金华地区茶树种植气象灾害时空分布特征

鹿 翔 , 韩芙蓉 , 吴天贻 , 舒素芳

金华市气象局， 浙江 金华 321000

0 引 言

茶树作为一种多年生常绿木本植物，在全国范围内广泛种植。金华位于我国四大茶区之一的江南茶区，属于盆地、丘陵地貌，气候、土壤条件适合茶树的种植，尤其是武义、东阳和磐安等地区是重要的茶叶产地，也出现了武阳春雨等世界知名的茶叶品牌。茶树作为一种喜温、喜湿、喜漫射光的多年生亚热带常绿植物，光照、温度、水分是影响其生长和品质的最主要气象因子(杨亚军,1986；金志凤等,2014；陶瑶等,2020;唐俊贤等,2021)。近年来，由于气候异常导致茶树气象灾害频发，制约了茶树的生产，其中对茶树影响较大的气象灾害是低温冻害，主要表现为春季霜冻，霜冻不仅使得茶叶开采期推迟，而且还会导致茶叶嫩芽生长停滞甚至枯死，减产降质(王怀龙等,1981；陶瑶等,2019)。针对茶树的春季霜冻灾害，许多学者开展了研究。例如，胡波等(2014)采用FastICA负熵最大化算法分析了浙江茶树春季霜冻时空变化特征。刘瑞娜等(2021)利用ANUSPLIN插值模型对安徽省茶种植区进行了风险评估。冬季的冻害也是影响茶树生长的主要气象灾害(康国章等，2002)。娄伟平和肖强(2016)研究发现，江南茶区的冬季冻害发生比较频繁，对茶叶生产造成一定的经济损失。此外，夏季连续3 d及以上日最高气温超过35 ℃、日平均气温超过30 ℃且日平均相对湿度小于60%时，容易出现高温热害，导致茶树生长速度减缓，叶绿素遭到破坏，光合作用停止，茶叶蛋白质凝固，酶活性丧失，影响茶叶物质的积累，甚至叶片枯萎而脱落，茶叶的品质遭到严重的影响(卢健等,2013)。姜燕敏等(2014)、何辰宇等(2016)研究发现，浙江、福建等茶叶主产区地易出现高温热害，导致叶芽萎缩、茶叶中氨基酸和维生素含量减少，影响茶叶品质。杨菲等(2017)总结了高温干旱对茶树生长和品质影响的机理。目前，针对茶树气象灾害的研究主要集中在气象灾害的风险指数和气象灾害区划等方面，而对于茶树气象灾害发生日数及其要素的时空分布特征研究相对较少。金华地区作为浙江茶叶的重要产区，茶树气象灾害频发，有必要对当地茶树生长期的气象灾害发生规律进行研究。文中通过统计金华地区茶树低温冻害、高温干旱等气象灾害发生的频数，分析茶树种植气象灾害气象要素的分布规律、综合风险分布和变化趋势，以期对茶树种植区域规划布局和气象灾害监测预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

文中所用的气象资料为金华市8个国家气象站1953—2020年气温观测数据，以及154个代表性区域自动站(包含相对湿度观测的35个六要素自动站)2005—2020年气温和相对湿度等数据；2020年各乡镇茶树种植面积数据由金华市统计局提供；金华地区30 m×30 m分辨率的DEM高程数据来由国土部门提供。

1.2 方 法

1.2.1 气象灾害分布模型

决定茶树能否正常生长的限制因子是低温冻害和高温热害。冻害越轻，茶树生长越好，产量也越高。茶树冻害按生物学时间可分为越冬期冻害和春季霜冻害，而高温热害主要发生在夏季。表1给出了茶树种植三种主要农业气象灾害的划分标准(金志凤等，2011)。

表1 茶树种植气象灾害指标

为了客观描述茶树春季霜冻和冬季冻害气象指标因子在金华地区的分布情况，利用DEM高程数据提取的30 m×30 m格点的经纬度和海拔等地理要素，将经度、纬度和海拔高度三个因子作为自变量，茶树气象灾害的年平均出现天数作为因变量，运用数理统计软件SPSS进行多元线性回归分析，建立茶树气象灾害指标和地理信息要素之间的统计模型(表2)。结果表明，茶树的春季霜冻和冬季冻害的推算模型的复相关系数为0.758和0.784，F值为73.881和75.659，均通过了信度0.05的显著性检验，具有良好的统计学意义，以此推算春季霜冻和冬季冻害在无测站区域的发生状况。

表2 茶树气象灾害指标因子空间推算模型

对于夏季高温热害，统计历年达到高温热害标准的日数。以金华地区具有代表性的35个六要素区域站数据为样本，基于ArcGIS的反距离权重插值法，得到夏季高温热害发生日数分布。

1.2.2 综合风险模型

应用综合分析法建立茶树种植气象灾害综合风险分布模型。参考金志凤等(2014)的研究方法，采用层次分析法确定早春霜冻害、夏季高温热害和冬季冻害三种茶树种植气象灾害在综合评价中的权重，分别为0.58、0.11、0.31。在对三种农业气象灾害的发生频率进行统一量纲后，基于ArcGIS的栅格计算器对三种灾害进行叠加得到金华地区茶树种植气象灾害综合风险分布。

1.2.3 趋势分析和突变检验

利用趋势分析方法分析金华地区茶树春季霜冻灾害时间尺度上的气候变化特征，然后通过Mann-Kendall突变检验对茶树春季霜冻的变化趋势和突变转折点进行分析(符淙斌和王强，1992)。

2 结果分析

2.1 茶树种植气象灾害空间分布

茶树霜冻指在早春时节，受强冷空气侵袭，气温在短时间内下降到4 ℃以下，危害茶树生长的一种农业气象灾害。早春茶树新芽和嫩梢的抵抗低温能力较弱，极易受到霜冻影响，轻则幼嫩芽叶弯曲、变褐、变焦，重则茶树生长衰弱，枝枯叶落，甚至死亡。低温是茶树遭受冻害的直接气象原因。当日最低气温低于4 ℃时，茶树新芽嫩叶生长将受到低温冻害影响，对春茶的产量和品质影响很大(王培娟等,2021)。

图1分别给出了茶树春季霜冻和冬季冻害发生日数分布。分析发现，金华地区茶树春梢期低温霜冻灾害频发区域主要集中于磐安、东阳和义乌北部、浦江西北部，以及婺城和武义交界处。这些区域海拔较高，早春气温较低，霜冻出现概率较高，一般平均每年出现霜冻的日数都在13 d以上，遭受霜冻的风险较高。兰溪西部和婺城北部地势平坦，早春回温快，发生春季霜冻的概率较低，每年出现霜冻的日数不足3 d，为低风险区。其他区域为中风险区。

对比分析图1a、b发现，茶树冬季冻害的风险分布与春季霜冻相似。冬季冻害主要发生在磐安、东阳和义乌北部、浦江西北部，以及婺城和武义交界处。上述区域平均每年出现冻害的日数在8 d以上，对处于越冬休眠期的茶树生长产生较大影响。无风险区主要为兰溪和婺城的交界区。此区域冬季基本不会出现气温低于-5 ℃的天气。低风险区主要集中于兰溪、婺城、金东、武义和永康地区。这些区域平均每年出现冻害的日数在3 d以下。东阳、义乌、浦江大部分地区是中风险区，出现冻害的日数为3—8 d。

图1 1953—2020年金华地区茶树春季霜冻(a)和冬季冻害(b)发生频率(单位：d/a)分布Fig. 1 Frequency distribution (units：d/a) of spring frost (a) and winter frost damage (b) for tea trees in Jinhua area from 1953 to 2020

图2给出了茶树夏季高温热害发生日数分布。分析发现，金华地区茶树高温热害的高风险地区主要集中于浦江、义乌北部、金东区和义乌交界处、金华市区以及兰溪西部部分地区。上述区域盛夏气温高、湿度较低，平均每年发生高温热害的日数在10 d以上。武义作为茶叶主产区之一，大部分地区发生高温热害的风险为中等，每年出现高温热害的日数在5 d左右。而磐安、东阳、永康基本处于低风险区，每年出现高温热害的日数在5 d以下，其中磐安地区基本不会发生高温热害。

图2 1953—2020年金华地区茶树夏季高温热害发生频率(单位：d/a)分布

综合春季霜冻害、夏季高温热害和冬季冻害三种对金华地区茶树影响最大的气象灾害分析发现，对茶树影响最大、发生最为频繁的是春季霜冻害，高温热害和冬季冻害因出现概率较低，对茶树生长影响较小。分析金华地区茶树种植气象灾害综合风险分布(图3)发现，茶树综合气象灾害高风险地区主要集中于磐安、浦江西北部、婺城区南部和武义西部，这些区域发生春季霜冻和冬季冻害的频率较高，茶树种植气象灾害的综合风险高。武义、磐安、东阳和浦江是金华地区茶树种植的主产区，11个乡镇的茶树种植面积都超过700 hm2，其中磐安县尖山镇的茶树种植面积达到了1 500 hm2(图4)。结合图3可以发现，金华地区茶树主要产区都面临较高的气象灾害综合风险，应加强当地茶树种植气象灾害的监测预警，提高抗灾能力，从而提高效益。中风险地区主要集中于义乌、东阳、永康和金东区，这些区域的乡镇茶树种植面积基本都低于33 hm2，产量和产值相对较低，所面临的茶树种植气象灾害风险较小。低风险区主要集中在婺城区和兰溪，这些区域茶树种植面积少、发生气象灾害的概率低，形成的危害也较小。

图3 金华地区茶树种植气象灾害综合风险分布

图4 金华地区茶树种植面积(单位：hm2)分布

2.2 茶树种植气象灾害时间分布

春季霜冻作为危害金华地区茶树种植最重要的气象灾害，分析时间变化趋势有利于掌握其在气候变化背景下的发生规律。利用金华地区国家气象站日最低气温资料，统计各站点发生春季霜冻的日数和极端最低气温分布。以金华站为例(图5)，1953年以来年均出现春季霜冻日数5.2 d；最大值为17 d，出现在1954年；共有5年没有出现霜冻灾害。而从春季霜冻日数的变化趋势看，发生茶树春季霜冻的概率逐年减小，气候倾向率为-0.8 d/(10 a)，即1953—2020年春季霜冻日数减少了5.2 d。春季极端最低气温的变化趋势呈现与春季霜冻日数基本相反的分布,两者相关关系达到-0.737，且通过信度0.05的显著性检验。这说明春季霜冻频发的年份，极端最低气温也相对较低。从极端最低气温的线性拟合趋势也可以看出，极端最低气温呈现逐年升高的趋势，气候倾向率为0.24 ℃/(10 a)；尤其是2010年以来的3—4月极端最低气温都在0 ℃以上。结合春季霜冻日数和极端最低气温来看，春季霜冻发生频率降低的情况下，极端最低气温呈现显著的上升趋势，表明茶树遭受春季霜冻的风险逐年降低。

图5 金华气象站1953—2020年春季霜冻日数和最低气温变化

进一步运用气候突变检验方法Mann-Kendall进行突变检测，以分析茶叶主要产区金华和武义茶树春季霜冻发生日数的时间变化(图6)。

图6 金华(a)、武义(b)气象站春季霜冻日数M-K统计检验结果Fig. 6 M-K curve of frost days in spring in Jinhua (a) and Wuyi (b)

由图6a可以看出，20世纪50年代金华站的UF曲线大于0，说明此时的霜冻害发生频率呈上升趋势。进入60年代以后发生霜冻害的风险呈下降趋势。70—80年代UF线重新升至0以上，在70年代初甚至达到临界线，表明此时金华春季霜冻害的发生频率不断上升，且趋势非常显著。进入20世纪90年代后霜冻发生频率逐渐下降，且在2015年前后UF线和UB线相交，说明此时霜冻害变化的趋势发生了突变现象，即2010年以来金华的霜冻害发生频率呈现显著减少趋势。

作为茶叶重要产区的武义(图6b)，茶树春季霜冻发生频率在20世纪60年代呈下降趋势，70年代为上升趋势，80年代以后逐渐下降，其中进入21世纪后UF曲线低于临界线，UF线和UB线多次相交，表明武义地区发生霜冻害的频率发生了突变，且呈现显著下降趋势。

3 结论与讨论

文中通过统计低温霜冻、高温干旱等发生频数，分析金华地区茶树种植气象灾害特征，得到：

1) 春季霜冻害、夏季高温热害和冬季冻害三种气象灾害中，影响金华地区茶树种植的最主要气象灾害是春季霜冻，夏季高温热害和冬季冻害的影响程度相对较轻。

2) 春季霜冻和冬季冻害高发地区集中于磐安、东阳和义乌北部、浦江西北部、婺城和武义交界处。夏季高温热害的高发地区主要集中于浦江、义乌北部、金东区和婺城区等盆地、平原地区。综合茶树种植气象灾害的高风险地区主要集中于磐安、浦江西北部、婺城区南部和武义西部。

3) 金华地区春季霜冻害发生较为频繁，但1965年以来茶树春季霜冻发生概率呈逐年变小的趋势。进入21世纪以后，金华地区发生春季霜冻的概率出现显著的减小。

本研究发现金华地区茶树主要种植区域，面临较高的气象灾害综合风险，与金志凤等(2014)的研究结论一致。在气候变暖背景下，虽然金华地区春季霜冻灾害风险呈减小趋势，总体有利于当地春茶生产，但由于极端天气气候事件频发，仍需加强茶树种植气象灾害监测预警，提高抗灾能力，减少气象灾害带来的损失。

文中仅对金华地区茶树种植气象灾害分布规律进行分析，但未涉及气象灾害的孕灾环境和承灾能力。而茶树种植气象灾害风险的高低，除了受气象灾害本身发生规律影响之外，还受防灾减灾能力和社会经济发展水平等因素的综合影响。今后将进一步对金华地区茶树种植气象灾害风险进行更为全面的评估。