氣候變化背景下婺源綠茶農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的演變特征

陶 瑤，陳嬌嬌，余焰文，汪建軍，黃京平*

（1.江西省上饒市氣象局，江西 上饒 334000；2.江西省撫州市氣象局，江西 撫州 344000；3.江西省農(nóng)業(yè)氣象中心，江西 南昌 330096）

婺源位于江西省東北部，地處贛、浙、皖3省交界處，是我國綠茶金三角核心產(chǎn)區(qū)。獨(dú)特的氣候和地理?xiàng)l件造就了婺源綠茶“顏色碧而天然、口味香而濃郁、水葉清而潤厚”的優(yōu)異品質(zhì)［1］。茶樹是一種喜溫、喜濕、喜散射光的多年生亞熱帶常綠植物，氣溫是影響茶樹生長發(fā)育最主要的氣候因子［2］。受氣候變化的影響，春季霜凍、夏季高溫?zé)岷Α⒍镜蜏貎龊Φ葰庀鬄?zāi)害常給婺源綠茶的生長發(fā)育造成嚴(yán)重危害，例如：2018年4月上旬春霜凍導(dǎo)致婺源縣一半以上茶園遭遇了不同程度的霜凍災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失約1.2億元［3］；2019年7月下旬以來的持續(xù)晴熱高溫天氣造成婺源縣部分茶區(qū)出現(xiàn)重度高溫?zé)岷Γ?5 hm2以上的茶園出現(xiàn)了不同程度的干旱災(zāi)害［4-5］；2008年1月28日～2月2日的持續(xù)低溫冰凍造成婺源縣8000 hm2茶園受災(zāi)，占總面積的81.6%，其中重災(zāi)茶園1667 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.286億元［6］。因此，加強(qiáng)茶葉農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究，可有效提高婺源綠茶農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)減災(zāi)能力。

近年來，隨著農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)意識的提高，國內(nèi)外學(xué)者針對茶樹開展了大量的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究。早春霜凍是影響春茶生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，目前浙江［7］、江蘇［8］、江西［9］、安徽［10］等地已開展了茶樹春霜凍的氣候變化特征研究。姜燕敏等［11］對浙南茶樹高溫?zé)岷θ諗?shù)的變化特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)浙南茶樹遭遇高溫?zé)岷Φ膸茁拭黠@增大。汪建軍等［12］應(yīng)用茶樹高溫?zé)岷χ笜?biāo)，統(tǒng)計(jì)分析了1971～2019年江西茶樹高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布與多時(shí)間尺度變化規(guī)律。胡波等［13］采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)和小波分析方法，研究了浙江省茶樹冬季凍害的空間分布和時(shí)間演變特征。金志鳳等［14］構(gòu)建了浙江省茶葉農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并對浙江省茶樹進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

目前，有關(guān)氣象因子對茶葉生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以及茶樹農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生規(guī)律和影響評估等方面的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展［15-18］。婺源綠茶歷史悠久，婺源是我國著名的綠茶產(chǎn)區(qū)，但迄今對婺源綠茶及其農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害氣候變化特征的詳細(xì)研究較少。鑒于此，本研究在氣候變化的背景下，利用婺源縣1961～2021年的逐日氣溫觀測資料，分析了婺源縣早春霜凍、夏季熱害和冬季凍害的演變規(guī)律和突變特征，以期為氣候變化背景下婺源綠茶的防災(zāi)減災(zāi)管理和茶樹品種布局提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象數(shù)據(jù)來源于婺源縣國家氣象觀測站，為婺源縣1961～2021年的逐日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫。按照中國氣象局制定的業(yè)務(wù)規(guī)范對該資料進(jìn)行了質(zhì)量控制。

1.2 研究方法

1.2.1 婺源綠茶主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)的確定 婺源茶區(qū)主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害包括早春霜凍、夏季熱害和冬季凍害。結(jié)合前人的研究成果［14，19-20］和婺源茶區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，將3～4月的日最低氣溫（Tmin）≤4 ℃作為茶樹早春霜凍標(biāo)準(zhǔn)；把茶樹冬季凍害標(biāo)準(zhǔn)定義為上一年12月至當(dāng)年2月日最低氣溫（Tmin）≤-5 ℃；根據(jù)7～8月的日最高氣溫及其持續(xù)時(shí)間將茶樹夏季熱害劃分為3個(gè)等級。茶樹早春霜凍和冬季凍害的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1；夏季熱害的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 茶樹早春霜凍和冬季凍害的等級劃分標(biāo)準(zhǔn) ℃

表2 茶樹夏季熱害的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 氣候傾向率 用Y表示婺源茶區(qū)各種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，t表示對應(yīng)的年序，擬合得到以下一元線性回歸方程［21］：

上式中：t為對應(yīng)的年序；a0為常數(shù)項(xiàng)；a1為回歸系數(shù)。當(dāng)a1大于0 時(shí)表示災(zāi)害隨時(shí)間呈增加或推遲趨勢，反之則呈下降或提前趨勢，其值的大小反映變化速率，并以a1×10作為災(zāi)害的線性傾向率。變化趨勢是否顯著用相關(guān)系數(shù)r來判斷，超過α=0.05顯著性水平則認(rèn)為變化趨勢顯著。

1.2.3 Manner-Kendall突變檢驗(yàn) Manner-Kendall突變檢驗(yàn)［22］（簡稱為M-K檢驗(yàn)）是世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，它能客觀地表征樣本序列的變化趨勢，明確突變發(fā)生時(shí)間、區(qū)域及其范圍。它的2個(gè)重要參數(shù)是統(tǒng)計(jì)量M和趨勢變化的斜率β，當(dāng)M值為正時(shí)，表明序列具有上升或增加的趨勢；當(dāng)M值為負(fù)時(shí)，則意味著下降或減小的趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫的變化特征分析

圖1為1961～2021年婺源縣平均氣溫的逐年變化特征及其Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果。由圖1a可知，近61年婺源縣年平均氣溫總體表現(xiàn)為明顯的上升趨勢，最小值為16.3 ℃（1976和1984年），最大值為18.5 ℃（2021年），年際間上升速率為0.242℃/10 a（通過信度0.01的顯著性檢驗(yàn)），近61年來年平均氣溫增加了1.48 ℃。對年均氣溫的突變情況進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果（圖1b）表明：婺源縣氣溫自1994年開始一直呈增加趨勢，這種趨勢到2001年達(dá)到了顯著水平；2003年以來這種增暖趨勢均大大超過顯著性水平0.001臨界線（u0.001=2.56）。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定2001年為年平均氣溫增加的突變起始年，突變后的年平均氣溫比突變前增加了0.95 ℃，這表明婺源縣氣溫的上升趨勢是十分顯著的。

圖1 婺源縣年平均氣溫的變化特征及其M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的變化特征分析

2.2.1 早春霜凍 根據(jù)早春霜凍的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)了婺源縣不同等級早春霜凍日數(shù)的逐年變化特征，結(jié)果如圖2所示。婺源縣年平均霜凍日數(shù)為7.1 d，以輕度霜凍為主（年均霜凍日數(shù)為3.2 d），中度和重度霜凍的年平均日數(shù)分別為2.4和1.5 d。從圖2d可以看出：近61年來婺源縣每年都有不同程度的霜凍災(zāi)害發(fā)生，并且在20世紀(jì)60年代發(fā)生最為嚴(yán)重，年平均霜凍日數(shù)達(dá)10.6 d，較平均水平偏多3.5 d；在20世紀(jì)70年代開始年平均霜凍日數(shù)總體呈減少的趨勢，特別是2000年后減少到了5.6 d，較平均水平偏少1.5 d。

圖2 婺源縣各級早春霜凍發(fā)生天數(shù)的年際變化

婺源縣各級早春霜凍的年際變化具有明顯的波動性，從各等級早春霜凍的趨勢線分析得出：在1961～2021年間，輕度、中度、重度和總霜凍日數(shù)均呈減少的趨勢，其中輕度霜凍每10年減少了0.2 d，但是減少趨勢不明顯；中度霜凍年際間減少速率為0.4 d/10 a，并通過了0.01顯著性檢驗(yàn)；重度霜凍年際間減少速率為0.3 d/10 a，通過了0.05顯著性檢驗(yàn)；總霜凍日數(shù)平均每10年減少1.0 d，并且這種減少趨勢達(dá)到了0.01顯著性水平，說明婺源綠茶早春霜凍日數(shù)呈極顯著的減少趨勢，并且近61年來平均減少了6.1 d。陶瑤等［9］的研究結(jié)果表明，江西省茶葉春霜日數(shù)表現(xiàn)出顯著減少的變化趨勢，這與本研究的結(jié)果相同。

2.2.2 夏季熱害 1961～2021年婺源縣各級夏季熱害發(fā)生次數(shù)的年際變化如圖3所示。婺源縣年平均熱害次數(shù)為0.7次。就各級熱害發(fā)生的年平均次數(shù)而言，重度熱害（0.33次）＞中度熱害（0.23次）＞輕度熱害（0.15次）。從各等級夏季熱害的趨勢線分析得出：在1961～2021年間，輕度熱害呈增加趨勢；而中度熱害、重度熱害和總熱害具有略微減少的趨勢，但均未通過0.05顯著性檢驗(yàn)，表明近61年來婺源茶區(qū)各級夏季熱害的年際間變化不顯著。綜合各等級夏季熱害的發(fā)生次數(shù)，可以得出1967、1971和1978年為婺源茶區(qū)的高溫重災(zāi)年。

從圖3d可以看出：近61年來婺源茶區(qū)總熱害年代間總體呈先減后增的趨勢，其中20世紀(jì)60和70年代熱害年平均發(fā)生次數(shù)均達(dá)到0.9次；20世紀(jì)80和90年代熱害年平均發(fā)生次數(shù)開始減少，分別減少到0.5和0.2次；21世紀(jì)后又增加到0.9次。該結(jié)果與李柏貞等［16］報(bào)道的江南茶葉夏季熱害的年代際變化趨勢基本一致。

圖3 婺源縣各級夏季熱害發(fā)生次數(shù)的年際變化

2.2.3 冬季凍害 圖4為1961～2021年婺源茶樹不同等級冬季凍害發(fā)生天數(shù)的逐年變化特征，從中可知，婺源縣冬季凍害以輕度為主，并且近61年均無重度凍害發(fā)生。近61年來年平均凍害發(fā)生天數(shù)為4.8 d，其中輕度和中度凍害年平均發(fā)生天數(shù)分別為4.7和0.1 d。由圖4c可以看出：婺源縣茶樹冬季凍害在20世紀(jì)60年代發(fā)生最為嚴(yán)重，年平均凍害日數(shù)達(dá)11.3 d，其中1963年凍害發(fā)生天數(shù)最多，高達(dá)31.0 d；20世紀(jì)70年代年均凍害日數(shù)減少至7.0 d；進(jìn)入80年代后年均凍害日數(shù)顯著減少至2.7 d。

圖4 婺源縣各級冬季凍害發(fā)生天數(shù)的年際變化

近61年來，婺源茶樹輕度凍害和總凍害發(fā)生天數(shù)的年際變化顯著，均通過了0.01顯著性水平，但中度凍害發(fā)生天數(shù)的年際間減少趨勢不明顯。其中輕度凍害平均每10年減少了1.7 d，并且在1963年發(fā)生天數(shù)最多（30.0 d），其次為1968年和1974年（17.0 d）；從20世紀(jì)80年代開始輕度凍害年均發(fā)生天數(shù)均未超過10.0 d。中度凍害僅出現(xiàn)在1963、1967、1974和2016年，其中1967年共出現(xiàn)2.0 d，其余均僅出現(xiàn)1.0 d。在氣候變暖的背景下，婺源茶樹總凍害日數(shù)呈顯著減少的趨勢，平均每10年減少了1.7 d，近61年來平均減少了10.4 d。

2.3 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的突變分析

圖5為婺源茶區(qū)3種主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果。從圖5a可以看出：1961～1974年UF曲線在零線上下不穩(wěn)定地波動；從1975年開始UF曲線始終在零線以下，且多次超過0.05臨界線，說明婺源茶區(qū)早春霜凍總?cè)諗?shù)從1975年開始呈減少的趨勢；UF和UB曲線在1990～2017年之間多次相交，經(jīng)過累積距平分析后，確定其突變點(diǎn)在1996年。從圖5b可見：自1966年以來，UF曲線始終在零線以上，在20世紀(jì)80和90年代呈波動減少的趨勢，從2001年開始表現(xiàn)為波動增加趨勢，但UF和UB曲線始終沒有交點(diǎn)，說明婺源茶區(qū)夏季熱害總次數(shù)沒有發(fā)生突變。由圖5c可知：自1978年以來UF曲線始終為負(fù)值，在置信水平臨界線之間；UF和UB曲線在1996年存在交點(diǎn)，說明婺源茶區(qū)冬季凍害總?cè)諗?shù)從1978年開始穩(wěn)定遞減，并在1996年發(fā)生減少的突變，且自1998以來這種減少趨勢超過了0.05顯著水平。

圖5 婺源縣茶樹農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

3 討論與結(jié)論

本研究基于1961～2021年婺源縣逐日平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫資料，利用氣候傾向率和M-K突變檢驗(yàn)法對婺源縣近61年平均氣溫的逐年變化和突變特征進(jìn)行了分析，并應(yīng)用農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)分析了婺源縣不同等級的早春霜凍、夏季熱害和冬季凍害的氣候變化特征，得出以下主要結(jié)論。

1961～2021年婺源縣年平均氣溫呈顯著上升趨勢，年際間升溫率為0.242 ℃/10 a，高于江西省的變暖速率0.170 ℃/10 a［23］。M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，婺源縣氣溫自1994年開始一直呈增加趨勢，2001年為年平均氣溫增加的突變起始年，突變后的年平均氣溫比突變前增加了0.95 ℃。

近61年來，在影響婺源綠茶生產(chǎn)的3種主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害中，早春霜凍和冬季凍害的發(fā)生程度均以輕度為主，總霜凍和總凍害日數(shù)年際間呈明顯的遞減趨勢，減少速率分別為1.0 d/10 a和1.7 d/10 a，發(fā)生突變的年份均在1996年。說明受到氣候變暖的影響，婺源綠茶發(fā)生低溫凍害的可能性在逐漸減小，而在兩種低溫凍害中早春霜凍更容易發(fā)生。雖然各級高溫?zé)岷υ谀觌H間變化不顯著，但進(jìn)入21世紀(jì)后隨著氣候增暖明顯，夏季熱害發(fā)生的頻率有增加的趨勢，這可能與2001年以后婺源縣氣候顯著變暖有關(guān)。M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，婺源茶區(qū)總熱害沒有發(fā)生突變。

婺源綠茶發(fā)生早春霜凍和冬季凍害的頻率在逐漸下降，但這并不意味著災(zāi)害一定減輕，因?yàn)樵跉夂蜃兓拇蟊尘跋拢瑯O端天氣氣候事件趨多趨強(qiáng)，尤其是早春霜凍是由冷空氣入侵引起的一種時(shí)間極短的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，與長期氣候趨勢并不一定完全同步，因此在茶葉生產(chǎn)上仍需要對早春霜凍和冬季凍害加以重視。進(jìn)入21世紀(jì)后，婺源茶區(qū)夏季熱害的發(fā)生頻率有所增加，根據(jù)IPCC AR4數(shù)據(jù)庫及典型氣候模型預(yù)測，在未來的數(shù)十年，江西每10年的增溫速度將高達(dá)0.22～0.41 ℃［24］，因此未來婺源茶區(qū)應(yīng)加強(qiáng)控制和預(yù)防高溫?zé)岷?，采取合理灌溉、適度遮陽、中耕除草等措施加以防范。