哈密紅棗物候期和產(chǎn)量與氣候要素的關(guān)系初探

胡啟瑞，王 娟，芮建梅，火勛國，姚艷麗，顧雅文

（1.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺/新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆哈密市伊州區(qū)氣象局，新疆 哈密 839000）

紅棗植株對光照、溫度和干旱的適應(yīng)性強(qiáng)。自20世紀(jì)90年代后期以來，新疆紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2018年新疆紅棗產(chǎn)量達(dá)361萬t，占全國紅棗產(chǎn)量的49%。吐哈盆地是新疆優(yōu)良制干紅棗的林果生產(chǎn)基地，其中哈密地區(qū)已有2000年的紅棗種植歷史。哈密紅棗是中國國家地理標(biāo)志產(chǎn)品，紅棗生產(chǎn)已成為促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)之一。新疆地域遼闊，地形地貌復(fù)雜，氣候類型多樣，近年來極端氣候事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度有所增加，制約了瓜果的產(chǎn)量和品質(zhì)［1-3］。研究分析氣候變暖背景下紅棗生長發(fā)育的變化趨勢對于實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

有關(guān)全球氣候變化背景下新疆農(nóng)業(yè)氣候資源變化的研究表明，從20世紀(jì)80年代中后期開始新疆氣候逐漸向增溫、增濕方向發(fā)展［4-6］;氣候變化已對新疆的生態(tài)環(huán)境［7-8］、水文以及種植結(jié)構(gòu)［9-10］等方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。目前，國內(nèi)學(xué)者在林果生長與氣候變化關(guān)系方面做了相關(guān)研究，張山清等［11-14］研究發(fā)現(xiàn)：在氣候變化背景下，新疆農(nóng)業(yè)的熱量資源得到了明顯改善，杏、核桃、蘋果和釀酒葡萄的適宜種植區(qū)有所擴(kuò)大。吉春容等［15］分析了近40年哈密瓜生長的氣象條件，發(fā)現(xiàn)哈密瓜在生長季的熱量資源呈顯著增加趨勢，6、7月的高溫對哈密瓜產(chǎn)量有不利影響。梁軼等［16］基于GIS技術(shù)進(jìn)行研究，預(yù)估未來35年在陜晉黃河沿岸北部適宜區(qū)可適當(dāng)擴(kuò)大適于本地發(fā)展的制干紅棗栽植面積。劉璐等［17］研究發(fā)現(xiàn)黃土高原蘋果主產(chǎn)地氣候呈暖濕變化特征，受其影響，春季物候期呈提前趨勢，秋季物候期呈推遲趨勢。李香芳等［18］分析了寧夏枸杞近57年生長的氣象條件，發(fā)現(xiàn)氣候變化有利于寧夏枸杞單產(chǎn)的提高，同時氣候變暖增加了冬季農(nóng)田土壤水分蒸發(fā)，病蟲害發(fā)生有增加趨勢。目前針對影響紅棗產(chǎn)業(yè)的研究主要集中在氣候區(qū)劃和致災(zāi)關(guān)鍵氣象因子方面，李新崗［19-20］、周麗等［21］歸納總結(jié)了我國紅棗種植區(qū)的氣候特點(diǎn)，建立了紅棗區(qū)劃指標(biāo)。張玉蘭等［22］通過對歷年紅棗產(chǎn)量與氣象因子的統(tǒng)計分析，明確了紅棗受干熱風(fēng)影響的關(guān)鍵氣象因子和關(guān)鍵影響時段。張山清等［23］分析了氣候變化背景下新疆紅棗種植區(qū)劃的變化。段曉鳳等［24］通過分析中寧縣的氣象資料和紅棗產(chǎn)量資料，確定了脆熟采收期連陰雨對紅棗產(chǎn)量的影響最大。但有關(guān)氣候變暖背景下，新疆紅棗生長發(fā)育對氣候變化如何響應(yīng)，以及氣象條件的差異對各關(guān)鍵生長發(fā)育期的影響研究尚不多見。本文以哈密紅棗為研究對象，在分析氣候特征的基礎(chǔ)上，探討了紅棗在各生長發(fā)育期、各發(fā)育期內(nèi)氣象條件的差異變化以及兩者的相關(guān)關(guān)系，旨在闡明影響哈密紅棗生長發(fā)育期的關(guān)鍵氣象因子，為合理利用氣候資源、應(yīng)對氣候變化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

哈密市地處天山東段南麓，是新疆通向我國內(nèi)地的要道，為封閉型盆地，地勢北高南低，平均海拔760 m，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。

1.2 研究資料及方法

選用哈密市國家一般氣象站1981～2021年不同時段的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)等觀測資料，并計算不同界限的積溫；氣象數(shù)據(jù)來源于新疆氣象信息中心。1991～2021年紅棗發(fā)育期數(shù)據(jù)來自該站的觀測資料；將歷年的發(fā)育期日期轉(zhuǎn)化為距當(dāng)年1月1日的實(shí)際天數(shù)，即日序數(shù)，得到發(fā)育期的時間序列。哈密市紅棗種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局。

通過線性回歸方程求出各氣象要素的氣候傾向率，并采用線性回歸法分析發(fā)育期、產(chǎn)量的年際變化趨勢及其與各氣候因子的相關(guān)性［25］；通過M-K突變檢驗方法進(jìn)行氣候要素變化的趨勢檢驗［26］。哈密紅棗的氣候產(chǎn)量等于實(shí)際產(chǎn)量減去趨勢產(chǎn)量；采用5年滑動平均值方法模擬紅棗的趨勢產(chǎn)量［27］。利用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈密紅棗生長的氣候變化特征

2.1.1 氣候因子的年際變化 哈密市1981～2021年多年平均氣溫為10.5 ℃，年降水量為42.8 mm，年日照時數(shù)為3330.9 h，年平均地溫為13.5 ℃，年平均氣溫日較差為15.1 ℃，無霜期為189 d，≥35 ℃的高溫日數(shù)年平均為39 d，冬季極端最低氣溫平均為-21.6 ℃（圖1）。近41年來，年平均氣溫、年降水量、年平均地溫、年日照時數(shù)、≥35 ℃的高溫日數(shù)總體均呈上升趨勢，氣候傾向率分別為0.32 ℃/10 a、1.11 mm/10 a、0.63 ℃/10 a、36.32 h/10 a、6.49 d/10 a；而年降水日數(shù)、大風(fēng)日數(shù)、冬季極端最低氣溫、平均相對濕度呈減少趨勢。在各種氣候要素中，年平均氣溫、平均地面溫度、氣溫日較差、大風(fēng)日數(shù)、≥35 ℃的高溫日數(shù)的變化（變化速率）達(dá)到了極顯著（P＜0.01）水平，年降水量和日照時數(shù)的變化未通過顯著性檢驗（表1）。41年來哈密市的年平均氣溫上升了1.3 ℃，平均地面溫度提高了2.5 ℃，日照時數(shù)增加了148.9 h。

表1 哈密市1981～2021年氣候因子的變化趨勢

圖1 哈密市1981～2021年氣候因子的年際變化趨勢

M-K趨勢檢驗可以檢驗氣象要素是否發(fā)生突變以及突變發(fā)生的時間。本文采用通過95%的顯著性檢驗方法（信度線U0.05=±1.96），對溫度、降水、日照時數(shù)等氣象要素進(jìn)行突變檢驗。結(jié)果顯示：年平均氣溫突變檢驗中的UF線與UB線于2012年相交（圖2a），年平均地面溫度和年日照時數(shù)的UF線與UB線分別在2003和2009年相交于兩條信度線之間；結(jié)合上述3個氣象要素的滑動t檢驗均通過了顯著性檢驗，說明年平均氣溫、年平均地面溫度和年日照時數(shù)分別在2012、2003和2009年發(fā)生了突變；突變后年平均氣溫上升了0.64 ℃，年平均地面溫度提高了1.60 ℃，年日照時數(shù)增加了168.10 h。在圖2b中，UF線與UB線在α=0.05顯著水平臨界線內(nèi)有多個交點(diǎn)，且對降水量均值的t檢驗未通過顯著性檢驗，說明年降水量在1981～2021年期間未發(fā)生顯著性的突變。

圖2 1981～2021年哈密市氣候因子的M-K檢驗結(jié)果

2.1.2 氣候因子的生長季變化 哈密紅棗在4月份芽開放，9月中下旬果實(shí)成熟，10月初開始落葉，其生長季為4月下旬至10月下旬。從表2可以看出：1981～2021年哈密紅棗生長季內(nèi)月平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫日較差、平均地面（0 cm）溫度和平均地面（5 cm）溫度均呈上升趨勢；而平均相對濕度呈減少趨勢。在氣溫方面，除5月、9月和10月外其他各月平均氣溫的上升趨勢均達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01），4～10月的升溫幅度為0.46～0.89 ℃/10 a。在降水方面，哈密紅棗在生長季前期（4～7月）的降水量呈增加趨勢，尤其是5月份的降水量明顯增多；而在生長后期（8～10月）的降水量呈減少趨勢。在日照時數(shù)方面，除10月份外，其他月份均呈增加趨勢，其中4月份上升極顯著（P＜0.01）。哈密紅棗生長季≥10 ℃的平均積溫為4030 ℃·d；近41年紅棗生長季的積溫明顯增多，增加速率為122.7 ℃·d/10 a（P＜0.01）。M-K趨勢檢驗結(jié)果顯示，≥10 ℃的積溫在2007年發(fā)生了突變，突變后積溫增加了284.3 ℃·d（圖3）。

表2 1981～2021年紅棗生長季各氣候因子的線性傾向率

2.2 紅棗生長發(fā)育期的變化

2.2.1 物候期的變化特征 紅棗全生育期（芽開放期到落葉期）平均為160 d。在1982～2021年期間，1986、1988、1990、1995、1996年的紅棗全生育期分別少于平均值9、11、10、13、12 d；而2005、2009、2013、2016、2017年的紅棗全生育期分別多于平均 值14、12、8、12、11 d；其他年份均接近平均值。

圖3 1981～2021年紅棗生長季≥10 ℃積溫及其M-K檢驗結(jié)果

哈密紅棗的展葉期在4月26日～5月13日之間變化，展葉期平均為5月3日。紅棗的開花期平均為5月26日，最早5月20日，最晚6月2日，在1989（5月23日）、1997（5月20日）、2005（5月20日）、2008（5月20日）、2015（5月20日）、2018（5月20日）、2021年（5月20日）早于平均開花期，其余年份均偏晚。紅棗的成熟期平均為9月6日，變化范圍為8月22日～9月16日，其中在1986（8月25日）、1988（8月22日）、2005（8月22日）、2009（8月24日）、2016（8月27日）、2018年（8月25日）早 于平均成熟期，其余年份接近或晚于平均成熟期。在近40年中，2002、2007年紅棗的各發(fā)育期均晚于平均發(fā)育期，而2021年的各發(fā)育期均早于平均發(fā)育期（圖4）。

圖4 1982～2021年哈密紅棗發(fā)育期的年際變化趨勢

從年際間趨勢分析結(jié)果看，哈密紅棗從芽開放期到果實(shí)成熟期表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢，提前幅度為0.08～0.25 d/a。其中果實(shí)成熟期提前趨勢顯著，芽開放期、展葉期、開花期提前趨勢不顯著；落葉期和全生育期極顯著延長，延長速率分別為0.34、0.46 d/a（表3）。各發(fā)育期的年際間變率在5.2～7.7 d之間，以果實(shí)成熟期和落葉期的年際間變率較大，以開花期的年際間變率最小。此外，展葉期～開花期、開花期～果實(shí)成熟期呈減少趨勢，果實(shí)成熟～葉變色期呈顯著增加趨勢（表4）。

表3 1991～2021年紅棗發(fā)育期的氣候傾向率

表4 1991～2021年紅棗不同階段發(fā)育歷期的氣候傾向率

2.2.2 產(chǎn)量的變化特征 從圖5可以看出，近26年來（1991～2017年），哈密紅棗的實(shí)際單產(chǎn)呈顯著增加趨勢，每年增速為30.86 kg/hm2。用滑動平均方法分離哈密市紅棗的單產(chǎn)資料（圖5），可明顯看到氣候產(chǎn)量的變化較大，說明氣候因子對紅棗產(chǎn)量的影響較大。自20世紀(jì)90年代以來，氣候產(chǎn)量波動明顯，2003年達(dá)到了1228.0 kg/hm2的最高值，2017年又達(dá)到-394.5 kg/hm2的最低值;氣候產(chǎn)量為正值的年份有11年，為負(fù)值的年份有9年，平均值為49.30 kg/hm2，傾向率為73.00 （kg/hm2）/10 a，氣候條件總體上有利于哈密紅棗的生長。

圖5 1991～2017年紅棗產(chǎn)量的年際變化趨勢

2.3 氣候因子對紅棗生長和產(chǎn)量的影響

2.3.1 對紅棗發(fā)育期的影響 從表5可以看出，哈密紅棗發(fā)育期受溫度的影響比較明顯。萌芽期、展葉期、開花期、成熟期與年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫、年氣溫日較差、年平均地面溫度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在氣溫升高的背景下，紅棗生長前期的發(fā)育期會提前。年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫、年≥20 ℃積溫、年平均地面溫度、年日照時數(shù)對落葉期和全生育期存在顯著正影響（P＜0.05），年內(nèi)光熱條件好，紅棗的落葉期和全生育期會延長。

哈密瓜生長季內(nèi)氣象因子對發(fā)育期的影響見表6。萌芽期和展葉期與4月平均氣溫、平均最高氣溫、平均地面溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均相對濕度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。開花期與4～5月平均氣溫、平均最高氣溫、平均地面溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與平均相對濕度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。成熟期與4月和7月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均地面溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與8月平均氣溫、平均最低氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。落葉期、全生育期與4～8月的氣溫呈正相關(guān)，與7月和8月的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均地面溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。紅棗生長季氣溫對各發(fā)育期的影響最顯著，41年來紅棗生長季內(nèi)各月氣溫呈增加趨勢，而萌芽至果實(shí)成熟各發(fā)育期與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，落葉期及全生育期與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系。氣候變暖會促使紅棗萌芽至果實(shí)成熟表現(xiàn)出提前趨勢，落葉期表現(xiàn)出推后趨勢，全生育期將會延長。

表6 紅棗發(fā)育期與生長季內(nèi)氣象因子間的相關(guān)系數(shù)

2.3.2 對紅棗產(chǎn)量的影響 分別統(tǒng)計分析紅棗的氣象產(chǎn)量與紅棗生長季溫度、降水量、日照時數(shù)、積溫間的相關(guān)性， 結(jié)果（表7）表明，6月份的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均地面溫度對紅棗產(chǎn)量有顯著負(fù)面影響。6月份正值紅棗開花期，紅棗在開花坐果期對高溫反應(yīng)敏感，高溫會造成棗花大量脫落，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。6月份的氣溫和地面溫度變化趨勢顯著，這2個要素會引起紅棗氣象產(chǎn)量的波動。紅棗產(chǎn)量與8月份氣溫日較差和日數(shù)時數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.517、0.341。8月份是紅棗果實(shí)膨大的關(guān)鍵時期，光照充足的條件能夠加速糖分的積累，有利于果實(shí)膨大；8月份晝夜溫差大，這有利于果實(shí)有機(jī)質(zhì)的積累。生長季各月降水量與紅棗氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系不顯著。紅棗氣象產(chǎn)量與生長季10 ℃以上積溫間的相關(guān)性未通過顯著性檢驗，說明哈密市的積溫條件完全能夠滿足紅棗生長的需求。但是紅棗的氣象產(chǎn)量與生長季20 ℃以上積溫存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明氣溫過高對哈密紅棗的產(chǎn)量產(chǎn)生了不利影響。

表7 紅棗氣象產(chǎn)量與生長季各月氣象要素間的相關(guān)系數(shù)

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，哈密紅棗種植區(qū)年平均氣溫、生長季平均氣溫及各月平均氣溫等氣溫因子呈上升趨勢，在氣候變暖背景下紅棗萌芽期至脆熟采收期呈提前趨勢，葉變色期和落葉期呈延遲趨勢，其中7、8月的平均氣溫及地面溫度增加顯著，導(dǎo)致果實(shí)成熟期提前趨勢明顯。這與陜北黃土高原紅棗物候期對氣候變化的響應(yīng)［28］有差異，但兩地紅棗的全生育期均呈延長趨勢。

夏季是紅棗果實(shí)形成的關(guān)鍵時期，這一時段的氣象條件也成為影響紅棗產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因子。在本研究中，哈密紅棗的氣象產(chǎn)量與6月的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均地面溫度、35 ℃高溫日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。6月正值紅棗開花期，開花期的適宜溫度為24～26 ℃［29］；而近41年哈密市6月份的最高氣溫平均為37 ℃，6月上旬、中旬、下旬35 ℃以上的高溫日數(shù)平均分別為2.5、3.6、3.8 d，因此，6月份的過高氣溫容易導(dǎo)致落花落果，從而對產(chǎn)量造成不利影響。8月份的日照時數(shù)和氣溫日較差對紅棗的氣象產(chǎn)量具有顯著正效應(yīng)，日照時數(shù)和氣溫日較差的增加對紅棗產(chǎn)量有促進(jìn)作用。這與對哈密瓜等林果的研究結(jié)論［30］一致。紅棗的生育期需要≥10 ℃積溫3300 ℃·d以上［29］。本研究發(fā)現(xiàn)哈密紅棗的氣象產(chǎn)量與10 ℃以上積溫間的相關(guān)性不顯著，但與20 ℃以上積溫呈顯著負(fù)相關(guān)，因此干旱區(qū)紅棗主產(chǎn)地應(yīng)重視氣溫過高對紅棗產(chǎn)量的負(fù)面影響。

當(dāng)冬季極端最低氣溫達(dá)-26～-24 ℃時，3年的幼齡棗樹就會遭受凍害。近41年來，哈密紅棗在休眠期間的冬季極端最低氣溫為-28.9～-16.5 ℃，≤-24 ℃的年份有8年，冬季氣溫呈下降趨勢，這對紅棗幼樹的安全越冬構(gòu)成了潛在威脅，例如2010年1月上旬，哈密地區(qū)出現(xiàn)了罕見的持續(xù)低溫天氣，極端最低氣溫達(dá)-27.2 ℃，致使當(dāng)?shù)氐臈棙淦毡樵馐芰藝?yán)重凍害。除開花期高溫對哈密紅棗的生長和發(fā)育造成了不利影響外，哈密紅棗種植區(qū)氣候資源的變化趨勢對紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響總體上均利大于弊。作為國內(nèi)知名品牌，在哈密紅棗生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)田間科學(xué)管理，以增強(qiáng)應(yīng)對氣候變化、防御災(zāi)害的能力。

本研究主要分析了氣候要素對哈密紅棗生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響，事實(shí)上，各項栽培措施也會在一定程度上影響紅棗的生育全過程。本文在分析紅棗的趨勢產(chǎn)量時未考慮栽培管理措施、品種更新演替等其他條件產(chǎn)生的差異，其影響程度有待于與氣候因子相結(jié)合建立生長模擬模型進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：近41年來，哈密市年平均氣溫、降水量、日照時數(shù)均呈升高趨勢；平均相對濕度和大風(fēng)日數(shù)呈減少趨勢；年平均氣溫和年日照時數(shù)分別在2012年和2009年發(fā)生了突變；紅棗生長季（4～10月）各月的平均氣溫、氣溫日較差、平均地面溫度均呈升高趨勢，而月平均相對濕度呈減少趨勢；果實(shí)成熟前（4月、6月、7月、8月）的平均氣溫和平均地面溫度極顯著升高，而降水量在紅棗生長后期（8～10月）呈減少趨勢。

近40年來，哈密紅棗從萌發(fā)期到脆熟采收期均表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢，葉變色期和落葉期推遲，全生育期延長。紅棗發(fā)育期受氣溫影響明顯，萌芽期至脆熟期的歷期與氣溫呈正相關(guān)；脆熟期后的發(fā)育歷期與氣溫呈負(fù)相關(guān)；全生育期與10 ℃積溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系。平均氣溫和地面溫度升高，萌芽期、開花期、果實(shí)成熟期提前，落葉休眠期推遲，全生育延長。

近26年來，紅棗實(shí)際產(chǎn)量顯著增加；氣候產(chǎn)量年際變化較大，變化趨勢不顯著。開花期的高溫對產(chǎn)量有不利影響。8月的日照時數(shù)和氣溫日較差對紅棗產(chǎn)量有顯著正向影響，6～8月的日照時數(shù)越多，氣溫日較差越大，越有利于紅棗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的形成。