新疆石河子西梅冷害指数及霜冻灾害风险

Xinjiang Shihezi Prune Chilling Damage Index and Frost Damage Risk

摘要

石河子地区西梅在越冬及春季萌芽开花期常受低温冷害影响，研究该区域冬季气温与终霜冻变化对西梅产业发展意义重大。利用1961—2024年气温及物候期资料，结合低温冷害试验，分析西梅枝条半致死温度及霜冻灾害风险。结果表明，西梅新生枝条半致死温度为-24.1 ℃，1961—2024年春季严寒期冻害风险平均达82.2%；但2000年后因气候变暖，春季严寒期冻害风险平均降至60.0%，低温冷害风险平均下降22.2百分点。春季终霜期虽分布分散，但有提前趋势，1961—2024年4月下旬及以后终霜对西梅萌芽开花威胁显著，平均风险为53.2%，2000年后下降28.2百分点。石河子地区1961—2024年平均终霜灾害风险强度为34.8%，其中中等和严霜灾害风险分别占23.4%和28.1%，2000年后风险强度线性降低8.6百分点。冬季气温上升和霜冻结束提前有利于西梅生长，但极端气候不稳定，防冻防霜仍是生产关键。

Abstract

Prunes in Shihezi area are often affected by low-temperature chilling damage during the overwintering period and spring budding and flowering period. Therefore, studying the changes of winter temperature and last frost in this area is of great significance to the development of prune industry. In this study, using the temperature data from November 1961 to May 2024 and phenological period data, combined with low-temperature chilling damage tests, the semi-lethal temperature of prune branches and the risk of frost damage were analyzed. The results showed that the semi-lethal temperature of new prune branches was -24.1℃. From 1961 to 2024, the freezing damage risk during the severe cold period in spring was as high as 82.2%, and it decreased to 60.0% after 2000 due to climate warming, with an average decrease of 22.2 percentage points in low-temperature chilling damage. Although the last frost period in spring was relatively scattered, it showed a trend of ending earlier. The last frost in late April and later from 1961 to 2024 posed a significant threat to the budding and flowering of prunes, with an average risk of 53.2%, which decreased by 28.2 percentage points after 2000.The average disaster risk intensity of the last frost in Shihezi area from 1961 to 2024 was 34.8%, among which moderate and severe frost disaster risks accounted for 23.4% and 28.1% respectively. After 2000, the risk intensity of the last frost decreased linearly by 8.6 percentage points. The rise of winter temperature and the advance of frost end time were beneficial to the growth of prunes, but due to the instability of extreme climate, anti-freezing and frost prevention measures were still the key in prune production.

Graphical abstract

关键词

西梅 / 越冬期 / 开花期 / 低温冷害 / 终霜冻 / 致灾风险强度

Key words

prune / overwintering period / flowering period / low temperature chilling damage / the last frost / disaster risk intensity

西梅属蔷薇科（Rosaceae）^[1]，原产于西亚，自高加索山脉及黑海东部传入欧洲，在中欧与南欧地区已有超过2 000 a的栽培历史。1856年，由法国将其引入北美，此后在加州盛名，故而西梅亦被称作加州西梅^[2]。1984年引入新疆^[3-4]，目前新疆已经成为我国主要的西梅产区之一。起初产量较低，然而随着种植技术的提升以及市场需求的增加，新疆西梅的产量逐年递增^[5-6]，有望成为新疆崭新的农业经济产业^[7-8]。西梅素有“奇迹果”与“功能性水果”之美誉，其果实不但香气馥郁、滋味甘甜，并且富含维生素及抗氧化剂，具备广阔的发展远景^[9-10]。西梅属于新兴的外来物种，需要历经漫长的时间以适应本地的气候及环境条件。陈永川等^[11]经过连续2 a的引种试验表明，西梅在吐鲁番地区进行种植，其光照、热量和水分等综合自然生态气候条件极为适宜西梅的种植，建议加快推动吐鲁番地区西梅产业的发展。新疆伽师县是我国最大的西梅产业基地^[12]。范晓康等^[13]对伽师西梅的发展状况展开研究，并提出在乡村振兴中构建多元化产业融合机制，以实现西梅产业可持续循环发展。在新疆石河子地区，西梅栽培历史近7 a，目前还属小众果树。2022—2024年143团农业科和石河子农业局实地调查发现，西梅在石河子地区栽培，冬季低温对新生枝条、春季终霜冻对花芽都有不同程度的低温伤害并影响西梅产量和质量。

为了实现新疆石河子地区西梅产业化，从气候角度分析了1961—2024年西梅越冬期和花芽期的温度变化和春季霜冻变化特征，旨在评估冬季低温和春季霜冻对西梅造成的灾害风险程度，为提升石河子地区西梅产业的防灾能力提供参考。

1 材料和方法

1.1 西梅生长发育及气象资料

西梅生长发育期资料来自于143团农业科和石河子农业局。如表1所示，根据143团10连种植大户姚东明栽培西梅物候期观测资料，石河子地区4月中旬西梅开始萌动，叶芽膨大、展叶在4月下旬初，现蕾、初花，盛花期在4月下旬末，初花后2~3 d进入盛花期，盛花期之后2~3 d步入落花期，花期6~7 d。从芽膨大至落花10~12 d。落花之后进入新梢生长期（4月下旬至8月中旬）。果实膨大期在5月上旬至8月中旬，7月下旬开始果实着色，9月上旬西梅果成熟。10月下旬叶子变黄，10月下旬至11月初落叶后进入冬眠期。果实生长期140~150 d，冬眠期长达180 d之多。气象资料来自于新疆石河子气象局，包括1961—2024年各月逐旬平均气温和最低气温。

1.2 西梅萌芽开花期霜冻指标及强度

根据果树开花期生物学特性，花期冻害临界指标为萌芽花蕾初期为-4.0~-2.0 ℃，子房发育初花期为-2.0~-1.0 ℃，花蕊开放期为-1.0~0.0 ℃。0.0~2.0 ℃为轻度霜冻，小于0.0 ℃为严霜冻^[14]。

霜冻灾害的强度涵盖2项要素，第1项为最低温度的水平，第2项为霜冻的日期和持续时长。春季霜冻的终结时间越迟，温度越低，其风险强度也就越大。低温水平、霜冻终结时间分别分为6个等级，等级越大冻害越严重^[15-16]。

1.2.1 春季终霜最低温度的等级划分

基于低温程度越低、灾害越严峻的准则，把日最低气温T_min≤2.0 ℃细分为6个灾害级别。

FT_i =（1－(F_max －F_i )/F_max ）×100%（1）

式中，FT_i 为最低温度强度，F_i 为最低温度致灾等级，F_max =6为最低温度致灾等级最大值。当最低气温处于2.0 ℃≥T>0.0 ℃时，划定1级，致灾强度为16.67%；最低气温处于0.0 ℃≥T>-0.5 ℃时为2级，致灾强度为33.33%；最低气温处于-0.5 ℃≥T>-1.0 ℃时为3级，致灾强度为50.00%；最低气温处于-1.0 ℃≥T>-1.5 ℃时为4级，致灾强度为66.67%；最低气温处于-1.5 ℃≥T>-2.0 ℃时为5级，致灾强度为83.33%，而最低气温处于T≤-2.0 ℃则为6级，致灾强度为100%^[15-16]。

1.2.2 春季终霜出现时间的等级划分

依据西梅花期物候，从萌芽至落花结果初期，基于霜冻出现越晚霜冻灾害越严峻的准则，将4月上旬至5月中旬按终霜出现时间细分为6个等级。

RH_i =（1－（R_max －R_i ）/R_max ）×100%（2）

式中，RH_i 为霜冻出现日期致灾强度；R_max 为终霜出现日期致灾等级最大值等于6，R_i 为霜冻出现日期致灾等级^[17]。4月17日之前霜冻等级为0，4月1—10日为1级，致灾强度为16.67%，4月11—15日为2级，致灾强度为33.33%，4月16—18日为3级，致灾强度为50.00%，4月19—21日为4级，致灾强度为66.67%，4月22—25日为5级，致灾强度为83.33%，4月26日之后为6级，致灾强度为100%^[15-16]。

1.2.3 春季霜冻致灾风险强度

春季霜冻致灾风险强度（ST_i ）定义为最低温度与最低温度出现时间所构成的最大值集合。采用ST_i =（FT_i；RH_i ）_max计算春季终霜强度^[15-16]。

1.3 西梅枝条冻害测定

1.3.1 材料获取

供试材料取自143团10连种植大户姚东明西梅种植园，2022年冬季进行不同品种（法兰西、女神、婉姬）西梅休眠枝条抗寒性研究。随机采集３个西梅品种的６年生树体外围、无病虫且粗细均匀发育正常的1年生枝条。取样30根，剪成30 cm枝段，剪口处封蜡，冷藏0~4 ℃冰箱中备用。

1.3.2 冷冻试验

在-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35 ℃低温下进行冷冻处理，每个处理3次重复。降温速率为3 ℃/h，达到所设定温度后维持时长12 h。然后对枝条解冻，升温速率为3 ℃/h，直至枝条环境温度为0 ℃止，测定西梅枝条的电解质渗出率（Y）。

1.3.3 电解质渗出率测定

依据参考文献[18-20]的方法，测定西梅枝条的电解质渗出率，以此确定西梅枝条低温冻害指标。用吸水纸吸净低温处理后的西梅枝条表面水分，分品种将枝条剪成0.2 cm小段，混合均匀，1 000 g一组，分别置于3个试管中，加入50 mL蒸馏水，用保鲜膜密封，0 ℃环境放置12 h。每个品种及处理３个重复。用DOS-307型电导仪测定电导值。室温（15 ℃）环境下测定电导值为初电导值（B₁），然后再用保鲜膜密封试管，沸水浴20 min取出冷却，在室温环境下再次测定电导值，为终电导值（B₂）^[20]。

Y＝（B₁ －B₂ ）÷B₁ ×100%（3）

2 结果与分析

2.1 西梅枝条低温半致死指标分析

从图1可以看出，在-35~-5 ℃范围内，西梅枝条电解质渗出率随着处理温度的降低，呈上升趋势，在-5 ℃处理下，法兰西的电解质渗出率为26.8%，女神的电解质渗出率为26.7%，婉姬的电解质渗出率为23.5%；经过-35 ℃处理后，法兰西、女神、婉姬的电解质渗出率分别为72.6%、68.7%，66.5%。高于-20 ℃和低于-25 ℃电解质渗出率变化缓慢，温度在-25~-20 ℃时电解质渗出率发生跃变，电解质渗出率在40%~60%。因此，西梅新生枝条低温半致死温度在-25~-20 ℃。

由图1可知，电解质渗出率随着低温的变化，整个过程呈“S”型增长曲线关系，依据数理统计配线，符合指数变化，可用方程Y＝k/（1＋ae^bt ）模拟（式中，Y为电解质渗出率，k、a、b为常数，t为处理温度）。使用SPSS软件拟合Logistic方程（表2）^[21]，在-35~-5 ℃范围内，电解质渗出率与温度相关达到极显著水平（P<0.01）。经过Logistic方程回代运算，西梅品种间枝条低温致死指标略有差异。综合3个品种西梅枝条的半致死最低温度指标，取其平均值，确定为-24.1 ℃。

2.2 西梅越冬期气温变化特征及低温冷害风险

2.2.1 平均气温、平均最低气温月旬变化

从图2可以看出，西梅的休眠时段始于当年11月，止于次年3月底，此间平均气温为-7.9 ℃，平均最低气温为-12.7 ℃。

自11月初至次年3月下旬，平均气温在-15.8~-5.5 ℃的范围内变动，平均最低气温则处于-21.6~0 ℃。12月中旬至次年2月中旬期间界定为寒冷期，石河子地区寒冷期的平均气温为-13.8 ℃，平均最低气温为-18.8 ℃。12月下旬至次年2月上旬界定为严寒期，该时期石河子地区平均气温为-14.8 ℃，平均最低气温为-19.9 ℃。石河子地区冬季1月中下旬最寒冷，平均气温为-15.7 ℃，平均最低气温为-21.1 ℃。

2.2.2 寒冷期、严寒期气温年际变化特征

石河子地区的寒冷期（12月中旬至次年2月中旬，下同）平均气温为-13.3 ℃，最低值出现在1967年，为-17.6 ℃。平均最低气温为-18.1 ℃，最低值出现在1967年，为-23.7 ℃。由图3可知，1961—2024年平均气温、平均最低气温呈上升趋势。寒冷期平均气温线性方程为y_平均气温=0.032 3x－77.716（R²=0.093 2，P<0.01），气候倾向率为0.323 ℃/10 a，近64 a寒冷期平均气温线性升高2.1 ℃。2001—2024年相对于1961—2000年寒冷期平均气温升高了0.9 ℃。寒冷期平均最低气温线性方程为y_{平均最低气温}=0.052 9x－123.58（R²=0.228 4，P<0.01），气候倾向率为0.529 ℃/10 a，近64 a寒冷期平均最低气温线性升高3.4 ℃。2001—2024年相对于1961—2000年寒冷期，平均最低气温升高了1.6 ℃。

由图4可知，石河子地区的严寒期（12月下旬至翌年2月上旬，下同）平均气温为-14.1 ℃，最低值出现在1967年，为-19.7 ℃。平均最低气温为-19.6 ℃，最低值出现在1967年，为-25.5 ℃。

从图4可以看出，1961—2024年严寒期平均气温、平均最低气温呈显著上升趋势。严寒期平均气温的线性方程为y_平均气温=0.044 1x－101.95（R²=0.142 3，P<0.01），气候倾向率为0.441 ℃/10 a，近64 a严寒期平均气温线性升高2.8 ℃。2001—2024年相对于1961—2000年严寒期，平均气温升高了1.4 ℃。严寒期平均最低气温线性方程为y_{平均最低气温}=0.045 2x－109.59（R²=0.146 8，P<0.01），气候倾向率为0.452 ℃/10 a，近64 a严寒期，平均最低气温线性升高2.9 ℃。2001—2024年相对于1961—2000年严寒期，平均最低气温升高了1.2 ℃。

2.2.3 西梅越冬严寒期低温冻害风险

根据1.2.1试验结果，西梅枝条半致死温度为-24.1 ℃。1961—2024年的近64 a里，在冬季严寒期，各旬平均最低气温的最低值均低于-24.1 ℃，因此，在严寒期旬尺度时间段内均存在低温冷害的风险。从表3可以看出，在西梅越冬的严寒期各旬最低气温的最低值均低于枝条半致死温度（-24.1 ℃）。1961—2024年低温冷害风险概率为82.2%，1961—2000年高达97.5%，随着气候变暖气温的逐渐升高，2001—2024年西梅越冬期低温冷害年的概率下降为60.0%，相比之下低温冷害年平均减少了37.5%。

2.3 春季终霜冻变化特征及灾害风险强度

2.3.1 终霜冻时间分布特征

由图5可知，1961—2024年终霜日期分布在3月23日至5月21日的59 d之内。终霜日期集中出现在4月中下旬，概率高达54.8%；3月下旬至4月上旬终霜出现概率为21.0%；5月终霜出现概率为24.2%。西梅现蕾后（4月25日）终霜出现概率为43.5%，初花后（4月28日）终霜出现概率为32.3%。

石河子地区自1961—2024年的春季终霜冻平均日期为4月21日，80%的保证率所对应的日期为5月3日。从图6可以看出，在过去64 a里，春季终霜冻日期呈现相对分散态势，标准差约为14 d。依据平均值与标准差的计算结果，4月9日至5月6日的终霜冻日期处于正常范畴，在此之后的日期则被视为晚霜，出现概率为16.2%。4月9日之前的日期被认定为早霜，其概率为17.7%。从1961—2024年春季终霜冻日期系列的趋势变化表明，最后一次霜冻日期有趋于提前结束的倾向，该系列的R²为0.026（P>0.05），终霜冻日期的这种趋势并不显著。其下降速率为-1.161 d/10 a，最后一次霜冻日期呈线性提前了约7 d。2001—2024年春季终霜日期平均在4月15日，相对于1961—2000年终霜日期（4月25日），平均提前了10 d。

春季终霜出现的时间越晚，对西梅的芽体萌发、开花及授粉所造成的损害就越显著。基于对西梅芽体萌发和开花物候的观测与分析，4月15日之前出现的终霜对西梅芽体的萌发并无影响。4月16日至5月20日出现的终霜会给西梅的芽体萌发带来灾变，而4月20日之后出现的终霜则会致使西梅开花期遭遇低温冷害。如2021年4月25日发生了严重的霜冻，最低气温达-1.5 ℃，此时西梅处于花蕾期，致使当年的西梅产量降低。2019年5月18日（最低气温0.8 ℃）出现了轻度霜冻，在西梅果实膨大期出现了低温冷害，严重影响了当年西梅的产量与质量。

2.3.2 春季终霜冻致灾风险强度分析

春季最后一次霜冻的灾害风险强度（ST）取决于最后一次霜冻的发生日期（RH_i ）以及霜冻日最低气温（FT_i ）的量值。在石河子地区，春季霜冻对于西梅造成的风险平均达34.8%。在1961—2024年期间，有14 a（占比21.9%）不存在霜冻危害；有17 a（占比26.6%）轻度灾害风险（0.0%<ST≤35%）；有15 a（占比23.4%）中度灾害风险；有18 a（占比28.1%）严重灾害风险^{。有50 a霜冻风险（ST>0），占比为71.9%。从图7可以看出，石河子地区终霜致灾风险强度呈下降趋势，下降速率为-1.341%/10 a，1961—2024年终霜致灾风险强度线性下降8.6百分点。2001—2024年春季终霜致灾风险强度平均为33.3%，相对于1961—2000年终霜致灾风险强度的54.2%，终霜致灾风险强度平均下降了20.9百分点。}

3 结论与讨论

依据西梅枝条的半致死温度（-24.1 ℃），石河子地区冬季严寒期（12月下旬至次年2月上旬）各旬低于该温度的出现概率为9.7%~22.6%。1961—2024年的64 a里西梅枝条冻害风险高达82.2%。由于气候变暖，石河子地区冬季气温明显升高，2001—2024年西梅枝条冻害风险概率下降为60.0%。

基于研究成果，尽管石河子地区存在春季霜期提前结束的趋向，然而其分布颇为分散。4月下旬及其之后的终霜冻对西梅的发芽和开花可造成低温灾害。从1961—2024年，4月下旬及之后的终霜冻风险概率达53.2%，大致每2 a出现一次。伴随气候变暖，2000年以后的终霜冻平均日期提前5 d，终霜冻的风险概率降低至25.0%，约每4 a发生一次。

石河子地区终霜冻的平均风险强度为34.8%。没有霜冻灾害的概率为21.9%，有霜冻灾害的概率为71.9%。其中，轻度霜冻灾害风险强度的占比为26.6%，中度灾害风险强度的占比为23.4%，重度灾害风险强度的占比为28.1%，且重度灾害风险约每3 a出现一次。自1961—2024年，石河子地区的霜冻灾害风险强度呈现出逐步减弱的态势，以线性形式下降了8.6百分点。

西梅枝条的低温测试是在低温冷藏环境下对单个枝条的观测结果，自然气候环境颇为繁杂，故而冷抗性指标或许与自然生长状态下的果树存在差异，冻伤指数仅能视作参考数值。

在低温冻害期间，西梅枝条由于遭受低温的胁迫，其能量耗散得以增强，活性也有所改变，致使生理平衡被打破，进而引发果树枝条的损伤，此情况与其他植物上的变化趋向相符^[22-23]。在低温冻害进程中，伴随温度的降低，西梅枝条的相对电导率逐步上升，当温度达到-24 ℃或者更低时，相对电导率达到峰值并趋于平缓。

石河子地区有关冬季气温升高以及春季终霜期提前的研究成果，与新疆其他地区的相关研究结论相符^[24-29]，充分表明气候变暖致使冬季气温升高和春季终霜期提前的影响具有广泛性。尽管冬季气温的上升和春季终霜期的提前在一定程度上降低了低温灾害与霜冻灾害的强度，然而气候变化的不确定性以及极端天气现象依旧存在，所以，今后防冻和防霜依然是西梅产业发展中的研究内容。

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基金资助

新疆人才发展基金科研创新平台人才团队支持计划(SHZYD202406)