气候变化对不同产区苹果安全越冬的可能影响

张 勇，屈振江，刘跃峰，刘 璐，李艳莉，潘宇鹰

（1陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心，西安 710016；2陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3陕西省气象科学研究所，西安 710016）

0 引言

自然休眠是落叶果树应对外部逆境的自适应特性，休眠期的越冬风险是决定果树种植分布、产量和品质形成的关键因素[1-2]。在气候变暖的过程中，中国区域的增温速率高于全球且具有明显的区域和季节特征，尤其以冬季增温最为显著，极端低温事件的发生频次和强度有所减弱[3-5]。但气候变暖引起的物候期变化，可能会增加中国北部苹果产区的果树越冬风险。中国是世界第一大的苹果生产国，开展气候变化对中国不同产区苹果安全越冬影响的研究，可以为全国苹果产业种植规划、品种选择等提供科学参考。

BÉLANGER等[6-7]的试验表明，气温增加会引起越冬作物抗寒锻炼程度和脱驯化周期的改变，增加作物安全越冬的风险。COLEMAN等[8]采用大量低温冻害灾情数据研究表明影响加拿大果树分布界限的灾害是越冬冻害，其灾害发生时段主要集中在初冬浅休眠期和冬末脱驯化期。国内将深度休眠期期间极端低温造成的冻害作为果树越冬风险及苹果种植北界的研究主要内容，种植分布界限划分及冻害风险评估的气象指标多采用冬季最冷月平均气温、冬季极端最低气温出现频次等[9-11]。研究表明果树在不同的休眠阶段其抗寒性存在明显差异[12-17]，仅根据冬季极端低温时空变化特征来评估气候变化对果树安全越冬风险的影响并不全面。ROCHETTE等[18]提出需要综合考虑果树越冬休眠期不同阶段的低温强度对果树安全越冬风险的影响，基于此开展未来气候变化情景下果树安全越冬风险影响的研究更为科学。因此，本研究拟根据中国苹果各主产区果树不同越冬休眠阶段的气候条件和种植情况，利用1961—2015年的逐日气象资料，分析研究表征果树初冬低温伤害风险、冬季持续性低温伤害风险、冬季极端低温危害风险和脱驯化期的低温伤害风险的农业气象指标，以期为科学客观开展气候变化对苹果安全越冬风险评估提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

根据中国苹果优势区域布局规划(2008—2015)和中国农村统计年鉴[19-20]，将集中连片规模种植、种植品种以富士等大苹果为主的16个省（市、自治区）确定为研究区域。具体分析时依据规划区域及气候特点，将苹果产区具体划分为黄土高原产区（包括陕西、山西、甘肃和宁夏）、环渤海湾产区（包括山东、辽宁、河北、天津和北京）、黄河故道产区（包括河南、安徽和江苏）、西南冷凉高地产区（云南、贵州和四川）及新疆产区（图1）。研究区域内苹果产量约占中国总产的98%，富士、元帅和国光等大苹果品种占当地80%以上[20]的比例，因此研究选择的区域和品种均有较好的代表性。

1.2 资料来源

研究采用的气象数据包括1961—2015年逐日平均气温、最高气温、最低气温，资料来源于国家气象信息中心。其中气象数据均已进行了严格的质量控制，气温要素采用了均一化处理[21]。根据对研究区域内气象站点各类气象数据相互对应的连续性及完整性检验，选择了分布均匀的307个站点为代表站，来研究主要气候因子和农业气象指标的变化趋势及突变特征。苹果越冬期冻害资料来源于中国气象灾害大典和地方年鉴[22]，并利用查阅文献进行了补充和修正。

研究区域、主产区及气象站点分布见图1。

图1 研究区域、主产区及气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 评估指标 研究中常用农业气象指标来描述作物与气候的相互作用[18]。结合现有的研究成果，引入以下4个指标[9]用于综合评估气候变化对苹果安全越冬的影响（表1），其表征意义如下：

表1 苹果安全越冬风险评估指标及其计算方法

初冬低温冻害风险（Dmf，天）：作物的耐寒性特征只有在一定的外界环境因素影响下，通过新陈代谢代谢和细胞原生质体结构的变化才能表现出来[16,18]。作物的抗寒锻炼受到光周期和低温过程共同影响[23]，日照时长变短会使果树停止生长并触发抗寒锻炼过程，在低温过程影响下作物抗寒性的锻炼得到加强[18]。果树的抗寒性随着休眠阶段的深入而逐步加强，在初冬和脱驯化期抗寒性较差。根据现有的研究成果和灾情调查，冬季初期低温过程出现的时间越早作物遭受冻害的风险越大[18,24-25]。故此，可以用初霜日与日最低气温≤-15℃初日的间隔日数来表征初冬低温冻害风险[9]，记为Dmf。低温过程出现在休眠期越早，初冬低温冻害风险越大，Dmf值越小。

冬季持续性低温伤害风险(∑T-20，℃·d)：成龄苹果果树枝条经过正常的抗寒锻炼可耐受-30～-40℃的短时极端低温过程[25-27]，但在深度休眠期阶段如遭受持续的强低温过程同样会造成细胞脱水，改变细胞壁的机械应力，破坏细胞膜结构，而且随低温过程强度和持续时间的增加更会造成不可逆的伤害[1,18]。现有研究成果表明苹果越冬冻害与冬季日最低气温小于等于-20℃的日数呈显著相关[9-10]。故此，可以用日最低气温小于等于-20℃的累积冷积温来表征冬季持续性低温伤害风险[9]，记为∑T-20。冬季持续性低温伤害风险越高，∑T-20的绝对值越大。

冬季极端低温冻害风险(Tem，℃)：如果在越冬期出现极端低温过程低于果树能够忍耐的温度下限会引起细胞间隙过冷结冰，破坏果树生理结构，进而造成致命伤害[24-26]。幼树期苹果和结果量过大的挂果树，对极端低温过程更为敏感，极端低温过程持续极少时间也会造成严重危害[26]。故此，可以用冬季极端最低气温来表征极端的低温伤害风险[9]，记为Tem。冬季极端低温冻害风险越高，Tem值越小。

脱驯化期的低温伤害风险(∑Tm≥6，℃·d)：随着春季气温升高，果树脱驯化解除休眠进入萌芽期，其抗寒性也逐渐降低，霜冻带来的易损性随之增加[13,24-25]。研究表明，花芽在-2℃以下暴露30 min可造成10%的损害，-5℃以下则会造成90%的损伤[18]。晚霜冻结束前，果树的脱驯化进程和生长发育速度越快其受冻的风险越大。而果树生长发育速率对温度极其敏感，其中苹果开花期对温度的响应接近线性关系，按照积温学说和中国产区苹果花期冻害气象指标的相关研究，以花前日最高气温≥6℃有效积温表征脱驯化程度[28-30]。因此，本研究以终霜日前日最高气温≥6℃的有效积温来表征脱驯化期的低温伤害风险，记为∑Tm≥6。终霜日前脱驯化程度越高，春季霜冻风险越高，∑Tm≥6值越大。

1.3.2 研究方法 通过分析冬季最冷月平均气温(TC，℃)、冬季日最低气温小于等于-20℃的日数（N≤-20，天）、初霜日(Ffd)、终霜日(Lfd)4个指标，对苹果越冬期气候变化的基本特征进行分析。为便于分析初、终霜日的变化特征，初、终霜日均采用儒历日序，将1月1日定为1，1月2日定为2，依顺序随之增加。

利用4个越冬风险气象指标分别对初冬低温伤害风险、冬季持续性低温伤害风险、冬季极端低温危害风险和脱驯化期的低温伤害风险的变化进行研究。所有指标的变化趋势利用一元回归分析法和5年趋势滑动分析，并分产区计算各指标的均值及线性倾向率。同时，以气象站点为单元分析其趋势变化并进行显著性检验，以研究变化趋势的空间分布。其中，线性趋势的显著程度利用T检验方法，信度取α=0.05。突变特征分析采用Mann-Kendall检验方法，并结合滑动T检验进行[31-34]。Mann-Kendall检验方法具有检验范围宽、定量化程度高、人为性小等特点，是目前突变性检验方法中应用较多且理论意义最为明显的一种。

2 结果与分析

2.1 苹果越冬期气候变化的基本特征

在中国大苹果气候适宜性区划[30,35]和苹果种植北部界限的研究[9,35]中，常采用冬季最冷月平均气温和冬季日最低气温小于等于-20℃的日数作为区划指标，用于表征苹果是否能够正常休眠和安全越冬，或用于确定苹果种植北界。而初霜日和终霜日决定了产区的霜冻日数及果树休眠时间的变化。光周期诱导后无霜期时间过短，光周期诱导与低温过程诱导次序发生变化均会造成果树抗寒性的降低[16]。故此，可通过冬季最冷月平均气温(TC，℃)、冬季日最低气温小于等于-20℃的日数（N≤-20，天）、初霜日(Ffd)、终霜日(Lfd)的变化分析来评估苹果越冬期气候变化的基本特征（图2）。

图2 中国主产区苹果越冬期气候变化的基本特征

从冬季最冷月平均气温TC来看，苹果主产区冬季最冷月平均气温呈现上升趋势，线性倾向率达到0.20℃/10 a，但升温趋势在2000s以后总体放缓。西南高地产区明显高于适宜上限，新疆产区则低于适宜范围下限，而黄土高原、渤海湾和黄河故道产区在适宜范围之内变化。5个产区中种植面积最大的黄土高原和渤海湾产区上升趋势最为明显，线性倾向率分别达到0.22℃/10 a和0.25℃/10 a，而新疆产区和黄河故道产区温度上升趋势相对较缓。升温对新疆产区较为有利，对西南高地和黄河故道产区苹果树正常休眠有不利影响，同时可能导致产区病虫害越冬基数增加。

从冬季日最低气温小于等于-20℃的日数N≤-20看，新疆产区发生站次最多，而后依次为渤海湾产区、黄土高原产区和西南高地产区。黄河故道产区只在1966、1968、1991、2004等全国大范围极端降温年份出现。而随着冬季气温升高，各产区冬季日最低气温小于等于-20℃的日数也呈现明显减少趋势，线性倾向率达到了-222 d/10 a。特别是1980s之后低温频次明显减少并发生突变，5个主产区中新疆和渤海湾产区减少最为明显。但在2000年之后变化趋势有小幅波动，之前的减少趋势为-370 d/10 a，但之后发生频次又有所增加，线性倾向率达到了388 d/10 a。同时从年际分布看，黄土高原和渤海湾的变异系数较大，冻害发生的不确定性较其他产区大。低温发生频次总体减少的趋势有利苹果越冬及种植界限的延伸，但应注意到低温发生频次在近年来随气候变暖放缓之后的增加趋势。

主产区的初霜日Ffd平均推迟了1.5 d/10 a，并在1993年发生了突变，但变化趋势在2006年之后有小幅波动。各产区中黄河故道和新疆产区的推迟最为明显，线性倾向率达到2.0 d/10 a，而西南高地和黄土高原产区则分别只有推迟了1.1 d/10 a和1.3 d/10 a。产区的终霜日Lfd平均提前2.0 d/10 a，并在1990年发生了突变，变化趋势总体与初霜日相似，但2003年之后其变化趋势出现小幅波动。各产区中黄河故道和渤海湾产区的总体提前趋势最为明显，线性倾向率达到了2.8 d/10 a和2.2 d/10 a，而西南高地产区的提前趋势最小，仅提前了1.7 d/10 a。两大主产区黄土高原和新疆产区则分别提前了1.8 d/10 a和1.9 d/10 a。总体上，气候变化造成苹果主产区初霜日普遍推迟、终霜日提前，导致霜冻日数减少；其中黄河故道和新疆产区霜冻日数减少显著，西南高地变化则最小。

2.2 苹果安全越冬风险气象指标的时空变化特征

图3分别给出了4个苹果安全越冬风险气象指标的年际变化特征、指标变化趋势及显著性检验的空间分布。

由图3可知，苹果主产区Dmf总体呈下降趋势，而初霜日呈推迟趋势。由此推断，较强低温出现的日期提前相对较为明显。其中各产区的Dmf变化差异较大，黄河故道和渤海湾产区缩短较为明显，线性倾向率分别达到了1.70 d/10 a和1.10 d/10 a；新疆南北差异较大，北疆缩短南疆延长；而黄土高原产区总体略有延长。因此，黄河故道、渤海湾北部及北疆产区初冬低温伤害风险有所上升，而黄土高原产区略有下降。

图3 中国产区苹果安全越冬风险指标变化的时间和空间特征

苹果主产区的∑T-20呈显著增加趋势，线性倾向率达到了3.63(℃·d)/10 a，但在2000s后增加趋势有所减缓。从各产区看，新疆产区的增加趋势最为明显，线性倾向率达到了13.5(℃·d)/10 a，其次为渤海湾、黄土高原，西南高地产区最弱。从空间分布看，∑T-20的增加趋势呈现明显的纬向分布，中高纬度地区的增加趋势最为明显，其中辽宁和河北北部、北疆的增加趋势均通过了显著性检验。因此，苹果的冬季持续性低温伤害风险总体减弱，特别是中高纬度地区。

苹果主产区的Tem总体呈现上升趋势，线性倾向率达到了0.46℃/10 a，上升趋势在2000s之后有所放缓。从各产区看，渤海湾和黄河故道产区的Tem上升最为明显，线性倾向率分别达到了0.70℃/10 a和0.56℃/10 a；西南高地极端最低气温的增温基本维持在0.50℃/10 a以下；黄土高原升高最不明显，仅为0.25℃/10 a，其中陕北和关中部分站点甚至有所降低；Tem上升趋势在1℃/10 a以上的站点都集中在环渤海区域，且都通过了显著性检验。总体来看，苹果的冬季极端低温危害风险有所降低，特别是渤海湾产区，而黄土高原和新疆产区则有较大的不确定性。

苹果主产区的∑Tm≥6总体呈下降趋势，线性倾向率为-6.60(℃·d)/10 a，分异特征明显。积温减小的站点占到65%，其中减少-10(℃·d)/10 a以上的占到35%，且其中有26%的站点通过了显著性检验；∑Tm≥6增加超过10(℃·d)/10 a的站点仅占10%，且仅有20个站点通过了显著性检验。从变化的区域分布来看，黄河故道、渤海湾产区南部、云贵高原产区∑Tm≥6减少较为明显，其中42个站点通过了显著性检验。而黄土高原、渤海湾北部和川西产区则略有增加。总体上，受气候变化影响，苹果脱驯化期生长进程加快，可能导致黄土高原产区和辽宁产区脱驯化期低温伤害风险增加。

2.3 苹果安全越冬风险气象指标的相关性分析

表2给出了苹果安全越冬风险指标和用于评估越冬期气候变化特点的气象指标的相关性分析结果。可知，Dmf与其他指标的相关性较弱，具有较强的随机性，表明初冬低温伤害风险发生的不确定性较大，应引起较大关注。同时，∑Tm≥6与其他4个指标的相关性也相对较弱，相对制约于终霜日的出现时间，因此在苹果花期冻害的评估研究中也应较多的关注晚霜与苹果生长进程的吻合程度。另一方面，冬季持续性低温伤害风险∑T-20与冬季极端低温危害风险Tem的相关性极其显著，表明制约苹果深度休眠期的低温伤害主要是最低气温小于等于-20℃的降温过程。

表2 苹果安全越冬风险评估指标的相关性分析

在现有利用冬季最冷月平均气温和冬季日最低气温小于等于-20℃的日数用于苹果安全越冬或种植北界的评估指标中[9,30,35]，冬季最冷月平均气温TC只与极端低温伤害风险Tem和持续性低温危害风险∑T-20的相关性较高，因此，利用冬季最冷月平均气温指标可能会忽略初冬低温伤害风险和脱驯化期的低温伤害风险。而冬季日最低气温小于等于-20℃的日数除与极端低温伤害风险和持续性低温伤害风险相关性较高外，还与冬季最冷月平均气温指标相关性较高，因此，在考虑苹果安全越冬的区划指标中利用冬季日最低气温小于等于-20℃的日数可能比利用冬季最冷月平均气温更为合理。

而初霜日除与初冬低温伤害风险相关性较弱外，与其他评估指标的相关性均达到了显著程度，因此在实际业务应用中可以通过初霜日的变化来简单评估苹果的越冬冻害风险或用于评估苹果越冬期的气候环境变化。

3 讨论

在中高纬度苹果种植区，越冬期的低温胁迫或冻结伤害是影响种植界限和经济栽培的重要指标。但现有的研究仅考虑强降温出现的频次或低温极值[9,18,35]，由此所得结论可能会产生误判，因为单从冬季气温的变化来看，冬季最冷月平均气温、强降温频次或极端最低气温的变化均有利于苹果越冬及种植区北扩。而从近年来发生在苹果产区影响较大的苹果越冬冻害分析，虽然由极端低温在深度休眠期引发的大范围冻害自1990年之后明显减少，但1993、1996、2009年初冬季节苹果产区发生了大范围的越冬冻害，2010、2012、2013年春季又相继发生了较大范围的晚霜危害。本研究在考虑已有极端低温引发的越冬风险的同时，还综合考虑了初冬季节的低温伤害和脱休眠期果树发育进程及与初终霜日的匹配等因素。实际发生的越冬灾害从侧面证实采用多指标综合对气候变化影响评估结果的合理性。

从评估的结果来看（表3），气候变化对渤海湾北部的辽宁产区苹果安全越冬的负面影响较大，初冬低温伤害、脱驯化期的低温伤害风险均有所增加。黄土高原产区和西南高地苹果脱驯化期的低温伤害风险增加。气候变化导致北疆和黄河故道的初冬低温伤害风险有所增加。同时，虽然提出的农业气象指标是建立在苹果生产的基础之上，但基本结论对于中高纬度的落叶果树也有一定的参考意义。

表3 气候变化对不同产区苹果安全越冬的影响

本研究仅从理论角度对气候变化可能引起的苹果安全越冬风险的变化趋势进行了分析，对风险的具体分布缺乏定量化的分级评估，这也是后期研究的重点。同时，苹果安全越冬不仅与气象因素有关，苹果自身的品种、抗寒性及生长状况也会对其造成影响[9,18,35]，在实际应用中应加以注意。

4 结论

通过对中国产区苹果越冬期气候变化的特点进行分析，并通过对提出的4种安全越冬风险气象指标的变化趋势进行分析，得到以下结论：

（1）苹果产区越冬期气候条件总体趋暖，霜冻日减少。冬季最冷月平均气温呈现明显上升趋势，其中黄土高原和环渤海湾产区升温最为明显。冬季日最低气温小于等于-20℃的日数明显减少并在1980年发生突变，其中新疆和渤海湾产区的减少最为明显，黄土高原和渤海湾产区低温频次不确定性较大。产区初霜日普遍推迟而终霜日提前并分别在1990年前后发生突变，其中黄河故道和新疆产区霜冻日数减少最为显著。

（2）黄河故道、渤海湾北部及北疆苹果的初冬低温伤害风险有所上升，黄土高原产区略有下降。中高纬度苹果产区持续性低温伤害风险总体降低。渤海湾产区的极端低温危害风险降低明显，而黄土高原和新疆产区则表现出较大的不确定性。终霜冻结束前的增温使黄土高原产区和辽宁产区脱驯化期低温伤害风险有所增加。

（3）相较于冬季最冷月平均气温，利用冬季日最低气温小于等于-20℃的日数或初霜日的变化来评估苹果越冬期的气候特征更为合理。