基于氣象因子的湖南省柑橘氣候品質(zhì)評價模型研究
——以洞口蜜桔為例

鄧 玲，江滌非，黎躍勇，董子舟，譚詩琪

（1.湖南省氣象服務(wù)中心，湖南 長沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410118）

0 引言

農(nóng)作物氣候品質(zhì)評價是指氣候條件對作物品質(zhì)影響的優(yōu)劣等級的評定，是提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和聲譽、增強競爭力的有效手段之一［1-2］。隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，消費者對各類農(nóng)產(chǎn)品的需求已經(jīng)由量的滿足轉(zhuǎn)為質(zhì)的追求。目前及今后一段時間內(nèi)，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題是如何提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)［3］。柑橘是世界第一大果樹種類，中國是世界柑橘第一大生產(chǎn)國，湖南是全國柑橘優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)和橘橙的主要原產(chǎn)地。2016—2018年，在湖南省水果產(chǎn)業(yè)中，柑橘生產(chǎn)面積占72.8%～74.3%、產(chǎn)量占84.1%～85.4%。2018年湖南柑橘種植面積約38.43萬hm2，總產(chǎn)量達528.57萬t［4］。主要栽培品種有臍橙、冰糖橙、溫州蜜桔、椪柑等。因此，研究氣候條件對柑橘品質(zhì)的影響，并建立湖南柑橘氣候品質(zhì)評價的指標(biāo)和模型，可為客觀地評價柑橘品質(zhì)、提高柑橘產(chǎn)品的市場競爭力提供科學(xué)依據(jù)。

近年來，國內(nèi)很多學(xué)者采用逐步回歸法、主成分分析法、加權(quán)指數(shù)求合法等對茶葉、蘋果、水蜜桃、酥梨、水稻、獼猴桃、脆李、火龍果等農(nóng)產(chǎn)品開展了氣候品質(zhì)分析、評價和模型的研究［1-2，5-14］。關(guān)于氣象因子與柑橘品質(zhì)關(guān)系的研究，目前主要針對椪柑、臍橙、紅美人、蜜桔等柑橘品種，如李金強等［15］研究了貴州山地氣象因子與柑橘果實品質(zhì)的相關(guān)性，結(jié)果表明：年均溫、≥10 ℃年積溫、最冷月均溫、無霜期、日照等氣象因子與椪柑、紐荷爾臍橙的可食率、固形物、含糖量、糖酸比、固酸比等指標(biāo)呈正相關(guān)，與椪柑和紐荷爾臍橙的總酸、VC的含量呈負相關(guān)，其中，年均溫和最冷月均溫的影響較大，呈極顯著正相關(guān)。孫系巍等［16］研究發(fā)現(xiàn)，日照時數(shù)、晝夜溫差、降雨量等氣象因子對冰糖橙果實的可溶性固形物含量、酸含量和果實大小等品質(zhì)有重要的影響。王程寬等［17］采用相關(guān)性和回歸分析法，研究了紅美人柑橘果實品質(zhì)與不同物候期氣象因子的關(guān)系，結(jié)果表明：紅美人柑橘萌芽期降水量與果實蔗糖、總酸含量呈顯著正相關(guān)；同時期的日照時數(shù)與可溶性固形物、總酸含量呈顯著負相關(guān)，與蔗糖含量呈極顯著負相關(guān)。平均氣溫日較差是影響紅美人果實風(fēng)味的關(guān)鍵因素，晝夜溫差大，則果實風(fēng)味更佳。馬晶昊等［18］采用相關(guān)性分析法研究了洞口蜜桔品質(zhì)與氣象要素的關(guān)系，結(jié)果表明：10 ℃以上積溫和晝夜溫差對蜜桔的品質(zhì)的影響最大，其次是平均相對濕度、降水量、積溫、日照時數(shù)和平均氣溫。

根據(jù)2010—2020年湖南柑橘主產(chǎn)區(qū)代表品種洞口蜜桔，以及2015—2020年黔陽冰糖橙、道縣臍橙、石門柑橘的品質(zhì)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，首先，采用相關(guān)普查法篩選出湖南柑橘受氣象條件影響較大的品質(zhì)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，采用逐步回歸法篩選出影響湖南柑橘品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子，建立了湖南柑橘氣候品質(zhì)評價指標(biāo)。最后，基于2010—2020年洞口蜜桔的品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)和同期氣候指標(biāo)的數(shù)據(jù)，采用德爾菲法、主成分回歸方法、加權(quán)指數(shù)求合法，建立了洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價模型，基于該模型對洞口蜜桔近11年的氣候品質(zhì)進行了評價。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象數(shù)據(jù) 本文使用的氣象資料來源于1991—2020年洞口縣、2015—2020年道縣、洪江市、石門縣4個國家基本氣象站的逐日觀測資料。氣象要素包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度等。

1.1.2 品質(zhì)數(shù)據(jù) 本文使用的洞口蜜桔、黔陽冰糖橙、道縣臍橙、石門柑橘4個柑橘品種的品質(zhì)資料均來源于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)農(nóng)村局，檢測的品質(zhì)指標(biāo)包括含酸量、糖酸比、可溶性固形物、VC含量、可食率、出汁率、果實橫徑、果實縱徑、皮厚共9項。其中，洞口雪峰蜜桔品質(zhì)數(shù)據(jù)年份為2010—2020年，黔陽冰糖橙、道縣臍橙、石門柑橘品質(zhì)數(shù)據(jù)年份為2015—2020年。

1.2 研究方法

1.2.1 湖南柑橘受氣象條件影響較大的品質(zhì)指標(biāo)的篩選 按照柑橘的生長發(fā)育規(guī)律，其主要生育期為開花期、果實膨大期、果實迅速膨大期（壯果期）、著色期和采摘期，每個階段都會影響果實品質(zhì)的形成。通過文獻查閱、實地走訪調(diào)查以及專家咨詢，結(jié)合金志鳳等［19］起草發(fā)布的氣象行業(yè)標(biāo)準《農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價 柑橘》（QX/T 592—2020），初步擬定了27個氣象因子作為湖南省柑橘氣候品質(zhì)的待選指標(biāo)（表1）。運用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對2010—2020年洞口蜜桔、2015—2020年洪江黔陽冰糖橙、道縣臍橙、石門柑橘的9項品質(zhì)指標(biāo)的檢測數(shù)據(jù)，分別與各主產(chǎn)區(qū)同期歷史氣象數(shù)據(jù)進行相關(guān)性普查，得到各品質(zhì)指標(biāo)與27個初擬氣象因子的相關(guān)性分析結(jié)果（表2）。由此可知，在湖南省柑橘的9項品質(zhì)指標(biāo)中，受氣象因子影響較大的有可溶性固形物含量和VC含量2項。

表1 湖南省柑橘氣候品質(zhì)評價初擬待選氣象指標(biāo)（生育期以洞口蜜桔為例）［1］

表2 湖南省柑橘品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)氣象因子數(shù)量一覽表

1.2.2 湖南柑橘氣候品質(zhì)評價指標(biāo)的確定 在相關(guān)性普查結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用逐步回歸方法，篩選出影響湖南省柑橘可溶性固形物含量、VC含量形成的關(guān)鍵氣象因子，并結(jié)合專家意見，最終確定6項湖南省柑橘氣候品質(zhì)評價指標(biāo)，分別為：果實迅速膨大期—采摘期的累計日照時數(shù)（h）、果實膨大期的降水量（mm）、采摘期陰雨日數(shù)（d）、主要生長季（4—10月）平均氣溫（℃）、著色期—采摘期平均氣溫日較差（℃）和果實膨大期日最高氣溫≥35 ℃的最長持續(xù)天數(shù)（d）。

1.2.3 洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價模型的建立

1.2.3.1 品質(zhì)指標(biāo)等級劃分標(biāo)準 參照《農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價柑橘》（QX/T 592—2020），品質(zhì)指標(biāo)可溶性固形物含量Ss≥12.0%、11.0%≤Ss＜12.0%、Ss＜11.0%，分別對應(yīng)特優(yōu)、優(yōu)、良及其以下3個等級。將2010—2020年洞口蜜桔逐年VC含量檢測值進行K均值聚類分析，得到2個聚類中心：50.0%和55.0%，將品質(zhì)指標(biāo)VC含量分為3個等級：VC＞55.0%、50.0%＜VC≤55.0%、VC＜50.0%；分別對應(yīng)特優(yōu)、優(yōu)、良及其以下（表3）。

表3 洞口蜜桔、柑橘品質(zhì)指標(biāo)等級劃分

1.2.3.2 氣候品質(zhì)評價指標(biāo)閾值的確定 基于2010—2020年洞口蜜桔可溶性固形物含量、VC含量2項品質(zhì)數(shù)據(jù)和同期6項氣候指標(biāo)數(shù)據(jù)（表4），根據(jù)表3可以得出，2010—2020年洞口蜜桔可溶性固形物含量達到特優(yōu)級別的年數(shù)為8 a，特優(yōu)率為72.7%，VC含量達到優(yōu)、特優(yōu)級別的年數(shù)為9 a，優(yōu)率為81.8%，其中特優(yōu)率為54.5%。通過統(tǒng)計分析不同級別可溶性固形物含量和VC含量對應(yīng)的氣候指標(biāo)觀測值的范圍，經(jīng)專家指導(dǎo)修正，確定了6項氣候品質(zhì)評價指標(biāo)的分級賦值（表5）。

表4 2010—2021年洞口蜜桔品質(zhì)與同期氣候指標(biāo)數(shù)據(jù)

表5 洞口蜜桔評價指標(biāo)的分級賦值

1.2.3.3 氣候品質(zhì)評價指標(biāo)權(quán)重的確定 采用主成分分析方法，對洞口縣1991—2020年的6項氣候品質(zhì)評價指標(biāo)對應(yīng)的氣候數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到各氣候品質(zhì)評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（表6）。

表6 洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

1.2.3.4 氣候品質(zhì)評價模型的構(gòu)建 采用加權(quán)指數(shù)求和法建立洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價模型，見式（1）：

式（1）中：ID為洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價指數(shù)；ai為第i個氣候品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，a1～a6分別為8月下旬—11月中旬累計日照時數(shù)、7月中旬—9月中旬降水量、10月下旬—11月中旬陰雨日數(shù)、主要生長季（4—10月）平均氣溫、9月下旬—11月中旬氣溫日較差、7月中旬—9月中旬日最高氣溫≥35 ℃最長持續(xù)天數(shù)的權(quán)重系數(shù)，分別取0.23、0.14、0.16、0.11、0.27、0.09；Mi為第i個氣候品質(zhì)指標(biāo)的分級賦值。

1.2.3.5 氣候品質(zhì)等級的劃分 按照氣候品質(zhì)評價指數(shù)ID，將氣候品質(zhì)劃分為3個等級：特優(yōu)、優(yōu)、良及以下，并且把氣候品質(zhì)與洞口蜜桔品質(zhì)相對應(yīng)。將洞口蜜桔1991—2020年的氣候品質(zhì)評價指數(shù)ID進行K均值聚類分析，得到2個聚類中心，即2.8、2.5；按照聚類分析結(jié)果，將30年的ID值分成3類：ID≥2.8、2.5≤ID＜2.8、ID＜2.5，對應(yīng)洞口雪峰蜜桔氣候品質(zhì)等級為特優(yōu)、優(yōu)、良及其以下3個級別。

2 結(jié)果與分析

利用洞口縣國家基本氣象站2010—2020年的氣象觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)表4、表5、式（1）計算逐年洞口蜜桔品質(zhì)形成關(guān)鍵期的氣候品質(zhì)評價指數(shù)ID，根據(jù)表7數(shù)據(jù)得出2010—2020年洞口蜜桔的氣候品質(zhì)等級結(jié)果（表8）。

表7 洞口蜜桔氣候品質(zhì)等級劃分與評價指數(shù)

表8 2010—2020年洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價指數(shù)

由表8可知，近11年的洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價指數(shù)ID介于2.25～3.00，氣候品質(zhì)等級除2016、2020年為良及以下外，其余年份氣候品質(zhì)等級均為特優(yōu)或優(yōu)。通過與2010—2020年洞口蜜桔可溶性固形物和VC含量2個品質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的品質(zhì)等級數(shù)據(jù)對比可知（表9），根據(jù)評價模型確定的氣候品質(zhì)等級與實際的品質(zhì)等級吻合率較高，其中與2項品質(zhì)指標(biāo)等級均一致的年份有6 a，分別為2010、2011、2013、2014、2017、2020年；與1項品質(zhì)指標(biāo)等級一致的年份均為8 a，吻合率為72.7%。由此可見，本研究所建立的洞口蜜桔氣候品質(zhì)評價指標(biāo)和模型具備可靠性。

表9 洞口蜜桔可溶性固形物和VC含量品質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的品質(zhì)等級

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)2010—2020年湖南柑橘主產(chǎn)區(qū)的代表品種洞口蜜桔和2015—2020年黔陽冰糖橙、道縣臍橙、石門柑橘的品質(zhì)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，首先，采用相關(guān)普查法篩選湖南柑橘受氣象條件影響較大的品質(zhì)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，采用逐步回歸法篩選了影響湖南柑橘品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子，從而確定湖南柑橘氣候品質(zhì)的評價指標(biāo)；其次，基于2010—2020年洞口蜜桔的品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)和同期氣候指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用德爾菲法、主成分回歸方法、加權(quán)指數(shù)求和法，建立了洞口雪峰蜜桔氣候品質(zhì)評價模型，并基于該模型對洞口蜜桔近11年的氣候品質(zhì)進行了評價。

研究結(jié)論為：（1）湖南省9項柑橘品質(zhì)指標(biāo)中，受氣象因子影響較大的為可溶性固形物和VC含量2項指標(biāo)。

（2）影響湖南省柑橘氣候品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子主要為果實迅速膨大期—采摘期累計日照時數(shù)、果實膨大期降水量、采摘期陰雨日數(shù)、主要生長季（4—10月）平均氣溫、著色期—采摘期平均氣溫日較差、果實膨大期日最高氣溫≥35 ℃的最長持續(xù)天數(shù)等6項指標(biāo)。

（3）2010—2020年洞口蜜桔氣候評價指數(shù)介于2.25～3.00，除2016、2020年氣候品質(zhì)等級為良及以下外，其余年份均為優(yōu)、特優(yōu)級別。

（4）通過與2010—2020年洞口蜜桔的可溶性固形物含量和VC含量這2個品質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的品質(zhì)等級數(shù)據(jù)對比，根據(jù)氣候品質(zhì)評價模型確定的氣候品質(zhì)等級與實際的品質(zhì)等級吻合率較高，其中與2項品質(zhì)指標(biāo)等級均一致的年份有6 a，與1項品質(zhì)指標(biāo)等級一致的年份均為8 a，吻合率為72.7%。由此可見，本研究所建立的洞口雪峰蜜桔氣候品質(zhì)的評價指標(biāo)和模型具備可靠性。