長(zhǎng)白山人參越冬期氣候環(huán)境特征研究

袁福香 高 巖，3 穆 佳 劉 偉

（1.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長(zhǎng)春 130062；2.吉林省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防控科技創(chuàng)新中心，吉林長(zhǎng)春 130062；3.長(zhǎng)白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130062）

1 引言

人參為多年生宿根草本植物， 被世界科學(xué)界公認(rèn)為是具有特殊功效的名貴藥材。 有文獻(xiàn)記載的臨床應(yīng)用就長(zhǎng)達(dá)2 000 多年歷史[1]。 我國(guó)是人參的起源地，野生人參主要分布在中國(guó)東北地區(qū)、朝鮮半島等地[1]，目前中國(guó)東北長(zhǎng)白山脈的中山低山丘陵區(qū)是聞名世界的人參主產(chǎn)區(qū)。 由于人參重茬問(wèn)題沒(méi)有徹底解決， 目前種植區(qū)已向南擴(kuò)散至遼寧寬甸一帶， 向北擴(kuò)散至牡丹江甚至是小興安嶺一帶。 當(dāng)前所指長(zhǎng)白山人參一般包括本地人參和西洋參兩個(gè)品種， 本地人參是長(zhǎng)白山區(qū)原生的本地人參品種， 西洋參是由美洲引入在長(zhǎng)白山區(qū)多年種植的品種[2-3]。受氣候變化影響，各種氣象災(zāi)害尤其是凍害對(duì)人參種植業(yè)的影響加大， 給人參種植戶造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失。 2018 年冬季，靖宇隆冬季節(jié)幾乎未出現(xiàn)降雪天氣，地面無(wú)積雪覆蓋，人參發(fā)生凍害，西洋參凍害更為嚴(yán)重。 2020 年初冬出現(xiàn)罕見(jiàn)的暴雨天氣，降水過(guò)后猛烈降溫，通化縣等多地人參凍害較重。 長(zhǎng)白山區(qū)人參越冬凍害嚴(yán)重威脅人參生產(chǎn)， 尤其是外來(lái)引進(jìn)的西洋參抗凍能力較弱[3]，極易發(fā)生越冬凍害。

關(guān)于人參的研究多集中在其藥效[4-5]及其生長(zhǎng)生理生態(tài)[6-8]方面，且主要研究時(shí)段是人參生長(zhǎng)季[9-10]。 關(guān)于人參越冬期氣象條件研究，王剛等[11]、李繼寶等[12]、黃瑞賢等[13]、袁福香等[14]分析了個(gè)別典型災(zāi)害年份冬季的氣候特點(diǎn)。防范人參凍害，首先應(yīng)該了解人參越冬期常年氣候特征及其土壤環(huán)境特征，掌握人參凍害發(fā)生機(jī)理。 因此，本文詳細(xì)分析了長(zhǎng)白山人參越冬環(huán)境的平均氣候特征、越冬期土壤溫度特征及其變化規(guī)律， 以期為有效防御人參越冬期凍害奠定理論基礎(chǔ)。

2 資料來(lái)源與計(jì)算方法

2.1 研究區(qū)概況

我國(guó)人參主要分布在長(zhǎng)白山脈及小興安嶺東南部，主要集中在長(zhǎng)白山中段[15]，其中集安、通化、撫松、長(zhǎng)白和敦化是我國(guó)人參主要產(chǎn)區(qū)，也是當(dāng)前人參核心種植區(qū)。綜合考慮種植區(qū)產(chǎn)量、地理位置及氣候因子的代表性，本文選取集安、通化、撫松和敦化作為代表站點(diǎn)分析長(zhǎng)白山人參越冬期環(huán)境特征。集安位于長(zhǎng)白山脈南部；通化地處長(zhǎng)白山主峰西南部；撫松位于長(zhǎng)白山腹地，主峰西麓，松花江上游，是野生人參的重要生長(zhǎng)地；敦化位于長(zhǎng)白山主峰西北麓。

2.2 研究資料

代表站逐日氣象資料來(lái)源于吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心。最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量和日照資料年限： 集安1954—2021 年， 通化1975—2021 年，撫松1957—2021 年，敦化1953—2021 年。5 cm 地溫資料年限為2005—2021 年。積雪深度和積雪覆蓋時(shí)長(zhǎng)資料年限為2012—2021年。 凍土資料年限為1961—2021 年。

2.3 長(zhǎng)白山人參越冬期的確定

人參是多年生草本植物， 從播種到收獲一般至少要經(jīng)歷4 年以上，野生人參甚至可達(dá)百年。人參越冬期指的是深秋人參地上植株枯萎死亡后至翌年春季發(fā)芽前，地下根莖越冬休眠期。由于長(zhǎng)白山區(qū)位于中高緯度高海拔區(qū)域，一般進(jìn)入11 月氣溫已經(jīng)下降到0 ℃以下， 土壤開(kāi)始結(jié)冰， 進(jìn)入冬季；3 月氣溫已經(jīng)回升， 但地面尚多處于凍結(jié)狀態(tài)，一些春季溫暖的年份，至3 月末個(gè)別站土壤會(huì)化通，但自然植被尚未復(fù)蘇生長(zhǎng)。因此本文確定長(zhǎng)白山人參越冬期為11 月1 日至翌年3 月31 日。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)各代表站逐年越冬期的氣候特征， 包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、最大積雪深度和積雪覆蓋時(shí)長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)各代表站逐年越冬期的土壤環(huán)境特征， 包括最大凍土深度及出現(xiàn)時(shí)間、結(jié)凍時(shí)間和化通時(shí)間，以及地溫等。各氣象要素利用Excel 2016 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果分析

3.1 人參越冬期氣候特征

3.1.1 氣溫

越冬期氣溫是影響凍土深度和人參越冬所在土壤層溫度的重要因素。 長(zhǎng)白山區(qū)冬季較長(zhǎng)，尤其是高海拔地區(qū)，人參在氣溫降到12 ℃時(shí)萎蔫落葉[16]；在氣溫穩(wěn)定降至0 ℃以下，正式開(kāi)始越冬。長(zhǎng)白山區(qū)各地氣溫差異較大（圖1）。 人參越冬期平均氣溫多在-10.3～-6.1 ℃，集安較高，為-6.1 ℃；敦化較低，為-10.3 ℃。 越冬期平均氣溫歷史最高值為-3.5 ℃，出現(xiàn)在1997 年的集安；歷史最低值為-15.2 ℃，出現(xiàn)在1956 年的敦化。各站歷年越冬期平均氣溫均呈上升趨勢(shì)， 集安平均氣溫增速最大（0.504 ℃/10 a），通化增速相對(duì)較小（0.203 ℃/10 a）， 盡管不同站點(diǎn)增溫速度有所不同，但都呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)，反映了長(zhǎng)白山人參種植區(qū)越冬期氣候呈增暖趨勢(shì)。

圖1 長(zhǎng)白山人參核心種植區(qū)越冬期平均氣溫變化

人參越冬期平均最高氣溫反映了人參越冬期間白天的冷暖程度。 集安較高（0.5 ℃），敦化較低（-3.7 ℃）。 越冬期平均最高氣溫歷年最高值為3.0 ℃，出現(xiàn)在1997 年的集安；最低值為-7.4 ℃，出現(xiàn)在1956 年的敦化。研究時(shí)段內(nèi)各站人參越冬期平均最高氣溫均呈上升趨勢(shì)， 敦化上升趨勢(shì)較為明顯， 為0.489 ℃/10 a； 撫松上升幅度相對(duì)較小，為0.202 ℃/10 a。

平均最低氣溫是人參越冬期間夜間氣溫冷暖的反映，集安較高（-11.3 ℃），敦化較低（-16.1 ℃）。人參越冬期平均最低氣溫歷年最高值為-8.2 ℃，出現(xiàn)在1989 年的集安；最低值為-21.7 ℃，出現(xiàn)在1956 年的敦化。 長(zhǎng)白山區(qū)極端最低氣溫南部高北部低，集安多數(shù)年份在-30 ℃以上，其他站多數(shù)年份在-30 ℃左右或以下。 極端最低氣溫極值為-42.3 ℃，出現(xiàn)在2001 年的通化。 平均最低氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)， 上升幅度敦化最大，為0.695 ℃/10 a；通化最小，為0.107 ℃/10 a。

3.1.2 降水量

人參越冬期降水量決定積雪覆蓋厚度和越冬期積雪覆蓋時(shí)長(zhǎng)。分析有氣象記錄以來(lái)至2020 年越冬期降水量：撫松縣位于長(zhǎng)白山腹地，距離長(zhǎng)白山主峰較近，人參越冬期平均降水量明顯偏多，達(dá)146.8 mm；敦化較少，為49.4 mm；集安、通化的降水量介于兩地之間。 人參越冬期最大降水量為276.4 mm，2009 年出現(xiàn)在撫松； 最小降水量?jī)H為14.5 mm，1973 年出現(xiàn)在敦化。 各地降水量年際變化較大，總體呈略增多趨勢(shì)（圖2）。

圖2 長(zhǎng)白山人參核心種植區(qū)越冬期降水量變化

3.1.3 日照時(shí)數(shù)

長(zhǎng)白山人參越冬期平均日照時(shí)數(shù)多在840～895 h，最大值為1 241.6 h，2019 年出現(xiàn)在撫松；最小值為1 050.6 h，1983 年出現(xiàn)在通化。長(zhǎng)白山人參越冬期日照時(shí)數(shù)年際變化較大， 總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中通化減少趨勢(shì)最為明顯。以敦化為例：1981年以前越冬期日照時(shí)數(shù)多在900 h 以上；1982 年之后，日照時(shí)數(shù)明顯變少，多在860 h 以下。

3.1.4 積雪深度和積雪覆蓋時(shí)長(zhǎng)

積雪深度和積雪覆蓋時(shí)長(zhǎng)對(duì)人參安全越冬具有重要影響。地面有積雪覆蓋，土壤溫度受到外界空氣溫度的影響就會(huì)較小， 積雪越深保溫效果越好；積雪覆蓋時(shí)間越長(zhǎng)，土壤溫度越穩(wěn)定，越有利于人參安全越冬。

初冬由于氣溫冷暖變化較為劇烈， 降雪多不能在地面保存便融化，隨著氣溫下降至0 ℃以下，降雪在地面存留。積雪深度和積雪在地面的留存時(shí)間主要與降雪量大小和降雪頻率有關(guān)。剛剛降雪后積雪較深， 然后逐步融化或升華而變淺，直至地面無(wú)積雪覆蓋，最大積雪深度是整個(gè)人參越冬期積雪深度的最大值。 2012—2020 年各觀測(cè)站越冬期積雪情況如表1 所示，最大積雪深度為52 cm， 出現(xiàn)在撫松； 敦化最大積雪深度最淺，為27 cm。 最長(zhǎng)積雪覆蓋時(shí)間是135 d，出現(xiàn)在撫松，整個(gè)越冬期基本都存在積雪； 最短積雪覆蓋時(shí)間出現(xiàn)在集安，最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間為110 d。 無(wú)論最大積雪深度還是積雪覆蓋時(shí)間，不同地方、不同年份差異都比較大。

表1 極端最大積雪深度及極端最長(zhǎng)積雪覆蓋時(shí)間

3.2 人參越冬期土壤環(huán)境特征

3.2.1 最大凍土深度

入冬氣溫降至0 ℃以下后， 土壤由地表逐步向下開(kāi)始凍結(jié)，隨著氣溫降低，凍土層越來(lái)越厚，逐漸達(dá)到一年中最大的凍土深度； 之后受氣溫回升影響，凍土開(kāi)始融化，凍土層逐漸變薄，直至全部化通。 受氣候波動(dòng)影響，每年結(jié)凍時(shí)間、最大凍土深度和凍土完全化通時(shí)間各不相同， 不同區(qū)域也各不相同。通過(guò)分析，敦化平均最大凍土深度最深，達(dá)145.8 cm；撫松最淺，僅為66.1 cm（表2）。長(zhǎng)白山區(qū)凍土深度的歷史極大值為184 cm，1984年3 月底出現(xiàn)在敦化； 歷史極小值僅為13 cm，1994 年3 月上旬出現(xiàn)在撫松。 各地凍土達(dá)最深值的平均時(shí)間亦不相同， 集安最早，2 月19 日凍土達(dá)最深；敦化最晚，3 月19 日達(dá)到最大凍土深度。各地平均結(jié)凍時(shí)間敦化最早，為10 月14 日；集安最晚， 為11 月16 日。 土壤平均化通時(shí)間集安最早， 為4 月7 日； 敦化最晚，5 月24 日才完全化通。 歷史最早化通時(shí)間出現(xiàn)在集安，1961 年3 月18 日就完全化通； 最晚化通時(shí)間為6 月22 日，1969 年出現(xiàn)在敦化。 各地土壤平均封凍期（從初冬土壤開(kāi)始結(jié)凍至春季土壤完全化通的天數(shù)）敦化最長(zhǎng)，達(dá)221 d；集安最短，僅為143 d。

表2 長(zhǎng)白山區(qū)土壤結(jié)凍及化凍情況

3.2.2 地溫

人參是多年生宿根草本植物， 人參蘆頭一般位于土壤5～10 cm 深處， 蘆頭于來(lái)年春天發(fā)芽長(zhǎng)出莖葉，人參根的主體一般位于土壤10～20 cm 深處。因此，越冬期5～20 cm 土壤溫度是決定人參能否安全越冬的關(guān)鍵。地溫與氣溫有明顯相關(guān)性，越冬期從地面向地下溫度逐漸升高， 土層越深溫度相對(duì)越穩(wěn)定。土壤溫度還與積雪覆蓋有關(guān)，積雪覆蓋深的區(qū)域或年份，地溫相對(duì)偏高。一般情況下越冬期極端最低氣溫多出現(xiàn)在12 月下旬—1 月下旬，以1 月中旬出現(xiàn)低溫的頻率最高，在一年中最低氣溫出現(xiàn)的過(guò)程中，地溫也相應(yīng)降低，人參越冬期5 cm 深的土壤溫度多在-13～0 ℃，越深土壤溫度越高。 人參越冬期最冷時(shí)段（12 月10 日—2 月10 日）5 cm 地溫多在-13～-1 ℃，10 cm 地溫多在-12～-1 ℃，15 cm 地溫多在-11～-1 ℃，20 cm 地溫多在-10～0 ℃。

不同深度土壤極端最低溫度表現(xiàn)為土壤越深溫度越高 （表3），5 cm 土壤極端最低溫度多在-17.1～-12.4 ℃， 不同區(qū)域表現(xiàn)為撫松較高，敦化較低，10～20 cm 地溫有相同的分布規(guī)律。

表3 長(zhǎng)白山各地人參越冬期不同土壤深度極端最低溫度

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 從長(zhǎng)白山人參越冬環(huán)境氣候特征分析可知，氣候條件和人參越冬層土壤環(huán)境差異很大，越冬期平均氣溫在-10.3～-6.1 ℃，平均極端最低氣溫在-33.2～-27.5 ℃。 人參越冬層土壤最冷時(shí)段5 cm地溫多在-13～-1 ℃，5 cm 土壤極端最低溫度多在-17.1～-12.4 ℃， 極端最低地溫比氣溫高15 ℃以上，10 cm 及20 cm 土壤高的更多。

（2） 影響人參越冬的另一個(gè)重要因素是降雪量，越冬期降雪量越大，積雪越厚，覆蓋時(shí)間越長(zhǎng)，土壤溫度就越高，人參凍害發(fā)生的可能性就越小。造成人參越冬凍害的因素是越冬層土壤溫度是否能保障人參安全越冬。冬季氣溫低是常態(tài)，降雪多且分布均勻或做好覆蓋防寒可以使土壤保溫使越冬人參免受凍害， 若未防寒覆蓋或防寒效果不好又遭遇降雪量偏少或降雪時(shí)空分布不均就易導(dǎo)致越冬凍害發(fā)生。

（3）日照對(duì)人參越冬雖無(wú)直接影響，但日照時(shí)數(shù)多可使積雪融化或升華造成積雪厚度變淺，對(duì)人參越冬有間接影響。不同品種（人參和西洋參及細(xì)分品種） 不同參齡抗凍能力不同， 不同土壤濕度、低溫持續(xù)時(shí)間、低溫出現(xiàn)的時(shí)段都對(duì)人參是否發(fā)生凍害和凍害發(fā)生的程度都不相同， 需通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)一步深入研究。

（4）長(zhǎng)白山溝壑縱橫，小氣候條件明顯，長(zhǎng)白山南北跨度較大， 本文僅用4 個(gè)站點(diǎn)的資料進(jìn)行分析， 雖在一定程度上可代表長(zhǎng)白山人參區(qū)氣候特征，但會(huì)有極端的氣候事件出現(xiàn)，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。