(表2)。

结合图5(a)和表2可知，各地在塑料大棚生产中，均会遭受不同程度低温灾害，其中大部分塑料大棚种植区遭受低温灾害的风险值超过0.52，为重度风险区，可采用"1层毡布+2层膜"的形式生产耐寒蔬菜，尤其1月要备好保温材料提升设施保温能力，应对强降温、寒潮和持续性低温天气;安阳、濮阳、商丘东南部及三门峡部分区域塑料大棚的低温灾害风险值大于0.76，为特重风险区，说明这些地区冬季不适宜采取塑料大棚形式进行设施农业生产，与实际生产基本相符;信阳大部和南阳淅川县、邓州市、周口太康县、西华县和郸城县遭受的低温灾害为中度风险，可采用覆盖3层膜的塑料大棚形式生产耐寒蔬菜，若生产喜温作物需采用"1层毡布+2层膜"的塑料大棚形式;信阳固始县和商城县低温灾害的风险值小于0.33，为轻度风险，在生产中可采用3层膜的塑料大棚形式。

结合图5(b)和表2可知，南阳淅川县和邓州市综合风险值小于0.18，即冬季采用日光温室进行设施农业生产时基本无低温灾害风险，但考虑日光温室投资成本等因素，即使无风险，这些地区也不宜发展日光温室。日光温室轻度风险区主要集中在3个区域：信阳大部、南阳中西部和驻马店南部，平顶山汝州市、郑州西部和焦作中部，洛阳嵩县、宜阳县中东部、新安县南部、市辖区西部、偃师市南部和伊川大部，这些地区可以采取1层毡布的日光温室形式生产蔬菜，在冷冬年份，需提高保温能力进行生产。中度风险区主要集中3个区域：南阳东部、驻马店、漯河南部、周口大部、商丘西南部和开封南部，平顶山大部、许昌东北部、郑州东部、焦作东部和新乡西部，三门峡中部和东北部、济源和洛阳东北部，这些地区可采取"1层毡布+1层薄膜"进行设施农业生产。漯河北部、许昌中东部、周口东北部、开封大部、新乡大部、鹤壁南部、安阳南部和商丘大部等这些区域在日光温室生产过程中遭受低温灾害等级为重度风险，可采用"1层毡布+1层膜"的日光温室形式生产。鹤壁东部、安阳大部地区和濮阳的日光温室低温灾害风险(特重)达到最高，需采取"1层棉被+1层毡布+1层膜"方式生产作物。中度和特重风险区，均需关注1月的强降温、寒潮和持续性低温天气，常备保温材料(如保温块、棉被等)，提升设施保温能力。

在河南省冬季设施农业生产中，设施内部温度高低主要依赖于外界气象条件，常因强降温天气出现低温灾害，杜子旋等^[17]曾以日最低气温为致灾指标，对河南省单一设施类型塑料大棚主要种植的蔬菜黄瓜和西红柿低温冷害风险进行研究，认为低风险区在河南南部，本文对塑料大棚风险区评估结论与其基本一致。

由于在河南省农业生产实践中，设施类型多样，本文综合4个低温灾害指数对河南省2种主要设施类型的低温灾害进行风险评估，虽然较已有单一设施类型低温灾害风险研究^[11]有所改进，但在确定低温灾害指标时仅考虑不同覆盖方式的保温效果，实际上设施内温度还与覆盖物质量、管理水平、后墙材质^[31]等因素有关，因而，本文给出的低温灾害指标可随着设施农业生产水平的不断提高进行修正。同时在设施农业生产中，不同作物各个生育期遭受低温灾害的下限指标并不相同，如番茄在苗期遇小于等于5 ℃的低温和花果期遇小于等于8 ℃的低温则易受低温灾害风险，而甜椒在苗期遇小于等于10 ℃的低温和花果期遇小于等于12 ℃的低温则易受低温灾害风险^[19,25-26]，因此在今后的研究中还应结合不同作物的生育期进行具体风险分析，增强研究和成果应用的针对性。

此外，在低温灾害风险评估时，耦合了地表覆盖数据中的耕地数据，但由于河南省地形复杂，局地小气候对农业生产也有一定影响，因此在今后研究中也应考虑地形^[32]等因素的影响，以期为设施农业生产布局提供更具体更优化的方案。

根据河南省主要设施农业类型的不同覆盖方式所能抵御低温界限指标和作物生长发育对温度的基本要求，综合得出冬季生产中主要设施农业类型低温灾害指标，进而提出河南省适宜各地发展的设施农业类型，更接近生产实际。具体结论如下：

(1)河南省各地均不适宜发展塑料小拱棚，塑料大棚与日光温室应是河南省冬季设施农业的主要生产形式。信阳大部、南阳部分地区、郑州中西部、洛阳大部、平顶山西部和许昌西部可采取"1层毡布+2层膜"的塑料大棚形式进行设施农业生产。北部的鹤壁、安阳和濮阳需发展日光温室才能保证设施作物生长。濮阳和安阳以日光温室的设施类型进行生产时，还应储备一定的保温材料，避免因出现强降温、寒潮和持续性低温天气对作物造成低温危害。

(2)在现有的气象要素监测时段内，河南省冬季各地不同等级的低温灾害风险有一定的区域性，中南部主要以塑料大棚的形式进行设施农业生产，其中信阳固始县和商城县为低温灾害轻度风险区，信阳大部、南阳部分地区和周口为中度风险区，其他地区为重度风险区;北部以日光温室的形式进行设施农业生产，濮阳、安阳和鹤壁的部分地区为低温灾害特重风险区。