山西阳高杏花期前气温对花期的影响及花期冻害风险分析*

李效珍，李子龙，李腊平，王志伟，张 勋，刘 鹏

（1 大同市气象局，山西 037010）（2 山西省气象局）

国内外大量研究结果表明，自20 世纪80 年代以来，气候变暖使许多物候现象发生了明显变化，春季物候期提前，秋季物候期推迟，植物的生长季节延长。有许多学者报道，冬春季气温变化对植物春季物候（如发芽、开花期）的影响最显著[1]。樊晓春等[2]指出，黄土高原冬季负积温与作物发育期呈负相关，冬季积温偏高，作物发育期将普遍提前。藏海佳等[3]指出，春季气温升高和3 月水汽压增大，是近29 年山东地区春季物候提前的可能原因。国内外许多学者[4-6]对我国不同地区植物物候期变化趋势的研究表明，春季物候期大多表现为提前趋势。李芬等[7-9]、钱锦霞等[10]研究表明，山西终霜冻普遍为提前趋势，中西部有推后趋势。在植物物候期和终霜冻普遍提前的情况下，由气候变化造成的极端冻害天气风险加大。

山西省大同市属于“三北防护林地区”，重点发展杏产业，全市杏树种植面积3.3 万hm2，占全市果树总面积的80%以上，其中，阳高县杏树种植面积达1 万hm2。阳高县杏树花期一般在4 月上中旬，呈提前趋势，此时正值冬春季节转换，冷空气活动频繁，极易造成霜冻，花期冻害已成为近年来阳高县杏树减产的主要气象灾害，严重制约了杏产业发展。由于杏树物候数据较为缺乏，难以进行物候趋势分析。热时模型由于参数简单、方差解释率和准确率较高被广泛应用。我们应用热时模型重构了阳高县的杏花期，并研究了阳高县杏花期冻害情况。

1 资料与方法

1.1 阳高县气候概况

阳高县海拔1 008.0～2 420.5 m，平均年日照时数2 621.5 h，年平均气温7.2 ℃，春季（3—5 月）极端最低气温-21.4 ℃，极端最高气温35.6 ℃，平均年降水量381.1 mm。

1.2 数据来源

阳高县杏花期物候数据来源于孟明2006—2021 年的观测记录，气象资料（逐日平均气温、逐日最低气温、逐日最高气温、日照时数、日降水量）来源于大同市气象局资料室。

1.3 研究方法

1.3.1 数据统计标准、方法

气象资料时间为1981 年1 月1 日至2021 年5月31 日。所用气象平均值为1991—2020 年统计值，用线性趋势法、回归分析法对资料进行分析。冬季划分标准，上年12 月至当年2 月；春季划分标准，3—5 月。本文将杏树盛花期或幼果期统称为杏花期。

1.3.2 利用热时物候模型重构杏花期

为解决杏花期数据时间序列较短的问题，利用逐日平均气温通过热时物候模型重构杏花期物候时间序列。热时物候模型包括t0、Tb、G 3 个参数，计算式如下。

式中，G为植物发育到指定物候期所需积温（℃•d）；y是预测的植物物候期（d）；Xt 为第t日的日平均气温（℃）；c（Xt）为高于临界温度的积温（℃•d），代表作物的发育进程，t0 是积温开始日期（日序，单位d）；Tb 为盛花期发育的临界温度（℃）；当c（Xt）的累加达到预先设定的积温阈值G时，对应的日期即为预测盛花期y（d）。

1.3.3 杏花期或幼果期冻害指标的温度阈值

朱琳等[11]根据陕北部分地区仁用杏生产调查及有关文献得出，花期受冻的临界气温为-2 ℃，冻死率为50%时的气温为-3 ℃，幼果期受冻临界气温为0 ℃。杨振德[12]在宁夏彭阳杏树花期调查时指出，气温为-2 ℃时为轻度受冻，气温为-3 ℃时为重度受冻。本文参照前人研究结果，结合近几年冻害调查，将杏花期冻害指标阈值分为3 个等级，即-2 ℃＜日最低气温≤0 ℃时为轻度冻害，-3 ℃＜日最低气温≤-2 ℃时为中度冻害，日最低气温≤-3 ℃时为重度冻害。利用阳高县逐日最低气温提取0、-2、-3 ℃3 个等级上限阈值在每年4—5 月最后1 次出现的冻害日，形成不同等级的花期冻害终日序列，在每年春季最后1 次出现的日最低气温≤0 ℃冻害日，形成花期总冻害终日序列。

2 结果与分析

2.1 不同时段温度、降水、日照时数对杏花期的影响

2.1.1 冬春季正负积温对杏花期的影响

由于阳高县杏花期一般在4 月上旬或中旬，最早在4 月初，为了使分析结论具有一定的提前量，以下选取花期前的相关气象数据截止时间为历年的3 月底。

果树在冬季进入休眠状态，花芽需要经历一定的低温，需要一定的冷量来解除休眠，在满足了需冷量以后，还需一定的热量才能开花[13-15]。本文通过对花期前负积温（上年12 月至当年3 月）与花期日序（2006—2021 年）进行相关分析得出，花期前负积温与杏花期呈负相关，并通过了0.01 的显著性检验，二者的关系式为y＝-0.036x＋83.287，即花期前负积温越大，花期越提前。同时分析了花期前稳定通过0 ℃积温（稳定通过0 ℃初日至3 月底积温），花期前稳定通过0 ℃积温与杏花期日序数呈负相关，并通过了0.01 的显著性检验，二者的关系式为y＝-0.123x＋121.909，即花期前稳定通过0 ℃积温越大，花期越提前。

2.1.2 不同时段气温、降水、日照与花期日序的相关性

利用不同时段气温、降水、日照时数与杏花期日序数进行相关分析（表1）发现，花期前不同时段气温、0 ℃初日至3 月底积温、上年12 月至3月底负积温、0 ℃初日至3 月底降水量、0 ℃初日至3 月底有效日照时数均与杏花期日序呈负相关，除0 ℃初日至3 月底降水量外，相关系数均为显著或极显著，其中3 月平均气温与杏花期日序相关性最高，为极显著。说明，花期前3 月气温越高，杏花期越提前。

表1 杏花期日序数与不同时段气温和积温的相关系数

2.2 利用热时物候模型重构杏花期日序变化趋势

由于花期日序数与温度因子相关度高，因此利用阳高县逐日平均气温，通过热时物候模型重构杏花盛花期时间序列，并分析其线性变化趋势。1981—2021 年阳高县杏花期总体呈提前趋势，提前速率为2.758 d/10 年（P＜0.01），杏花期由20 世纪80年代4 月21 日（111 d）左右，到21 世纪提前至4月13 日（103 d）左右，提前约8 d。

2.3 重构杏花期与实际花期对比

用热时物候模型重构的杏花期与实际观测的杏花期进行对比发现（图1），模拟花期较实际花期平均偏早2 d 左右，模拟误差≤4 d 和≤7 d 的准确率分别为63%和100%。雷延鹏等[13]利用延安市洛川县、安赛区多年苹果物候和气象数据，将48 h 内日最低气温下降8 ℃以上、最低气温≤4 ℃的天气确定为1 次剧烈降温过程，分析气温对苹果开花时间的影响，指出“1 次降温天气可延迟花期3～6 d”，而阳高县春季此种降温过程几乎每年都有，因此本模型若将剧烈降温对花期的影响考虑在内，则模拟花期接近实测花期。

图1 热时物候模型重构花期与实际花期的对比

进一步对近5 年（2017—2021 年）热时物候模型重构的杏花期与实际观测的杏花期对比（表2）可以看出，近5 年中用热时物候模型重构的杏花期有4 年比实际花期偏早，误差值介于0～5 d，平均误差2.6 d，而2019 年模拟花期与实测花期完全相同，说明重构花期方法科学可行，可应用于杏花期预测及花期冻害预防气象服务中。

表2 重构阳高县2017—2021 年杏花期与实际观测杏花期对比

2.4 不同等级冻害温度对应终日及其变化趋势

利用阳高县逐日最低气温提取-3、-2、0 ℃重、中、轻冻害等级上限阈值在每年春季最后1 次出现时的日序值，形成不同等级冻害终日序列。1981—2021 年不同等级冻害终日序列（轻度、中度、重度、总冻害，图2）气候倾向率分别为-2.253/10 年、-2.625/10 年、-3.066/10 年，其中重度冻害终日提前趋势明显，由20 世纪80 年代的4 月14 日（104 d），21 世纪提前到4 月3 日（93 d），提前10 d 以上，通过P＜0.05 的显著性检验，总冻害终日提前趋势显著，通过P＜0.01 的显著性检验，而轻度、中度冻害终日提前趋势不显著，未通过P＜0.05 的显著性检验。同时将不同等级冻害终日趋势与杏花期提前趋势（2.758 d/10 年）对比发现，重度冻害终日、总冻害终日提前趋势大于花期提前趋势，中度冻害终日提前趋势与花期提前趋势接近，而轻度冻害终日提前趋势则慢于花期提前趋势，说明花期轻度冻害的几率最大。

图2 历年花期日序与轻度、中度、重度、总冻害终日日序对比趋势

2.5 冻害风险分析

本文定义：冻害风险为不同等级冻害终日日序与杏花期日序之差，将冻害风险等级划分为3 级，具体划分标准见表3；总冻害风险指每年春季4—5月最后1 次出现的冻害日（日最低气温≤0 ℃）对应的日序与杏花期日序之差，划分标准与上面方法一致（表3）。按照表3 冻害风险等级划分，各级冻害终日日序与杏花期日序差值＜0，表明冻害温度阈值之内的冻害天气早于杏花期，杏花受冻风险较低[16-17]；0≤差值≤3，表明冻害温度阈值之内的冻害天气晚于杏花期1～3 d，杏花期冻害风险为中度；差值＞3，表明冻害温度阈值之内的冻害天气晚于杏花期3 d 以上，杏花期冻害风险等级为高度风险。因为随着发育期进程的推进，杏器官抗寒能力逐渐降低[11]，造成的冻害越重。分析表明，轻度冻害风险、中度冻害风险呈弱的增加趋势，气候倾向率分别为0.406/10 年、0.033/10 年，重度冻害风险和总冻害风险呈弱的降低趋势，气候倾向率分别为-0.408/10 年、-0.909/10 年，总的来说，不同等级冻害风险变化趋势均不显著，均未通过P＝0.05的显著性检验，说明杏花期冻害风险存在一定的不确定性。

表3 冻害风险等级划分、气候倾向率

统计1981—2021 年期间各级冻害风险次数（表4），轻度冻害低度风险、中度风险、高度风险的次数依次为17、6、18 次；中度冻害低度风险、中度风险、高度风险的次数依次为32、4、5 次；重度冻害低度风险、中度风险、高度风险的次数依次为35、2、4 次；总冻害低度风险、中度风险、高度风险的次数依次为12、4、25 次。从以上统计可以看出，不同冻害各级风险发生次数，低度风险次数最多，高度风险次之，中度风险最少，即阳高县杏花期发生的冻害，多数为低风险冻害，其次是高风险冻害。

表4 1981—2021 年阳高县不同冻害终日对应的各级风险次数

3 结论

花期前不同时段温度、日照时数均与杏花期日序呈负相关，说明花期前温度越高、光照充足，越有利于杏树提前进入花期；同时春季回暖越早，杏花期越早。

通过热时模型重构的杏花期比实际花期平均提前约2 d，若考虑降温对花期的影响，模拟花期基本接近实测花期。由于杏花期日序与不同时段的温度相关度较高，而与降水相关度较低，因此在实际工作中，可利用热时模型预报杏树物候期，结合中短期预报，可实现杏花期冻害的预测与预防。

不同冻害各级风险发生次数，低度风险次数最多，高度风险次之，中度风险最少；轻度、中度冻害风险均呈弱的增加趋势，重度和总冻害风险均呈弱的降低趋势，总的来说增加和降低的趋势都不显著，说明杏花期各级冻害的风险存在一定的不确定性。

由于杏树花期物候资料有限，还需积累更多的杏花期物候资料，不同等级冻害温度阈值有待做进一步的检验订正，以期提高杏花期冻害的预测与预防能力。