氣候變化對烏牛早茶樹物候期、冰凍災害和經濟產出的影響

氣候變化對烏牛早茶樹物候期、冰凍災害和經濟產出的影響

自20世紀中期以來，世界氣候發(fā)生了顯著變化（秦兒河等，2007）。在全球氣候變化背景下,中國區(qū)域的農業(yè)氣候資源發(fā)生了明顯變化(Liuetal.,2004;李搖勇等,2010),使各地農作物生育進程、產量、品質發(fā)生變化(唐國平等,2000)。近年來,中國學者開展了氣候變化對種植制度(張厚瑄,2000)、作物生長期(徐銘志和任國玉,2004)、農作物產量和發(fā)育期(王勝等,2013)、農業(yè)氣象災害和病蟲害(李祎君等,2010)、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(肖國舉等,2007)等的研究。氣候變暖使植物種植北界北移(楊曉光等,2010)、多年生植物春季物候提前(Waltheretal.,2002;王連喜等,2010)、霜凍風險發(fā)生變化(Scheifingeretal.,2003;戴君虎等,2013)、影響農業(yè)經濟產出(Gbetibouo&Hassan,2005;Tol,2009)。茶葉是世界三大軟飲料之一,中國是茶樹的原產地,茶樹種植面積和茶葉產量均居世界第一。春季名優(yōu)茶生產是浙江省農村經濟發(fā)展最快、效益最好的產業(yè)之一(婁偉平等,2014)。名優(yōu)茶上市越早,價格越高,一批以烏牛早茶樹品種為代表的早發(fā)茶樹良種被引進并大面積推廣。由于烏牛早等早發(fā)茶樹品種在2月中旬到3月中旬進入開采期,這一時期浙江省低溫霜凍頻現(xiàn),早發(fā)茶樹品種經常因霜凍而遭受嚴重經濟損失。如2010年3月9—11日低溫霜凍過程使浙江省茶葉經濟損失達16.9億元(中國茶葉流通協(xié)會,2010)。茶葉生產和其他作物生產有一個顯著不同:其他作物如蘋果、水稻、小麥等雖然品種間存在價格差異,但同一品種的價格變化小,研究氣候變化對它們的影響主要研究氣候變化對它們產量的影響;茶樹是一種經濟作物,制作的龍井茶上市越早價格越高,茶葉采摘期間的茶葉價格變化較大,研究氣候變化對茶葉生產的影響應研究氣候變化對茶葉經濟產出的影響。茶葉經濟產出與春季茶樹物候密切相關,作為一種多年生植物,春季物候對氣候變化敏感,氣候變化影響和制約茶葉的經濟產出。因此,氣候變化對浙江省烏牛早等早發(fā)茶樹品種霜凍風險及經濟產出是否影響是政府決策和茶葉生產者尤為關心的問題。紹興市是中國最大的綠茶生產地級市,是越州龍井原產地。本文以紹興市為例,利用多個茶場數(shù)年的茶樹物候資料和茶葉生產資料,建立烏牛早茶樹物候模型和經濟產出模型,結合氣象資料建立歷史資料序列,分析烏牛早茶樹物候期、霜凍風險和經濟產出的變化,揭示氣候變化對浙江省烏牛早茶樹種植生產的影響,為當?shù)夭枞~生產應對氣候變化提供參考依據(jù)。1研究領域和方法1.1龍井茶收購時間越州龍井產區(qū)位于浙江省中北部(29.22°N—30.54°N,119.88°E—121.22°E),包括紹興市下屬的紹興縣、上虞市、諸暨市、嵊州市和新昌縣(圖1)。年平均氣溫16.0~17.5°C,年降水量900~1500mm,年日照時數(shù)1100~2200h,適宜茶葉生產,是龍井茶原產地保護區(qū)域。2004年開始,按照龍井茶開采期標準和特級茶、一級、二級、三級、四級茶采制標準,在13個建有自動氣象站的茶場先后開展烏牛早茶樹物候期觀測,13個觀測點海拔為60~400m。2009—2013年在大明茶場、雙彩茶場、東茗茶場和彭頂山茶場4個茶場記錄每日茶葉價格、逐日采茶工人數(shù)、一名采茶工逐日鮮葉采摘量(采摘時間7:00—11:30、13:00—6:30)。紹興市下屬5個縣氣象站1972年10月到2013年5月的氣象資料和茶葉觀測點自動氣象站氣象資料來自浙江省網絡中心。1.2氣候變化對茶樹經濟產出影響的研究物候模型是在實際數(shù)據(jù)缺乏的情況下,唯一能夠重建過去和預測未來物候變化的方法(Clelandetal.,2007)。物候模型方法也被廣泛地應用于霜凍研究中(Ecceletal.,2009;Farajzadehetal.,2010)。本文通過建立物候模型和經濟產出模型建立歷史資料序列,分析氣候變化對茶樹經濟產出的影響。為了便于驗證模型,建立模型時只使用序列中奇數(shù)年或奇數(shù)日期的觀測值進行參數(shù)擬合,余下的偶數(shù)年或偶數(shù)日期的觀測值用于檢驗。檢驗之后,將原始物候序列中缺測的年份用模型模擬結果插補(有觀測數(shù)據(jù)的年份不變),得到的完整序列用于后續(xù)分析(戴君虎等,2013)。1.2.1烏牛早茶樹不同開采期模型烏牛早茶樹開采期在2月下旬到3月中旬,這一時期是紹興市氣溫變化幅度最大的時期,如單獨采用線性法或積溫法會造成較大誤差。本文利用線性法結合積溫法建立烏牛早茶樹開采期模型(婁偉平和孫科,2013):式中,Y為烏牛早茶樹開采期,X為各茶場歷年7℃初日平均值所在候的前一候到后二候共4個候的平均氣溫值;如該茶場與新昌縣氣象站歷年7℃初日平均值在同一候,Aw為0,如不在同一候,Aw為該茶場與新昌縣氣象站歷年7℃初日平均值所在候的差乘以5(5d為1候)。若1月20日開始到根據(jù)式(1)計算的烏牛早茶樹開采期≥5℃有效積溫在110℃以上,則式(1)的計算值為該茶場烏牛早茶樹開采期,否則以1月20日開始≥5℃有效積溫達到110℃以上的日期作為烏牛早茶樹開采期。1.2.2茶樹有效積溫分別統(tǒng)計每年茶樹芽葉質量為特級茶、一級茶、二級茶、三級茶和四級茶采摘期間的活動積溫和≥5℃、≥6℃、≥7℃、≥8℃有效積溫,以積溫標準差最小值作為各采摘期所需積溫值(王懷龍等,1981)。其中2005年3月中旬和2010年3月中旬龍井43茶樹遭受嚴重霜凍,所以物候資料序列中剔除2005年和2010年資料。統(tǒng)計結果以≥5℃的有效積溫標準差最小,因此,以≥5℃的有效積溫10.3、25.6、30.2、31.5和69.3℃·d作為茶樹特級茶、一級茶、二級茶、三級茶和四級茶5個采摘階段所需的有效積溫。對應春季茶葉采摘期間的5個采摘階段,將春季茶葉采摘期間的芽葉生長劃分為特級、一級、二級、三級、四級5個物候階段,采用“積溫法”模擬春季茶葉采摘期間的芽葉生長,以每個生長階段≥5℃的有效積溫作為模型生長參數(shù)建立茶樹芽葉生長模型,茶樹芽葉生長速率表達式為(李榮平等,2005)。式中,DTj,t為j階段t時刻的茶樹芽葉生長速率(d-1),Te為≥5℃有效溫度(℃),TSUMj為完成j物候生長階段所需的有效積溫(℃·d),j=1、2、3、4、5分別對應特級、一級、二級、三級、四級5個物候階段。對式(2)求和:式中,Dj,d為j階段第d天在j階段的時間,當Dj,d=1為該天是j采摘階段的最后1d。j階段第d天在整個采摘期的時間:式中,ADj,d為j階段第d天在采摘期的時間。1.2.3龍井茶最佳工藝條件確定根據(jù)茶樹芽葉生長觀測和茶農調查資料,茶樹在遭受低溫霜凍后到茶芽達到制作龍井茶標準時期需達到的≥5℃有效積溫與最低氣溫之間有如下關系:式中,∑T≥5℃為茶樹芽葉在低溫霜凍后生長到滿足龍井茶制作要求需達到的≥5℃有效積溫;Tl為低溫霜凍過程的最低氣溫。1.2.4葉采摘量測定根據(jù)各茶場的茶葉生產資料,制作1.0kg茶葉需要4.3kg鮮芽葉。在無雨天氣下,1名采茶工在春季每天鮮芽葉采摘量與茶葉采摘期時間之間有如下關系:式中,Qq為無雨天氣下1名采茶工的每天鮮芽葉采摘量(kg·人-1·d-1);ADj,d為j階段第d天的采摘時間,取值從0~5,其中0表示開采期,1、2、3、4、5分別表示特級茶、一級茶、二級茶、三級茶、四級茶采摘階段最后1d的時間。白天降水會影響采茶工對茶樹鮮芽葉的采摘。一名采茶工在下雨天采摘的茶葉產量與同一采摘時期無雨時采摘的茶葉產量之比和白天降水量的關系可用下式來表示。式中,f(RR)為降水量對茶樹鮮芽葉采摘量的影響系數(shù),RR為采摘當天8:00—20:00降水量。綜合式(6)和(7),得到一名采茶工每天的鮮芽葉采摘量模。式中,TADj,d為一名采茶工在j階段第d天的鮮芽葉采摘量(kg·人-1·d-1)。1.2.5單茶場一機溶劑一場測定一場時間函數(shù)關系經模型計算與實際值進行比較,得到偶數(shù)年開采期的擬合誤差在1d;2009—2013年大明茶場、雙彩茶場、東茗茶場和彭頂山茶場4個茶場偶數(shù)日期鮮葉采摘量實際值和擬合值的均方根據(jù)誤差分為0.039、0.035、0.037和0.044kg·d-1。由此可見,本文建立的模型能夠較準確地模擬烏牛早茶樹的開采期和鮮葉采摘量,利用模型插補出的完整序列具有較可靠的信度。1.2.6茶樹在采摘期的經濟產出式(9)中,P為烏牛早茶樹生產的茶葉價格。由式(3)到式(9)得到茶樹在采摘期j階段第d天的經濟產出。式中,Ej,d為茶樹在采摘期j階段第d天的經濟產出(元·hm-2·d-1)。1.2.7時間序列及序列分析以2013年的價格為參考,建立茶葉經濟產出時間序列。采用線性傾向率分析物候期、霜凍風險和經濟損失、經濟產出隨時間變化,利用Mann-Kendall法檢驗線性傾向率的顯著性。2結果與分析2.1茶樹開采期的線性傾向率烏牛早茶樹開采期與2月平均氣溫之間呈顯著負相關關系。1973—2013年,各縣2月平均氣溫隨年份呈波動性升高,線性傾向率分別在0.41~0.52℃·10a-1,Mann-Kendall檢驗通過0.05顯著性檢驗水平。隨著2月氣溫升高,烏牛早茶樹的開采期隨年份變化呈波動性提前趨勢(圖2),各縣的線性傾向率在-1.34~-2.48d·10a-1,其中紹興縣Mann-Kendall檢驗通過0.05顯著性檢驗水平。說明隨著春季氣候變化,烏牛早茶樹的開采期提前。2.2烏牛早茶采摘期龍井茶價格與茶樹上采摘的芽葉質量密切相關。從公式(10)可知,茶葉價格隨茶樹上采摘的芽葉質量等級下降而下降。如簡單地認為各級茶葉的生產加工成本、銷售成本相同,則茶葉價格越高,茶場或茶農獲得的經濟利潤越大。在越州龍井產區(qū),茶農采摘1kg符合特級茶、一級茶、二級茶、三級茶和四級茶標準的鮮芽葉,茶場分別需支付36~40、30~36、24~30、20~24和20~24元給茶農。特級茶、一級茶、二級茶和三級茶因價格較高,茶場能獲得較高的經濟利潤,是茶場和茶農的主要茶葉生產階段;四級茶因價格低,同時中遲發(fā)茶樹品種已進入采摘期,采茶工一般會停止采摘烏牛早茶樹,轉去采摘中遲發(fā)茶樹。因此,以特級茶、一級茶、二級茶和三級茶的采摘期作為烏牛早茶樹的春茶采摘期。烏牛早茶樹開采期在2月底到3月中旬,特級茶到三級茶的采摘期在10~25d。3月氣溫是影響烏牛早茶樹采摘期的主要氣象因子,新昌縣、嵊州市、紹興縣、上虞市和諸暨市的烏牛早茶樹采摘期與3月平均氣溫之間的相關系數(shù)分別為-0.411、-0.445、-0.465、-0.453和-0.401,均通過0.01顯著性檢驗水平。在1973—2013年,各縣3月平均氣溫隨年份呈波動性升高,線性傾向率分別在0.48~0.66℃·10a-1,Mann-Kendall檢驗通過0.01顯著性檢驗水平。隨著3月平均氣溫升高,烏牛早茶樹的采摘期隨年份變化呈縮短趨勢(圖3),各縣的線性傾向率在-1.03~-1.29d·10a-1,Mann-Kendall檢驗均通過0.05顯著性檢驗水平。說明隨著3月氣溫升高,烏牛早茶樹的春茶采摘期顯著縮短。2.3茶芽承擔了不同采收期對茶芽影響的責任茶葉低溫霜凍是指春季茶芽萌發(fā)伸長后,遇北方冷空氣南下,冠層溫度降到0℃以下使茶芽遭受凍害的氣象災害。最低氣溫0℃終日可作為霜凍終日指標(Cittadinietal.,2006;Lou&Sun,2013)。隨氣候變化,紹興市各縣霜凍終日提前但不顯著。茶樹的經濟產出來自茶農將茶芽采摘加工后出售所得,根據(jù)《地理標志產品龍井茶》(GB/T18650-2008)規(guī)定,遭受凍害的茶芽不能用于生產龍井茶,因此霜凍災害會造成茶葉產量下降而影響茶葉經濟產出。茶葉霜凍風險是指茶樹遭受霜凍而影響經濟產出的可能性,茶葉霜凍災害除了與茶樹物候期有關,還與霜凍過程低溫強度有關,因此霜凍終日和茶樹開采期的差反映了茶樹遭受霜凍的可能性(Louetal.,2013)。如茶樹開采期遠大于霜凍終日,則茶樹遭受霜凍的可能性小。各縣霜凍終日和烏牛早茶樹開采期差的線性傾向率在-0.57~1.33d·10a-1,Mann-Kendall檢驗均未通過0.05顯著性檢驗水平,說明隨著春季氣候變化,霜凍風險變化不顯著。2.4氣候變化對烏牛早茶樹春茶實際生產績效的影響根據(jù)式(10),一名采茶工正常采摘的情況下,茶葉的經濟產出由3個因子決定:氣溫、白天降水、霜凍,即紹興縣、新昌縣和嵊州市實際經濟產出隨時間線性減少,線性傾向率分別為-165.46、-126.94和-109.86元·10a-1,Mann-Kendall檢驗均未通過0.05顯著性檢驗水平,說明隨著春季氣候變化,這3個縣烏牛早茶樹春茶生產期間的實際經濟產出減少,但減少不顯著。上虞市和諸暨市實際經濟產出線性傾向率分別為2.90和-2.43元·10a-1,接近于0元·10a-1。2.4.1烏牛早茶樹春茶生產期間經濟效益在采摘期白天沒有降水且烏牛早茶樹沒有遭受霜凍情況下,新昌縣、嵊州市、紹興縣、上虞市和諸暨市的烏牛早茶樹在春茶生產期間的經濟產出與3月平均氣溫之間的相關系數(shù)分別為-0.393、-0.422、-0.463、-0.448和-0.396,均通過0.01顯著性檢驗水平。一名采茶工在烏牛早茶樹春茶生產期間的經濟產出隨年份變化的線性傾向率為-272.86~-347.66元·10a-1,各縣的Mann-Kendall檢驗均通過0.05顯著性檢驗水平。研究表明,烏牛早茶樹春茶生產期間的經濟產出與春茶采摘期呈極顯著正相關,說明近40年來3月氣溫升高使采摘期縮短導致了春茶經濟產出的減少。2.4.2月降水量和年際間波動3月降水量是影響降水造成的烏牛早茶樹經濟損失率的主要因子,新昌縣、嵊州市、紹興縣、上虞市和諸暨市降水造成的烏牛早茶樹經濟損失率與3月降水量的相關系數(shù)分別為0.531、0.521、0.612、0.560和0.543,均達0.01顯著性檢驗水平。近40年紹興市各縣3月降水量雖然年際間波動較大,但總體上變化較小,線性傾向率在1.5~4.2mm·10a-1。從圖5可看出,降水造成的烏牛早茶樹經濟損失率年際間波動較大,和3月降水量變化一致。3月降水量多的年份,降水造成的烏牛早茶樹經濟損失率高;反之,降水造成的烏牛早茶樹經濟損失率較低。近40年紹興市各縣3月降水量線性傾向率較小,降水造成的烏牛早茶樹經濟損失率的線性傾向率也較小,僅為-0.60~0.07%·10a-1。2.4.3線性傾向率春季低溫霜凍造成的烏牛早茶樹春茶生產經濟損失率隨年份變化呈減少趨勢,其中紹興縣、新昌縣和嵊州市的線性傾向率絕對值較小,在-1.45~-3.14%·10a-1;上虞市和諸暨市的線性傾向率絕對值較大,分別為-5.13和-5.16%·10a-1。3氣候變化對南被調查村農業(yè)生產時期的影響本研究表明,在晚冬和早春氣溫升高背景下,與大多數(shù)多年生植物一樣(Waltheretal.,2002;王連喜等,2010),紹興市烏牛早茶樹物候期提前。霜凍風險變化取決于植物物候和當?shù)貧夂虻南嗷リP系(Colombo,1998;Scheifingeretal.,2003;戴君虎等,2013),在紹興市氣候條件下,烏牛早茶樹霜凍風險沒有發(fā)生變化,霜凍造成的茶葉經濟損失率線性傾向率接近于0。茶樹作為一種經濟作物,春季名優(yōu)茶價格與茶芽采摘時間密切相關,茶芽采摘時間越早價格越高,茶農生產名優(yōu)茶的經濟