气候变化对乌牛早茶树物候期、冰冻灾害和经济产出的影响

气候变化对乌牛早茶树物候期、冰冻灾害和经济产出的影响

自20世纪中期以来，世界气候发生了显著变化（秦儿河等，2007）。在全球气候变化背景下,中国区域的农业气候资源发生了明显变化(Liuetal.,2004;李摇勇等,2010),使各地农作物生育进程、产量、品质发生变化(唐国平等,2000)。近年来,中国学者开展了气候变化对种植制度(张厚瑄,2000)、作物生长期(徐铭志和任国玉,2004)、农作物产量和发育期(王胜等,2013)、农业气象灾害和病虫害(李祎君等,2010)、农业生态系统(肖国举等,2007)等的研究。气候变暖使植物种植北界北移(杨晓光等,2010)、多年生植物春季物候提前(Waltheretal.,2002;王连喜等,2010)、霜冻风险发生变化(Scheifingeretal.,2003;戴君虎等,2013)、影响农业经济产出(Gbetibouo&Hassan,2005;Tol,2009)。茶叶是世界三大软饮料之一,中国是茶树的原产地,茶树种植面积和茶叶产量均居世界第一。春季名优茶生产是浙江省农村经济发展最快、效益最好的产业之一(娄伟平等,2014)。名优茶上市越早,价格越高,一批以乌牛早茶树品种为代表的早发茶树良种被引进并大面积推广。由于乌牛早等早发茶树品种在2月中旬到3月中旬进入开采期,这一时期浙江省低温霜冻频现,早发茶树品种经常因霜冻而遭受严重经济损失。如2010年3月9—11日低温霜冻过程使浙江省茶叶经济损失达16.9亿元(中国茶叶流通协会,2010)。茶叶生产和其他作物生产有一个显著不同:其他作物如苹果、水稻、小麦等虽然品种间存在价格差异,但同一品种的价格变化小,研究气候变化对它们的影响主要研究气候变化对它们产量的影响;茶树是一种经济作物,制作的龙井茶上市越早价格越高,茶叶采摘期间的茶叶价格变化较大,研究气候变化对茶叶生产的影响应研究气候变化对茶叶经济产出的影响。茶叶经济产出与春季茶树物候密切相关,作为一种多年生植物,春季物候对气候变化敏感,气候变化影响和制约茶叶的经济产出。因此,气候变化对浙江省乌牛早等早发茶树品种霜冻风险及经济产出是否影响是政府决策和茶叶生产者尤为关心的问题。绍兴市是中国最大的绿茶生产地级市,是越州龙井原产地。本文以绍兴市为例,利用多个茶场数年的茶树物候资料和茶叶生产资料,建立乌牛早茶树物候模型和经济产出模型,结合气象资料建立历史资料序列,分析乌牛早茶树物候期、霜冻风险和经济产出的变化,揭示气候变化对浙江省乌牛早茶树种植生产的影响,为当地茶叶生产应对气候变化提供参考依据。1研究领域和方法1.1龙井茶收购时间越州龙井产区位于浙江省中北部(29.22°N—30.54°N,119.88°E—121.22°E),包括绍兴市下属的绍兴县、上虞市、诸暨市、嵊州市和新昌县(图1)。年平均气温16.0~17.5°C,年降水量900~1500mm,年日照时数1100~2200h,适宜茶叶生产,是龙井茶原产地保护区域。2004年开始,按照龙井茶开采期标准和特级茶、一级、二级、三级、四级茶采制标准,在13个建有自动气象站的茶场先后开展乌牛早茶树物候期观测,13个观测点海拔为60~400m。2009—2013年在大明茶场、双彩茶场、东茗茶场和彭顶山茶场4个茶场记录每日茶叶价格、逐日采茶工人数、一名采茶工逐日鲜叶采摘量(采摘时间7:00—11:30、13:00—6:30)。绍兴市下属5个县气象站1972年10月到2013年5月的气象资料和茶叶观测点自动气象站气象资料来自浙江省网络中心。1.2气候变化对茶树经济产出影响的研究物候模型是在实际数据缺乏的情况下,唯一能够重建过去和预测未来物候变化的方法(Clelandetal.,2007)。物候模型方法也被广泛地应用于霜冻研究中(Ecceletal.,2009;Farajzadehetal.,2010)。本文通过建立物候模型和经济产出模型建立历史资料序列,分析气候变化对茶树经济产出的影响。为了便于验证模型,建立模型时只使用序列中奇数年或奇数日期的观测值进行参数拟合,余下的偶数年或偶数日期的观测值用于检验。检验之后,将原始物候序列中缺测的年份用模型模拟结果插补(有观测数据的年份不变),得到的完整序列用于后续分析(戴君虎等,2013)。1.2.1乌牛早茶树不同开采期模型乌牛早茶树开采期在2月下旬到3月中旬,这一时期是绍兴市气温变化幅度最大的时期,如单独采用线性法或积温法会造成较大误差。本文利用线性法结合积温法建立乌牛早茶树开采期模型(娄伟平和孙科,2013):式中,Y为乌牛早茶树开采期,X为各茶场历年7℃初日平均值所在候的前一候到后二候共4个候的平均气温值;如该茶场与新昌县气象站历年7℃初日平均值在同一候,Aw为0,如不在同一候,Aw为该茶场与新昌县气象站历年7℃初日平均值所在候的差乘以5(5d为1候)。若1月20日开始到根据式(1)计算的乌牛早茶树开采期≥5℃有效积温在110℃以上,则式(1)的计算值为该茶场乌牛早茶树开采期,否则以1月20日开始≥5℃有效积温达到110℃以上的日期作为乌牛早茶树开采期。1.2.2茶树有效积温分别统计每年茶树芽叶质量为特级茶、一级茶、二级茶、三级茶和四级茶采摘期间的活动积温和≥5℃、≥6℃、≥7℃、≥8℃有效积温,以积温标准差最小值作为各采摘期所需积温值(王怀龙等,1981)。其中2005年3月中旬和2010年3月中旬龙井43茶树遭受严重霜冻,所以物候资料序列中剔除2005年和2010年资料。统计结果以≥5℃的有效积温标准差最小,因此,以≥5℃的有效积温10.3、25.6、30.2、31.5和69.3℃·d作为茶树特级茶、一级茶、二级茶、三级茶和四级茶5个采摘阶段所需的有效积温。对应春季茶叶采摘期间的5个采摘阶段,将春季茶叶采摘期间的芽叶生长划分为特级、一级、二级、三级、四级5个物候阶段,采用“积温法”模拟春季茶叶采摘期间的芽叶生长,以每个生长阶段≥5℃的有效积温作为模型生长参数建立茶树芽叶生长模型,茶树芽叶生长速率表达式为(李荣平等,2005)。式中,DTj,t为j阶段t时刻的茶树芽叶生长速率(d-1),Te为≥5℃有效温度(℃),TSUMj为完成j物候生长阶段所需的有效积温(℃·d),j=1、2、3、4、5分别对应特级、一级、二级、三级、四级5个物候阶段。对式(2)求和:式中,Dj,d为j阶段第d天在j阶段的时间,当Dj,d=1为该天是j采摘阶段的最后1d。j阶段第d天在整个采摘期的时间:式中,ADj,d为j阶段第d天在采摘期的时间。1.2.3龙井茶最佳工艺条件确定根据茶树芽叶生长观测和茶农调查资料,茶树在遭受低温霜冻后到茶芽达到制作龙井茶标准时期需达到的≥5℃有效积温与最低气温之间有如下关系:式中,∑T≥5℃为茶树芽叶在低温霜冻后生长到满足龙井茶制作要求需达到的≥5℃有效积温;Tl为低温霜冻过程的最低气温。1.2.4叶采摘量测定根据各茶场的茶叶生产资料,制作1.0kg茶叶需要4.3kg鲜芽叶。在无雨天气下,1名采茶工在春季每天鲜芽叶采摘量与茶叶采摘期时间之间有如下关系:式中,Qq为无雨天气下1名采茶工的每天鲜芽叶采摘量(kg·人-1·d-1);ADj,d为j阶段第d天的采摘时间,取值从0~5,其中0表示开采期,1、2、3、4、5分别表示特级茶、一级茶、二级茶、三级茶、四级茶采摘阶段最后1d的时间。白天降水会影响采茶工对茶树鲜芽叶的采摘。一名采茶工在下雨天采摘的茶叶产量与同一采摘时期无雨时采摘的茶叶产量之比和白天降水量的关系可用下式来表示。式中,f(RR)为降水量对茶树鲜芽叶采摘量的影响系数,RR为采摘当天8:00—20:00降水量。综合式(6)和(7),得到一名采茶工每天的鲜芽叶采摘量模。式中,TADj,d为一名采茶工在j阶段第d天的鲜芽叶采摘量(kg·人-1·d-1)。1.2.5单茶场一机溶剂一场测定一场时间函数关系经模型计算与实际值进行比较,得到偶数年开采期的拟合误差在1d;2009—2013年大明茶场、双彩茶场、东茗茶场和彭顶山茶场4个茶场偶数日期鲜叶采摘量实际值和拟合值的均方根据误差分为0.039、0.035、0.037和0.044kg·d-1。由此可见,本文建立的模型能够较准确地模拟乌牛早茶树的开采期和鲜叶采摘量,利用模型插补出的完整序列具有较可靠的信度。1.2.6茶树在采摘期的经济产出式(9)中,P为乌牛早茶树生产的茶叶价格。由式(3)到式(9)得到茶树在采摘期j阶段第d天的经济产出。式中,Ej,d为茶树在采摘期j阶段第d天的经济产出(元·hm-2·d-1)。1.2.7时间序列及序列分析以2013年的价格为参考,建立茶叶经济产出时间序列。采用线性倾向率分析物候期、霜冻风险和经济损失、经济产出随时间变化,利用Mann-Kendall法检验线性倾向率的显著性。2结果与分析2.1茶树开采期的线性倾向率乌牛早茶树开采期与2月平均气温之间呈显著负相关关系。1973—2013年,各县2月平均气温随年份呈波动性升高,线性倾向率分别在0.41~0.52℃·10a-1,Mann-Kendall检验通过0.05显著性检验水平。随着2月气温升高,乌牛早茶树的开采期随年份变化呈波动性提前趋势(图2),各县的线性倾向率在-1.34~-2.48d·10a-1,其中绍兴县Mann-Kendall检验通过0.05显著性检验水平。说明随着春季气候变化,乌牛早茶树的开采期提前。2.2乌牛早茶采摘期龙井茶价格与茶树上采摘的芽叶质量密切相关。从公式(10)可知,茶叶价格随茶树上采摘的芽叶质量等级下降而下降。如简单地认为各级茶叶的生产加工成本、销售成本相同,则茶叶价格越高,茶场或茶农获得的经济利润越大。在越州龙井产区,茶农采摘1kg符合特级茶、一级茶、二级茶、三级茶和四级茶标准的鲜芽叶,茶场分别需支付36~40、30~36、24~30、20~24和20~24元给茶农。特级茶、一级茶、二级茶和三级茶因价格较高,茶场能获得较高的经济利润,是茶场和茶农的主要茶叶生产阶段;四级茶因价格低,同时中迟发茶树品种已进入采摘期,采茶工一般会停止采摘乌牛早茶树,转去采摘中迟发茶树。因此,以特级茶、一级茶、二级茶和三级茶的采摘期作为乌牛早茶树的春茶采摘期。乌牛早茶树开采期在2月底到3月中旬,特级茶到三级茶的采摘期在10~25d。3月气温是影响乌牛早茶树采摘期的主要气象因子,新昌县、嵊州市、绍兴县、上虞市和诸暨市的乌牛早茶树采摘期与3月平均气温之间的相关系数分别为-0.411、-0.445、-0.465、-0.453和-0.401,均通过0.01显著性检验水平。在1973—2013年,各县3月平均气温随年份呈波动性升高,线性倾向率分别在0.48~0.66℃·10a-1,Mann-Kendall检验通过0.01显著性检验水平。随着3月平均气温升高,乌牛早茶树的采摘期随年份变化呈缩短趋势(图3),各县的线性倾向率在-1.03~-1.29d·10a-1,Mann-Kendall检验均通过0.05显著性检验水平。说明随着3月气温升高,乌牛早茶树的春茶采摘期显著缩短。2.3茶芽承担了不同采收期对茶芽影响的责任茶叶低温霜冻是指春季茶芽萌发伸长后,遇北方冷空气南下,冠层温度降到0℃以下使茶芽遭受冻害的气象灾害。最低气温0℃终日可作为霜冻终日指标(Cittadinietal.,2006;Lou&Sun,2013)。随气候变化,绍兴市各县霜冻终日提前但不显著。茶树的经济产出来自茶农将茶芽采摘加工后出售所得,根据《地理标志产品龙井茶》(GB/T18650-2008)规定,遭受冻害的茶芽不能用于生产龙井茶,因此霜冻灾害会造成茶叶产量下降而影响茶叶经济产出。茶叶霜冻风险是指茶树遭受霜冻而影响经济产出的可能性,茶叶霜冻灾害除了与茶树物候期有关,还与霜冻过程低温强度有关,因此霜冻终日和茶树开采期的差反映了茶树遭受霜冻的可能性(Louetal.,2013)。如茶树开采期远大于霜冻终日,则茶树遭受霜冻的可能性小。各县霜冻终日和乌牛早茶树开采期差的线性倾向率在-0.57~1.33d·10a-1,Mann-Kendall检验均未通过0.05显著性检验水平,说明随着春季气候变化,霜冻风险变化不显著。2.4气候变化对乌牛早茶树春茶实际生产绩效的影响根据式(10),一名采茶工正常采摘的情况下,茶叶的经济产出由3个因子决定:气温、白天降水、霜冻,即绍兴县、新昌县和嵊州市实际经济产出随时间线性减少,线性倾向率分别为-165.46、-126.94和-109.86元·10a-1,Mann-Kendall检验均未通过0.05显著性检验水平,说明随着春季气候变化,这3个县乌牛早茶树春茶生产期间的实际经济产出减少,但减少不显著。上虞市和诸暨市实际经济产出线性倾向率分别为2.90和-2.43元·10a-1,接近于0元·10a-1。2.4.1乌牛早茶树春茶生产期间经济效益在采摘期白天没有降水且乌牛早茶树没有遭受霜冻情况下,新昌县、嵊州市、绍兴县、上虞市和诸暨市的乌牛早茶树在春茶生产期间的经济产出与3月平均气温之间的相关系数分别为-0.393、-0.422、-0.463、-0.448和-0.396,均通过0.01显著性检验水平。一名采茶工在乌牛早茶树春茶生产期间的经济产出随年份变化的线性倾向率为-272.86~-347.66元·10a-1,各县的Mann-Kendall检验均通过0.05显著性检验水平。研究表明,乌牛早茶树春茶生产期间的经济产出与春茶采摘期呈极显著正相关,说明近40年来3月气温升高使采摘期缩短导致了春茶经济产出的减少。2.4.2月降水量和年际间波动3月降水量是影响降水造成的乌牛早茶树经济损失率的主要因子,新昌县、嵊州市、绍兴县、上虞市和诸暨市降水造成的乌牛早茶树经济损失率与3月降水量的相关系数分别为0.531、0.521、0.612、0.560和0.543,均达0.01显著性检验水平。近40年绍兴市各县3月降水量虽然年际间波动较大,但总体上变化较小,线性倾向率在1.5~4.2mm·10a-1。从图5可看出,降水造成的乌牛早茶树经济损失率年际间波动较大,和3月降水量变化一致。3月降水量多的年份,降水造成的乌牛早茶树经济损失率高;反之,降水造成的乌牛早茶树经济损失率较低。近40年绍兴市各县3月降水量线性倾向率较小,降水造成的乌牛早茶树经济损失率的线性倾向率也较小,仅为-0.60~0.07%·10a-1。2.4.3线性倾向率春季低温霜冻造成的乌牛早茶树春茶生产经济损失率随年份变化呈减少趋势,其中绍兴县、新昌县和嵊州市的线性倾向率绝对值较小,在-1.45~-3.14%·10a-1;上虞市和诸暨市的线性倾向率绝对值较大,分别为-5.13和-5.16%·10a-1。3气候变化对南被调查村农业生产时期的影响本研究表明,在晚冬和早春气温升高背景下,与大多数多年生植物一样(Waltheretal.,2002;王连喜等,2010),绍兴市乌牛早茶树物候期提前。霜冻风险变化取决于植物物候和当地气候的相互关系(Colombo,1998;Scheifingeretal.,2003;戴君虎等,2013),在绍兴市气候条件下,乌牛早茶树霜冻风险没有发生变化,霜冻造成的茶叶经济损失率线性倾向率接近于0。茶树作为一种经济作物,春季名优茶价格与茶芽采摘时间密切相关,茶芽采摘时间越早价格越高,茶农生产名优茶的经济