低溫凍害對花椒產量及品質的影響

岳高峰，馬俊強，祁 萍，韓志強，李項龍，馬麗婷

（1.甘肅省臨夏州氣象局，甘肅 臨夏 731100；2.甘肅省臨夏州農業科學院，甘肅 臨夏 731100）

0 引言

甘肅省臨夏州地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶［1］，其氣候類型多樣、光照時間長、晝夜溫差大，對于發展特色林果業具有突出的天然優勢，其獨特的地理條件和優越的氣候特征非常適宜種植花椒。臨夏州種植的花椒品種主要以刺椒、棉椒為主，兼有大紅袍和豆椒等品種，主要分布在沿劉家峽水庫周圍一帶，其中尤以臨夏縣、積石山縣種植最為集中。與其他樹種相比，花椒具有適應氣候能力強、生長速度快、投入少收益高和栽種管理便捷簡單等特點而備受廣大農戶的青睞。花椒更是成為了集經濟效益、社會效益和生態保護功能為一體的理想樹種［2-4］。

花椒（Zanthoxylum bungeanumMaxim.)為蕓香科（Rutaceae）花椒屬（AanthoxylumL.）落葉灌木或小喬木。花椒可生長于干旱和半干旱地區，多種植于丘陵、山地和溝壑地區。花椒具有很高的經濟實用價值，并在我國多地廣為栽種，尤其以陜西、河北、山東、河南、甘肅、山西等省份為盛。花椒是一種重要的食品調味品，其營養豐富，并有很高的醫用價值。《本草綱目》中記載，花椒有明目、烏發和固齒作用。花椒耐干旱性強，但不耐嚴寒，冬春季的低溫凍害天氣可對花椒的樹干、枝條、幼芽和花果造成損傷。春季霜凍大多可持續1～3 d，往往被認為是一種短時間的低溫災害［7］。春季出現的低溫霜凍天氣對處于開花掛果期的花椒危害更為嚴重，一場強霜凍可造成花椒的嚴重減產或絕收。植物遭受凍害的實質是當氣溫下降至0 ℃以下時，造成植株莖葉器官組織結冰從而使細胞失去活性［5-6］。低溫凍害會對果樹的坐果率、果實產量和品質造成嚴重影響。

IPCC(International Panel on Climate Change)第六次評估報告(AR6)第一工作組報告指出，2001—2020年全球平均氣溫較工業化前（1850—1900年）增加了0.99 ℃。全球普遍增溫，氣候正在變暖成為人類必須面對的事實。與一百多年前相比，全球氣候系統已經發生了巨大變化，極端氣候事件有增無減，給全世界農業生產特別是糧食安全帶來了巨大挑戰。

在全球氣候變暖背景下，極端氣候事件和氣象災害發生將更加頻繁［8］，而由此產生的災害損失也會越來越嚴重，這將嚴重威脅到全球社會經濟的可持續發展［9］。低溫凍害成為了農作物和林果產業嚴重減產的重要氣象因素，春季的低溫凍害對處于開花期的作物帶來的危害更為嚴重。很多學者研究了低溫凍害的時空分布及其發生規律，提出了預防策略和方法。楊桂絨［10］研究認為，低溫凍害造成的損害程度與花椒的立地條件、樹齡和品種有很大關系；低溫凍害發生時，川道大田種植的花椒樹死亡率明顯高于村莊院落周圍種植的花椒樹。劉麗等［11］研究了甘肅省隴南武都花椒生長氣象條件和氣候適應性，發現春季低溫霜凍會造成花椒花器官和幼果受到損害，影響花椒的產量和品質。廖要明等［12］對陜西鳳縣花椒生長的氣候條件和主要氣象災害進行了分析研究，發現干旱、低溫冷凍害和連陰雨成為影響花椒產量和品質的主要氣象因素。張健等［13］對陜西寶雞花椒倒春寒凍害進行了調查分析，認為凍害造成的損失程度與花椒品種、樹體、田間管理、地形、坡度和土壤肥力有關。馮明等［14］通過研究湖北省歷年茶葉低溫凍害情況，計算出了茶葉主產區最低溫度遞減率，并利用多年低溫累積值和所受凍害級別列出了湖北省歷史上6個茶葉受凍年的排位。吳昊等［15］通過研究馬鈴薯苗期霜凍災害，提出了草面溫度可作為馬鈴薯霜凍害評判的最佳指標因子，并建立了以草面最低溫度為主要指標因子的預報模型。葉佩等［16］利用1963—2018年氣象要素資料，分析了湖北省馬鈴薯苗期凍害時空分布特征，確立了凍害風險指數并建立相應模型，確定了全省馬鈴薯凍害風險區劃。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

甘肅省臨夏州花椒種植區主要分布在沿劉家峽水庫區周圍的臨夏縣、積石山縣、永靖縣和東鄉縣等地。劉家峽水庫區周圍氣候濕潤、光照充足且無霜期長，適宜于花椒種植和生長。截至2020年底，臨夏州花椒種植面積約5.5萬hm2，年產量達1.6萬t，年經濟收益約9.6億元。

1.2 數據來源和方法

“光、熱、水”是氣候表達的三要素。國際上氣候極端值普遍使用百分位閾值方法來確定［17-18］，翟盤茂等［17］以百分位值作為極端值的閾值來定義極端氣候，并對中國北方近50年極端氣溫進行了分析研究。本文所用數據主要來源于2個方面，春季氣象要素統計時段為3—5月，所用氣象數據來源于甘肅省臨夏州6個國家級自動氣象站觀測值，并分別統計了1971—2020年間日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、春季日平均最低氣溫、年春季低溫霜凍出現次數等要素值；所用的花椒種植產量數據來源于《臨夏州統計年鑒》。

本研究通過分析1971—2020年臨夏州日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、春季日平均最低氣溫、春季低溫霜凍出現次數年際變化和年代際變化，著重研究低溫凍害對花椒產量和品質的影響，因春季的低溫凍害對處于花期的花椒影響最為嚴重，故對春季日最低氣溫和低溫霜凍進行重點研究。確定低溫氣象指數，使其能夠真實客觀地反映出低溫凍害對花椒產量損失的影響。通過采用逐步回歸法建立趨勢產量擬合方程，進一步計算花椒相對氣象產量（減產率），建立低溫指數和花椒產量關系，進而計算出春季低溫凍害發生的概率。

2 結果和分析

2.1 臨夏州近50年的氣溫變化特征分析

由圖1可知，臨夏州近50年的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均呈波動上升趨勢。年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化傾向率分別為0.349 ℃/10 a、0.487 ℃/10 a、0.329 ℃/10 a，均高于全國氣溫上升0.1 ℃/10 a的平均水平，且年平均最高氣溫序列變化傾向率最高，增長幅度最為明顯。臨夏州近50年年平均氣溫處于5.7～8.1 ℃之間，最冷的年份出現在1976年，最熱的年份為2016年。這50年間，20世紀80年代和90年代的平均氣溫略低于其他年代。綜上，近50年間臨夏州氣候在逐步變暖，氣溫在波動升高。

圖1 臨夏州1971—2020年氣溫變化情況

2.2 臨夏州近50年春季氣溫和低溫霜凍次數變化情況

由圖2可知，臨夏州春季日平均最低氣溫也呈波動上升趨勢，變化傾向率為0.295 ℃/10 a。近50年最暖的春季出現在1999年，平均氣溫為4.9 ℃；最冷的春季出現在1983年，平均氣溫為1.1 ℃，兩者相差3.8 ℃。由圖3可知，臨夏州春季低溫霜凍次數呈波動減少趨勢，序列變化傾向率為-0.146次/10 a。臨夏州春季平均低溫霜凍出現次數為4次/年。出現次數最多的為8次，分別出現在1976和1995年；出現次數最少的為2次，共有7個年份出現。綜上，在氣候變暖的大背景下，臨夏州50年間春季日平均最低氣溫在上升，春季低溫霜凍發生的次數呈下降趨勢。

圖2 臨夏州1971—2020年春季日平均最低氣溫變化情況

圖3 臨夏州1971—2020年春季低溫霜凍次數變化情況

2.3 花椒低溫凍害氣象指數構建

2.3.1 建立花椒趨勢產量計量模型 為分析研究低溫凍害對花椒產量造成的損失，應建立低溫凍害與果樹產量損失間的精確計量模型［19］。花椒的產量和品質受多種因素影響，主要包括自然因素和非自然因素：自然因素包括氣象條件和環境條件；非自然因素包括人工干預（施肥、噴藥、灌溉等）。自然因素和非自然因素通常直接決定著當年作物的總產量。為便于計算和判斷，本研究將實際總產量（Y）分解為4個分量來表示，即：趨勢產量（Yt）、氣象產量（Yw）、營養產量（Yn）和隨機產量（ε）。趨勢產量是作物在理想狀態下的一種理論產量，主要由當前現代化種植技術水平和成熟度決定；氣象產量是不同年份之間由于不同氣象條件的差別而造成的作物產量偏離正常年份的變量；營養產量是由土壤施肥、墑情和作物田間管理水平等綜合因素來決定；隨機產量表示影響作物生長的隨機波動因素，此處忽略不考慮。總產量與各分量之間的關系用公式表示為：Y=Yt+Yw+Yn+ε。通過整理臨夏州2001—2020年花椒種植面積和產量數據發現，臨夏州花椒種植面積和產量呈逐年增加趨勢，并在整個時間段上沒有突變點。選取臨夏州花椒實際年產量（Y）和年份序列（Year）及當年種植面積（S0）、前1年種植面積（S1）、前2年種植面積（S2）作為變量，用Eviews 8.0軟件進行相關性分析，在置信度99%下，系數介于0.8243～0.9777之間，相關性顯著。再用逐步回歸法建立趨勢產量擬合方程：

其中，α、b、ci（i=0，1，2）為方程系數，Year為年份序列基數，Si（i=0，1，2）為前i年花椒種植面積。

以時間序列模型識別為基礎，通過逐步回歸方法建立趨勢產量擬合方程模型，以進一步確定花椒的趨勢產量。使用Eviews 8.0軟件進行回歸分析并建立趨勢產量方程：

為了保證模型的嚴謹性、合理性和可靠性，還需進一步對趨勢產量擬合方程進行有效性和平穩性檢驗。

2.3.2 趨勢產量計量模型檢驗 在建立回歸模型中，為了解決變量間的共線性問題，對解釋變量進行逐步篩選非常關鍵，通常使用的方法有單向篩選法、逐步篩選法、互換變量法和組合法。這幾種方法各有優缺點，其中互換變量法在篩選變量時能夠更加直觀地體現模型的整體效果，使用相對較多。

在篩選出解釋變量后，為了確保序列的穩定性和可靠性，還必須對擬合方程的解釋變量進行平穩性檢驗，即單位根檢驗。通常的做法是首先進行單整檢驗，若檢驗通過則認為參數符合要求；否則還需考慮進行協整檢驗。如果協整檢驗通過，可以直接以此建立回歸模型。單位根檢驗方法主要有ADF檢驗、PP檢驗、NP檢驗和ERS檢驗方法，最常用的是ADF檢驗方法，本文使用此方法進行檢驗。

通過ADF單位根檢驗來判斷變量的平穩性是否穩定、可靠并達到要求。本研究變量之間一階、二階差分序列的平穩性檢驗結果見表1、表2。

表1 花椒趨勢產量ADF檢驗結果

表2 花椒累計種植面積序列ADF檢驗結果

通過ADF檢驗，得到花椒趨勢產量一階差分的t統計量數值為-3.25。從表1中可看出，顯著水平1%的臨界值為-2.2543，即t統計量數值明顯小于顯著水平為1%的臨界值。而在表2中，顯著水平1%的臨界值為-2.2543，累計種植面積二階差分的t統計量值為-3.87，也是小于臨界值。由于兩者均為同一階單整序列，需再考慮對其進行下一步檢驗，即協整檢驗。檢驗結果為：決定系數為99%，與5%顯著水平的臨界值相比，t統計量和F統計量均小于該臨界值，說明檢驗結果顯著。而殘差（E）t統計量值（-6.32）也小于顯著性水平1%的臨界值，因此認為其通過了平穩性檢驗，是穩定可信的，即兩者存在著協整關系，在此基礎上可以直接建立回歸模型。在給定的5%顯著性水平下，還要考慮對模型的異方差性進行檢驗，防止和避免出現由于異方差性所造成的模型參數估計異常。在進一步通過異方差性檢驗后，接受原假設，認為模型得到參數估計是可靠有效的，不存在異方差情況。

本研究利用觀測數據和趨勢產量方程，將趨勢產量與實際產量趨勢進行結果對比，趨勢產量與實際產量擬合程度很高。

2.3.3 建立花椒氣象產量預測模型 隨著田間種植和管理水平的逐年提高且趨于常規穩定，花椒產量“大小年”現象并不明顯，因此可忽略營養產量，重點考慮相對氣象產量，計算公式為：

經統計臨夏州2001—2020年間花椒春季最低氣溫值和當年實際產量值，兩者存在正相關，即當年春季最低氣溫越低，花椒實際產量也越低，對應相對氣象產量也越低，而相對氣象產量又代表著花椒的減產率。在此基礎上建立相對氣象產量和花椒春季最低氣溫（Tmin）回歸模型：

計算得R2=0.6251，F=9.98723，回歸方程和參數都通過了5%水平的顯著性檢驗。

2.3.4 低溫凍害氣象指數確定 用相對氣象產量和花椒春季最低氣溫回歸模型進行計算，得到花椒春季最低氣溫和相對氣象產量（即減產率）關系（表3）。同時，進一步計算和確定花椒凍害氣溫區間的平均減產率（表4）。將花椒春季低溫凍害風險從輕到重劃分為5個等級，在1～5級低溫凍害風險等級下花椒的減產率分別為：4.51%、7.29%、10.07%、12.85%、57.12%。

表3 相對氣象產量和花椒春季最低氣溫對應關系

表4 花椒低溫凍害減產率

2.4 花椒低溫凍害氣象指數檢驗

春季低溫凍害是直接影響花椒產量和品質的重要氣象因素。通過對臨夏州2001—2020年間花椒春季最低氣溫數據進行JB正態性檢驗，顯示最低氣溫序列服從數學期望值為-1.9301、標準差為0.698947的正態分布，再依據正態分布計算出花椒春季最低氣溫發生的概率（表5）。在1～5級凍害風險等級下低溫凍害發生的概率分別為：26.47%、66.94%、6.28%、0.41%、0.02%。

表5 花椒花期最低氣溫發生概率 %

3 討論與結論

因甘肅省臨夏州獨特的地理條件和優越的氣候特征非常適宜種植花椒。近年來，臨夏州計劃在環劉家峽水庫周圍一帶的臨夏縣、積石山縣、永靖縣和東鄉縣打造百萬畝級花椒種植區。

在全球氣候變暖趨勢下，臨夏州近50年間的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫也呈增高趨勢，序列變化傾向率分別為0.349 ℃/10 a、0.487 ℃/10 a、0.329 ℃/10 a，均明顯高于全國平均增長幅度。臨夏州近50年間的春季日平均最低氣溫也呈波動上升趨勢，變化傾向率為0.295 ℃/10a，近50年間春季低溫霜凍發生頻率呈下降趨勢。

基于臨夏州歷年花椒種植產量數據及春季低溫凍害氣象統計數據，使用Eviews 8.0軟件對臨夏州2001—2020年間花椒實際產量和種植面積的樣本序列進行ADF平穩性檢驗的基礎上，進行多元回歸統計分析并建立數學多元回歸方程模型，計算出花椒的趨勢產量和相對氣象產量，確定低溫凍害氣象指數因子。將花椒春季低溫凍害風險從輕到重劃分為5個等級，在1～5級低溫凍害風險等級下花椒的減產率分別為：4.51%、7.29%、10.07%、12.85%、57.12%。在1～5級凍害風險等級下低溫凍害發生的概率分別為：26.47%、66.94%、6.28%、0.41%、0.02%。經過2019—2020年在甘肅省臨夏縣蓮花鎮的5個村共15戶花椒種植戶家中實地走訪調查，結果顯示：與正常年份相比，花椒春季遭受低溫凍害會造成當年花椒產量下降；同時還會造成花椒顆粒直徑變小，色澤變暗和口感變差，即春季低溫凍害對花椒產量和品質的影響是對等同步的。

本文研究方向是低溫凍害對花椒產量和品質的影響，就其研究方向而言，還存在著片面性和局限性。影響花椒產量和品質的因素是多方面的，低溫凍害并不是唯一因素，還有如干旱、高溫、連陰雨也會對產量造成一定影響，后續可開展相關研究。但隨著全球氣候變暖，氣溫上升，會使我們產生錯誤的認識：氣候變暖導致春季低溫霜凍減少，從而忽視有關霜凍害與農業相關性的研究［20］。而近50年臨夏州氣溫數據顯示氣候確實在變暖，春季低溫霜凍發生次數呈下降趨勢，但作物及果樹所遭受的損失并沒有下降，反而有增長的趨勢。這說明加強春季低溫、寒潮、霜凍凍害對作物、果樹的影響等方面的研究很有必要，還需進一步重視和強化。