岳高峰,馬俊強(qiáng),祁 萍,韓志強(qiáng),李項(xiàng)龍,馬麗婷
(1.甘肅省臨夏州氣象局,甘肅 臨夏 731100;2.甘肅省臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)院,甘肅 臨夏 731100)
甘肅省臨夏州地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶[1],其氣候類型多樣、光照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大,對(duì)于發(fā)展特色林果業(yè)具有突出的天然優(yōu)勢(shì),其獨(dú)特的地理?xiàng)l件和優(yōu)越的氣候特征非常適宜種植花椒。臨夏州種植的花椒品種主要以刺椒、棉椒為主,兼有大紅袍和豆椒等品種,主要分布在沿劉家峽水庫(kù)周圍一帶,其中尤以臨夏縣、積石山縣種植最為集中。與其他樹種相比,花椒具有適應(yīng)氣候能力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、投入少收益高和栽種管理便捷簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而備受廣大農(nóng)戶的青睞?;ń犯浅蔀榱思?jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)保護(hù)功能為一體的理想樹種[2-4]。
花椒(Zanthoxylum bungeanumMaxim.)為蕓香科(Rutaceae)花椒屬(AanthoxylumL.)落葉灌木或小喬木?;ń房缮L(zhǎng)于干旱和半干旱地區(qū),多種植于丘陵、山地和溝壑地區(qū)。花椒具有很高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值,并在我國(guó)多地廣為栽種,尤其以陜西、河北、山東、河南、甘肅、山西等省份為盛?;ń肥且环N重要的食品調(diào)味品,其營(yíng)養(yǎng)豐富,并有很高的醫(yī)用價(jià)值?!侗静菥V目》中記載,花椒有明目、烏發(fā)和固齒作用?;ń纺透珊敌詮?qiáng),但不耐嚴(yán)寒,冬春季的低溫凍害天氣可對(duì)花椒的樹干、枝條、幼芽和花果造成損傷。春季霜凍大多可持續(xù)1~3 d,往往被認(rèn)為是一種短時(shí)間的低溫災(zāi)害[7]。春季出現(xiàn)的低溫霜凍天氣對(duì)處于開花掛果期的花椒危害更為嚴(yán)重,一場(chǎng)強(qiáng)霜凍可造成花椒的嚴(yán)重減產(chǎn)或絕收。植物遭受凍害的實(shí)質(zhì)是當(dāng)氣溫下降至0 ℃以下時(shí),造成植株莖葉器官組織結(jié)冰從而使細(xì)胞失去活性[5-6]。低溫凍害會(huì)對(duì)果樹的坐果率、果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。
IPCC(International Panel on Climate Change)第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)第一工作組報(bào)告指出,2001—2020年全球平均氣溫較工業(yè)化前(1850—1900年)增加了0.99 ℃。全球普遍增溫,氣候正在變暖成為人類必須面對(duì)的事實(shí)。與一百多年前相比,全球氣候系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化,極端氣候事件有增無減,給全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。
在全球氣候變暖背景下,極端氣候事件和氣象災(zāi)害發(fā)生將更加頻繁[8],而由此產(chǎn)生的災(zāi)害損失也會(huì)越來越嚴(yán)重,這將嚴(yán)重威脅到全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[9]。低溫凍害成為了農(nóng)作物和林果產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重減產(chǎn)的重要?dú)庀笠蛩?,春季的低溫凍害?duì)處于開花期的作物帶來的危害更為嚴(yán)重。很多學(xué)者研究了低溫凍害的時(shí)空分布及其發(fā)生規(guī)律,提出了預(yù)防策略和方法。楊桂絨[10]研究認(rèn)為,低溫凍害造成的損害程度與花椒的立地條件、樹齡和品種有很大關(guān)系;低溫凍害發(fā)生時(shí),川道大田種植的花椒樹死亡率明顯高于村莊院落周圍種植的花椒樹。劉麗等[11]研究了甘肅省隴南武都花椒生長(zhǎng)氣象條件和氣候適應(yīng)性,發(fā)現(xiàn)春季低溫霜凍會(huì)造成花椒花器官和幼果受到損害,影響花椒的產(chǎn)量和品質(zhì)。廖要明等[12]對(duì)陜西鳳縣花椒生長(zhǎng)的氣候條件和主要?dú)庀鬄?zāi)害進(jìn)行了分析研究,發(fā)現(xiàn)干旱、低溫冷凍害和連陰雨成為影響花椒產(chǎn)量和品質(zhì)的主要?dú)庀笠蛩亍埥〉龋?3]對(duì)陜西寶雞花椒倒春寒凍害進(jìn)行了調(diào)查分析,認(rèn)為凍害造成的損失程度與花椒品種、樹體、田間管理、地形、坡度和土壤肥力有關(guān)。馮明等[14]通過研究湖北省歷年茶葉低溫凍害情況,計(jì)算出了茶葉主產(chǎn)區(qū)最低溫度遞減率,并利用多年低溫累積值和所受凍害級(jí)別列出了湖北省歷史上6個(gè)茶葉受凍年的排位。吳昊等[15]通過研究馬鈴薯苗期霜凍災(zāi)害,提出了草面溫度可作為馬鈴薯霜凍害評(píng)判的最佳指標(biāo)因子,并建立了以草面最低溫度為主要指標(biāo)因子的預(yù)報(bào)模型。葉佩等[16]利用1963—2018年氣象要素資料,分析了湖北省馬鈴薯苗期凍害時(shí)空分布特征,確立了凍害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并建立相應(yīng)模型,確定了全省馬鈴薯凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。
甘肅省臨夏州花椒種植區(qū)主要分布在沿劉家峽水庫(kù)區(qū)周圍的臨夏縣、積石山縣、永靖縣和東鄉(xiāng)縣等地。劉家峽水庫(kù)區(qū)周圍氣候濕潤(rùn)、光照充足且無霜期長(zhǎng),適宜于花椒種植和生長(zhǎng)。截至2020年底,臨夏州花椒種植面積約5.5萬hm2,年產(chǎn)量達(dá)1.6萬t,年經(jīng)濟(jì)收益約9.6億元。
“光、熱、水”是氣候表達(dá)的三要素。國(guó)際上氣候極端值普遍使用百分位閾值方法來確定[17-18],翟盤茂等[17]以百分位值作為極端值的閾值來定義極端氣候,并對(duì)中國(guó)北方近50年極端氣溫進(jìn)行了分析研究。本文所用數(shù)據(jù)主要來源于2個(gè)方面,春季氣象要素統(tǒng)計(jì)時(shí)段為3—5月,所用氣象數(shù)據(jù)來源于甘肅省臨夏州6個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站觀測(cè)值,并分別統(tǒng)計(jì)了1971—2020年間日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、春季日平均最低氣溫、年春季低溫霜凍出現(xiàn)次數(shù)等要素值;所用的花椒種植產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《臨夏州統(tǒng)計(jì)年鑒》。
本研究通過分析1971—2020年臨夏州日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、春季日平均最低氣溫、春季低溫霜凍出現(xiàn)次數(shù)年際變化和年代際變化,著重研究低溫凍害對(duì)花椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,因春季的低溫凍害對(duì)處于花期的花椒影響最為嚴(yán)重,故對(duì)春季日最低氣溫和低溫霜凍進(jìn)行重點(diǎn)研究。確定低溫氣象指數(shù),使其能夠真實(shí)客觀地反映出低溫凍害對(duì)花椒產(chǎn)量損失的影響。通過采用逐步回歸法建立趨勢(shì)產(chǎn)量擬合方程,進(jìn)一步計(jì)算花椒相對(duì)氣象產(chǎn)量(減產(chǎn)率),建立低溫指數(shù)和花椒產(chǎn)量關(guān)系,進(jìn)而計(jì)算出春季低溫凍害發(fā)生的概率。
由圖1可知,臨夏州近50年的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化傾向率分別為0.349 ℃/10 a、0.487 ℃/10 a、0.329 ℃/10 a,均高于全國(guó)氣溫上升0.1 ℃/10 a的平均水平,且年平均最高氣溫序列變化傾向率最高,增長(zhǎng)幅度最為明顯。臨夏州近50年年平均氣溫處于5.7~8.1 ℃之間,最冷的年份出現(xiàn)在1976年,最熱的年份為2016年。這50年間,20世紀(jì)80年代和90年代的平均氣溫略低于其他年代。綜上,近50年間臨夏州氣候在逐步變暖,氣溫在波動(dòng)升高。
圖1 臨夏州1971—2020年氣溫變化情況
由圖2可知,臨夏州春季日平均最低氣溫也呈波動(dòng)上升趨勢(shì),變化傾向率為0.295 ℃/10 a。近50年最暖的春季出現(xiàn)在1999年,平均氣溫為4.9 ℃;最冷的春季出現(xiàn)在1983年,平均氣溫為1.1 ℃,兩者相差3.8 ℃。由圖3可知,臨夏州春季低溫霜凍次數(shù)呈波動(dòng)減少趨勢(shì),序列變化傾向率為-0.146次/10 a。臨夏州春季平均低溫霜凍出現(xiàn)次數(shù)為4次/年。出現(xiàn)次數(shù)最多的為8次,分別出現(xiàn)在1976和1995年;出現(xiàn)次數(shù)最少的為2次,共有7個(gè)年份出現(xiàn)。綜上,在氣候變暖的大背景下,臨夏州50年間春季日平均最低氣溫在上升,春季低溫霜凍發(fā)生的次數(shù)呈下降趨勢(shì)。
圖2 臨夏州1971—2020年春季日平均最低氣溫變化情況
圖3 臨夏州1971—2020年春季低溫霜凍次數(shù)變化情況
2.3.1 建立花椒趨勢(shì)產(chǎn)量計(jì)量模型 為分析研究低溫凍害對(duì)花椒產(chǎn)量造成的損失,應(yīng)建立低溫凍害與果樹產(chǎn)量損失間的精確計(jì)量模型[19]。花椒的產(chǎn)量和品質(zhì)受多種因素影響,主要包括自然因素和非自然因素:自然因素包括氣象條件和環(huán)境條件;非自然因素包括人工干預(yù)(施肥、噴藥、灌溉等)。自然因素和非自然因素通常直接決定著當(dāng)年作物的總產(chǎn)量。為便于計(jì)算和判斷,本研究將實(shí)際總產(chǎn)量(Y)分解為4個(gè)分量來表示,即:趨勢(shì)產(chǎn)量(Yt)、氣象產(chǎn)量(Yw)、營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)量(Yn)和隨機(jī)產(chǎn)量(ε)。趨勢(shì)產(chǎn)量是作物在理想狀態(tài)下的一種理論產(chǎn)量,主要由當(dāng)前現(xiàn)代化種植技術(shù)水平和成熟度決定;氣象產(chǎn)量是不同年份之間由于不同氣象條件的差別而造成的作物產(chǎn)量偏離正常年份的變量;營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)量是由土壤施肥、墑情和作物田間管理水平等綜合因素來決定;隨機(jī)產(chǎn)量表示影響作物生長(zhǎng)的隨機(jī)波動(dòng)因素,此處忽略不考慮??偖a(chǎn)量與各分量之間的關(guān)系用公式表示為:Y=Yt+Yw+Yn+ε。通過整理臨夏州2001—2020年花椒種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),臨夏州花椒種植面積和產(chǎn)量呈逐年增加趨勢(shì),并在整個(gè)時(shí)間段上沒有突變點(diǎn)。選取臨夏州花椒實(shí)際年產(chǎn)量(Y)和年份序列(Year)及當(dāng)年種植面積(S0)、前1年種植面積(S1)、前2年種植面積(S2)作為變量,用Eviews 8.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,在置信度99%下,系數(shù)介于0.8243~0.9777之間,相關(guān)性顯著。再用逐步回歸法建立趨勢(shì)產(chǎn)量擬合方程:
其中,α、b、ci(i=0,1,2)為方程系數(shù),Year為年份序列基數(shù),Si(i=0,1,2)為前i年花椒種植面積。
以時(shí)間序列模型識(shí)別為基礎(chǔ),通過逐步回歸方法建立趨勢(shì)產(chǎn)量擬合方程模型,以進(jìn)一步確定花椒的趨勢(shì)產(chǎn)量。使用Eviews 8.0軟件進(jìn)行回歸分析并建立趨勢(shì)產(chǎn)量方程:
為了保證模型的嚴(yán)謹(jǐn)性、合理性和可靠性,還需進(jìn)一步對(duì)趨勢(shì)產(chǎn)量擬合方程進(jìn)行有效性和平穩(wěn)性檢驗(yàn)。
2.3.2 趨勢(shì)產(chǎn)量計(jì)量模型檢驗(yàn) 在建立回歸模型中,為了解決變量間的共線性問題,對(duì)解釋變量進(jìn)行逐步篩選非常關(guān)鍵,通常使用的方法有單向篩選法、逐步篩選法、互換變量法和組合法。這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),其中互換變量法在篩選變量時(shí)能夠更加直觀地體現(xiàn)模型的整體效果,使用相對(duì)較多。
在篩選出解釋變量后,為了確保序列的穩(wěn)定性和可靠性,還必須對(duì)擬合方程的解釋變量進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn),即單位根檢驗(yàn)。通常的做法是首先進(jìn)行單整檢驗(yàn),若檢驗(yàn)通過則認(rèn)為參數(shù)符合要求;否則還需考慮進(jìn)行協(xié)整檢驗(yàn)。如果協(xié)整檢驗(yàn)通過,可以直接以此建立回歸模型。單位根檢驗(yàn)方法主要有ADF檢驗(yàn)、PP檢驗(yàn)、NP檢驗(yàn)和ERS檢驗(yàn)方法,最常用的是ADF檢驗(yàn)方法,本文使用此方法進(jìn)行檢驗(yàn)。
通過ADF單位根檢驗(yàn)來判斷變量的平穩(wěn)性是否穩(wěn)定、可靠并達(dá)到要求。本研究變量之間一階、二階差分序列的平穩(wěn)性檢驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。
表1 花椒趨勢(shì)產(chǎn)量ADF檢驗(yàn)結(jié)果
表2 花椒累計(jì)種植面積序列ADF檢驗(yàn)結(jié)果
通過ADF檢驗(yàn),得到花椒趨勢(shì)產(chǎn)量一階差分的t統(tǒng)計(jì)量數(shù)值為-3.25。從表1中可看出,顯著水平1%的臨界值為-2.2543,即t統(tǒng)計(jì)量數(shù)值明顯小于顯著水平為1%的臨界值。而在表2中,顯著水平1%的臨界值為-2.2543,累計(jì)種植面積二階差分的t統(tǒng)計(jì)量值為-3.87,也是小于臨界值。由于兩者均為同一階單整序列,需再考慮對(duì)其進(jìn)行下一步檢驗(yàn),即協(xié)整檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果為:決定系數(shù)為99%,與5%顯著水平的臨界值相比,t統(tǒng)計(jì)量和F統(tǒng)計(jì)量均小于該臨界值,說明檢驗(yàn)結(jié)果顯著。而殘差(E)t統(tǒng)計(jì)量值(-6.32)也小于顯著性水平1%的臨界值,因此認(rèn)為其通過了平穩(wěn)性檢驗(yàn),是穩(wěn)定可信的,即兩者存在著協(xié)整關(guān)系,在此基礎(chǔ)上可以直接建立回歸模型。在給定的5%顯著性水平下,還要考慮對(duì)模型的異方差性進(jìn)行檢驗(yàn),防止和避免出現(xiàn)由于異方差性所造成的模型參數(shù)估計(jì)異常。在進(jìn)一步通過異方差性檢驗(yàn)后,接受原假設(shè),認(rèn)為模型得到參數(shù)估計(jì)是可靠有效的,不存在異方差情況。
本研究利用觀測(cè)數(shù)據(jù)和趨勢(shì)產(chǎn)量方程,將趨勢(shì)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量趨勢(shì)進(jìn)行結(jié)果對(duì)比,趨勢(shì)產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量擬合程度很高。
2.3.3 建立花椒氣象產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型 隨著田間種植和管理水平的逐年提高且趨于常規(guī)穩(wěn)定,花椒產(chǎn)量“大小年”現(xiàn)象并不明顯,因此可忽略營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)量,重點(diǎn)考慮相對(duì)氣象產(chǎn)量,計(jì)算公式為:
經(jīng)統(tǒng)計(jì)臨夏州2001—2020年間花椒春季最低氣溫值和當(dāng)年實(shí)際產(chǎn)量值,兩者存在正相關(guān),即當(dāng)年春季最低氣溫越低,花椒實(shí)際產(chǎn)量也越低,對(duì)應(yīng)相對(duì)氣象產(chǎn)量也越低,而相對(duì)氣象產(chǎn)量又代表著花椒的減產(chǎn)率。在此基礎(chǔ)上建立相對(duì)氣象產(chǎn)量和花椒春季最低氣溫(Tmin)回歸模型:
計(jì)算得R2=0.6251,F(xiàn)=9.98723,回歸方程和參數(shù)都通過了5%水平的顯著性檢驗(yàn)。
2.3.4 低溫凍害氣象指數(shù)確定 用相對(duì)氣象產(chǎn)量和花椒春季最低氣溫回歸模型進(jìn)行計(jì)算,得到花椒春季最低氣溫和相對(duì)氣象產(chǎn)量(即減產(chǎn)率)關(guān)系(表3)。同時(shí),進(jìn)一步計(jì)算和確定花椒凍害氣溫區(qū)間的平均減產(chǎn)率(表4)。將花椒春季低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)從輕到重劃分為5個(gè)等級(jí),在1~5級(jí)低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下花椒的減產(chǎn)率分別為:4.51%、7.29%、10.07%、12.85%、57.12%。
表3 相對(duì)氣象產(chǎn)量和花椒春季最低氣溫對(duì)應(yīng)關(guān)系
表4 花椒低溫凍害減產(chǎn)率
春季低溫凍害是直接影響花椒產(chǎn)量和品質(zhì)的重要?dú)庀笠蛩亍Mㄟ^對(duì)臨夏州2001—2020年間花椒春季最低氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行JB正態(tài)性檢驗(yàn),顯示最低氣溫序列服從數(shù)學(xué)期望值為-1.9301、標(biāo)準(zhǔn)差為0.698947的正態(tài)分布,再依據(jù)正態(tài)分布計(jì)算出花椒春季最低氣溫發(fā)生的概率(表5)。在1~5級(jí)凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下低溫凍害發(fā)生的概率分別為:26.47%、66.94%、6.28%、0.41%、0.02%。
表5 花椒花期最低氣溫發(fā)生概率 %
因甘肅省臨夏州獨(dú)特的地理?xiàng)l件和優(yōu)越的氣候特征非常適宜種植花椒。近年來,臨夏州計(jì)劃在環(huán)劉家峽水庫(kù)周圍一帶的臨夏縣、積石山縣、永靖縣和東鄉(xiāng)縣打造百萬畝級(jí)花椒種植區(qū)。
在全球氣候變暖趨勢(shì)下,臨夏州近50年間的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫也呈增高趨勢(shì),序列變化傾向率分別為0.349 ℃/10 a、0.487 ℃/10 a、0.329 ℃/10 a,均明顯高于全國(guó)平均增長(zhǎng)幅度。臨夏州近50年間的春季日平均最低氣溫也呈波動(dòng)上升趨勢(shì),變化傾向率為0.295 ℃/10a,近50年間春季低溫霜凍發(fā)生頻率呈下降趨勢(shì)。
基于臨夏州歷年花椒種植產(chǎn)量數(shù)據(jù)及春季低溫凍害氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),使用Eviews 8.0軟件對(duì)臨夏州2001—2020年間花椒實(shí)際產(chǎn)量和種植面積的樣本序列進(jìn)行ADF平穩(wěn)性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行多元回歸統(tǒng)計(jì)分析并建立數(shù)學(xué)多元回歸方程模型,計(jì)算出花椒的趨勢(shì)產(chǎn)量和相對(duì)氣象產(chǎn)量,確定低溫凍害氣象指數(shù)因子。將花椒春季低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)從輕到重劃分為5個(gè)等級(jí),在1~5級(jí)低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下花椒的減產(chǎn)率分別為:4.51%、7.29%、10.07%、12.85%、57.12%。在1~5級(jí)凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下低溫凍害發(fā)生的概率分別為:26.47%、66.94%、6.28%、0.41%、0.02%。經(jīng)過2019—2020年在甘肅省臨夏縣蓮花鎮(zhèn)的5個(gè)村共15戶花椒種植戶家中實(shí)地走訪調(diào)查,結(jié)果顯示:與正常年份相比,花椒春季遭受低溫凍害會(huì)造成當(dāng)年花椒產(chǎn)量下降;同時(shí)還會(huì)造成花椒顆粒直徑變小,色澤變暗和口感變差,即春季低溫凍害對(duì)花椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響是對(duì)等同步的。
本文研究方向是低溫凍害對(duì)花椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,就其研究方向而言,還存在著片面性和局限性。影響花椒產(chǎn)量和品質(zhì)的因素是多方面的,低溫凍害并不是唯一因素,還有如干旱、高溫、連陰雨也會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成一定影響,后續(xù)可開展相關(guān)研究。但隨著全球氣候變暖,氣溫上升,會(huì)使我們產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí):氣候變暖導(dǎo)致春季低溫霜凍減少,從而忽視有關(guān)霜凍害與農(nóng)業(yè)相關(guān)性的研究[20]。而近50年臨夏州氣溫?cái)?shù)據(jù)顯示氣候確實(shí)在變暖,春季低溫霜凍發(fā)生次數(shù)呈下降趨勢(shì),但作物及果樹所遭受的損失并沒有下降,反而有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這說明加強(qiáng)春季低溫、寒潮、霜凍凍害對(duì)作物、果樹的影響等方面的研究很有必要,還需進(jìn)一步重視和強(qiáng)化。
江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2022年11期