遼東山區(qū)秋季紅楓樹觀賞期氣候預(yù)測研究

張鈺祺，馬林，于嬡平

（1.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110116； 2.遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧 沈陽 110116）

在植物的周年生長過程中，植物秋季紅葉屬于其中的一個物候期，彩色植物葉片本身具有獨特的組織結(jié)構(gòu)、光合特性、色素組成及合成過程，對于植物秋季紅葉來說，無論是季節(jié)以及氣候，還是土壤以及水文等因素，均會對其艷麗程度以及應(yīng)季時間產(chǎn)生重要的影響［1-3］。無論是落葉、樹木開花以及結(jié)果，還是葉變色、果實成熟以及展葉等植物的物候現(xiàn)象，均可反映相應(yīng)的環(huán)境條件［4-5］。

在遼東山區(qū)的旅游業(yè)中，植物的紅葉期以及花期有著無可比擬的作用和地位［6-7］，所以，當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)極為重視對植物秋季紅葉期的研究。進入到十月份之后，長白山余脈的遼東山區(qū)公路沿線連綿上百里的紅楓林進入觀賞期，坐落大山之中的關(guān)門山、大石湖、老邊溝、洋湖溝等景區(qū)在每年紅楓葉出現(xiàn)之后，都會吸引大批國內(nèi)外游客的慕名觀賞，從而進一步帶動了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。由于氣象環(huán)境會對紅楓葉變色期產(chǎn)生影響，因此為了促進當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展，對紅楓葉觀賞期進行預(yù)測便顯得極為重要。

在各類環(huán)境條件中，氣候是植物變化的主要驅(qū)動因子，可直接對植物物侯變化產(chǎn)生影響［8］。張增信等［9］以南京市植物花期為研究對象，以對其年際變化的研究結(jié)果為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)植物花期的變化主要會受到積溫的影響；顧品強等［10］在對桃樹的研究過程中指出，降水、日照以及氣溫等氣象因子均會對其成熟期以及開花期產(chǎn)生影響，具有極為明顯的生物學(xué)意義；劉俊等［11］在對桃花盛花期的研究過程中指出，在桃花盛花期前三個月中，溫度每上升1℃，盛花期便會出現(xiàn)6.47 d的提前，物候期對氣候變化具有極高的敏感度；王永格等［12］在對‘麗紅’元寶楓葉的研究過程中重點對光照強度所產(chǎn)生的影響進行了分析，并表示在全光照環(huán)境之中，秋季紅葉具有最佳的顏色；張春紅［13］通過研究楓葉變紅的影響因子確定了其氣象指標以及氣象預(yù)報因子；藺銀鼎等［14］以‘元寶楓’為研究對象，重點分析了氣候因子對其變色產(chǎn)生的影響。尹志聰?shù)龋?5］在對紅楓樹葉變色的研究過程中，重點對其氣象條件進行了分析，以變色日為研究對象，完成了對氣象統(tǒng)計預(yù)測模型的構(gòu)建。需要強調(diào)的是，雖然各地區(qū)存在著不同的地理以及地勢環(huán)境，但對于秋季樹葉變色與植物物候來說，不同的環(huán)境氣候條件對其產(chǎn)生的影響極為相似［16-17］。

紅楓（Acer palmatum ′Atropurpureum′）落葉小喬木為槭樹科（Aceraceae）槭屬（AcerL.）雞爪槭（Acer palmatumThunb.）的一個品種。本文以遼東山區(qū)本溪境內(nèi)的羊湖溝景區(qū)、關(guān)門山景區(qū)中的紅楓葉為研究對象，采用氣候診斷法來對其變色日期開展回歸分析以及線性相關(guān)分析，篩選出影響葉變色期的主要氣象因子，構(gòu)建相應(yīng)的氣候預(yù)測預(yù)報模型，旨在確定觀賞紅葉的適宜時間范圍，為旅游發(fā)展提供氣象服務(wù)支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本文物候資料來自于本溪縣關(guān)門山景區(qū)、羊湖溝景區(qū)林業(yè)部門，年限為2012 ～ 2021年。紅楓葉變色觀賞標準劃分為：全山變色率達到10%的日期為紅葉變色始期（初紅狀態(tài)），30%為斑紅狀態(tài)，60%為滿紅狀態(tài)，滿紅狀態(tài)至落葉50%視為最佳觀賞期。以本溪縣國家氣象觀測站對2012 ～ 2021年中所獲取的逐日觀測資料為依據(jù)來對氣象要素資料進行選用。無論是相對濕度、降水量、最高以及最低氣溫，還是氣溫日較差、日照時數(shù)以及平均氣溫，均屬于典型的氣象要素。

1.2 分析方法

本文使用了回歸分析法以及線性相關(guān)分析法［18］，以氣象因子以及紅楓樹葉的變色日期為研究對象，對其相關(guān)關(guān)系進行了分析。完成了對主要氣象因子的篩選，以紅楓樹葉變色日為依據(jù)來對其預(yù)測模型進行了構(gòu)建。借助Excel 2003軟件來完成線性相關(guān)系數(shù)及多元回歸方程的運算。

1.2.1 標準化

由于氣象要素單位存在著差異，可通過以下關(guān)系式來完成對其的標準化處理，即：

1.2.2 線性相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)r是衡量自變量（氣象要素x）與因變量（葉變色日y）之間關(guān)系的統(tǒng)計量［20］?？山柚率絹碛嬎闫湎嚓P(guān)系數(shù)。

其中，-1 ≤r≤ 1，正相關(guān)由r＞ 0來表示，負相關(guān)由r＜ 0來表示。各變量間的相關(guān)性與r絕對值的大小存在著正相關(guān)關(guān)系。借助相關(guān)系數(shù)檢驗表來對顯著性進行查算，不顯著相關(guān)、相關(guān)顯著以及相關(guān)極顯著分別由P＞ 0.05、P＜ 0.05以及P＜ 0.01來表示。

1.2.3 多元回歸

多元線性回歸方法是研究因變量與若干自變量的關(guān)系，可建立多元回歸方程，多元回歸方程見（3）式。

式中，yj為紅楓樹葉變色日期，xi為氣象要素，bi為偏回歸系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅楓樹葉變色期分析

紅楓是亞熱帶樹種，性喜溫暖、濕潤、涼爽的氣候環(huán)境，對土壤要求不嚴格。紅楓是一種非常美麗的觀葉樹種，遼東山區(qū)每年進入9月下旬氣溫下降后，關(guān)門山、羊湖溝景區(qū)紅楓葉開始變色。通過對表1的分析發(fā)現(xiàn)，在2012 ～ 2021年期間，對于本溪關(guān)門山景區(qū)的紅楓樹秋季紅葉期來說，其變紅的開始時間為9月下旬，觀賞期可持續(xù)到10月中下旬?？捎^賞期（斑紅至落葉）在9月下旬至10月中下旬，平均20 d左右，最佳觀賞期（滿紅至落葉）在10月上中旬，平均15 d左右。

表1 關(guān)門山景區(qū)2012 ～ 2021年紅楓樹秋季葉變色期Tab.1 Autumn leaf color period of red maple trees in Guanmen Mountain scenic spot from 2012 to 2021

2.2 影響紅楓樹葉變色的主要氣象因子分析

2.2.1 近期氣象要素對紅楓樹葉變色日期的影響

通過研究發(fā)現(xiàn)，光照強度與葉片變色質(zhì)量、花色素苷含量以及楓樹葉片可溶性糖含量存在著正相關(guān)關(guān)系。溫度是影響秋季植物葉變色的主要氣象條件之一，當(dāng)溫度較低時，紅葉色彩可達到最佳狀態(tài)，在低溫環(huán)境的作用下，植物體內(nèi)可完成對花色素苷的合成，進而導(dǎo)致秋季植物葉色出現(xiàn)變化［12，19-20］。葉綠素可在低溫環(huán)境中快速被分解，從而不斷形成以及積累花青素［22-23］。當(dāng)降雨量較為充沛時，促進葉綠素以及樹葉的生長，但會抑制花色素苷的合成，同時需消耗較長時間來褪去葉片綠色［21］。以所獲取的2012 ～ 2021年的物候監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，當(dāng)日最低氣溫下降至8℃及以下時，楓葉由綠色變?yōu)樽仙?，?dāng)日最低氣溫下降至6℃及以下時，楓葉開始變紅，當(dāng)日最低氣溫下降至4℃及以下時，60%以上楓葉變紅。楓葉變色滯后于氣溫下降2～3 d，楓葉變紅的速度取決于氣溫下降速率。以葉變色溫度指標為依據(jù)，假如溫度以極快的速度降至指標以下水平，則會破壞掉大部分葉綠素，并合成花青素，進而使葉子開始變紅；相反，氣溫下降速度慢，葉變色也相應(yīng)緩慢。如2017年紅葉始期出現(xiàn)于9月20日，早于其他年份，由于之前三天（9月17至19日）最低氣溫由17℃迅速下降至8℃以下，紅楓葉的變色時間提前，但進入到2018年9月下旬之后，氣溫下降速度緩慢，葉變色則推遲出現(xiàn)在10月1日。

表2所示，紅楓樹秋季紅葉始期與前10 d日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、活動積溫、日照時數(shù)呈正顯著相關(guān)，達到P＜ 0.01的檢驗水平，表現(xiàn)出氣溫高、熱量充足條件下紅楓樹秋季紅葉始期來臨較晚的特征；氣溫日較差、降水量及空氣相對濕度與紅葉始期不顯著相關(guān)。近10天的日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和活動積溫是影響紅楓樹葉變色的主要氣象因子。

表2 紅楓樹秋季紅葉始期與氣象要素相關(guān)分析Tab.2 Correlation analysis between autumn red leaf initiation and meteorological elements of red maple tree

2.2.2 前期氣象要素對紅楓樹葉變色日期的影響

以紅楓樹葉變色日期為研究對象，表3對其始期以及前期（6 ～ 9月）氣象要素的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了分析。在7月中，最高與最低氣溫以及平均氣溫均與紅楓樹葉的變色日期存在著負相關(guān)關(guān)系，日照則與紅楓樹葉的變色日期呈不顯著正相關(guān)，進入到8月份之后，紅楓樹葉變色始期與降水量存在著正相關(guān)關(guān)系。從而可知，在進入到7月份之后，隨著氣溫的不斷升高，紅楓樹葉變色期的提前趨勢將會變的更加明顯，例如進入到2017年7月之后，具有26.4℃的平均氣溫，與歷年的平均值（24.6℃）相比提高了1.9℃，紅楓樹葉變色期提前至9月20日，比平均日期（9月25日）提前5 d。8月的降水量越大，樹木生長越旺盛，葉片綠色褪去所需要的時間相對較長，紅楓樹葉變色越晚，如2019年8月降水432.0 mm是平均降水量（226.5 mm）的1.9倍，紅楓樹葉變色期后推至9月30日，與平均日期相比推遲了5 d。

表3 6 ～ 9月氣象要素與紅葉變色始期的相關(guān)分析Tab.3 Correlation analysis between meteorological elements and red leaf discoloration days from June to September

2.3 紅葉變色初始日期預(yù)測及模型

2.3.1 紅葉變色初始日期短期預(yù)測及模型

其一，根據(jù)氣象觀測統(tǒng)計指標和氣象部門發(fā)布的15 d或7 d時段的天氣預(yù)報預(yù)測紅楓葉變色始期。當(dāng)日最低氣溫下降至8℃及以下時，楓葉由綠色變?yōu)樽仙?，?dāng)日最低氣溫下降至6℃及以下時，楓葉開始變紅，當(dāng)日最低氣溫下降至4℃及以下時，楓葉變紅在60%以上，楓葉變色滯后于氣溫下降2～3 d，以此預(yù)測紅楓葉變色日期。

其二，根據(jù)紅楓葉變色始期與前10 d氣象要素相關(guān)分析結(jié)果，運用多元回歸方法建立紅葉始期預(yù)測模型，短期氣象統(tǒng)計預(yù)測模型為：

式中：x1為前10 d日最低的累加值；x2為前10 d日平均氣溫累加值（活動積溫）；x3為前10 d日照時數(shù)的累加值。該紅葉始期（y）預(yù)測模型F值為167.472，預(yù)測值與實測值相關(guān)系數(shù)為0.927，通過了P＜ 0.01顯著檢驗水平，模型回代擬合率為88.8%，預(yù)測準確率為83.5%。

2.3.2 紅葉變色初始日期中長期預(yù)測模型

通過紅葉期與氣象要素相關(guān)檢驗，7月平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫和8月降水量與紅楓樹葉變色日期顯著相關(guān)，從而選定7月平均氣溫和8月降水量作為中期預(yù)報因子。對2012 ～ 2020年的資料建模進行使用，選用2021年的資料來完成預(yù)測檢驗工作，對中期氣象統(tǒng)計預(yù)報模型進行構(gòu)建，即：

式中：y是日序數(shù)（設(shè)定9月1日為1，9月2日為2……，以此類推）；x=d1+1/d2，其中，d1為7月平均氣溫標準化值，d2為8月降水量標準化值。該紅葉始期（y）預(yù)測模型F值為27.017，標準誤差1.60，預(yù)測值與實測值擬合率為 77.2%，通過了P＜ 0.01顯著檢驗水平，平均殘差0.19，預(yù)測2021年y= 23.35，實測值9月22日，殘差1.35天（見表4）。

表4 關(guān)門山景區(qū)紅楓葉變色始期實測值與預(yù)測回帶檢驗Tab.4 Test of measured value and predicted return zone of red maple leaf in Guanmen Mountain scenic spot at the beginning of change

3 討論

楓樹秋季紅葉期出現(xiàn)時間的早晚與變色始期前3 d和前10 d的氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，與7月氣溫呈負相關(guān)，與8月降水量呈正相關(guān)，與尹志聰、吉奇等的研究結(jié)果一致，可證明秋季紅葉期出現(xiàn)時間與氣候變化存在著密切的相關(guān)性［15，24］。在前3天的葉變化過程中，氣溫作為重要的氣象因子，其下降幅度會對紅楓樹葉變色產(chǎn)生重要影響，高光照以及低溫條件會阻礙光合色素的合成，進而導(dǎo)致秋葉的顏色出現(xiàn)變化，當(dāng)溫度降低時，葉綠素合成酶活性減弱，抑制葉綠素的合成，同時在低溫條件的作用下，能夠快速合成以及積累花色素苷，并形成花青素，進而使葉子開始變紅。

當(dāng)日最低氣溫下降至8℃及以下時，楓葉由綠色變?yōu)樽仙?，?dāng)日最低氣溫下降至6℃及以下時，楓葉開始變紅，當(dāng)日最低氣溫下降至4℃及以下時，楓葉變紅在60%以上，楓葉變紅的速度取決于氣溫下降速率［22-23，25］。楓葉斑紅狀態(tài)與初霜日相吻合［19］，而在植物生長旺盛期的7月份高溫干旱，可促使葉變色提前［21，26］，降水量短期增加，對紅楓樹葉變色的影響不顯著，當(dāng)進入到7 ～ 8月份后，累計降水量開始變得極為充沛，樹木生長旺盛，葉綠素的生成以及樹葉生長被促進的同時花色素苷的合成受到抑制，因此需消耗較長時間來褪去葉片綠色，紅楓樹葉變色時間隨之推遲。如2019年8月降水是往年平均降水量的1.9倍，紅楓樹葉變色期延遲至9月30日，與平均日期相比，推遲的時間為5 d。

本文采用2012 ～ 2021年紅楓樹葉變色期監(jiān)測與調(diào)研資料，結(jié)合當(dāng)?shù)刈詣託庀笳練庀筚Y料，建立紅楓樹葉變色期的預(yù)測模型，因為本文所選用的資料相對有限，所獲取的預(yù)測結(jié)果準確率略顯不足，但此項研究對本溪紅葉觀賞期的預(yù)測仍具有一定的準確率和實踐可操作性。為此，在后續(xù)工作中需選用更為豐富的資料，從而通過對預(yù)測模型的優(yōu)化來對紅楓樹葉變色期展開更加深入的研究，使預(yù)測結(jié)果的精確率得到進一步提升，進而促進旅游氣象服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）遼東山區(qū)紅楓樹秋季紅葉始期在9月下旬，落葉在10月下旬，斑紅至落葉可觀賞期在9月下旬至10月中下旬，平均20 d左右，滿紅至落葉最佳觀賞期在10月上中旬及下旬初，平均15 d左右。

（2）遼東山區(qū)紅楓樹葉，當(dāng)日最低氣溫下降至8℃及以下時楓葉開始變色，當(dāng)日最低氣溫下降至6℃及以下時楓葉開始變紅，當(dāng)日最低氣溫下降至4℃及以下時楓葉變紅在60%以上，達到最佳觀賞期。楓葉變色滯后于低氣溫下降2～3 d。

（3）紅楓樹葉變紅始期前10 d的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、日照時數(shù)、活動積溫與葉變色初日顯著相關(guān)，而前10 d的平均日較差和降水量影響不明顯。

（4）7月份平均氣溫、平均最高和最低氣溫以及8月降水量對紅葉變色初日具有顯著的影響。通過因子篩選，7月平均氣溫和8月降水量與紅楓樹葉變紅始期建立回歸預(yù)測模型，預(yù)測值與實測值擬合率為77.2%。