低温冻害对江西油菜产量的影响及其变化特征研究

时间：2024-05-24

吴昊，邵明阳，沈福生，段沙丽

(1.九江市气象局，江西九江 332000；2.九江市农业农村局，江西九江 332000)

油菜是江西省的第一大油料作物，占全省油料播种面积的70%、总产的55%。油菜全生育期长，历经秋、冬、春3个季节，潜在气象灾害的种类多、风险高，以冬春季低温冻害更为突出。

油菜苗期低温冻害是指气温降至-3～-5 ℃时，叶片开始受冻，-7～-8 ℃受害较重，如伴有大风出现，冻害更加严重[1-7]。气温降至-10 ℃且持续时间较长时，会造成心叶受冻以致全株死亡[3]。油菜抽薹后抗寒性下降，0 ℃以下低温蕾薹即受冻[4-7]。油菜开花期气温骤降至5 ℃时油菜即停止开花，0 ℃以下的低温时油菜开始受冻，当气温下降到-2 ℃以下则对油菜开花影响很大，分段结实或花而不实，结实率显著减少，甚至整个花序、花蕾枯萎脱落[1-7]。当气温<5 ℃且风轻云淡时，夜间至清晨易发生霜冻[8]，油菜蕾薹及花器会发生冻害[9]。何永梅[10]研究表明：甘蓝型油菜各部分越冬期最低致死温度分别为髓部-8.8 ℃、茎部输导组织-11.4 ℃、油菜根颈致死温度为-9.9 ℃。董芹等[2]结合低温持续时间，对冻害等级进行了划分：苗期低温冻害，日最低气温≤-5 ℃持续1～2 d为轻度，持续3 d为中度，持续>3 d为重度；开花期低温冻害，日最低气温在0 ℃左右持续1 d为轻度，持续2～3 d为中度，持续>3 d为重度。

江西省1959～2019年最低气温≤-3.0 ℃的低温日，最早出现在11月19日(1979年)，最晚出现在3月11日(2010年)；最低气温<0 ℃的低温日，最晚出现在4月5日。可见，当地油菜低温冻害的潜在时间为11月至翌年4月，季节跨度大。

在全球气候变化背景下，低温冻害表现出突发性和极端性的特征。继1991年底的罕见低温冰雪与2008年初南方数省持续冻雨之后，2015年冬季以来，赣北及赣中部分地区均出现了多次较明显的冰雪或强寒潮天气，局部地区极端最低气温达-10 ℃左右。不仅如此，倒春寒与晚霜冻天气也时有出现，给油菜安全越冬与正常现蕾、抽薹、开花造成不利影响。张学昆等[11]对江西省九江县(现柴桑区)、德安县、分宜县、袁州区等地区的油菜调查发现，2008年持续凝冻天气，80%的油菜受到轻度冻害(1～2级)，中度冻害比例为9%。

本研究以江西油菜单产与油菜苗期至花期低温冻害为研究对象，在分析研究低温冻害强度与油菜产量相关性的基础上，开展油菜低温冻害发生变化的特征分析，为科学防御油菜低温冻害提供参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源与处理

油菜产量数据来源于江西省、市、县的统计年鉴；气象数据来源于国家气象信息中心(CIMISS)气象数据统一服务接口，时间序列为1959年秋～2019年春，代表站为1959年以来有连续气象观测的83个地面气象台站(不含高山站)。油菜发育期观测资料来源于江西省内国家农业气象一级站：湖口、瑞昌、婺源、余干、南昌县、泰和、宜丰、莲花等。数据经过质量控制检验。

1.2 研究方法

1.2.1 气象产量气象因素是影响作物产量年际波动的主要因子[12]。在农业气象产量预报业务中，为了建立气象因子与作物产量的关系模型，一般将作物产量分解为趋势产量(yt)、气象产量(yw)和随机产量(△y)3个部分[12-13]，具体见公式(1)。

y=yt+yw+△y

(1)

式(1)中，y为实际产量，yt为趋势产量(即受农技措施、社会发展水平所决定)，yw为气象产量(即受气象因素所决定)，△y为随机产量(一般忽略不计，仅在特殊年份用于修正估计)。以前5年产量的滑动平均值作为某年的趋势产量。

1.2.2 低温冻害统计方法表1列出了近10 a江西8个国家农业气象一级站，油菜现蕾普遍期(即50%的植株开始现蕾)的观测日期。由表1可以看出，多数年份当地油菜现蕾普遍期出现在1月底至2月初(8个观测站10 a的平均日期为1月27日)。

表1 2011～2020年油菜现蕾普遍期月/日

油菜冻害影响程度，与低温强度、持续时间、影响范围、油菜的生育进程均有关。为了更好地揭示低温冻害的影响，本研究将冬季划分为2个阶段，即：前冬(入冬至1月31日，下同)，此期油菜以营养生长为主；后冬(2月1日开始，下同)，此期油菜生殖生长逐渐明显，抗寒能力下降。

为更加精细地揭示低温冻害强度与油菜产量的关系，将低温划分出以下阈值区间，即：前冬-3.0～-4.9 ℃、-5.0～-6.9 ℃、≤-7 ℃，后冬-0.1～-2.9 ℃、-3.0～-4.9 ℃、≤-5 ℃，分别统计全省各观测站每年达到标准的天数，以此表示全省不同低温强度油菜冻害的发生程度(单位：站·d)。

1.2.3 相关分析与模型运用逐步回归方法，分析各区间的站日数与油菜气象产量的相关性，提取油菜产量形成的敏感低温阈值，建立低温与油菜气象产量关系模型。

1.2.4 趋势特征分析采用线性回归方法，分析全省油菜低温冻害年分布线性趋势特征，相关系数的显著水平P称为“气候倾向显著水平”，拟合线斜率b称为“趋势倾向率”[14]；采用小波方法，分析其周期性趋势特征[15-17]；采用Mann-Kendall检验方法，分析其突变性特征[17-18]。

2 结果与分析

2.1 相关性

表2按照相同的时间段、不同的低温阈值，表3按照相同的低温阈值、不同的时段，分别列出了全省低温冻害的发生年次、概率及其与油菜气象产量的相关系数与显著水平。

表3 近60 a相同低温阈值在不同时段发生情况及其与油菜气象产量的相关性比较

由表2可以看出，在前冬≤-3 ℃、后冬<0 ℃的日最低气温站日数，均与油菜气象产量呈负相关。其中，在前冬，日最低气温≤-5 ℃的站日数与油菜气象产量呈较接近但未达到显著的负相关；而-5 ℃<日最低气温≤-3 ℃的站日数与油菜气象产量呈负相关，但显著水平较低；在后冬，日最低气温在-3.0 ℃以下的站日数与油菜气象产量呈显著的负相关，-3 ℃<日最低气温<0 ℃的站日数与油菜气象产量呈负相关，但负相关水平却不够显著。

表2 近60 a相同时段不同低温阈值发生情况及其与油菜气象产量的相关性比较

由表3可知，就整个低温冻害风险期(11月～翌年3月)而言，无论是日最低气温≤-7 ℃的站日数，还是≤-5 ℃或≤-3 ℃的站日数，与油菜气象产量均呈显著负相关。但在分阶段，其负相关显著水平则存在偏低的现象。

2.2 关系模型

基于上述分析，运用逐步回归方法，得到如下油菜气象产量的关系模型。

模型Ⅰ：ymet=71.0-0.20x

(1)

式(1)中，ymet为气象产量，x为2～3月全省日最低气温≤-3 ℃的站日数(图1)。模型的相关系数为0.266，显著水平P值为0.040，F值为4.42，剩余标准差为64.78。

图1 后冬日最低气温≤-3 ℃的站日数与油菜气象产量的关系

模型Ⅱ：ymet=74.4-0.42x1-0.18x2

(2)

式(2)中，ymet为气象产量，x1为11月～翌年1月全省日极端最低气温≤-7 ℃的站日数(图2)，x2为2～3月全省日极端最低气温≤-3 ℃的站日数(图1)。模型的复相关系数的0.301，显著水平P值为0.066，F值为2.85，剩余标准差为64.64。

图2 前冬日最低气温≤-7 ℃的站日数与油菜气象产量的关系

模型Ⅲ：ymet=73.7-0.19x

(3)

式(3)中，ymet为气象产量，x为11月～翌年3月全省日最低气温≤-5 ℃的站日数(图3)。模型的复相关系数的0.256，显著水平P值为0.049，F值为4.05，剩余标准差为64.97。

图3 日最低气温≤-5 ℃的站日数与油菜气象产量的关系

2.3 低温冻害发生特征

基于上述研究结果，以下重点分析前冬(1月31日前，下同)日最低气温≤-5 ℃站日数与后冬至早春阶段(2月1日后，下同)日最低气温≤-3 ℃站日数的时间分布特征。前冬日最低气温≤-5 ℃站日数，近60 a全省平均为59.2站·d，发生概率为0.85，以1962～1963年的384站·d为最多。此期间未出现≤-5 ℃的低温年份有9 a，分别是1963～1964、1974～1975、1989～1990、1990～1991、1994～1995、2000～2001、2009～2010、2016～2017、2018～2019。

后冬日最低气温≤-3 ℃的站日数，近60 a全省平均为52.7站·d，以1972年的366站·d为最多，有7 a未出现≤-3 ℃的低温，分别是1972～1973、1981～1982、1982～1983、1993～1994、2001～2002、2008～2009、2018～2019。

2.3.1 年线性变化趋势回归分析结果表明，近60 a来，前冬日最低气温≤-5 ℃(图4-A)和后冬日最低气温≤-3 ℃的站日数(图4-B)均呈极显著的线性递减趋势，达到极显著水平(P<0.01)。

图4 1959～2019年江西油菜低温冻害强度年变化线性分析

2.3.2 年代际分布由表4可知，1960年代以来，前冬≤-5 ℃的低温冻害站日数总体呈减少趋势，特别是1980年代显著减少，1990年代有小幅上升；后冬≤-3 ℃的低温冻害站日数在1970年代出现最大值，至1980年代同样出现大幅度的减少，随后维持偏少发生的水平，2010年代较2000年代增多近7 成。

表4 1959～2019年江西油菜低温冻害强度年代分布

2.3.3 周期性趋势近60 a江西省前冬日最低气温≤-5 ℃站日数年变化，主振荡周期尺度为8 a，次振荡周期尺度为4 a，还存在强度较弱的14 a长周期，如图5-A、图5-C。

近60 a当地后冬日最低气温≤-3 ℃的站日数，主振荡周期尺度为28 a，次振荡周期为3 a和 9 a，如图5-B、图5-D。综合分析图5可以看出，未来10 a当地油菜低温冻害风险有上升的趋势。

图5 1959～2019年江西油菜低温冻害强度年变化小波分析

2.3.4 突变趋势 Mann-Kendall检验分析结果表明，全省前冬日最低气温≤-5 ℃的站日数年分布，1981年冬出现突变点，1988年冬开始持续突变减少的状态，如图6-A；而后冬日最低气温≤-3 ℃的站日数，在1987年出现减少的突变点，2002～2019年(不含2018年)持续突变减少的状态，如图6-B。

图6 1959～2019年江西油菜低温冻害强度年变化突变分析