阳城县近60年晚霜冻发生情况及其对桑树的冻害分析

刘学军 陈虎胜

(1山西省阳城县气象局，山西阳城 048100； 2山西省陵川县气象局，山西陵川 048300)

蚕桑产业是阳城县的传统产业，特别是20世纪80年代以来蚕桑产业迅速发展，蚕茧产值和品质一直雄居华北县级之冠，是全国蚕桑生产标准化示范区[1]。2017年，阳城县有桑园面积2 535 hm2，全年发种量2.8万盒，产茧量1 360 t，蚕茧产值7 472万元。受气候变暖因素影响，阳城县冬季气温明显偏高，春季气温回升迅速，晚霜冻频繁发生，甚至成了制约阳城县春季蚕桑生产的主要气象灾害。据我们调查，阳城县几乎每年都有桑树遭受晚霜冻害，特别是在桑树鹊口期，一旦受到霜冻袭击，春叶就会减产降质，进而影响蚕茧的产量和质量。目前，国内外学者已对蚕桑生产的适宜气候条件进行了大量研究，其中国内蚕业技术人员和气象工作者针对某种气象灾害对蚕桑生产影响的研究较多。如薛卫东等[2]研究了桑园霜害的特点及成因；周昌云等[3]研究发现，春季≥10.0 ℃积温达到185.0 ℃时，出现零度左右的最低气温，桑树易受到霜冻危害；屈德明等[4]研究了旱、涝和霜冻对蚕桑生产的影响；倪松年[5]研究探讨了桑树霜害的预防措施；沈增学[6]研究了春季桑芽的萌发积温等。但这些研究或多或少具有一定的地方特征，多年来阳城县蚕桑生产者对当地桑树鹊口期和晚霜冻的变化特征尚不清楚，很难对霜冻危害采取及时有效的防御措施。为此，本研究通过调研、统计等方法分析阳城县早春气候、桑树早春发育状况、地理环境等对晚霜冻发生的影响，结合春蚕歉产年桑树遭遇晚霜冻的受害情况，找出形成桑树晚霜冻害的气象指标，以期为今后防御桑树晚霜冻害提供可参考的决策依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

阳城县1958—2018年气温、降水、地温、霜冻等资料来源于山西省阳城县气象局。1990—2018年春蚕发种量、蚕茧产量等资料来源于阳城县蚕桑中心。桑树晚霜冻害数据来源于实地走访和田间抽样调查统计。

1.2 研究方法

1.2.1 早春气候对晚霜冻发生的影响 利用阳城县气象局历年3月至4月中旬(以下简称早春)相关气象资料，通过统计、对比气候变暖背景下气温、降水与晚霜冻的关系来分析早春气候对晚霜冻发生的影响。根据农业气象学将晚霜冻定义为春播作物苗期、果树花期、越冬作物返青后发生的霜冻，将终霜日定义为最后一次出现晚霜冻的日期[7]。

1.2.2 地形地理对晚霜冻发生的影响 针对同一霜冻天气过程，在寺头、次营、固隆、西河等蚕桑主产乡镇通过实地走访调研不同地形地理对晚霜冻发生的影响。

1.2.3 桑树在早春提前发育受晚霜冻的影响 利用早春日平均气温≥12.0 ℃有效积温随年代变化对桑树发育的影响以及桑树鹊口期与终霜日的对应关系，分析晚霜冻对桑树发育的影响。不同的研究资料给出了10.0 ℃[8]和12.0 ℃[9-11]2种春季桑树萌芽生长发育的起始温度。根据积温学说原理[12]，利用日平均气温≥12.0 ℃的有效积温来反映桑树的生长发育进程，既与沈增学[6]关于春期桑芽萌发积温的研究结论吻合度较好，也与阳城当地桑树在春季的发育情况吻合。为此，本研究以12.0 ℃作为阳城县桑树生长发育的起始温度。

1.2.4 桑树晚霜冻危害成因及其气候指标 根据春蚕发种量、蚕茧产量等资料和桑树遭受晚霜冻危害的实地调研结果，从春蚕发种减少量和蚕茧产量减少量、桑树立地条件、肥水管理情况、气候条件等方面分析桑树晚霜冻危害的形成原因，确定相应的气候指标。

2 结果与分析

2.1 早春气候对晚霜冻发生的影响情况

2.1.1 气温与晚霜冻的关系 (1)早春平均气温逐年增高、4月出现晚霜冻的平均日数减少。从图1可以看出，1997年以后阳城县早春平均气温多呈高位运行，相应年份的4月出现晚霜冻的平均日数为4.1 d，较1997年以前4月出现晚霜冻的平均日数5.8 d减少了1.7 d，较历年4月出现晚霜冻的平均日数5.2 d减少了1.1 d。除2000年、2001年、2003年、2010年和2013年4月出现晚霜冻的日数多于历年平均值以外，其余年份4月出现晚霜冻的日数一般在3.0 d以下,较历年平均值明显偏少，且早春平均气温的高低与4月出现晚霜冻日数的多少基本呈负相关，表现最明显的如2003年和2010年早春平均气温都在10.0 ℃以下，4月出现晚霜冻的日数均多达10.0 d，而2014年和2016年早春平均气温都在12.5 ℃以上，4月均未出现晚霜冻。

图1 阳城县1958—2018年早春平均气温和4月晚霜冻天数的变化趋势

图2 阳城县1958—2018年终霜日的变化趋势

(2)终霜日逐渐提前。从图2可以看出，阳城县历年平均终霜日出现在4月15日，且随年代的推移，呈逐渐提前的趋势。2004年是终霜日从相对偏晚跃变为相对偏早的转折年，2004年以前有63%的年份终霜日出现在历年平均终霜日之后，2004年以后只有13.3%的年份终霜日出现在历年平均终霜日之后，其平均终霜日4月8日较2004年以前的平均终霜日4月18日提前了10.0 d。近5年平均终霜日出现在4月2日，又比4月8日进一步提前。

(3)最低气温越低产生晚霜冻的概率越大。分析历年终霜日的最低气温，其变化趋势可代表入侵冷空气的强弱，入侵冷空气较强时，当日最低气温较低，与之对应的地面最低温度一般也随之降低而出现晚霜冻，三者具有较强的正相关关系。从图3可以看出，当地面最低温度≤0.0 ℃，发生晚霜冻时，有88.5%的年份最低气温≤5.0 ℃。在强冷空气控制下晴朗微风的夜间，最低气温在5.0～8.0 ℃之间时，地面最低温度也可能≤0.0 ℃而产生晚霜冻。

图3 阳城县1958—2018年终霜日最低气温与地面最低温度的对应关系

2.1.2 降水与晚霜冻的关系 阳城县早春平均降水量30.1 mm，占全年平均降水量的5.3%，且随着年代的推移略呈减少的趋势(图4)。降水偏少，浅层土壤干燥，地表辐射增强，冷空气入侵时不易形成良好的田间小气候，造成地面温度偏低，进而加速晚霜冻的形成。从1958—2018年4月降水距平(当年值与历年平均值之差)与晚霜冻日数距平的时间序列分布来看，两者60.7%的年份出现负相关(图5)，即降水偏多年出现晚霜冻的天数相对较少，降水偏少年出现晚霜冻的天数较多。另外，分析历年晚霜冻出现前的降水情况，若晚霜冻出现前最近一次降水不足2.0 mm，之后连续5.0 d以上无降水，田间湿度迅速下降，冷空气来临时，干冷的田间小气候有利于晚霜冻的形成，而且连续无降水持续时间越长，晚霜冻对桑树造成的危害越大。根据调研结果，比较2次同处于桑树鹊口期且降温强度相近的冷空气入侵过程，2010年4月13日由于前期连续一个多月无有效降水，田间干冷，桑芽遭受晚霜冻危害的受冻率比2015年4月8日3.0 d前出现中雨情况下的桑芽受冻率高20个百分点左右。

图4 阳城县1958—2018年早春降水量分布图

图5 阳城县1958—2018年4月降水距平和晚霜冻日数距平的年变化趋势

2.2 地形地理对晚霜冻发生的影响情况

阳城县地处太行山南端，境内丘陵山地起伏不平，山上山下、阳面阴面等不同地理位置受太阳辐射、地表辐射、风向风速等自然因素的影响不同，晚霜冻发生的时间和危害程度也有较大差别。通过对寺头、次营、固隆、西河等蚕桑主产乡镇的实地走访和调研，同一霜冻天气过程，山顶、过风山地、阳面山坡晚霜冻出现及持续时间少于谷底洼地、背风山地和阴面山坡。相应地山顶桑园晚霜冻危害较轻，山腰次之，山脚最重；山腰窄小地块，在房屋、林地和河流旁边的地块，处于南坡、西坡和西南坡的地块分别比山腰大面积平坦地块，离房屋、林地和河流较远的地块，处于北坡、东坡和东南坡地块的晚霜冻危害程度轻。

2.3 桑树在早春提前发育受晚霜冻的影响情况

2.3.1 有效积温迅速累积桑树晚霜冻发生的概率增大 受气候变暖因素的影响，阳城县日平均气温达到12.0 ℃的初始日期进入21世纪以来由历年的平均出现日期3月16日提前至3月10日，导致早春日平均气温≥12.0 ℃的有效积温提前累积且迅速增加。从图6可以看出，1997年以后早春日平均气温≥12.0 ℃的有效积温处于高位运行，桑树的生长发育进程自然加快，发育期提前，在早春冷空气活动频繁、气温不稳定的情况下，加大了桑树晚霜冻发生的概率。如2013年早春气候偏暖明显，桑树3月8日露青，3月23日就进入鹊口期，随后在3月23—31日、4月6—7日、9—13日和19—20日出现冷空气入侵，桑树每次都受到了不同程度的冻害。

图6 阳城县1958—2018年早春日平均气温≥12.0 ℃的有效积温

2.3.2 桑树鹊口期更容易遭遇晚霜冻危害 (1)桑树鹊口期的确定。桑树鹊口期是遭受晚霜冻害最危险的时期[1]。在以往的生产实践中，阳城县蚕桑管理者和生产者始终无法准确掌握桑树每年具体的鹊口期进而开展针对性的霜冻防御工作。通过实地跟踪观测，阳城县2017年春季桑树鹊口期的开始日期出现在4月6日，2017年桑树鹊口期出现之前日平均气温≥12.0 ℃的有效积温为122.3 ℃。依据有效积温的稳定性特征，以每年早春日平均气温≥12.0 ℃的有效积温≥122.3 ℃的初始对应日来确定每年的桑树鹊口期。(2)桑树鹊口期与终霜日相遇的可能性加大。从表1可以看出，阳城县桑树鹊口期历年平均初始日期出现在4月9日，较历年平均终霜日早6.0 d，其中终霜日出现在桑树鹊口期之后的年份占到82%，表明有82%的年份桑树鹊口期可能遭遇晚霜冻危害。尽管桑树鹊口期随年代推移也呈现逐渐提前的趋势，但桑树鹊口期平均每10年提早1.5 d，提前的速度不如终霜日平均每10年提早1.8 d来的快，桑树鹊口期与终霜日相遇的可能性加大。

表1 桑树鹊口期和终霜日平均出现日期及两者平均每10年提前天数

2.4 晚霜冻致灾对蚕桑产业的影响情况

2.4.1 桑树鹊口期遭遇晚霜冻春蚕发种量和产茧量下降 (1)晚霜冻对春蚕发种量和总产茧量的影响。春蚕发种量和总产茧量具有极强的正相关关系。1990—2018年，阳城县有16年春蚕发种量少于趋势量，占统计年数的55.2%，其中在桑树鹊口期遭遇晚霜冻害的有12年(表2)，占发种量偏少年份的75.0%。(2)晚霜冻对春蚕盒种产茧量的影响。1990—2018年，阳城县有17年春蚕实际盒种产茧量少于趋势产量，占统计年数的58.6%，其中桑树鹊口期出现晚霜冻的有11年(表2)，占减产年份的64.7%。

表2 阳城县1990—2018年桑树鹊口期遭遇晚霜冻年份的春蚕发种量减少量和产茧量减少量

2.4.2 立地条件和管理水平不同桑树遭受晚霜冻害的程度不同 (1)立地条件不同，桑树受冻程度不同。2016年3月27—28日，阳城县出现晚霜冻，此时绝大部分桑树处于露青至脱苞期，基本无冻损，只有极少数刚进入鹊口期的向阳背风地桑树受到轻度冻害。2015年4月5日桑树进入鹊口期，4月8日晚霜冻造成全县桑芽平均受害率8%～10%，特别是向阳东坡和东南坡由于强光照射早，气温回升快，轻度受害的桑芽胞间失水迅速，自身恢复时间短，受害率高于西坡和西南坡20%左右。(2)施肥管理科学，桑树受冻程度较轻。在2015年的霜冻危害调研中，对比处于同一发育期桑树的受害程度，肥水充足、枝条壮实、桑芽饱满的桑树自身修复功能强，受害轻于肥水较差的桑树；晚秋季按正常保留7～8片叶或以采叶留柄法收获叶片的桑树，受害轻于采叶过度、树体养分积累少的桑树。

2.4.3 冬春气候变暖桑树受霜冻危害加重 (1)桑树发育提前，多次霜冻加重冻害。2013年冬季和早春平均气温比历年平均气温偏高1.5 ℃，尤其是3月上旬平均气温高于历年平均气温5.0 ℃。从表3可以看出，3月23日进入鹊口期的桑树在随后出现的4次冷空气入侵过程中，累计受害率达到60%左右，其中最低气温在3.0 ℃以下，地面最低温度降到-1.0 ℃或-1.0 ℃以下，降温幅度在5.0 ℃以上时，桑叶受霜冻危害严重。(2)终霜日与鹊口期相遇，桑树受冻程度加重。调研中发现，凡是在桑树鹊口期出现的晚霜冻，或多或少都会给桑树带来不同程度的伤害，轻则延迟桑芽发育，重则造成桑芽干枯死亡。从表3受冻情况的汇总结果可以看出，桑树鹊口期遭遇晚霜冻的受害程度明显高于桑树其它发育期。(3)连续多日降霜，霜冻危害加剧。2001年4月9—12日、2010年4月13—15日、2013年3月23—27日、4月9—13日和2018年4月7—8日分别出现了2.0 d以上的连续晚霜冻，无论是处于鹊口期还是幼叶期的桑树都连续受到晚霜冻的影响，危害明显加重(表3)。

表3 阳城县1990—2018年春蚕歉产年桑树遭遇晚霜冻时的相关气象要素及桑树发育和受冻情况

续表3

3 小结与讨论

3.1 气温升高4月晚霜冻日数减少、终霜日提前

阳城县早春平均气温1997年以后基本呈高位运行，导致4月出现晚霜冻的平均日数4.1 d较历年4月出现晚霜冻的平均日数5.2 d减少了1.1 d；2004年是终霜日从相对偏晚跃变为相对偏早的转折年，2004年以后的平均终霜日4月8日较历年平均终霜日4月15日提前了7.0 d。

3.2 气温越低、无降水时间越长 发生晚霜冻的概率越大、危害越重

早春最低气温≤5.0 ℃时，出现晚霜冻的概率达到88.5%。桑芽脱苞后，最低气温<3.0 ℃，最低地面温度≤-1.0 ℃，晚霜冻不可避免且桑树遭受晚霜冻害的程度明显加重；降温幅度>5.0 ℃、晚霜冻出现前最近一次降水不足2.0 mm，之后连续5.0 d以上无降水或连续2.0 d以上出现晚霜冻都会加重桑树的受冻害程度。

3.3 桑树发育提前 发生晚霜冻害的概率和程度加大

阳城县桑树鹊口期历年平均初始日期出现在4月9日，较历年平均终霜日早6.0 d。随着年代推移，早春日平均气温≥12.0 ℃的有效积温提前累积且迅速增加，桑树鹊口期平均每10年提早1.5 d，不如终霜日平均每10年提早1.8 d的提前速度快，桑树鹊口期与终霜日相遇的可能性加大，这势必将增加桑树遭受晚霜冻害的概率和程度。在1990年以来的春蚕发种量和盒种产茧量减少的年份中，桑树鹊口期遭遇晚霜冻害的年份分别占到78.6%和66.7%。

3.4 立地条件和管理水平不同 桑树遭受晚霜冻害的程度不同

谷底洼地、背风山地、阴面山坡以及向阳背风地通常会加重晚霜冻对桑树的危害，在强光照射早、气温回升迅速时，向阳东坡和东南坡的霜冻危害反而重于西坡和西南坡。处于同一发育期、肥水充足、枝条壮实、桑芽饱满、正常采叶的桑树遭受晚霜冻害的程度轻于肥水较差、过度采叶的桑树。为此，加强对晚霜冻的监测预报、改进桑树的栽培管理技术以及利用熏烟、灌溉、喷雾等物理方法提高桑园近地层温度，能够有效预防晚霜冻危害。