茶樹春霜凍害發生規律分析及預警等級標準建立
——以溧陽市茶園為例

錢半噸，徐玉琴，任義方，狄百花，孫慶飛

（1.溧陽市氣象局，江蘇溧陽 213300；2.溧陽市現代農業（茶葉）科技綜合示范基地，江蘇 溧陽 213300；3.江蘇省氣候中心，南京 210009；4.儀征市氣象局，江蘇 儀征 211400）

溧陽市是江蘇省重點產茶區，茶園面積約4 000 hm2，其中白化茶種植面積約3 000 hm2。天目湖白茶作為溧陽茶葉的區域公用品牌，其價值逐年提升，至2020 年產值達12 億元，已成為溧陽市茶產業發展支柱品牌。天目湖白茶每年僅采摘1 次，主要生產期為3—4 月。最主要氣象災害春霜凍害的發生會直接影響茶葉產量、品質及其經濟價值。

茶樹春霜凍害是指在早春時節，空氣溫度突然降至4 ℃以下危害茶樹生長的農業氣象災害［1，2］。婁偉平等［3］研究發現，茶樹遭遇“倒春寒”后，先是遭受低溫冷害，在溫度降到一定值以下遭受霜凍危害。茶樹霜凍災害的實質是低溫引起細胞結冰［4］，當春季溫度上升到茶芽萌動起始溫度以上，器官生理代謝活動增強，一旦氣溫低于茶芽發育所需的下限溫度［5］，茶樹嫩芽葉細胞汁液開始結冰，原生質遭到機械破壞，使茶汁外溢紅變，出現麻點，以致芽葉尖端呈“赤枯狀”［6］，甚至造成茶樹部分芽梢停止萌發和死亡，進而影響春茶的產量和質量。

為分析茶樹春霜凍害變化特征，掌握春季茶樹霜凍災害發生條件，明確和建立茶樹春霜凍害發生指標至關重要。Hao 等［7，8］利用人工氣候室模擬茶樹冷馴化、脫馴化和“倒春寒”冷脅迫發生條件，提出4 ℃是茶樹開始遭受低溫冷害的溫度閾值。王培娟等［9］指出，江南茶區的春霜凍害通常出現在3 月上旬至4 月中旬，已萌發的新梢茶芽抗寒能力弱，當氣溫低于4 ℃時［10，11］，茶樹嫩梢易遭受春霜凍危害［12］。茶樹春霜凍對茶樹生長的影響不僅需要考慮臨界低溫，還需要考慮低溫持續時間，才能更準確地反映作物受凍程度［13］。霜凍強度是低溫不斷累積的結果［14，15］，研究表明，4 ℃低溫脅迫12 h 會造成茶樹葉片光系統、最大光化學效率等參數指標下降［16，17］。李仁忠等［18］應用人工氣候箱開展低溫脅迫控制試驗，通過模擬不同低溫和持續時間，結合歷史災情和茶園逐小時氣溫觀測數據，提出了新的茶樹春霜凍害等級標準。2018 年中國氣象局發布實施了適用于江南茶區中小葉型的小時尺度《茶樹霜凍害等級》氣象行業標準［19］（以下簡稱行標）。該行標以逐小時最低氣溫及其持續時間為基礎判定茶樹不同春霜凍害等級。

基于茶樹春霜凍害指標，已在茶樹春霜凍害風險評估和氣候變化分析等方面開展大量研究。徐金勤等［20］將3—4 月日最低氣溫低于4 ℃作為茶樹早春霜凍的發生指標，分析了茶葉春霜凍害的氣候變化特征；金志鳳等［21］基于自然災害風險形成機制，應用模糊數學法和加權指數求和法，對浙江省茶葉氣象災害進行風險區劃。隨著全球氣候變暖，茶區春季“倒春寒”將更為頻繁，茶樹春霜凍害預警研究亟待開展［22］。由于常規預報數據最低氣溫只有日值，尚無小時值，結合行標，利用日最低氣溫作為茶葉春霜凍害預警氣象指標，建立茶葉春霜凍害預警等級標準，對茶樹春霜凍害進行預測［23，24］。不同地區茶園生長氣象條件存在明顯差異，在溧陽市結合茶園小氣候特征，分析茶園春霜凍害發生規律及茶樹春霜凍害預測等級方面研究仍較少，尤其在市縣級氣象部門開展茶園生產服務中，發現茶園布設的小氣候觀測站時間序列比較短，較難開展歷史統計；氣象要素預測在實際業務工作中，一般只預測氣象要素日極值，較少預測氣象要素小時極值。將茶園小氣候觀測數據的時間尺度進行延長，將春霜凍害等級判定標準的時間尺度進行放大，來適用于茶園春霜凍害規律分析和等級預測，是茶樹生產服務研究中亟待解決的問題。

本研究以行標［19］為依據，以溧陽市現代農業（茶葉）科技綜合示范基地茶園內自動站（烈山站）和溧陽國家基本氣象站數據為基礎，采用相關分析的方法，延長茶園觀測資料序列，分析基地茶園春霜凍害發生規律，綜合基地茶園春霜凍害實際，建立以日最低氣溫為氣象指標的適用于整個溧陽市的茶園春霜凍害預警等級標準；構建不同茶區逐日最低氣溫預報模型，結合保險公司茶園春霜凍害發生實況，檢驗預警等級標準的準確性及適用性。通過對茶園春霜凍害發生規律的把握和春霜凍害等級預警的實現，以期保障春茶安全生產。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

溧陽市地處長江三角洲地區江蘇省南部，位于北緯31°01′—31°41′，東經119°08′—119°36′。南北長59.06 km，東西寬45.14 km。境內有低山、丘陵、平原圩區等多種地貌類型，地勢南、西、北3 面較高，腹部與東部較平。屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，年平均相對濕度78%～85%，年平均氣溫16 ℃，年累積降水量1 146.7 mm，年累積日照時數1 873.5 h，是茶樹生長適宜地區。天目湖白茶產區主要覆蓋南山區域的天目山余脈（南山）和北山區域的茅山丘陵、緩坡崗地（北山）。

本研究選取基本站和區域自動站2 類氣象觀測站，其中基本站為溧陽國家基本氣象站（以下簡稱溧陽站），建站時間長，數據質量高，2003 年起有逐小時氣溫數據；區域自動站包括橫澗、平橋、天目湖、烈山、社渚、陶莊、永和7 站，區域自動站建站時間晚，2017 年起數據記錄較為完整，數據可靠性較高，但距離茶區近，可以更精準地表征茶園茶樹的生長氣象條件。各站點分布情況見圖1。

圖1 溧陽各茶區區域自動站分布

1.2 數據來源

氣象數據，2003—2021 年3—4 月溧陽站逐日最低氣溫、逐小時最低氣溫；2017—2021 年3—4 月7 個區域自動氣象站烈山、橫澗、平橋、天目湖、社渚、陶莊、永和站逐日最低氣溫、逐小時最低氣溫來源于常州市氣象臺。

茶園災損數據，2017—2021 年溧陽茶園春霜凍害理賠數據，主要包括出險日期、受災面積、賠付金額、種植地等。數據來源于中國人民財產保險股份有限公司常州市分公司（以下簡稱保險公司）。

1.3 研究方法

1.3.1 茶園氣象資料延長方法 基于2017—2020年烈山站與溧陽站逐小時最低氣溫及日最低氣溫，采用SPSS 軟件進行相關性分析，分別建立烈山站逐小時最低氣溫、日最低氣溫計算模型；利用溧陽站2003—2020 年3—4 月逐小時最低氣溫及逐日最低氣溫數據推算出相應時段茶園烈山站逐小時最低氣溫、逐日最低氣溫。

1.3.2 茶園春霜凍害判定方法 參考中國氣象局發布實施的《茶樹霜凍害等級》氣象行業標準（表1），以茶園小時最低氣溫及持續時間為氣象指標，將茶樹春霜凍害分為輕度、中度、重度、特重4 個等級，統計分析烈山站茶園春霜凍害發生規律。

表1 茶樹春霜凍害等級判定標準及受害癥狀

1.3.3 茶園春霜凍害預警等級標準確定 基于長時間序列的茶園站逐日最低氣溫觀測數據，以逐小時最低氣溫和持續時間為標準判斷的茶園春霜凍害等級作為實況，測算不同等級下茶樹春霜凍害發生時所對應的日最低氣溫。劃分不同低溫區間統計茶園春霜凍害等級情況，并參考各等級下平均日最低氣溫的中心值，建立以日最低氣溫為氣象指標的天目湖白茶春霜凍害等級預警標準。

1.3.4 茶園春霜凍害預警等級標準的檢驗 參考烈山站日最低氣溫計算模型建立方法，分別建立各茶區精細化低溫預報模型，并通過典型春霜凍害年份分析的方法，對建立的以茶園日最低氣溫為氣象指標的溧陽市茶園春霜凍害預警等級標準進行準確性及適用性檢驗。

2 結果與分析

2.1 茶園春霜凍害發生規律分析

2.1.1 茶園逐小時最低氣溫模型建立 利用回歸分析方法對烈山站逐小時最低氣溫進行返演。通過烈山站與溧陽站逐小時最低氣溫相關性分析，皮爾遜相關系數均接近1。通過回歸分析建立烈山站逐小時最低氣溫計算模型（表2），結果表明各回歸方程均通過顯著性檢驗（P＜0.01）。

表2 烈山站逐小時最低氣溫線性回歸情況

2.1.2 茶園春霜凍害時間變化特征 利用以烈山站為代表的茶園逐小時最低氣溫模型，計算出茶園內2003—2020 年3—4 月逐小時最低氣溫，結合行標［19］判斷茶園內不同等級春霜凍害不同時間尺度的發生規律。

茶園春霜凍害日變化特征結果見圖2。由圖2可知，有87.8%的春霜凍害出現在3 月15 日（含）前，由于此時處于冬春季交替時期，冷空氣影響仍然較為頻繁，其中輕度、中度、重度春霜凍害平均發生概率分別為57.4%、34.7%、7.9%；3 月15 日后，基礎溫度較高，雖有冷空氣入侵，但最低氣溫基本在3 ℃以上，且持續時間較短，因此春霜凍害發生次數較少，多為輕度春霜凍害，僅有1 次達到中度春霜凍害；進入4 月，春霜凍害發生次數僅有2 次，最晚發生時間為4 月14 日。2003—2020 年整個關鍵生產期間（3—4 月），輕度、中度、重度春霜凍害分別累積出現71、36、8 次，發生概率分別為61.7%、31.3%、7.0%，無特重春霜凍害發生。

圖2 2003—2020 年茶園春霜凍害日變化情況

茶園春霜凍害年變化特征結果見圖3。由圖3可知，2003—2020 年3—4 月共發生115 次春霜凍害，平均每年發生次數為6.4 次，整體呈下降趨勢為3 次∕10 年。其中，輕度春霜凍害每年均有發生；中度春霜凍害出現15 次，年發生頻率為83.3%，重度春霜凍害出現5 次，年發生頻率為27.8%。2015 年后春霜凍害發生次數相對減少，但仍有中度春霜凍害發生。

圖3 2003—2020 年茶園春霜凍害年變化情況

2.2 茶樹春霜凍害預警等級標準建立

2.2.1 茶園逐日最低氣溫模型建立 從2017—2020 年3—4 月烈山站與溧陽站逐日最低氣溫的相關性分析結果發現，兩站逐日最低氣溫皮爾遜相關系數為0.977，呈極強正相關。通過回歸分析建立烈山站逐日最低氣溫計算模型（圖4），方程通過顯著性檢驗（P＜0.01）。

圖4 烈山站日最低氣溫與溧陽站日最低氣溫關系

式中，T烈山min為烈山站日最低氣溫；Tmin為溧陽站日最低氣溫。

由式（1）可知，烈山站日最低氣溫始終較溧陽站日最低氣溫低，這可能與烈山站海拔高度（25.0 m）較溧陽站（5.9 m）高或與茶園小氣候因素有關。

2.2.2 茶園春霜凍害預警等級劃分 根據式（1）中以烈山站為代表的茶園逐日最低氣溫模型，計算得出烈山站2003—2020 年3—4 月日最低氣溫，利用茶園被延長時間序列的逐小時最低氣溫，以行標［19］為依據判定的春霜凍害等級程度作為實況，劃分7 個不同低溫區間，統計烈山站茶園茶樹不同霜凍害等級在不同低溫區間中的發生次數。

從統計結果分析發現（表3），輕度春霜凍害主要集中在0～1 ℃、1～2 ℃、2～3 ℃、3～4 ℃這4 個溫度區間，平均發生概率分別為32.0%、97.0%、69.0%、4.0%，在1～3 ℃低溫區間中發生的次數最多，共發生61 次，發生概率為81.3%；中度春霜凍害主要集中在-2～-1 ℃、-1～0 ℃、0～1 ℃、1～2 ℃這4 個溫度區間，平均發生概率分別為33.3%、100.0%、68.0%、3.0%，在-1～1 ℃低溫區間中發生的次數最多，共發生32 次，發生概率為80.0%；重度春霜凍害主要集中在-3～-2 ℃、-2～-1 ℃這2 個溫度區間，平均發生概率分別為100.0%、66.7%，在-3～-1 ℃低溫區間中發生的次數最多，共發生8 次，發生概率為72.7%；未出現低于-3 ℃天氣，亦無特重春霜凍害發生。輕度、中度、重度春霜凍害主要發生溫度區間分別為1～3 ℃、-1～1 ℃、-3～-1 ℃。

表3 不同低溫區間下春霜凍害發生情況 （單位：次）

綜合不同等級春霜凍害在不同低溫區間出現頻次以及各等級下日最低氣溫的中心值，根據保險公司多年針對茶樹霜凍災害出險日期、賠付金額、受災面積和茶樹實際受害情況，以及霜凍當日臨近區域自動站日最低氣溫，最終確定以日最低氣溫為氣象指標的溧陽市天目湖白茶春霜凍害預警等級標準見表4。

表4 溧陽市天目湖白茶春霜凍害預警等級標準

2.3 茶園春霜凍害預警等級準確性檢驗

2.3.1 各茶區逐日低溫模型建立 以溧陽站逐日最低氣溫為自變量，以各茶區站點（橫澗、平橋、天目湖、社渚、陶莊、永和）逐日最低氣溫為因變量，進行相關性分析（圖5）。溧陽站與各茶區站點逐日最低氣溫的皮爾遜系數均接近1，通過線性回歸分析，建立各茶區站點逐日最低氣溫模型（表5），各回歸方程均通過顯著性檢驗（P＜0.01）。

表5 溧陽各茶區站點日最低氣溫與溧陽站日最低氣溫線性回歸情況

圖5 各站日最低氣溫與溧陽站日最低氣溫的關系

通過模型分析，山區茶園小氣候站逐日最低氣溫普遍較溧陽站逐日最低氣溫偏低，其中，南山片區橫澗地區逐日最低氣溫最低，與溧陽站溫差近2 ℃；平橋、陶莊次之，與溧陽站溫差近1 ℃；永和與溧陽站溫差在0.5 ℃左右。臨近大型水體地區（天目湖、社渚），日最低氣溫與溧陽站基本一致。各茶區日最低氣溫不同的原因除海拔高度外，與區域自動站地理位置也相關。

2.3.2 各茶區春霜凍害實例驗證 以2020 年3 月28 日、2021 年3 月23 日2 次春霜凍害過程為例，開展溧陽市茶葉春霜凍害精細化預警檢驗。2020 年3 月28 日溧陽出現了降雪天氣，48 h 降溫幅度達16.3 ℃，溧陽站日最低氣溫為1.1 ℃，各茶區4 ℃以下低溫大部分出現在4：00—11：00，低溫持續6～9 h（圖6），此時，正值天目湖白茶開采期，大部分茶園遭受凍害，茶葉減產、品質下降。2021年3月23日溧陽地區48 h 降溫幅度達7 ℃左右，溧陽站日最低氣溫為2.5 ℃，各茶區4 ℃以下低溫均出現在夜間，日最低氣溫出現在6：00—7：00，持續3～11 h，全市大部分茶園遭受春霜凍害，根據保險公司出險記錄，2021年3 月23 日茶園受損面積共達2.1 hm2，平均受損率為26%，而2020 年3 月28 日由于出現降雪天氣，保險公司判定不在春霜凍范圍內，無出險理賠數據。

圖6 2020 年3 月28 日逐 小時 最低 氣溫 和2021 年3 月23 日逐小時最低氣溫

利用各茶區日最低氣溫計算模型（表5）及茶園春霜凍害預警等級標準（表4），對各茶園春霜凍害預警等級與實況進行對比，分析發現，2020 年3 月28日僅陶莊春霜凍害預警等級與實際不符，其余均一致，準確率為85.7%；2021 年3 月23 日除天目湖、永和未出現春霜凍害，其余茶區判定結果與實際情況一致，準確率達71.4%（表6）。

表6 2 次春霜凍害過程模型預警與實際比較情況

3 小結與討論

3.1 小結

本研究通過延長烈山站相關歷史數據，結合中國氣象局發布實施的《茶樹霜凍害等級》氣象行業標準分析發現，2003—2020 年烈山站茶園各等級春霜凍害共發生115 次，平均每年發生次數為6.4 次，整體呈下降趨勢，這可能與全球氣候變暖有關。其中有87.8%春霜凍害出現在3 月15 日（含）之前，最晚春霜凍害出現在4 月中旬，因此3 月上中旬為防范春霜凍害重點時段，但4 月中旬前仍需做好春霜凍害的防范工作。

本研究根據不同等級春霜凍害在不同低溫區間出現頻次，參考各等級下日最低氣溫的中心值，同時，根據保險公司多年針對茶樹霜凍災害支付給各農戶的理賠金額和茶樹實際受害狀況，確定以茶園日最低氣溫為氣象指標的適用于溧陽市天目湖白茶春霜凍害預警等級標準，經實例檢驗，準確率在71.4%以上，適用性較好，能夠較好地預測各茶區春霜凍害等級。

3.2 討論

本研究在建立霜凍害等級判定標準時，所用的茶園2003—2020 年春霜凍害實況基于茶園站逐小時最低氣溫預測模型，并根據逐小時最低氣溫和持續時間判定的結果，具有一定誤差性，后續通過茶園逐年積累霜凍發生實況資料，對其進行修正。基于常規天氣要素逐日預報能力，將霜凍害等級判定標準的時間尺度進行放大，以日最低氣溫為氣象指標制定的溧陽市天目湖白茶春霜凍害預警等級標準，可提前給出春霜凍害預警等級。隨著數值預報技術及預報員預報能力的不斷提高，可以對茶園逐小時最低氣溫進行預測，從而根據行標進行更為精確的預警，提高春霜凍害預警能力。

區域自動站較國家基本站離茶園更近，在一定程度上更好地體現茶園小氣候特征，但由于存在種植坡度、坡向、海拔高度以及茶園管理方式的差異性，區域自動站采集到的氣象信息仍不能完全準確代表茶園各處的最低氣溫。茶農茶企需根據區域站日最低氣溫監測預測結果，綜合茶園自身因素，來判斷茶園發生春霜凍害的可能性，以便采取防御措施。

通過春霜凍害氣象預警，便于保險公司提前預判春霜凍害發生地區及春霜凍害等級，從而多渠道進行霜凍害預警；災害發生后，便于保險公司快速高效開展理賠工作。當預測茶園將出現春霜凍害時，茶農茶企可通過噴灌、覆蓋、煙熏等方式防范茶園春霜凍害；若茶樹已遭受凍害，應及早整枝修剪，復壯樹冠，以減輕凍害造成的損失，盡快恢復茶樹生機。