晉北仁(肉)用杏晚霜凍害與氣象因子和地理環(huán)境的關(guān)系分析

李效珍， 魯宇星， 李子龍， 賈利芳， 張建新

(1.大同市氣象局，山西 大同 037010； 2.豐鎮(zhèn)市氣象局，內(nèi)蒙古 豐鎮(zhèn) 012100; 3.山西省氣象局，太原 030002)

引 言

山西省陽(yáng)高縣是晉北仁(肉)用杏主產(chǎn)區(qū)。近年來(lái)，隨著全球氣候逐漸變暖[1]，植物物候期有提前趨勢(shì)[2-5]，杏樹物候期亦明顯提前。晉北杏樹盛花期一般在4月上中旬，幼果期在4月下旬至5月上旬，此時(shí)冷空氣活動(dòng)頻繁，杏樹極易造成晚霜凍害，導(dǎo)致杏安全生產(chǎn)受到威脅。如2018年盛花期較常年偏早16 d，而4月7日出現(xiàn)了雪后凍害，致使陽(yáng)高縣杏花受凍嚴(yán)重，減產(chǎn)率達(dá)到90%。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)果樹及杏樹凍害、生產(chǎn)方面存在的問題及對(duì)策做了大量的研究[6-8]。衣淑玉等[9]分析了霜凍對(duì)果樹、花及幼果危害的表現(xiàn)，花期受凍表現(xiàn)為雌雄蕊變褐發(fā)干，失去授粉能力，幼果期受凍后果實(shí)表皮出現(xiàn)褐色斑塊，之后果實(shí)生長(zhǎng)緩慢或逐漸脫落。張?chǎng)蝃10]、朱琳[11]、王少敏[12]、彭偉秀[13]等認(rèn)為，杏器官的凍害程度與其所處的發(fā)育期有關(guān)，同一品種不同時(shí)期的抗寒性強(qiáng)弱順序?yàn)闃涓傻?枝條的>蕾期的>盛花期的>幼果期的。目前杏晚霜凍害與氣象因子和地理環(huán)境關(guān)系的研究鮮有報(bào)道。由于仁(肉)用杏是晉北農(nóng)民脫貧致富的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，而晚霜凍害是影響晉北仁(肉)用杏高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，且一次凍害往往是多個(gè)氣象因子共同影響的結(jié)果，因此有必要對(duì)晉北仁(肉)用杏晚霜凍害與氣象因子和地理環(huán)境的關(guān)系做深入細(xì)致的研究，以期為杏晚霜凍早期預(yù)測(cè)預(yù)警及預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。本文利用陽(yáng)高縣氣象觀測(cè)站多年氣象數(shù)據(jù)及近年來(lái)加密區(qū)域自動(dòng)站資料，對(duì)典型凍害年份的氣象資料進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 資 料

以山西省陽(yáng)高縣杏主產(chǎn)區(qū)為研究區(qū)域，所用氣象資料包括：(1)陽(yáng)高縣氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱本站)觀測(cè)的1972-2018年的氣溫(℃)、逐小時(shí)風(fēng)速(10 min平均風(fēng)速,m/s)、前一日10 min最大風(fēng)速(從前一日逐小時(shí)風(fēng)速中選取最大值,m/s)、相對(duì)濕度(%)、降水量(mm)等要素;(2)2018年區(qū)域自動(dòng)站、杏園的氣溫、風(fēng)速資料；(3)有關(guān)杏樹凍害資料、物候資料是通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合調(diào)查資料、相關(guān)研究成果取得，主要包括杏樹物候期(盛花期、幼果期)、凍害日期、減產(chǎn)程度等，選取1995-2018年杏樹盛花期、幼果期凍害日對(duì)應(yīng)的最低氣溫值對(duì)照陽(yáng)高縣氣象觀測(cè)站逐日逐時(shí)觀測(cè)資料進(jìn)行了訂正。

用1972-2018年陽(yáng)高縣本站資料分析日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0 ℃初日至平均盛花期積溫、平均幼果期積溫長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。用1995-2018年杏樹盛花期、幼果期凍害資料，建立積溫與減產(chǎn)率的關(guān)系式，統(tǒng)計(jì)盛花期、幼果期凍害溫度值，分析不同降水相態(tài)對(duì)凍害的影響。應(yīng)用2014-2018年4月1日至5月10日陽(yáng)高縣氣象觀測(cè)站資料，分析日最低氣溫與前一日14時(shí)氣溫、當(dāng)日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度、當(dāng)日01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速、前一日10 min最大風(fēng)速等主要?dú)庀笠蜃拥钠嚓P(guān)關(guān)系。用2018年4月7日本站資料、區(qū)域站資料、杏園小氣候資料分析地理位置、海拔、地形、周圍環(huán)境對(duì)霜凍的影響。應(yīng)用2014年5月3日至5日、2018年4月4日至7日逐小時(shí)資料分析逐小時(shí)風(fēng)速、相對(duì)濕度與逐小時(shí)氣溫的相關(guān)性。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象因子篩選

根據(jù)短期預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)氣溫時(shí)考慮的因子，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合對(duì)當(dāng)?shù)匦愚r(nóng)的一些調(diào)研，初步確定與杏晚霜凍害有關(guān)的主要影響因子，然后應(yīng)用相關(guān)分析法，對(duì)所選因子進(jìn)行引進(jìn)剔除。

(1)溫度因子：把杏樹晚霜凍害易發(fā)期(4月1日至5月10日)的每日空氣溫度(AT)、前一日14時(shí)氣溫(T14B)作為溫度因子。

(2)積溫因子：日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0 ℃(5 d滑動(dòng)平均)至杏樹平均盛花期或幼果期積溫作為積溫因子(CT)。

(3)濕度和風(fēng)速因子：將4月1日到5月10日逐日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度(RH)、01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速(WD)、前一日10 min最大風(fēng)速(PWD)作為濕度因子和風(fēng)速因子。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)分析

偏相關(guān)分析是指兩個(gè)變量同時(shí)與第三個(gè)或以上變量相關(guān)時(shí)，將第三個(gè)變量的影響剔除，只分析兩個(gè)變量之間相關(guān)程度的過(guò)程。一次凍害過(guò)程，往往與多個(gè)氣象因子相關(guān)，本研究選取2014-2018年晚霜凍害常發(fā)時(shí)段(4月1日-5月10日)的陽(yáng)高縣本站氣象數(shù)據(jù)，以每日最低氣溫作為因變量，前一日14時(shí)氣溫、前一日10 min最大風(fēng)速、當(dāng)日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度、當(dāng)日01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速作為自變量，通過(guò)SPSS分析軟件，分析每日最低氣溫與各因子之間的偏相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 歷年晚霜凍害情況

陽(yáng)高縣仁(肉)用杏晚霜凍害有較詳細(xì)記錄的資料是從1995年開始的。1995-2018年24年間杏樹盛花期和幼果期共發(fā)生9年凍害，具體凍害發(fā)生日期、凍害程度見表1。杏樹盛花期凍害的年份依次為1998、2006、2012、2018年，幼果期凍害的年份依次為1995、2005、2007、2009、2014年。盛花期凍害發(fā)生在4月上中旬，盛花期凍害溫度≤-2 ℃時(shí)，凍害減產(chǎn)率在50%及以上。杏樹盛花期凍害最嚴(yán)重的年份為2018年4月7日，日最低氣溫為-6.4 ℃，歷史同期(1981-2010年)4月極端最低氣溫為-10.3 ℃，出現(xiàn)在1995的4月2日(杏樹未進(jìn)入花期，因此未發(fā)生花期凍害)。穩(wěn)定通過(guò)0 ℃初日主要出現(xiàn)在3月中旬，凍害減產(chǎn)率與0 ℃初日線性相關(guān)性不顯著，未通過(guò)P<0.05的顯著性檢驗(yàn)。從調(diào)查結(jié)果看，幼果期凍害發(fā)生的次數(shù)較多，凍害一般發(fā)生在4月下旬至5月上旬，幼果期發(fā)生凍害時(shí)平均減產(chǎn)幅度較大。

2.2 降水相態(tài)與杏晚霜凍害的關(guān)系

通過(guò)分析表1中凍害對(duì)應(yīng)的天氣過(guò)程，發(fā)現(xiàn)大部分凍害天氣發(fā)生前期往往伴有降水。降雨或降雪對(duì)空氣中懸浮物有沉降作用，降水過(guò)后有利于地面輻射降溫，但降水相態(tài)不同，凍害的影響程度不同。以2006年4月20日和2018年4月7日兩次晚霜凍害事件為例進(jìn)行分析。2006年4月18日，研究區(qū)有小雨，降水過(guò)后18-19日出現(xiàn)5～6級(jí)西北風(fēng)，20日早晨出現(xiàn)霜凍害。2018年4月3日至5日研究區(qū)出現(xiàn)了雨夾雪轉(zhuǎn)雪天氣，過(guò)程降水量為25.1 mm，超過(guò)了歷年4月總降水量(17.9 mm)，降雪從4月3日開始，降雪后4月6日出現(xiàn)5～6級(jí)西北風(fēng)，7日早晨出現(xiàn)凍害。

表1 1995-2018年山西省陽(yáng)高縣杏樹盛花期、幼果期凍害日對(duì)應(yīng)的氣象條件、物候期、減產(chǎn)率

兩次凍害過(guò)程前均出現(xiàn)降水、大風(fēng)，而雪后的凍害更為嚴(yán)重。從表1也可以看出，雪后發(fā)生的凍害，最低氣溫更低,減產(chǎn)幅度更大，這與文獻(xiàn)[14]的“雪后凝霜?jiǎng)t凍害特別重”的研究結(jié)論一致。

2.3 積溫與杏晚霜凍害的關(guān)系

植物在其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，不僅需要一個(gè)適宜的溫度條件，而且還需要一定的熱量總和，它表明植物在其全生育期或某一生育期對(duì)熱量的總要求[15]。杏樹從萌動(dòng)期到盛花期需要的平均積溫為230.0 ℃·d，從萌動(dòng)期到幼果期需要的平均積溫為494.7 ℃·d。1972-2018年穩(wěn)定通過(guò)0 ℃(5 d滑動(dòng)平均)初日到杏樹平均盛花期即4月20日的積溫總體上呈上升趨勢(shì)(圖1)，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn),增速為2.564 ℃·d·a-1，47年來(lái)積溫增加120.5 ℃·d。其中20世紀(jì)70、80、90年代積溫均低于47年平均值，而2000年以來(lái)平均積溫高于47年平均值。2014年的積溫最大，為414.2 ℃·d，比平均積溫高80%；1996年的積溫最小，為96.3 ℃·d，比平均積溫低58%。1972-2018年杏樹萌動(dòng)期到幼果期，即穩(wěn)定通過(guò)0 ℃(5 d滑動(dòng)平均)初日到5月10日的積溫總體呈上升趨勢(shì)(圖略)，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，增速為3.241 ℃·d·a-1，47年來(lái)積溫增加152.3 ℃·d。其中20世紀(jì)70、80、90年代積溫均低于47年平均值，而2000年以來(lái)積溫均高于47年平均值。2014年的積溫最大，為665.8 ℃·d，比平均積溫高35%；1991年的積溫最小，為324.2 ℃·d，比平均積溫低34%。

圖1 1972-2018年山西省陽(yáng)高縣杏樹萌動(dòng)期-盛花期0 ℃積溫年變化

以積溫(穩(wěn)定通過(guò)0 ℃初日至平均盛花期或平均幼果期)為自變量，減產(chǎn)率為因變量，用線性回歸法得出1995-2018年杏樹盛花期或幼果期凍害年積溫與減產(chǎn)率的相關(guān)系數(shù)為0.764，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn),即積溫與減產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系，即積溫越高,減產(chǎn)率越大，二者的關(guān)系式為

DF=0.001CT+0.305

(1)

式中,CT為穩(wěn)定通過(guò)0 ℃初日至平均盛花期或平均幼果期的積溫，DF為凍害減產(chǎn)率。

2.4 地理位置、海拔、周圍環(huán)境對(duì)晚霜凍的影響

由于陽(yáng)高縣杏園立地條件差異大，小氣候特征明顯，因而一次霜凍害過(guò)程表現(xiàn)出的最低氣溫存在差異。本文在陽(yáng)高縣選擇具有代表性的杏樹集中種植區(qū)，按照地理位置及地形不同，將研究區(qū)陽(yáng)高縣劃分為北部山區(qū)、中部平川區(qū)、南部丘陵區(qū)3個(gè)部分，其中陽(yáng)高縣氣象觀測(cè)站、杏園劃分在中部平川區(qū)。分別以北部山區(qū)長(zhǎng)城鄉(xiāng)、中部平川區(qū)王官屯鎮(zhèn)、南部丘陵區(qū)東小村鎮(zhèn)、中部平川區(qū)杏園小氣候資料為依據(jù)，在霜凍害發(fā)生期間用區(qū)域自動(dòng)站氣溫、杏園氣溫與本站氣溫進(jìn)行對(duì)比，以2018年4月7日這次凍害為例進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。從表2可以看出，此次凍害過(guò)程最低氣溫由低到高的順序?yàn)楸辈可絽^(qū)長(zhǎng)城鄉(xiāng)的、中部平川區(qū)杏園的、中部平川區(qū)王官屯鎮(zhèn)的、南部丘陵區(qū)東小村鎮(zhèn)的、中部平川區(qū)本站的，說(shuō)明最低氣溫除了受海拔、緯度影響外，還與周圍環(huán)境條件有關(guān)。由于杏園處于相對(duì)空曠地帶，周圍沒有建筑物阻擋，因此氣溫較本站低。

表2 2018年4月7日山西省陽(yáng)高縣不同區(qū)域日最低氣溫

為了進(jìn)一步分析緯度、海拔對(duì)晚霜凍的影響，選取2018年4月7日區(qū)域自動(dòng)站日最低氣溫與對(duì)應(yīng)的緯度、海拔高度進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，日最低氣溫與緯度(r=-0.484)和海拔(r=-0.526)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。運(yùn)用多元回歸法，建立了日最低氣溫與緯度和海拔的關(guān)系式：

MinT=136.463-3.364φ-0.008h

(2)

r=0.743,F=19.77

式中，MinT為日最低氣溫，Φ和h分別代表站點(diǎn)的緯度和海拔。

緯度與日最低氣溫的關(guān)系式為

MinT=116.542-3.092φ

(3)

晉北黃土高原高寒區(qū)春季4月緯度每抬高1°，日最低氣溫降低3.1 ℃,海拔與日最低氣溫的關(guān)系式為

MinT=1.386-0.007h

(4)

晉北黃土高原高寒區(qū)春季4月海拔升高100 m,日最低氣溫下降0.7 ℃。

2.5 風(fēng)速、相對(duì)濕度對(duì)晚霜凍害的影響

低溫是導(dǎo)致晚霜凍害的主導(dǎo)因子，而風(fēng)速、相對(duì)濕度則是影響霜凍害程度的調(diào)節(jié)因子[16]。以2014年5月3-5日、2018年4月4-7日凍害過(guò)程為例，分析逐小時(shí)風(fēng)速、相對(duì)濕度對(duì)的逐小時(shí)氣溫及霜凍害的影響。

選取2014年5月3-5日逐小時(shí)風(fēng)速與2日21:00至5日20:00逐小時(shí)氣溫，以逐小時(shí)氣溫為因變量，逐小時(shí)風(fēng)速為自變量，通過(guò)SPSS分析軟件，得出逐小時(shí)風(fēng)速與對(duì)應(yīng)的逐小時(shí)氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.379，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。風(fēng)速越大，氣溫越高，降溫速度越慢。二者的關(guān)系式為

AT=0.747W10+4.34

(5)

式中,AT為逐小時(shí)氣溫，W10為逐小時(shí)風(fēng)速。

選取2018年4月4-7日逐小時(shí)相對(duì)濕度與3日21:00至7日20:00逐小時(shí)氣溫，以逐小時(shí)氣溫為因變量，逐小時(shí)相對(duì)濕度為自變量，通過(guò)SPSS分析軟件，得出二者的相關(guān)系數(shù)為0.397，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)濕度越大，氣溫越高，降溫速度越慢。二者的關(guān)系式為

AT=0.071RH-6.898

(6)

式中，AT為逐小時(shí)氣溫，RH為逐小時(shí)相對(duì)濕度。

2.6 日最低氣溫與各主要?dú)庀笠蜃拥钠嚓P(guān)分析

對(duì)2014-2018年4月1日-5月10日最低氣溫與其對(duì)應(yīng)的當(dāng)日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度(RH)、當(dāng)日01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速(WD)、凍害前一日14時(shí)氣溫(T14B)、前一日10 min最大風(fēng)速(PWD)進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果見表3。由表3可知，日最低氣溫與以上因子均呈正相關(guān)關(guān)系。其中，日最低氣溫與前一日14時(shí)氣溫的偏相關(guān)系數(shù)最大，為0.790，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)；與當(dāng)日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度、當(dāng)日01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.267、0.209，均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn);與前一日10 min最大風(fēng)速的偏相關(guān)系數(shù)為0.140，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。這一結(jié)果說(shuō)明一次晚霜凍害的強(qiáng)弱，冷空氣強(qiáng)度是主導(dǎo)因子，當(dāng)日夜間風(fēng)速、相對(duì)濕度是調(diào)節(jié)因子，當(dāng)日夜間風(fēng)速越小、空氣濕度越低,氣溫降得越低，造成的晚霜凍害越嚴(yán)重。

表3 2014-2018年4月1日-5月10日山西省陽(yáng)高縣氣象觀測(cè)站日最低氣溫與其他氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

陽(yáng)高縣1972-2018年杏樹萌動(dòng)期至盛花期、萌動(dòng)期至幼果期穩(wěn)定通過(guò)0 ℃積溫均呈波動(dòng)式增加趨勢(shì)，47年來(lái)積溫分別增加2.564、3.241 ℃·d·a-1，與全球氣溫變化的趨勢(shì)一致[17]。積溫與減產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系，即積溫越高，杏樹盛花期、幼果期發(fā)生凍害時(shí)減產(chǎn)率越大。這與白金蓮等[18]的研究結(jié)果一致。積溫高則發(fā)育期提前，發(fā)育期提前與晚霜凍推后[19-23]均會(huì)導(dǎo)致杏樹晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)增加。1995-2018年杏樹發(fā)生9年凍害，其中有5年是幼果期凍害，且平均減產(chǎn)率較重，因此，晚霜凍推后年份，要警惕杏樹幼果期凍害。一次凍害過(guò)程前期往往伴有降水，而雪后發(fā)生的凍害，最低氣溫更低，減產(chǎn)幅度更大。

同一次凍害過(guò)程中，通常杏園氣溫比本站氣溫低[24]。丁改秀等[25]指出，氣象部門的觀測(cè)站大都位于城市邊緣，難以對(duì)杏園達(dá)到準(zhǔn)確的監(jiān)控。本研究未分析杏園植被對(duì)霜凍的影響，可能存在局限性。通過(guò)對(duì)2018年4月7日區(qū)域自動(dòng)站日最低氣溫與對(duì)應(yīng)的緯度、海拔高度進(jìn)行相關(guān)分析表明，晉北黃土高原高寒區(qū)日最低氣溫存在立體差異。春季4月緯度每抬高1°，日最低氣溫降低3.1 ℃；海拔每升高100 m，日最低氣溫降低0.7 ℃。因此在晚霜凍害日常預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)工作中，應(yīng)考慮氣象觀測(cè)站與杏園之間的霜凍差異。

鄧振鏞等[26]提出最低氣溫為-2～-3 ℃時(shí)，杏花器官會(huì)受凍。王靜等[27]提出杏樹器官受凍臨界氣溫為-2.9～-3.7 ℃。而晉北仁(肉)用杏盛花期最低氣溫≤-2 ℃時(shí)，減產(chǎn)率達(dá)50%或以上，說(shuō)明晉北杏樹盛花期凍害的臨界溫度高于-2 ℃。

逐小時(shí)氣溫與逐小時(shí)風(fēng)速、相對(duì)濕度均呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.379、0.397，均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，即風(fēng)速越大，氣溫下降越緩和[28]，相對(duì)濕度越大，氣溫下降速度越慢。

日最低氣溫與當(dāng)日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度、當(dāng)日01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速、前一日14時(shí)氣溫、前一日10 min最大風(fēng)速的偏相關(guān)系數(shù)按從大到小的順序?yàn)榕c前一日14時(shí)氣溫的>與當(dāng)日01-06時(shí)最小相對(duì)濕度的>與當(dāng)日01-06時(shí)10 min平均風(fēng)速的>與前一日10 min最大風(fēng)速的，均通過(guò)0.01或0.05的顯著性檢驗(yàn)。這一結(jié)果表明，前一日冷空氣暴發(fā)性侵入越強(qiáng)[29]，當(dāng)日夜間微風(fēng)、空氣越干燥，越易形成凍害[30-32]。

由于研究區(qū)有關(guān)杏樹發(fā)育期觀測(cè)資料少，詳細(xì)的凍害資料更少，因此本文一些晚霜凍害與氣象因子和地理環(huán)境的關(guān)系、凍害指標(biāo)的確定有待于今后進(jìn)一步探討。