金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害時(shí)空分布特征

鹿 翔 , 韓芙蓉 , 吳天貽 , 舒素芳

金華市氣象局， 浙江 金華 321000

0 引 言

茶樹(shù)作為一種多年生常綠木本植物，在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛種植。金華位于我國(guó)四大茶區(qū)之一的江南茶區(qū)，屬于盆地、丘陵地貌，氣候、土壤條件適合茶樹(shù)的種植，尤其是武義、東陽(yáng)和磐安等地區(qū)是重要的茶葉產(chǎn)地，也出現(xiàn)了武陽(yáng)春雨等世界知名的茶葉品牌。茶樹(shù)作為一種喜溫、喜濕、喜漫射光的多年生亞熱帶常綠植物，光照、溫度、水分是影響其生長(zhǎng)和品質(zhì)的最主要?dú)庀笠蜃?楊亞軍,1986；金志鳳等,2014；陶瑤等,2020;唐俊賢等,2021)。近年來(lái)，由于氣候異常導(dǎo)致茶樹(shù)氣象災(zāi)害頻發(fā)，制約了茶樹(shù)的生產(chǎn)，其中對(duì)茶樹(shù)影響較大的氣象災(zāi)害是低溫凍害，主要表現(xiàn)為春季霜凍，霜凍不僅使得茶葉開(kāi)采期推遲，而且還會(huì)導(dǎo)致茶葉嫩芽生長(zhǎng)停滯甚至枯死，減產(chǎn)降質(zhì)(王懷龍等,1981；陶瑤等,2019)。針對(duì)茶樹(shù)的春季霜凍災(zāi)害，許多學(xué)者開(kāi)展了研究。例如，胡波等(2014)采用FastICA負(fù)熵最大化算法分析了浙江茶樹(shù)春季霜凍時(shí)空變化特征。劉瑞娜等(2021)利用ANUSPLIN插值模型對(duì)安徽省茶種植區(qū)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。冬季的凍害也是影響茶樹(shù)生長(zhǎng)的主要?dú)庀鬄?zāi)害(康國(guó)章等，2002)。婁偉平和肖強(qiáng)(2016)研究發(fā)現(xiàn)，江南茶區(qū)的冬季凍害發(fā)生比較頻繁，對(duì)茶葉生產(chǎn)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。此外，夏季連續(xù)3 d及以上日最高氣溫超過(guò)35 ℃、日平均氣溫超過(guò)30 ℃且日平均相對(duì)濕度小于60%時(shí)，容易出現(xiàn)高溫?zé)岷?，?dǎo)致茶樹(shù)生長(zhǎng)速度減緩，葉綠素遭到破壞，光合作用停止，茶葉蛋白質(zhì)凝固，酶活性喪失，影響茶葉物質(zhì)的積累，甚至葉片枯萎而脫落，茶葉的品質(zhì)遭到嚴(yán)重的影響(盧健等,2013)。姜燕敏等(2014)、何辰宇等(2016)研究發(fā)現(xiàn)，浙江、福建等茶葉主產(chǎn)區(qū)地易出現(xiàn)高溫?zé)岷?，?dǎo)致葉芽萎縮、茶葉中氨基酸和維生素含量減少，影響茶葉品質(zhì)。楊菲等(2017)總結(jié)了高溫干旱對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)和品質(zhì)影響的機(jī)理。目前，針對(duì)茶樹(shù)氣象災(zāi)害的研究主要集中在氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和氣象災(zāi)害區(qū)劃等方面，而對(duì)于茶樹(shù)氣象災(zāi)害發(fā)生日數(shù)及其要素的時(shí)空分布特征研究相對(duì)較少。金華地區(qū)作為浙江茶葉的重要產(chǎn)區(qū)，茶樹(shù)氣象災(zāi)害頻發(fā)，有必要對(duì)當(dāng)?shù)夭铇?shù)生長(zhǎng)期的氣象災(zāi)害發(fā)生規(guī)律進(jìn)行研究。文中通過(guò)統(tǒng)計(jì)金華地區(qū)茶樹(shù)低溫凍害、高溫干旱等氣象災(zāi)害發(fā)生的頻數(shù)，分析茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害氣象要素的分布規(guī)律、綜合風(fēng)險(xiǎn)分布和變化趨勢(shì)，以期對(duì)茶樹(shù)種植區(qū)域規(guī)劃布局和氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中所用的氣象資料為金華市8個(gè)國(guó)家氣象站1953—2020年氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及154個(gè)代表性區(qū)域自動(dòng)站(包含相對(duì)濕度觀測(cè)的35個(gè)六要素自動(dòng)站)2005—2020年氣溫和相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)；2020年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)茶樹(shù)種植面積數(shù)據(jù)由金華市統(tǒng)計(jì)局提供；金華地區(qū)30 m×30 m分辨率的DEM高程數(shù)據(jù)來(lái)由國(guó)土部門提供。

1.2 方 法

1.2.1 氣象災(zāi)害分布模型

決定茶樹(shù)能否正常生長(zhǎng)的限制因子是低溫凍害和高溫?zé)岷?。凍害越輕，茶樹(shù)生長(zhǎng)越好，產(chǎn)量也越高。茶樹(shù)凍害按生物學(xué)時(shí)間可分為越冬期凍害和春季霜凍害，而高溫?zé)岷χ饕l(fā)生在夏季。表1給出了茶樹(shù)種植三種主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的劃分標(biāo)準(zhǔn)(金志鳳等，2011)。

表1 茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害指標(biāo)

為了客觀描述茶樹(shù)春季霜凍和冬季凍害氣象指標(biāo)因子在金華地區(qū)的分布情況，利用DEM高程數(shù)據(jù)提取的30 m×30 m格點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔等地理要素，將經(jīng)度、緯度和海拔高度三個(gè)因子作為自變量，茶樹(shù)氣象災(zāi)害的年平均出現(xiàn)天數(shù)作為因變量，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行多元線性回歸分析，建立茶樹(shù)氣象災(zāi)害指標(biāo)和地理信息要素之間的統(tǒng)計(jì)模型(表2)。結(jié)果表明，茶樹(shù)的春季霜凍和冬季凍害的推算模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.758和0.784，F(xiàn)值為73.881和75.659，均通過(guò)了信度0.05的顯著性檢驗(yàn)，具有良好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，以此推算春季霜凍和冬季凍害在無(wú)測(cè)站區(qū)域的發(fā)生狀況。

表2 茶樹(shù)氣象災(zāi)害指標(biāo)因子空間推算模型

對(duì)于夏季高溫?zé)岷?，統(tǒng)計(jì)歷年達(dá)到高溫?zé)岷?biāo)準(zhǔn)的日數(shù)。以金華地區(qū)具有代表性的35個(gè)六要素區(qū)域站數(shù)據(jù)為樣本，基于ArcGIS的反距離權(quán)重插值法，得到夏季高溫?zé)岷Πl(fā)生日數(shù)分布。

1.2.2 綜合風(fēng)險(xiǎn)模型

應(yīng)用綜合分析法建立茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布模型。參考金志鳳等(2014)的研究方法，采用層次分析法確定早春霜凍害、夏季高溫?zé)岷投緝龊θN茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害在綜合評(píng)價(jià)中的權(quán)重，分別為0.58、0.11、0.31。在對(duì)三種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)一量綱后，基于ArcGIS的柵格計(jì)算器對(duì)三種災(zāi)害進(jìn)行疊加得到金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布。

1.2.3 趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)

利用趨勢(shì)分析方法分析金華地區(qū)茶樹(shù)春季霜凍災(zāi)害時(shí)間尺度上的氣候變化特征，然后通過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)對(duì)茶樹(shù)春季霜凍的變化趨勢(shì)和突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行分析(符淙斌和王強(qiáng)，1992)。

2 結(jié)果分析

2.1 茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害空間分布

茶樹(shù)霜凍指在早春時(shí)節(jié)，受強(qiáng)冷空氣侵襲，氣溫在短時(shí)間內(nèi)下降到4 ℃以下，危害茶樹(shù)生長(zhǎng)的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。早春茶樹(shù)新芽和嫩梢的抵抗低溫能力較弱，極易受到霜凍影響，輕則幼嫩芽葉彎曲、變褐、變焦，重則茶樹(shù)生長(zhǎng)衰弱，枝枯葉落，甚至死亡。低溫是茶樹(shù)遭受凍害的直接氣象原因。當(dāng)日最低氣溫低于4 ℃時(shí)，茶樹(shù)新芽嫩葉生長(zhǎng)將受到低溫凍害影響，對(duì)春茶的產(chǎn)量和品質(zhì)影響很大(王培娟等,2021)。

圖1分別給出了茶樹(shù)春季霜凍和冬季凍害發(fā)生日數(shù)分布。分析發(fā)現(xiàn)，金華地區(qū)茶樹(shù)春梢期低溫霜凍災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域主要集中于磐安、東陽(yáng)和義烏北部、浦江西北部，以及婺城和武義交界處。這些區(qū)域海拔較高，早春氣溫較低，霜凍出現(xiàn)概率較高，一般平均每年出現(xiàn)霜凍的日數(shù)都在13 d以上，遭受霜凍的風(fēng)險(xiǎn)較高。蘭溪西部和婺城北部地勢(shì)平坦，早春回溫快，發(fā)生春季霜凍的概率較低，每年出現(xiàn)霜凍的日數(shù)不足3 d，為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。其他區(qū)域?yàn)橹酗L(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

對(duì)比分析圖1a、b發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)冬季凍害的風(fēng)險(xiǎn)分布與春季霜凍相似。冬季凍害主要發(fā)生在磐安、東陽(yáng)和義烏北部、浦江西北部，以及婺城和武義交界處。上述區(qū)域平均每年出現(xiàn)凍害的日數(shù)在8 d以上，對(duì)處于越冬休眠期的茶樹(shù)生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響。無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要為蘭溪和婺城的交界區(qū)。此區(qū)域冬季基本不會(huì)出現(xiàn)氣溫低于-5 ℃的天氣。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中于蘭溪、婺城、金東、武義和永康地區(qū)。這些區(qū)域平均每年出現(xiàn)凍害的日數(shù)在3 d以下。東陽(yáng)、義烏、浦江大部分地區(qū)是中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，出現(xiàn)凍害的日數(shù)為3—8 d。

圖1 1953—2020年金華地區(qū)茶樹(shù)春季霜凍(a)和冬季凍害(b)發(fā)生頻率(單位：d/a)分布Fig. 1 Frequency distribution (units：d/a) of spring frost (a) and winter frost damage (b) for tea trees in Jinhua area from 1953 to 2020

圖2給出了茶樹(shù)夏季高溫?zé)岷Πl(fā)生日數(shù)分布。分析發(fā)現(xiàn)，金華地區(qū)茶樹(shù)高溫?zé)岷Φ母唢L(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要集中于浦江、義烏北部、金東區(qū)和義烏交界處、金華市區(qū)以及蘭溪西部部分地區(qū)。上述區(qū)域盛夏氣溫高、濕度較低，平均每年發(fā)生高溫?zé)岷Φ娜諗?shù)在10 d以上。武義作為茶葉主產(chǎn)區(qū)之一，大部分地區(qū)發(fā)生高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)為中等，每年出現(xiàn)高溫?zé)岷Φ娜諗?shù)在5 d左右。而磐安、東陽(yáng)、永康基本處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，每年出現(xiàn)高溫?zé)岷Φ娜諗?shù)在5 d以下，其中磐安地區(qū)基本不會(huì)發(fā)生高溫?zé)岷Α?/p>

圖2 1953—2020年金華地區(qū)茶樹(shù)夏季高溫?zé)岷Πl(fā)生頻率(單位：d/a)分布

綜合春季霜凍害、夏季高溫?zé)岷投緝龊θN對(duì)金華地區(qū)茶樹(shù)影響最大的氣象災(zāi)害分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)茶樹(shù)影響最大、發(fā)生最為頻繁的是春季霜凍害，高溫?zé)岷投緝龊σ虺霈F(xiàn)概率較低，對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)影響較小。分析金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布(圖3)發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)綜合氣象災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要集中于磐安、浦江西北部、婺城區(qū)南部和武義西部，這些區(qū)域發(fā)生春季霜凍和冬季凍害的頻率較高，茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害的綜合風(fēng)險(xiǎn)高。武義、磐安、東陽(yáng)和浦江是金華地區(qū)茶樹(shù)種植的主產(chǎn)區(qū)，11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的茶樹(shù)種植面積都超過(guò)700 hm2，其中磐安縣尖山鎮(zhèn)的茶樹(shù)種植面積達(dá)到了1 500 hm2(圖4)。結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，金華地區(qū)茶樹(shù)主要產(chǎn)區(qū)都面臨較高的氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)當(dāng)?shù)夭铇?shù)種植氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高抗災(zāi)能力，從而提高效益。中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要集中于義烏、東陽(yáng)、永康和金東區(qū)，這些區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)茶樹(shù)種植面積基本都低于33 hm2，產(chǎn)量和產(chǎn)值相對(duì)較低，所面臨的茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較小。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在婺城區(qū)和蘭溪，這些區(qū)域茶樹(shù)種植面積少、發(fā)生氣象災(zāi)害的概率低，形成的危害也較小。

圖3 金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布

圖4 金華地區(qū)茶樹(shù)種植面積(單位：hm2)分布

2.2 茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害時(shí)間分布

春季霜凍作為危害金華地區(qū)茶樹(shù)種植最重要的氣象災(zāi)害，分析時(shí)間變化趨勢(shì)有利于掌握其在氣候變化背景下的發(fā)生規(guī)律。利用金華地區(qū)國(guó)家氣象站日最低氣溫資料，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)發(fā)生春季霜凍的日數(shù)和極端最低氣溫分布。以金華站為例(圖5)，1953年以來(lái)年均出現(xiàn)春季霜凍日數(shù)5.2 d；最大值為17 d，出現(xiàn)在1954年；共有5年沒(méi)有出現(xiàn)霜凍災(zāi)害。而從春季霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)看，發(fā)生茶樹(shù)春季霜凍的概率逐年減小，氣候傾向率為-0.8 d/(10 a)，即1953—2020年春季霜凍日數(shù)減少了5.2 d。春季極端最低氣溫的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)與春季霜凍日數(shù)基本相反的分布,兩者相關(guān)關(guān)系達(dá)到-0.737，且通過(guò)信度0.05的顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明春季霜凍頻發(fā)的年份，極端最低氣溫也相對(duì)較低。從極端最低氣溫的線性擬合趨勢(shì)也可以看出，極端最低氣溫呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，氣候傾向率為0.24 ℃/(10 a)；尤其是2010年以來(lái)的3—4月極端最低氣溫都在0 ℃以上。結(jié)合春季霜凍日數(shù)和極端最低氣溫來(lái)看，春季霜凍發(fā)生頻率降低的情況下，極端最低氣溫呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，表明茶樹(shù)遭受春季霜凍的風(fēng)險(xiǎn)逐年降低。

圖5 金華氣象站1953—2020年春季霜凍日數(shù)和最低氣溫變化

進(jìn)一步運(yùn)用氣候突變檢驗(yàn)方法Mann-Kendall進(jìn)行突變檢測(cè)，以分析茶葉主要產(chǎn)區(qū)金華和武義茶樹(shù)春季霜凍發(fā)生日數(shù)的時(shí)間變化(圖6)。

圖6 金華(a)、武義(b)氣象站春季霜凍日數(shù)M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 M-K curve of frost days in spring in Jinhua (a) and Wuyi (b)

由圖6a可以看出，20世紀(jì)50年代金華站的UF曲線大于0，說(shuō)明此時(shí)的霜凍害發(fā)生頻率呈上升趨勢(shì)。進(jìn)入60年代以后發(fā)生霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢(shì)。70—80年代UF線重新升至0以上，在70年代初甚至達(dá)到臨界線，表明此時(shí)金華春季霜凍害的發(fā)生頻率不斷上升，且趨勢(shì)非常顯著。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后霜凍發(fā)生頻率逐漸下降，且在2015年前后UF線和UB線相交，說(shuō)明此時(shí)霜凍害變化的趨勢(shì)發(fā)生了突變現(xiàn)象，即2010年以來(lái)金華的霜凍害發(fā)生頻率呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)。

作為茶葉重要產(chǎn)區(qū)的武義(圖6b)，茶樹(shù)春季霜凍發(fā)生頻率在20世紀(jì)60年代呈下降趨勢(shì)，70年代為上升趨勢(shì)，80年代以后逐漸下降，其中進(jìn)入21世紀(jì)后UF曲線低于臨界線，UF線和UB線多次相交，表明武義地區(qū)發(fā)生霜凍害的頻率發(fā)生了突變，且呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

文中通過(guò)統(tǒng)計(jì)低溫霜凍、高溫干旱等發(fā)生頻數(shù)，分析金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害特征，得到：

1) 春季霜凍害、夏季高溫?zé)岷投緝龊θN氣象災(zāi)害中，影響金華地區(qū)茶樹(shù)種植的最主要?dú)庀鬄?zāi)害是春季霜凍，夏季高溫?zé)岷投緝龊Φ挠绊懗潭认鄬?duì)較輕。

2) 春季霜凍和冬季凍害高發(fā)地區(qū)集中于磐安、東陽(yáng)和義烏北部、浦江西北部、婺城和武義交界處。夏季高溫?zé)岷Φ母甙l(fā)地區(qū)主要集中于浦江、義烏北部、金東區(qū)和婺城區(qū)等盆地、平原地區(qū)。綜合茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要集中于磐安、浦江西北部、婺城區(qū)南部和武義西部。

3) 金華地區(qū)春季霜凍害發(fā)生較為頻繁，但1965年以來(lái)茶樹(shù)春季霜凍發(fā)生概率呈逐年變小的趨勢(shì)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，金華地區(qū)發(fā)生春季霜凍的概率出現(xiàn)顯著的減小。

本研究發(fā)現(xiàn)金華地區(qū)茶樹(shù)主要種植區(qū)域，面臨較高的氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)，與金志鳳等(2014)的研究結(jié)論一致。在氣候變暖背景下，雖然金華地區(qū)春季霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)呈減小趨勢(shì)，總體有利于當(dāng)?shù)卮翰枭a(chǎn)，但由于極端天氣氣候事件頻發(fā)，仍需加強(qiáng)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高抗災(zāi)能力，減少氣象災(zāi)害帶來(lái)的損失。

文中僅對(duì)金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害分布規(guī)律進(jìn)行分析，但未涉及氣象災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)能力。而茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的高低，除了受氣象災(zāi)害本身發(fā)生規(guī)律影響之外，還受防災(zāi)減災(zāi)能力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的綜合影響。今后將進(jìn)一步對(duì)金華地區(qū)茶樹(shù)種植氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更為全面的評(píng)估。