美味系獼猴桃越冬凍害指標(biāo)

柏秦鳳 王景紅 李化龍 張維敏 郭建平 張 燾 賀晨昕

1)(陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心， 西安 710016) 2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院， 北京 100081) 3)(陜西省渭南市氣象局， 渭南 714000)

引 言

獼猴桃原產(chǎn)于中國(guó)，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，含有鈣、鉀、硒等多種微量元素和17種人體需要的氨基酸以及豐富的維生素C、葡萄酸、果糖、檸檬酸等，又兼具藥用價(jià)值，因而號(hào)稱水果之王[1]。中國(guó)是獼猴桃人工栽培面積最大的國(guó)家[2-3]，且美味系獼猴桃占67%[4]。獼猴桃產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為其栽培區(qū)支柱型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民主要收入來源。中國(guó)獼猴桃第一、第二大產(chǎn)區(qū)分別位于陜西省秦嶺北麓和河南省伏牛山、桐柏山等地，產(chǎn)業(yè)規(guī)模分別占到全國(guó)的40%和20%左右[5]。上述產(chǎn)區(qū)位于我國(guó)獼猴桃種植北緣，栽培品種以抗凍性較好的美味系為主；但是獼猴桃越冬凍害時(shí)有發(fā)生，常給果農(nóng)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[6-9]。 隨著獼猴桃產(chǎn)業(yè)規(guī)模的繼續(xù)擴(kuò)張和氣候變化背景下北半球區(qū)域極端低溫事件的多發(fā)趨勢(shì)，獼猴桃北緣產(chǎn)區(qū)越冬期凍害將可能更頻發(fā)[4，10-11]。

目前，有關(guān)獼猴桃越冬凍害指標(biāo)的研究尚較薄弱。趙英杰等[12]對(duì)20世紀(jì)80年代中期秦嶺北麓獼猴桃商業(yè)化種植以來的5次較大獼猴桃越冬凍害進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為造成獼猴桃越冬凍害的氣候原因是空氣濕度高，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。黃長(zhǎng)社等[13]依據(jù)2002—2015年陜西周至獼猴桃物候觀測(cè)資料，結(jié)合越冬期最低氣溫(TD)分析認(rèn)為獼猴桃幼樹和成齡樹越冬期受凍臨界指標(biāo)分別如下：輕度凍害，-10.0℃

1 資料與方法

1.1 資 料

美味系獼猴桃秦嶺北麓和伏牛山、桐柏山種植區(qū)1991—2020年越冬凍害災(zāi)情資料主要來源于實(shí)地調(diào)查、專家訪談和文獻(xiàn)查閱等。

氣象資料包括陜西鄠邑、周至、眉縣、長(zhǎng)安、武功以及河南桐柏、西峽7個(gè)縣1991—2020年越冬期(越冬期指當(dāng)年11月—次年2月,因此氣象資料實(shí)際采用至2021年2月)日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度。

1.2 方 法

1.2.1 美味系獼猴桃越冬凍害災(zāi)情樣本序列構(gòu)建

通過多種方法收集陜西秦嶺以北和河南桐柏、西峽兩大美味系獼猴桃產(chǎn)區(qū)的歷史越冬凍害災(zāi)情資料，主要發(fā)生年份在1991年、2002年、2007年、2009年、2011年、2015年和2020年共7個(gè)冬季[1，12-17]。通過實(shí)地調(diào)查和專家訪談對(duì)陜西周至、鄠邑、眉縣、長(zhǎng)安、武功以及河南桐柏、西峽共7個(gè)美味系獼猴桃規(guī)?；耘嗫h，在上述年份獼猴桃越冬凍害的具體受災(zāi)程度和損失進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估，獲取初步的美味系獼猴桃越冬凍害災(zāi)情等級(jí)、對(duì)應(yīng)受災(zāi)癥狀和災(zāi)損信息等。

將周至、眉縣、鄠邑、桐柏4縣所獲災(zāi)情資料作為分析樣本。首先，結(jié)合文獻(xiàn)和調(diào)查信息確定美味系獼猴桃越冬凍害的受害臨界溫度，以及輕度、中度、重度發(fā)生的臨界指標(biāo)；其次，采用主成分分析方法構(gòu)建美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)，并采用K-means聚類分析方法對(duì)綜合指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)[18-19]；最后，采用長(zhǎng)安、武功、西峽3個(gè)縣的災(zāi)情樣本序列對(duì)所構(gòu)建的美味系獼猴桃越冬凍害指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。秦嶺北麓和伏牛山、桐柏山地區(qū)7個(gè)美味系獼猴桃為主的栽培縣地理信息及越冬期最低氣溫見表1。

表1 美味系獼猴桃主要栽培縣地理氣候概況Table 1 Geography and climate in main cultivation counties of tasty kiwifruit

1.2.2 美味系獼猴桃越冬凍害致災(zāi)因子選取

經(jīng)濟(jì)作物遭受凍(寒)害的程度，與低溫持續(xù)時(shí)間、低溫強(qiáng)度均有關(guān)[20-22]，積寒是考慮低溫持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度對(duì)經(jīng)濟(jì)作物受凍(寒)害的綜合性因子。本文結(jié)合前人對(duì)美味系獼猴桃越冬凍害致災(zāi)氣候條件的總結(jié)和分析，選擇日最低氣溫(指示降溫強(qiáng)度)、低于美味系獼猴桃越冬凍害臨界溫度的日數(shù)(指示低溫持續(xù)時(shí)間)、負(fù)積溫(指示降溫劇烈性)、積寒(指示植物總體所遭受的危害量)、日照、平均相對(duì)濕度共6項(xiàng)要素，分析其對(duì)美味系獼猴桃越冬期凍害的致災(zāi)作用。

1.2.3 積寒計(jì)算方法

積寒指降溫天氣過程中，逐時(shí)低于果樹臨界受凍溫度的寒冷量的累積?；跉鉁貢円棺兓哂兄芷谛缘奶攸c(diǎn)，將單日積寒計(jì)算公式離散化，并經(jīng)過積分變量轉(zhuǎn)換，則可得到凍害發(fā)生過程中多日內(nèi)果樹受到積寒總量(X)的近似計(jì)算公式[20-21]：

(1)

式(1)中，X為過程有害積寒(單位：℃·d)，n為過程持續(xù)日數(shù)(單位：d)，TC為作物受害臨界溫度(單位：℃)，TD為日最低氣溫(單位：℃)，Tm為日平均氣溫(單位：℃)。

1.2.4 致災(zāi)因子標(biāo)準(zhǔn)化

美味系獼猴桃越冬凍害各項(xiàng)致災(zāi)因子量綱不同，因此在比較其致災(zāi)作用時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中的Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)各項(xiàng)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2 結(jié)果分析

2.1 美味系獼猴桃越冬凍害臨界溫度

張清明[1]對(duì)統(tǒng)計(jì)至今秦嶺北麓最嚴(yán)重的一次獼猴桃越冬凍害(1991年冬季)的分析認(rèn)為，-8.0℃以下低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是導(dǎo)致獼猴桃嚴(yán)重凍害原因之一；黃長(zhǎng)社等[13]認(rèn)為-8.0℃是獼猴桃幼樹或幼枝受凍的臨界溫度。陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心基于歷史上7次范圍較大的獼猴桃越冬凍害過程，對(duì)美味系獼猴桃產(chǎn)區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和訪問，構(gòu)建美味系獼猴桃越冬凍害災(zāi)情樣本序列(表2)。實(shí)地調(diào)查中，因主要針對(duì)獼猴桃歷史災(zāi)情進(jìn)行調(diào)查，絕大多數(shù)災(zāi)情個(gè)例無法獲取詳細(xì)的果樹或枝條受凍率，因而僅以較為敏感的經(jīng)濟(jì)損失信息為依據(jù)，明確輕度災(zāi)害災(zāi)損率不高于30%、中度災(zāi)害災(zāi)損率高于30%且不高于50%、重度災(zāi)害災(zāi)損率高于50%(本文重度災(zāi)害以平均災(zāi)損約70%計(jì))統(tǒng)計(jì)受災(zāi)后的損失[23]。

表2 美味系獼猴桃7次越冬凍害最低氣溫與災(zāi)損率調(diào)查表Table 2 Minimum temperatures and damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit

由表2可見，4個(gè)美味系獼猴桃主要栽培縣在7次較大范圍的越冬凍害期間，美味系獼猴桃受凍致災(zāi)的臨界溫度僅有1例在-8.0℃以上，為桐柏縣2011年冬季獼猴桃越冬凍害，其余均在-8.0℃以下，據(jù)此，初步判定-8.0℃是美味系獼猴桃越冬凍害發(fā)生的臨界溫度。

2.2 美味系獼猴桃越冬凍害等級(jí)及指標(biāo)

依據(jù)文獻(xiàn)資料、實(shí)地調(diào)查和專家咨詢，對(duì)美味系獼猴桃越冬凍害進(jìn)行分級(jí)，以日最低氣溫(TD)單要素指標(biāo)，初步將美味系獼猴桃越冬凍害劃分為輕度、中度、重度3級(jí)，并歸納總結(jié)各級(jí)凍害成災(zāi)后美味系獼猴桃表現(xiàn)的受凍癥狀。如1991年冬季的凍害，大部分栽培縣極端最低氣溫達(dá)到或接近-15.0℃，是至今對(duì)美味系獼猴桃影響范圍最廣、致災(zāi)程度最重的一次越冬凍害，此次凍害導(dǎo)致秦嶺北麓各栽培縣獼猴桃減產(chǎn)50%～92%，部分果園全園果樹凍死[1]；另?yè)?jù)調(diào)查，1991年冬季河南桐柏等地美味系獼猴桃大面積凍死，損失同樣極為慘重。安成立等[16]對(duì)2009年冬季陜西省4個(gè)獼猴桃主產(chǎn)地越冬期凍害的調(diào)查結(jié)果顯示：陜西獼猴桃樹平均受凍率為31.3%，隨著樹齡增大受凍率降低，4年成齡樹受凍率約11%。綜合調(diào)查咨詢與文獻(xiàn)信息，獲得美味系獼猴桃越冬凍害等級(jí)低溫指標(biāo)及各級(jí)對(duì)應(yīng)凍害癥狀表現(xiàn)如表3。

表3 美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標(biāo)和癥狀表現(xiàn)Table 3 Low temperature indicators and symptoms of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit

2.3 美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)

獼猴桃越冬凍害的致災(zāi)氣候要素不僅是極端最低氣溫，還包括低溫持續(xù)時(shí)間、濕度、日照等條件[1,12,14-15]。鑒于此，本文對(duì)所收集的歷史時(shí)期美味系獼猴桃越冬凍害案例的致災(zāi)因子進(jìn)行逐一統(tǒng)計(jì)和分析，篩選出與美味系獼猴桃越冬凍害災(zāi)損率相關(guān)的因子，構(gòu)建綜合指標(biāo)并分級(jí)。

以周至、眉縣、鄠邑、桐柏4縣所獲災(zāi)情資料為分析樣本，選擇日最低氣溫(X1)、-8.0℃以下低溫日數(shù)(X2)、-8.0℃以下負(fù)積溫的絕對(duì)值(X3)、-8.0℃以下有害積寒(X4)、平均日照(X5)、平均相對(duì)濕度(X6)共6項(xiàng)要素分析其與美味系獼猴桃越冬凍害災(zāi)損率(L)的相關(guān)關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，X5和X62項(xiàng)因子與L未達(dá)到0.01 顯著性水平，而X1～X44項(xiàng)因子與L達(dá)到0.01 顯著性水平(表4、表5)。

由表5可見，美味系獼猴桃越冬凍害的4項(xiàng)致災(zāi)因子完全不獨(dú)立，兩兩之間均呈顯著相關(guān)關(guān)系，可見4項(xiàng)致災(zāi)因子的關(guān)系符合主成分分析條件，可采取主成分分析方法對(duì)其進(jìn)行主要信息提取和綜合簡(jiǎn)化。

表4 周至、眉縣、鄠邑、桐柏美味系獼猴桃越冬凍害致災(zāi)因子及災(zāi)損率Table 4 Disaster factors and damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit at Zhouzhi,Meixian,Huyi and Tongbai

表5 各致災(zāi)因子及美味系獼猴桃越冬凍害災(zāi)損率的相關(guān)性Table 5 The correlations between the disaster factors and the damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit

基于SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中的Z-score標(biāo)準(zhǔn)化功能對(duì)美味系獼猴桃越冬凍害4項(xiàng)致災(zāi)因子X1，X2，X3，X4進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化得到標(biāo)準(zhǔn)化后的X1，X2，X3，X4；再對(duì)其進(jìn)行主成分分析，提取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的主成分。主成分分析結(jié)果顯示：第1主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)89.52%，可充分代表4項(xiàng)因子的主要信息，所得協(xié)方差矩陣特征值λ=(3.581,0.227,0.147,0.045)；第1主成分荷載向量分別為-0.933，0.913，0.974，0.964；將第1主成分荷載向量除以其特征值的算術(shù)平方根得到的各項(xiàng)系數(shù)分別為-0.493，0.482，0.515，0.509，由此構(gòu)建美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)(Ih)計(jì)算公式如下:

Ih=-0.493×X1+0.482×X2+

0.515×X3+0.509×X4。

(2)

由式2可見，美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)Ih與冬季最低氣溫(X1)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，各栽培縣冬季最低氣溫(X1)越低，Ih越大；綜合指標(biāo)Ih與其他3項(xiàng)致災(zāi)因子呈正相關(guān)關(guān)系，即-8.0℃以下低溫日數(shù)(X2)越長(zhǎng)、-8.0℃以下負(fù)積溫(X3)越多、-8.0℃ 以下有害積寒(X4)值越大，Ih越大，與美味系獼猴桃越冬凍害發(fā)生的實(shí)際情況相符。

2.4 美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)分級(jí)

獲取美味系獼猴桃越冬凍害樣本的綜合指標(biāo)后，需對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，以區(qū)別輕度、中度、重度獼猴桃越冬凍害。K-means聚類分析方法是典型的基于距離的聚類算法，既往學(xué)者在有關(guān)農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)作物區(qū)劃指標(biāo)、災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)劃分方面應(yīng)用非常廣泛[18,24-25]。本文基于SPSS軟件中的K-means 聚類分析工具，對(duì)周至、眉縣、鄠邑、桐柏4個(gè)栽培縣28個(gè)美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)開展輕度、中度、重度3級(jí)分類。以28個(gè)樣本的Ih值作為分析變量，L作為標(biāo)識(shí)變量。樣本特點(diǎn)表現(xiàn)為輕度災(zāi)害居多，中度、重度災(zāi)情較少，另有兩例無災(zāi)損個(gè)例。依據(jù)樣本特點(diǎn)結(jié)合K-means聚類分析原理，設(shè)置5個(gè)聚類中心進(jìn)行分類，無災(zāi)情、中度、重度Ih臨界值各占據(jù)1個(gè)類中心值，輕度災(zāi)情占據(jù)相鄰2個(gè)類中心值較低的1個(gè)。經(jīng)過兩次迭代獲得美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)Ih劃分的輕度、中度、重度災(zāi)害指標(biāo)分別為-2.082.15。

2.5 美味系獼猴桃越冬凍害指標(biāo)驗(yàn)證

以陜西省武功、長(zhǎng)安，河南省西峽，共3個(gè)美味系獼猴桃栽培縣，1991年、2002年、2007年、2009年、2011年、2015年、2020年共7個(gè)冬季21個(gè)獼猴桃越冬(凍害)個(gè)例作為檢驗(yàn)樣本，對(duì)美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標(biāo)和綜合指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)(表6)。

表6 武功、長(zhǎng)安、西峽7次美味系獼猴桃越冬凍害過程低溫指標(biāo)、綜合指標(biāo)與災(zāi)損率Table 6 The low temperature indicators,comprehensive indicators and damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit at Wugong,Changan and Xixia

表6中，武功、長(zhǎng)安、西峽在歷史上7次獼猴桃大范圍越冬凍害過程中，出現(xiàn)10個(gè)災(zāi)損率為30%的輕度災(zāi)害個(gè)例，其中最低氣溫最大值為-8.0℃(西峽，2002年越冬期)、最小值為-13.1℃(武功，2011年越冬期)；綜合指標(biāo)最小為-2.14(西峽，2002年越冬期)、最大為1.34(武功，2020年越冬期)。出現(xiàn)3個(gè)災(zāi)損率為50%的中度災(zāi)害個(gè)例：武功縣2015年越冬期凍害，最低氣溫為-14.9℃、綜合指標(biāo)為1.82；長(zhǎng)安區(qū)2002年越冬期凍害，最低氣溫為-15.0℃、綜合指標(biāo)為1.62；長(zhǎng)安區(qū)2020年越冬期凍害，最低氣溫為-13.9℃、綜合指標(biāo)為1.38。出現(xiàn)3個(gè)災(zāi)損率為70%的重度災(zāi)害個(gè)例：武功縣1991年越冬期凍害，最低氣溫為-17.7℃、綜合指標(biāo)為2.79；長(zhǎng)安區(qū)1991年越冬期凍害，最低氣溫為-17.3℃、綜合指標(biāo)為2.94；長(zhǎng)安區(qū)2015年越冬期凍害，最低氣溫為-17.4℃、綜合指標(biāo)為2.70。綜上，以低溫指標(biāo)(TD):-12.0℃2.15劃分的輕度、中度、重度美味系獼猴桃越冬凍害及21例災(zāi)情的總體準(zhǔn)確率分別約為60%，100%，100%，81%。由此可見，本文所構(gòu)建的美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標(biāo)和綜合指標(biāo)基本與實(shí)情相符，且綜合指標(biāo)優(yōu)于低溫指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

本文基于對(duì)美味系獼猴桃越冬凍害大量歷史災(zāi)情個(gè)例的調(diào)查分析和研究，確定美味系獼猴桃越冬凍害受害臨界溫度。采用歸納總結(jié)方法構(gòu)建美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標(biāo)，基于凍害過程最低氣溫，低于受害臨界溫度的低溫日數(shù)、負(fù)積溫、積寒4項(xiàng)要素，采用主成分分析和K-means聚類分析方法構(gòu)建美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)，得到如下結(jié)論：

1) -8.0℃是美味系獼猴桃越冬凍害發(fā)生的臨界溫度。美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標(biāo)(TD)：輕度，-12.0℃

2) 綜合考慮致使美味系獼猴桃越冬凍害發(fā)生的各項(xiàng)氣象要素，構(gòu)建美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(biāo)(Ih)：輕度，-2.082.15。

3) 以低溫指標(biāo)和綜合指標(biāo)劃分的美味系獼猴桃越冬凍害輕度、中度、重度等級(jí)與實(shí)際災(zāi)情基本相符，綜合指標(biāo)優(yōu)于低溫指標(biāo)；低溫指標(biāo)可為美味系獼猴桃越冬期凍害監(jiān)測(cè)、預(yù)警提供參考依據(jù)，但綜合指標(biāo)在災(zāi)情等級(jí)識(shí)別、評(píng)估方面更優(yōu)[26]。

有關(guān)獼猴桃越冬凍害指標(biāo)的研究尚比較薄弱，目前多為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，且大多依據(jù)的是氣象站數(shù)據(jù)。實(shí)際已有文獻(xiàn)指出獼猴桃果園的溫度與所處縣氣象站的溫度存在差異[12,27]。因而，在下一步的研究中可參考研究較多的蘋果主要?dú)庀鬄?zāi)害指標(biāo)，采用獼猴桃園內(nèi)小氣候站資料構(gòu)建指標(biāo)，或建立獼猴桃園內(nèi)小氣候站資料與縣氣象站資料之間的關(guān)系，對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)進(jìn)行訂正，提高相關(guān)指標(biāo)應(yīng)用精確度和價(jià)值[28-31]。

本研究在獼猴桃越冬凍害低溫指標(biāo)和綜合指標(biāo)驗(yàn)證過程中，均表現(xiàn)為輕度凍害準(zhǔn)確率最低，同時(shí)也出現(xiàn)多例用最低氣溫劃分為中度凍害的個(gè)例實(shí)際災(zāi)損是輕度級(jí)別。進(jìn)一步分析和總結(jié)認(rèn)為，獼猴桃越冬凍害(尤其是輕度越冬凍害)的成災(zāi)與否、災(zāi)損程度，與當(dāng)年獼猴桃掛果量(影響冬季樹體強(qiáng)弱)、進(jìn)入休眠期時(shí)間早晚、營(yíng)養(yǎng)積累是否充足、田間管理模式，是否采取防凍措施等有密切關(guān)系。因此，下一步研究工作應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和大田的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)美味系獼猴桃越冬凍害成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行深入研究，并可依據(jù)相關(guān)研究成果從果樹養(yǎng)分供給，田間管理等多方面提出切實(shí)有效的災(zāi)害防御措施。