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三门峡红富士苹果始花期预测模型研究

2022-08-19吉志红刘晓迎张燕燕曹苏娅

农学学报 2022年8期
关键词:积温三门峡平均气温

吉志红,刘晓迎,张燕燕,曹苏娅

(1河南省农业气象保障与应用技术重点实验室,郑州 450003;2三门峡市气象局,河南三门峡 472000;3河南省气象服务中心,郑州 450003)

0 引言

三门峡属暖温带半干旱内陆性气候,年平均气温14.1℃,年降雨量568.3 mm,年日照时数2091.4 h,全年无霜期211 天,平均相对湿度61%,最冷月(1 月)平均气温-0.1℃,最热月(7 月)平均气温26.6℃。三门峡适宜的气候和地理条件为苹果种植提供得天独厚的优势,全市苹果种植面积11.6×104hm2,种植区主要分布于灵宝市和陕州区境内,是农业农村部优势农产品区布局规划中重点扶持和发展的果树优生区之一。灵宝“寺河山苹果”香味浓郁、脆香可口、酸甜适中、绿色有机,已成为优质苹果的代名词。核心种植区在海拔在800~1200 m之间,土层厚、海拔高、温差大、日照长,土壤有机质含量明显高,完全符合苹果生长七项气候指标。近年来围绕苹果产业,依托雄厚的苹果产业基础、历史人文及景观资源,打造灵宝寺河山“苹果小镇”,开展苹果研学活动。从2017年开始三门峡市连续举办5届苹果赏花节,带动生态旅游持续发展,苹果始花期预测受到了政府高度关注。

苹果树属多年生落叶乔木,分早熟、中熟、晚熟品种,其中晚熟品种在中国占比较大。苹果树一年生长周期常用物候期来表示,主要有越冬期、萌芽显蕾期、花期、幼果发育期、果实膨大期、着色成熟期和落叶期。三门峡红富士苹果为晚熟品种,一般为2 月中旬左右开始萌芽、3 月下旬至4 月中旬开花,5 月幼果发育,6—8月果实膨大,10月中旬左右成熟,11月下旬落叶。物候不仅反映了过去气候条件积累对生物的综合影响以及当时当地的气候和环境状态[1],还可以作为预报指标,在引种、选种、植树造林、环境污染的监测等方面有参考作用[2],同时物候期的变化对生态、农业、卫生等产生重要影响[3]。随着气候变暖,大部分木本植物春季物候期表现提前趋势[4-5],花期为苹果树最重要的物候期,决定着苹果一年的产量和品质。近年来初春寒潮降温天气增加,晚霜冻危害出现频繁,花期冻害受到众多学者的关注。李美荣等[6]研究指出陕西省在土壤、灌溉条件许可的条件下,苹果种植北扩优先发展花期冻害基本无风险区及轻度风险区的地区;刘映宁等[7]围绕苹果政策性农业保险对气象服务的需求,确定了主要果区苹果花期冻害风险时段;孙智辉等[8]和曹雪梅等[9]对苹果花期冻的防御措施进行了探讨;张谋草等[10]分析了苹果花期冻害的致灾因子并以此建立了风险评估模型。苹果花期冻害防御需以始花期预测为基础,苹果始花期的预测研究也是政府和果农的迫切需求。李美荣等[11]在果树物候模型理论的基础上,应用统计学方法建立了基于平均气温和日照时数的苹果始花期预测模型;柏秦凤等[12]通过对0~5℃的活动/有效积温与苹果花期有显著相关性分析,指出有效积温因子好于活动积温因子与花期的相关性,分果区建立了陕西苹果花期预测模型;张艳艳等[13]对陇东苹果始花期与光热水气象因子分析,建立基于平均气温和积温的偏最小回归法预测模型;刘红等[14]用相关显著的气温积算值回归方程式,对安塞山地苹果初花日进行检验和预测;毛明策等[15]分析结果表明苹果始花期与上年冬后的积温有负相关关系,与花前逆序积温有显著的负相关;金美玉等[16]基于气温建立了苹果梨始花期预报模型,郭连云等[17]利用气温稳定通过5℃到3月底的积温值作为主要指标建立梨花始花期预测模型;张利华等[18]基于上年12 月—3 月上旬的气温和日照时数建立梨花预报模型。前人开展的大量研究对果树始花期预测提供重要成果,但大部分基于花期前正积温值或旬月气温,对于负积温的研究较少,负积温不足,对果树而言,会造成冬季不能完全进入休眠期,长期处于树液流动期,导致营养物质在树体茎干消耗,造成树根养分贮备不足,影响后期坐果结实[19]。笔者对三门峡地区苹果始花期与气象因子进行分析,并将负积温因子纳入研究,探索苹果始花期预测模型,以期服务地方经济发展,拓展气象服务领域,提升苹果花期冻害防御能力。

1 资料与方法

1.1 数据来源

气象资料来源于河南三门峡气象观测站,位于苹果种植区,因苹果花期一般为4月上旬至4月中旬,故选取上一年12月份至当年3月底前的日平均气温、降水量和日照时数。苹果物候期来自河南省三门峡苹果研究所2009—2020年“红富士”资料,观测基地位于苹果种植核心区,苹果树龄15 年,土壤质地为壤土。苹果种植分布及气象站见图1。

图1 三门峡苹果种植及气象站点分布图

1.2 研究方法

统计从1 月1 日至3 月底日平均气温、日降水量、日日照时数和≥0℃、≥3℃、≥5℃的积温,上一年12月1日至当年3月底<0℃积温。苹果始花期天数统计为将1 月1 日至苹果始花日期的时段转化成相应的天数。利用SPSS软件分析与苹果花期相关性好的气象因子,以此建立苹果始花期预测回归模型,并对各模型进行检验,筛选出最优苹果始花期预测模型。

2 结果与分析

2.1 苹果始花期特征

苹果始花期采用年日序的表示方法,即自1月1日至该日期的日数,得到物候期的时间序列(1 月1 日为1、2月1日为32……,以此类推),见表1。

表1 三门峡苹果历年始花期日数

2009 年以来,苹果始花期最早出现在4 月1 日(2018 年),最晚出现在4 月18 日(2012 年),苹果始花期出现提前趋势,线性变化率为3.7d/10a,但未通过0.05 显著性水平检验。芽膨大期最早出现在3 月9 日(2013 年),最晚出现在3 月26 日(2011 年),芽膨大至花期间隔日数最长31 天(2017 年),最短仅为16 天(2014、2019 年)。从图2 可看出芽膨大期日数与始花期日数有一定趋势性,但相关分析结果未通过0.05水平显著性检验。

图2 芽膨大至始花期日数趋势图

2.2 气温变化对苹果始花期影响

利用上一年12月至当年3月底的旬、月平均气温与当年出现的始花期进行相关分析,由表2可知,苹果始花期与3月中旬、3月下旬平均气温、3月平均气温与苹果始花期呈显著负相关。

表2 旬月平均气温与花期相关系数

2.3 积温变化对苹果始花期影响

落叶果树为适应不良环境,多以植株形态进行休眠,依据休眠期的生理活动特征和生态表现,分自然休眠和被迫休眠2个阶段。需冷量是植物在长期自然演变过程中形成的对休眠期低温量的要求,只有满足了需冷量,才能保证其顺利通过自然休眠。苹果树需经过1200~1500 h的0~7.2℃低温休眠期才能正常开花坐果[20-21]。三门峡地区秋季稳定通过7.2℃日期为11 月15日左右,解除自然休眠日期为次年1月初,故积温研究时段为1月1日至3月底。

积温因子主要包括≥0℃积温、≥3℃活动积温、≥3℃有效积温、≥5℃活动积温、≥5℃有效积温。由表3可知与始花期相关性各积温因子中,≥0℃活动积温、≥3℃、≥5℃活动积温和有效积温均呈现显著负相关,表明≥0℃以上积温越大则苹果开花越早。

本研究负积温时段为上年12月至当年3月底<0℃积温,由表3 可知:<0℃积温与花期呈现明显正相关,负积温值越小苹果树开花越早。2017 年<0℃积温7.10℃·d,是所有年份中最小值,当年花期4 月12 日,为第二晚年份,出现与结论不一致现象。分析其原因为2017年芽膨大期为3月12日,是所有年份中芽膨大日期较早的年份,但芽膨大至开花期间,气温持续偏低,降水偏多,不仅抑制了花期提前,且推迟了开花日期。

表3 各积温因子与始花期相关系数

2.4 降水和日照变化对始花期影响

分析当年1—3月的降水、日照与始花期相关性可知(表4),无论旬、月变化对始花期影响均较小,说明降水和日照不是影响花期早晚的主要因素,在始花期预测模型中可不予考虑。

表4 降水、日照与始花期相关系数

2.5 苹果始花期预测模型建立及检验

2.5.1 建立苹果始花期预测模型 以2009—2020 年三门峡气象站数据为基础,利用SPSS软件逐步回归的方法建立三门峡市苹果始花期预测模型,见表5。模型Y1利用2009—2017 年数据建模,进入因子为3 月中旬气温。模型Y2利用2009—2020年奇数年数据建模,进入因子3月中旬气温。积温指标在果树花期预测中被国内学者广泛应用[22-23],考虑到积温对花期预测关键性作用,模型Y3和Y4剔除旬月平均气温,用2009—2017年数据建模,进入因子分别为≥3℃活动积温和<0℃积温。

表5 三门峡苹果始花期预测模型

2.5.2 预测效果检验 利用2018、2019、2020 年真实始花期及气象数据,对模型Y1、Y3、Y4进行检验,各结果见表6。利用2009—2020年偶数年数据对模型Y2进行检验,见表7。通过各模型检验和对比,进入因子为≥3℃活动积温和<0℃积温的模型Y4较其他模型误差更小,准确率更高。

表6 三门峡花期预测模型回代检验及误差模型

表7 模型Y2回代检验及误差模型

3 讨论

关于苹果始花期的预测,前人做出了大量的研究,也取得明显成绩。本次研究对≥0℃以上积温各因子主要影响时段做了明确界定,即从本地果树大概解除自然休眠日期(1 月1 日)开始计算,具有明显的合理性。随着全球气候变暖,负积温不足对果树的影响日益凸显,本研究将负积温作为预测因子,为苹果始花期预测探索出新的思路。

李美荣等研究指出,始花前适宜的降水能增加空气相对湿度和促进开花,但降水量较大、雨日多则有抑制开花的效果,本研究中降水与始花期相关性差未作为预测因子,主要因为本地开花期间降水较少,遇到类似天气可酌情考虑始花期预测日期。

本研究首先利用逐步回归方建立的预测模型Y1和Y2未包含温因子,考虑到积温在始花期预测的重要性,花期预测模型Y3和Y4在设计中主动剔除了旬、月平均气温因子,从而得到只包含积温因子的模型,尽管模型Y4效果明显,但存在一定主观因素,在今后的服务中可综合考虑、相互验证。另本研究只考虑了气象因素,样本较少具有一定局限性,且未考虑果树管理等影响,有待综合考虑和继续完善。

4 结论

三门峡苹果始花期出现提前趋势,但未通过显著性检验。本研究通过对不同气象因子与苹果始花期的分析表明,气温是影响苹果始花期早晚的主要因素,苹果始花期与3月中旬平均气温、3月下旬平均气温、3月平均气温呈现显著负相关,与≥0℃活动积温、≥3℃活动积温和有效积温、≥5℃活动积温和有效积温均呈现显著负相关,与<0℃积温呈明显正相关,而降水和日照不是影响花期早晚的主要因素。依据2009—2017和2009—2020 奇数年份数据建立4 种始花期预测模型,通过2018—2020 年苹果始花期预测检验,优选出基于≥3℃活动积温和<0℃负积温因子的模型,其回归方程为Y4=131.727-0.069X2+0.072X3,误差分别为2.5天、-0.1天、-0.1天,预报结果更为精准,此模型可应用于后期服务中,为苹果始花期预测和冻害防御提供科学依据。

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