三門峽紅富士蘋果始花期預(yù)測模型研究

吉志紅，劉曉迎，張燕燕，曹蘇婭

（1河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，鄭州 450003；2三門峽市氣象局，河南三門峽 472000；3河南省氣象服務(wù)中心，鄭州 450003）

0 引言

三門峽屬暖溫帶半干旱內(nèi)陸性氣候，年平均氣溫14.1℃，年降雨量568.3 mm，年日照時數(shù)2091.4 h，全年無霜期211 天，平均相對濕度61%，最冷月（1 月）平均氣溫-0.1℃，最熱月（7 月）平均氣溫26.6℃。三門峽適宜的氣候和地理條件為蘋果種植提供得天獨厚的優(yōu)勢，全市蘋果種植面積11.6×104hm2，種植區(qū)主要分布于靈寶市和陜州區(qū)境內(nèi)，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品區(qū)布局規(guī)劃中重點扶持和發(fā)展的果樹優(yōu)生區(qū)之一。靈寶“寺河山蘋果”香味濃郁、脆香可口、酸甜適中、綠色有機，已成為優(yōu)質(zhì)蘋果的代名詞。核心種植區(qū)在海拔在800～1200 m之間，土層厚、海拔高、溫差大、日照長，土壤有機質(zhì)含量明顯高，完全符合蘋果生長七項氣候指標。近年來圍繞蘋果產(chǎn)業(yè)，依托雄厚的蘋果產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、歷史人文及景觀資源，打造靈寶寺河山“蘋果小鎮(zhèn)”，開展蘋果研學活動。從2017年開始三門峽市連續(xù)舉辦5屆蘋果賞花節(jié)，帶動生態(tài)旅游持續(xù)發(fā)展，蘋果始花期預(yù)測受到了政府高度關(guān)注。

蘋果樹屬多年生落葉喬木，分早熟、中熟、晚熟品種，其中晚熟品種在中國占比較大。蘋果樹一年生長周期常用物候期來表示，主要有越冬期、萌芽顯蕾期、花期、幼果發(fā)育期、果實膨大期、著色成熟期和落葉期。三門峽紅富士蘋果為晚熟品種，一般為2 月中旬左右開始萌芽、3 月下旬至4 月中旬開花，5 月幼果發(fā)育，6—8月果實膨大，10月中旬左右成熟，11月下旬落葉。物候不僅反映了過去氣候條件積累對生物的綜合影響以及當時當?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境狀態(tài)[1]，還可以作為預(yù)報指標，在引種、選種、植樹造林、環(huán)境污染的監(jiān)測等方面有參考作用[2]，同時物候期的變化對生態(tài)、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生等產(chǎn)生重要影響[3]。隨著氣候變暖，大部分木本植物春季物候期表現(xiàn)提前趨勢[4-5]，花期為蘋果樹最重要的物候期，決定著蘋果一年的產(chǎn)量和品質(zhì)。近年來初春寒潮降溫天氣增加，晚霜凍危害出現(xiàn)頻繁，花期凍害受到眾多學者的關(guān)注。李美榮等[6]研究指出陜西省在土壤、灌溉條件許可的條件下，蘋果種植北擴優(yōu)先發(fā)展花期凍害基本無風險區(qū)及輕度風險區(qū)的地區(qū)；劉映寧等[7]圍繞蘋果政策性農(nóng)業(yè)保險對氣象服務(wù)的需求，確定了主要果區(qū)蘋果花期凍害風險時段；孫智輝等[8]和曹雪梅等[9]對蘋果花期凍的防御措施進行了探討；張謀草等[10]分析了蘋果花期凍害的致災(zāi)因子并以此建立了風險評估模型。蘋果花期凍害防御需以始花期預(yù)測為基礎(chǔ)，蘋果始花期的預(yù)測研究也是政府和果農(nóng)的迫切需求。李美榮等[11]在果樹物候模型理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計學方法建立了基于平均氣溫和日照時數(shù)的蘋果始花期預(yù)測模型；柏秦鳳等[12]通過對0～5℃的活動/有效積溫與蘋果花期有顯著相關(guān)性分析，指出有效積溫因子好于活動積溫因子與花期的相關(guān)性，分果區(qū)建立了陜西蘋果花期預(yù)測模型；張艷艷等[13]對隴東蘋果始花期與光熱水氣象因子分析，建立基于平均氣溫和積溫的偏最小回歸法預(yù)測模型；劉紅等[14]用相關(guān)顯著的氣溫積算值回歸方程式，對安塞山地蘋果初花日進行檢驗和預(yù)測；毛明策等[15]分析結(jié)果表明蘋果始花期與上年冬后的積溫有負相關(guān)關(guān)系，與花前逆序積溫有顯著的負相關(guān)；金美玉等[16]基于氣溫建立了蘋果梨始花期預(yù)報模型，郭連云等[17]利用氣溫穩(wěn)定通過5℃到3月底的積溫值作為主要指標建立梨花始花期預(yù)測模型；張利華等[18]基于上年12 月—3 月上旬的氣溫和日照時數(shù)建立梨花預(yù)報模型。前人開展的大量研究對果樹始花期預(yù)測提供重要成果，但大部分基于花期前正積溫值或旬月氣溫，對于負積溫的研究較少，負積溫不足，對果樹而言，會造成冬季不能完全進入休眠期，長期處于樹液流動期，導致營養(yǎng)物質(zhì)在樹體莖干消耗，造成樹根養(yǎng)分貯備不足，影響后期坐果結(jié)實[19]。筆者對三門峽地區(qū)蘋果始花期與氣象因子進行分析，并將負積溫因子納入研究，探索蘋果始花期預(yù)測模型，以期服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展，拓展氣象服務(wù)領(lǐng)域，提升蘋果花期凍害防御能力。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于河南三門峽氣象觀測站，位于蘋果種植區(qū)，因蘋果花期一般為4月上旬至4月中旬，故選取上一年12月份至當年3月底前的日平均氣溫、降水量和日照時數(shù)。蘋果物候期來自河南省三門峽蘋果研究所2009—2020年“紅富士”資料，觀測基地位于蘋果種植核心區(qū)，蘋果樹齡15 年，土壤質(zhì)地為壤土。蘋果種植分布及氣象站見圖1。

圖1 三門峽蘋果種植及氣象站點分布圖

1.2 研究方法

統(tǒng)計從1 月1 日至3 月底日平均氣溫、日降水量、日日照時數(shù)和≥0℃、≥3℃、≥5℃的積溫，上一年12月1日至當年3月底＜0℃積溫。蘋果始花期天數(shù)統(tǒng)計為將1 月1 日至蘋果始花日期的時段轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的天數(shù)。利用SPSS軟件分析與蘋果花期相關(guān)性好的氣象因子，以此建立蘋果始花期預(yù)測回歸模型，并對各模型進行檢驗，篩選出最優(yōu)蘋果始花期預(yù)測模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果始花期特征

蘋果始花期采用年日序的表示方法，即自1月1日至該日期的日數(shù)，得到物候期的時間序列（1 月1 日為1、2月1日為32……，以此類推），見表1。

表1 三門峽蘋果歷年始花期日數(shù)

2009 年以來，蘋果始花期最早出現(xiàn)在4 月1 日（2018 年），最晚出現(xiàn)在4 月18 日（2012 年），蘋果始花期出現(xiàn)提前趨勢，線性變化率為3.7d/10a，但未通過0.05 顯著性水平檢驗。芽膨大期最早出現(xiàn)在3 月9 日（2013 年），最晚出現(xiàn)在3 月26 日（2011 年），芽膨大至花期間隔日數(shù)最長31 天（2017 年），最短僅為16 天（2014、2019 年）。從圖2 可看出芽膨大期日數(shù)與始花期日數(shù)有一定趨勢性，但相關(guān)分析結(jié)果未通過0.05水平顯著性檢驗。

圖2 芽膨大至始花期日數(shù)趨勢圖

2.2 氣溫變化對蘋果始花期影響

利用上一年12月至當年3月底的旬、月平均氣溫與當年出現(xiàn)的始花期進行相關(guān)分析，由表2可知，蘋果始花期與3月中旬、3月下旬平均氣溫、3月平均氣溫與蘋果始花期呈顯著負相關(guān)。

表2 旬月平均氣溫與花期相關(guān)系數(shù)

2.3 積溫變化對蘋果始花期影響

落葉果樹為適應(yīng)不良環(huán)境，多以植株形態(tài)進行休眠，依據(jù)休眠期的生理活動特征和生態(tài)表現(xiàn)，分自然休眠和被迫休眠2個階段。需冷量是植物在長期自然演變過程中形成的對休眠期低溫量的要求，只有滿足了需冷量，才能保證其順利通過自然休眠。蘋果樹需經(jīng)過1200～1500 h的0～7.2℃低溫休眠期才能正常開花坐果[20-21]。三門峽地區(qū)秋季穩(wěn)定通過7.2℃日期為11 月15日左右，解除自然休眠日期為次年1月初，故積溫研究時段為1月1日至3月底。

積溫因子主要包括≥0℃積溫、≥3℃活動積溫、≥3℃有效積溫、≥5℃活動積溫、≥5℃有效積溫。由表3可知與始花期相關(guān)性各積溫因子中，≥0℃活動積溫、≥3℃、≥5℃活動積溫和有效積溫均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，表明≥0℃以上積溫越大則蘋果開花越早。

本研究負積溫時段為上年12月至當年3月底＜0℃積溫，由表3 可知：＜0℃積溫與花期呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，負積溫值越小蘋果樹開花越早。2017 年＜0℃積溫7.10℃·d，是所有年份中最小值，當年花期4 月12 日，為第二晚年份，出現(xiàn)與結(jié)論不一致現(xiàn)象。分析其原因為2017年芽膨大期為3月12日，是所有年份中芽膨大日期較早的年份，但芽膨大至開花期間，氣溫持續(xù)偏低，降水偏多，不僅抑制了花期提前，且推遲了開花日期。

表3 各積溫因子與始花期相關(guān)系數(shù)

2.4 降水和日照變化對始花期影響

分析當年1—3月的降水、日照與始花期相關(guān)性可知（表4），無論旬、月變化對始花期影響均較小，說明降水和日照不是影響花期早晚的主要因素，在始花期預(yù)測模型中可不予考慮。

表4 降水、日照與始花期相關(guān)系數(shù)

2.5 蘋果始花期預(yù)測模型建立及檢驗

2.5.1 建立蘋果始花期預(yù)測模型 以2009—2020 年三門峽氣象站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用SPSS軟件逐步回歸的方法建立三門峽市蘋果始花期預(yù)測模型，見表5。模型Y1利用2009—2017 年數(shù)據(jù)建模，進入因子為3 月中旬氣溫。模型Y2利用2009—2020年奇數(shù)年數(shù)據(jù)建模，進入因子3月中旬氣溫。積溫指標在果樹花期預(yù)測中被國內(nèi)學者廣泛應(yīng)用[22-23]，考慮到積溫對花期預(yù)測關(guān)鍵性作用，模型Y3和Y4剔除旬月平均氣溫，用2009—2017年數(shù)據(jù)建模，進入因子分別為≥3℃活動積溫和＜0℃積溫。

表5 三門峽蘋果始花期預(yù)測模型

2.5.2 預(yù)測效果檢驗 利用2018、2019、2020 年真實始花期及氣象數(shù)據(jù)，對模型Y1、Y3、Y4進行檢驗，各結(jié)果見表6。利用2009—2020年偶數(shù)年數(shù)據(jù)對模型Y2進行檢驗，見表7。通過各模型檢驗和對比，進入因子為≥3℃活動積溫和＜0℃積溫的模型Y4較其他模型誤差更小，準確率更高。

表6 三門峽花期預(yù)測模型回代檢驗及誤差模型

表7 模型Y2回代檢驗及誤差模型

3 討論

關(guān)于蘋果始花期的預(yù)測，前人做出了大量的研究，也取得明顯成績。本次研究對≥0℃以上積溫各因子主要影響時段做了明確界定，即從本地果樹大概解除自然休眠日期（1 月1 日）開始計算，具有明顯的合理性。隨著全球氣候變暖，負積溫不足對果樹的影響日益凸顯，本研究將負積溫作為預(yù)測因子，為蘋果始花期預(yù)測探索出新的思路。

李美榮等研究指出，始花前適宜的降水能增加空氣相對濕度和促進開花，但降水量較大、雨日多則有抑制開花的效果，本研究中降水與始花期相關(guān)性差未作為預(yù)測因子，主要因為本地開花期間降水較少，遇到類似天氣可酌情考慮始花期預(yù)測日期。

本研究首先利用逐步回歸方建立的預(yù)測模型Y1和Y2未包含溫因子，考慮到積溫在始花期預(yù)測的重要性，花期預(yù)測模型Y3和Y4在設(shè)計中主動剔除了旬、月平均氣溫因子，從而得到只包含積溫因子的模型，盡管模型Y4效果明顯，但存在一定主觀因素，在今后的服務(wù)中可綜合考慮、相互驗證。另本研究只考慮了氣象因素，樣本較少具有一定局限性，且未考慮果樹管理等影響，有待綜合考慮和繼續(xù)完善。

4 結(jié)論

三門峽蘋果始花期出現(xiàn)提前趨勢，但未通過顯著性檢驗。本研究通過對不同氣象因子與蘋果始花期的分析表明，氣溫是影響蘋果始花期早晚的主要因素，蘋果始花期與3月中旬平均氣溫、3月下旬平均氣溫、3月平均氣溫呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，與≥0℃活動積溫、≥3℃活動積溫和有效積溫、≥5℃活動積溫和有效積溫均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，與＜0℃積溫呈明顯正相關(guān)，而降水和日照不是影響花期早晚的主要因素。依據(jù)2009—2017和2009—2020 奇數(shù)年份數(shù)據(jù)建立4 種始花期預(yù)測模型，通過2018—2020 年蘋果始花期預(yù)測檢驗，優(yōu)選出基于≥3℃活動積溫和＜0℃負積溫因子的模型，其回歸方程為Y4=131.727-0.069X2+0.072X3，誤差分別為2.5天、-0.1天、-0.1天，預(yù)報結(jié)果更為精準，此模型可應(yīng)用于后期服務(wù)中，為蘋果始花期預(yù)測和凍害防御提供科學依據(jù)。