山西南部蘋果花期凍害時(shí)空分布特征及綜合防御技術(shù)

袁嘉瑋，張 健，王 璐，張鵬飛，梁哲軍，田時(shí)敏，薛琴琴，王愛玲，張戰(zhàn)備，段國琪，楊印斌，王玉香

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000)

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害是制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一，近年來，受全球氣候變暖導(dǎo)致的氣溫持續(xù)上升和地區(qū)熱量資源改變的影響，地表蒸騰與植物蒸騰速率等水分平衡過程改變、農(nóng)作物生育期改變、霜凍日數(shù)減少，對(duì)農(nóng)業(yè)及自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[1-3]。其中，花期凍害已成為影響蘋果產(chǎn)量及品質(zhì)的主要?dú)庀鬄?zāi)害指標(biāo)[4～5]，也是目前我國蘋果的重要病害之一[6]。

近年來，相關(guān)學(xué)者在蘋果花期凍害指標(biāo)方面做了諸多研究，并以此進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究，如針對(duì)黃土高原優(yōu)勢(shì)蘋果產(chǎn)業(yè)帶主栽品種進(jìn)行凍害指標(biāo)研究，形成花期凍害等級(jí)指標(biāo)行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)——富士系蘋果花期凍害等級(jí)[7]；劉璐等[8]和柴芊等[9]分別根據(jù)子房和花粉的受凍臨界溫度進(jìn)行凍害指標(biāo)劃定，并分別建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，確定不同地區(qū)花期凍害重點(diǎn)防御時(shí)間；楊小利[10]根據(jù)花期凍害實(shí)地調(diào)查情況，將花期凍害分為3個(gè)等級(jí)，并以實(shí)際災(zāi)損率作為指標(biāo)研究花期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；屈振江等[11]以2013年全國蘋果主產(chǎn)區(qū)大面積花期凍害過程為基礎(chǔ)，利用氣候背景資料，對(duì)全國蘋果主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行花期凍害風(fēng)險(xiǎn)劃分，其中山西省南部地區(qū)屬于中度與低度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。但對(duì)凍害發(fā)生規(guī)律的分析研究卻鮮有報(bào)道，并且缺少實(shí)際的防御措施[12]。目前山西蘋果花期凍害發(fā)生規(guī)律分析方面尚未有相關(guān)報(bào)道，且在有關(guān)山西蘋果花期凍害防御措施及補(bǔ)救措施的報(bào)道也均為普適性對(duì)策，未結(jié)合各地實(shí)際情況。然而蘋果花期凍害受地域性的影響，凍害指標(biāo)劃分以及防御對(duì)策需結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r才具有實(shí)際意義。因此，本文對(duì)近20 a 山西南部各縣蘋果花期凍害發(fā)生情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析山西南部蘋果花期凍害的時(shí)空分布特征，利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法研究蘋果花期凍害的氣候趨勢(shì)，并提出針對(duì)性防御對(duì)策，以期為山西南部蘋果花期凍害預(yù)測(cè)、氣象災(zāi)害防御以及蘋果穩(wěn)產(chǎn)增收提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取山西隰縣、吉縣、河津市、稷山縣、絳縣、新絳縣、聞喜縣、垣曲縣、萬榮縣、臨猗縣、鹽湖區(qū)、夏縣、永濟(jì)市、芮城縣、平陸縣15個(gè)氣象站點(diǎn)1997—2016 年蘋果花期日極端最低氣溫和日平均氣溫觀測(cè)資料(除隰縣、吉縣外13縣(市、區(qū))均屬于運(yùn)城地區(qū))。

1.2 凍害程度劃分

根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QX/T392-2017富士系蘋果花期凍害等級(jí)》[7]、柴芊等[9]關(guān)于陜西蘋果花期凍害指數(shù)定義，結(jié)合山西南部蘋果主產(chǎn)區(qū)氣候特征，分別按照日極端最低氣溫(T)將蘋果花期凍害劃分為輕度、中度、重度和極重4個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 富士蘋果凍害等級(jí)劃分

1.3 分析方法

采用最小二乘法[13]對(duì)花期凍害日數(shù)進(jìn)行線性傾向估計(jì)，并用 Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)方法(M-K檢驗(yàn))[14-15]對(duì)花期凍害日數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[16],研究山西南部蘋果主產(chǎn)區(qū)凍害的時(shí)間變化特征、空間分布結(jié)構(gòu)以及氣候演變趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果凍害的氣候統(tǒng)計(jì)

根據(jù)富士蘋果凍害等級(jí)劃分(表1)，統(tǒng)計(jì)富士蘋果花期不同等級(jí)的凍害日數(shù)和極端最低氣溫的變化趨勢(shì)。由表2及圖1可以得出，1997—2016年間山西南部富士蘋果發(fā)生花期凍害日數(shù)年均為3.1 d，極端最低氣溫達(dá)-7.1 ℃(夏縣)。運(yùn)城地區(qū)4月中上旬發(fā)生凍害幾率最大，凍害高頻期主要集中在4月8—16日，其高頻期內(nèi)發(fā)生凍害日數(shù)占全部凍害日數(shù)的比值除永濟(jì)市與河津市外，均高于45%。 吉縣與隰縣4月下旬發(fā)生凍害幾率最大，高頻期主要集中在4月20—26日，其所占比值分別是44.74%、48.28%。

山西省富士蘋果花期發(fā)生凍害總?cè)諗?shù)及不同程度凍害日數(shù)均呈單峰型分布，其中運(yùn)城地區(qū)4月中旬凍害日數(shù)最多，達(dá)到峰值(年均1.3 d)，且凍害發(fā)生程度最為嚴(yán)重；吉縣與隰縣4月下旬凍害日數(shù)最多，達(dá)到峰值(年均1.9 d)。而山西省富士蘋果花期極端最低氣溫除河津市、臨猗縣、吉縣外均發(fā)生在4月中旬，其中夏縣最低為-7.1 ℃。運(yùn)城地區(qū)4月上旬以及吉縣與隰縣4月下旬的極端最低氣溫也較低，分別為-5.2℃、-3.4℃。從凍害等級(jí)上看，輕度凍害發(fā)生最多，年均2.8 d，占花期凍害總?cè)諗?shù)的90.32%；其次為中度凍害，年均0.25 d，占花期凍害總?cè)諗?shù)的8.06%；重度凍害及極重凍害極少發(fā)生。運(yùn)城地區(qū)各程度凍害等級(jí)發(fā)生情況分布規(guī)律與凍害日數(shù)分布規(guī)律基本一致，吉縣與隰縣輕度凍害分布規(guī)律與凍害日數(shù)分布規(guī)律基本一致，而中度凍害呈現(xiàn)4月中旬發(fā)生重、4月下旬發(fā)生輕的現(xiàn)象。

2.2 蘋果凍害的空間分布

由表3可以看出，山西南部蘋果主產(chǎn)縣年均凍害日數(shù)總體介于2.1～4.3 d，年均凍害日數(shù)最少的是河津市，僅有2.1 d；年均凍害日數(shù)最多的為夏縣，為4.3 d；萬榮縣和聞喜縣次之，年均4.0 d；鹽湖區(qū)、平陸縣、垣曲縣、新絳縣、永濟(jì)市的年均凍害日數(shù)較少，除永濟(jì)市為2.2 d外，其余各區(qū)縣均為2.4 d；吉縣與隰縣年均凍害日數(shù)較高，分別為3.8 d和3.0 d。

表2 1997―2016年山西南部蘋果主產(chǎn)縣(市、區(qū))蘋果花期凍害的氣候統(tǒng)計(jì)

圖1 1997—2016年山西南部蘋果花期凍害日數(shù)及極端最低氣溫變化Fig.1 The averaged freezing injury days and extreme minimum temperature at the floweringstages of apple in Southern Shanxi during 1971-2017

運(yùn)城地區(qū)平均花期介于3月29日—4月27日間，吉縣與隰縣平均花期介于4月15日—5月8日間。各縣花期均溫介于13.0℃～13.8℃之間。

2.3 蘋果凍害的變化趨勢(shì)

山西南部蘋果花期凍害日數(shù)及極端最低氣溫的年變化趨勢(shì)如圖2所示。山西南部蘋果花期凍害日數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.666 d·(10 a)-1(P≤0.01)，其中輕度凍害及中度凍害的氣候傾向率分別為-0.591、-0.094 d·(10 a)-1(P≤0.01)。而山西南部蘋果花期極端最低氣溫呈上升趨勢(shì)，且與凍害日數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)-0.768(P≤0.01)。山西南部蘋果花期凍害日數(shù)顯著減少，花期極端最低氣溫有所上升，且兩者呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明山西南部蘋果花期遭遇花期凍害的幾率顯著降低，花期凍害對(duì)蘋果生產(chǎn)造成的損失呈降低趨勢(shì)。

表3 山西南部蘋果主產(chǎn)縣(市、區(qū))蘋果花期凍害日數(shù)和平均花期的空間分布

由圖2可以看出，山西南部蘋果花期凍害日數(shù)、輕度凍害日數(shù)、中度凍害日數(shù)均呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。2000―2010年，凍害日數(shù)明顯偏多，正距平年份為7 a，且平均正距平凍害日數(shù)較年均水平高出1.7 d，其中高出最多的是2001年(高3.58 d)，2010年次之(高2.71 d)。同時(shí)，極端最低氣溫也出現(xiàn)在這一時(shí)間段，2007年和2010年的極端最低氣溫為-7.1℃和-7.0℃。2011―2016年，凍害日數(shù)較之前顯著降低，除2013年凍害日數(shù)突增外均為負(fù)距平年份，且平均負(fù)距平凍害日數(shù)比年均水平低1.9 d，其中最低的是2012年(低2.42 d)，2011年和2016年次之(低2.36 d)。

2.4 蘋果凍害的Mann-Kendall檢驗(yàn)

由M-K檢驗(yàn)可以看出，山西南部蘋果花期凍害日數(shù)UF曲線(按時(shí)間序列順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列)值于2000―2010年間大于零，凍害日數(shù)表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)；UF曲線于2011―2016年小于零，凍害日數(shù)表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，甚至在2015—2016年蘋果花期凍害日數(shù)突破α=0.05顯著性水平下限，表明該時(shí)間段山西南部蘋果花期凍害日數(shù)呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。UF和UB曲線(按時(shí)間序列逆序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列)相交于2008年，該點(diǎn)為蘋果花期凍害日數(shù)下降的突變點(diǎn)。

圖2 1997―2016年山西南部蘋果花期凍害日數(shù)及極端最低氣溫變化趨勢(shì)Fig.2 Climate change trend of freezing injury days and extreme minimum temperature at the floweringstages of apple in Southern Shanxi during 1997-2016

圖3 1997―2016年山西南部蘋果花期凍害的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall test of freezing injury at the flowering stages of apple in Southern Shanxi during 1971-2016

3 討 論

3.1 蘋果花期凍害時(shí)空分布特征

吉縣、隰縣地區(qū)蘋果花期、凍害高頻期均較運(yùn)城地區(qū)晚半月左右，年均凍害日數(shù)也相對(duì)較多，其原因除吉縣與隰縣地理緯度較高外，與果園地形也存在一定關(guān)系，運(yùn)城地區(qū)果園多建立在平地，吉縣與隰縣果園受地形限制均建立在山地。鹽湖區(qū)、永濟(jì)市、河津市年均凍害日數(shù)較少的原因可能是受城市熱島效應(yīng)的影響[17]。

山西南部蘋果花期凍害日數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且極端最低氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與桑婧等[18]針對(duì)全國范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)氣象研究結(jié)果一致。山西南部蘋果花期凍害日數(shù)在1997年、2001年、2006年、2007年、2010年、2013年有突增現(xiàn)象，王瑩等[12]在相關(guān)研究中認(rèn)為發(fā)生突增的原因是大氣候變暖導(dǎo)致花期提前，繼而遭遇冷空氣越境而引起短時(shí)大幅度降溫所致。

雖然凍害日數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，但由于凍害發(fā)生的不確定性，以及每年發(fā)生凍害的蘋果栽培面積、果園地形和農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境的不同，根據(jù)氣象指標(biāo)分析得出的凍害結(jié)果與實(shí)際的凍害災(zāi)損同步性有待進(jìn)一步提高。此外，造成凍害發(fā)生的氣象因子易受到人為活動(dòng)的影響，例如極端最低氣溫在不同果園中可能會(huì)受到灌溉量、園內(nèi)空氣濕度以及土壤持水力等各種因素影響而發(fā)生變化，造成不同程度的花期凍害災(zāi)損[19]。且在氣候變暖以及頻繁的人為干預(yù)氣象活動(dòng)背景下，未來凍害發(fā)生情況難以預(yù)料。因此，要根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)制定蘋果凍害防御措施，科學(xué)防御蘋果凍害，減輕或避免氣象災(zāi)害所造成的損失。對(duì)于氣象部門和農(nóng)業(yè)部門來說，必須加強(qiáng)春季氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)、冷空氣流動(dòng)方向預(yù)測(cè)以及溫度監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確提供氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)服務(wù)信息，指導(dǎo)廣大農(nóng)戶及時(shí)采取凍害防御策略，及早做好蘋果花期凍害防御及田間管理工作，確保蘋果穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)。

3.2 蘋果凍害綜合防御措施

蘋果凍害防御措施采取“以防為主，抗補(bǔ)結(jié)合”的綜合抗凍策略。

3.2.1 以防為主 山西南部蘋果花期發(fā)生凍害的主要原因是由于西北方向的冷空氣越境造成，因此蘋果花期時(shí)應(yīng)注意西北方向的冷空氣動(dòng)態(tài)，進(jìn)行花期凍害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提前做好果樹防凍措施。同時(shí)，蘋果園應(yīng)拆除其東南部的圍墻、土堆等屏障，避免冷空氣留存，并在蘋果園西北方向的迎風(fēng)口上方一百米左右營造防風(fēng)林帶，減緩冷空氣越境風(fēng)速，阻擋冷空氣直接沖擊，減輕凍害發(fā)生。

山西南部果園土壤普遍為堿性土壤，果樹吸收水分困難，氣溫降低時(shí)易加重凍害的發(fā)生程度[20-21]。因此山西南部地區(qū)果園應(yīng)注重果園土壤改良并優(yōu)化灌溉排水方式，臨近黃河、汾河、涑水河等河流的區(qū)域多采用河水灌溉，灌溉水源避免使用井水，灌水方式避免采用漫灌；果樹萌芽前及時(shí)灌水，以促進(jìn)木質(zhì)部水分運(yùn)輸；多施磷鉀肥、有機(jī)肥，少施氮肥，降低土壤酸堿值，提高果樹花芽質(zhì)量及其抗寒抗凍能力。

山西南部地區(qū)位于黃土高原優(yōu)勢(shì)蘋果產(chǎn)業(yè)帶的最南端，平均溫度相對(duì)較高，蘋果花期較早，此時(shí)冷空氣活動(dòng)頻繁，因此可以通過延遲蘋果花期的方式減輕凍害發(fā)生。果樹萌芽前刮除老翹皮、對(duì)枝干及枝杈部位使用石硫合劑涂白、噴施青鮮素液或萘乙酸鉀鹽、施肥后鋪設(shè)地膜或覆蓋10 cm以上雜草等措施均可有效推遲果樹花期[22]。

3.2.2 抗補(bǔ)結(jié)合 山西南部地區(qū)主要種植小麥、玉米等作物和果樹，作物收獲時(shí)可將一部分秸稈、落葉、樹枝收集堆積在園內(nèi)及上風(fēng)口處，用細(xì)土壓嚴(yán)待用。冷空氣來臨時(shí)點(diǎn)燃，但不要出現(xiàn)明火，通過熏煙提高園內(nèi)氣溫。除熏煙外，還可采用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)、布放加熱器等方法提高果樹周圍氣溫。有研究表明，采用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)等氣流擾動(dòng)法對(duì)減輕蘋果花期凍害有較好的效果[23]。

發(fā)生凍害前后，噴施植物生長調(diào)節(jié)劑及葉面微量元素肥也可有效增強(qiáng)蘋果樹體對(duì)花期凍害的抵御能力[24]。大量研究表明，NAA與IBA可有效起到?；ū９淖饔?；噴施海藻素、氨基酸和蕓薹素內(nèi)脂可顯著提高蘋果抗逆性；噴施蜂蜜、白糖、花精粉等混合液，可有效減輕凍害影響；在花期噴施磷酸二氫鉀與白糖混合液可有效增強(qiáng)花器官抗凍性；樹冠噴水或營養(yǎng)液提高蘋果樹短時(shí)樹勢(shì)；噴施鈣肥能顯著提高植株抗寒性[5-6,23-27]。

4 結(jié) 論

1)山西南部富士蘋果發(fā)生花期凍害日數(shù)年均為3.1 d，各縣花期均溫介于13.0℃～13.8℃之間，運(yùn)城地區(qū)4月中上旬易發(fā)生凍害，吉縣與隰縣4月下旬易發(fā)生凍害，各蘋果主產(chǎn)縣年均凍害日數(shù)總體呈現(xiàn)由盆地向山區(qū)遞減。

2)山西南部蘋果花期凍害日數(shù)總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且凍害日數(shù)、輕度凍害日數(shù)、中度凍害日數(shù)均呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。從2008年開始呈減少趨勢(shì)，突變點(diǎn)在2008年。花期極端最低氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并與凍害日數(shù)具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。