2024-01-01 06:30

捷克共和国果树春季霜冻的过去和现在的风险


下载原文档:

摘要。

最近的气候变暖反映在果树春季物候阶段的提前开始和所谓的假春。在敏感的生长阶段,这表现为树木被晚霜破坏的风险增加。基于155个气象站的均一化温度序列(海拔300米以下和海拔301-600米),对1961-2021年捷克共和国境内与大气环流有关的若干变量进行了气候分析。霜冻日数和最晚起霜日期呈负线性趋势;然而,只有16%和20%具有统计学意义。假春(至少连续10天,日最高气温≥10°C)的出现也呈下降趋势,1980年以后明显加深。春霜天气主要是由于中央反气旋和东北、东部和东南部气流的环流类型频率较高。假春起特别与中心反气旋和西南风环流类型有关。霜冻风险日数(从假春开始到最晚霜冻日之间日最低气温< - 1.5℃的日数)的增加趋势无统计学意义。来自摩拉维亚东南部的当地系列果树的第一次开花和完全开花物候期明显提前开始。虽然晚霜的损害已被确定为1996-2021年期间捷克共和国果树产量低的一个重要因素,但也必须考虑到其他因素(如其他天气现象、疾病、害虫、地点、采取预防霜冻措施)。

1 介绍

从20世纪70年代末开始的近期气候变暖已经显著改变了从局地/区域到大陆到全球尺度的温度特征值和变率(例如Wang et al. 2018;Twardosz et al. 2021;Brázdil et al. 2022)。最低日气温(TMIN)的升高显著影响霜冻的季节性发生和严重程度,这通常表现为霜冻日数的减少(TMIN < 0.0°C)、春季霜冻的提早出现、秋季霜冻的推迟出现以及随后的无霜冻期的延长,例如,1948-1999年美国(Easterling 2002年)、1961-2020年波兰(Graczyk和Szwed 2020年)和1971-2020年(Koźmiński et al. 2023年)的记录。1951-2010年中欧(Wypych et al. 2017)或1950-2019年中欧和东南欧(Chervenkov and Slavov 2022)。关于长期变化,Štěpánková(2005)发现布拉格-克莱门特纳站(捷克共和国)在1775-2003年期间,春季霜冻日数呈显著的线性下降趋势,下降幅度为- 0.28天/10年。这些变化对农业、园艺、林业和电力工业等不同部门产生了许多重要的后果和影响,反映在高风险和破坏程度高,并造成巨大的经济损失和巨大的生态影响(例如Lamichhane 2021)。

特别值得关注的是晚春霜冻,这里将其定义为在前几天大幅变暖之后,在晚春出现的低于冰点的温度。冬末和早春的气温上升可能引发所谓的“假春”(Peterson and Abatzoglou 2014),在此期间,树木物候的早期开始可能伴随着霜冻(Chamberlain et al. 2019;Ma et al. 2019),在开花期间尤其危险,因为霜冻会损害休眠后的芽、花和正在发育的果实(Rodrigo 2000)。霜冻对植物脆弱器官的影响显著影响植物的生长、健康、竞争能力和分布限制(Lamichhane 2021)。一些突出的假弹簧,如2007年美国的假弹簧(Gu et al. 2008;Demirsoy et al. 2022)、2010年(Hufkens et al. 2012)或2012年(Labe et al. 2017)已被用作晚春霜冻未来潜在影响的例子。欧洲最具破坏性的晚春霜冻发生在2017年(Faust and Herbold 2018;Vitasse and Rebetez 2018)。Hulsmann等人(2023)指出,在1981-2021年期间,欧洲樱桃树假春的风险越来越大,特别是在斯堪的纳维亚半岛南部和波罗的海国家。

Liu等人(2018)调查了1982年至2012年生长季节的霜冻日数,发现北半球约43%的地区(纬度高于30°N)的霜冻日数显著增加,特别是在欧洲和春季。生长季长度增加较多的地区霜冻日数也增加较多。Zohner等人(2020)分析了1959年至2017年间记录的晚春霜冻、叶片脱落物候学和叶片抗冻性数据,这些数据来自北半球温带和寒带地区普通花园中栽培的多达1500种植物。他们发现,35%的欧洲森林和26%的亚洲森林日益受到霜冻损害的威胁,而北美只有10%。Ma等人(2019)对欧洲27种树种的研究表明,当海洋和沿海地区比大陆地区更容易遭受晚春霜冻时,春季霜冻损害风险的时间变化取决于物种和地理位置。

许多论文研究了霜冻对果树个体的影响。例如,Eccel等人(2009)报告称,与过去相比,目前意大利特伦蒂诺地区苹果生产的春霜风险较低。Lakatos et al.(2016)表明,在匈牙利西部和东部的水果种植区,春季霜冻的损害程度在很大程度上取决于前几天的温度,而越早开花,损害就越严重。Vitasse等人(2018)发现,从1975年到2016年,瑞士海拔800米以上地区的苹果和樱桃树开花和出叶时间发生霜冻的风险增加,并可能造成潜在损害,而海拔较低地区的风险保持不变。Pfleiderer等人(2019)指出,对于德国来说,在未来2°C的温暖世界中,苹果树遭受霜冻损害的风险将比现在高出10%。Cebulj等(2022)研究了与春季霜冻有关的霜环的发生对苹果果肉中糖、有机酸、酚含量和果皮中酚含量的影响。除了苹果之外,还分析了春霜对樱桃等其他果树的影响(Matzneller等人,2016;Demirsoy et al. 2022)和peach (Çetinbaş et al. 2021)。Drepper等人(2022)对果园春季霜冻风险管理策略进行了系统审查。

近几十年来,捷克共和国经历了相当大的温度升高(例如Zahradníček等。2021年,2022年;Brázdil et al. 2022)。特别是冬季和春季气温的升高,导致假春提前发生,果树物候提前(例如Bauer et al. 2009;Černá等人,2012),可能会增加晚春霜冻的风险(如Potop等人,2013,2014a)及其破坏性影响(Hájková等人,2023)。为了验证这一假设,本研究使用不同的高质量数据集来呈现1961-2021年捷克共和国春霜、假春和霜冻风险日的气候学,基于客观分类解释其环流模式,展示了春季果树物候期的变化,并描述了春季霜冻影响下果树产量的变化。本文的目的是为了更好地理解和定量地描述和解释现有的关系。

2 数据

2.1 气象数据

为了描述春季(3 - 5月)霜冻和假春,使用了捷克水文气象研究所155个气象站1961-2021年在捷克共和国境内(以下简称CR)记录的日平均温度数据。温暖气候树种(如杏子或桃子)通常生长在海拔300米以下的地方,而樱桃或苹果甚至可以在海拔更高的地方生长,一些传统品种甚至有在海拔600米的地方生长的历史(Blažek 1998)。同时,该区的果园总面积相对有限。利用两个高度间隔(Demek 1987),我们将相关站点分为两组:(a)第一组:55个站点,海拔最高达300米(景观主要由低地和平坦丘陵地形组成);(b)第二组:海拔高度在301-600米之间的100个站点(主要由平坦和分割的丘陵地代表)(图1)。海拔高度在600米以上的位置没有被考虑,因为它们通常不包括果树或集约化农业的生产区。

图1
figure 1

捷克境内155个气候站的分布,分为两个海拔高度组(I组:海拔高度< 301 m, II组:海拔高度301 - 600 m)和物候观测和杏树产量资料站点(III: 1-Lednice, 2-Lanžhot, 3 -西南部摩拉维亚)

基于气候序列均质化的长期经验(例如Štěpánek等人,2011、2013;Zahradníček et al. 2014;Squintu et al. 2020),捷克日温度序列的新均质化在2022年分三个步骤实现:

  1. (a)

    质量控制

MetQC软件(Štěpánek et al. 2023)是欧洲气候评估与数据集(ECA&D)控制的一部分,作为ECA&D质量控制的全自动方法。MetQC增加了一个站间比较,允许检测无法通过单独的ECA&D测试识别的可疑值。

  1. (b)

    断点检测

采用Alexandersson(1986)之后的标准正态齐性检验(SNHT)和Maronna and Yohai(1978)之后的双变量检验对月温度序列进行断点检测。如果在元数据中确认了断点,则调整的经验限制(检测计数与理论上可能检测的数量之间的比率)设置为所有可能检测的10%。如果元数据仍然无法解释检测到的断点,则限制为15%。

  1. (c)

    均化作用

序列的日步调整采用了百分位数分布调整法(DAP),该方法基于单个百分位数的校正,源自区域气候模式输出校正方法(d2013.07)。此外,利用插值和偏倚校正方法对部分序列缺失的1961-2021年全期日数据进行了补充。

2.2 循环数据

根据Jenkinson和Collison(1977)首次提出的原则,采用了CR境内环流类型的客观分类(Řehoř等人,2021a, b)。它是根据ERA5再分析(Hersbach et al. 2020)中的海平面压力值,根据流动强度、流动方向和涡度计算出CR的地理中心。利用它们的阈值进一步定义了27种环流类型,按气流方向按8个基本方向划分为9种反气旋、9种气旋和8种定向环流类型:反气旋类型a、AN、ANE、AE、ASE、AS、ASW、AW和ANW;气旋型:c、CN、CNE、CE、CSE、CS、CSW、CW和CNW;方向型:北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。不属于三组中的任何一组的天数被定性为未分类,并包括在U型中(详见Řehoř et al. 2021a, b)。

2.3 物候数据

尽管在CR有长期的物候观测传统(kurpelov 等人,1975;Brázdil et al. 2011),在摩拉维亚东南部的两个地点,只有少数高质量的果树物候期的长期系列(见图1):

  1. (a)

    莱德尼斯:1951-2000年的苹果树;杏树1961-2021;1951-2009年樱桃树;1951-2000年的梨树。

  2. (b)

    Lanžhot: 1951-2015年的梨树。

整个期间只有三名观测员(Bartošová et al. 2022)按照捷克水文气象研究所的方法和物候观测相关指南(Valter 1981)进行了物候观测。

2.4 果树产生数据

收集了关于中华人民共和国水果种植的广泛信息,并每年在中华人民共和国农业部的报告中公布(MZČR 2023)。根据1996年至2021年期间整个CR的年度报告,以相应水果的公斤产量值表示的果树产量系列(杏、桃、樱桃、酸樱桃、梨、苹果、李子)被重新计算为一棵树。2000年至2021年期间摩拉维亚西南部(Znojmo和Lechovice之间的地区)的杏系列补充了上述引用的全国数据。


目录

摘要。
1 介绍
2 数据
3 方法
4 结果
5 讨论
6 结论
数据可用性
代码的可用性
参考文献。
致谢。

作者信息
道德声明







#####

3 方法

利用155个气象站的一系列最低日气温(TMIN)选择霜冻日,根据TMIN将霜冻日分为(i) < 0.0°C、(ii) < - 1.5°C、(iii) < - 3.0°C、(iv) < - 4.5°C和(v) < - 6.0°C 5类。利用这些选定的日数,计算1961-2021年每年春季(3月、4月、5月)、整个春季(3 - 5月)和4 - 5月的对应日数及其最晚出现的春季日期。随后对第一组的所有55个站和第二组的所有100个站分别取这些值的平均值,并用于表征CR春季霜冻的气候学特征。

本文用至少连续十天且TMAX≥10°C来定义假弹簧。从1961年到2021年,每年计算假春的首次出现日期,并进一步用于计算“霜冻风险日”,即从相应的假春开始到TMIN < - 1.5°C的最后一次霜冻日期之间的天数。霜冻风险日数表示霜冻对果树危害的可能性较高或较低的时期的长度。霜冻风险日数进一步用于绘制1961-2021年整个期间以及个别几十年在CR领土上的霜冻风险日数平均分布图。除了引用的155个站点(第2.1节)外,还使用了位于海拔600米以上的另外30个站点来绘制相关地图。

为了分析霜日类别和假春起与2.2节所定义的客观分类环流类型的关系,分别计算每个站点的环流类型绝对频率,然后与其他站点的I类和II类进行求和,转化为单个环流类型的相对频率。

为了分析创建的时间序列中的线性趋势,通过应用非参数Theil-Sen方法估计趋势参数,该方法对异常值更具鲁棒性(Sen 1968;赛尔1992)。使用Mann - kendall检验评估分析序列中是否存在显著的线性趋势(p < 0.01, p < 0.05或p < 0.10),并采用分析序列中无单调趋势的零假设(Mann 1945;肯德尔1975)。为了分析果树产量与选定气候变量的关系,计算了Pearson相关系数,检验了有统计学意义(p < 0.05)。

4 结果

4.1 春霜和假春的气候学

以下4.4.1春季霜冻

图2a-e显示了1961-2021年CR中两个海拔群I和II的不同霜类春霜日数(按TMIN)的波动情况。5个不同类型的霜冻日数在类群ⅱ中系统地高于类群ⅰ,尽管类群ⅱ的年际变率较高,呈现出或多或少的平行变化。春霜平均日数随着霜冻程度的增加而减少(表1),从TMIN < 0.0°C组的21.4天减少到TMIN < - 6.0°C组的2.6天,从27.3天减少到4.0天。正如预期的那样,箱形图显示,与第一组相比,第二组的中位数、上、下四分位数以及两个极值(最大值和最小值)都更高(图2f)。在所有五种霜类中,第一组的标准差(SD)均略低于第二组(表1)。尽管所有霜类的春霜日数都有所减少,但只有TMIN < 0.0°C(- 0.76天/10年,在第一组中p < 0.10;在第二组中- 1.19天/10年,p < 0.05)和TMIN < - 4.5°C(- 0.55天/10年)具有统计学意义。第二组的p < 0.10)。第二组在4 - 5月(表1)和3 - 5月(表S1)也发现了一些显著的下降趋势。

图2
figure 2

捷克共和国1961-2021年不同霜冻类别的春霜日数(根据TMIN): a - e第I组(1)和第II组(3)平均春霜日数的波动,经过10年高斯滤波器平滑(2,4);f为第一组55个站点和第二组100个站点的春霜日数箱形图

表1 1961-2021年捷克共和国春季(3 - 5月)和4 - 5月两个海拔I和II类不同霜类霜日数(按TMIN)

1961-2021年,青藏高原春季环流模式的特点是定向型(35.9%)和反气旋型(35.5%)的出现频率最高,而气旋型的出现频率较低(27.2%)(表2)。在海拔I和II组的所有霜冻日数中,反气旋型的比例随着霜冻严重程度的增加而增加(I组从47.7%增加到53.3%,II组从45.1增加到49.4%),而低于平均水平的气旋日数比例则减少。第二组定向型所占比例继续增加,但不足4%。从单个环流类型来看,中央反气旋A型占主导地位,其次是东部E型和东南东南型以及东部反气旋AE型,第II组也以东北部NE型为主(图3)。E型的频率在较严重的霜降中大幅增加(几乎达到A型的频率),而其他类型的频率仅略有增加。

表2捷克共和国1961-2021年春季和4 - 5月两个海拔I和II类不同类别(按TMIN)霜日数客观分类的三组环流类型(a -反气旋、c -气旋、d -方向)相对频率(%)(全部包括春季和4 - 5月无霜/有霜日数)
图3
figure 3

捷克共和国1961-2021年第一组和第二组不同霜类(按TMIN)春霜日数客观分类各环流类型的相对频率(%)

将范围缩小到4 - 5月的霜冻天数(表2),这是大多数晚霜发生的时间段,随着霜冻严重程度的增加,反气旋类型的主导作用进一步增强:第一组从52.4 %增加到68.2%,第二组从47.6%增加到56.0%。气旋型和定向型的比例低于其平均发生率。在最常见的单个环流类型中,出现了A、NE和AE,并伴有反气旋东南型ASE和反气旋东北型ANE和E型II(图S1)。然而,与整个春季发生的情况相反,东部方向类型的频率减少,霜冻严重程度较高(特别是在第一类),有利于a型,频率高达30.5%。

最晚的春季霜冻平均日期的波动(图4a-e)表明,海拔I和II类群的年际变率普遍较大,几乎平行,呈负线性趋势,即霜冻发生时间较早。在第一组的3月2日至4月23日之间,在第二组的3月10日至5月1日之间,五种霜冻类型的最新春季霜冻的平均日期发生了变化(表3)。正如预期的那样,箱形图显示,与第一组相比,第二组的中位数和上下四分位数以及极端日期都向更晚的日期转移(图4f)。然而,标准偏差显示,第一组前两类的变异性略小于第二组,但对于其他三个类别,观察到的情况正好相反(表3)。最早和最晚霜冻发生的日期也有很大的变异性,在1月和5月之间,五个选定的霜冻类别的日期波动较大。所有霜类和两个海拔间隔的春季最迟霜冻日期呈线性趋势,每10年约有1天和2天出现霜冻,但只有第II组的前两个霜类出现了统计学上显著的下降:TMIN < 0.0°C为- 1.56天/10年,p < 0.10, TMIN < - 1.5°C为- 1.18天/10年,p < 0.05。

图4
figure 4

捷克共和国1961-2021年期间不同霜冻类别(根据TMIN)的最晚春霜日期:第一组(1)和第二组(3)最晚春霜平均日期的a - e波动,经10年高斯滤波器平滑(2,4);f第1组55个站和第2组100个站最晚霜冻日期的箱形图

表3捷克共和国1961-2021年两个海拔I和II类群不同类别春季最末霜冻日期统计特征(根据TMIN)

4.1.2 错误的春天

1961-2021年期间,第一组和第二组的假春平均开始时间分别为4月2日和4月9日(表4)。其年际变化较大,最早和最晚开始的时间跨度较大,即第一组为3月9日至5月2日(55天范围),第二组为3月17日至5月8日(53天范围)。在年际变异的长期波动中(图5),20世纪70年代中期左右出现最早的发病,然后突然延迟到1980年,而从那时起,平滑值出现了普遍下降的趋势(即假春的早期发病)。虽然整个系列的线性趋势只有II组显著下降,为- 2.04天/10年,p < 0.05(表4),但两组从1980年开始发病明显更早(I组:- 3.92天/10年,p < 0.05;II:−4.94天/10年,p < 0.01)。

表4 0捷克共和国1961-2021年两个海拔群I和II的假春发生
图5
figure 5

1961-2021年期间捷克共和国第一组(1)和第二组(3)假弹簧发作的波动情况。10年高斯滤波平滑(2,4)

关于与假春季发生相关的环流模式(图6),a型再次经历了最高的频率(I: 24.3%, II: 21.6%);然而,它是由反气旋西部(AW)、西部(W)和反气旋西南(ASW)模式补充的,第二组也有东南(SE)模式。这表明西部气流在重要性上与反气旋模式相似,而北部和西北部气流几乎没有出现。

图6
figure 6

捷克共和国1961-2021年期间第一组和第二组假春第一天客观分类的个别环流类型的相对频率(%)

假春的发生可以通过霜冻风险天数来补充,这表明在假春发生后,TMIN < - 1.5°C的霜冻可能出现的天数。正值表示在假春开始后出现霜冻,反之亦然。在1961-2021年期间,两个海拔组的平均值(分别为11.6天和11.5天)和变异性(标准差分别为13.9天和14.3天)几乎相同。第一组霜冻风险日数最多的年份是1981年和2012年(分别为39.3天和38.6天),第二组霜冻风险日数最多的年份是2012年(46天),其次是2017年(37.2天)(图7)。霜冻风险日数最多的年份出现在1971-1978年期间,其他高峰出现在1990年前后和2010年代初。海拔高度组和海拔高度组均呈现轻微增加的无显著线性趋势,海拔高度组分别为0.69天和0.30天/10年。

图7
figure 7

1961-2021年期间捷克共和国第一组和第二组霜冻危险日数(栏)的波动情况。经过10年高斯滤波器平滑(粗线)

图8显示了1961-2021年中国大陆霜冻风险日数及其各年的空间分布。从整个时期来看,10 - 20天霜冻风险日间隔(48.6%)和0-10天霜冻风险日间隔(44.2%)的比例最高(表5)。1961-1970年开始10年,10 - 20天霜冻风险日间隔占全区面积的四分之三(75.4%),2011-2020年10 - 20天霜冻风险日间隔最大(58.0%),20 - 20天霜冻风险日间隔为30.7%,春冻风险增加。1971 - 1980年与2011-2020年的空间格局相似,1981 - 2010年的空间格局与1961-1970年的空间格局更接近。在假春开始(即霜冻风险日数为负值)之前发生最晚霜冻的地区比例从1.3%(2011-2020年)增加到15.8%(1991-2000年)。对CR的整个领土计算的相对比例由两个海拔I和II组分别计算的比例补充,如图S2所示。

图8
figure 8

1961-2021年捷克共和国境内假春发生后平均霜冻风险日数的空间分布及逐年分析

表5选择的平均空间比例(%)伪春后出现霜冻危险日数的间隔在1961年至2021年期间以及在个别几十年期间在捷克共和国境内设立

除了假春开始后的霜冻风险日数(图8)外,从假春开始10天后TMIN < - 1.5°C (TMAX≥10°C)的霜冻日数的发生概率为果树的霜冻危险提供了额外的信息(图9)。通常,霜冻概率越高的地区,果树受到晚春霜冻潜在损害的可能性越高。40 - 50%之间的霜冻概率对应于CR的大部分(43.4%),高于50%的霜冻概率影响36%的捷克领土(29.2%对应于50 - 60%之间的霜冻概率)。在海拔低至300 m(第一组),50-60%的概率为43.7%,而在海拔高至301-600 m(第二组),40-50%的概率为51.3%。海拔300 m以内结霜概率均值为52.3%,海拔300 ~ 600 m之间结霜概率均值为46.8%。高度濒危的地区,特别是在生产杏子和桃子的摩拉维亚东南部较低的位置,以及波希米亚大部分地区类似的较低位置。

图9
figure 9

捷克共和国1961-2021年假春开始后10天TMIN < - 1.5°C的空间概率(%)

4.2 果树春季物候学

图10记录了Lednice和Lanžhot(摩拉维亚东南部)几种果树物候期“初开”和“全面开花”日期的波动。除了所有系列的年际变化外,它们的特征是线性趋势下降,表示这两个物候期的早期开始。只有在Lednice,梨的物候期和苹果的第一次开花的物候期都没有统计学意义(表6)。所有树木的物候期都发生在4月份,从杏(最早开始)到樱桃,从梨到苹果(最晚开始)有几天的差异。

图10
figure 10

在1951年至2021年间,摩拉维亚东南部物候期a首次开花和b完全开花日期的波动(Lednice:杏树、樱桃树、梨树、苹果树;Lanžhot:梨树)。圆圈表示TMIN < - 1.5°C时假春的出现和最后一次春霜的出现

表6 0第一次开花的雏菊和盛开的花1951年至2021年间,在摩拉维亚东南部的莱德尼斯和Lanžhot种植泰德果树

为了显示假春和晚霜两个物候开始的一致性,图10中的所有图形都用对应于这两个气候变量的圆圈增强,并为Lednice站计算。由于两地距离小(约15 km),海拔差小(约10 m),我们进一步利用Lednice的气候数据对Lanžhot的梨树系列进行研究。杏树物候期首次开花平均延迟12.4天至假春开始,1998年最长延迟54天,而1994年的首次开花提前了15天(表S2)。樱桃树的平均延迟时间为17.8天,梨树为25.2天。而苹果树的开花时间平均在假春开始后28.8天,从1975年的59天推迟到1956年的5天。开花较晚可以减少晚霜的风险。在分析的系列中,这种风险在杏树中最高(42.6%的年份,当晚霜发生在第一次开花之后),其次是樱桃树(39.0%),而梨树在Lednice为26.0%,Lanžhot为23.1%,而苹果树只有16.0%。在剩下的年份里,晚霜的开始要早于初花的开始。

4.3 果树生产和春季霜冻

图11显示了1996-2021年CR地区主要果树的年度全国产量。相应的序列除了反映单个产量的年际变化外,还反映了各种不同的线性趋势。有统计学意义的趋势只有两种树:李树增加(3.1 kg/树/ 10年,p < 0.01),樱桃树减少(- 0.85 kg/树/ 10年,p < 0.05)。所有其他线性趋势在统计上都不显著:酸樱桃树几乎为零,梨树增加,杏树、桃树和苹果树减少(表7)。李子的显著不同趋势可归因于这样一个事实,即李子生产可能有助于更快地重新种植所需的李子,并具有更好的应对气候变化和病虫害挑战的机会。除梅树产量外,春开花最早的杏树产量标准差变化最大。2002年杏产量最低与4月初霜冻有关,伴有雨雪阵雨,为溃疡病的蔓延创造了良好的条件。虽然它的发生与霜冻没有直接关系,但它经常与春季霜冻同时发生,因为高空气湿度有利于它的传播。在其他果树产量最低的年份也记录了破坏性的晚霜,例如2010年(酸樱桃)、2011年(苹果)、2013年(樱桃)、2016年(桃子)、2017年(梨)和2020年(樱桃)。

图11
figure 11

1996-2021年期间捷克共和国选定的7种果树的年度全国产量(公斤/棵)的波动和线性趋势以及2000-2021年期间摩拉维亚西南部杏树的产量:线性趋势方程的右上方

表7 1996-2021年捷克共和国选定果树全国产量(kg/树)统计特征

考虑到每棵果树(李子除外)产量最低的5年,所有果树在2017年都受到了特别的影响,4月21日的第一波强霜冻破坏了摩拉维亚南部表型提前的树木,5月10日的第二波霜冻破坏了全国的果树。同样,2012年4月9日和5月18日的两波霜冻破坏了果树(除了苹果树和李树)。2010年水果产量低(特别是桃子、樱桃、酸樱桃和苹果),受开花期间突然降温和5月强降雨的影响,导致授粉不足,随后疾病(痂病和树枝溃疡病)蔓延。

与全国杏树系列非常一致的是,摩拉维亚西南部的地方系列也表现出非常强的统计学显著下降趋势(- 13.7 kg/树/ 10年,p < 0.01)。明显归因于晚春霜冻的最低产量年份与上述顺序中的2017年(仅0.7公斤/棵)、2016年(1.7公斤/棵)和2020年(1.9公斤/棵)一致,其次是2002年、2012年等(图11)。另一方面,分歧最大的年份是2001年,摩拉维亚西南部产量最高,为51公斤/棵,而全国杏系列产量很低,桃子、梨、苹果和李子系列产量也很低。

使用Pearson相关系数分析1996-2021年期间春霜对捷克全国7种果树产量的潜在影响(表8)。在晚春霜(LF)日期,果树产量与气候变量之间存在统计学显著负相关(根据t检验,p < 0.05),证实了霜冻对产量的影响。海拔ⅰ组和海拔ⅱ组的霜冻风险日数(RD)和温度(TS)日数之和。所有这些气候变量与杏、桃、梨和苹果产量均显著相关(苹果在第二组中与假早春也出现正相关,值为0.42)。酸樱桃与LF-II、RD-II和TS-I呈显著相关,而樱桃仅与LF-I呈显著相关。所选气候变量均与李树产量无显著相关。与所有变量的相关性最高的是桃树,而与梨树的相关性基本相同,仅在- 0.44和- 0.47之间波动。所分析的各果树(李树除外)产量与相关系数最高的对应变量的关系用带回归线的相关图表示,如图12所示。尽管相关分析表明春季霜冻对选定果树的产量有明显的影响,但这些结果只能解释总变异的一小部分。

表8 1996-2021年期间捷克选定果树产量与气候变量之间的Pearson相关系数
图12
figure 12

1996-2021年捷克共和国(LF, TMIN < - 1.5°C的最后一次春霜日期),每棵果树Pearson相关系数最高的I和II组(右上)的年度全国果树产量与所选气候变量之间的相关场和相关回归线;RD,霜冻危险日数;TS,温度(从假春开始到最后一次霜冻之间的天数总和)

5 讨论

自1961年以来CR的平均、最低和最高温度在统计上显著增加(Zahradníček et al. 2021;Brázdil et al. 2022)反映在本研究的霜冻日和假春的特征上。霜冻日数(TMIN < 0.0°C)在整个春季呈统计学显著减少(与Zahradníček et al. 2022一致),但仅在4 - 5月的第II组和TMIN < - 4.5°C的春季(表1)。将这些结果与表S1中单个春季月份的趋势联系起来,所有系列中只有16%的霜冻日数呈现统计学显著减少趋势。关于最近霜冻的日期系列(表3),尽管它们普遍早发,但只有第II组的阈值TMIN < 0.0°C和TMIN < - 4.5°C具有统计学意义(即占所有病例的20%)。第二组的假春发生时间也明显提前,从1980年开始加速至今。这些结果与处理类似主题的论文中提出的研究结果一致,例如美国(Easterling 2002),波兰(Graczyk和Szwed 2020;Koźmiński et al. 2023)以及中欧和东南欧(Chervenkov和Slavov 2022)。

春季霜冻日的环流类型(表2),反气旋环流类型占主导地位,特别是气旋环流类型。这与Wypych等人(2017)的观点一致,他们强调了反气旋情况对中欧霜冻发生的重要性。他们特别报告了白俄罗斯和乌克兰东部上空广泛的高压系统的情况,该系统造成了寒冷的大陆气团流入。在分析霜冻日的环流类型时,还应考虑霜冻日的前一天。即,在分类过程中使用的海平面压力数据(见2.2节)是日平均值,而最低温度通常发生在早晨,即前一天的环流也可能起重要作用。因此,计算了TMIN前几天环流类型的频率(图S3)。与图3相比,NE、E、ANE和AE型的相对频率大幅增加,而其余反气旋型的相对频率则有所下降。这证实了一种普遍的预期,即春季霜冻通常是中欧地区出现反气旋后的冷空气的结果,导致云量减少和风速降低,放大了地表一层空气中的辐射冷却。

春季气温的升高也反映在果树相关物候期的提前开始,例如摩拉维亚东南部的杏树、桃树、梨树和苹果树的第一次开花和完全开花(参见图10和表6)。CR的其他研究结果也证实了这一点(例如Bauer et al. 2009;Černá等人,2012年),为晚春霜冻的破坏性影响创造有利条件(例如Potop等人,2013年,2014年a)。许多研究还表明,晚春霜冻对樱桃树等果树个体的潜在风险越来越大(Matzneller等人,2016;Chmielewski等人,2018;Demirsoy et al. 2022;Hájková等,2023;Hulsmann et al. 2023),樱桃树和苹果树(Vitasse et al. 2018),苹果树(Pfleiderer et al. 2019;Cebulj et al. 2022)和桃树(Çetinbaş et al. 2021)。另一方面,一些论文也报道了意大利(Eccel et al. 2009)或瑞士(Vitasse et al. 2018)某些地区的霜冻风险较低或不变。

早春与晚霜的协同作用会造成巨大的经济损失。例如,Labe等人(2017)引用了2012年美国过早出现的假春,仅在密歇根州就造成了5亿美元的农业损失。在欧洲,2017年晚春霜冻造成的最严重经济损失为33亿欧元,尤其是水果和葡萄酒,意大利、法国、德国、波兰、西班牙和瑞士是受影响最严重的国家(Faust and Herbold 2018;Vitasse and Rebetez 2018)。在1996-2021年捷克全国水果产量中(参见图11),由于两波晚霜,2017年的梨产量最低,桃树产量第二低,杏树产量第三低(但2000-2021年期间,摩拉维亚西南部的杏树产量最低)。然而,晚春霜冻造成的CR地区水果低产量在其他许多年也有记录。例如,在2002-2021年期间,只有8年(2003年、2004年、2006年、2009年、2010年、2013年、2015年和2018年)没有根据中国农业部的年度报告(MZČR, 2023)报告任何春季霜冻损害果树的情况。

果树受春霜损害的程度可受不同因素的影响。Drepper等人(2022)对用于管理果园春季霜冻风险的现有策略进行了广泛的系统审查。果树开花期防冻,一般有两种基本方法:将空气加热到0℃左右或创造条件降低有效辐射,温度不明显降至0℃以下。两种方法的保护效果不同。过去制定了统一的程序,但金融家发挥了主要作用。在发生两次以上春霜的情况下,这些措施在经济上是相当无效的。在CR方面,保护果园免受晚霜的保护只是部分可能的,大约16000公顷的果园中只有三分之一有灌溉设备。

在基于IPCC报告中不同类型气候情景的许多研究中,晚春霜冻及其对21世纪植物的破坏性影响是频繁出现的科学主题。例如,意大利(Eccel等人,2009年)和欧洲六个地区(Jönsson和Bärring 2011年)使用了SRES情景(排放情景特别报告),德国(Chmielewski等人,2018年)和瑞士(Lhotka和Brönnimann 2020年)使用了RCP情景(代表性浓度路径),伊朗(Helali等人,2022年)使用了SSP情景(共享社会经济路径)。根据观察到的晚霜、假春和果树物候期的趋势,可以预期未来果树霜冻危害的风险会增加。基于12个RCM模式(EURO-CORDEX 11 km)和3个RCP情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)的模拟,预估到21世纪中期,冬季气温升高可能达到1.5-2.4°C,春季气温升高可能达到1.1-1.5°C (Štěpánek et al. 2019)。这将有助于更早的假春,更大的温度总和和更早的果树物候期开始。春季气温升高将使该季节CR的平均霜冻日数减少到15-19天,但后期霜冻发生的时间会提前(例如波希米亚高原的霜冻发生时间会提前≥12天——potop et al. 2014b)。尽管在CR中已有关于这一主题的知识,但新的CMIP6和SSP情景下的晚霜、假春、春季物候和对果树的潜在破坏性影响的新预测仍然是未来研究的挑战之一。

6 结论

捷克共和国两个海拔类群1961-2021年春霜及其对果树影响的分析结果可总结如下:

  1. (a)

    3月、4月、5月、4 - 5月和整个春季(3 - 5月)的霜冻日数按TMIN划分为5个霜冻类别,呈线性减少趋势,但只有16%的霜冻日数有统计学意义。同样,在最近一次春季霜冻日期的减少趋势中,只有20%具有统计显著性。

  2. (b)

    假弹簧呈现线性下降趋势(即发病早),仅在第二组有统计学意义。从1980年到现在,相关的线性趋势在两个海拔组中都更加强烈和显著。霜险日数序列呈不显著的线性增加趋势。

  3. (c)

    霜冻日数的发生主要归因于反气旋环流类型的频率高于平均水平,其比例随着霜冻严重程度的增加而增加,而气旋类型的频率则远远低于平均水平。霜冻主要归因于中央反气旋A型和东北(NE, ANE),东部(E, AE)和东南气流(SE)类型。假春的发生与A型以及西部和西南气流型(AW、W、ASW)特别相关。

  4. (d)

    在摩拉维亚东南部的杏树、樱桃树、梨树和苹果树的地方系列中,首次开花和完全开花的物候期提前有统计学意义。1996年至2021年期间,晚春霜冻的破坏性影响在全国水果产量较低的年份得到了很好的反映,尽管它们只能解释部分产量变化。例如,在2017年或2012年出现两波晚春霜冻的年份,果树受到的影响尤其严重。

了解春季霜冻的动态与冬末已证实的变暖有关,是维持果园面积的一个重要因素。同时,它也是指导育种方向和新技术的重要因素。

补充信息

以下是电子补充材料的链接。

补充文件1 (DOCX 712kb)