河北青龍板栗生長氣象條件分析與氣候品質(zhì)認證

于長文，許啟慧，馬貴東，楊 梅

（1河北省氣候中心，石家莊050021；2承德市氣象局，河北承德067000）

0 引言

優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品需要良好的氣候環(huán)境，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地氣候條件是影響其品質(zhì)的重要因素之一。近年來，中國不少地區(qū)針對不同農(nóng)作物開展了農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評估或認證工作[1-3]，通過設(shè)置認證氣候條件指標，建立認證模型，評價確定天氣氣候?qū)ιa(chǎn)階段的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響的優(yōu)劣，綜合評定農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)等級。這種精細化的為農(nóng)服務(wù)，為農(nóng)產(chǎn)品注入了新的氣象科技元素，對提升農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力具有重要意義。本研究以河北省青龍滿族自治縣（下文統(tǒng)一簡稱青龍縣）種植的板栗為例，對當?shù)匕謇跎L的氣候資源進行綜合評價，并嘗試對板栗品質(zhì)進行認證評估。

板栗是中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，主要分布在大別山和燕山山脈兩大主產(chǎn)區(qū)[4]。燕山山脈地處溫帶大陸性半濕潤季風氣候帶，溫和、冷涼、雨熱同季，適合板栗生長。同時，燕山淺山丘陵地段溝谷縱橫交錯，形成了特殊山地小氣候，為燕山板栗獨特品質(zhì)的形成提供了得天獨厚的環(huán)境。河北轄區(qū)內(nèi)的遷西、遷安、寬城、青龍、興隆和遵化等縣（市）是其主要產(chǎn)地[5]（見圖1）。楊慶紅等[6]曾利用興隆縣1970—1982 年和2000—2010 年的板栗產(chǎn)量資料及生育期的氣象數(shù)據(jù)，分析了當?shù)匕謇醍a(chǎn)量與氣溫、降水、日照等氣象條件的相關(guān)關(guān)系，選取與板栗產(chǎn)量相關(guān)好的氣象要素為預(yù)報因子，建立了板栗氣象產(chǎn)量評估方程。王文君[7]曾根據(jù)板栗生產(chǎn)所需的氣候條件，對影響遵化市板栗生產(chǎn)的幾種氣象災(zāi)害進行分析，探討了影響板栗生產(chǎn)的氣象災(zāi)害防范措施。劉志剛等[8]對青龍氣候變化和京東板栗物候觀測記錄的研究表明，氣溫升高、降水正常情況下，利于青龍地區(qū)板栗的增產(chǎn)增收。

板栗生長過程中存在多種氣象要素影響，因此對溫、光、水氣候資源要素之間的匹配進行綜合評價，有利于板栗種植的精細化生產(chǎn)應(yīng)用與推廣[9]。近年來加權(quán)逼近理想解排序(Dynamic Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,DTOPSIS)方法被引入農(nóng)業(yè)氣候資源綜合評價中[10-12]，該方法曾用于多目標決策問題。多目標決策中突出的問題是目標間的不可公度性和矛盾性[13]，不可公度性是指各要素通常沒有統(tǒng)一的度量標準，因而難以比較，例如影響板栗生長發(fā)育過程中的氣溫、降水和日照，這些氣象因子之間無統(tǒng)一的量綱；矛盾性是指采用統(tǒng)一方案去改進目標值，可能使另一目標的值變得更差，比如在板栗生長過程中，長期的氣溫偏高，可能出現(xiàn)降水偏少，從而引起氣象干旱，而過多的降水又會引起洪澇或者連陰雨、寡照等不利的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。多目標決策通常沒有一個方案能使每個目標值都達到最優(yōu)，即不存在最優(yōu)解，但確有它的非劣解，即在所有可行解中沒有一個優(yōu)于它。

本研究以青龍縣板栗為例，基于DTOPSIS 方法，建立板栗生長的氣象條件綜合評估指標，并以2008—2018年為例，將逐年指標值與通過百分制方法獲得的同期板栗品質(zhì)等級進行比較，進一步驗證所建評估指標的可靠性，以期為該地板栗生長、生產(chǎn)提供更為科學的氣象依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

考慮板栗生長所需的溫、光、水資源，以及氣象觀測數(shù)據(jù)的均一性[14]、代表性和可靠性，本研究選取青龍氣象站為參證站（見圖1），采用該站1971—2018 年間的氣溫、降水和日照時數(shù)作為基本氣象要素值，以2008—2018 年間的極端最低氣溫、平均氣溫距平、連陰雨日數(shù)及干旱日數(shù)作為主要的氣象災(zāi)害指標。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率 分析氣候要素的趨勢變化通常用一元線性回歸方程式(1)計算，其中t 表示時間，xt表示要素逐年值，k1為線性回歸系數(shù)，k0為線性回歸常數(shù)。以k1×10 表示氣候要素每10 年的變化趨勢，即氣候傾向率，單位為要素值/10 a。

1.2.2 基本氣象條件的評分標準 農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認證是指為天氣氣候?qū)r(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)影響的優(yōu)劣等級做評定，是提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和聲譽、增強競爭力的重要手段[15]。本年度果品生長氣候條件認證包括本年度果品生長的基本氣象條件認證及本年度氣象災(zāi)害認證。

本研究對青龍板栗氣候品質(zhì)認證采用百分制評分標準，根據(jù)實際考察調(diào)研和相關(guān)文獻研究，總結(jié)出主要影響青龍板栗生長的基本氣象條件為：4—9月平均氣溫(a1)、≥10℃的年積溫(a2)、4—9 月降水量(a3)、4—9 月日照時數(shù)(a4)和9月氣溫日較差(a5)5項，每項的評分細則如表1所示，將各項得分帶入公式(2)，即可得到本年度基本氣象條件評分。

1.2.3 氣象災(zāi)害的評分標準 除基本氣象條件外，氣象災(zāi)害[16]的發(fā)生也會對板栗的產(chǎn)量和品質(zhì)造成不可逆影響。果樹氣象災(zāi)害是在果樹生長過程中，導(dǎo)致果樹生長發(fā)育受抑制或死亡，使產(chǎn)量顯著下降的不利天氣氣候條件的總稱[17-18]。例如板栗休眠期溫度以0℃左右最為適宜，冬季不低于-10～-9℃；進入4月，青龍縣氣溫回升很快，但此時氣溫波動也較大，常出現(xiàn)倒春寒天氣，倒春寒是指初春（一般指3 月）氣溫回升較快，而在春季后期（一般指4月或5月）氣溫較正常年份偏低的天氣現(xiàn)象[19-21]，其危害的主要形式是春季溫度下降到比常年明顯偏低，長期低溫條件下，會影響板栗幼芽生長，嫩芽甚至被凍壞，延遲板栗開花時間。此外，板栗具有“干花濕果”的特性，開花期間連陰雨日數(shù)過多，光合作用減少，影響植株的花芽分化和授粉授精，從而導(dǎo)致落花、敗花降低坐果率，造成減產(chǎn)[22]；而在果實生長膨大期如降水少、水分條件不能正常滿足，易引起“空篷”、果實干癟，從而降低產(chǎn)量和品質(zhì)[23]。

表1 基本氣象條件評分標準

綜上所述，本氣候品質(zhì)認證主要考慮板栗生育期的氣象災(zāi)害有：12月—次年4月極端最低氣溫(b1)、3月中旬—4月下旬旬平均氣溫距平(b2)、花期最長連陰雨日數(shù)(b3)和果實膨大期干旱日數(shù)(b4)4 項。將氣象災(zāi)害發(fā)生的程度分為重度、中度、輕度和無災(zāi)害4 個等級，分級指標及評分標準詳見表2，依式(3)得到年度內(nèi)氣象災(zāi)害評分。

1.2.4 板栗氣候品質(zhì)認證指標 各年份內(nèi)的基本氣象條件評分與年內(nèi)氣象災(zāi)害評分之和，即為本年度內(nèi)板栗氣候品質(zhì)認定評分W，計算如公式(4)所示。

根據(jù)分值W 的不同，將板栗的氣候品質(zhì)分為3 個等級：（1）W＞95分，特優(yōu)；（2）95分≤W＜90分，優(yōu)；（3）W≤90分，一般。

1.2.5 DTOPSIS 方法介紹DTOPSIS 法是對逼近理想解排序法的進一步深化，是一種加權(quán)的TOPSIS 法[24]，具體計算步驟為[25]：

（1）建立基本氣象條件評價矩陣Aij，i為年份數(shù)，此處取值1,2,3,…,48，j=1,2,3,4,5 為基本氣象條件中的5個要素項，具體如公式(5)所示。

（2）將A進行無量綱化處理，使其成為可相互比較的規(guī)范化矩陣D，其中Dij如公式(6)所示。

（3）確定各指標權(quán)重，建立規(guī)范化決策矩陣R，其中矩陣R 的元素Rij=Wj×Dij，Wj為第j 個氣象要素的權(quán)重值，i、j取值同上。

（4）求取各氣象要素的理想解和負理想解，公式如(7)～(8)所示。

（5）采用歐幾里德范數(shù)作為距離的測定，得到各年基本氣象條件與理想解的距離如式(9)所示。

表2 氣象災(zāi)害分級指標及評分標準

與負理想解的距離如式(10)所示。

（6）求各年基本氣象條件對理想解的相對接近度，作為衡量決策點接近理想解而遠離非理想解的程度，即表示各年氣象條件的綜合評估指標C，如公式(11)所示。C值介于0～1之間，值越大，表明越接近理想解。

1.3 統(tǒng)計分析

通過Excel中的回歸分析，建立氣溫、降水和日照時數(shù)時間序列回歸方程，分析各要素的氣候變化特征；采用MATLAB軟件實現(xiàn)DTOPSIS方法中各項參數(shù)的計算，進而對綜合評估指標C值進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本氣象條件的時間變化特征

2.1.1 熱量資源 空氣溫度即氣溫是板栗生長發(fā)育的重要熱量資源之一，在年平均氣溫8～17℃，生長季10～24℃條件下易生長，開花期適宜溫度16～26℃，低于15℃影響授粉授精和坐果。果實膨大期，20℃以上的平均氣溫可促進堅果生長[26]，成熟期降溫早影響果實成熟，休眠期以0℃左右最為適宜，冬季氣溫不易低于-10℃。

1971—2018 年，青龍縣年平均氣溫在8.3～10.8℃之間變化，整體呈波動式上升（圖2），氣候傾向率為0.322℃/10 a，升溫顯著，尤以20 世紀90 年代最為突出。年平均氣溫最低值為8.3℃，出現(xiàn)在1985 年，最高值為10.8℃，出現(xiàn)在2017 年，2014—2018 年的平均氣溫均在10℃以上（圖2）。

全年冬季月份（1月、2月和12月）氣溫最低，夏季月份（6—8 月）最高，其中1 月最冷，其多年平均氣溫為-8.1℃，平均最低溫為-13.7℃；7月為年內(nèi)最熱月，其多年月平均氣溫為24.5℃，平均最高溫為29.7℃。青龍縣4—9月的多年月平均氣溫介于12.0～24.5℃之間，適宜板栗生長，5—9月該地的多年月平均氣溫均在17℃以上，對板栗的開花、坐果、果實膨大生長等均十分有利。

2.1.2 水分資源 板栗對水分條件要求不太嚴格，只要不出現(xiàn)較重的旱或澇，就對其生長發(fā)育無明顯影響[27]。年降水量500～2000 mm 的地區(qū)可栽培板栗，中國北方產(chǎn)區(qū)，雨量一般在500～800 mm。板栗有“干花濕果”的特性[28-29]，開花期間連陰雨日數(shù)過多，光合作用減少，影響植株的花芽分化和授粉授精，從而造成減產(chǎn)；而在果實生長膨大期如降水少，易引起“空篷”、果實干癟，從而降低產(chǎn)量和品質(zhì)。

1971—2018 年，青龍縣年平均降水量介于387.6～1128.8 mm之間，整體呈微弱的減少趨勢（圖3），氣候傾向率為-16.12 mm/10 a，其中20世紀80年代和21世紀初10 年降水量明顯減少，而20 世紀90 年代和2011 年之后的年份，降水量則呈增多變化，2011年后增多較為明顯。年降水量最少為1999 年的387.6 mm，其次為1982 年和2014 年，數(shù)值均在450 mm 以下。上述年份均出現(xiàn)過較重的氣象干旱，各年重旱以上日數(shù)達到36天以上，其中雨季7、8月份重旱以上日數(shù)超過15天。

青龍縣全年各月降水量分布特征與氣溫近似，冬季月份降水最少，夏季月份最多，1 月為最少月，其多年平均值為2.9 mm，7月最多為225.2 mm，約占全年總降水量的1/3，8 月次之。這種雨熱同季的氣候特點，對該地區(qū)板栗果實的生長到成熟十分有利。

2.1.3 光照資源 板栗是喜光的陽性植物，生長發(fā)育期的全過程要求充足的光照，尤以開花期和幼果發(fā)育期更要光照充足，空氣適度干爽，利于開花坐果，果實膨大期日照不足，抑制果實生長甚至落果，造成產(chǎn)量降低。故板栗適宜在光照充足的開闊地種植，白天超過6 h的光照，年日照時數(shù)2200～2900 h為最佳[30]。

1971—2018年，青龍縣日平均日照小時數(shù)為7.4 h，年平均值在2259.5～2956.6 h 之間，整體呈明顯的下降趨勢，氣候傾向率為-70.056 h/10 a，其中2001—2010年間日照時數(shù)減少最為顯著，較20世紀90年代減小了219.6 h，2011 年之后則有所上揚，2014—2018 年的數(shù)值均達到2600 h以上（圖4）。

全年3—6月間的日照最為充足，其次為8—10月，其中5 月的日照時數(shù)最多，占全年總量的10.2%。5、6月正值青龍縣板栗開花期，充足的光照和適度的干爽天氣對板栗的開花授粉授精和坐果十分必要，而秋季9 月為板栗的成熟期，若雨水過多、光照不足，則會引起苞皮破裂以致采前落果，影響栗果的品質(zhì)和耐儲性。

2.2 應(yīng)用DTOPSIS方法建立氣象條件綜合評價指標

根據(jù)1.2.5中介紹的方法逐步推導(dǎo)，其中各氣象要素的權(quán)重值即式(2)中各因子的系數(shù)，最終得到表示氣象條件的綜合指標C。圖5為1971—2018年氣象條件綜合評價指標C值的歷年分布情況，由圖可見，各年C值在0.22～0.86 之間變化，C 值越大，說明當年的氣象條件越適宜板栗的生長和發(fā)育。1971—2018年，指標C≥0.5 的年份占比為45.8%，其中1977、1984、1986、1994、1996年的C值超過0.75，為所有年份中相對較大的；C值低于0.3的年份為1999、2003、2006年。

2.3 板栗氣候品質(zhì)認證及其與C值的比較分析

從影響板栗生長過程中的溫、光、水3大基本氣象要素出發(fā)，采用多目標決策DTOPSIS 方法，獲得了青龍縣歷年氣象條件綜合評價指標C，雖然C 值的高低可以反映出氣象條件的優(yōu)劣，但由于多目標決策通常沒有一個方案能使每個目標值都達到最優(yōu)，而是獲得非劣解，即在所有可行解中沒有一個優(yōu)于它，因此在C值偏高年份，并不表示這一年的各項氣象要素都絕對優(yōu)質(zhì)，也可能存在氣象災(zāi)害的發(fā)生，而C 值偏低年份，也會出現(xiàn)某些氣象要素在板栗生長適宜范圍內(nèi)。

為驗證所建指標的合理性和可靠性，本研究將從氣象條件的定量和定性兩方面進行分析，以2008—2018年為例，將逐年氣象條件綜合指標C值與通過百分制方法獲得的同期板栗品質(zhì)等級進行對比分析。

2.3.1 基本氣象條件評分 根據(jù)青龍縣2008—2018 年間各基本氣象條件的實際情況，結(jié)合1.2.2中表1及公式(2)，得到各年份基本氣象條件的加權(quán)得分，如表3中所示。2010、2012、2016—2018 年為基本氣象條件滿分年份，表明上述5個年份的氣溫、降水和光照等基本氣象條件對板栗的生長和發(fā)育十分有利。

2.3.2 氣象災(zāi)害評分 根據(jù)2008—2018 年各年份內(nèi)氣象災(zāi)害的發(fā)生程度，依據(jù)1.2.3 中介紹的方法，通過式(3)得到氣象災(zāi)害評分，如表4 所示。2008—2018 年各年份內(nèi)均有氣象災(zāi)害發(fā)生，其中2014年和2015年的氣象災(zāi)害發(fā)生程度較重，得分均低于-10分，其次是2008年；2012、2016、2018 年的氣象災(zāi)害發(fā)生程度較輕，得分均在-1分以上。

2.3.3 板栗氣候品質(zhì)與C值的對比分析 綜合基本氣象條件評分與年內(nèi)氣象災(zāi)害評分之和，即為本年度內(nèi)板栗氣候品質(zhì)認定評分W，由公式(4)獲得。結(jié)合1.2.4中板栗品質(zhì)認證的分級標準，表5 中列出了2008—2018年青龍縣各年份板栗品質(zhì)綜合認證結(jié)果。由表可知，2008—2018年中有5個年份的板栗品質(zhì)達到特優(yōu)等級（W＞95分），分別為2010、2012、2013、2016、2018年，3個年份達到優(yōu)等級（95分≤W＜90分），其中2008、2014和2015 年的品質(zhì)相對其他年份較差，為品質(zhì)一般年（W≤90分）。

表3 青龍縣板栗生長的基本氣象條件評分

表4 氣象災(zāi)害評分

對應(yīng)各年氣象條件綜合評價指標C 值（表5），在板栗果品達到優(yōu)質(zhì)或以上等級的年份，C 值也是相對較高的，2008—2018年中2012年的C值最大，為0.73，其次是2016、2017和2010年，C值均在0.6以上。板栗品質(zhì)相對一般的2008、2014和2015年，C值較小，均在0.4以下。

3 結(jié)論與討論

（1）1971—2018 年，青龍縣年平均氣溫整體呈波動式上升，氣候傾向率為0.322℃/10 a；全年1月最冷，7月最熱，4—9 月的多年平均氣溫介于12～24.5℃之間，適宜板栗生長，5—9月均在17℃以上，對板栗的開花、坐果等十分有利。

（2）1971—2018 年，青龍縣年平均降水量整體呈微弱的減少趨勢，氣候傾向率為-16.12 mm/10 a，2011年之后增多明顯；1982、1999、2014 年為少雨年，年降水量均在450 mm 以下；全年各月的降水量分布特征與氣溫近似，冬季月份降水最少，夏季月份最多，1 月為最少月，7 月最多，這種雨熱同季的氣候特點，適宜該地區(qū)板栗果實生長至成熟。

表5 板栗品質(zhì)綜合認定結(jié)果

（3）1971—2018 年，青龍縣日平均日照小時數(shù)為7.4 h，整體呈明顯的下降趨勢，氣候傾向率為-70.056 h/10 a，2011 年之后有所上揚，2014—2018 年的數(shù)值均在2600 h以上；全年3—6月間的日照最為充足，其次為8—10月，春末秋初充足的光照和適度的干爽天氣對板栗的開花授粉授精和坐果十分必要。

（4）基于DTOPSIS 方法，建立了板栗生長的氣象條件綜合評價指標C，C值介于0～1之間。1971—2018年間，指標C≥0.5 的年份占比為45.8%，1977、1984、1986、1994、1996 年的C 值超過0.75，為所有年份中相對較大的；C值低于0.3的年份為1999、2003、2006年。

（5）以2008—2018 年為例，綜合基本氣象條件評分與年內(nèi)氣象災(zāi)害評分之和，對板栗氣候品質(zhì)進行了認證，其中5個年份的板栗品質(zhì)達到特優(yōu)等級（W＞95分），分別為2010、2012、2013、2016、2018 年，3 個年份達到優(yōu)等級（95 分≤W＜90 分），2008、2014、2015 年的品質(zhì)相對其他年份較差，為品質(zhì)一般年（W≤90分）。

（6）采用氣溫、降水和光照等基本氣象要素，通過DTOPSIS 方法所建立的氣象條件綜合評價指標C 值與板栗的氣候品質(zhì)之間大致存在正相關(guān)關(guān)系，板栗果品達到優(yōu)質(zhì)或以上等級的年份，C 值也是相對較高的。上述分析結(jié)果對今后年份板栗果品的評價和預(yù)估均有很好的指示作用。

本研究在建立氣象條件綜合指標C 值時，未將氣象災(zāi)害項列入其中，因此在實際應(yīng)用中，為達到更加準確的果品認定結(jié)果，建議結(jié)合年內(nèi)的氣象災(zāi)害發(fā)生情況最終給予果品評定結(jié)論。此外，板栗品質(zhì)受氣候條件、生產(chǎn)管理條件、地貌和土壤等多種因素影響，僅從果品生長的基本氣象條件和年度內(nèi)氣象災(zāi)害兩方面進行分析，對板栗的氣候品質(zhì)進行認證，其方法和考慮影響因素仍存在一定局限性，但在生產(chǎn)管理條件、地貌和土壤等資料不容易獲取的條件下，此方法也是相對科學、可行的。