柏秦鳳 王景紅 李化龍 張維敏 郭建平 張 燾 賀晨昕

1)(陜西省農業(yè)遙感與經濟作物氣象服務中心， 西安 710016) 2)(中國氣象科學研究院， 北京 100081) 3)(陜西省渭南市氣象局， 渭南 714000)

引 言

獼猴桃原產于中國，營養(yǎng)價值極高，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，又兼具藥用價值，因而號稱水果之王[1]。中國是獼猴桃人工栽培面積最大的國家[2-3]，且美味系獼猴桃占67%[4]。獼猴桃產業(yè)已經成為其栽培區(qū)支柱型農業(yè)產業(yè)和農民主要收入來源。中國獼猴桃第一、第二大產區(qū)分別位于陜西省秦嶺北麓和河南省伏牛山、桐柏山等地，產業(yè)規(guī)模分別占到全國的40%和20%左右[5]。上述產區(qū)位于我國獼猴桃種植北緣，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有發(fā)生，常給果農造成極大的經濟損失[6-9]。 隨著獼猴桃產業(yè)規(guī)模的繼續(xù)擴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，獼猴桃北緣產區(qū)越冬期凍害將可能更頻發(fā)[4，10-11]。

目前，有關獼猴桃越冬凍害指標的研究尚較薄弱。趙英杰等[12]對20世紀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行對比分析，認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)時間長。黃長社等[13]依據(jù)2002—2015年陜西周至獼猴桃物候觀測資料，結合越冬期最低氣溫(TD)分析認為獼猴桃幼樹和成齡樹越冬期受凍臨界指標分別如下：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年越冬凍害災情資料主要來源于實地調查、專家訪談和文獻查閱等。

氣象資料包括陜西鄠邑、周至、眉縣、長安、武功以及河南桐柏、西峽7個縣1991—2020年越冬期(越冬期指當年11月—次年2月,因此氣象資料實際采用至2021年2月)日最低氣溫、日照時數(shù)、相對濕度。

1.2 方 法

1.2.1 美味系獼猴桃越冬凍害災情樣本序列構建

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區(qū)的歷史越冬凍害災情資料，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個冬季[1，12-17]。通過實地調查和專家訪談對陜西周至、鄠邑、眉縣、長安、武功以及河南桐柏、西峽共7個美味系獼猴桃規(guī)模化栽培縣，在上述年份獼猴桃越冬凍害的具體受災程度和損失進行調查和評估，獲取初步的美味系獼猴桃越冬凍害災情等級、對應受災癥狀和災損信息等。

將周至、眉縣、鄠邑、桐柏4縣所獲災情資料作為分析樣本。首先，結合文獻和調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；其次，采用主成分分析方法構建美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標，并采用K-means聚類分析方法對綜合指標進行分級[18-19]；最后，采用長安、武功、西峽3個縣的災情樣本序列對所構建的美味系獼猴桃越冬凍害指標進行檢驗。秦嶺北麓和伏牛山、桐柏山地區(qū)7個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因子選取

經濟作物遭受凍(寒)害的程度，與低溫持續(xù)時間、低溫強度均有關[20-22]，積寒是考慮低溫持續(xù)時間和強度對經濟作物受凍(寒)害的綜合性因子。本文結合前人對美味系獼猴桃越冬凍害致災氣候條件的總結和分析，選擇日最低氣溫(指示降溫強度)、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)時間)、負積溫(指示降溫劇烈性)、積寒(指示植物總體所遭受的危害量)、日照、平均相對濕度共6項要素，分析其對美味系獼猴桃越冬期凍害的致災作用。

1.2.3 積寒計算方法

積寒指降溫天氣過程中，逐時低于果樹臨界受凍溫度的寒冷量的累積。基于氣溫晝夜變化具有周期性的特點，將單日積寒計算公式離散化，并經過積分變量轉換，則可得到凍害發(fā)生過程中多日內果樹受到積寒總量(X)的近似計算公式[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 致災因子標準化

美味系獼猴桃越冬凍害各項致災因子量綱不同，因此在比較其致災作用時需要對其進行標準化，采用SPSS統(tǒng)計軟件中的Z-score標準化方法對各項因子進行標準化處理。

2 結果分析

2.1 美味系獼猴桃越冬凍害臨界溫度

張清明[1]對統(tǒng)計至今秦嶺北麓最嚴重的一次獼猴桃越冬凍害(1991年冬季)的分析認為，-8.0℃以下低溫持續(xù)時間長是導致獼猴桃嚴重凍害原因之一；黃長社等[13]認為-8.0℃是獼猴桃幼樹或幼枝受凍的臨界溫度。陜西省農業(yè)遙感與經濟作物氣象服務中心基于歷史上7次范圍較大的獼猴桃越冬凍害過程，對美味系獼猴桃產區(qū)進行實地調查和訪問，構建美味系獼猴桃越冬凍害災情樣本序列(表2)。實地調查中，因主要針對獼猴桃歷史災情進行調查，絕大多數(shù)災情個例無法獲取詳細的果樹或枝條受凍率，因而僅以較為敏感的經濟損失信息為依據(jù)，明確輕度災害災損率不高于30%、中度災害災損率高于30%且不高于50%、重度災害災損率高于50%(本文重度災害以平均災損約70%計)統(tǒng)計受災后的損失[23]。

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

由表2可見，4個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及指標

依據(jù)文獻資料、實地調查和專家咨詢，對美味系獼猴桃越冬凍害進行分級，以日最低氣溫(TD)單要素指標，初步將美味系獼猴桃越冬凍害劃分為輕度、中度、重度3級，并歸納總結各級凍害成災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到或接近-15.0℃，是至今對美味系獼猴桃影響范圍最廣、致災程度最重的一次越冬凍害，此次凍害導致秦嶺北麓各栽培縣獼猴桃減產50%～92%，部分果園全園果樹凍死[1]；另據(jù)調查，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2009年冬季陜西省4個獼猴桃主產地越冬期凍害的調查結果顯示：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%。綜合調查咨詢與文獻信息，獲得美味系獼猴桃越冬凍害等級低溫指標及各級對應凍害癥狀表現(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

獼猴桃越冬凍害的致災氣候要素不僅是極端最低氣溫，還包括低溫持續(xù)時間、濕度、日照等條件[1,12,14-15]。鑒于此，本文對所收集的歷史時期美味系獼猴桃越冬凍害案例的致災因子進行逐一統(tǒng)計和分析，篩選出與美味系獼猴桃越冬凍害災損率相關的因子，構建綜合指標并分級。

以周至、眉縣、鄠邑、桐柏4縣所獲災情資料為分析樣本，選擇日最低氣溫(X1)、-8.0℃以下低溫日數(shù)(X2)、-8.0℃以下負積溫的絕對值(X3)、-8.0℃以下有害積寒(X4)、平均日照(X5)、平均相對濕度(X6)共6項要素分析其與美味系獼猴桃越冬凍害災損率(L)的相關關系。分析發(fā)現(xiàn)，X5和X62項因子與L未達到0.01 顯著性水平，而X1～X44項因子與L達到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項致災因子完全不獨立，兩兩之間均呈顯著相關關系，可見4項致災因子的關系符合主成分分析條件，可采取主成分分析方法對其進行主要信息提取和綜合簡化。

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

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

基于SPSS統(tǒng)計軟件中的Z-score標準化功能對美味系獼猴桃越冬凍害4項致災因子X1，X2，X3，X4進行標準化得到標準化后的X1，X2，X3，X4；再對其進行主成分分析，提取累計方差貢獻率達到85%的主成分。主成分分析結果顯示：第1主成分累計方差貢獻率已達89.52%，可充分代表4項因子的主要信息，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平方根得到的各項系數(shù)分別為-0.493，0.482，0.515，0.509，由此構建美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標(Ih)計算公式如下:

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Ih與冬季最低氣溫(X1)呈負相關關系，各栽培縣冬季最低氣溫(X1)越低，Ih越大；綜合指標Ih與其他3項致災因子呈正相關關系，即-8.0℃以下低溫日數(shù)(X2)越長、-8.0℃以下負積溫(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)生的實際情況相符。

2.4 美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標分級

獲取美味系獼猴桃越冬凍害樣本的綜合指標后，需對其進行分級，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，既往學者在有關農作物或經濟作物區(qū)劃指標、災害等級指標劃分方面應用非常廣泛[18,24-25]。本文基于SPSS軟件中的K-means 聚類分析工具，對周至、眉縣、鄠邑、桐柏4個栽培縣28個美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標開展輕度、中度、重度3級分類。以28個樣本的Ih值作為分析變量，L作為標識變量。樣本特點表現(xiàn)為輕度災害居多，中度、重度災情較少，另有兩例無災損個例。依據(jù)樣本特點結合K-means聚類分析原理，設置5個聚類中心進行分類，無災情、中度、重度Ih臨界值各占據(jù)1個類中心值，輕度災情占據(jù)相鄰2個類中心值較低的1個。經過兩次迭代獲得美味系獼猴桃越冬凍害綜合指標Ih劃分的輕度、中度、重度災害指標分別為-2.082.15。

2.5 美味系獼猴桃越冬凍害指標驗證

以陜西省武功、長安，河南省西峽，共3個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個冬季21個獼猴桃越冬(凍害)個例作為檢驗樣本，對美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標和綜合指標進行檢驗(表6)。

表6 武功、長安、西峽7次美味系獼猴桃越冬凍害過程低溫指標、綜合指標與災損率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個災損率為30%的輕度災害個例，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個災損率為50%的中度災害個例：武功縣2015年越冬期凍害，最低氣溫為-14.9℃、綜合指標為1.82；長安區(qū)2002年越冬期凍害，最低氣溫為-15.0℃、綜合指標為1.62；長安區(qū)2020年越冬期凍害，最低氣溫為-13.9℃、綜合指標為1.38。出現(xiàn)3個災損率為70%的重度災害個例：武功縣1991年越冬期凍害，最低氣溫為-17.7℃、綜合指標為2.79；長安區(qū)1991年越冬期凍害，最低氣溫為-17.3℃、綜合指標為2.94；長安區(qū)2015年越冬期凍害，最低氣溫為-17.4℃、綜合指標為2.70。綜上，以低溫指標(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例災情的總體準確率分別約為60%，100%，100%，81%。由此可見，本文所構建的美味系獼猴桃越冬凍害低溫指標和綜合指標基本與實情相符，且綜合指標優(yōu)于低溫指標。

3 結論與討論

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

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(TD)：輕度，-12.0℃

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

3) 以低溫指標和綜合指標劃分的美味系獼猴桃越冬凍害輕度、中度、重度等級與實際災情基本相符，綜合指標優(yōu)于低溫指標；低溫指標可為美味系獼猴桃越冬期凍害監(jiān)測、預警提供參考依據(jù)，但綜合指標在災情等級識別、評估方面更優(yōu)[26]。

有關獼猴桃越冬凍害指標的研究尚比較薄弱，目前多為經驗總結，且大多依據(jù)的是氣象站數(shù)據(jù)。實際已有文獻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氣象災害指標，采用獼猴桃園內小氣候站資料構建指標，或建立獼猴桃園內小氣候站資料與縣氣象站資料之間的關系，對現(xiàn)有指標進行訂正，提高相關指標應用精確度和價值[28-31]。

本研究在獼猴桃越冬凍害低溫指標和綜合指標驗證過程中，均表現(xiàn)為輕度凍害準確率最低，同時也出現(xiàn)多例用最低氣溫劃分為中度凍害的個例實際災損是輕度級別。進一步分析和總結認為，獼猴桃越冬凍害(尤其是輕度越冬凍害)的成災與否、災損程度，與當年獼猴桃掛果量(影響冬季樹體強弱)、進入休眠期時間早晚、營養(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系。因此，下一步研究工作應結合實驗室和大田的對比試驗，對美味系獼猴桃越冬凍害成災機理進行深入研究，并可依據(jù)相關研究成果從果樹養(yǎng)分供給，田間管理等多方面提出切實有效的災害防御措施。