美味系猕猴桃越冬冻害指标

柏秦凤 王景红 李化龙 张维敏 郭建平 张 焘 贺晨昕

1)(陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心， 西安 710016) 2)(中国气象科学研究院， 北京 100081) 3)(陕西省渭南市气象局， 渭南 714000)

引 言

猕猴桃原产于中国，营养价值极高，含有钙、钾、硒等多种微量元素和17种人体需要的氨基酸以及丰富的维生素C、葡萄酸、果糖、柠檬酸等，又兼具药用价值，因而号称水果之王[1]。中国是猕猴桃人工栽培面积最大的国家[2-3]，且美味系猕猴桃占67%[4]。猕猴桃产业已经成为其栽培区支柱型农业产业和农民主要收入来源。中国猕猴桃第一、第二大产区分别位于陕西省秦岭北麓和河南省伏牛山、桐柏山等地，产业规模分别占到全国的40%和20%左右[5]。上述产区位于我国猕猴桃种植北缘，栽培品种以抗冻性较好的美味系为主；但是猕猴桃越冬冻害时有发生，常给果农造成极大的经济损失[6-9]。 随着猕猴桃产业规模的继续扩张和气候变化背景下北半球区域极端低温事件的多发趋势，猕猴桃北缘产区越冬期冻害将可能更频发[4，10-11]。

目前，有关猕猴桃越冬冻害指标的研究尚较薄弱。赵英杰等[12]对20世纪80年代中期秦岭北麓猕猴桃商业化种植以来的5次较大猕猴桃越冬冻害进行对比分析，认为造成猕猴桃越冬冻害的气候原因是空气湿度高，低温持续时间长。黄长社等[13]依据2002—2015年陕西周至猕猴桃物候观测资料，结合越冬期最低气温(TD)分析认为猕猴桃幼树和成龄树越冬期受冻临界指标分别如下：轻度冻害，-10.0℃

1 资料与方法

1.1 资 料

美味系猕猴桃秦岭北麓和伏牛山、桐柏山种植区1991—2020年越冬冻害灾情资料主要来源于实地调查、专家访谈和文献查阅等。

气象资料包括陕西鄠邑、周至、眉县、长安、武功以及河南桐柏、西峡7个县1991—2020年越冬期(越冬期指当年11月—次年2月,因此气象资料实际采用至2021年2月)日最低气温、日照时数、相对湿度。

1.2 方 法

1.2.1 美味系猕猴桃越冬冻害灾情样本序列构建

通过多种方法收集陕西秦岭以北和河南桐柏、西峡两大美味系猕猴桃产区的历史越冬冻害灾情资料，主要发生年份在1991年、2002年、2007年、2009年、2011年、2015年和2020年共7个冬季[1，12-17]。通过实地调查和专家访谈对陕西周至、鄠邑、眉县、长安、武功以及河南桐柏、西峡共7个美味系猕猴桃规模化栽培县，在上述年份猕猴桃越冬冻害的具体受灾程度和损失进行调查和评估，获取初步的美味系猕猴桃越冬冻害灾情等级、对应受灾症状和灾损信息等。

将周至、眉县、鄠邑、桐柏4县所获灾情资料作为分析样本。首先，结合文献和调查信息确定美味系猕猴桃越冬冻害的受害临界温度，以及轻度、中度、重度发生的临界指标；其次，采用主成分分析方法构建美味系猕猴桃越冬冻害综合指标，并采用K-means聚类分析方法对综合指标进行分级[18-19]；最后，采用长安、武功、西峡3个县的灾情样本序列对所构建的美味系猕猴桃越冬冻害指标进行检验。秦岭北麓和伏牛山、桐柏山地区7个美味系猕猴桃为主的栽培县地理信息及越冬期最低气温见表1。

表1 美味系猕猴桃主要栽培县地理气候概况Table 1 Geography and climate in main cultivation counties of tasty kiwifruit

1.2.2 美味系猕猴桃越冬冻害致灾因子选取

经济作物遭受冻(寒)害的程度，与低温持续时间、低温强度均有关[20-22]，积寒是考虑低温持续时间和强度对经济作物受冻(寒)害的综合性因子。本文结合前人对美味系猕猴桃越冬冻害致灾气候条件的总结和分析，选择日最低气温(指示降温强度)、低于美味系猕猴桃越冬冻害临界温度的日数(指示低温持续时间)、负积温(指示降温剧烈性)、积寒(指示植物总体所遭受的危害量)、日照、平均相对湿度共6项要素，分析其对美味系猕猴桃越冬期冻害的致灾作用。

1.2.3 积寒计算方法

积寒指降温天气过程中，逐时低于果树临界受冻温度的寒冷量的累积。基于气温昼夜变化具有周期性的特点，将单日积寒计算公式离散化，并经过积分变量转换，则可得到冻害发生过程中多日内果树受到积寒总量(X)的近似计算公式[20-21]：

(1)

式(1)中，X为过程有害积寒(单位：℃·d)，n为过程持续日数(单位：d)，TC为作物受害临界温度(单位：℃)，TD为日最低气温(单位：℃)，Tm为日平均气温(单位：℃)。

1.2.4 致灾因子标准化

美味系猕猴桃越冬冻害各项致灾因子量纲不同，因此在比较其致灾作用时需要对其进行标准化，采用SPSS统计软件中的Z-score标准化方法对各项因子进行标准化处理。

2 结果分析

2.1 美味系猕猴桃越冬冻害临界温度

张清明[1]对统计至今秦岭北麓最严重的一次猕猴桃越冬冻害(1991年冬季)的分析认为，-8.0℃以下低温持续时间长是导致猕猴桃严重冻害原因之一；黄长社等[13]认为-8.0℃是猕猴桃幼树或幼枝受冻的临界温度。陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心基于历史上7次范围较大的猕猴桃越冬冻害过程，对美味系猕猴桃产区进行实地调查和访问，构建美味系猕猴桃越冬冻害灾情样本序列(表2)。实地调查中，因主要针对猕猴桃历史灾情进行调查，绝大多数灾情个例无法获取详细的果树或枝条受冻率，因而仅以较为敏感的经济损失信息为依据，明确轻度灾害灾损率不高于30%、中度灾害灾损率高于30%且不高于50%、重度灾害灾损率高于50%(本文重度灾害以平均灾损约70%计)统计受灾后的损失[23]。

表2 美味系猕猴桃7次越冬冻害最低气温与灾损率调查表Table 2 Minimum temperatures and damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit

由表2可见，4个美味系猕猴桃主要栽培县在7次较大范围的越冬冻害期间，美味系猕猴桃受冻致灾的临界温度仅有1例在-8.0℃以上，为桐柏县2011年冬季猕猴桃越冬冻害，其余均在-8.0℃以下，据此，初步判定-8.0℃是美味系猕猴桃越冬冻害发生的临界温度。

2.2 美味系猕猴桃越冬冻害等级及指标

依据文献资料、实地调查和专家咨询，对美味系猕猴桃越冬冻害进行分级，以日最低气温(TD)单要素指标，初步将美味系猕猴桃越冬冻害划分为轻度、中度、重度3级，并归纳总结各级冻害成灾后美味系猕猴桃表现的受冻症状。如1991年冬季的冻害，大部分栽培县极端最低气温达到或接近-15.0℃，是至今对美味系猕猴桃影响范围最广、致灾程度最重的一次越冬冻害，此次冻害导致秦岭北麓各栽培县猕猴桃减产50%～92%，部分果园全园果树冻死[1]；另据调查，1991年冬季河南桐柏等地美味系猕猴桃大面积冻死，损失同样极为惨重。安成立等[16]对2009年冬季陕西省4个猕猴桃主产地越冬期冻害的调查结果显示：陕西猕猴桃树平均受冻率为31.3%，随着树龄增大受冻率降低，4年成龄树受冻率约11%。综合调查咨询与文献信息，获得美味系猕猴桃越冬冻害等级低温指标及各级对应冻害症状表现如表3。

表3 美味系猕猴桃越冬冻害低温指标和症状表现Table 3 Low temperature indicators and symptoms of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit

2.3 美味系猕猴桃越冬冻害综合指标

猕猴桃越冬冻害的致灾气候要素不仅是极端最低气温，还包括低温持续时间、湿度、日照等条件[1,12,14-15]。鉴于此，本文对所收集的历史时期美味系猕猴桃越冬冻害案例的致灾因子进行逐一统计和分析，筛选出与美味系猕猴桃越冬冻害灾损率相关的因子，构建综合指标并分级。

以周至、眉县、鄠邑、桐柏4县所获灾情资料为分析样本，选择日最低气温(X1)、-8.0℃以下低温日数(X2)、-8.0℃以下负积温的绝对值(X3)、-8.0℃以下有害积寒(X4)、平均日照(X5)、平均相对湿度(X6)共6项要素分析其与美味系猕猴桃越冬冻害灾损率(L)的相关关系。分析发现，X5和X62项因子与L未达到0.01 显著性水平，而X1～X44项因子与L达到0.01 显著性水平(表4、表5)。

由表5可见，美味系猕猴桃越冬冻害的4项致灾因子完全不独立，两两之间均呈显著相关关系，可见4项致灾因子的关系符合主成分分析条件，可采取主成分分析方法对其进行主要信息提取和综合简化。

表4 周至、眉县、鄠邑、桐柏美味系猕猴桃越冬冻害致灾因子及灾损率Table 4 Disaster factors and damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit at Zhouzhi,Meixian,Huyi and Tongbai

表5 各致灾因子及美味系猕猴桃越冬冻害灾损率的相关性Table 5 The correlations between the disaster factors and the damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit

基于SPSS统计软件中的Z-score标准化功能对美味系猕猴桃越冬冻害4项致灾因子X1，X2，X3，X4进行标准化得到标准化后的X1，X2，X3，X4；再对其进行主成分分析，提取累计方差贡献率达到85%的主成分。主成分分析结果显示：第1主成分累计方差贡献率已达89.52%，可充分代表4项因子的主要信息，所得协方差矩阵特征值λ=(3.581,0.227,0.147,0.045)；第1主成分荷载向量分别为-0.933，0.913，0.974，0.964；将第1主成分荷载向量除以其特征值的算术平方根得到的各项系数分别为-0.493，0.482，0.515，0.509，由此构建美味系猕猴桃越冬冻害综合指标(Ih)计算公式如下:

Ih=-0.493×X1+0.482×X2+

0.515×X3+0.509×X4。

(2)

由式2可见，美味系猕猴桃越冬冻害综合指标Ih与冬季最低气温(X1)呈负相关关系，各栽培县冬季最低气温(X1)越低，Ih越大；综合指标Ih与其他3项致灾因子呈正相关关系，即-8.0℃以下低温日数(X2)越长、-8.0℃以下负积温(X3)越多、-8.0℃ 以下有害积寒(X4)值越大，Ih越大，与美味系猕猴桃越冬冻害发生的实际情况相符。

2.4 美味系猕猴桃越冬冻害综合指标分级

获取美味系猕猴桃越冬冻害样本的综合指标后，需对其进行分级，以区别轻度、中度、重度猕猴桃越冬冻害。K-means聚类分析方法是典型的基于距离的聚类算法，既往学者在有关农作物或经济作物区划指标、灾害等级指标划分方面应用非常广泛[18,24-25]。本文基于SPSS软件中的K-means 聚类分析工具，对周至、眉县、鄠邑、桐柏4个栽培县28个美味系猕猴桃越冬冻害综合指标开展轻度、中度、重度3级分类。以28个样本的Ih值作为分析变量，L作为标识变量。样本特点表现为轻度灾害居多，中度、重度灾情较少，另有两例无灾损个例。依据样本特点结合K-means聚类分析原理，设置5个聚类中心进行分类，无灾情、中度、重度Ih临界值各占据1个类中心值，轻度灾情占据相邻2个类中心值较低的1个。经过两次迭代获得美味系猕猴桃越冬冻害综合指标Ih划分的轻度、中度、重度灾害指标分别为-2.082.15。

2.5 美味系猕猴桃越冬冻害指标验证

以陕西省武功、长安，河南省西峡，共3个美味系猕猴桃栽培县，1991年、2002年、2007年、2009年、2011年、2015年、2020年共7个冬季21个猕猴桃越冬(冻害)个例作为检验样本，对美味系猕猴桃越冬冻害低温指标和综合指标进行检验(表6)。

表6 武功、长安、西峡7次美味系猕猴桃越冬冻害过程低温指标、综合指标与灾损率Table 6 The low temperature indicators,comprehensive indicators and damage rates of overwintering freezing injury of tasty kiwifruit at Wugong,Changan and Xixia

表6中，武功、长安、西峡在历史上7次猕猴桃大范围越冬冻害过程中，出现10个灾损率为30%的轻度灾害个例，其中最低气温最大值为-8.0℃(西峡，2002年越冬期)、最小值为-13.1℃(武功，2011年越冬期)；综合指标最小为-2.14(西峡，2002年越冬期)、最大为1.34(武功，2020年越冬期)。出现3个灾损率为50%的中度灾害个例：武功县2015年越冬期冻害，最低气温为-14.9℃、综合指标为1.82；长安区2002年越冬期冻害，最低气温为-15.0℃、综合指标为1.62；长安区2020年越冬期冻害，最低气温为-13.9℃、综合指标为1.38。出现3个灾损率为70%的重度灾害个例：武功县1991年越冬期冻害，最低气温为-17.7℃、综合指标为2.79；长安区1991年越冬期冻害，最低气温为-17.3℃、综合指标为2.94；长安区2015年越冬期冻害，最低气温为-17.4℃、综合指标为2.70。综上，以低温指标(TD):-12.0℃2.15划分的轻度、中度、重度美味系猕猴桃越冬冻害及21例灾情的总体准确率分别约为60%，100%，100%，81%。由此可见，本文所构建的美味系猕猴桃越冬冻害低温指标和综合指标基本与实情相符，且综合指标优于低温指标。

3 结论与讨论

本文基于对美味系猕猴桃越冬冻害大量历史灾情个例的调查分析和研究，确定美味系猕猴桃越冬冻害受害临界温度。采用归纳总结方法构建美味系猕猴桃越冬冻害低温指标，基于冻害过程最低气温，低于受害临界温度的低温日数、负积温、积寒4项要素，采用主成分分析和K-means聚类分析方法构建美味系猕猴桃越冬冻害综合指标，得到如下结论：

1) -8.0℃是美味系猕猴桃越冬冻害发生的临界温度。美味系猕猴桃越冬冻害低温指标(TD)：轻度，-12.0℃

2) 综合考虑致使美味系猕猴桃越冬冻害发生的各项气象要素，构建美味系猕猴桃越冬冻害综合指标(Ih)：轻度，-2.082.15。

3) 以低温指标和综合指标划分的美味系猕猴桃越冬冻害轻度、中度、重度等级与实际灾情基本相符，综合指标优于低温指标；低温指标可为美味系猕猴桃越冬期冻害监测、预警提供参考依据，但综合指标在灾情等级识别、评估方面更优[26]。

有关猕猴桃越冬冻害指标的研究尚比较薄弱，目前多为经验总结，且大多依据的是气象站数据。实际已有文献指出猕猴桃果园的温度与所处县气象站的温度存在差异[12,27]。因而，在下一步的研究中可参考研究较多的苹果主要气象灾害指标，采用猕猴桃园内小气候站资料构建指标，或建立猕猴桃园内小气候站资料与县气象站资料之间的关系，对现有指标进行订正，提高相关指标应用精确度和价值[28-31]。

本研究在猕猴桃越冬冻害低温指标和综合指标验证过程中，均表现为轻度冻害准确率最低，同时也出现多例用最低气温划分为中度冻害的个例实际灾损是轻度级别。进一步分析和总结认为，猕猴桃越冬冻害(尤其是轻度越冬冻害)的成灾与否、灾损程度，与当年猕猴桃挂果量(影响冬季树体强弱)、进入休眠期时间早晚、营养积累是否充足、田间管理模式，是否采取防冻措施等有密切关系。因此，下一步研究工作应结合实验室和大田的对比试验，对美味系猕猴桃越冬冻害成灾机理进行深入研究，并可依据相关研究成果从果树养分供给，田间管理等多方面提出切实有效的灾害防御措施。