吐鲁番葡萄春季霜冻气象指标研究

黄 娟，谷 然，王 曼，顾雅文

（新疆兴农网信息中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

我国是葡萄生产大国，葡萄产量占全球葡萄产量的19%，居世界第一［1］。其中，新疆葡萄的种植面积和产量均居于全国首位［2］。2022年，新疆吐鲁番市的葡萄种植面积为36253.3 hm2，预计产量达142.7万t，约占新疆葡萄总产量的40%，吐鲁番葡萄具有非常可观的研究前景且亟需发展。每年春季特别是在葡萄伤流、幼芽萌动的关键时期，会有不同程度的寒流来袭，出现“倒春寒”现象［3］。葡萄春季萌芽相对较早，遇到晚霜危害会造成减产，严重时甚至导致绝收［4］。对葡萄而言，春霜冻害的主要器官是新萌发的芽、嫩叶和新梢，遭遇冻害的新梢会受到生长抑制甚至完全死亡，遭遇冻害的花由于无法授粉受精从而导致其无法正常开花结果，直接造成大幅减产［5］。近年来，新疆吐鲁番、石河子等地发生的异常春季霜冻对当地农业造成了极大损失。由此可见，春季霜冻已成为制约新疆特色林果产业发展的一个重要因素［6］。

目前，国内学者对春季霜冻的研究主要从以下2个方面展开：一是实地调查方面，如陈卫平等［7］对贺兰山东麓2020年春季发生的晚霜冻害进行了调查分析，结果表明该次霜冻是贺兰山东麓酿酒葡萄产区20年不遇的严重晚霜冻害，其降温幅度大、持续时间长、危害范围广、受灾程度大；闫凤君［8］通过实地调查分析了高密市2013年晚霜冻对酿酒葡萄的发育和产量等的影响及高密市晚霜冻的年际变化规律，研究表明霜冻危害程度由葡萄物候期、霜冻出现时间、最低温度和持续时间等因素决定，春季霜冻出现的时间越晚，对酿酒葡萄造成的危害越严重。荣云鹏等［9］调查了近年来葡萄晚霜冻害的情况，利用桓台县气象局及相邻县站的气温、地温资料分析了气象条件与灾害发生的关系。二是综合分析方面，如陈卫平等［10］综合分析了宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄冻害发生的多种原因，并针对性地提出了综合性的防寒栽培技术措施；曹宁等［11］利用1961—2010年宁夏16个气象站的逐日最低气温资料，研究了宁夏酿酒葡萄的晚霜冻日数和变化趋势；张振文等［13］针对中国西北葡萄与葡萄酒优势产区酿酒葡萄在萌芽生长过程中易受终霜冻危害的问题，研究分析了终霜冻对葡萄嫩梢（萌发芽）发育及产量等的影响。

现有研究大多为0 ℃以下的霜冻定性研究［12-14］，而缺乏针对不同程度霜冻致灾程度的定量研究。本研究收集整理了1991—2021年吐鲁番鲜食葡萄春季霜冻发生的经济数据、产量数据、气象资料、历史灾害等资料，采用线性趋势法分离趋势产量，然后引入灾损率概念定量评估了霜冻灾害损失，再将气象要素与对应的气象产量、灾损率等数据分别构建了多元线性回归模型，最后为了分析最低气温和地面最低温度的双因子共同作用，构建了吐鲁番葡萄春季霜冻灾害等级，以期为鲜食葡萄霜冻的致灾原理研究及新疆鲜食葡萄防灾减灾提供科学参考依据。

1 数据和方法

1.1 葡萄产量数据和霜冻灾害资料

葡萄产量数据源于1991—2021年吐鲁番市的托克逊、东坎、鄯善、高新等县（区）以及新疆统计年鉴，包括葡萄总产、种植面积、单位面积产量以及代表站点各个生育期的观测数据。生育期数据来自吐鲁番市气象局农业气象观测资料，包括芽膨大期、芽开放期、展叶期、花序出现期、开花期、果实脱落期等6个发育期。吐鲁番鲜食葡萄开墩时间为3月中下旬，根据1991—2021年间吐鲁番葡萄春季霜冻灾害统计（吐鲁番市气象局灾情年报、《中国气象灾害大典：新疆卷》［15］），晚霜冻害多发生于葡萄开墩至4月底之间，5月极少出现霜冻，因此本研究选取1991—2021年间4月发生霜冻情况进行统计分析。典型霜冻灾害发生年份的气象要素包括：最低气温、平均气温、平均相对湿度、平均风速、地面最低温度、霜冻持续日数。

1.2 趋势产量计算方法

趋势产量法一般将作物产量分解为趋势产量、气象产量和随机产量［16］，随机产量一般忽略不计，趋势产量可采用滑动平均法、线性分离法、二次曲线分离法、差值百分率法等方法进行模拟，气象产量一般采用回归、聚类、周期、判别分析等方法进行模拟［17］。本研究运用线性分离法进行趋势产量的分离，将实际产量分解为趋势产量和气象产量。

1.3 灾损率

农业气象灾害是造成减产的重要因素，构建灾害指标首先需分析致灾因子与减产率的相互关系［18］。农业生产中实际产量的计算公式为：

式(1)中：Y为实际产量(kg/hm2) ，使用葡萄总产量与种植面积的比值来表示；Yt为趋势产量(kg/hm2)，采用线性滑动平均法进行分离，主要反映农业生产力水平（品种特性、耕作制度、土壤肥力、管理措施等因素）对产量水平的影响；Yw为气象产量(kg/hm2)，用来反映当地气象条件波动所引起的产量波动。当实际产量小于趋势产量时，减产量为趋势产量与实际产量的差值，即减产的绝对值，霜冻灾害在不同农业生产中的影响不同，因此本研究引入灾损率，其计算公式为：

式(2)中：ΔY表示实际产量与趋势产量的偏差率，是一个具有时空可比性的相对指标。当实际产量高于趋势产量，即Y＞Yt时，表示增产，即气象条件对作物生长发育总体有利；当实际产量低于趋势产量即Y＜Yt时，表示减产，即气象条件对作物生长发育总体不利，出现灾损事件。ΔY客观地描述出作物因气象灾害造成的灾害损失的大小，ΔY负值越大，表示灾害损失越大。

将趋势产量计算结果代入式(1)得到气象产量，再将趋势产量和气象产量代入式(2)，得到相对气象产量，即灾损率。

1.4 典型灾害年

以灾损率≤-5%为葡萄受灾减产的临界值［19］，按照ΔY≤-5%挑选出各站点的历史减产年份。根据1991—2021年间吐鲁番葡萄春季霜冻灾害实际发生情况资料（吐鲁番市气象局灾情年报、《中国气象灾害大典：新疆卷》），霜冻灾害实际出现年份为1993、1996、1999、2001、2002、2003、2005、2006、2008、2011、2014、2018、2021年。在历史减产年中筛选出实际发生霜冻灾害的年份为典型灾害年，分别为2001、2002、2003、2005、2011、2014年。

1.5 分析方法

本研究采用双变量相关分析和多元线性回归对数据进行分析建模，其中双变量相关分析反映2个变量之间的相关关系，是最常用的相关分析［20］。相关系数的绝对值越大，相关性越强；相关系数r越接近于1或-1，相关度越强，相关系数r越接近于0，相关度越弱。多元线性回归常用于分析一个因变量与多个自变量的线性关系，本研究应用多元线性回归分析方法构建了气象产量与灾损率的模型。

1.6 数据处理

采用 Excel 软件对气象数据、生育期数据、产量数据进行线性回归分析，采用 SPSS 19.0软件进行多元线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 吐鲁番鲜食葡萄单产及面积变化规律

本研究运用线性分离法进行趋势产量的分离，将实际产量分解为趋势产量和气象产量，通过参数设置，选择最优拟合曲线，要求拟合精度R2均大于0.6，对葡萄单产进行拟合，趋势产量拟合效果和拟合方程见图 1。由图1可知，1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄单产变化分为2个阶段：第一阶段为1990—2001年，吐鲁番鲜食葡萄的单产呈现先增加后减少的变化趋势，于1996年达到第一阶段最大值，为25773 kg/hm2；第二阶段为2002—2021年，吐鲁番鲜食葡萄的单产量整体呈波动上升趋势，20 a间单产增加了15716 kg/hm2，于2021年达到近31 a的最大值，为34107 kg/hm2。1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄种植面积变化也分为2个阶段：第一阶段为1990—1997年，种植面积变化幅度较小；第二阶段为1998—2021年，种植面积整体呈波动上升趋势，24 a间种植面积增加了24492 hm2，2021年达到近31 a种植面积最大值，为39620 hm2。综上，吐鲁番市在综合农业技术管理措施进步、气象条件影响及政策支持下，鲜食葡萄单产整体呈增加趋势，种植面积逐渐扩大，发展前景良好。

图1 1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄单产及种植面积的变化

实际产量为葡萄总产量与种植面积的比值，反映葡萄在自然及人为等综合影响下的产量，为了探究气象条件对葡萄产量的影响，采用线性滑动平均法分离出趋势产量。趋势产量主要反映农业生产力水平（品种特性、耕作制度、土壤肥力、管理措施等因素）对产量水平的影响。分离后的气象产量反映当地气象条件波动所引起的产量波动（见图2）。由图2可知，1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄气象产量变化规律分为2个阶段：1990—2001年为第一阶段，气象产量呈现先增加后减少的变化趋势，于1996年达第一阶段最大值，为6179 kg/hm2，其中气象产量为负值（气象条件不利）的年份为1990、1991、2000、2001年；2002—2021年为第二阶段，气象产量整体呈波动上升趋势，20 a间气象产量的负值年份为2002、2003、2004、2005、2011、2014、2016、2017年。

图2 1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄气象产量的变化

2.2 吐鲁番鲜食葡萄灾损率变化规律

灾损率能够客观地描述出作物因气象灾害造成的灾害损失大小，灾损率负值越大，表示灾害损失越大［22］。由图3可知，1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄灾损率变化趋势中，减产从严重到不严重的年份依次为2001、2011、1990、2003、2002、2005、2000、1991、2014、2017、2016、2004年。经验证，2001年葡萄受冻面积达3827.35 hm2，减产面积50%以上，经济损失达5482.91万元；2002年葡萄受灾面积为73.33 hm2，造成经济损失达110.00万元；2005年鄯善县山北6个乡（镇）葡萄受冻面积达3921.1 hm2，其中严重受冻面积达1312.8 hm2；2014年全县葡萄受灾4294.5 hm2（其中重度受灾3108.4 hm2，中度受灾627.2 hm2，轻度受灾558.9 hm2）。上述灾情与灾损率计算结果相符。

图3 1990—2021年吐鲁番鲜食葡萄灾损率的变化

2.3 吐鲁番鲜食葡萄春季霜冻灾害等级划分

利用吐鲁番市4个农业气象观测站1991—2021年葡萄发育期观测资料及同期逐日气象数据，将发生霜冻年份每个站点的霜冻发生前后的日最低气温、日地面最低温度、霜冻持续日数等气象要素进行统计，与对应气象产量和灾损率分别构建多元回归模型，其计算公式为：

式（6）～式（7）中：Yw为气象产量，ΔY为灾损率，V1为最低气温，V2为最低气温持续日数，V3为地面最低温度。为了计算葡萄受灾减产的临界值，取典型灾害年最大气象产量为气象产量上限，即Yw=-2000，设置当霜冻持续日数为1 d，灾损率为0 h，计算霜冻持续1 d造成减产的临界气象条件，即令V2=1.0，ΔY=0，得到V1=4.4 ℃。考虑到葡萄的生长特性，4月是研究区大部分葡萄处于花蕾或花序出现期，部分处于开花期始期［23］，葡萄的蕾期和开花期只能耐-0.6 ℃的低温［24］，故取V3=-0.6 ℃、V1=4.4 ℃为葡萄受灾减产的临界值。基于上述分析，分别列出日最低气温和地面最低温度的分级指标（表1）。

表1 日最低气温和地面最低温度分级指标 ℃

本研究考虑日最低气温和地面最低温度双重因素对葡萄霜冻的综合影响，单一因子不具有参考效力，只有双因子的共同作用下，才能对产量造成实质影响。因此，判定葡萄霜冻的气象指标为双因子指标，选取日最低气温和地面最低温度的共同灾害等级，遵循“两灾并发取其重原则”［25］。由于研究区历史上很少有持续3 d以上霜冻，故选取个别3 d以上霜冻为例，规定持续3 d以上加一级，即由轻度到中度，中度到重度。3 d以内灾害等级影响不大。

表2 吐鲁番葡萄春季霜冻气象指标等级 ℃

2.4 吐鲁番鲜食葡萄春季霜冻灾害等级验证

根据上述吐鲁番鲜食葡萄春季霜冻灾害等级划分，对1990—2021年间研究区4月的逐日气象条件进行回代验证，且考虑霜冻持续3 d及以上，灾害程度加一个等级。验证结果为：轻度霜冻年份为1993、1996、1999、2002、2006年，中度霜冻年份为2003、2010、2011、2018年，重度霜冻年份为2001年（持续3 d）、2005年（持续7 d）、2008年（持续3 d）、2014年（前后共5 d），与实际发生灾情情况相符，与灾损率的计算结果相符。另外，将2022年4月逐日气象数据代入验证，验证结果为未发生霜冻，与2022年4月气温偏高的实际情况相符［26］。

3 结论与讨论

本研究发现葡萄霜冻受灾减产的临界值为日最低气温4.4 ℃，地面最低温度-0.6 ℃，这与大多数现有研究的0 ℃为霜冻临界值不同［27］。此外，考虑吐鲁番市实际霜冻灾情情况，当日最低气温在0～4.4 ℃时仍然有多年发生了霜冻灾情，结合灾损率、地面最低温度及霜冻持续日数的关系，综合判定霜冻等级，重新定义了轻度、中度、重度等级的条件，与一般研究中-2、-4 ℃不同［28-30］，更符合当地生产实际。

本研究选取日最低气温和地面最低温度及霜冻持续日数作为霜冻的主要影响因子，这与闫凤君等［8］的研究结果一致；考虑日最低气温和地面最低温度双因子对葡萄霜冻的综合影响，单一因子不具有参考效力，只有双因子共同作用下，才能对产量造成实质影响，相较于单一因子，双因子判定法从地面温度和空气温度两方面综合考虑更全面，更符合当地实际情况，与陈武［31］的研究结论相一致。

本研究从地温、气温、持续日数等方面综合分析了霜冻对葡萄产量的影响，揭示了吐鲁番地区鲜食葡萄春季霜冻的独特变化特征，对于鲜食葡萄防灾减灾具有指导意义；寒潮影响下，果农可根据局地差异，有选择地从地温、气温两方面干预果园小气候，从而降低霜冻灾害的影响。葡萄生产中，霜冻灾害影响范围广，程度深［32］，除气象因子外，今后还将结合地形因素、海拔高度、土壤质地、人工管理等因素展开进一步研究［33-35］。