陽城縣近60年晚霜凍發(fā)生情況及其對桑樹的凍害分析

劉學(xué)軍 陳虎勝

(1山西省陽城縣氣象局，山西陽城 048100； 2山西省陵川縣氣象局，山西陵川 048300)

蠶桑產(chǎn)業(yè)是陽城縣的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是20世紀(jì)80年代以來蠶桑產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，蠶繭產(chǎn)值和品質(zhì)一直雄居華北縣級之冠，是全國蠶桑生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)[1]。2017年，陽城縣有桑園面積2 535 hm2，全年發(fā)種量2.8萬盒，產(chǎn)繭量1 360 t，蠶繭產(chǎn)值7 472萬元。受氣候變暖因素影響，陽城縣冬季氣溫明顯偏高，春季氣溫回升迅速，晚霜凍頻繁發(fā)生，甚至成了制約陽城縣春季蠶桑生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害。據(jù)我們調(diào)查，陽城縣幾乎每年都有桑樹遭受晚霜凍害，特別是在桑樹鵲口期，一旦受到霜凍襲擊，春葉就會減產(chǎn)降質(zhì)，進而影響蠶繭的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對蠶桑生產(chǎn)的適宜氣候條件進行了大量研究，其中國內(nèi)蠶業(yè)技術(shù)人員和氣象工作者針對某種氣象災(zāi)害對蠶桑生產(chǎn)影響的研究較多。如薛衛(wèi)東等[2]研究了桑園霜害的特點及成因；周昌云等[3]研究發(fā)現(xiàn)，春季≥10.0 ℃積溫達到185.0 ℃時，出現(xiàn)零度左右的最低氣溫，桑樹易受到霜凍危害；屈德明等[4]研究了旱、澇和霜凍對蠶桑生產(chǎn)的影響；倪松年[5]研究探討了桑樹霜害的預(yù)防措施；沈增學(xué)[6]研究了春季桑芽的萌發(fā)積溫等。但這些研究或多或少具有一定的地方特征，多年來陽城縣蠶桑生產(chǎn)者對當(dāng)?shù)厣澌o口期和晚霜凍的變化特征尚不清楚，很難對霜凍危害采取及時有效的防御措施。為此，本研究通過調(diào)研、統(tǒng)計等方法分析陽城縣早春氣候、桑樹早春發(fā)育狀況、地理環(huán)境等對晚霜凍發(fā)生的影響，結(jié)合春蠶歉產(chǎn)年桑樹遭遇晚霜凍的受害情況，找出形成桑樹晚霜凍害的氣象指標(biāo)，以期為今后防御桑樹晚霜凍害提供可參考的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

陽城縣1958—2018年氣溫、降水、地溫、霜凍等資料來源于山西省陽城縣氣象局。1990—2018年春蠶發(fā)種量、蠶繭產(chǎn)量等資料來源于陽城縣蠶桑中心。桑樹晚霜凍害數(shù)據(jù)來源于實地走訪和田間抽樣調(diào)查統(tǒng)計。

1.2 研究方法

1.2.1 早春氣候?qū)ν硭獌霭l(fā)生的影響 利用陽城縣氣象局歷年3月至4月中旬(以下簡稱早春)相關(guān)氣象資料，通過統(tǒng)計、對比氣候變暖背景下氣溫、降水與晚霜凍的關(guān)系來分析早春氣候?qū)ν硭獌霭l(fā)生的影響。根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)將晚霜凍定義為春播作物苗期、果樹花期、越冬作物返青后發(fā)生的霜凍，將終霜日定義為最后一次出現(xiàn)晚霜凍的日期[7]。

1.2.2 地形地理對晚霜凍發(fā)生的影響 針對同一霜凍天氣過程，在寺頭、次營、固隆、西河等蠶桑主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)通過實地走訪調(diào)研不同地形地理對晚霜凍發(fā)生的影響。

1.2.3 桑樹在早春提前發(fā)育受晚霜凍的影響 利用早春日平均氣溫≥12.0 ℃有效積溫隨年代變化對桑樹發(fā)育的影響以及桑樹鵲口期與終霜日的對應(yīng)關(guān)系，分析晚霜凍對桑樹發(fā)育的影響。不同的研究資料給出了10.0 ℃[8]和12.0 ℃[9-11]2種春季桑樹萌芽生長發(fā)育的起始溫度。根據(jù)積溫學(xué)說原理[12]，利用日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫來反映桑樹的生長發(fā)育進程，既與沈增學(xué)[6]關(guān)于春期桑芽萌發(fā)積溫的研究結(jié)論吻合度較好，也與陽城當(dāng)?shù)厣湓诖杭镜陌l(fā)育情況吻合。為此，本研究以12.0 ℃作為陽城縣桑樹生長發(fā)育的起始溫度。

1.2.4 桑樹晚霜凍危害成因及其氣候指標(biāo) 根據(jù)春蠶發(fā)種量、蠶繭產(chǎn)量等資料和桑樹遭受晚霜凍危害的實地調(diào)研結(jié)果，從春蠶發(fā)種減少量和蠶繭產(chǎn)量減少量、桑樹立地條件、肥水管理情況、氣候條件等方面分析桑樹晚霜凍危害的形成原因，確定相應(yīng)的氣候指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 早春氣候?qū)ν硭獌霭l(fā)生的影響情況

2.1.1 氣溫與晚霜凍的關(guān)系 (1)早春平均氣溫逐年增高、4月出現(xiàn)晚霜凍的平均日數(shù)減少。從圖1可以看出，1997年以后陽城縣早春平均氣溫多呈高位運行，相應(yīng)年份的4月出現(xiàn)晚霜凍的平均日數(shù)為4.1 d，較1997年以前4月出現(xiàn)晚霜凍的平均日數(shù)5.8 d減少了1.7 d，較歷年4月出現(xiàn)晚霜凍的平均日數(shù)5.2 d減少了1.1 d。除2000年、2001年、2003年、2010年和2013年4月出現(xiàn)晚霜凍的日數(shù)多于歷年平均值以外，其余年份4月出現(xiàn)晚霜凍的日數(shù)一般在3.0 d以下,較歷年平均值明顯偏少，且早春平均氣溫的高低與4月出現(xiàn)晚霜凍日數(shù)的多少基本呈負相關(guān)，表現(xiàn)最明顯的如2003年和2010年早春平均氣溫都在10.0 ℃以下，4月出現(xiàn)晚霜凍的日數(shù)均多達10.0 d，而2014年和2016年早春平均氣溫都在12.5 ℃以上，4月均未出現(xiàn)晚霜凍。

圖1 陽城縣1958—2018年早春平均氣溫和4月晚霜凍天數(shù)的變化趨勢

圖2 陽城縣1958—2018年終霜日的變化趨勢

(2)終霜日逐漸提前。從圖2可以看出，陽城縣歷年平均終霜日出現(xiàn)在4月15日，且隨年代的推移，呈逐漸提前的趨勢。2004年是終霜日從相對偏晚躍變?yōu)橄鄬ζ绲霓D(zhuǎn)折年，2004年以前有63%的年份終霜日出現(xiàn)在歷年平均終霜日之后，2004年以后只有13.3%的年份終霜日出現(xiàn)在歷年平均終霜日之后，其平均終霜日4月8日較2004年以前的平均終霜日4月18日提前了10.0 d。近5年平均終霜日出現(xiàn)在4月2日，又比4月8日進一步提前。

(3)最低氣溫越低產(chǎn)生晚霜凍的概率越大。分析歷年終霜日的最低氣溫，其變化趨勢可代表入侵冷空氣的強弱，入侵冷空氣較強時，當(dāng)日最低氣溫較低，與之對應(yīng)的地面最低溫度一般也隨之降低而出現(xiàn)晚霜凍，三者具有較強的正相關(guān)關(guān)系。從圖3可以看出，當(dāng)?shù)孛孀畹蜏囟取?.0 ℃，發(fā)生晚霜凍時，有88.5%的年份最低氣溫≤5.0 ℃。在強冷空氣控制下晴朗微風(fēng)的夜間，最低氣溫在5.0～8.0 ℃之間時，地面最低溫度也可能≤0.0 ℃而產(chǎn)生晚霜凍。

圖3 陽城縣1958—2018年終霜日最低氣溫與地面最低溫度的對應(yīng)關(guān)系

2.1.2 降水與晚霜凍的關(guān)系 陽城縣早春平均降水量30.1 mm，占全年平均降水量的5.3%，且隨著年代的推移略呈減少的趨勢(圖4)。降水偏少，淺層土壤干燥，地表輻射增強，冷空氣入侵時不易形成良好的田間小氣候，造成地面溫度偏低，進而加速晚霜凍的形成。從1958—2018年4月降水距平(當(dāng)年值與歷年平均值之差)與晚霜凍日數(shù)距平的時間序列分布來看，兩者60.7%的年份出現(xiàn)負相關(guān)(圖5)，即降水偏多年出現(xiàn)晚霜凍的天數(shù)相對較少，降水偏少年出現(xiàn)晚霜凍的天數(shù)較多。另外，分析歷年晚霜凍出現(xiàn)前的降水情況，若晚霜凍出現(xiàn)前最近一次降水不足2.0 mm，之后連續(xù)5.0 d以上無降水，田間濕度迅速下降，冷空氣來臨時，干冷的田間小氣候有利于晚霜凍的形成，而且連續(xù)無降水持續(xù)時間越長，晚霜凍對桑樹造成的危害越大。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，比較2次同處于桑樹鵲口期且降溫強度相近的冷空氣入侵過程，2010年4月13日由于前期連續(xù)一個多月無有效降水，田間干冷，桑芽遭受晚霜凍危害的受凍率比2015年4月8日3.0 d前出現(xiàn)中雨情況下的桑芽受凍率高20個百分點左右。

圖4 陽城縣1958—2018年早春降水量分布圖

圖5 陽城縣1958—2018年4月降水距平和晚霜凍日數(shù)距平的年變化趨勢

2.2 地形地理對晚霜凍發(fā)生的影響情況

陽城縣地處太行山南端，境內(nèi)丘陵山地起伏不平，山上山下、陽面陰面等不同地理位置受太陽輻射、地表輻射、風(fēng)向風(fēng)速等自然因素的影響不同，晚霜凍發(fā)生的時間和危害程度也有較大差別。通過對寺頭、次營、固隆、西河等蠶桑主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實地走訪和調(diào)研，同一霜凍天氣過程，山頂、過風(fēng)山地、陽面山坡晚霜凍出現(xiàn)及持續(xù)時間少于谷底洼地、背風(fēng)山地和陰面山坡。相應(yīng)地山頂桑園晚霜凍危害較輕，山腰次之，山腳最重；山腰窄小地塊，在房屋、林地和河流旁邊的地塊，處于南坡、西坡和西南坡的地塊分別比山腰大面積平坦地塊，離房屋、林地和河流較遠的地塊，處于北坡、東坡和東南坡地塊的晚霜凍危害程度輕。

2.3 桑樹在早春提前發(fā)育受晚霜凍的影響情況

2.3.1 有效積溫迅速累積桑樹晚霜凍發(fā)生的概率增大 受氣候變暖因素的影響，陽城縣日平均氣溫達到12.0 ℃的初始日期進入21世紀(jì)以來由歷年的平均出現(xiàn)日期3月16日提前至3月10日，導(dǎo)致早春日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫提前累積且迅速增加。從圖6可以看出，1997年以后早春日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫處于高位運行，桑樹的生長發(fā)育進程自然加快，發(fā)育期提前，在早春冷空氣活動頻繁、氣溫不穩(wěn)定的情況下，加大了桑樹晚霜凍發(fā)生的概率。如2013年早春氣候偏暖明顯，桑樹3月8日露青，3月23日就進入鵲口期，隨后在3月23—31日、4月6—7日、9—13日和19—20日出現(xiàn)冷空氣入侵，桑樹每次都受到了不同程度的凍害。

圖6 陽城縣1958—2018年早春日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫

2.3.2 桑樹鵲口期更容易遭遇晚霜凍危害 (1)桑樹鵲口期的確定。桑樹鵲口期是遭受晚霜凍害最危險的時期[1]。在以往的生產(chǎn)實踐中，陽城縣蠶桑管理者和生產(chǎn)者始終無法準(zhǔn)確掌握桑樹每年具體的鵲口期進而開展針對性的霜凍防御工作。通過實地跟蹤觀測，陽城縣2017年春季桑樹鵲口期的開始日期出現(xiàn)在4月6日，2017年桑樹鵲口期出現(xiàn)之前日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫為122.3 ℃。依據(jù)有效積溫的穩(wěn)定性特征，以每年早春日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫≥122.3 ℃的初始對應(yīng)日來確定每年的桑樹鵲口期。(2)桑樹鵲口期與終霜日相遇的可能性加大。從表1可以看出，陽城縣桑樹鵲口期歷年平均初始日期出現(xiàn)在4月9日，較歷年平均終霜日早6.0 d，其中終霜日出現(xiàn)在桑樹鵲口期之后的年份占到82%，表明有82%的年份桑樹鵲口期可能遭遇晚霜凍危害。盡管桑樹鵲口期隨年代推移也呈現(xiàn)逐漸提前的趨勢，但桑樹鵲口期平均每10年提早1.5 d，提前的速度不如終霜日平均每10年提早1.8 d來的快，桑樹鵲口期與終霜日相遇的可能性加大。

表1 桑樹鵲口期和終霜日平均出現(xiàn)日期及兩者平均每10年提前天數(shù)

2.4 晚霜凍致災(zāi)對蠶桑產(chǎn)業(yè)的影響情況

2.4.1 桑樹鵲口期遭遇晚霜凍春蠶發(fā)種量和產(chǎn)繭量下降 (1)晚霜凍對春蠶發(fā)種量和總產(chǎn)繭量的影響。春蠶發(fā)種量和總產(chǎn)繭量具有極強的正相關(guān)關(guān)系。1990—2018年，陽城縣有16年春蠶發(fā)種量少于趨勢量，占統(tǒng)計年數(shù)的55.2%，其中在桑樹鵲口期遭遇晚霜凍害的有12年(表2)，占發(fā)種量偏少年份的75.0%。(2)晚霜凍對春蠶盒種產(chǎn)繭量的影響。1990—2018年，陽城縣有17年春蠶實際盒種產(chǎn)繭量少于趨勢產(chǎn)量，占統(tǒng)計年數(shù)的58.6%，其中桑樹鵲口期出現(xiàn)晚霜凍的有11年(表2)，占減產(chǎn)年份的64.7%。

表2 陽城縣1990—2018年桑樹鵲口期遭遇晚霜凍年份的春蠶發(fā)種量減少量和產(chǎn)繭量減少量

2.4.2 立地條件和管理水平不同桑樹遭受晚霜凍害的程度不同 (1)立地條件不同，桑樹受凍程度不同。2016年3月27—28日，陽城縣出現(xiàn)晚霜凍，此時絕大部分桑樹處于露青至脫苞期，基本無凍損，只有極少數(shù)剛進入鵲口期的向陽背風(fēng)地桑樹受到輕度凍害。2015年4月5日桑樹進入鵲口期，4月8日晚霜凍造成全縣桑芽平均受害率8%～10%，特別是向陽東坡和東南坡由于強光照射早，氣溫回升快，輕度受害的桑芽胞間失水迅速，自身恢復(fù)時間短，受害率高于西坡和西南坡20%左右。(2)施肥管理科學(xué)，桑樹受凍程度較輕。在2015年的霜凍危害調(diào)研中，對比處于同一發(fā)育期桑樹的受害程度，肥水充足、枝條壯實、桑芽飽滿的桑樹自身修復(fù)功能強，受害輕于肥水較差的桑樹；晚秋季按正常保留7～8片葉或以采葉留柄法收獲葉片的桑樹，受害輕于采葉過度、樹體養(yǎng)分積累少的桑樹。

2.4.3 冬春氣候變暖桑樹受霜凍危害加重 (1)桑樹發(fā)育提前，多次霜凍加重凍害。2013年冬季和早春平均氣溫比歷年平均氣溫偏高1.5 ℃，尤其是3月上旬平均氣溫高于歷年平均氣溫5.0 ℃。從表3可以看出，3月23日進入鵲口期的桑樹在隨后出現(xiàn)的4次冷空氣入侵過程中，累計受害率達到60%左右，其中最低氣溫在3.0 ℃以下，地面最低溫度降到-1.0 ℃或-1.0 ℃以下，降溫幅度在5.0 ℃以上時，桑葉受霜凍危害嚴(yán)重。(2)終霜日與鵲口期相遇，桑樹受凍程度加重。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，凡是在桑樹鵲口期出現(xiàn)的晚霜凍，或多或少都會給桑樹帶來不同程度的傷害，輕則延遲桑芽發(fā)育，重則造成桑芽干枯死亡。從表3受凍情況的匯總結(jié)果可以看出，桑樹鵲口期遭遇晚霜凍的受害程度明顯高于桑樹其它發(fā)育期。(3)連續(xù)多日降霜，霜凍危害加劇。2001年4月9—12日、2010年4月13—15日、2013年3月23—27日、4月9—13日和2018年4月7—8日分別出現(xiàn)了2.0 d以上的連續(xù)晚霜凍，無論是處于鵲口期還是幼葉期的桑樹都連續(xù)受到晚霜凍的影響，危害明顯加重(表3)。

表3 陽城縣1990—2018年春蠶歉產(chǎn)年桑樹遭遇晚霜凍時的相關(guān)氣象要素及桑樹發(fā)育和受凍情況

續(xù)表3

3 小結(jié)與討論

3.1 氣溫升高4月晚霜凍日數(shù)減少、終霜日提前

陽城縣早春平均氣溫1997年以后基本呈高位運行，導(dǎo)致4月出現(xiàn)晚霜凍的平均日數(shù)4.1 d較歷年4月出現(xiàn)晚霜凍的平均日數(shù)5.2 d減少了1.1 d；2004年是終霜日從相對偏晚躍變?yōu)橄鄬ζ绲霓D(zhuǎn)折年，2004年以后的平均終霜日4月8日較歷年平均終霜日4月15日提前了7.0 d。

3.2 氣溫越低、無降水時間越長 發(fā)生晚霜凍的概率越大、危害越重

早春最低氣溫≤5.0 ℃時，出現(xiàn)晚霜凍的概率達到88.5%。桑芽脫苞后，最低氣溫<3.0 ℃，最低地面溫度≤-1.0 ℃，晚霜凍不可避免且桑樹遭受晚霜凍害的程度明顯加重；降溫幅度>5.0 ℃、晚霜凍出現(xiàn)前最近一次降水不足2.0 mm，之后連續(xù)5.0 d以上無降水或連續(xù)2.0 d以上出現(xiàn)晚霜凍都會加重桑樹的受凍害程度。

3.3 桑樹發(fā)育提前 發(fā)生晚霜凍害的概率和程度加大

陽城縣桑樹鵲口期歷年平均初始日期出現(xiàn)在4月9日，較歷年平均終霜日早6.0 d。隨著年代推移，早春日平均氣溫≥12.0 ℃的有效積溫提前累積且迅速增加，桑樹鵲口期平均每10年提早1.5 d，不如終霜日平均每10年提早1.8 d的提前速度快，桑樹鵲口期與終霜日相遇的可能性加大，這勢必將增加桑樹遭受晚霜凍害的概率和程度。在1990年以來的春蠶發(fā)種量和盒種產(chǎn)繭量減少的年份中，桑樹鵲口期遭遇晚霜凍害的年份分別占到78.6%和66.7%。

3.4 立地條件和管理水平不同 桑樹遭受晚霜凍害的程度不同

谷底洼地、背風(fēng)山地、陰面山坡以及向陽背風(fēng)地通常會加重晚霜凍對桑樹的危害，在強光照射早、氣溫回升迅速時，向陽東坡和東南坡的霜凍危害反而重于西坡和西南坡。處于同一發(fā)育期、肥水充足、枝條壯實、桑芽飽滿、正常采葉的桑樹遭受晚霜凍害的程度輕于肥水較差、過度采葉的桑樹。為此，加強對晚霜凍的監(jiān)測預(yù)報、改進桑樹的栽培管理技術(shù)以及利用熏煙、灌溉、噴霧等物理方法提高桑園近地層溫度，能夠有效預(yù)防晚霜凍危害。