陕西蓝田核桃低温冻害气候特征分析

袁晓霞，雷晓英，乐 呼，周 红

(蓝田县气象局，陕西 蓝田 710500)

蓝田县地处秦岭北麓，关中平原东南部，暖温带半湿润大陆性季风气候，四季冷暖分明，雨量充沛集中，日照充足，为农业生态县，是陕西省确定的核桃产业发展重点县，是西安市核桃产业示范县。目前，蓝田县已发展核桃经济林20万hm2，其中挂果面积14万hm2，年产值近6万t，产值约3亿元，是当地经济支柱产业之一。但同时由于蓝田境内地貌地形复杂，春季倒春寒和晚霜冻时常发生，致使核桃在萌芽、开花期时常遭受低温冻害，轻则减产，重则造成绝收[1]。本文根据核桃冻害等级指标，对核桃萌芽、开花期低温冻害日数进行统计，分析蓝田县核桃春季低温冻害发生主要时段、各等级冻害的发生频率及特征，对近61 a来蓝田核桃冻害期气温变化做趋势分析，运用Mann-Kendall(MK)、滑动t(MTT)及累计距平法对核桃萌芽期、开花期平均气温进行突变检验，以期为蓝田核桃低温冻害预测、气候灾害防御及核桃稳产增收提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料

在开展本研究前，笔者与林业部门合作收集大量蓝田核桃种植资料，并多次走访调研种植专家。根据物候期资料记录，蓝田主要种植核桃品种在花期温度降至2℃以下即可受冻，在萌芽期降至0℃可出现冻害[2]，不同发育期冻害标准有所不同，本文分别按照最低气温及持续时间将核桃萌芽、开花期冻害划分为轻度、中度和重度3个等级，如表1所示。

表1 核桃冻害等级气象指标

利用蓝田县国家气象站1960-2020年3月下旬至4月下旬平均气温、最高气温、最低气温、极端最低气温的历史观测资料，以及历年核桃春季低温冻害调查资料、核桃物候期调查资料等，运用气候统计、趋势分析和突变检验方法研究蓝田核桃低温冻害特征及气候变化趋势。

1.2 方法

根据冻害气象指标，统计核桃萌芽、开花期低温冻害主要发生时段，分析各等级冻害的发生频率及特征，利用线性回归及相关分析法对1960-2020年蓝田核桃萌芽、开花期的平均气温、平均最高气温、平均最低气温做趋势分析，倾向率的正负值分别表示气象指标是呈现上升和下降趋势[3]。利用Mann-Kendall方法[4]对核桃冻害期近61 a平均气温序列在置信区间95%的水平上进行突变检验，由于MK方法检测出来的突变点具有真假突变点的不确定性[5]，因此再结合滑动t检验[4]和累计距平法[4]对突变状况做进一步检验，累积距平峰值可以大致判断突变时间以及演变趋势。

2 核桃低温冻害发生时段及特征分析

2.1 核桃低温冻害发生时段

经调研，蓝田主要种植核桃品种为香玲，其萌芽期为3月下旬，最早出现在3月18日，最晚为3月27日。核桃树萌芽后，抗寒力逐渐下降，如温度降到-2℃时，新梢、叶芽被冻坏。核桃树为单性花，雌雄同株、异花序，雌雄花期不一致，香玲为早实雄先行品种。4月初雄花芽开始膨大伸长，同时随着新梢的初期生长，叶片逐渐展开。4月8日前后自花序基部开始散粉，4月20-25日雄花散粉结束。4月15日前后雌花开放，雌花开放末期最早为4月20日，最晚为5月3日。因此，本文将3月下旬作为核桃萌芽期，4月上旬至下旬为开花期来分析研究。近61年3月20日至5月15日逐日最低气温资料显示，最低气温低于0℃最晚出现在2008年4月24日，5月未出现日最低气温低于0℃的情况，最低气温低于2℃仅在1991年5月2日出现过1次，为1.8℃。个别年份3月中旬核桃处于萌芽初期，遭遇低温造成冻害程度较轻，所以核桃冻害发生主要时段为3月20日至4月30日。

2.2 核桃冻害发生频率及特征分析

根据核桃萌芽、开花期冻害等级气象指标，分别统计核桃萌芽、开花期不同等级的冻害日数及极端最低气温出现频率，如图1所示。1960—2020年蓝田国家气象站达到冻害气象指标日数有219d，萌芽期发生冻害日数年均为1.3 d，开花期为2.2 d。

图1 1960—2020年蓝田核桃萌芽—开花期低温冻害日数及极端最低气温统计

从冻害等级来看，轻度冻害发生的日数最多(年均2.2d，占春季冻害的61.2%)，随冻害等级加重，发生概率减小，中度(年均1.1d)、重度(年均0.3d)冻害分别占冻害日数的29.6%、9.2%[6]。轻度冻害发生时间主要集中在3月下旬，核桃萌芽期，中度、重度冻害发生在4 月上旬，核桃开花初期、展叶期。从冻害发生时间段来看，核桃春季冻害日数呈单峰型分布，3月下旬年均冻害1.3 d，4月上旬是冻害高发期，年均1.5 d，达到顶峰；随着气温快速升高，4月中旬开始冻害日数急剧减少，4月中、下旬年均冻害日数分别为0.65 d、0.15 d。但若有冷空气、倒春寒等天气发生，4月中下旬气温下降会更明显，造成的伤害更严重[2]。另外，历史极端最低气温也出现在4月上旬，达-6.0℃，出现在1962年4月3日，其次是 3月下旬，达到-5.6℃。

3月下旬核桃处于萌芽期，此时轻度冻害影响萌芽率或延迟萌芽，最终影响核桃的产量和品质[7]。4月上旬一般是核桃的雄花芽膨大期，此时低温天气会使雄花芽、叶芽(含混合芽)、新梢都遭受不同程度冻害，轻度冻害可使部分花芽内部变褐色，发育迟缓，果实往往出现畸形；中度冻害则可致大部分芽体干枯，导致当年核桃减产歉收；重度冻害则会使全部花芽、新梢变褐枯死，造成当年核桃绝收[8]。如2018年4月7日受强冷空气影响，蓝田国家气象站最低气温降至-2.2℃，且气温低于0℃持续7h，核桃主产区遭受严重冻害，雄花芽平均受冻率84%以上，1 a 生枝、新梢受冻率达100%，当年产量减产6成以上。

3 核桃低温冻害气温趋势分析及突变检验

3.1 气温趋势分析

蓝田核桃萌芽期近61 a平均气温为9.8℃，2018年的距平值最大, 超过61 a平均气温5.7℃；1987年的距平值最小，低于61a平均气温3.9℃。由图2(a)可见，萌芽期平均气温变化可分为2个阶段：1960-1999年，40a中有13a 的气温距平值为正, 且只有1963、1969、1971、1973年的距平值超过1℃，其余年份距平值皆较小或为负，该阶段为偏冷期[3]；2000-2020年，这21 a中除 2010、2011、2012和2017年以外, 其余17 a气温的距平值均大于0，该阶段为偏暖期[3]。这些表明2000年以来核桃萌芽期平均气温呈现上升的趋势。

开花期平均气温变化幅度相对萌芽期较小，但趋势类似。由图2(b)可见，开花期近61a平均气温为14.0℃，2016、2019年的距平值最大, 较年均水平高出2.6℃；1963年的距平值最小，较年均水平低2.4℃。从1960-1997年的38 a，有11 a 的气温距平值为正, 且仅1961、1974、1978年距平值超过1℃，17 a距平值为负；从1998-2020年的23 a中, 除 2000、2010年距平值为负且较大外，其余年份距平值基本大于0。这表明1998年为开花期平均气温冷暖转折点，1998年后气温上升趋势明显。

(a)

对近61a蓝田核桃萌芽期和开花期的平均气温、最高气温、最低气温做线性趋势分析，如表2所示。核桃萌芽期平均气温、平均最高气温的趋势系数分别为0.36和0.39，均通过了0.01显著性检验，平均最低气温趋势系数为0.25，通过0.05显著性检验；核桃开花期平均气温、平均最高气温趋势系数分别为0.45和0.60，均通过了0.001显著性检验，平均最低气温趋势系数为0.09，未通显著性检验。从气候倾向率来看，萌芽期平均气温、平均最高气温、平均最低气温的上升速率分别为0.43 ℃/10a、0.67℃/10a和0.22℃/10a；开花期平均气温、平均最高气温、平均最低气温的上升速率分别为0.31℃/10a、0.62℃/10a和0.07℃/10a。核桃萌芽、开花期气温总体是呈显著上升趋势，以平均最高气温上升最为显著。另外，对萌芽、开花期的极端最低气温也做了线性趋势分析，其年际值虽然也是呈现出波动中缓慢升高的趋势，但其趋势系数分别是0.08和0.12，未通过显著性水平检验。

表2 1960-2020年蓝田核桃萌芽—开花期气温线性趋势分析

3.2 核桃低温冻害期气温突变检验

3.2.1 核桃萌芽期平均气温突变分析 图3(a)为采用Mann-Kendall方法对蓝田核桃萌芽期平均气温进行的突变检验结果。由正序列(UF)看出：20世纪60年代初至70年代初，平均气温呈下降趋势；70年代初期至中期，平均气温波动中出现短暂上升；20世纪70年代中期至21世纪初期，呈下降趋势；2005年后UF值大于0，气温呈上升趋势，并2017年开始超过了α=0.05的显著性水平。在21世纪初UF线和UB线相交于置信区间内，根据交点位置可判断蓝田核桃萌芽期平均气温在2006年前后可能发生突变。

(a) (b)

图3(b)为蓝田核桃萌芽期平均气温滑动t统计量曲线。n=61，n1=n2=8，给定显著性水平α=0.01，按照t的分布自由度，v=n1+n2-2=14，t0.01=±2.98。从1960年以来，t的统计量在1996年、1998年、1999年超过了0.01显著性水平，极值出现在1999年。说明蓝田核桃萌芽期平均气温在1999年经历了一次又降低到增加的转变。

利用累计距平法分析蓝田核桃萌芽期近61a平均气温变化趋势，如图3(c)所示。由累计距平曲线的变化形态可清晰看出近61a年萌芽期平均气温经历了一次显著波动。从20世纪60年代初至90年代末期平均气温呈下降趋势，其中70年代初期至中期略有回升，最大累计负距平出现在1999年，21世纪后气温开始升高。

综合分析：1960—2020年蓝田核桃萌芽期(3月下旬)平均气温序列在1999年发生突变。

3.2.2 核桃开花期平均气温突变分析 从蓝田县核桃开花期平均气温 Mann-Kendall 曲线(图 4(a))可以看出，UF线在1997年前呈现振动变化，1962-1964、1968-1973、1975-1977、1995-1997年间小于0，表现为下降趋势，其余时间为增加趋势；且1997年后UF值大于0，2011年开始超过了α=0.05的显著性水平，说明开花期气温从21世纪初开始显著变暖。UF线和UB线在2003年有唯一交点，且交点处于置信区间内，表明蓝田核桃开花期平均气温MK检验突变年份为2003年。

(a) (b)

采用MTT算法，经过多次调整滑动步长，最后同样取n1=n2=8，信度α=0.01，得出t统计量曲线如图4(b)所示。曲线显示t统计量在1997年超过0.01显著性水平，即MTT检验结果核桃开花期平均气温在1997年发生突变。由图4(c)累计距平曲线可看出，峰值同样出现在1997年。综合分析得出蓝田核桃开花期平均气温在1997年发生突变。

3.2.3 气温突变前后冻害变化分析 按照蓝田核桃冻害气象指标，统计1960—2020年核桃萌芽、开花期达到气象指标的冻害日数，分析冻害日数的年变化趋势如表3所示。对核桃冻害期平均气温与冻害日数的作相关性分析，相关系数分别为-0.58和-0.53，均通过了0.001显著性检验。结果表明核桃萌芽期、开花期平均气温与冻害日数呈显著负相关。

表3 1960—2020年蓝田核桃萌芽—开花期冻害日数趋势分析

核桃萌芽期平均气温在1999年突变前后总体表现为“先下降后上升”，而冻害日数总体表现为“先增多后减少”的变化趋势。1960-1998年，冻害日数显著增多，气候倾向率为0.35d/10a，趋势系数为0.26，通过0.05显著性检验；1999-2020年，冻害日数气候倾向率为-0.25d/10a，趋势系数为0.14，未通过显著性检验。表明1999年后，随着核桃萌芽期气温升高，冻害发生风险有所降低。

核桃开花期平均气温总体呈现升高趋势，在1997年突变前，表现为波动式的缓慢上升，而1997年后开始显著升高。对核桃开花期气温突变前后的冻害日数做线性回归及相关性分析，得出1960-1996年,冻害日数气候倾向率为-0.037℃/10a，趋势系数为0.03；1997-2020年，气候倾向率为-0.32℃/10a，趋势系数为0.22，通过0.1显著性检验。表明核桃开花期冻害日数随着气温升高呈现减少趋势，只不过突变前减少较为缓慢，而突变后冻害日数显著减少，冻害发生风险显著下降。

4 结论

(1)蓝田主要种植核桃品种香玲，在3月下旬开始萌芽，4月初花芽膨大同时展叶，4月中下旬雄花雌花相继开放。冻害主要发生时段集中在3月20日至4月30日，轻度冻害主要集中在3月下旬，核桃处于萌芽展叶期，而中、重度冻害在4月上旬发生频率最高，核桃处于开花展叶期。

(2)1960—2020年蓝田核桃萌芽期和开花期的平均气温、最高气温、最低气温均呈现上升趋势，其中平均气温和平均最高气温上升趋势较为显著。对近61a核桃萌芽、开花期平均气温做距平分析，得出萌芽期平均气温在2000年以前为偏冷期，2000年以后为偏暖期；开花期平均气温冷暖转折点出现在1998年。

(3)用MK、MTT和累计距平方法对核桃冻害期平均气温做突变检验，得出：核桃萌芽期平均气温在1999年发生突变，突变前后呈现“先下降后上升”趋势；核桃开花期平均气温在1997年发生突变，突变前气温波动式缓慢上升，突变后平均气温显著升高。冻害日数变化趋势与平均气温呈负显著相关性。1999年后，核桃萌芽期冻害发生风险有所降低；1997年后，核桃开花期冻害发生风险显著下降。同时，通过调研得知，近年来蓝田低温冻害虽然有所减少，但冻害的严重程度没有因次数的减少而呈减弱趋势，严重的花期冻害仍时有发生，因此对冻害的预防措施仍需加强。