陜西藍(lán)田核桃低溫凍害氣候特征分析

袁曉霞，雷曉英，樂 呼，周 紅

(藍(lán)田縣氣象局，陜西 藍(lán)田 710500)

藍(lán)田縣地處秦嶺北麓，關(guān)中平原東南部，暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季冷暖分明，雨量充沛集中，日照充足，為農(nóng)業(yè)生態(tài)縣，是陜西省確定的核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)縣，是西安市核桃產(chǎn)業(yè)示范縣。目前，藍(lán)田縣已發(fā)展核桃經(jīng)濟(jì)林20萬hm2，其中掛果面積14萬hm2，年產(chǎn)值近6萬t，產(chǎn)值約3億元，是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。但同時(shí)由于藍(lán)田境內(nèi)地貌地形復(fù)雜，春季倒春寒和晚霜凍時(shí)常發(fā)生，致使核桃在萌芽、開花期時(shí)常遭受低溫凍害，輕則減產(chǎn)，重則造成絕收[1]。本文根據(jù)核桃凍害等級(jí)指標(biāo)，對(duì)核桃萌芽、開花期低溫凍害日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析藍(lán)田縣核桃春季低溫凍害發(fā)生主要時(shí)段、各等級(jí)凍害的發(fā)生頻率及特征，對(duì)近61 a來藍(lán)田核桃凍害期氣溫變化做趨勢(shì)分析，運(yùn)用Mann-Kendall(MK)、滑動(dòng)t(MTT)及累計(jì)距平法對(duì)核桃萌芽期、開花期平均氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)，以期為藍(lán)田核桃低溫凍害預(yù)測(cè)、氣候?yàn)?zāi)害防御及核桃穩(wěn)產(chǎn)增收提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

在開展本研究前，筆者與林業(yè)部門合作收集大量藍(lán)田核桃種植資料，并多次走訪調(diào)研種植專家。根據(jù)物候期資料記錄，藍(lán)田主要種植核桃品種在花期溫度降至2℃以下即可受凍，在萌芽期降至0℃可出現(xiàn)凍害[2]，不同發(fā)育期凍害標(biāo)準(zhǔn)有所不同，本文分別按照最低氣溫及持續(xù)時(shí)間將核桃萌芽、開花期凍害劃分為輕度、中度和重度3個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 核桃凍害等級(jí)氣象指標(biāo)

利用藍(lán)田縣國(guó)家氣象站1960-2020年3月下旬至4月下旬平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、極端最低氣溫的歷史觀測(cè)資料，以及歷年核桃春季低溫凍害調(diào)查資料、核桃物候期調(diào)查資料等，運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)方法研究藍(lán)田核桃低溫凍害特征及氣候變化趨勢(shì)。

1.2 方法

根據(jù)凍害氣象指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)核桃萌芽、開花期低溫凍害主要發(fā)生時(shí)段，分析各等級(jí)凍害的發(fā)生頻率及特征，利用線性回歸及相關(guān)分析法對(duì)1960-2020年藍(lán)田核桃萌芽、開花期的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫做趨勢(shì)分析，傾向率的正負(fù)值分別表示氣象指標(biāo)是呈現(xiàn)上升和下降趨勢(shì)[3]。利用Mann-Kendall方法[4]對(duì)核桃凍害期近61 a平均氣溫序列在置信區(qū)間95%的水平上進(jìn)行突變檢驗(yàn)，由于MK方法檢測(cè)出來的突變點(diǎn)具有真假突變點(diǎn)的不確定性[5]，因此再結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)[4]和累計(jì)距平法[4]對(duì)突變狀況做進(jìn)一步檢驗(yàn)，累積距平峰值可以大致判斷突變時(shí)間以及演變趨勢(shì)。

2 核桃低溫凍害發(fā)生時(shí)段及特征分析

2.1 核桃低溫凍害發(fā)生時(shí)段

經(jīng)調(diào)研，藍(lán)田主要種植核桃品種為香玲，其萌芽期為3月下旬，最早出現(xiàn)在3月18日，最晚為3月27日。核桃樹萌芽后，抗寒力逐漸下降，如溫度降到-2℃時(shí)，新梢、葉芽被凍壞。核桃樹為單性花，雌雄同株、異花序，雌雄花期不一致，香玲為早實(shí)雄先行品種。4月初雄花芽開始膨大伸長(zhǎng)，同時(shí)隨著新梢的初期生長(zhǎng)，葉片逐漸展開。4月8日前后自花序基部開始散粉，4月20-25日雄花散粉結(jié)束。4月15日前后雌花開放，雌花開放末期最早為4月20日，最晚為5月3日。因此，本文將3月下旬作為核桃萌芽期，4月上旬至下旬為開花期來分析研究。近61年3月20日至5月15日逐日最低氣溫資料顯示，最低氣溫低于0℃最晚出現(xiàn)在2008年4月24日，5月未出現(xiàn)日最低氣溫低于0℃的情況，最低氣溫低于2℃僅在1991年5月2日出現(xiàn)過1次，為1.8℃。個(gè)別年份3月中旬核桃處于萌芽初期，遭遇低溫造成凍害程度較輕，所以核桃凍害發(fā)生主要時(shí)段為3月20日至4月30日。

2.2 核桃凍害發(fā)生頻率及特征分析

根據(jù)核桃萌芽、開花期凍害等級(jí)氣象指標(biāo)，分別統(tǒng)計(jì)核桃萌芽、開花期不同等級(jí)的凍害日數(shù)及極端最低氣溫出現(xiàn)頻率，如圖1所示。1960—2020年藍(lán)田國(guó)家氣象站達(dá)到凍害氣象指標(biāo)日數(shù)有219d，萌芽期發(fā)生凍害日數(shù)年均為1.3 d，開花期為2.2 d。

圖1 1960—2020年藍(lán)田核桃萌芽—開花期低溫凍害日數(shù)及極端最低氣溫統(tǒng)計(jì)

從凍害等級(jí)來看，輕度凍害發(fā)生的日數(shù)最多(年均2.2d，占春季凍害的61.2%)，隨凍害等級(jí)加重，發(fā)生概率減小，中度(年均1.1d)、重度(年均0.3d)凍害分別占凍害日數(shù)的29.6%、9.2%[6]。輕度凍害發(fā)生時(shí)間主要集中在3月下旬，核桃萌芽期，中度、重度凍害發(fā)生在4 月上旬，核桃開花初期、展葉期。從凍害發(fā)生時(shí)間段來看，核桃春季凍害日數(shù)呈單峰型分布，3月下旬年均凍害1.3 d，4月上旬是凍害高發(fā)期，年均1.5 d，達(dá)到頂峰；隨著氣溫快速升高，4月中旬開始凍害日數(shù)急劇減少，4月中、下旬年均凍害日數(shù)分別為0.65 d、0.15 d。但若有冷空氣、倒春寒等天氣發(fā)生，4月中下旬氣溫下降會(huì)更明顯，造成的傷害更嚴(yán)重[2]。另外，歷史極端最低氣溫也出現(xiàn)在4月上旬，達(dá)-6.0℃，出現(xiàn)在1962年4月3日，其次是 3月下旬，達(dá)到-5.6℃。

3月下旬核桃處于萌芽期，此時(shí)輕度凍害影響萌芽率或延遲萌芽，最終影響核桃的產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。4月上旬一般是核桃的雄花芽膨大期，此時(shí)低溫天氣會(huì)使雄花芽、葉芽(含混合芽)、新梢都遭受不同程度凍害，輕度凍害可使部分花芽?jī)?nèi)部變褐色，發(fā)育遲緩，果實(shí)往往出現(xiàn)畸形；中度凍害則可致大部分芽體干枯，導(dǎo)致當(dāng)年核桃減產(chǎn)歉收；重度凍害則會(huì)使全部花芽、新梢變褐枯死，造成當(dāng)年核桃絕收[8]。如2018年4月7日受強(qiáng)冷空氣影響，藍(lán)田國(guó)家氣象站最低氣溫降至-2.2℃，且氣溫低于0℃持續(xù)7h，核桃主產(chǎn)區(qū)遭受嚴(yán)重凍害，雄花芽平均受凍率84%以上，1 a 生枝、新梢受凍率達(dá)100%，當(dāng)年產(chǎn)量減產(chǎn)6成以上。

3 核桃低溫凍害氣溫趨勢(shì)分析及突變檢驗(yàn)

3.1 氣溫趨勢(shì)分析

藍(lán)田核桃萌芽期近61 a平均氣溫為9.8℃，2018年的距平值最大, 超過61 a平均氣溫5.7℃；1987年的距平值最小，低于61a平均氣溫3.9℃。由圖2(a)可見，萌芽期平均氣溫變化可分為2個(gè)階段：1960-1999年，40a中有13a 的氣溫距平值為正, 且只有1963、1969、1971、1973年的距平值超過1℃，其余年份距平值皆較小或?yàn)樨?fù)，該階段為偏冷期[3]；2000-2020年，這21 a中除 2010、2011、2012和2017年以外, 其余17 a氣溫的距平值均大于0，該階段為偏暖期[3]。這些表明2000年以來核桃萌芽期平均氣溫呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

開花期平均氣溫變化幅度相對(duì)萌芽期較小，但趨勢(shì)類似。由圖2(b)可見，開花期近61a平均氣溫為14.0℃，2016、2019年的距平值最大, 較年均水平高出2.6℃；1963年的距平值最小，較年均水平低2.4℃。從1960-1997年的38 a，有11 a 的氣溫距平值為正, 且僅1961、1974、1978年距平值超過1℃，17 a距平值為負(fù)；從1998-2020年的23 a中, 除 2000、2010年距平值為負(fù)且較大外，其余年份距平值基本大于0。這表明1998年為開花期平均氣溫冷暖轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1998年后氣溫上升趨勢(shì)明顯。

(a)

對(duì)近61a藍(lán)田核桃萌芽期和開花期的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫做線性趨勢(shì)分析，如表2所示。核桃萌芽期平均氣溫、平均最高氣溫的趨勢(shì)系數(shù)分別為0.36和0.39，均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，平均最低氣溫趨勢(shì)系數(shù)為0.25，通過0.05顯著性檢驗(yàn)；核桃開花期平均氣溫、平均最高氣溫趨勢(shì)系數(shù)分別為0.45和0.60，均通過了0.001顯著性檢驗(yàn)，平均最低氣溫趨勢(shì)系數(shù)為0.09，未通顯著性檢驗(yàn)。從氣候傾向率來看，萌芽期平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的上升速率分別為0.43 ℃/10a、0.67℃/10a和0.22℃/10a；開花期平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的上升速率分別為0.31℃/10a、0.62℃/10a和0.07℃/10a。核桃萌芽、開花期氣溫總體是呈顯著上升趨勢(shì)，以平均最高氣溫上升最為顯著。另外，對(duì)萌芽、開花期的極端最低氣溫也做了線性趨勢(shì)分析，其年際值雖然也是呈現(xiàn)出波動(dòng)中緩慢升高的趨勢(shì)，但其趨勢(shì)系數(shù)分別是0.08和0.12，未通過顯著性水平檢驗(yàn)。

表2 1960-2020年藍(lán)田核桃萌芽—開花期氣溫線性趨勢(shì)分析

3.2 核桃低溫凍害期氣溫突變檢驗(yàn)

3.2.1 核桃萌芽期平均氣溫突變分析 圖3(a)為采用Mann-Kendall方法對(duì)藍(lán)田核桃萌芽期平均氣溫進(jìn)行的突變檢驗(yàn)結(jié)果。由正序列(UF)看出：20世紀(jì)60年代初至70年代初，平均氣溫呈下降趨勢(shì)；70年代初期至中期，平均氣溫波動(dòng)中出現(xiàn)短暫上升；20世紀(jì)70年代中期至21世紀(jì)初期，呈下降趨勢(shì)；2005年后UF值大于0，氣溫呈上升趨勢(shì)，并2017年開始超過了α=0.05的顯著性水平。在21世紀(jì)初UF線和UB線相交于置信區(qū)間內(nèi)，根據(jù)交點(diǎn)位置可判斷藍(lán)田核桃萌芽期平均氣溫在2006年前后可能發(fā)生突變。

(a) (b)

圖3(b)為藍(lán)田核桃萌芽期平均氣溫滑動(dòng)t統(tǒng)計(jì)量曲線。n=61，n1=n2=8，給定顯著性水平α=0.01，按照t的分布自由度，v=n1+n2-2=14，t0.01=±2.98。從1960年以來，t的統(tǒng)計(jì)量在1996年、1998年、1999年超過了0.01顯著性水平，極值出現(xiàn)在1999年。說明藍(lán)田核桃萌芽期平均氣溫在1999年經(jīng)歷了一次又降低到增加的轉(zhuǎn)變。

利用累計(jì)距平法分析藍(lán)田核桃萌芽期近61a平均氣溫變化趨勢(shì)，如圖3(c)所示。由累計(jì)距平曲線的變化形態(tài)可清晰看出近61a年萌芽期平均氣溫經(jīng)歷了一次顯著波動(dòng)。從20世紀(jì)60年代初至90年代末期平均氣溫呈下降趨勢(shì)，其中70年代初期至中期略有回升，最大累計(jì)負(fù)距平出現(xiàn)在1999年，21世紀(jì)后氣溫開始升高。

綜合分析：1960—2020年藍(lán)田核桃萌芽期(3月下旬)平均氣溫序列在1999年發(fā)生突變。

3.2.2 核桃開花期平均氣溫突變分析 從藍(lán)田縣核桃開花期平均氣溫 Mann-Kendall 曲線(圖 4(a))可以看出，UF線在1997年前呈現(xiàn)振動(dòng)變化，1962-1964、1968-1973、1975-1977、1995-1997年間小于0，表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其余時(shí)間為增加趨勢(shì)；且1997年后UF值大于0，2011年開始超過了α=0.05的顯著性水平，說明開花期氣溫從21世紀(jì)初開始顯著變暖。UF線和UB線在2003年有唯一交點(diǎn)，且交點(diǎn)處于置信區(qū)間內(nèi)，表明藍(lán)田核桃開花期平均氣溫MK檢驗(yàn)突變年份為2003年。

(a) (b)

采用MTT算法，經(jīng)過多次調(diào)整滑動(dòng)步長(zhǎng)，最后同樣取n1=n2=8，信度α=0.01，得出t統(tǒng)計(jì)量曲線如圖4(b)所示。曲線顯示t統(tǒng)計(jì)量在1997年超過0.01顯著性水平，即MTT檢驗(yàn)結(jié)果核桃開花期平均氣溫在1997年發(fā)生突變。由圖4(c)累計(jì)距平曲線可看出，峰值同樣出現(xiàn)在1997年。綜合分析得出藍(lán)田核桃開花期平均氣溫在1997年發(fā)生突變。

3.2.3 氣溫突變前后凍害變化分析 按照藍(lán)田核桃凍害氣象指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)1960—2020年核桃萌芽、開花期達(dá)到氣象指標(biāo)的凍害日數(shù)，分析凍害日數(shù)的年變化趨勢(shì)如表3所示。對(duì)核桃凍害期平均氣溫與凍害日數(shù)的作相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分別為-0.58和-0.53，均通過了0.001顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明核桃萌芽期、開花期平均氣溫與凍害日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 1960—2020年藍(lán)田核桃萌芽—開花期凍害日數(shù)趨勢(shì)分析

核桃萌芽期平均氣溫在1999年突變前后總體表現(xiàn)為“先下降后上升”，而凍害日數(shù)總體表現(xiàn)為“先增多后減少”的變化趨勢(shì)。1960-1998年，凍害日數(shù)顯著增多，氣候傾向率為0.35d/10a，趨勢(shì)系數(shù)為0.26，通過0.05顯著性檢驗(yàn)；1999-2020年，凍害日數(shù)氣候傾向率為-0.25d/10a，趨勢(shì)系數(shù)為0.14，未通過顯著性檢驗(yàn)。表明1999年后，隨著核桃萌芽期氣溫升高，凍害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有所降低。

核桃開花期平均氣溫總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在1997年突變前，表現(xiàn)為波動(dòng)式的緩慢上升，而1997年后開始顯著升高。對(duì)核桃開花期氣溫突變前后的凍害日數(shù)做線性回歸及相關(guān)性分析，得出1960-1996年,凍害日數(shù)氣候傾向率為-0.037℃/10a，趨勢(shì)系數(shù)為0.03；1997-2020年，氣候傾向率為-0.32℃/10a，趨勢(shì)系數(shù)為0.22，通過0.1顯著性檢驗(yàn)。表明核桃開花期凍害日數(shù)隨著氣溫升高呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，只不過突變前減少較為緩慢，而突變后凍害日數(shù)顯著減少，凍害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)顯著下降。

4 結(jié)論

(1)藍(lán)田主要種植核桃品種香玲，在3月下旬開始萌芽，4月初花芽膨大同時(shí)展葉，4月中下旬雄花雌花相繼開放。凍害主要發(fā)生時(shí)段集中在3月20日至4月30日，輕度凍害主要集中在3月下旬，核桃處于萌芽展葉期，而中、重度凍害在4月上旬發(fā)生頻率最高，核桃處于開花展葉期。

(2)1960—2020年藍(lán)田核桃萌芽期和開花期的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中平均氣溫和平均最高氣溫上升趨勢(shì)較為顯著。對(duì)近61a核桃萌芽、開花期平均氣溫做距平分析，得出萌芽期平均氣溫在2000年以前為偏冷期，2000年以后為偏暖期；開花期平均氣溫冷暖轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在1998年。

(3)用MK、MTT和累計(jì)距平方法對(duì)核桃凍害期平均氣溫做突變檢驗(yàn)，得出：核桃萌芽期平均氣溫在1999年發(fā)生突變，突變前后呈現(xiàn)“先下降后上升”趨勢(shì)；核桃開花期平均氣溫在1997年發(fā)生突變，突變前氣溫波動(dòng)式緩慢上升，突變后平均氣溫顯著升高。凍害日數(shù)變化趨勢(shì)與平均氣溫呈負(fù)顯著相關(guān)性。1999年后，核桃萌芽期凍害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有所降低；1997年后，核桃開花期凍害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)顯著下降。同時(shí)，通過調(diào)研得知，近年來藍(lán)田低溫凍害雖然有所減少，但凍害的嚴(yán)重程度沒有因次數(shù)的減少而呈減弱趨勢(shì)，嚴(yán)重的花期凍害仍時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)凍害的預(yù)防措施仍需加強(qiáng)。