謝曉燕 吳芳芳 鄧肖任

關(guān)鍵詞：砂糖橘;寒凍日數(shù);R/S分析;DEM;Morlet小波分析

砂糖橘原產(chǎn)于廣東省，自廣東省引進(jìn)砂糖橘并經(jīng)過多年發(fā)展，砂糖橘產(chǎn)業(yè)已成為促進(jìn)廣西壯族自治區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收的重要產(chǎn)業(yè)。桂林市作為全國重要柑橘生產(chǎn)基地，至2012年柑橘總面積達(dá)9.63萬hm2，產(chǎn)量為183.5萬t，其中，砂糖橘面積1.26萬hm2，成為桂林市種植面積最大的寬皮柑橘類品種[1]。

寒凍害主要是指作物在越冬休眠期或停止生長時期發(fā)生的凍害，溫度在0 ℃以下時作物或多年生經(jīng)濟(jì)林木受害或凍死，熱帶經(jīng)濟(jì)作物在溫度為 0 ℃ 以上即可受害[2]。廣西冬季寒凍害對作物影響較大，目前，主要集中在寒凍害對霧蓮、青棗、杧果、甘蔗、香蕉等作物[3-5]的研究，對砂糖橘的相關(guān)研究較少。有研究表明，砂糖橘遭受冷害，會引起果肉乙醛和乙醇含量累積，果實外觀品質(zhì)下降，果肉異味[6]，從而導(dǎo)致砂糖橘總體品質(zhì)降低。桂林市作為廣西砂糖橘的主產(chǎn)區(qū)之一，冬季砂糖橘成熟、收獲時節(jié)主要受寒凍害影響較為嚴(yán)重，但桂林市砂糖橘寒凍害分布特征的相關(guān)研究較少，因此，研究桂林市砂糖橘采收期寒凍害分布特征非常必要。通過利用桂林市14個縣（區(qū)）1981—2017年逐日氣象數(shù)據(jù)資料，根據(jù)砂糖橘寒凍害統(tǒng)計指標(biāo)統(tǒng)計寒凍害日數(shù)，利用Morlet小波分析砂糖橘寒凍害周期變化，采用R/S分析對寒凍日數(shù)未來趨勢進(jìn)行分析，基于ArcGIS平臺，結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM），分析桂林市砂糖橘寒凍害空間分布特征，以期為桂林市砂糖橘防災(zāi)減災(zāi)及實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增收提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與研究區(qū)域

桂林市14個縣（區(qū)）1981—2017年逐日氣象數(shù)據(jù)資料來源于桂林市氣象局，研究區(qū)域及氣象站點分布見圖1。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m×30 m。

1.2 指標(biāo)確定與研究時段

砂糖橘在坐果期溫度長時間低于3 ℃時果實易受凍[7]，因此采用3 ℃作為砂糖橘受寒凍害的界限溫度。桂林市砂糖橘果實11月中旬至下旬成熟，果皮由青綠色逐漸向黃綠色到黃色（橘紅色）轉(zhuǎn)變，逐漸成熟，12月中旬至次年元旦前后應(yīng)采收完畢[8-9]。但為保證收益，果農(nóng)在砂糖橘成熟后通常會延遲采收以達(dá)到利益最大化。因此，本研究將砂糖橘受寒凍害影響的指標(biāo)確定為日最低氣溫≤3 ℃，確定當(dāng)年11月中旬至次年1月為砂糖橘當(dāng)年受寒凍害影響的時段，并統(tǒng)計研究時段內(nèi)砂糖橘寒凍害日數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候傾向率[10] 通過建立某一氣象變量與所對應(yīng)時間的一元線性關(guān)系，從而反映變量變化趨勢。

1.3.2 M-K（Mann-Kendall）法[10] Mann-Kendall法屬于非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，不需要樣本遵從一定的分布。通過計算時間序列，可以明確突變開始時間，并指出突變區(qū)域。

1.3.3 Morlet小波 Morlet小波是高斯包絡(luò)下的復(fù)指數(shù)函數(shù)，它可以判別時間序列中所包含多時間尺度周期性的大小及這些周期在時域中的分布，在時域和頻域都具有很好的局部性[11-12]。小波方差可用于確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，反映波動的能量隨尺度分布[13-14]。通過Morlet小波方差能夠反映變量周期變化規(guī)律。

1.3.4 R/S分析 R/S分析法最早是由英國科學(xué)家Hurst提出的一種統(tǒng)計方法，后經(jīng)Mandelbrot等在理論上進(jìn)行補充和完善，將它發(fā)展成為研究時間序列的分形理論[15]，其具體原理參考文獻(xiàn)[16]。赫斯特（Hurst）指數(shù)能很好地揭示出時間序列的趨勢成分，并代表趨勢性成分的強度[17]。赫斯特指數(shù)等級分類見表1。Hurst指數(shù)可分為3種類型：（1）H=0.5，表示時間序列是隨機的，其所對應(yīng)的事件是隨機和不相關(guān)的，反映現(xiàn)在的狀態(tài)不會影響將來。（2）0≤H<0.5，表示反持久性的時間序列，即將來的總體趨勢與過去相反。當(dāng)H值越接近于0，這種時間序列就具有比隨機序列更強的突變性或易變性。

1.3.5 海拔高度與寒凍日數(shù)的關(guān)系 利用最小二乘法，建立砂糖橘寒凍日數(shù)與海拔高度的一元線性關(guān)系，結(jié)果顯示砂糖橘寒凍日數(shù)與海拔高度存在顯著相關(guān)關(guān)系，海拔高度與寒凍日數(shù)關(guān)系見圖2。由海拔高度與寒凍日數(shù)的關(guān)系式可知，寒凍日數(shù)與海拔高度存在正相關(guān)關(guān)系，海拔高度每上升100 m，寒凍日數(shù)增加7.3 d。通過寒凍日數(shù)與海拔高度的線性關(guān)系，計算模擬值與實際值的殘差?；贏rcGIS平臺，利用DEM數(shù)據(jù)，通過砂糖橘寒凍日數(shù)與海拔高度的關(guān)系及對14個氣象站點殘差進(jìn)行反距離權(quán)重法（IDW）插值，進(jìn)而得到桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)空間分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 桂林市氣溫變化特征

桂林市1981—2017年年平均氣溫變化總體呈極顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.28 ℃/10年（圖3-a）。最低值為1984年的17.8 ℃，次低值為1988年及1996年。最高值為2016年的 19.9 ℃，次高值為2007年、2017年。2010年以來年平均氣溫較低年份為2012年，其次為2011年。從表2可以看出，統(tǒng)計的14個氣象站點中， 年平均氣溫上升較大的為恭城瑤族自治縣站、桂林市站，以 0.22 ℃/10年呈上升趨勢，而灌陽縣站、荔浦縣站總體而言，上升趨勢相對較為緩慢，氣候傾向率為0.07 ℃/10年。

桂林市1981—2017年年平均氣溫的M-K檢驗結(jié)果見圖3-b。圖中UF曲線為正序排列曲線，UB曲線為逆序排列曲線。由UF曲線可知，自21世紀(jì)以來桂林市年平均氣溫增暖趨勢較明顯，2002年以來增暖趨勢顯著增加。1981—2017年桂林市年平均氣溫增暖，是從2001年突變開始的。

2.2 砂糖橘寒凍日數(shù)的年際變化

1981—2016年桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)年際變化見圖4-a。1981—2016年砂糖橘寒凍害總體呈先下降后上升再下降的趨勢，寒凍日數(shù)最大值是1983年，為31.0 d，其次是2010年，為27.4 d，最小值是 2016年， 為 3.0 d， 最大值與最小值間相差近10倍。36年來桂林市砂糖橘寒凍害日數(shù)以1.9 d/10年的趨勢減少，減少趨勢不明顯，但自2010年以來寒凍日數(shù)則以3.3 d/年的趨勢呈顯著減少趨勢，說明氣候日益變暖，砂糖橘寒凍日數(shù)也隨之減少。從圖4-b可以看出，寒凍日數(shù)自1985年以來呈下降趨勢，寒凍日數(shù)下降突變開始時間為1986年。

2.3 砂糖橘寒凍日數(shù)年代際變化

桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)年代際變化見圖5。20世紀(jì)80年代至90年代、21世紀(jì)以來寒凍日數(shù)均減少，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代寒凍日數(shù)增加，并且20世紀(jì)80年代及21世紀(jì)00年代寒凍日數(shù)均大于36年平均值，最低值位于21世紀(jì)10年代，表明2010年以來，砂糖橘冬季受寒凍害影響有所減小。

2.4 砂糖橘寒凍日數(shù)周期變化

圖6-a中實線表示正的等值線，虛線表示負(fù)的等值線，小波系數(shù)實部為零等值線用標(biāo)有0的實線表示。從圖6-b小波方差可知，存在3個較為明顯的峰值，分別對應(yīng)著6年、準(zhǔn)21年、36年的時間尺度，其中36年時間尺度對應(yīng)的峰值最大，表明其周期振蕩最強，為桂林市砂糖橘寒凍害變化的第一主周期。由圖6-a可知，36年時間尺度與21年時間尺度周期振蕩較為明顯，36年時間尺度上存在2個偏多中心和2個偏少中心，準(zhǔn)21年時間尺度上存在3個偏多中心和3個偏少中心，并且至2016年小波系數(shù)等值線未閉合，說明未來在該時間尺度下砂糖橘寒凍害將繼續(xù)偏少。6年時間尺度在1995年之前周期振蕩較為明顯，之后振蕩尺度逐漸減小。

2.5 砂糖橘寒凍日數(shù)空間變化

從圖7-a可以看出，1981—2016年桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)年均分布表現(xiàn)為中南部少，北部及東部多的空間分布格局。寒凍日數(shù)高值區(qū)主要位于北部高寒山區(qū)及海拔較高區(qū)域，包括資源縣西北部、中南部及東部，龍勝縣北部及東部，全州西北部，灌陽縣西部及東部，臨桂區(qū)西北部。低值區(qū)主要位于地勢較低地區(qū)，主要包括全州縣中南部、中北部地區(qū)，興安縣中北部，靈川縣大部分地區(qū)，灌陽縣中北部，臨桂區(qū)中南部，永?？h大部分地區(qū)，恭城瑤族自治縣中部，陽朔縣、荔浦縣、平樂縣大部分地區(qū)及桂林市城區(qū)。桂林市地形復(fù)雜，砂糖橘霜凍日數(shù)南北差異較大，北部及東部砂糖橘受寒凍影響較嚴(yán)重，中部及南部受影響較小。36年來桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)均減少，減少趨勢為由北至南逐漸減小，其中以興安縣減少趨勢最大，為0.33 d/年，寒凍日數(shù)減少較為嚴(yán)重地區(qū)為龍勝縣，資源縣，全州縣，興安縣大部分地區(qū)，可見嚴(yán)重地區(qū)大多數(shù)位于高寒山區(qū)，說明高寒山區(qū)砂糖橘寒凍日數(shù)減少趨勢較為嚴(yán)重（圖7-b）。

2.6 砂糖橘寒凍日數(shù)未來趨勢分析

36年來，桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)平均赫斯特指數(shù)H=0.698，說明未來砂糖橘寒凍日數(shù)變化趨勢與過去相同，即未來寒凍日數(shù)仍將減少，并且未來持續(xù)性較強。從表3可以看出，各縣（區(qū)）未來砂糖橘寒凍日數(shù)與過去變化趨勢相同，寒凍日數(shù)仍將減少。其中，荔浦縣未來具有強的持續(xù)性，桂林市、靈川縣、興安縣、資源縣未來持續(xù)性較弱，其他站點具有較強的持續(xù)性。

3 討論與結(jié)論

1981—2016年桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)以 1.9 d/10年 的趨勢減少，2010年來，呈顯著減少趨勢，并且寒凍日數(shù)在21世紀(jì)10年代為最低值。IPCC第五次報告已指出，1880—2012年間，全球地表平均溫度已升高0.85 ℃，全球未來氣候仍將變暖[19]。桂林市平均氣溫變化在研究階段內(nèi)呈極顯著上升趨勢，反映了局部地區(qū)對氣候變暖的響應(yīng)，砂糖橘霜凍日數(shù)減少表明氣候變暖對寒凍害變化的影響。在未來氣候仍將變暖背景下，R/S分析結(jié)果表明，桂林市未來砂糖橘寒凍日數(shù)仍將減少，并且未來持續(xù)性較強。

桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)存在3個較為明顯的周期變化，其中，36年時間尺度為桂林市砂糖橘寒凍害變化的第一主周期。

桂林市砂糖橘寒凍日數(shù)年均分布表現(xiàn)為中南部少，北部及東部丘陵地區(qū)多的空間分布格局，減少趨勢為由北至南逐漸減小。對于越冬作物寒凍害評價指標(biāo)，目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。楊凱等以日極端最低氣溫作為臺灣青棗寒凍害等級指標(biāo)[20]。蘇曉玲等基于DEM數(shù)據(jù)，通過福建省越冬期極端最低氣溫及相關(guān)指標(biāo)對閩東南荔枝氣候適宜區(qū)進(jìn)行精細(xì)化區(qū)劃[21]。劉璐等以陜西省咸陽市涇陽縣為例，以越冬期日最低氣溫≤-8 ℃日數(shù)作為低溫凍害區(qū)劃指標(biāo)，對涇陽縣設(shè)施農(nóng)業(yè)越冬期低溫凍害進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃[22]。本研究通過統(tǒng)計砂糖橘寒凍害日數(shù)，基于DEM數(shù)據(jù)，對桂林市砂糖橘寒凍害進(jìn)行空間分析，但未考慮經(jīng)度、緯度、坡度、河流等的影響，研究結(jié)果還具有一定的局限性。

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