吳 昊，邵明陽，沈福生，段沙麗

(1.九江市氣象局，江西 九江 332000；2.九江市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 九江 332000)

油菜是江西省的第一大油料作物，占全省油料播種面積的70%、總產(chǎn)的55%。油菜全生育期長，歷經(jīng)秋、冬、春3個季節(jié)，潛在氣象災(zāi)害的種類多、風險高，以冬春季低溫凍害更為突出。

油菜苗期低溫凍害是指氣溫降至-3～-5 ℃時，葉片開始受凍，-7～-8 ℃受害較重，如伴有大風出現(xiàn)，凍害更加嚴重[1-7]。氣溫降至-10 ℃且持續(xù)時間較長時，會造成心葉受凍以致全株死亡[3]。油菜抽薹后抗寒性下降，0 ℃以下低溫蕾薹即受凍[4-7]。油菜開花期氣溫驟降至5 ℃時油菜即停止開花，0 ℃以下的低溫時油菜開始受凍，當氣溫下降到-2 ℃以下則對油菜開花影響很大，分段結(jié)實或花而不實，結(jié)實率顯著減少，甚至整個花序、花蕾枯萎脫落[1-7]。當氣溫<5 ℃且風輕云淡時，夜間至清晨易發(fā)生霜凍[8]，油菜蕾薹及花器會發(fā)生凍害[9]。何永梅[10]研究表明：甘藍型油菜各部分越冬期最低致死溫度分別為髓部-8.8 ℃、莖部輸導(dǎo)組織-11.4 ℃、油菜根頸致死溫度為-9.9 ℃。董芹等[2]結(jié)合低溫持續(xù)時間，對凍害等級進行了劃分：苗期低溫凍害，日最低氣溫≤-5 ℃持續(xù)1～2 d為輕度，持續(xù)3 d為中度，持續(xù)>3 d為重度；開花期低溫凍害，日最低氣溫在0 ℃左右持續(xù)1 d為輕度，持續(xù)2～3 d為中度，持續(xù)>3 d為重度。

江西省1959～2019年最低氣溫≤-3.0 ℃的低溫日，最早出現(xiàn)在11月19日(1979年)，最晚出現(xiàn)在3月11日(2010年)；最低氣溫<0 ℃的低溫日，最晚出現(xiàn)在4月5日。可見，當?shù)赜筒说蜏貎龊Φ臐撛跁r間為11月至翌年4月，季節(jié)跨度大。

在全球氣候變化背景下，低溫凍害表現(xiàn)出突發(fā)性和極端性的特征。繼1991年底的罕見低溫冰雪與2008年初南方數(shù)省持續(xù)凍雨之后，2015年冬季以來，贛北及贛中部分地區(qū)均出現(xiàn)了多次較明顯的冰雪或強寒潮天氣，局部地區(qū)極端最低氣溫達-10 ℃左右。不僅如此，倒春寒與晚霜凍天氣也時有出現(xiàn)，給油菜安全越冬與正?，F(xiàn)蕾、抽薹、開花造成不利影響。張學(xué)昆等[11]對江西省九江縣(現(xiàn)柴桑區(qū))、德安縣、分宜縣、袁州區(qū)等地區(qū)的油菜調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2008年持續(xù)凝凍天氣，80%的油菜受到輕度凍害(1～2級)，中度凍害比例為9%。

本研究以江西油菜單產(chǎn)與油菜苗期至花期低溫凍害為研究對象，在分析研究低溫凍害強度與油菜產(chǎn)量相關(guān)性的基礎(chǔ)上，開展油菜低溫凍害發(fā)生變化的特征分析，為科學(xué)防御油菜低溫凍害提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源與處理

油菜產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于江西省、市、縣的統(tǒng)計年鑒；氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心(CIMISS)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口，時間序列為1959年秋～2019年春，代表站為1959年以來有連續(xù)氣象觀測的83個地面氣象臺站(不含高山站)。油菜發(fā)育期觀測資料來源于江西省內(nèi)國家農(nóng)業(yè)氣象一級站：湖口、瑞昌、婺源、余干、南昌縣、泰和、宜豐、蓮花等。數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制檢驗。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象產(chǎn)量 氣象因素是影響作物產(chǎn)量年際波動的主要因子[12]。在農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預(yù)報業(yè)務(wù)中，為了建立氣象因子與作物產(chǎn)量的關(guān)系模型，一般將作物產(chǎn)量分解為趨勢產(chǎn)量(yt)、氣象產(chǎn)量(yw)和隨機產(chǎn)量(△y)3個部分[12-13]，具體見公式(1)。

y=yt+yw+△y

(1)

式(1)中，y為實際產(chǎn)量，yt為趨勢產(chǎn)量(即受農(nóng)技措施、社會發(fā)展水平所決定)，yw為氣象產(chǎn)量(即受氣象因素所決定)，△y為隨機產(chǎn)量(一般忽略不計，僅在特殊年份用于修正估計)。以前5年產(chǎn)量的滑動平均值作為某年的趨勢產(chǎn)量。

1.2.2 低溫凍害統(tǒng)計方法 表1列出了近10 a江西8個國家農(nóng)業(yè)氣象一級站，油菜現(xiàn)蕾普遍期(即50%的植株開始現(xiàn)蕾)的觀測日期。由表1可以看出，多數(shù)年份當?shù)赜筒爽F(xiàn)蕾普遍期出現(xiàn)在1月底至2月初(8個觀測站10 a的平均日期為1月27日)。

表1 2011～2020年油菜現(xiàn)蕾普遍期 月/日

油菜凍害影響程度，與低溫強度、持續(xù)時間、影響范圍、油菜的生育進程均有關(guān)。為了更好地揭示低溫凍害的影響，本研究將冬季劃分為2個階段，即：前冬(入冬至1月31日，下同)，此期油菜以營養(yǎng)生長為主；后冬(2月1日開始，下同)，此期油菜生殖生長逐漸明顯，抗寒能力下降。

為更加精細地揭示低溫凍害強度與油菜產(chǎn)量的關(guān)系，將低溫劃分出以下閾值區(qū)間，即：前冬-3.0～-4.9 ℃、-5.0～-6.9 ℃、≤-7 ℃，后冬-0.1～-2.9 ℃、-3.0～-4.9 ℃、≤-5 ℃，分別統(tǒng)計全省各觀測站每年達到標準的天數(shù)，以此表示全省不同低溫強度油菜凍害的發(fā)生程度(單位：站·d)。

1.2.3 相關(guān)分析與模型 運用逐步回歸方法，分析各區(qū)間的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量的相關(guān)性，提取油菜產(chǎn)量形成的敏感低溫閾值，建立低溫與油菜氣象產(chǎn)量關(guān)系模型。

1.2.4 趨勢特征分析 采用線性回歸方法，分析全省油菜低溫凍害年分布線性趨勢特征，相關(guān)系數(shù)的顯著水平P稱為“氣候傾向顯著水平”，擬合線斜率b稱為“趨勢傾向率”[14]；采用小波方法，分析其周期性趨勢特征[15-17]；采用Mann-Kendall檢驗方法，分析其突變性特征[17-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)性

表2按照相同的時間段、不同的低溫閾值，表3按照相同的低溫閾值、不同的時段，分別列出了全省低溫凍害的發(fā)生年次、概率及其與油菜氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)與顯著水平。

表3 近60 a相同低溫閾值在不同時段發(fā)生情況及其與油菜氣象產(chǎn)量的相關(guān)性比較

由表2可以看出，在前冬≤-3 ℃、后冬<0 ℃的日最低氣溫站日數(shù)，均與油菜氣象產(chǎn)量呈負相關(guān)。其中，在前冬，日最低氣溫≤-5 ℃的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量呈較接近但未達到顯著的負相關(guān)；而-5 ℃<日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量呈負相關(guān)，但顯著水平較低；在后冬，日最低氣溫在-3.0 ℃以下的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量呈顯著的負相關(guān)，-3 ℃<日最低氣溫<0 ℃的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量呈負相關(guān)，但負相關(guān)水平卻不夠顯著。

表2 近60 a相同時段不同低溫閾值發(fā)生情況及其與油菜氣象產(chǎn)量的相關(guān)性比較

由表3可知，就整個低溫凍害風險期(11月～翌年3月)而言，無論是日最低氣溫≤-7 ℃的站日數(shù)，還是≤-5 ℃或≤-3 ℃的站日數(shù)，與油菜氣象產(chǎn)量均呈顯著負相關(guān)。但在分階段，其負相關(guān)顯著水平則存在偏低的現(xiàn)象。

2.2 關(guān)系模型

基于上述分析，運用逐步回歸方法，得到如下油菜氣象產(chǎn)量的關(guān)系模型。

模型Ⅰ：ymet=71.0-0.20x

(1)

式(1)中，ymet為氣象產(chǎn)量，x為2～3月全省日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)(圖1)。模型的相關(guān)系數(shù)為0.266，顯著水平P值為0.040，F(xiàn)值為4.42，剩余標準差為64.78。

圖1 后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量的關(guān)系

模型Ⅱ：ymet=74.4-0.42x1-0.18x2

(2)

式(2)中，ymet為氣象產(chǎn)量，x1為11月～翌年1月全省日極端最低氣溫≤-7 ℃的站日數(shù)(圖2)，x2為2～3月全省日極端最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)(圖1)。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)的0.301，顯著水平P值為0.066，F(xiàn)值為2.85，剩余標準差為64.64。

圖2 前冬日最低氣溫≤-7 ℃的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量的關(guān)系

模型Ⅲ：ymet=73.7-0.19x

(3)

式(3)中，ymet為氣象產(chǎn)量，x為11月～翌年3月全省日最低氣溫≤-5 ℃的站日數(shù)(圖3)。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)的0.256，顯著水平P值為0.049，F(xiàn)值為4.05，剩余標準差為64.97。

圖3 日最低氣溫≤-5 ℃的站日數(shù)與油菜氣象產(chǎn)量的關(guān)系

2.3 低溫凍害發(fā)生特征

基于上述研究結(jié)果，以下重點分析前冬(1月31日前，下同)日最低氣溫≤-5 ℃站日數(shù)與后冬至早春階段(2月1日后，下同)日最低氣溫≤-3 ℃站日數(shù)的時間分布特征。前冬日最低氣溫≤-5 ℃站日數(shù)，近60 a全省平均為59.2站·d，發(fā)生概率為0.85，以1962～1963年的384站·d為最多。此期間未出現(xiàn)≤-5 ℃的低溫年份有9 a，分別是1963～1964、1974～1975、1989～1990、1990～1991、1994～1995、2000～2001、2009～2010、2016～2017、2018～2019。

后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)，近60 a全省平均為52.7站·d，以1972年的366站·d為最多，有7 a未出現(xiàn)≤-3 ℃的低溫，分別是1972～1973、1981～1982、1982～1983、1993～1994、2001～2002、2008～2009、2018～2019。

2.3.1 年線性變化趨勢 回歸分析結(jié)果表明，近60 a來，前冬日最低氣溫≤-5 ℃(圖4-A)和后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)(圖4-B)均呈極顯著的線性遞減趨勢，達到極顯著水平(P<0.01)。

圖4 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年變化線性分析

2.3.2 年代際分布 由表4可知，1960年代以來，前冬≤-5 ℃的低溫凍害站日數(shù)總體呈減少趨勢，特別是1980年代顯著減少，1990年代有小幅上升；后冬≤-3 ℃的低溫凍害站日數(shù)在1970年代出現(xiàn)最大值，至1980年代同樣出現(xiàn)大幅度的減少，隨后維持偏少發(fā)生的水平，2010年代較2000年代增多近7 成。

表4 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年代分布

2.3.3 周期性趨勢 近60 a江西省前冬日最低氣溫≤-5 ℃站日數(shù)年變化，主振蕩周期尺度為8 a，次振蕩周期尺度為4 a，還存在強度較弱的14 a長周期，如圖5-A、圖5-C。

近60 a當?shù)睾蠖兆畹蜌鉁亍?3 ℃的站日數(shù)，主振蕩周期尺度為28 a，次振蕩周期為3 a和 9 a，如圖5-B、圖5-D。綜合分析圖5可以看出，未來10 a當?shù)赜筒说蜏貎龊︼L險有上升的趨勢。

圖5 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年變化小波分析

2.3.4 突變趨勢 Mann-Kendall檢驗分析結(jié)果表明，全省前冬日最低氣溫≤-5 ℃的站日數(shù)年分布，1981年冬出現(xiàn)突變點，1988年冬開始持續(xù)突變減少的狀態(tài)，如圖6-A；而后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)，在1987年出現(xiàn)減少的突變點，2002～2019年(不含2018年)持續(xù)突變減少的狀態(tài)，如圖6-B。

圖6 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年變化突變分析

3 討論

就整個冬季而言，日最低氣溫≤-7 ℃和≤-5 ℃的站日數(shù)，與油菜氣象產(chǎn)量的負相關(guān)均達到顯著水平；但在前冬或后冬的分階段統(tǒng)計分析中，相關(guān)水平均為不夠顯著，可能是由于達到標準的樣本被分散(如，日最低氣溫≤-7 ℃在后冬的發(fā)生概率僅為0.18)，這影響了統(tǒng)計效果。

4 結(jié)論

低溫凍害對江西油菜產(chǎn)量形成存在不利影響。前冬日最低氣溫≤-3 ℃以及后冬日最低氣溫<0 ℃的低溫，均會影響油菜產(chǎn)量的形成。

后冬低溫凍害對江西油菜產(chǎn)量影響更顯著。此期間日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(shù)，與油菜氣象產(chǎn)量負相關(guān)的顯著水平，遠高于前冬日最低氣溫≤-5 ℃(含≤-7 ℃)站日數(shù)，這反映出油菜進入生殖生長階段后，對低溫凍害更加敏感，受到的影響更不可逆。

江西油菜低溫凍害發(fā)生的站日數(shù)，年代際變化和年線性均呈遞減趨勢，且出現(xiàn)持續(xù)的減少突變，這反映了該地區(qū)在全球氣候變化背景下，油菜低溫凍害風險總體降低。

江西油菜低溫凍害存在一定程度的周期性振蕩特征，且在未來10 a可能進入低溫凍害風險上升的周期，這說明盡管大背景全球氣候變暖，但凍害風險仍具有突發(fā)、重發(fā)等特征，需加強防范。