低溫凍害對江西油菜產量的影響及其變化特征研究

吳 昊，邵明陽，沈福生，段沙麗

(1.九江市氣象局，江西 九江 332000；2.九江市農業農村局，江西 九江 332000)

油菜是江西省的第一大油料作物，占全省油料播種面積的70%、總產的55%。油菜全生育期長，歷經秋、冬、春3個季節，潛在氣象災害的種類多、風險高，以冬春季低溫凍害更為突出。

油菜苗期低溫凍害是指氣溫降至-3～-5 ℃時，葉片開始受凍，-7～-8 ℃受害較重，如伴有大風出現，凍害更加嚴重[1-7]。氣溫降至-10 ℃且持續時間較長時，會造成心葉受凍以致全株死亡[3]。油菜抽薹后抗寒性下降，0 ℃以下低溫蕾薹即受凍[4-7]。油菜開花期氣溫驟降至5 ℃時油菜即停止開花，0 ℃以下的低溫時油菜開始受凍，當氣溫下降到-2 ℃以下則對油菜開花影響很大，分段結實或花而不實，結實率顯著減少，甚至整個花序、花蕾枯萎脫落[1-7]。當氣溫<5 ℃且風輕云淡時，夜間至清晨易發生霜凍[8]，油菜蕾薹及花器會發生凍害[9]。何永梅[10]研究表明：甘藍型油菜各部分越冬期最低致死溫度分別為髓部-8.8 ℃、莖部輸導組織-11.4 ℃、油菜根頸致死溫度為-9.9 ℃。董芹等[2]結合低溫持續時間，對凍害等級進行了劃分：苗期低溫凍害，日最低氣溫≤-5 ℃持續1～2 d為輕度，持續3 d為中度，持續>3 d為重度；開花期低溫凍害，日最低氣溫在0 ℃左右持續1 d為輕度，持續2～3 d為中度，持續>3 d為重度。

江西省1959～2019年最低氣溫≤-3.0 ℃的低溫日，最早出現在11月19日(1979年)，最晚出現在3月11日(2010年)；最低氣溫<0 ℃的低溫日，最晚出現在4月5日。可見，當地油菜低溫凍害的潛在時間為11月至翌年4月，季節跨度大。

在全球氣候變化背景下，低溫凍害表現出突發性和極端性的特征。繼1991年底的罕見低溫冰雪與2008年初南方數省持續凍雨之后，2015年冬季以來，贛北及贛中部分地區均出現了多次較明顯的冰雪或強寒潮天氣，局部地區極端最低氣溫達-10 ℃左右。不僅如此，倒春寒與晚霜凍天氣也時有出現，給油菜安全越冬與正常現蕾、抽薹、開花造成不利影響。張學昆等[11]對江西省九江縣(現柴桑區)、德安縣、分宜縣、袁州區等地區的油菜調查發現，2008年持續凝凍天氣，80%的油菜受到輕度凍害(1～2級)，中度凍害比例為9%。

本研究以江西油菜單產與油菜苗期至花期低溫凍害為研究對象，在分析研究低溫凍害強度與油菜產量相關性的基礎上，開展油菜低溫凍害發生變化的特征分析，為科學防御油菜低溫凍害提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源與處理

油菜產量數據來源于江西省、市、縣的統計年鑒；氣象數據來源于國家氣象信息中心(CIMISS)氣象數據統一服務接口，時間序列為1959年秋～2019年春，代表站為1959年以來有連續氣象觀測的83個地面氣象臺站(不含高山站)。油菜發育期觀測資料來源于江西省內國家農業氣象一級站：湖口、瑞昌、婺源、余干、南昌縣、泰和、宜豐、蓮花等。數據經過質量控制檢驗。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象產量 氣象因素是影響作物產量年際波動的主要因子[12]。在農業氣象產量預報業務中，為了建立氣象因子與作物產量的關系模型，一般將作物產量分解為趨勢產量(yt)、氣象產量(yw)和隨機產量(△y)3個部分[12-13]，具體見公式(1)。

y=yt+yw+△y

(1)

式(1)中，y為實際產量，yt為趨勢產量(即受農技措施、社會發展水平所決定)，yw為氣象產量(即受氣象因素所決定)，△y為隨機產量(一般忽略不計，僅在特殊年份用于修正估計)。以前5年產量的滑動平均值作為某年的趨勢產量。

1.2.2 低溫凍害統計方法 表1列出了近10 a江西8個國家農業氣象一級站，油菜現蕾普遍期(即50%的植株開始現蕾)的觀測日期。由表1可以看出，多數年份當地油菜現蕾普遍期出現在1月底至2月初(8個觀測站10 a的平均日期為1月27日)。

表1 2011～2020年油菜現蕾普遍期 月/日

油菜凍害影響程度，與低溫強度、持續時間、影響范圍、油菜的生育進程均有關。為了更好地揭示低溫凍害的影響，本研究將冬季劃分為2個階段，即：前冬(入冬至1月31日，下同)，此期油菜以營養生長為主；后冬(2月1日開始，下同)，此期油菜生殖生長逐漸明顯，抗寒能力下降。

為更加精細地揭示低溫凍害強度與油菜產量的關系，將低溫劃分出以下閾值區間，即：前冬-3.0～-4.9 ℃、-5.0～-6.9 ℃、≤-7 ℃，后冬-0.1～-2.9 ℃、-3.0～-4.9 ℃、≤-5 ℃，分別統計全省各觀測站每年達到標準的天數，以此表示全省不同低溫強度油菜凍害的發生程度(單位：站·d)。

1.2.3 相關分析與模型 運用逐步回歸方法，分析各區間的站日數與油菜氣象產量的相關性，提取油菜產量形成的敏感低溫閾值，建立低溫與油菜氣象產量關系模型。

1.2.4 趨勢特征分析 采用線性回歸方法，分析全省油菜低溫凍害年分布線性趨勢特征，相關系數的顯著水平P稱為“氣候傾向顯著水平”，擬合線斜率b稱為“趨勢傾向率”[14]；采用小波方法，分析其周期性趨勢特征[15-17]；采用Mann-Kendall檢驗方法，分析其突變性特征[17-18]。

2 結果與分析

2.1 相關性

表2按照相同的時間段、不同的低溫閾值，表3按照相同的低溫閾值、不同的時段，分別列出了全省低溫凍害的發生年次、概率及其與油菜氣象產量的相關系數與顯著水平。

表3 近60 a相同低溫閾值在不同時段發生情況及其與油菜氣象產量的相關性比較

由表2可以看出，在前冬≤-3 ℃、后冬<0 ℃的日最低氣溫站日數，均與油菜氣象產量呈負相關。其中，在前冬，日最低氣溫≤-5 ℃的站日數與油菜氣象產量呈較接近但未達到顯著的負相關；而-5 ℃<日最低氣溫≤-3 ℃的站日數與油菜氣象產量呈負相關，但顯著水平較低；在后冬，日最低氣溫在-3.0 ℃以下的站日數與油菜氣象產量呈顯著的負相關，-3 ℃<日最低氣溫<0 ℃的站日數與油菜氣象產量呈負相關，但負相關水平卻不夠顯著。

表2 近60 a相同時段不同低溫閾值發生情況及其與油菜氣象產量的相關性比較

由表3可知，就整個低溫凍害風險期(11月～翌年3月)而言，無論是日最低氣溫≤-7 ℃的站日數，還是≤-5 ℃或≤-3 ℃的站日數，與油菜氣象產量均呈顯著負相關。但在分階段，其負相關顯著水平則存在偏低的現象。

2.2 關系模型

基于上述分析，運用逐步回歸方法，得到如下油菜氣象產量的關系模型。

模型Ⅰ：ymet=71.0-0.20x

(1)

式(1)中，ymet為氣象產量，x為2～3月全省日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(圖1)。模型的相關系數為0.266，顯著水平P值為0.040，F值為4.42，剩余標準差為64.78。

圖1 后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數與油菜氣象產量的關系

模型Ⅱ：ymet=74.4-0.42x1-0.18x2

(2)

式(2)中，ymet為氣象產量，x1為11月～翌年1月全省日極端最低氣溫≤-7 ℃的站日數(圖2)，x2為2～3月全省日極端最低氣溫≤-3 ℃的站日數(圖1)。模型的復相關系數的0.301，顯著水平P值為0.066，F值為2.85，剩余標準差為64.64。

圖2 前冬日最低氣溫≤-7 ℃的站日數與油菜氣象產量的關系

模型Ⅲ：ymet=73.7-0.19x

(3)

式(3)中，ymet為氣象產量，x為11月～翌年3月全省日最低氣溫≤-5 ℃的站日數(圖3)。模型的復相關系數的0.256，顯著水平P值為0.049，F值為4.05，剩余標準差為64.97。

圖3 日最低氣溫≤-5 ℃的站日數與油菜氣象產量的關系

2.3 低溫凍害發生特征

基于上述研究結果，以下重點分析前冬(1月31日前，下同)日最低氣溫≤-5 ℃站日數與后冬至早春階段(2月1日后，下同)日最低氣溫≤-3 ℃站日數的時間分布特征。前冬日最低氣溫≤-5 ℃站日數，近60 a全省平均為59.2站·d，發生概率為0.85，以1962～1963年的384站·d為最多。此期間未出現≤-5 ℃的低溫年份有9 a，分別是1963～1964、1974～1975、1989～1990、1990～1991、1994～1995、2000～2001、2009～2010、2016～2017、2018～2019。

后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數，近60 a全省平均為52.7站·d，以1972年的366站·d為最多，有7 a未出現≤-3 ℃的低溫，分別是1972～1973、1981～1982、1982～1983、1993～1994、2001～2002、2008～2009、2018～2019。

2.3.1 年線性變化趨勢 回歸分析結果表明，近60 a來，前冬日最低氣溫≤-5 ℃(圖4-A)和后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數(圖4-B)均呈極顯著的線性遞減趨勢，達到極顯著水平(P<0.01)。

圖4 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年變化線性分析

2.3.2 年代際分布 由表4可知，1960年代以來，前冬≤-5 ℃的低溫凍害站日數總體呈減少趨勢，特別是1980年代顯著減少，1990年代有小幅上升；后冬≤-3 ℃的低溫凍害站日數在1970年代出現最大值，至1980年代同樣出現大幅度的減少，隨后維持偏少發生的水平，2010年代較2000年代增多近7 成。

表4 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年代分布

2.3.3 周期性趨勢 近60 a江西省前冬日最低氣溫≤-5 ℃站日數年變化，主振蕩周期尺度為8 a，次振蕩周期尺度為4 a，還存在強度較弱的14 a長周期，如圖5-A、圖5-C。

近60 a當地后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數，主振蕩周期尺度為28 a，次振蕩周期為3 a和 9 a，如圖5-B、圖5-D。綜合分析圖5可以看出，未來10 a當地油菜低溫凍害風險有上升的趨勢。

圖5 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年變化小波分析

2.3.4 突變趨勢 Mann-Kendall檢驗分析結果表明，全省前冬日最低氣溫≤-5 ℃的站日數年分布，1981年冬出現突變點，1988年冬開始持續突變減少的狀態，如圖6-A；而后冬日最低氣溫≤-3 ℃的站日數，在1987年出現減少的突變點，2002～2019年(不含2018年)持續突變減少的狀態，如圖6-B。

圖6 1959～2019年江西油菜低溫凍害強度年變化突變分析

3 討論

就整個冬季而言，日最低氣溫≤-7 ℃和≤-5 ℃的站日數，與油菜氣象產量的負相關均達到顯著水平；但在前冬或后冬的分階段統計分析中，相關水平均為不夠顯著，可能是由于達到標準的樣本被分散(如，日最低氣溫≤-7 ℃在后冬的發生概率僅為0.18)，這影響了統計效果。

4 結論

低溫凍害對江西油菜產量形成存在不利影響。前冬日最低氣溫≤-3 ℃以及后冬日最低氣溫<0 ℃的低溫，均會影響油菜產量的形成。

后冬低溫凍害對江西油菜產量影響更顯著。此期間日最低氣溫≤-3 ℃的站日數，與油菜氣象產量負相關的顯著水平，遠高于前冬日最低氣溫≤-5 ℃(含≤-7 ℃)站日數，這反映出油菜進入生殖生長階段后，對低溫凍害更加敏感，受到的影響更不可逆。

江西油菜低溫凍害發生的站日數，年代際變化和年線性均呈遞減趨勢，且出現持續的減少突變，這反映了該地區在全球氣候變化背景下，油菜低溫凍害風險總體降低。

江西油菜低溫凍害存在一定程度的周期性振蕩特征，且在未來10 a可能進入低溫凍害風險上升的周期，這說明盡管大背景全球氣候變暖，但凍害風險仍具有突發、重發等特征，需加強防范。