四川渠江中上游羊肚菌低温冷害风险分析*

张利平，周泽英，彭 雲，王庆莉，赖自力，王明田

（1.中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072；2.达州市气象局，达州 635000；3.甘孜藏族自治州气象局，康定 626000；4.泸州市气象局，泸州 646000；5.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室，成都 610066；6.四川省气象台，成都 610072）

羊肚菌（Morchella）是一种珍稀的野生食用菌[1]，有丰富的营养价值和很高的保健功能。中国20世纪80年代开始羊肚菌人工栽培驯化研究[2−3]。2000年四川省林业科学院首次采用外营养添加技术，突破羊肚菌的室外栽培技术难题[4−7]，之后，羊肚菌优良菌株的引进与筛选、人工栽培技术的改进和商业化应用等得到快速发展，相关仿生态栽培技术已在国内多省（市、自治区）得到大面积推广。在实际栽培生产中，不同品种、不同地区、不同年份的羊肚菌产量表现极不稳定，主要原因有菌种不稳定、抗逆性差以及对环境条件的依赖性强等，其中最大的制约因素是天气与气候条件的不稳定性[4]。羊肚菌主要气象灾害有冷害、热害、干旱和低温连阴雨等，其中影响最大的是冬末春初羊肚菌原基分化−子囊果生长期的低温冷害，如四川省甘孜州康定市2016年春季发生的强寒潮低温冷冻灾害，导致当年羊肚菌绝收。

羊肚菌冷害是指当环境温度低于某一临界值时，子实体生长发育不良甚至受冻死亡的减产现象。国外对冷害机理研究较多[8−11]。国内冷害研究主要集中在水稻、东北玉米、新疆棉花以及热带经济林木。王远皓等[12]将冷害指标归纳为生长季温度距平[13]、生长季积温[14]、生长发育关键期冷积温[15]、作物发育期距平[16]、热量指标[17]和综合指标[18]等六类，霍治国等[19−21]分别研究确定了香蕉和荔枝、龙眼、莲雾苗的低温寒害指标等级，王春乙等[22−24]基于自然灾害风险理论对作物冷害风险评估方法进行了深入研究，梁立江等[25−29]利用GIS技术分别对东北水稻、湖北马铃薯、华南香蕉和荔枝、福建芒果等开展了冷害风险区划。羊肚菌生产是一种新兴的特色与设施农业，各地栽培历史短，栽培总面积较小，目前关于羊肚菌冷害的致害机理、气象指标和气候风险与种植气候区划的研究少见报道，开展冷害气象服务缺乏必要的技术支撑。

近年来，因产品需求旺盛、经济效益显著，渠江中上游羊肚菌栽培面积逐年增加，是山区农户脱贫和农村产业发展的主要项目之一，但冷害是影响其安全生产和快速发展的主要气候问题。本研究基于现有粮经作物冷害分析和风险区划研究方法与成果，在不考虑社会经济与管理水平等影响的前提下，以四川渠江中上游羊肚菌主要栽培区出菇期冷害为研究对象，结合田间试验和生产调查，研究羊肚菌冷害致灾因子及风险指标，运用GIS技术开展羊肚菌冷害气候风险精细区划，以期为本地区羊肚菌生产规划、冷害动态评估和防灾减灾对策提供科学依据，促进山区农户脱贫致富和农村产业发展。

1 材料与方法

1.1 研究区域与时段

渠江中上游地处四川东北部、大巴山−米仓山南麓，106.35～108.54°E、30.32～32.74°N，海拔222.0～ 2512.9m，主要包括达州和巴中两市。地势北高（大巴山区）南低（盆地丘区），以山地和丘陵为主，属亚热带湿润季风气候类型。由于地形复杂，山地气候特征明显。海拔800m以下的低山、丘陵、河谷地区，气候温和，四季分明，无霜期长；海拔800−1000m的低、中山区，气候温凉、阴湿，回春迟，夏日热，秋凉早，冬寒长；海拔1000m以上的中山区，光热资源不足，寒冷期较长，春寒和秋霜突出。

羊肚菌一般从低海拔的平原地区到3200m的高海拔地区都有分布[3]，但各地生育期不同。据调查和试验（表1），目前渠江中上游区域内羊肚菌主要种植于海拔300～600m的河谷、低山浅丘及平坝区，600m以上山区种植极少，且子实体生长季明显延后。该区域内羊肚菌栽培季一般为10中下旬−翌年3月底或4月初。一般在10月中下旬播种，1月下旬−2月上旬为原基分化期，3月上旬随着子实体生长成熟，开始采收，4月上中旬结束，采收期30d左右。可见，2−3月为羊肚菌生长的关键期。据此，确定研究区域为渠江中上游海拔600m以下地区（以下称“研究区”），研究统计时段为2−3月。研究区地形与资料站点分布见图1。

表1 研究区内羊肚菌生育期调查结果Table 1 Investigation result of the growth period of Morchella in research station

图1 研究区域（海拔600m以下）地形与站点分布Fig.1 Topography and site distribution in the study area（altitude≤600m）

1.2 资料及其来源

DEM高程数据。分辨率30m的DEM高程数据来源于地理空间云（http：//www.gscloud.cn/），1：100万行政区划边界shp（2017版）数据来源于国家基础地理信息中心（http：//ngcc.sbsm.gov.cn/ngcc/），用于空间分析。

气候数据。渠江中上游及其周边21个县级气象站1991−2020年逐日地面气象观测资料来源于四川省气象探测数据中心、重庆市气象科学研究所和陕西省汉中市气象局，用于对研究区域内典型站点冷害指标的统计分析。

试验数据。2018年10月−2019年4月，在宣汉县双河镇方斗村（31.463°N，107.772°E，494.0m）和万源县井溪镇盐井坝村（31.772°N， 108.229°E， 500.0m）同时开展羊肚菌生产试验，方斗村为丘陵台地，盐井坝村为河谷，土壤类型均为水稻土。试验在遮光率为75%黑色遮阳网搭建的2m高简易大棚中进行，试验品种为六妹羊肚菌（M.sextelata）栽培种，每个小区面积为10m2，设1个重复5个播期，播期间隔5d，首播期为10月29日，试验区外生产对照地块播期为11月8日。棚内安装便携式自动气象观测仪（高度1.5m）和土壤多参数速测仪（外接电源），主要观测气温、空气湿度、日照时数以及0−10cm土壤温湿度。棚外800m范围内建有1个区域自动气象站，自动定时收集气象资料，结合羊肚菌生育期观测，分析气象条件和栽培设施内外温差及其变化对羊肚菌生长发育的影响。

1.3 冷害指标选择

羊肚菌子实体期发生冷害，原基和子囊果会因冻而受损或死亡，受害程度与地面最低气温直接相关，还与降温幅度和持续时间等密切相关。根据降温天气条件的不同，冷害可分成辐射型冷害、平流型冷害和混合型冷害[30]，其中，辐射型冷害主要由极端最低气温造成，平流型冷害主要由持续低温造成，混合型冷害主要是由平流型冷害转为辐射型冷害所致。冷害致灾因子可以概括为极端最低气温、最大降温幅度、持续日数和有害积寒。降温幅度和极端最低气温可较好地表示强冷空气入侵引起的上述3种冷害类型的剧烈程度，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冷害的累积作用。

据研究[27]，过程有害积寒与过程持续日数、最低温度和降温幅度呈显著相关，能综合反应不同类型冷害过程的时长与强度。因此，选择极端最低气温和过程有害积寒作为羊肚菌的冷害指标。

1.4 统计口径与计算方法

（1）羊肚菌低温冷害过程：羊肚菌原基分化−子实体期间，当日最低气温（Tmin）≤冷害临界温度（Tc）、且持续1d或以上时，定义为1次羊肚菌低温冷害过程。

（2）冷害频率（P）：统计年（N）内冷害发生次数（n）的百分比。

（3）冷害过程日平均气温（Tk）：冷害过程中日平均气温的平均值。

式中，T为最低气温≤界限温度之日的平均气温（℃），m为最低气温≤界限温度的日数（d）。

（4）过程有害积寒（ACHT，accumulated cold harmful temperature，简称积寒）：指冷害过程中，低于临界温度的逐时温度与临界温度之差的绝对值累积量。

计算方法：根据确定的羊肚菌发生低温冷害临界温度指标，统计低温冷害过程数据。由于没有逐时温度资料，参考文献[19]中公式，计算每次低温冷害过程的积寒值。计算式为

式中，A为积寒（℃·d）；m为过程持续日数（1，2，…，x2）；Tmin为日最低气温（℃）；Tm为日平均气温（℃）；Tc为冷害临界温度，其数值需要根据当地低温气象条件和羊肚菌试验结果综合确定。

（5）温差（Tm）：同日最低气温（Tmin）与地面最低温度（T0min）之差，即

1.5 数据标准化处理

为消除不同指标量纲的影响，采用z-score法进行转换，转换后的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，转换式为

式中，μ为样品的均值，σ为样品的标准差。

采用min-max标准化对数据进行线性变化，使数据落在[0，1]，即

式中，Xi为某一致灾因子第i年的标准化值（0≤Xi≤1），xi*为相应致灾因子第i年z-score法转换后的值，xmax*、xmin*分别为相应致灾因子z-score法转换后的最大值和最小值，i为年份。

为了与极端最低气温的相关性方向保持一致，积寒值标准化时应先作负值处理。

1.6 综合冷害指数计算

采用加权综合评价法计算逐年冷害指数[23−24]，即

式中，Hi为羊肚菌综合冷害指数；n为评价因子个数，n=2（极端最低气温和积寒值）；Wi为第i项评价因子的权重，采用层次分析法确定。

1.7 空间分布数理模型建立

运用多元回归法建立各指标或要素的空间分布数理模型，即

式中，iA为第i项气象灾害指标的回归频次，δ、φ、h分别代表经度、纬度和海拔，ia、ib、ic为回归系数，di为常数，ω为残差。

利用ArcGIS10.1绘图，残差采用反距离权重法插值订正。

1.8 风险等级划分与区划图绘制

利用ArcGIS10.1的空间分析模块制作区划图。采用层次分析法确定冷害指标的权重系数，分别对冷害指标图层进行标准化处理，按权重对指标图层进行叠加计算，绘制风险栅格图层。按照自然断点法确定低、次低、中、次高、高5级风险分级阈值，对风险栅格图层分级。最后，叠加行政边界和主要河流等地图信息，绘制冷害风险区划图。

2 结果与分析

2.1 羊肚菌低温冷害指标确定

2.1.1 地温临界值

羊肚菌是低温菌，不同品种的适宜生长发育温度范围略有差异[2−4，31−32]。一般而言，菌丝体发育温度在5.0～30.0℃均可，最适温度为15.0～22.0℃，能耐0.0℃以下低温；当温度稳定在8.0℃以上3d后，原基开始分化；子囊果含水量在90%以上，环境温度在6.0～25.0℃区间均能生长，低于15.0℃品质较好。原基分化−子囊果初期是低温敏感期，研究区多处于冬末春初，该时段内环境温度为0.0～6.0℃时，原基与子囊果生长缓慢甚至停止分化、生长；当环境温度＜0.0℃时，原基或子囊果会因受冻结冰而死亡，严重时导致羊肚菌大量减产甚至绝收。羊肚菌主要生长在地表0−15cm范围内，可用地表温度表示其生长的环境温度，因此，确定2−3月羊肚菌低温冷害的地面温度临界值为0.0℃。

2.1.2 气温临界值

地温受环境影响因素较多，加之一般种植地区并没有观测或预报，所以实际应用中地温不如气温（H=1.5m）方便。因此，需将0.0℃的地面温度临界值转换为对应的气温值。

（1）以南江、宣汉和大竹3个国家气象观测站，分别代表研究区的北、中、南3个区位，选取2010−2019年2−3月日最低气温（Tmin）≤3.0℃观测资料与同日地面最低温度（T0min）观测资料为一个数据组（Tm≤3.0℃的频率在98%以上）。利用上述资料进行线性回归分析，结果见表2。

由表2可见，研究站点最低气温与地面最低温度呈极显著正相关，但回归系数较小（＜0.1），常数项（≈平均温差）在0.90～1.35，从南至北增大，最低气温与地面最低温度之差相对恒定。

（2）统计同日最低气温（Tmin）与地面最低温度（T0min）之差（Tm）和当Tmin≤临界值（临界值取0.0、1.0、2.0和3.0℃）时、T0min≤0.0℃的频率P临界值，结果见表3。由表中可见，日最低气温与地面最低温度关系较复杂，二者平均差值在0.7～1.4℃，温差范围在−1.9～3.5℃，其中最低气温高于地面最低温度的频率为82.2%～94.1%。当最低气温≤0.0℃时，一般都有冷害发生；最低气温≤1.0℃时，冷害频率50.0%～91.0%；最低气温≤2.0℃时，冷害频率41.2%～77.3%；最低气温≤3.0℃时，冷害频率31.1%～59.3%。

（3）统计当T0min≤Tmin时，Tmin小于1.0、2.0和3.0℃等临界值的频率P临界值和温差Tm，结果见表4。由表中可见，当冷害发生时，最低气温高于地面最低温度的频率在90%以上，平均温差为1.2～1.6℃，最低气温≤2.0℃的频率均在95.0%以上。

从地理区位上看，随着纬度北移和海拔升高，研究区内冷害日数明显增加，且最低气温与地面最低温度之差增大。

表2 代表站点2−3月日最低气温（Tmin）与地面最低温度（T0min）间回归分析结果（2010−2019年）Tble 2 Regression analysis between the minimum air temperature（Tmin）and minimum ground temperature（T0min）at three representative stations from Feb.to Mar.（2010−2019）

表3 不同临界气温水平下地温T0min≤0℃的频率及不同条件下的气−地温差统计（2010−2019年）Table 3 Statistics of the ground - air temperature difference and frequency of T0min≤0℃ under different condition （2010-2019）

表4 冷害发生时的气−地温差（℃）和不同临界气温下T0min≤0℃的频率（%）（2010−2019年）Table 4 Statistics of the ground - air temperature difference（℃） and frequency（%） under different critical air temperature when chilling injury occurs in 2010−2019

2.1.3 低温冷害指标确定

统计方斗和盐井坝站羊肚菌试验大棚内外2019年2月的最低气温和地温情况，结果见表5。由表中可见，两个试验大棚内外2月平均最低气温与平均最低地面温度之差0.6～0.9℃，极端最低气温与极端最低地面温度之差1.4～1.7℃，棚内外温差变化方向与此一致但有差异。

2月19−20日，渠江中上游发生了一次辐射型冷害天气过程，18日下午天气转晴以后，19日试验大棚内外平均气温5.0℃左右，比前一天降低约1.5℃，而极端最低气温由前一天的2.0℃左右下降到0.0℃以下，地面极端最低温度降至−2.5～−1.7℃，差值1.4～1.7℃；20日，方斗站冷害结束，盐井坝站平均气温回升约1.0℃，极端最低气温仅回升0.2～0.4℃，棚内地面极端最低温度比棚外偏低−0.4～−0.3℃。

宣汉站2019年2月19日冷害日的气温和地温实时变化情况见图2。由图可见，受云天状况变化影响，当日2：00后地温和气温迅速下降，4：00、5：00先后降至最低，然后逐步回升，8：00后受太阳辐射影响，地温迅速上升。日极端最低气温（0.8℃）与极端最低地面温度（−1.0℃）之差为1.8℃。

综上，研究区2−3月最低气温与地面最低温度的平均差值在0.7～1.4℃，当最低气温≤2.0℃时，虽不一定出现冷害，但当有冷害出现时，最低气温一般在2.0℃以下。综合考虑羊肚菌风险管理、栽培环境复杂性等，确定2−3月羊肚菌冷害风险指标为日最低气温≤2.0℃。

2.2 羊肚菌冷害发生情况统计

按照日最低气温≤2.0℃标准，统计羊肚菌2−3月冷害发生情况，结果见图3、表6−表8。由图3和表6可见，不同年份各地冷害差异明显，除个别年份外，北部的冷害发生频次和积寒明显高于中部和南部，最大积寒南江和宣汉站出现在2008年，大竹站出现在1995年；因大竹海拔略高于宣汉且处于川东平行岭谷的槽区，更易受南下冷空气影响，导致大竹积寒略大于宣汉。

表5 2019年2月两个试验站简易大棚内外气温与地面温度Table 5 Air temperature and ground temperature（0cm） inside and outside the simple greenhouse at two test stations in February，2019

图2 宣汉站2019年2月19日气温和地温的日内变化Fig.2 Diurnal variation of air temperature and ground temperature in Xuanhan station on Fer.19， 2019

图3 1991−2020年各站点积寒值的年际变化Fig.3 Annual changes of accumulated cold harmful temperature （ACHT） in each station in 1991−2020

由表6可见，从冷害的月发生情况看，2月偏多偏重，平均发生频次约为2.0次，平均积寒约为0.51℃·d；3月冷害偏少偏轻，平均发生频次约为0.3次，平均积寒约为0.03℃·d。从旬发生情况看，2月上旬以后，旬频次与积寒均逐旬降低或减小，到3月中旬以后，北部山区偶有冷害，中南部极少有冷害发生；2月上中旬冷害频次约为1.6次·a−1，占总频次的70.2%，积寒约为0.44℃·d，冷害频次较高、强度较大；2月下旬以后冷害频次约为0.7次·a−1，占总频次的29.8%，积寒约为0.09℃·d，冷害频次明显降低，危害明显减小。

由表7可见，各地羊肚菌冷害发生年频次自南向北增多，由大竹的10年7遇增多至南江的1年1遇。不同持续日数冷害过程年频次合计分别为3.53（南江）、1.87（宣汉）、1.67次（大竹），各站冷害日数以持续1～3d为主，占82%～89%；持续3～5d的较少，占9%～15%；持续5d以上的很少，仅占2%～3%。

由表8可见，各地2−3月羊肚菌冷害多年平均日数为2.7～6.4d，冷害日平均气温5.7～5.8℃，极端最低气温−2.5～−1.0℃，多年平均积寒0.35～1.01℃·d，冷害平均日数和平均积寒随纬度和海拔的增加而增加；冷害最长过程日数可达6～8d，最大积寒2.20～3.64℃·d。

表6 1991−2020年2−3月研究站点冷害发生频率（P，%）和积寒（ACHT，℃·d）Table 6 Chilling injury frequency（P， %） and accumulated cold（ACHT， ℃·d） in research stations in Feb.-Mar.in 1991−2020

表7 1991−2020年冷害年频次和不同持续日数冷害过程年发生频次Table 7 Frequency of chilling injury in years and annual frequency of chilling injury in different duration days from 1991 to 2020

表8 1991−2020 年研究站点冷害日数、气温和积寒统计Table 8 Statistics of chilling injury days， air temperature and ACHT in research station in 1991−2020

鉴于研究区内3个气象站近30a每年2−3月冷害日的平均气温稳定在5.7～5.8℃，故认为，可将2−3月日平均气温＜6.0℃作为研究区羊肚菌出菇期的冷害风险预警基础指标，此指标与羊肚菌子囊果生长的下限温度一致，实际应用时根据冷害类型和天气状况适当调整后，可开展相关气象服务。

2.3 渠江中上游羊肚菌冷害综合风险区划

2.3.1 指标因子空间分布

利用21个站点2−3月的极端最低气温Td、多年平均积寒Ah与各站点地理位置进行多元回归，建立空间分布模型，结果如式（9）、式（10），经残差订正后两指标的空间分布见图4。

由图4可见，研究区极端最低气温为−4.4～−0.3℃，平均积寒为0.0～1.17℃·d，绝对值均呈自南向北、自西向东、自低海拔向高海拔增大的空间变化规律，其中受纬度和海拔影响较明显。受大巴山阻挡，冬春季冷空气南下通道多数位于研究区东部，西部地区冷空气活动相对偏少、强度偏轻是这两个指标的空间分布绝对值自西向东增加的主要原因。

2.3.2 综合风险区划

采用层次分析法确定极端最低气温（Td）和2−3月冷害过程多年平均积寒（Ah）的权重系数（表9），分别对Td和Ah进行标准化处理，按权重对指标图层进行叠加运算。运用自然断点法，按低、次低、中、次高和高5级确定分级阈值（表10）。叠加行政边界和主要河流等信息，绘制冷害风险区划图（图5），计算各风险分区面积与占比（表10）。

由图5可见，羊肚菌冷害风险等级自南向北、自低海拔向高海拔增加。低、次低风险区主要分布于达州的渠县、大竹、达川大部、通川区东南部、宣汉南部河谷和巴中的巴州、恩阳、平昌等海拔450m以下的低山河谷、浅丘平坝区，面积约占46.6%；中风险区主要分布于大竹前槽北部、开江后厢等海拔400～520m的低山高丘区，面积约占20.4%；次高或高风险区主要分布于开江前厢、通川北部、宣汉、万源、通江、南江等海拔520～600m的低山河谷区，面积约占33.0%。

图4 渠江中上游区域2−3月极端最低气温（a）和平均积寒值（b）的空间分布（1991−2020年）Fig.4 Spatial distribution of extreme minimum temperature（a） and average ACHT（b） in the middle and upper reaches of the Qu river in Feb.−Mar.（ 1991−2020）

表9 冷害指标因子影响权重Table 9 Influence weight of chilling injury index factors

表10 羊肚菌低温冷害综合风险等级与面积Table 10 The grade and area of comprehensive risk index of chilling injury of Morchella

图5 渠江中上游区域羊肚菌冷害风险区划Fig.5 Risk zoning of Morchella chilling injury in middle and upper reaches of Qu river

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）渠江中上游海拔600m以下地区2−3月空气与地面的最低温度差值平均为1.0℃左右（0.7～1.4℃），南部小北部大，羊肚菌冷害风险温度指标为日最低气温≤2.0℃。羊肚菌冷害风险预警指标为日平均气温＜6.0℃，此指标与羊肚菌生长的下限温度基本一致，数据资料易获取，便于开展羊肚菌专业气象服务。

（2）羊肚菌冷害年发生频次为10年7遇至1年1遇，主要发生在2月上旬−3月上旬，冷害过程发生频次和强度逐旬减小，其中2月上中旬发生频次较高，约占总频次的70%。冷害过程持续日数以1～3d为主，占总过程数的82%～89%，最长过程日数6～8d；极端最低气温−4.4～−0.3℃，平均积寒0.0～1.17℃·d，最大积寒值2.20～3.64℃·d。

（3）羊肚菌冷害风险等级自南向北、自低向高增加。中低风险区主要分布在中南部海拔520m以下的低山浅丘河谷区，面积约占2/3；次高和高风险区主要分布在北部海拔520−600m的低山高丘河谷区，面积约占1/3。

（4）将羊肚菌原基分化期调控至2月下旬以后，冷害频次降至约3年2遇，冷害强度明显降低，其危害明显减小。

（5）栽培地选址和设施大棚搭建方式对羊肚菌冷害有不同的影响效应。局地地形对小气候的影响可根据海拔高度和是否有利于南下冷空气流动与聚集进行综合判断，而利用黑色遮阳网搭建的栽培设施，因辐射降温幅度增大，冷害降温过程会加重对羊肚菌的损害。

3.2 讨论

（1）研究确定了渠江中上游海拔600m以下地区羊肚菌的冷害致灾因子、风险指标和安全生产的平均气温下限，划分了羊肚菌冷害气候风险等级，相关结果与实际基本相符，可以作为研究区内羊肚菌生产规划、冷害动态评估、防灾减灾的气象依据。

就生物特性和栽培技术而言，羊肚菌可以种植在渠江中上游海拔600m以上山区，因出菇季节较晚，昼夜温差随海拔升高而增大，冷害、春季连阴雨、风害等灾害增多，强度增大，商品化栽培风险较高，海拔越高，风险越大，这些灾害风险还有待进一步调查研究。

（2）由于不同地域的气候背景、栽培小气候环境、羊肚菌生育期等存在差异以及冷害过程的多样性和复杂性，研究确定的羊肚菌冷害指标和风险等级指标在不同地区不一定完全适用，应用时需根据当地实际和冷害天气状况进行适度调整。

（3）受资料不足所限，未分析羊肚菌产量或品质与致灾因子、综合指数之间的相关性，冷害指标和风险等级与实际情况可能存在一定误差，有待通过收集生产资料、增加试验，进一步开展验证分析，提高相关指标的可靠性和准确性。

（4）羊肚菌不同冷害类型的气候特征及影响程度存在一定差异，差异大小可能与温度动态变化、水分、土壤热容量、风等多种因素有关，有待通过试验收集资料，开展相关影响研究，为羊肚菌冷害预警预报服务提供更有指导意义的结论。