基于寒害過程的福建芒果種植氣候風險區(qū)劃*

楊 凱，陳彬彬，陳 惠，李麗純，陳斌源，李 政

基于寒害過程的福建芒果種植氣候風險區(qū)劃*

楊 凱1，陳彬彬1，陳 惠1，李麗純1，陳斌源2，李 政3

（1.福建省氣象科學研究所，福州 350001；2.漳州市氣象局，漳州 363000；3.廣西壯族自治區(qū)氣象減災研究所，南寧 530022）

通過冬季寒害災情調查、果園定位觀測、地理移置和人工氣候箱低溫致災試驗4種渠道，收集芒果寒害的災情樣本39例，從而確定芒果寒害臨界溫度為2.0℃。在此基礎上，篩選出福建芒果主產縣市2001?2014年冬季28個寒害過程，通過將寒害過程溫度、降水等氣象因子與相對氣象產量進行相關分析，確定芒果寒害致災因子為過程極端最低氣溫、日最低氣溫≤2.0℃有害積寒、≤2.0℃寒害過程持續(xù)日數、≤2.0℃寒害過程降溫幅度。利用主成分分析對4個致災因子進行綜合簡化，得到芒果寒害評價的綜合氣候指標，結合相對氣象產量確定了指標分級。根據寒害綜合氣候指標等級，應用GIS方法完成福建省芒果寒害種植氣候風險區(qū)劃，無寒害?輕度寒害的區(qū)域主要分布在沿海地區(qū)，是引種芒果優(yōu)質品種寒害風險最低的區(qū)域。

芒果；寒害；臨界溫度；綜合氣候指標；風險區(qū)劃

芒果原產印度，是漆樹科熱帶常綠大喬木[1]，其早結豐產，種植效益高，經過多年的引種、試種、擴種，已發(fā)展成為中國主要的特色熱帶水果，2015年中國芒果種植面積位居世界第二位，占17%[2]。福建省是芒果的主產地之一，但是受季風氣候影響，時常遭受低溫寒害、臺風、干旱等氣象災害的影響，其中低溫寒害是影響芒果生產最主要的氣象災害。近年來，隨著臺灣優(yōu)質芒果品種臺農1號、金煌芒等在福建的引種擴種，芒果種植大戶和種植基地迅速增加，優(yōu)勢產業(yè)帶逐步形成。福建省地處熱帶果樹種植的北緣地帶，在全球變暖的大背景下，冬季極端低溫事件頻發(fā)，導致芒果遭受寒害[3?5]，例如2016年1月22?26日的強寒潮過程，造成寧德市芒果損失嚴重，部分種植園甚至絕收。加之部分果農在不適宜區(qū)盲目引種和擴種，進一步加重了災害損失，嚴重制約了芒果產業(yè)的健康發(fā)展。因此，開展福建省芒果低溫寒害風險評估和區(qū)劃，對防寒減災決策制定、農業(yè)生產布局和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，而合理確定芒果低溫寒害等級指標是低溫寒害評估和區(qū)劃的前提。

國內對果樹低溫寒害的風險評估及區(qū)劃研究已取得一定進展。劉錦鑾等[6?7]對荔枝、香蕉冬季寒害的災損性、易災性及防寒抗災能力等方面進行分析，但并未確定對果樹寒害有較大影響的具體低溫過程；在果樹寒害等級指標研究方面，有學者針對冬季極端最低氣溫單個因子，對果樹遭受不同等級寒害的極端低溫閾值進行了劃分，但未考慮低溫強度、低溫持續(xù)時間等影響芒果受害程度的因子[8?11]。杜堯東等[12?15]對香蕉、荔枝等開展了寒害綜合氣候指標與風險區(qū)劃研究，但針對近年來引種的新特優(yōu)熱帶果樹的寒害指標研究和風險區(qū)劃較少，特別是針對芒果寒害風險區(qū)劃方面的研究則更少。本研究以芒果寒害過程為研究對象，在冬季生長季尚未結束時，針對已發(fā)生的寒害過程對果樹的影響程度進行評估，以期為寒害的動態(tài)評估提供理論基礎。隨著氣候變化、品種更替、新的農業(yè)生產技術的應用，沿用舊的寒害指標易導致寒害風險評估及區(qū)劃出現偏差，造成生產損失。為此，本研究通過對芒果低溫寒害過程的氣象因子進行分析，確定芒果寒害臨界溫度和致災因子，構建客觀、定量的低溫寒害綜合氣候指標，得到福建省芒果寒害種植氣候風險區(qū)劃，以期為芒果低溫寒害的評估和區(qū)劃提供依據，為農業(yè)生產部門制定合理的引種擴種、防災減災決策和措施提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料

福建省長泰縣、南安市、安溪縣、仙游縣、福清縣、寧德市區(qū)6個芒果主產縣市2001?2014年芒果產量數據，來源于歷年《福建省農村統(tǒng)計年鑒》；6個主產縣市地面氣象觀測臺站2001?2014年冬季（12月?翌年2月）逐日平均氣溫、逐日最低氣溫、逐日降水量資料以及福鼎、永泰、羅源、長泰、平和、龍海、云霄7個縣氣象局觀測場2014/2015年冬季和2015/2016年冬季逐日最低氣溫資料由福建省氣象信息中心提供；芒果發(fā)生寒害所對應的當時當地的極端最低氣溫，來自芒果果園內自動氣象站或從鄰近的區(qū)域自動氣象站數據訂正獲得。

1.2 研究思路

收集芒果寒害災情樣本32例，通過分析各樣本極端最低溫度下芒果的受害癥狀，確定導致芒果遭受寒害的臨界溫度，即當冬季極端最低溫度達到某個閾值時，芒果開始受害，高于此閾值時寒害結束。

第二步，根據芒果的寒害臨界溫度，篩選出6個主產縣2001?2014年冬季可能造成芒果寒害的過程資料，將過程極端最低溫度、過程平均溫度、過程有害積寒、過程持續(xù)時間、過程降溫幅度、過程降水量與當年相對氣象產量進行相關分析，確定芒果寒害的致災因子，分析因子間的相關性，并采用主成分分析方法構建芒果寒害綜合氣候指標。

第三步，參照農業(yè)上劃分災害年型的方法，結合相對氣象產量減產率對芒果寒害綜合氣候指標進行分級，并利用綜合氣候指標閾值進行福建芒果寒害種植氣候風險區(qū)劃。

1.3 芒果寒害災情的收集

1.3.1 田間災情調查

在2014/2015年冬季和2015/2016年冬季冷空氣過程后，對福建芒果園開展寒害災情調查。根據《芒果寒害災情調查表》，記錄調查地點芒果遭受寒害的時間、詳細災情及災后果樹枝、干、葉的變化，獲得有效寒害災情樣本6例。

1.3.2 果園定位觀測

2014年10月?2016年3月，在福建南安、南靖、三都澳及廣西田林、陽圩、武鳴六地的芒果易災果園和平行觀測點，分別布設1套自動小氣候觀測系統(tǒng)（RR-9140型，北京），實時獲取溫度、濕度、降水、光照數據，并用于寒害監(jiān)測；分別安裝1臺紅外自動夜視監(jiān)測儀（SG-008型，中國），設置每日7：00?19：00每隔10min自動拍照記錄芒果果樹、果苗生長發(fā)育狀況，了解其形態(tài)變化。共獲得有效災情樣本18例。

1.3.3 地理移置試驗

試驗主要在福建省開展。福建省引種的芒果優(yōu)質品種主要為臺農1號，因此本試驗采用盆栽方式培育臺農1號果苗，待果苗植株健壯后進行地理移置。根據福建省歷史年極端最低氣溫平均值的分布規(guī)律，同時為了獲得芒果遭受寒害后最準確氣象數據，分別于2014/2015年和2015/2016年10月底，提前將芒果果苗3～4盆分別安放在福鼎、永泰、羅源、長泰、平和、龍海、云霄7個縣氣象局觀測場附近，以及漳州天寶試驗點，常規(guī)管理果苗，并在出現冷空氣過程時，按照《芒果寒害記錄表》逐日記錄果樹葉片和葉柄變色情況、枯葉和落葉情況、枯枝和主干受凍情況等寒害癥狀并拍照，共獲得有效災情樣本9例。

1.3.4 人工氣候箱低溫致災試驗

近年來，采用大型步入式人工氣候箱開展人工控制試驗，確定果樹寒害等級指標的方法已取得一些研究成果[16?17]。為獲取足夠多的災情樣本，在日本產ESPEC大型人工氣候箱內開展歷時1d的芒果寒害致災試驗。試驗在2015/2016年冬季低于20℃的天氣進行，模擬日較差8℃降溫，溫度設置范圍為?3.0～5.0℃，設定6個溫度處理為5.0℃、3.0℃、1.0℃、?1.0℃、?2.0℃、?3.0℃，每個溫度處理為3盆果苗樣本。首先將18盆果苗全部放入人工氣候箱，模擬自然降溫至設定起始溫度5.0℃，每個溫度處理保持1h恒溫，然后取出3盆果苗置于室內并做好標記，降溫過程保持每小時降溫1℃的速度，直至溫度降至?3.0℃，持續(xù)1h后取出最后1個處理。試驗結束后，將試驗所有果苗置于室外，1周后進行觀測，記錄果苗形態(tài)變化。共獲得有效災情樣本6例。

1.4 計算方法

1.4.1 相對氣象產量的計算

相對氣象產量比氣象產量能更好地描述以氣象要素為主的各種短期變動因子對產量序列的影響，在對作物或果樹進行產量分析時，可將產量分解為趨勢產量（yt）、氣象產量（yw）和隨機產量（Δy），隨機產量一般可忽略不計[18?19]，相對氣象產量可表述為氣象產量與趨勢產量的比值，即

式中，趨勢產量（yt）采用直線滑動平均進行估算，滑動步長為5a。該方法不需要預先假定趨勢產量模擬的曲線類型，不會造成資料樣本的損失[20]。

1.4.2 過程有害積寒值的計算

研究發(fā)現采用低溫持續(xù)日數和過程有害積寒可較好地表示中弱冷空氣多次補充造成的平流型寒害的累積作用，因此，采用杜堯東等提出的過程有害積寒[12?13,21]，作為芒果寒害過程中重要的氣象因子進行分析。

式中，X過程為寒害過程的有害積寒值（℃·d）；N為寒害過程持續(xù)日數（d）；Tc為寒害臨界溫度（℃），Tmin為日極端最低氣溫（℃）；Tm為日平均氣溫（℃）。

2 結果與分析

2.1 芒果寒害臨界溫度的確定

通過冬季寒害災情調查方法，獲取歷史災情樣本；結合2014/2015年、2015/2016年冬季果園定位觀測、地理移置和人工氣候箱低溫致災試驗結果，整理分析試驗觀測數據、拍照記錄、觀測人員記錄資料及相關氣象數據，得到有明確時間、地點、果樹受害癥狀、過程極端最低溫度等有效芒果寒害樣本共39例，其中33例為自然條件下調查和試驗觀測樣本（表1），6例為人工氣候箱低溫致災試驗樣本（表2）。

由表1可知，當極端最低溫度低于2.0℃時，芒果出現寒害癥狀，隨著溫度進一步降低，寒害趨于嚴重甚至芒果被凍死，而當溫度高于2.0℃時，芒果無受害癥狀；表2中當試驗處理溫度為3.0℃持續(xù)時間1h時，芒果無受害癥狀，但當溫度降至1.0℃持續(xù)時間1h時，芒果葉片變色，遭受寒害。由此可以確定芒果的寒害臨界溫度為2.0℃，即當極端最低氣溫≤2. 0℃時，芒果寒害過程開始，當極端最低氣溫＞2. 0℃時，寒害過程結束。

表1 芒果寒害災情調查和觀測樣本

Table 1 Disaster samples of mango cold injury by investigation and observation

（續(xù)表）

注：A表示樣本來源于果園定位觀測，B表示樣本來源于地理移置試驗，C表示樣本來源于災情調查。

Note：“A” indicates that sample was from the orchard positioning observation; “B” indicates that sample was from the geographical displacement experiment;“C”indicates that sample was from the disaster investigation.

表2 人工氣候箱低溫致災試驗芒果苗寒害癥狀

Table 2 Cold injury symptoms of mango seedlings in low temperature disaster experiment of artificial climate chamber

2.2 寒害過程篩選結果

選取福建省長泰縣、南安市、安溪縣、仙游縣、福清市、寧德市區(qū)6個芒果主產縣市，根據已確定的芒果寒害臨界溫度2.0℃，篩選6個縣市2001?2014年冬季極端最低溫度≤2. 0℃的寒害過程，確定寒害過程開始和結束的時間，并從中選取當年≤2. 0℃持續(xù)時間最長的寒害過程。由此可得，長泰縣符合條件的寒害過程有4個，南安市符合條件的有1個，安溪縣符合條件的有3個，仙游縣符合條件的有8個，福清市符合條件的有2個，寧德符合條件的有10個，共篩選出28個寒害過程。

2.3 芒果寒害風險綜合氣候指標的確定

2.3.1 綜合氣候指標計算

根據篩選出的28個芒果寒害過程開展寒害致災因子的研究，將過程極端最低溫度、過程平均溫度、過程有害積寒、過程持續(xù)時間、過程降溫幅度、過程降水量與當年相對氣象產量進行相關分析，研究發(fā)現過程極端最低氣溫（X1）、日最低氣溫≤2.0℃有害積寒（X2）、≤2.0℃寒害過程持續(xù)日數（X3）、≤2.0℃寒害過程降溫幅度（X4）與相對氣象產量的相關性最好，4個氣象因子均通過了0.05水平的顯著性檢驗，故選取這4個因子作為芒果寒害的致災因子。

芒果寒害4個致災因子X1、X2、X3、X4序列間的相關系數見表3，由表可以看出，致災因子兩兩之間的相關系數均通過了0.01水平的顯著性檢驗，表明致災因子之間并不獨立，而是互有影響。因此，為了避免信息重疊而影響分析效果，利用主成分分析對4個致災因子進行綜合簡化。

表3 致災因子間的相關系數矩陣

注：X1為寒害過程的極端最低氣溫（℃），X2為日最低氣溫≤2.0℃有害積寒、X3為≤2.0℃寒害過程持續(xù)日數（d）、X4為≤2.0℃寒害過程降溫幅度（℃）

Note:X1is the extreme minimum temperature of cold injury process, X2is the accumulated value of cold injury process for the extreme minimum daily temperature ≤2.0℃, X3is the sustained days of cold injury process for the temperature ≤2.0℃, X4is the cooling range of cold injury process for the temperature ≤2.0℃.

運用SPSS統(tǒng)計軟件中的主成分分析工具，對芒果寒害4個致災因子X1、X2、X3、X4序列進行分析，軟件提取了第一主成分，其累計方差貢獻率達到76.11%，說明這一主成分已能充分說明數據間的波動原因，并得到協(xié)方差矩陣的特征根λ=（2.030，1.014，0.331，0.088），以及特征向量A1、A2、A3、A4分別為?0.656、0.737、0.866和0.492。

由此可構建芒果寒害綜合氣候指標（HI）為

HI=?0.656X1+0.737X2+0.866X3+0.492X4（3）

由式（3）可知，寒害綜合氣候指標HI與冬季極端最低氣溫X1呈負相關關系，而與其它3個致災因子呈正相關關系，即≤2.0℃有害積寒越大，≤2.0℃低溫持續(xù)日數越多，≤2.0℃寒害過程降溫幅度越大，冬季極端最低氣溫越低，則寒害綜合氣候指標HI越大，芒果遭受的寒害等級就越高，這與果樹實際發(fā)生的災害過程是相符的。

2.3.2 綜合氣候指標分級

參照農業(yè)上劃分災害年型的方法，將相對氣象產量減產率（%）分為0～10%、10.1%～20%、20.1%～30%、30.1%～100%共 4個等級，分別對應輕、中、重、嚴重寒害等級[22?23]。將計算篩選出的芒果主產縣市28個寒害過程綜合氣候指標（HI）與當年芒果相對氣象產量繪制點聚圖（圖1）。

圖1 28個寒害過程綜合氣候指標［HI，由公式（3）計算］與相對氣象產量間關系

由圖1可見，芒果寒害綜合氣候指標HI與相對氣象產量呈顯著負相關關系（R=?0.383，P＜0.05）。采用線性回歸方法對兩個因子進行分析，可得到一元線性回歸方程。

y=?0.142x+10.12 （4）

式中，y為芒果寒害綜合氣候指標，x為相對氣象產量。用相對氣象減產率（%）x=?30、?20、?10、0代入方程，得到芒果各級寒害綜合氣候指標的閾值，并據此確定各寒害等級的指標區(qū)間（表4）。

2.3.3 綜合氣候指標驗證

選取寧德市2001?2014年冬季芒果寒害綜合氣候指標與相對氣象產量進行對比印證（圖2）。從圖2可知，芒果寒害綜合氣候指標與相對氣象產量呈現明顯相反的變化趨勢，芒果產量較低的年份，寒害綜合氣候指標數值就大，反之產量高的年份，則綜合氣候指標就小。其中2005、2009、2011年芒果產量較低，相應的寒害綜合氣候指標較大，這與寧德市2004?2005年冬季、2008?2009年冬季和2010?2011年冬季芒果遭受低溫寒害，從而導致當年產量降低的實際情況相一致。計算芒果寒害綜合氣候指標與相對氣象產量的相關系數為?0.606（P＜0.05）。綜上所述，本研究的寒害綜合氣候指標可以用來分析福建省芒果寒害的輕重。

表4 芒果寒害綜合氣候指標等級

Table 4 Grade of comprehensive climatic index for mango cold injury

2.4 福建芒果寒害種植氣候風險區(qū)劃

建立芒果寒害綜合氣候指標與測站經度、緯度和海拔高度的多元回歸模型，利用GIS技術對其進行地理插值推算，將點狀數據轉化為面狀格網數據，解決無氣象觀測資料地區(qū)的寒害指數計算問題，實現寒害綜合氣候指標的空間連續(xù)分布。

由福建芒果寒害種植氣候風險區(qū)劃圖可見（圖3），福建省芒果無寒害?輕度寒害的區(qū)域主要分布在沿海地區(qū)，是福建省引種芒果災害風險最低的區(qū)域，適宜芒果的引種擴種，但遇冬季冷空氣過程時也應采取灌水、稻草覆蓋、熏煙、高培土、樹干包扎、果實套袋、增施熱性磷鉀肥、噴施果樹防凍劑等防寒措施，以減輕或避免寒害損失；中度寒害區(qū)主要分布在南靖縣、上杭縣、福鼎市、三明市區(qū)、德化縣，是福建省引種芒果災害風險較低的區(qū)域，由于芒果樹體較大，采用設施大棚進行種植成本較高，建議這些區(qū)域不作引種；其余地區(qū)為重度寒害?嚴重寒害區(qū)域，不適宜芒果的引種試種。

圖3 福建省芒果寒害種植氣候風險區(qū)劃

3 結論與討論

3.1 討論

通過冬季寒害災情調查、果園定位觀測、地理移置和人工氣候箱低溫致災試驗4種渠道收集芒果寒害災情樣本39例，其中33例為自然條件下調查和試驗觀測樣本，6例為人工氣候箱低溫致災試驗樣本，從災情樣本中可以看到當極端最低溫度低于2.0℃時，芒果出現寒害癥狀，從而確定芒果寒害臨界溫度為2.0℃，這與陳惠等[24?25]研究的芒果寒害起始受害極端最低氣溫2.0℃相一致，即當最低氣溫≤2.0℃時，芒果開始遭受寒害。

根據確定的芒果寒害臨界溫度，從福建芒果主產縣市2001?2014年冬季低溫過程中共篩選出28個芒果寒害過程。通過將寒害過程溫度、降水等氣象因子與相對氣象產量進行相關分析，確定過程極端最低氣溫、過程有害積寒、過程持續(xù)日數和過程最大降溫幅度為芒果寒害的4個致災因子，因子之間相關性顯著。基于4個致災因子，采用主成分分析方法構建芒果寒害綜合氣候指標，其第一主成分累計方差貢獻率達到76.11%，物理意義清晰。根據災害年型的劃分方法，最終確定輕、中、重、嚴重寒害綜合氣候指標等級分別為10.12＜HI≤11.54、11.54＜HI≤12.96、12.96＜HI≤14.38、HI＞14.38。為了驗證指標的代表性和準確性，對寧德市歷年相對氣象產量和寒害綜合氣候指標進行試算，結果表明兩者有顯著的負相關關系，指標很好地反映了芒果災害年遭受的寒害輕重，說明該指標對評價芒果寒害受害程度有實際參考價值。從芒果寒害綜合氣候區(qū)劃結果來看，無寒害?輕度寒害的區(qū)域主要分布在福建省沿海地區(qū)，是引種芒果優(yōu)質品種寒害風險最低的區(qū)域，適宜引種擴種，這也與芒果的實際種植區(qū)域基本一致，區(qū)劃結果可為芒果寒害監(jiān)測預警、農業(yè)生產區(qū)劃及產業(yè)帶建設提供理論依據。

應當指出的是，影響果樹寒害的因子很復雜，其發(fā)生及程度還受植物學因子的影響[26?28]。本研究未對芒果遭受寒害后植物生理指標進行測定，僅針對氣象因子進行了分析，如何結合陰雨、大風、日照等設計寒害指標試驗，并得到寒害預警業(yè)務所需的更精細、更準確綜合性指標，還有待今后進一步研究。

3.2 結論

通過對典型寒害過程分析，芒果寒害臨界溫度為2.0℃；利用芒果寒害綜合氣候指標，確定輕、中、重、嚴重寒害綜合氣候指標等級分別為10.12＜HI≤11.54、11.54＜HI≤12.96、12.96＜HI≤14.38、HI＞14.38；從綜合氣候區(qū)劃結果看，福建省沿海地區(qū)為無寒害或輕度寒害區(qū)域，是引種優(yōu)質品種寒害風險最低的區(qū)域。

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Climatic Risk Regionalization of Mango Planting in Fujian Province Based on Cold Injury Process

YANG Kai1，CHEN Bin-bin1，CHEN Hui1，LI Li-chun1，CHEN Bin-yuan2，LI Zheng3

(1. Fujian Institute of Meteorological Science, Fuzhou 350001, China; 2. Zhangzhou Meteorological Bureau, Zhangzhou 363000; 3. Institute of Guangxi Meteorological Disaster Mitigation, Nanning 530022)

Based on the39 mango cold disaster samples collected through four channels which were disaster investigation of cold injury in winter, orchard positioning observation, geographic displacement experiment and low temperature disaster experiment of artificial climate chamber, the critical temperature of cold injury for mango was determined to be 2.0℃. On this basis, 28 cold injury processes were screened out in winter from 2001 to 2014 in Fujian major mango producing counties and cities.By correlating the meteorological factors such as temperature and precipitation in the process of cold injury with the relative meteorological yield, the disaster-inducing factors for cold injury of mango was determined as extreme minimum temperature of cold injury process, accumulated value of cold injury process for the extreme minimum daily temperature ≤2.0℃, sustained days of cold injury process for the temperature ≤2.0℃, and cooling range of cold injury process for the temperature ≤2.0℃. By using the method of principal component analysis to simplify comprehensively four disaster-inducing factors, the integrated climatic index of cold injury evaluation of mango was obtained, and the index classification was determined by combining the relative meteorological yield.According to the grade of comprehensive climatic index of cold injury, the climatic risk regionalization of mango planting for cold injury was completed by using GIS method in Fujian Province. The region with no or mild cold injury mainly distributes in the coastal areas, which is the region with the lowest risk of cold injury for introducing high-quality mango varieties.

Mango; Cold injury; Critical temperature; Comprehensive climatic index; Risk regionalization

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.11.006

楊凱,陳彬彬,陳惠,等.基于寒害過程的福建芒果種植氣候風險區(qū)劃[J].中國農業(yè)氣象,2019,40(11):723-732

2019?04?26

。E-mail：ch775@126.com

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201406027）；福建省自然基金項目（2018J01047）；福建省科技廳農業(yè)引導性（重點）項目（2017N0011）；福建省氣象局開放式氣象科學研究基金項目（2015K02）作者簡介：楊凱（1979?），碩士，高級工程師，從事農業(yè)氣象和氣候變化研究。E-mail：yangkai_1998@163.com