山西南部苹果花期冻害时空分布特征及综合防御技术

袁嘉玮，张 健，王 璐，张鹏飞，梁哲军，田时敏，薛琴琴，王爱玲，张战备，段国琪，杨印斌，王玉香

(山西农业大学棉花研究所，山西 运城 044000)

农业气象灾害是制约我国农业发展的主要因素之一，近年来，受全球气候变暖导致的气温持续上升和地区热量资源改变的影响，地表蒸腾与植物蒸腾速率等水分平衡过程改变、农作物生育期改变、霜冻日数减少，对农业及自然生态系统产生了严重的影响[1-3]。其中，花期冻害已成为影响苹果产量及品质的主要气象灾害指标[4～5]，也是目前我国苹果的重要病害之一[6]。

近年来，相关学者在苹果花期冻害指标方面做了诸多研究，并以此进行风险评估及预测预报研究，如针对黄土高原优势苹果产业带主栽品种进行冻害指标研究，形成花期冻害等级指标行业性标准——富士系苹果花期冻害等级[7]；刘璐等[8]和柴芊等[9]分别根据子房和花粉的受冻临界温度进行冻害指标划定，并分别建立风险评估模型和预测预报模型，确定不同地区花期冻害重点防御时间；杨小利[10]根据花期冻害实地调查情况，将花期冻害分为3个等级，并以实际灾损率作为指标研究花期冻害风险区划；屈振江等[11]以2013年全国苹果主产区大面积花期冻害过程为基础，利用气候背景资料，对全国苹果主产区进行花期冻害风险划分，其中山西省南部地区属于中度与低度风险区。但对冻害发生规律的分析研究却鲜有报道，并且缺少实际的防御措施[12]。目前山西苹果花期冻害发生规律分析方面尚未有相关报道，且在有关山西苹果花期冻害防御措施及补救措施的报道也均为普适性对策，未结合各地实际情况。然而苹果花期冻害受地域性的影响，冻害指标划分以及防御对策需结合当地情况才具有实际意义。因此，本文对近20 a 山西南部各县苹果花期冻害发生情况进行统计，分析山西南部苹果花期冻害的时空分布特征，利用Mann-Kendall非参数检验方法研究苹果花期冻害的气候趋势，并提出针对性防御对策，以期为山西南部苹果花期冻害预测、气象灾害防御以及苹果稳产增收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

选取山西隰县、吉县、河津市、稷山县、绛县、新绛县、闻喜县、垣曲县、万荣县、临猗县、盐湖区、夏县、永济市、芮城县、平陆县15个气象站点1997—2016 年苹果花期日极端最低气温和日平均气温观测资料(除隰县、吉县外13县(市、区)均属于运城地区)。

1.2 冻害程度划分

根据气象行业标准《QX/T392-2017富士系苹果花期冻害等级》[7]、柴芊等[9]关于陕西苹果花期冻害指数定义，结合山西南部苹果主产区气候特征，分别按照日极端最低气温(T)将苹果花期冻害划分为轻度、中度、重度和极重4个等级，如表1所示。

表1 富士苹果冻害等级划分

1.3 分析方法

采用最小二乘法[13]对花期冻害日数进行线性倾向估计，并用 Mann-Kendall 非参数检验方法(M-K检验)[14-15]对花期冻害日数的变化趋势进行显著性检验[16],研究山西南部苹果主产区冻害的时间变化特征、空间分布结构以及气候演变趋势。

2 结果与分析

2.1 苹果冻害的气候统计

根据富士苹果冻害等级划分(表1)，统计富士苹果花期不同等级的冻害日数和极端最低气温的变化趋势。由表2及图1可以得出，1997—2016年间山西南部富士苹果发生花期冻害日数年均为3.1 d，极端最低气温达-7.1 ℃(夏县)。运城地区4月中上旬发生冻害几率最大，冻害高频期主要集中在4月8—16日，其高频期内发生冻害日数占全部冻害日数的比值除永济市与河津市外，均高于45%。 吉县与隰县4月下旬发生冻害几率最大，高频期主要集中在4月20—26日，其所占比值分别是44.74%、48.28%。

山西省富士苹果花期发生冻害总日数及不同程度冻害日数均呈单峰型分布，其中运城地区4月中旬冻害日数最多，达到峰值(年均1.3 d)，且冻害发生程度最为严重；吉县与隰县4月下旬冻害日数最多，达到峰值(年均1.9 d)。而山西省富士苹果花期极端最低气温除河津市、临猗县、吉县外均发生在4月中旬，其中夏县最低为-7.1 ℃。运城地区4月上旬以及吉县与隰县4月下旬的极端最低气温也较低，分别为-5.2℃、-3.4℃。从冻害等级上看，轻度冻害发生最多，年均2.8 d，占花期冻害总日数的90.32%；其次为中度冻害，年均0.25 d，占花期冻害总日数的8.06%；重度冻害及极重冻害极少发生。运城地区各程度冻害等级发生情况分布规律与冻害日数分布规律基本一致，吉县与隰县轻度冻害分布规律与冻害日数分布规律基本一致，而中度冻害呈现4月中旬发生重、4月下旬发生轻的现象。

2.2 苹果冻害的空间分布

由表3可以看出，山西南部苹果主产县年均冻害日数总体介于2.1～4.3 d，年均冻害日数最少的是河津市，仅有2.1 d；年均冻害日数最多的为夏县，为4.3 d；万荣县和闻喜县次之，年均4.0 d；盐湖区、平陆县、垣曲县、新绛县、永济市的年均冻害日数较少，除永济市为2.2 d外，其余各区县均为2.4 d；吉县与隰县年均冻害日数较高，分别为3.8 d和3.0 d。

表2 1997―2016年山西南部苹果主产县(市、区)苹果花期冻害的气候统计

图1 1997—2016年山西南部苹果花期冻害日数及极端最低气温变化Fig.1 The averaged freezing injury days and extreme minimum temperature at the floweringstages of apple in Southern Shanxi during 1971-2017

运城地区平均花期介于3月29日—4月27日间，吉县与隰县平均花期介于4月15日—5月8日间。各县花期均温介于13.0℃～13.8℃之间。

2.3 苹果冻害的变化趋势

山西南部苹果花期冻害日数及极端最低气温的年变化趋势如图2所示。山西南部苹果花期冻害日数呈显著减少的趋势，气候倾向率为-0.666 d·(10 a)-1(P≤0.01)，其中轻度冻害及中度冻害的气候倾向率分别为-0.591、-0.094 d·(10 a)-1(P≤0.01)。而山西南部苹果花期极端最低气温呈上升趋势，且与冻害日数呈极显著负相关关系，相关系数-0.768(P≤0.01)。山西南部苹果花期冻害日数显著减少，花期极端最低气温有所上升，且两者呈现极显著负相关关系，说明山西南部苹果花期遭遇花期冻害的几率显著降低，花期冻害对苹果生产造成的损失呈降低趋势。

表3 山西南部苹果主产县(市、区)苹果花期冻害日数和平均花期的空间分布

由图2可以看出，山西南部苹果花期冻害日数、轻度冻害日数、中度冻害日数均呈现先增加后降低的变化趋势。2000―2010年，冻害日数明显偏多，正距平年份为7 a，且平均正距平冻害日数较年均水平高出1.7 d，其中高出最多的是2001年(高3.58 d)，2010年次之(高2.71 d)。同时，极端最低气温也出现在这一时间段，2007年和2010年的极端最低气温为-7.1℃和-7.0℃。2011―2016年，冻害日数较之前显著降低，除2013年冻害日数突增外均为负距平年份，且平均负距平冻害日数比年均水平低1.9 d，其中最低的是2012年(低2.42 d)，2011年和2016年次之(低2.36 d)。

2.4 苹果冻害的Mann-Kendall检验

由M-K检验可以看出，山西南部苹果花期冻害日数UF曲线(按时间序列顺序计算出的统计量序列)值于2000―2010年间大于零，冻害日数表现为增加的趋势；UF曲线于2011―2016年小于零，冻害日数表现为减少的趋势，甚至在2015—2016年苹果花期冻害日数突破α=0.05显著性水平下限，表明该时间段山西南部苹果花期冻害日数呈现显著下降的趋势。UF和UB曲线(按时间序列逆序计算出的统计量序列)相交于2008年，该点为苹果花期冻害日数下降的突变点。

图2 1997―2016年山西南部苹果花期冻害日数及极端最低气温变化趋势Fig.2 Climate change trend of freezing injury days and extreme minimum temperature at the floweringstages of apple in Southern Shanxi during 1997-2016

图3 1997―2016年山西南部苹果花期冻害的Mann-Kendall检验Fig.3 Mann-Kendall test of freezing injury at the flowering stages of apple in Southern Shanxi during 1971-2016

3 讨 论

3.1 苹果花期冻害时空分布特征

吉县、隰县地区苹果花期、冻害高频期均较运城地区晚半月左右，年均冻害日数也相对较多，其原因除吉县与隰县地理纬度较高外，与果园地形也存在一定关系，运城地区果园多建立在平地，吉县与隰县果园受地形限制均建立在山地。盐湖区、永济市、河津市年均冻害日数较少的原因可能是受城市热岛效应的影响[17]。

山西南部苹果花期冻害日数整体呈现下降趋势，且极端最低气温呈现上升趋势，这与桑婧等[18]针对全国范围内的农业气象研究结果一致。山西南部苹果花期冻害日数在1997年、2001年、2006年、2007年、2010年、2013年有突增现象，王莹等[12]在相关研究中认为发生突增的原因是大气候变暖导致花期提前，继而遭遇冷空气越境而引起短时大幅度降温所致。

虽然冻害日数整体呈下降趋势，但由于冻害发生的不确定性，以及每年发生冻害的苹果栽培面积、果园地形和农业小气候环境的不同，根据气象指标分析得出的冻害结果与实际的冻害灾损同步性有待进一步提高。此外，造成冻害发生的气象因子易受到人为活动的影响，例如极端最低气温在不同果园中可能会受到灌溉量、园内空气湿度以及土壤持水力等各种因素影响而发生变化，造成不同程度的花期冻害灾损[19]。且在气候变暖以及频繁的人为干预气象活动背景下，未来冻害发生情况难以预料。因此，要根据实际情况适时制定苹果冻害防御措施，科学防御苹果冻害，减轻或避免气象灾害所造成的损失。对于气象部门和农业部门来说，必须加强春季气候趋势预测、冷空气流动方向预测以及温度监测，准确提供气象灾害预报服务信息，指导广大农户及时采取冻害防御策略，及早做好苹果花期冻害防御及田间管理工作，确保苹果稳产、优质。

3.2 苹果冻害综合防御措施

苹果冻害防御措施采取“以防为主，抗补结合”的综合抗冻策略。

3.2.1 以防为主 山西南部苹果花期发生冻害的主要原因是由于西北方向的冷空气越境造成，因此苹果花期时应注意西北方向的冷空气动态，进行花期冻害预测预报，提前做好果树防冻措施。同时，苹果园应拆除其东南部的围墙、土堆等屏障，避免冷空气留存，并在苹果园西北方向的迎风口上方一百米左右营造防风林带，减缓冷空气越境风速，阻挡冷空气直接冲击，减轻冻害发生。

山西南部果园土壤普遍为碱性土壤，果树吸收水分困难，气温降低时易加重冻害的发生程度[20-21]。因此山西南部地区果园应注重果园土壤改良并优化灌溉排水方式，临近黄河、汾河、涑水河等河流的区域多采用河水灌溉，灌溉水源避免使用井水，灌水方式避免采用漫灌；果树萌芽前及时灌水，以促进木质部水分运输；多施磷钾肥、有机肥，少施氮肥，降低土壤酸碱值，提高果树花芽质量及其抗寒抗冻能力。

山西南部地区位于黄土高原优势苹果产业带的最南端，平均温度相对较高，苹果花期较早，此时冷空气活动频繁，因此可以通过延迟苹果花期的方式减轻冻害发生。果树萌芽前刮除老翘皮、对枝干及枝杈部位使用石硫合剂涂白、喷施青鲜素液或萘乙酸钾盐、施肥后铺设地膜或覆盖10 cm以上杂草等措施均可有效推迟果树花期[22]。

3.2.2 抗补结合 山西南部地区主要种植小麦、玉米等作物和果树，作物收获时可将一部分秸秆、落叶、树枝收集堆积在园内及上风口处，用细土压严待用。冷空气来临时点燃，但不要出现明火，通过熏烟提高园内气温。除熏烟外，还可采用风机鼓风、布放加热器等方法提高果树周围气温。有研究表明，采用风机鼓风等气流扰动法对减轻苹果花期冻害有较好的效果[23]。

发生冻害前后，喷施植物生长调节剂及叶面微量元素肥也可有效增强苹果树体对花期冻害的抵御能力[24]。大量研究表明，NAA与IBA可有效起到保花保果的作用；喷施海藻素、氨基酸和芸薹素内脂可显著提高苹果抗逆性；喷施蜂蜜、白糖、花精粉等混合液，可有效减轻冻害影响；在花期喷施磷酸二氢钾与白糖混合液可有效增强花器官抗冻性；树冠喷水或营养液提高苹果树短时树势；喷施钙肥能显著提高植株抗寒性[5-6,23-27]。

4 结 论

1)山西南部富士苹果发生花期冻害日数年均为3.1 d，各县花期均温介于13.0℃～13.8℃之间，运城地区4月中上旬易发生冻害，吉县与隰县4月下旬易发生冻害，各苹果主产县年均冻害日数总体呈现由盆地向山区递减。

2)山西南部苹果花期冻害日数总体呈现减少趋势，且冻害日数、轻度冻害日数、中度冻害日数均呈现先增加后降低的变化趋势。从2008年开始呈减少趋势，突变点在2008年。花期极端最低气温呈现上升趋势，并与冻害日数具有极显著负相关关系。