江南华南茶树高温热害等级指标及分布特征

李 欣 王培娟* 唐俊贤2) 王 旗 李 扬 霍治国2)

1)(中国气象科学研究院, 北京 100081) 2)(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044)

引 言

我国是世界茶树栽种面积最大的国家,茶树资源丰富[1-2]。茶园面积和茶叶产量逐年增加,2022年全国茶园面积达3.33×106hm2,干毛茶总产量为3.18×106t[3]。20世纪50年代以来,全球大部分地区极端高温事件发生的强度、频率及持续时间均显著增加[4-5],这对茶叶生产有很大影响。茶树作为亚热带经济作物,具有喜湿喜温不耐热的生物学特性[6-7],高温使茶树叶片被灼伤、甚至脱落,影响茶叶品质与产量[8]。因此,建立茶树高温热害等级指标,对于精细监测茶树高温热害状况、预防茶树因灾损失至关重要。

高温强度与暴露在高温下的时间影响茶树遭受高温热害的程度[9],已有关于茶树高温热害等级指标的研究大多以不同高温阈值、不同高温持续时间或两个因子结合的方式定义茶树高温热害等级。陆健等[7]对茶树幼苗及新梢进行不同温度处理,结果表明35 ℃、40 ℃、45 ℃处理下的茶树幼苗和新梢均分别出现轻度、中度和重度的热害变化。陈家金等[10]以极端最高气温35 ℃作为高温阈值,以不同持续高温日数划分等级作为评价福建茶树高温热害危险性的指标;杨菲等[11]、陶瑶等[12]、汪建军等[13]、万璐等[14]综合考虑高温阈值与持续时间,将不同日最高气温阈值和不同阈值对应的持续时间作为江南等地区茶树高温热害时空分析与风险区划的指标;中华人民共和国农业农村部发布的农业行业标准[15]建立的茶树高温热害等级指标,除了使用温度和持续时间还考虑茶树品种和空气相对湿度;陈思宁等[16]认为不同坡向导致温度与风速产生差异,影响茶树的受害程度,因此将坡向作为湖北茶树旱热害的评价因子,结合干燥度与温度分析湖北茶树遭受旱热害的空间分布。

茶树在我国广泛种植,根据生态条件、生产历史、茶树类型等特点可分为江南茶区、江北茶区、西南茶区、华南茶区[6]。目前,茶树高温热害等级指标和时空分布的研究多集中在部分省份[10,16-18]、市[12,19-20]或江南茶区[11],但缺少对同样易受高温热害的华南茶区的研究。同时,前人研究在不同地区关注的茶树品种不同,周立永等[21]关注宜昌当地选育的早茶品种和福云6号的高温热害受灾特点;周姣等[22]和郭水连等[23]分别对毕节市和宜春市种植的安吉白茶进行气候适应性分析;娄伟平等[24]将浙江省茶树品种分为4个耐热性等级,分析不同耐热性茶树品种的高温热害风险。具体茶树品种的高温热害指标在特定研究区内适用性较好,但是在大范围农业气象灾害监测预警服务时,该高温热害指标的区域适用性则受到极大制约。因此,本研究基于气象数据和历史茶树高温热害灾情数据,使用历史灾情反演方法构建江南和华南茶区茶树高温热害样本,采用K-Means聚类分析方法划分茶树高温热害等级,构建适用于江南和华南茶区所有茶树品种的高温热害等级指标,揭示区域尺度茶树高温热害时空分布特征,以期客观理解江南和华南茶区茶树高温热害的发生区域、重现频率和严重程度,为灾害预警、风险评估及茶产业种植规划布局提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区域

江南和华南茶区(7°～32°N,104°～125°E)(图1)包括浙江、上海、江西、湖南、福建、广西、广东、海南、台湾的全域,以及江苏、安徽和湖北的南部[25]。该区域位于亚热带及热带季风气候区内,年降水量为1400～2000 mm,平均气温为15～22 ℃,适宜茶树生长[1,6]。夏季在西北太平洋副热带高压的控制下,盛行下沉气流,经常出现持续高温天气[26-27],影响茶树的产量与品质。由于暂时缺少台湾省数据,因此本研究仅分析江南和华南茶区除台湾省以外的地区。

图1 研究区域和气象站分布

本文插图中所涉及的国界和行政区域界线基于审图号为GS(2017)3320号标准地图制作,底图无修改。

1.2 数 据

1.2.1 气象数据

本文所用气象数据来自国家气象信息中心,经过严格的质量控制与订正,仅保留缺测值不超过5%的气象站,部分缺测值使用相邻两日的平均值替代,得到1961—2022年研究区内510个气象站逐日最高气温数据,用于计算各气象站全年发生的茶树高温热害。

1.2.2 灾情数据

灾情记录来自气象灾害管理系统、相关文献记载[28-30]、网络新闻报道等。共收集到2011—2022年84条茶树高温热害记录,包括茶树高温热害的时间、地点,其中23条灾情记录还包括茶树受灾情况。本研究将有茶树受灾情况描述的灾情记录用于灾害等级指标验证,其余61条灾情记录用于等级指标构建。

1.3 研究方法

1.3.1 指标构建

1.3.1.1 茶树高温热害样本构建

灾害持续时间和灾害强度是量化极端天气过程影响程度的重要指标[31-32],以往研究已得到江南和华南茶区茶树高温热害的临界阈值为连续14 d日最高气温的滑动平均值T14≥34.5 ℃[1]李欣,王培娟,唐俊贤,等.江南和华南茶区茶树高温热害识别及阈值验证.生态学杂志,待发表.,将日最高气温进行滑动平均处理可以反映持续高温对后续日期高温强度的影响,因此本文以持续日数作为划分高温热害等级指标的参数,在茶树高温热害临界阈值的基础上,重查茶树高温热害记录中T14≥34.5 ℃的持续日数,构建江南和华南茶区茶树高温热害持续日数历史样本集,用于等级指标的构建。

1.3.1.2 聚类分析

K-Means聚类分析[33]是根据样本特征的相似度或距离远近将数据划分为若干组的算法。可结合研究需要根据数据集自身特点对其进行分类,已在农作物区划指标、灾害等级指标划分等方面[34-35]得到广泛应用。本研究基于江南和华南茶区茶树高温热害持续日数,使用K-Means聚类分析方法,将茶树高温热害等级划分为轻度、中度、重度3级[36]。

1.3.2 指标验证

1.3.2.1 茶树高温热害验证样本构建

对于有灾情描述的茶树高温热害记录,基于灾情反演方法,计算记录日期当日的茶树高温热害持续日数,并根据茶树高温热害轻度受害、中度受害和重度受害的灾情描述(表1),划分样本等级。如2022年8月23日浙江德清茶园蓬面叶片出现萎蔫和干枯现象,甚至脱落。根据灾情描述,可以确定茶树已经达到重度受害等级,基于茶树高温热害阈值,计算2022年8月23日德清茶树高温热害的持续日数为46 d,由此得到“时间-地点-灾情等级-高温热害持续时间”为“2022-08-23-浙江德清-重度-46 d”的1条茶树高温热害验证样本。

表1 茶树高温热害灾情描述分级[36]

1.3.2.2 验证方法

根据验证样本的高温热害持续日数,利用构建的茶树高温热害等级指标判断茶树高温热害等级,验证其与灾情描述等级是否一致。灾情描述等级与指标计算等级相同的记为完全符合,相差不超过1级记为基本符合,相差2级或有受害症状但指标判识为无灾均记为与实际灾情不符[37]。

1.3.3 茶树高温热害时空特征分析

1.3.3.1 高温热害次数

茶树高温热害次数反映江南和华南茶区茶树高温热害的发生频率,次数越大、茶树高温热害发生越频繁。统计1961—2022年平均各气象站发生轻度、中度、重度不同等级高温热害次数,表征江南和华南茶区茶树高温热害发生频率的时间变化;统计各气象站平均每10年发生轻度、中度、重度等级的茶树高温热害次数以及高温热害总次数,表示江南和华南茶区茶树高温热害频率的空间特征。

1.3.3.2 趋势分析

对1961—2022年江南和华南茶区各气象站茶树高温热害次数序列采用一元线性趋势分析方法,拟合年份和高温热害次数的线性关系,拟合方程的斜率大于0表示茶树高温热害次数呈增加趋势,反之为减小趋势。使用F检验判断拟合方程的显著性,显著性概率小于0.05记为显著,大于或等于0.05记为不显著。根据拟合方程系数和显著性,可将各气象站茶树高温热害次数的趋势分为显著增加、不显著增加、不显著减少和显著减少。

2 结果分析

2.1 茶树高温热害等级指标

2.1.1 等级指标构建

基于江南和华南茶区茶树高温热害临界阈值,重新判识茶树高温热害灾情记录,得到2011—2022年共61条江南和华南茶区茶树高温热害持续时间记录。利用K-Means聚类分析工具,将江南和华南茶区的茶树高温热害持续时间样本分为轻度、中度和重度等级,得到江南和华南茶区茶树高温热害等级指标为T14≥34.5 ℃持续1～17 d为轻度高温热害,持续18～38 d为中度高温热害,超过38 d则达到重度高温热害。

2.1.2 等级指标的验证

基于有灾情描述的茶树高温热害记录构建茶树高温热害验证样本,验证等级指标的准确性(表2)。在23个验证样本中,17个样本描述等级与指标划分的等级完全符合,准确率为73.9%;4个样本的描述等级与指标划分等级相差1级,基本符合的准确率为91.3%。表明基于茶树高温热害持续日数并利用K-Means聚类分析方法划分茶树高温热害等级指标对于实际灾情的判识准确性较好。

表2 茶树高温热害等级指标验证样本的数量及验证结果

指标判识结果与实际灾情不符的两条记录分别位于福建霞浦和浙江平阳,绘制两地灾情记录之前连续14 d日最高气温滑动平均值变化图(图2)。根据灾情记录,2022年8月4日福建霞浦茶园达到中度高温热害,但指标判识显示当地仅在7月21—29日发生了持续9 d高温热害,达到轻度热害等级,8月4日当天并未发生茶树高温热害(图2),可能是由于实际上轻度高温热害未缓解,导致指标判识与灾情记录不符。同样,浙江平阳在2022年8月23日记录发生了重度高温热害,而指标判识显示8月23日前仅连续2 d达到高温热害阈值,与实际灾情记录不符。但7月18日—8月3日平阳遭遇持续17 d的高温热害过程,这可能是导致灾情记录比指标判识灾情严重的原因。

图2 2022年福建霞浦和浙江平阳连续14 d日最高气温滑动平均值

2.2 江南和华南茶区茶树高温热害次数时空特征

2.2.1 高温热害次数时间变化特征

图3为1961—2022年江南和华南茶区各气象站发生不同等级茶树高温热害次数的时间序列。由图3可知,江南茶区轻度茶树高温热害每年均有发生,年平均次数为0.90次,有3年未发生中度茶树高温热害,年平均次数为0.28次,15年未发生重度高温热害,年平均次数为0.10次。总次数最低值出现在1999年,为0.29次,最高值出现在2021年,为2.31次。华南茶区轻度茶树高温热害每年均有发生,年平均次数为0.92次,仅有1年未发生中度茶树高温热害,年平均次数为0.18次,20年未发生重度高温热害,年平均次数为0.04次。总次数最低值出现在1997年,为0.09次,最高值出现在2021年,为2.67次。华南茶区平均轻度高温热害次数均值与江南茶区接近,中度和重度热害次数均值均低于江南茶区。

图3 1961—2022年江南和华南茶区茶树高温热害次数

2.2.2 高温热害次数空间变化特征

图4为江南和华南茶区的高温热害次数分布。由图4可知,江南茶区轻度高温热害次数为0.2～16.0次·(10 a)-1,呈现中间高、两边低的特征,高值主要位于江西和湖南的大部分地区,低值主要位于湖北西南部,江苏南部和沿海地区,8个气象站未发生过高温热害,站次比为2.9%。华南茶区轻度高温热害次数呈现内陆高、沿海低的特征,最高值出现在广西崇左,为23.7次·(10 a)-1,最低值出现在广东惠来,为0.2次·(10 a)-1,15个气象站未发生过轻度高温热害,站次比为6.8%。江南茶区中度高温热害次数除江西和浙江部分气象站外绝大多数不超过5次·(10 a)-1,有12个气象站未发生中度高温热害,站次比为4.4%。华南茶区未发生中度高温热害的气象站多分布在沿海地区,共43个站,站次比为19.5%,发生中度高温热害的除福建、广东和海南的部分气象站外均未超过5次·(10 a)-1。江南茶区有42个气象站未发生重度高温热害,站次比为15.3%,主要分布在湖北西南部和浙江沿海;华南茶区有113个气象站未发生重度高温热害,站次比达到51.4%。从高温热害总次数看,江南茶区呈南高北低特征,江西为高温热害最频发的地区;华南茶区为北高南低,福建高温热害发生次数最多。

图4 江南和华南茶区不同等级茶树高温热害次数分布特征

2.2.3 高温热害次数变化趋势

图5为江南和华南茶区的高温热害次数变化趋势。由图5可知,江南茶区大部分气象站轻度高温热害次数变化趋势均呈现不显著的增加或减少的特征,江苏和浙江的沿海地区、江西、湖南和湖北部分气象站呈显著增加的趋势,仅湖南南部的嘉禾站呈现显著减少的趋势,这与张曦等[38]对湖南夏季高温热浪频次的变化趋势研究一致,仅有极少数的气象站通过显著性检验。华南茶区41.4%的气象站均出现轻度高温热害次数显著增加的趋势,且主要分布在沿海地区。对于中度高温热害次数变化趋势,江南茶区呈中部减少、四周增加的分布特征,但大部分气象站的变化趋势不显著,仅江苏南部、浙江东部、江西和湖南南部以及湖北与湖南交界地带的部分气象站中度高温热害次数显著增加,湖南中部部分气象站显著减少;华南茶区中度高温热害次数显著增加的气象站主要分布在福建沿海地区、广东中部、广西中部和海南北部,福建三明站中度高温热害次数显著减少。从重度高温热害次数变化趋势看,江南茶区依旧为中部减少、四周增加,出现显著减少趋势的气象站集中在江西中部,出现显著增加趋势的气象站分布在江苏、浙江、湖南和江西南部;华南茶区呈显著增加趋势的气象站主要分布在福建沿海、广东、广西和海南的北部、广西的南部。从高温热害总次数变化趋势看,江南茶区出现显著增加趋势的气象站主要分布在四周,未出现显著减少趋势的气象站;华南茶区出现显著增加趋势的气象站覆盖大部分地区,出现显著减少趋势的气象站散布于云南西北部,这与张嘉仪等[39]使用不同方法分析全国范围内高温热浪次数变化趋势的结果较为一致,华南茶区高温热浪大部分气象站或格点呈现显著增加趋势,而江南茶区只有部分气象站或格点高温热浪次数显著增加。

图5 江南和华南茶区不同等级茶树高温热害次数变化趋势

3 结论与讨论

本文基于1961—2022年江南和华南茶区的气象数据和历史灾情数据,使用灾情反演与K-Means聚类分析方法构建并验证江南和华南茶区茶树高温热害等级指标,进而分析茶树高温热害特征,主要结论如下:

1) 利用K-Means聚类分析法得到江南和华南茶区茶树轻度、中度、重度高温热害指标为T14≥34.5 ℃的持续日数分别为1～17 d、18～38 d和超过38 d,验证样本完全符合的准确率为73.9%,基本符合的准确率为91.3%。

2) 江南和华南茶区茶树高温热害总次数在1961—2022年呈波动特征,分别在1999年和1997年达到最低值,两个茶区都在2021年达到最高值。

3) 在空间分布上,华南茶区相对于江南茶区高温热害次数更多,尤其是轻度茶树高温热害,且华南茶区茶树高温热害次数的增加趋势显著。

本文基于江南和华南茶区的茶树高温热害灾情样本,使用T14≥34.5 ℃的持续日数作为等级指标划分的依据,并利用受灾情况描述的样本进行验证。与前人建立的茶树高温热害等级指标[11-15]相比,来自自然环境的灾情样本更客观地反映了高温热害对茶树的影响。本文使用的日最高气温的滑动平均值较前人将高温强度与持续日数分开考虑的指标[11-15],更能反映高温的累积效应[14],但可能会推迟对茶树高温热害结束时间的判识。虽然灾情记录分布不均可能对结果有一定影响,但从现有数据的验证结果看,该方法准确性较高,可用于监测和评估江南和华南茶区茶树高温热害。

本文分析江南和华南茶区茶树高温热害次数的时空分布特征,2000年后两个茶区的茶树高温热害次数偏高,这可能与进入21世纪后全球变暖有关[40-41]。在空间分布上,华南茶区高温热害发生次数比江南茶区更多,可能是由于两个茶区处于不同的高温类型,江南茶区所在的江淮型高温地区,高温强度最强,华南茶区所在的华南型高温是西北太平洋副热带高压直接控制下的高温,与季风环流密切相关,持续高温过程跨越季节最长,且高温过程平均次数也最多[42-43]。本文对于茶树高温热害次数的变化趋势分析发现沿海地区的茶树高温热害次数出现显著增加趋势,这与贾佳等[44]对中国高温热浪频次变化趋势的研究结果一致,而沿海地区多为平原,内陆更多为山地地形,该特点对茶树高温热害次数趋势变化的影响还有待进一步研究。

茶树生长除了受到温度条件的影响,同时也受到水分条件制约[6]。江南和华南茶区随着夏季雨带北移,不仅容易出现高温天气,还会存在干旱的风险[45],使茶树出现旱热害症状[46-47]。本文建立的茶树高温热害指标仅考虑温度条件,并未考虑可能发生干旱的风险,影响指标对于茶树高温热害判识的准确性。因此,构建基于多因素的茶树旱热害指标将成为未来研究工作的重点。