唐秀麗 楊建敏 燕平梅 孟志龍

關(guān)鍵詞：葡萄白粉病流行；月均溫度；一元線性回歸；Mann-Kendall檢驗(yàn)；Morlet小波分析

我國(guó)葡萄種植歷史悠久，隨著葡萄種植品種結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，現(xiàn)已形成極具地方代表性的葡萄產(chǎn)區(qū)[1]。在全球氣候變暖的大背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的不穩(wěn)定性增加、種植結(jié)構(gòu)和布局發(fā)生改變，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣和應(yīng)用，栽培管理和病蟲(chóng)害防治措施的不合理，葡萄產(chǎn)區(qū)病蟲(chóng)害發(fā)生頻率及范圍都有明顯的改變，病害發(fā)生逐漸向更高緯度、海拔遷移延伸，病害越冬和發(fā)生的地理位置擴(kuò)大[2-4]。葡萄白粉病幾乎遍布世界所有葡萄產(chǎn)區(qū)[5-8]，在我國(guó)各地都有發(fā)生，以北方干旱種植區(qū)發(fā)病較為嚴(yán)重[9]，該病害導(dǎo)致葡萄品質(zhì)明顯降低，產(chǎn)量損失輕則15%～30%，重則70%～80%，甚至絕產(chǎn)絕收[10]。因此，加強(qiáng)對(duì)葡萄白粉病發(fā)生和流行的有效控制，對(duì)于保障葡萄豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。

山西省地理位置優(yōu)越，氣候適宜，是我國(guó)葡萄產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)區(qū)之一，栽培區(qū)主要集中在山西省運(yùn)城、臨汾、太原等市，栽培面積約占全省栽培總面積的97%[1，11-12]。山西省葡萄白粉病始發(fā)期為4月，9—10月停止發(fā)病[13]。溫度是影響葡萄白粉病發(fā)生流行的首要關(guān)鍵氣象因子，也是反映長(zhǎng)期氣候變化最基本最直接的因素[3，7]。溫度的定量化分析對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)作用[14]。Mann-Kendall檢驗(yàn)法（M-K法）不需設(shè)置任何參數(shù)，又稱無(wú)分布檢驗(yàn)，因其檢驗(yàn)不會(huì)受到少數(shù)異常值的影響，被廣泛應(yīng)用于氣候的診斷與預(yù)測(cè)，用來(lái)判斷氣候序列中是否存在突變現(xiàn)象[15-18]。Morlet小波分析通過(guò)對(duì)時(shí)間序列變化信號(hào)降噪、重建和提取，進(jìn)而確定在任一時(shí)刻時(shí)間序列的頻率特征，具有嚴(yán)格的突變點(diǎn)診斷能力，常被用于地學(xué)領(lǐng)域各種氣象因子的時(shí)間格局特征分析[15，17-18]。翟秋敏等[15]采用M-K突變檢驗(yàn)和小波分析得出，1951—2012年豫南地區(qū)的平均氣溫突變后上升趨勢(shì)顯著，年平均氣溫的振蕩周期存在多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，由“大—中—小”三重嵌套而成，主要振蕩周期是30a。張?jiān)虑绲萚17]通過(guò)小波分析和M-K檢驗(yàn)對(duì)1960—2019年銀川地區(qū)逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)夏、秋和冬季氣溫均發(fā)生一次突變；整年、春、夏和秋季氣溫主要振蕩周期都為28a，冬季分別為5、19a?？梢?jiàn)，我國(guó)氣候變化具有明顯的區(qū)域性特征，而現(xiàn)有對(duì)氣候變化的研究大多局限于大尺度的地理區(qū)域上，因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極具地域性，這種大尺度研究不能準(zhǔn)確反映氣候變化給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的潛在影響[19-22]，而有關(guān)在植物病害發(fā)生流行各階段中的氣候變化特征研究更是少之又少。

本研究以1962—2021年山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)的溫度長(zhǎng)時(shí)間序列為對(duì)象，采用線性趨勢(shì)分析、M-K檢驗(yàn)和小波分析法，分析溫度序列在葡萄白粉病不同流行期的不同尺度上的結(jié)構(gòu)和周期變化特征，挖掘溫度長(zhǎng)時(shí)間序列的潛在變化規(guī)律，以期為山西省葡萄白粉病的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供重要參考價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)主要在晉城市、臨汾市、運(yùn)城市全市以及太原市、晉中市、呂梁市等部分區(qū)縣。該地區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬春兩季較干旱且多風(fēng)，夏秋兩季降水較集中，全年日照充足，年平均氣溫8～14℃，晝夜溫差較大。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

試驗(yàn)收集山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)9個(gè)氣象站點(diǎn)（太原、臨汾、侯馬、運(yùn)城、介休、陽(yáng)城、隰縣、長(zhǎng)治、原平）的1962—2021年月均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，缺測(cè)部分用鄰近站及歷史資料等進(jìn)行插補(bǔ)，數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https：//data.cma.cn）和山西省氣象信息中心。

1.3 溫度隨時(shí)間序列變化一元線性回歸分析

根據(jù)山西省葡萄白粉病發(fā)生流行規(guī)律，將研究階段分為葡萄白粉病整個(gè)流行期（11月至次年10月）、越冬期（11月至次年3月）、發(fā)病初（盛）期（4—6月）、越夏期（7—8月）和發(fā)病末期（9—10月）。

以時(shí)間（年）為自變量x、月均溫度為因變量y，用回歸法擬合出溫度隨時(shí)間序列變化曲線，得到回歸方程：y=a1x±a0，溫度傾向率（單位為℃/10a）定義為b=10a1。當(dāng)b>0時(shí)，說(shuō)明溫度隨時(shí)間x呈上升趨勢(shì)，b<0時(shí)，說(shuō)明溫度隨時(shí)間x呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)采用Office2017軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理和分析。

1.4 M-K突變檢驗(yàn)

采用Office2017軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K突變檢測(cè)。設(shè)時(shí)間序列為X1、X2、…、Xn（n為樣本量），定義Dk的計(jì)算如公式（1）。

將氣候序列X的逆序列（Xn、Xn-1、…、X1）重復(fù)上述過(guò)程，使UBk=?UF（kk=n、n?1、…1），當(dāng)k=1時(shí)，UB1=0。UF>0說(shuō)明溫度升高；UF<0說(shuō)明溫度降低。UF值超出臨界線（臨界值U0.05=±1.96）說(shuō)明溫度顯著升高或降低（P<0.05）。在臨界線之間，UB和UF兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，為該溫度序列發(fā)生突變的時(shí)間。

1.5 Morlet小波分析

利用MatlabR2022a小波分析工具包進(jìn)行Morlet小波分析[16-18]。

小波系數(shù)值大小反映信號(hào)的強(qiáng)度。等值線>0，用黑色線條表示，說(shuō)明此時(shí)溫度呈上升趨勢(shì)；等值線<0，用紅色線條表示，說(shuō)明此時(shí)溫度呈下降趨勢(shì)。系數(shù)值=0時(shí)對(duì)應(yīng)溫度序列的突變點(diǎn)。等值線沒(méi)有閉合，說(shuō)明在一段時(shí)間內(nèi)溫度有繼續(xù)升高的趨勢(shì)。

小波方差表示溫度時(shí)間序列呈周期性波動(dòng)的強(qiáng)弱。峰值處對(duì)應(yīng)的尺度為該溫度序列的主要周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)溫度序列變化一元線性回歸分析

近60a，山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)溫度序列呈明顯上升的趨勢(shì)。整個(gè)病害流行期溫度上升極顯著（P<0.01），變化趨勢(shì)為0.35℃/10a；越冬期、發(fā)病初（盛）期和發(fā)病末期月均溫度均呈極顯著升高趨勢(shì)（P<0.01），越冬期溫度上升最快，其次是發(fā)病末期及發(fā)病初（盛）期，溫度傾向率分別為0.53、0.22、0.21℃/10a；越夏期溫度上升最慢，月均溫度序列呈顯著上升趨勢(shì)（P<0.05），溫度傾向率為0.11℃/10a（表1）。

2.2 山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)溫度序列M-K檢驗(yàn)分析

山西省葡萄白粉病不同流行期的溫度都發(fā)生突變且都通過(guò)了95%置信檢驗(yàn)。越冬期，1978年后溫度隨時(shí)間序列呈明顯上升趨勢(shì)，1993年后顯著上升，在1994年發(fā)生一次突變。發(fā)病初（盛）期，溫度序列波動(dòng)較大，分別于2011、2015、2018年發(fā)生3次突變，2014年后呈顯著上升。越夏期，2007年后溫度序列呈上升趨勢(shì)，2016年發(fā)生一次突變，突變后，溫度呈先上升后下降趨勢(shì)。發(fā)病末期，1989年后溫度序列呈上升趨勢(shì)，于1997年發(fā)生一次突變，2002年后呈顯著上升趨勢(shì)（圖1）。

2.3 山西省葡萄白粉病發(fā)生流行區(qū)溫度序列Morlet小波分析

越冬期溫度序列在35～45a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高3個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在18～35a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了低—高—低—高4個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在10～20a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高—低—高—低—高—低—高9個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，對(duì)于10a以下的時(shí)間尺度，月均溫度上升和降低時(shí)期交替較為頻繁，尤其在2000年后，高低溫交替非常頻繁。小波方差分別于2、4.5、9.5、25a出現(xiàn)峰值，其中，9.5a周期的振蕩最強(qiáng)，為第1主周期，第2、3、4主周期分別為2、4.5、25a（圖2）。

發(fā)病初（盛）期溫度序列在30～45a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高3個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在25～30a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了低—高—低—高4個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在15～25a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了低—高—低—高—低—高—低—高8個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，對(duì)于10a以下的時(shí)間尺度，月均溫度高低時(shí)期交替較為頻繁。未來(lái)一段時(shí)間，月均溫度呈上升趨勢(shì)。短周期0～5a，高低溫交替非常頻繁。小波方差的峰值分別于2、3、7、10.5、17.5a出現(xiàn)，最高峰為7a對(duì)應(yīng)的小波方差，表明7a周期的振蕩最強(qiáng)，第1主周期為7a，2、3、10.5、17.5a分別為第2、3、4、5主周期（圖3）。

越夏期溫度序列在35～45a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高3個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在25～35a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高—低—高5個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在15～20a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高—低—高—低—高7個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，對(duì)于10a以下的時(shí)間尺度，溫度上升和降低時(shí)期交替較為頻繁，0～5a冷暖交替更加頻繁。小波方差分別在4、5.5、9.5、15.5、25a出現(xiàn)峰值，小波方差的最高峰出現(xiàn)在25a，表明該周期的振蕩最強(qiáng)，為第1主周期，第2、3、4、5周期分別為4、5.5、9.5、15.5a（圖4）。

發(fā)病末期溫度序列在30～45a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高3個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，在15～20a的時(shí)間尺度上經(jīng)歷了高—低—高—低—高—低—高7個(gè)循環(huán)交替的過(guò)程，對(duì)于10a以下的時(shí)間尺度，溫度上升和降低時(shí)期交替較為頻繁，未來(lái)一段時(shí)間溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。小波方差可知，10a為第1主周期，在該周期下振蕩最強(qiáng)；4、6、20a分別為溫度序列振蕩第2、3、4主周期（圖5）。

3 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)對(duì)山西省葡萄白粉病流行區(qū)不同白粉病流行階段溫度序列進(jìn)行多時(shí)間尺度特征分析，掌握歷史氣候變化規(guī)律，為健全葡萄白粉病預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系提供理論參數(shù)。全球氣候變暖背景下，葡萄白粉病不同流行期溫度變化特征不一樣，但都呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，與我國(guó)溫度變化趨勢(shì)一致[22]。隨著一定范圍內(nèi)的溫度升高，植物病害發(fā)生越來(lái)越嚴(yán)重[3，23]。越冬期溫度上升最快，該分析結(jié)果與我國(guó)北方冬小麥白粉病流行區(qū)的溫度變化特征相似[3]。在枝蔓的芽鱗片內(nèi)或被害組織內(nèi)，白粉病菌以菌絲體或閉囊殼越冬。在暖冬條件下，病菌冬季繼續(xù)繁殖或者越冬死亡率降低，導(dǎo)致殘存數(shù)量增多，越冬后的菌源基數(shù)明顯增加[23]。發(fā)病初（盛）期氣溫上升明顯，越冬后病菌生長(zhǎng)速率加快[24]，菌絲生長(zhǎng)侵染迅速并產(chǎn)生大量的分生孢子，隨后，借助氣流，分生孢子傳播到新的嫩葉、新梢、花器及幼果，反復(fù)侵染造成危害。SALL[25]研究發(fā)現(xiàn)，一定程度的溫度升高，葡萄白粉菌分生孢子的萌發(fā)率和侵染率均表現(xiàn)為先增加后下降的變化。越夏期溫度上升最慢，高溫條件下病菌萌發(fā)受抑制程度低，有利于病菌成功越夏，增加病原菌數(shù)，加重秋季白粉病發(fā)生危害，在山區(qū)一些較陰涼地區(qū)分生孢子也可繼續(xù)侵染危害。發(fā)病末期氣溫偏高，白粉菌分生孢子在秋梢上可繼續(xù)危害，延長(zhǎng)白粉菌冬前的為害時(shí)間，越冬期的病菌數(shù)量增加，是來(lái)年發(fā)病的一個(gè)重要基礎(chǔ)[23]。

氣候系統(tǒng)以不同時(shí)間尺度進(jìn)行相應(yīng)的變化，分析氣候變化需要進(jìn)行突變檢測(cè)和周期變化的局部特征[26-27]。近60a，山西省葡萄白粉病不同流行區(qū)的溫度突變年份出現(xiàn)在1994年之后，突變后，溫度上升趨勢(shì)更為明顯，該結(jié)果與我國(guó)大部分地區(qū)突變年份分布在1986年之后相吻合[22]。越冬期和發(fā)病末期的溫度長(zhǎng)時(shí)間序列呈較穩(wěn)定的波動(dòng)上升趨勢(shì)，而發(fā)病初（盛）期、越夏期溫度序列波動(dòng)較大，為白粉病的發(fā)生創(chuàng)造更為有利的條件。不同時(shí)間尺度周期中，葡萄白粉病流行期溫度序列呈現(xiàn)冷暖交替振蕩規(guī)律，在未來(lái)一段時(shí)間溫度繼續(xù)呈上升趨勢(shì)。氣候變暖，葡萄物候期提前，葡萄生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期如花期發(fā)生了變化，或作物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期變長(zhǎng)，從而改變了氣候變暖對(duì)葡萄病害的影響[28]。此外，溫度升高還會(huì)影響病菌越冬、越夏的基數(shù)和存活數(shù)，分生孢子隨氣流的傳播擴(kuò)散能力，病菌的生命周期狀態(tài)發(fā)生改變，加重對(duì)葡萄的危害，影響其產(chǎn)量和品質(zhì)[23]。因此，要在掌握氣候變化特征的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)葡萄白粉病的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)措施或種植抗病品種改變“寄主—病原物—環(huán)境”之間的復(fù)雜關(guān)系，從而削弱甚至消除氣候變暖給葡萄白粉病帶來(lái)的影響。

今后還需要對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)一步進(jìn)行研究。一是由于本研究的數(shù)據(jù)主要來(lái)自于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)的精確性需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。二是缺乏空間數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度），難以較好地量化其空間分布，需進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)化的空間分析。三是在對(duì)植物病害的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)病害的完整追蹤調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步建立氣候變化與植物病害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型[29-30]。四是葡萄白粉病的發(fā)生流行除了與溫度有關(guān)外，還與別的氣象因子如濕度、光照、風(fēng)速等相關(guān)，葡萄抗性品種的種植、灌溉、施肥等因素也有直接關(guān)系[31-32]，此外，氣候變化的成因、人類活動(dòng)對(duì)葡萄種植區(qū)域氣候的影響程度等都是今后需要深入研究的。