基于寒害过程的福建芒果种植气候风险区划*

杨 凯，陈彬彬，陈 惠，李丽纯，陈斌源，李 政

基于寒害过程的福建芒果种植气候风险区划*

杨 凯1，陈彬彬1，陈 惠1，李丽纯1，陈斌源2，李 政3

（1.福建省气象科学研究所，福州 350001；2.漳州市气象局，漳州 363000；3.广西壮族自治区气象减灾研究所，南宁 530022）

通过冬季寒害灾情调查、果园定位观测、地理移置和人工气候箱低温致灾试验4种渠道，收集芒果寒害的灾情样本39例，从而确定芒果寒害临界温度为2.0℃。在此基础上，筛选出福建芒果主产县市2001−2014年冬季28个寒害过程，通过将寒害过程温度、降水等气象因子与相对气象产量进行相关分析，确定芒果寒害致灾因子为过程极端最低气温、日最低气温≤2.0℃有害积寒、≤2.0℃寒害过程持续日数、≤2.0℃寒害过程降温幅度。利用主成分分析对4个致灾因子进行综合简化，得到芒果寒害评价的综合气候指标，结合相对气象产量确定了指标分级。根据寒害综合气候指标等级，应用GIS方法完成福建省芒果寒害种植气候风险区划，无寒害−轻度寒害的区域主要分布在沿海地区，是引种芒果优质品种寒害风险最低的区域。

芒果；寒害；临界温度；综合气候指标；风险区划

芒果原产印度，是漆树科热带常绿大乔木[1]，其早结丰产，种植效益高，经过多年的引种、试种、扩种，已发展成为中国主要的特色热带水果，2015年中国芒果种植面积位居世界第二位，占17%[2]。福建省是芒果的主产地之一，但是受季风气候影响，时常遭受低温寒害、台风、干旱等气象灾害的影响，其中低温寒害是影响芒果生产最主要的气象灾害。近年来，随着台湾优质芒果品种台农1号、金煌芒等在福建的引种扩种，芒果种植大户和种植基地迅速增加，优势产业带逐步形成。福建省地处热带果树种植的北缘地带，在全球变暖的大背景下，冬季极端低温事件频发，导致芒果遭受寒害[3−5]，例如2016年1月22−26日的强寒潮过程，造成宁德市芒果损失严重，部分种植园甚至绝收。加之部分果农在不适宜区盲目引种和扩种，进一步加重了灾害损失，严重制约了芒果产业的健康发展。因此，开展福建省芒果低温寒害风险评估和区划，对防寒减灾决策制定、农业生产布局和区域可持续发展具有重要意义，而合理确定芒果低温寒害等级指标是低温寒害评估和区划的前提。

国内对果树低温寒害的风险评估及区划研究已取得一定进展。刘锦銮等[6−7]对荔枝、香蕉冬季寒害的灾损性、易灾性及防寒抗灾能力等方面进行分析，但并未确定对果树寒害有较大影响的具体低温过程；在果树寒害等级指标研究方面，有学者针对冬季极端最低气温单个因子，对果树遭受不同等级寒害的极端低温阈值进行了划分，但未考虑低温强度、低温持续时间等影响芒果受害程度的因子[8−11]。杜尧东等[12−15]对香蕉、荔枝等开展了寒害综合气候指标与风险区划研究，但针对近年来引种的新特优热带果树的寒害指标研究和风险区划较少，特别是针对芒果寒害风险区划方面的研究则更少。本研究以芒果寒害过程为研究对象，在冬季生长季尚未结束时，针对已发生的寒害过程对果树的影响程度进行评估，以期为寒害的动态评估提供理论基础。随着气候变化、品种更替、新的农业生产技术的应用，沿用旧的寒害指标易导致寒害风险评估及区划出现偏差，造成生产损失。为此，本研究通过对芒果低温寒害过程的气象因子进行分析，确定芒果寒害临界温度和致灾因子，构建客观、定量的低温寒害综合气候指标，得到福建省芒果寒害种植气候风险区划，以期为芒果低温寒害的评估和区划提供依据，为农业生产部门制定合理的引种扩种、防灾减灾决策和措施提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

福建省长泰县、南安市、安溪县、仙游县、福清县、宁德市区6个芒果主产县市2001−2014年芒果产量数据，来源于历年《福建省农村统计年鉴》；6个主产县市地面气象观测台站2001−2014年冬季（12月−翌年2月）逐日平均气温、逐日最低气温、逐日降水量资料以及福鼎、永泰、罗源、长泰、平和、龙海、云霄7个县气象局观测场2014/2015年冬季和2015/2016年冬季逐日最低气温资料由福建省气象信息中心提供；芒果发生寒害所对应的当时当地的极端最低气温，来自芒果果园内自动气象站或从邻近的区域自动气象站数据订正获得。

1.2 研究思路

收集芒果寒害灾情样本32例，通过分析各样本极端最低温度下芒果的受害症状，确定导致芒果遭受寒害的临界温度，即当冬季极端最低温度达到某个阈值时，芒果开始受害，高于此阈值时寒害结束。

第二步，根据芒果的寒害临界温度，筛选出6个主产县2001−2014年冬季可能造成芒果寒害的过程资料，将过程极端最低温度、过程平均温度、过程有害积寒、过程持续时间、过程降温幅度、过程降水量与当年相对气象产量进行相关分析，确定芒果寒害的致灾因子，分析因子间的相关性，并采用主成分分析方法构建芒果寒害综合气候指标。

第三步，参照农业上划分灾害年型的方法，结合相对气象产量减产率对芒果寒害综合气候指标进行分级，并利用综合气候指标阈值进行福建芒果寒害种植气候风险区划。

1.3 芒果寒害灾情的收集

1.3.1 田间灾情调查

在2014/2015年冬季和2015/2016年冬季冷空气过程后，对福建芒果园开展寒害灾情调查。根据《芒果寒害灾情调查表》，记录调查地点芒果遭受寒害的时间、详细灾情及灾后果树枝、干、叶的变化，获得有效寒害灾情样本6例。

1.3.2 果园定位观测

2014年10月−2016年3月，在福建南安、南靖、三都澳及广西田林、阳圩、武鸣六地的芒果易灾果园和平行观测点，分别布设1套自动小气候观测系统（RR-9140型，北京），实时获取温度、湿度、降水、光照数据，并用于寒害监测；分别安装1台红外自动夜视监测仪（SG-008型，中国），设置每日7：00−19：00每隔10min自动拍照记录芒果果树、果苗生长发育状况，了解其形态变化。共获得有效灾情样本18例。

1.3.3 地理移置试验

试验主要在福建省开展。福建省引种的芒果优质品种主要为台农1号，因此本试验采用盆栽方式培育台农1号果苗，待果苗植株健壮后进行地理移置。根据福建省历史年极端最低气温平均值的分布规律，同时为了获得芒果遭受寒害后最准确气象数据，分别于2014/2015年和2015/2016年10月底，提前将芒果果苗3～4盆分别安放在福鼎、永泰、罗源、长泰、平和、龙海、云霄7个县气象局观测场附近，以及漳州天宝试验点，常规管理果苗，并在出现冷空气过程时，按照《芒果寒害记录表》逐日记录果树叶片和叶柄变色情况、枯叶和落叶情况、枯枝和主干受冻情况等寒害症状并拍照，共获得有效灾情样本9例。

1.3.4 人工气候箱低温致灾试验

近年来，采用大型步入式人工气候箱开展人工控制试验，确定果树寒害等级指标的方法已取得一些研究成果[16−17]。为获取足够多的灾情样本，在日本产ESPEC大型人工气候箱内开展历时1d的芒果寒害致灾试验。试验在2015/2016年冬季低于20℃的天气进行，模拟日较差8℃降温，温度设置范围为−3.0～5.0℃，设定6个温度处理为5.0℃、3.0℃、1.0℃、−1.0℃、−2.0℃、−3.0℃，每个温度处理为3盆果苗样本。首先将18盆果苗全部放入人工气候箱，模拟自然降温至设定起始温度5.0℃，每个温度处理保持1h恒温，然后取出3盆果苗置于室内并做好标记，降温过程保持每小时降温1℃的速度，直至温度降至−3.0℃，持续1h后取出最后1个处理。试验结束后，将试验所有果苗置于室外，1周后进行观测，记录果苗形态变化。共获得有效灾情样本6例。

1.4 计算方法

1.4.1 相对气象产量的计算

相对气象产量比气象产量能更好地描述以气象要素为主的各种短期变动因子对产量序列的影响，在对作物或果树进行产量分析时，可将产量分解为趋势产量（yt）、气象产量（yw）和随机产量（Δy），随机产量一般可忽略不计[18−19]，相对气象产量可表述为气象产量与趋势产量的比值，即

式中，趋势产量（yt）采用直线滑动平均进行估算，滑动步长为5a。该方法不需要预先假定趋势产量模拟的曲线类型，不会造成资料样本的损失[20]。

1.4.2 过程有害积寒值的计算

研究发现采用低温持续日数和过程有害积寒可较好地表示中弱冷空气多次补充造成的平流型寒害的累积作用，因此，采用杜尧东等提出的过程有害积寒[12−13,21]，作为芒果寒害过程中重要的气象因子进行分析。

式中，X过程为寒害过程的有害积寒值（℃·d）；N为寒害过程持续日数（d）；Tc为寒害临界温度（℃），Tmin为日极端最低气温（℃）；Tm为日平均气温（℃）。

2 结果与分析

2.1 芒果寒害临界温度的确定

通过冬季寒害灾情调查方法，获取历史灾情样本；结合2014/2015年、2015/2016年冬季果园定位观测、地理移置和人工气候箱低温致灾试验结果，整理分析试验观测数据、拍照记录、观测人员记录资料及相关气象数据，得到有明确时间、地点、果树受害症状、过程极端最低温度等有效芒果寒害样本共39例，其中33例为自然条件下调查和试验观测样本（表1），6例为人工气候箱低温致灾试验样本（表2）。

由表1可知，当极端最低温度低于2.0℃时，芒果出现寒害症状，随着温度进一步降低，寒害趋于严重甚至芒果被冻死，而当温度高于2.0℃时，芒果无受害症状；表2中当试验处理温度为3.0℃持续时间1h时，芒果无受害症状，但当温度降至1.0℃持续时间1h时，芒果叶片变色，遭受寒害。由此可以确定芒果的寒害临界温度为2.0℃，即当极端最低气温≤2. 0℃时，芒果寒害过程开始，当极端最低气温＞2. 0℃时，寒害过程结束。

表1 芒果寒害灾情调查和观测样本

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

（续表）

注：A表示样本来源于果园定位观测，B表示样本来源于地理移置试验，C表示样本来源于灾情调查。

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 人工气候箱低温致灾试验芒果苗寒害症状

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

2.2 寒害过程筛选结果

选取福建省长泰县、南安市、安溪县、仙游县、福清市、宁德市区6个芒果主产县市，根据已确定的芒果寒害临界温度2.0℃，筛选6个县市2001−2014年冬季极端最低温度≤2. 0℃的寒害过程，确定寒害过程开始和结束的时间，并从中选取当年≤2. 0℃持续时间最长的寒害过程。由此可得，长泰县符合条件的寒害过程有4个，南安市符合条件的有1个，安溪县符合条件的有3个，仙游县符合条件的有8个，福清市符合条件的有2个，宁德符合条件的有10个，共筛选出28个寒害过程。

2.3 芒果寒害风险综合气候指标的确定

2.3.1 综合气候指标计算

根据筛选出的28个芒果寒害过程开展寒害致灾因子的研究，将过程极端最低温度、过程平均温度、过程有害积寒、过程持续时间、过程降温幅度、过程降水量与当年相对气象产量进行相关分析，研究发现过程极端最低气温（X1）、日最低气温≤2.0℃有害积寒（X2）、≤2.0℃寒害过程持续日数（X3）、≤2.0℃寒害过程降温幅度（X4）与相对气象产量的相关性最好，4个气象因子均通过了0.05水平的显著性检验，故选取这4个因子作为芒果寒害的致灾因子。

芒果寒害4个致灾因子X1、X2、X3、X4序列间的相关系数见表3，由表可以看出，致灾因子两两之间的相关系数均通过了0.01水平的显著性检验，表明致灾因子之间并不独立，而是互有影响。因此，为了避免信息重叠而影响分析效果，利用主成分分析对4个致灾因子进行综合简化。

表3 致灾因子间的相关系数矩阵

注：X1为寒害过程的极端最低气温（℃），X2为日最低气温≤2.0℃有害积寒、X3为≤2.0℃寒害过程持续日数（d）、X4为≤2.0℃寒害过程降温幅度（℃）

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℃.

运用SPSS统计软件中的主成分分析工具，对芒果寒害4个致灾因子X1、X2、X3、X4序列进行分析，软件提取了第一主成分，其累计方差贡献率达到76.11%，说明这一主成分已能充分说明数据间的波动原因，并得到协方差矩阵的特征根λ=（2.030，1.014，0.331，0.088），以及特征向量A1、A2、A3、A4分别为−0.656、0.737、0.866和0.492。

由此可构建芒果寒害综合气候指标（HI）为

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

由式（3）可知，寒害综合气候指标HI与冬季极端最低气温X1呈负相关关系，而与其它3个致灾因子呈正相关关系，即≤2.0℃有害积寒越大，≤2.0℃低温持续日数越多，≤2.0℃寒害过程降温幅度越大，冬季极端最低气温越低，则寒害综合气候指标HI越大，芒果遭受的寒害等级就越高，这与果树实际发生的灾害过程是相符的。

2.3.2 综合气候指标分级

参照农业上划分灾害年型的方法，将相对气象产量减产率（%）分为0～10%、10.1%～20%、20.1%～30%、30.1%～100%共 4个等级，分别对应轻、中、重、严重寒害等级[22−23]。将计算筛选出的芒果主产县市28个寒害过程综合气候指标（HI）与当年芒果相对气象产量绘制点聚图（图1）。

图1 28个寒害过程综合气候指标［HI，由公式（3）计算］与相对气象产量间关系

由图1可见，芒果寒害综合气候指标HI与相对气象产量呈显著负相关关系（R=−0.383，P＜0.05）。采用线性回归方法对两个因子进行分析，可得到一元线性回归方程。

y=−0.142x+10.12 （4）

式中，y为芒果寒害综合气候指标，x为相对气象产量。用相对气象减产率（%）x=−30、−20、−10、0代入方程，得到芒果各级寒害综合气候指标的阈值，并据此确定各寒害等级的指标区间（表4）。

2.3.3 综合气候指标验证

选取宁德市2001−2014年冬季芒果寒害综合气候指标与相对气象产量进行对比印证（图2）。从图2可知，芒果寒害综合气候指标与相对气象产量呈现明显相反的变化趋势，芒果产量较低的年份，寒害综合气候指标数值就大，反之产量高的年份，则综合气候指标就小。其中2005、2009、2011年芒果产量较低，相应的寒害综合气候指标较大，这与宁德市2004−2005年冬季、2008−2009年冬季和2010−2011年冬季芒果遭受低温寒害，从而导致当年产量降低的实际情况相一致。计算芒果寒害综合气候指标与相对气象产量的相关系数为−0.606（P＜0.05）。综上所述，本研究的寒害综合气候指标可以用来分析福建省芒果寒害的轻重。

表4 芒果寒害综合气候指标等级

Table 4 Grade of comprehensive climatic index for mango cold injury

2.4 福建芒果寒害种植气候风险区划

建立芒果寒害综合气候指标与测站经度、纬度和海拔高度的多元回归模型，利用GIS技术对其进行地理插值推算，将点状数据转化为面状格网数据，解决无气象观测资料地区的寒害指数计算问题，实现寒害综合气候指标的空间连续分布。

由福建芒果寒害种植气候风险区划图可见（图3），福建省芒果无寒害−轻度寒害的区域主要分布在沿海地区，是福建省引种芒果灾害风险最低的区域，适宜芒果的引种扩种，但遇冬季冷空气过程时也应采取灌水、稻草覆盖、熏烟、高培土、树干包扎、果实套袋、增施热性磷钾肥、喷施果树防冻剂等防寒措施，以减轻或避免寒害损失；中度寒害区主要分布在南靖县、上杭县、福鼎市、三明市区、德化县，是福建省引种芒果灾害风险较低的区域，由于芒果树体较大，采用设施大棚进行种植成本较高，建议这些区域不作引种；其余地区为重度寒害−严重寒害区域，不适宜芒果的引种试种。

图3 福建省芒果寒害种植气候风险区划

3 结论与讨论

3.1 讨论

通过冬季寒害灾情调查、果园定位观测、地理移置和人工气候箱低温致灾试验4种渠道收集芒果寒害灾情样本39例，其中33例为自然条件下调查和试验观测样本，6例为人工气候箱低温致灾试验样本，从灾情样本中可以看到当极端最低温度低于2.0℃时，芒果出现寒害症状，从而确定芒果寒害临界温度为2.0℃，这与陈惠等[24−25]研究的芒果寒害起始受害极端最低气温2.0℃相一致，即当最低气温≤2.0℃时，芒果开始遭受寒害。

根据确定的芒果寒害临界温度，从福建芒果主产县市2001−2014年冬季低温过程中共筛选出28个芒果寒害过程。通过将寒害过程温度、降水等气象因子与相对气象产量进行相关分析，确定过程极端最低气温、过程有害积寒、过程持续日数和过程最大降温幅度为芒果寒害的4个致灾因子，因子之间相关性显著。基于4个致灾因子，采用主成分分析方法构建芒果寒害综合气候指标，其第一主成分累计方差贡献率达到76.11%，物理意义清晰。根据灾害年型的划分方法，最终确定轻、中、重、严重寒害综合气候指标等级分别为10.12＜HI≤11.54、11.54＜HI≤12.96、12.96＜HI≤14.38、HI＞14.38。为了验证指标的代表性和准确性，对宁德市历年相对气象产量和寒害综合气候指标进行试算，结果表明两者有显著的负相关关系，指标很好地反映了芒果灾害年遭受的寒害轻重，说明该指标对评价芒果寒害受害程度有实际参考价值。从芒果寒害综合气候区划结果来看，无寒害−轻度寒害的区域主要分布在福建省沿海地区，是引种芒果优质品种寒害风险最低的区域，适宜引种扩种，这也与芒果的实际种植区域基本一致，区划结果可为芒果寒害监测预警、农业生产区划及产业带建设提供理论依据。

应当指出的是，影响果树寒害的因子很复杂，其发生及程度还受植物学因子的影响[26−28]。本研究未对芒果遭受寒害后植物生理指标进行测定，仅针对气象因子进行了分析，如何结合阴雨、大风、日照等设计寒害指标试验，并得到寒害预警业务所需的更精细、更准确综合性指标，还有待今后进一步研究。

3.2 结论

通过对典型寒害过程分析，芒果寒害临界温度为2.0℃；利用芒果寒害综合气候指标，确定轻、中、重、严重寒害综合气候指标等级分别为10.12＜HI≤11.54、11.54＜HI≤12.96、12.96＜HI≤14.38、HI＞14.38；从综合气候区划结果看，福建省沿海地区为无寒害或轻度寒害区域，是引种优质品种寒害风险最低的区域。

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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

杨凯,陈彬彬,陈惠,等.基于寒害过程的福建芒果种植气候风险区划[J].中国农业气象,2019,40(11):723-732

2019−04−26

。E-mail：ch775@126.com

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201406027）；福建省自然基金项目（2018J01047）；福建省科技厅农业引导性（重点）项目（2017N0011）；福建省气象局开放式气象科学研究基金项目（2015K02）作者简介：杨凯（1979−），硕士，高级工程师，从事农业气象和气候变化研究。E-mail：yangkai_1998@163.com