基于因子分析的胡椒寒害氣象等級研究

王燦　楊建峰　陳小敏　祖超　李志剛　魚歡　鄔華松

摘 要 根據寒害發生年份氣象數據及胡椒發生寒害臨界溫度，提取胡椒寒害的初始氣象指標，利用因子分析進行降維等計算后，結合胡椒實地寒害調查情況，建立以寒害氣象綜合指標為分類標準的胡椒寒害等級。結果表明，由因子分析降維獲取的兩個因子可分別解釋為低溫累積因子和溫度降幅因子，并可將其作為分析寒害形成原因的量化指標；寒害氣象綜合指數可以有效表征不同寒害程度，與寒害實地調查的結果比較，二者具有較好的一致性。本研究結果可為進一步評估胡椒寒害風險提供依據，對胡椒產業發展、布局規劃等具有參考意義。

關鍵詞 胡椒；因子分析；寒害；等級劃分

中圖分類號 S573.9 文獻標識碼 A

Classification of Black Pepper Chilling Injury

Based on Factor Analysis

WANG Can1，2，3， YANG Jianfeng1，2，3， CHEN Xiaomin4， ZU Chao1，2，3，

LI Zhigang1，2，3， YU Huan1，2，3， WU Huasong1，2，3*

1 Spice and Beverage Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agriculture Science， Wanning， Hainan 571533， China

2 Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops， Ministry of Agriculture， Wanning， Hainan 571533， China

3 Hainan Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical

spice and Beverage Crops， Wanning， Hainan 571533， China

4 Hainan Institute of Meteorological Science， Haikou， Hainan 570203， China

Abstract Based on historical meteorological data and the critical temperatures inducing chilling injury of black pepper（Piper nigrum L.）， a classification was established based on factor analysis method for assessing and ranking chilling injuries in black pepper. Two factors calculated from factor analysis got reasonable explanation and could be used as quantitative indicators to evaluate the formation of chilling injury. After a further calculation of the two factors， an integrated index was obtained to assess and rank chilling injuries of black pepper and showed a good consistency with actual chilling injury investigation. The results indicated that the classification was acceptable and available for evaluating the risk of chilling injury in black pepper.

Key words Black pepper （Piper nigrum L.）；Factor analysis；Chilling injury；Classification

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.011

胡椒（Piper nigrum L.）是世界重要的香辛料，具有較高的經濟價值[1-2]。近年來，隨著胡椒價格逐步攀升，我國熱區胡椒種植面積不斷擴大，除傳統優勢種植區海南外，云南省胡椒種植面積發展最為迅速[3-4]。云南緯度偏高，位于我國熱帶亞熱帶交界處，冬季溫度低，不利胡椒安全越冬[5]。因此，建立合理有效的胡椒寒害風險評估方法對指導胡椒產業發展具有重要意義。

胡椒寒害等級劃分是進行寒害風險評估的基礎，但由于胡椒是典型的熱帶作物，胡椒寒害等級分類等研究鮮見報道，目前僅有少量文獻對寒害等級有簡單定性描述和分級[6]，難以指導生產。而在荔枝、香蕉和橡膠等熱帶作物的寒害等級研究中，根據作物發生寒害的臨界溫度和氣象數據，通過主成分分析建立了相應的寒害氣象等級分類[7-9]，為胡椒相關研究提供了很好的借鑒意義。

利用多元統計方法對眾多寒害氣象指數進行降維，是寒害氣象等級研究中的重要步驟[7-9]，主要方法有主成分分析法和因子分析法[10]。二者均是基于降維思想，從多變量大樣本數據中找出少數幾個互不相關的綜合變量來盡可能地反映原來數據所含有的絕大部分信息。但與主成分分析相比，因子分析是對原始變量信息進行重新組合，找出影響變量的共同因子，并通過旋轉，使因子得到更合理的解釋[10-11]。由于寒害主要分為平流型和輻射型兩類，其形成原因、對作物的影響程度均存在差異[12-13]。因此本研究嘗試采用因子分析，從胡椒初始寒害氣象指標中提取兩個因子，以分析寒害形成原因，在此基礎上進一步計算獲得寒害氣象綜合指數，并結合實際寒害癥狀調查，建立胡椒的寒害氣象等級分類。

1 材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 寒害實地調查 2013～2014年冬春，我國胡椒主要產區海南和云南均出現不同程度寒害。針對這一情況，2014年初課題組人員在寒害結束后一周內，對海南胡椒主產區萬寧、瓊海、文昌、?？凇⒊芜~地區的11個胡椒典型寒害影響地塊進行了調查，同時聯合云南熱經所、綠春縣農業局等單位對云南胡椒主產區德宏、保山、綠春、盈江地區9個胡椒寒害影響較重的地塊進行了調查，胡椒品種均為我國大面積種植的熱引1號，調查地點主要概況見表1中1～20。

為了進一步豐富等級劃分的數據基礎，在文獻中收集整理歷年有過定量描述的寒害報道，將1975～1976年冬春廣東高州、海南?？诤铜偤５暮1]納入本研究中，見表1中21～23。

調查項目包括胡椒葉片出現黑斑的植株數、單株黑斑葉數、結果枝變黑壞死的株數、單株結果枝壞死的節數、單株平均落葉率、單株平均落果率、植株死亡率。

1.1.2 寒害地區氣象數據收集 從調查地點附近農場的自動氣象站獲取2013年11月至次年1月22日的逐日最高溫和最低溫，調查地點沒有自動氣象站的，以所在市級氣象臺站的相應數據代替；1975～1976年冬春廣東高州、海南?？诤铜偤５臍庀髷祿膰覛庀缶謹祿熘蝎@取。

1.2 研究方法

1.2.1 胡椒傳統寒害等級劃分 根據寒害危害程度，傳統寒害等級劃分共分為7級[6]：0級，無寒害；Ⅰ級，枝蔓先端2～4節落葉、脫節；Ⅱ級，樹冠枯1/4；Ⅲ級，樹冠枯1/4～1/2；Ⅳ級，樹冠全枯；Ⅴ級，地上部枯死；Ⅵ級，整株枯死。

1.2.2 胡椒寒害氣象等級劃分 基于氣象數據的初始寒害指標篩選與計算。在荔枝、香蕉和橡膠等熱帶作物的寒害研究中[7-9， 14]，將日氣溫最大降幅、日絕對最低氣溫、日平均氣溫低于寒害發生臨界溫度的累積天數與積寒等指標作為寒害初始氣象致災因子。本研究也保留這些指標作為胡椒寒害初始氣象因子，并根據不同低溫對胡椒的影響程度，即“絕對低溫在10 ℃以下，持續5 d，嫩葉就會受害；絕對低溫在6 ℃以下，持續2～6 d，嫩枝會受害而斷頂；絕對低溫3 ℃以下，凝霜，會導致嚴重受害，枝條脫節，蔓枯，落果，甚至整株枯死”[1]，分別將3、6和10 ℃作為胡椒寒害發生時的臨界溫度，以低溫持續時間為0、2和4 d作為計算其累積天數與積寒等指標的依據，具體定義與計算如下：

（1）寒害過程日氣溫最大降幅：以當年11月至次年2月的當日最高氣溫與次日最低氣溫最大降幅，且次日最低氣溫低于10 ℃以下的1次作為寒害過程日氣溫最大降幅；

（2）寒害過程日絕對最低氣溫：以當年11月至次年2月的日最低氣溫最低的1次作為寒害過程日絕對最低氣溫；

（3）寒害過程日最低氣溫低于3 ℃的累積天數：以當年11月至次年2月的日最低溫低于3 ℃的日數之和，作為寒害過程日最低氣溫低于3 ℃的累積天數；

（4）寒害過程持續2天日最低溫低于6 ℃的累積天數：以當年11月至次年2月的日最低溫持續低于6 ℃兩天以上的寒害過程的天數之和，作為寒害過程持續2 d日最低溫低于6 ℃的累積天數；

（5）寒害過程持續2 d日最低溫低于6 ℃的累積積寒：以當年11月至次年2月的日最低溫持續低于6 ℃兩天以上的寒害過程的積寒之和，作為寒害過程持續2天日最低溫低于6 ℃的累積積寒，積寒計算方法依據QX/T 80-2007。

（6）寒害過程持續4 d日最低溫低于10 ℃的累積天數：以當年11月至次年2月的日最低溫持續低于10 ℃ 4 d以上的寒害過程的天數之和，作為寒害過程持續4 d日最低溫低于10 ℃的累積天數；

（7）寒害過程持續4 d日最低溫低于10 ℃的累積積寒：以當年11月至次年2月的日最低溫持續低于10 ℃ 4 d以上的寒害過程的積寒之和，作為寒害過程持續4 d日最低溫低于10 ℃的累積積寒。

基于因子分析的寒害氣象綜合指數計算。初始寒害氣象指數表征了胡椒受寒害影響程度，但由于指標較多，須進一步降維，才能簡潔、直觀地比較不同危害程度的寒害。由于寒害分為兩類，采用因子分析法提取兩個主成分，作為氣象寒害致寒因子，具體計算步驟如文獻所述[10]。計算獲得相應數值后，再根據公式（1）進行計算，最終獲得胡椒寒害氣象綜合指數H[15]。

H=Zf1×f1對應的方差貢獻率+Zf2×f2對應的方差貢獻率························公式（1）

其中，f1、f2為因子分析提取的兩個主成分；Zf1、Zf2為f1、f2的標準化值。

基于多元回歸的寒害氣象綜合指數計算。為進一步方便寒害氣象綜合指數的應用，采用多元線性回歸的方法，建立7個寒害初始氣象因子與綜合指數之間的線性模型。

寒害氣象等級劃分。根據寒害氣象綜合指數，結合對應的實地調查獲得的植株受寒癥狀，建立胡椒寒害氣象等級的劃分標準。

1.3 數據分析

因子分析和多元線性回歸均采用SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）分析[16]。

2 結果與分析

2.1 實地調查寒害比較

表2中為實地調查與文獻中的胡椒植株寒害癥狀及其傳統寒害等級劃分。由于缺乏調查地點的小范圍氣象數據，絕大多數調查地點均以所屬地區的市級氣象臺站數據為參考值，受寒癥狀取值取該地區內各調查地點的平均值。

從表2可知，不同省份寒害程度存在差異，危害程度隨緯度增加而加重。其中，海南寒害程度較輕，且地區間寒害差異較小，除澄邁外，絕大多數地區的傳統寒害等級均為Ⅰ級；云南省寒害較重，且不同地區寒害差異較大，包括寒害較重的Ⅳ和Ⅴ共2個等級。

從植株個體受寒害影響程度和為害部位來看，植株受寒害影響程度隨寒害等級增加而增加；同一植株上，葉片最易受寒害影響而出現脫落或變黑癥狀，其次為結果枝節間和果實。Ⅰ級寒害受影響的葉片數、結果枝節數、總脫葉率和果實脫落率的平均值分別為5.2片、1.6節、3.6%和1.9%；Ⅱ級寒害相應指標平均數分別為8.8片、2.5節、12.3%和11.8%；Ⅳ級寒害分別為12.4片、4.3節、17.9%和18.6%；Ⅴ級寒害分別為14.2片、5.1節、32.8%和24.5%。而且寒害Ⅳ級和Ⅴ級出現植株死亡，平均死株率分別為10.2%和15.4%。

2.2 氣象致寒因子比較與寒害類型劃分

對表2中12次寒害的7個寒害初始指標標準化處理后，按分析步驟得出旋轉后的相關系數矩陣的特征值及其方差貢獻率，見表3。從表3可知，2個主成分的特征值均大于1，二者累積貢獻率達到90%以上，說明這2個主成分包含了原來數據中絕大部分信息，2個潛在因子具有較強說服力。

通過方差最大化正交旋轉后，得到旋轉成分荷載矩陣，見表4。成分荷載矩陣表示每個主成分或因子由那些變量提供信息，從表4中可以看到，雖然所有變量均對第1和第2主成分有所貢獻，但第1主成分中以低于3度天數，低于6度天數、低于6度積寒等反映較低氣溫持續時間長短的寒害指標為主；第2個主成分以氣溫最大降幅、極端最低溫等反映氣溫突然變化的寒害指標為主，因此分別將第1和第2主成分定義為低溫累積因子和溫度降幅因子。

由旋轉成分得分系數矩陣，可獲得2個主成分的計算公式，見表5。

從表中可知，2個主成分可分別由公式（2）、（3）計算獲得：

Z第1主成分=0.386×ZX1+0.317×ZX2+…+0.048×ZX7 ·······················公式（2）

Z第2主成分=-0.278×ZX1-0.161×ZX2+…-0.347×ZX7 ·······················公式（3）

公式中的變量均為標準化后的數值，第1主成分為低溫累積因子，第2主成分為溫度降幅因子。

根據上述分析得到的低溫累積因子和溫度降幅因子做散點圖，用于解釋每次寒害的形成原因和寒害程度，見圖1。由圖可知，被調查寒害基本可以分為3類，第1類為2013～2014年冬春海南萬寧、瓊海、文昌、海口、定安、臨高、屯昌等地發生的寒害，其低溫累積因子和溫度降幅因子數值均小于0（0代表平均水平），表明這類寒害危害程度均較小，對胡椒生長的影響不大；第2類為2013～2014年冬春云南德宏、盈江和1975-1976年冬春海南?？?、瓊海發生的寒害，其溫度降幅因子數值大于0，而低溫累積因子數值小于0，表明這一類寒害可能是由冷鋒過境造成溫度驟降引起的，但持續時間較短，對胡椒生長影響相對較大；第3類為2013～2014年冬春云南保山、綠春和1975～1976年冬春廣東高州發生的寒害，其低溫累積因子和溫度降幅因子數值均大于0，表明這類寒害為混合型寒害，不僅降溫幅度大，而且持續時間長，對胡椒影響最大。

2.3 寒害氣象綜合指數排序及其寒害程度比較

根據公式（1）進一步計算可獲得寒害氣象綜合指數，如表6所示。從表中可知，被調查寒害都有唯一的綜合指標值與其對應，且從排序先后看，綜合指數反映的寒害程度大小與表2中分析基本一致。如表2中傳統寒害等級為Ⅴ的保山、綠春排在前2位；傳統寒害等級為Ⅳ的75廣東高州、盈江和德宏分別排在第3、4、5位。同時，由于只對應一個指標，所有寒害均可以一一對比，因而不同寒害的危害程度可以更加直觀地比較。如被劃分為同一寒害等級的保山、綠春，根據其綜合指數值，可知保山寒害程度高于綠春。

圖2為寒害氣象綜合指數對應的胡椒寒害癥狀。從圖可知，在一定取值范圍內，結果枝變黑節數、總脫葉率、總脫果率、死株率均隨綜合指數數值增加而增加。其中，結果枝變黑節數、總脫葉率、總脫果率在綜合指數大于-0.5時，與綜合指數呈現較好的相關性；而死株率在綜合指數大于0時才呈現相關。上述結果表明，寒害氣象綜合指數能夠表征植株的實際受寒程度，利用寒害氣象綜合指數來劃分不同寒害等級是可行的。

2.4 基于多元回歸的寒害氣象綜合指數計算

采用多元線性回歸的方法，建立各寒害指標與寒害綜合指數的線性回歸方程，如公式（4）。通過該公式，可直接利用原始的寒害指標值計算寒害綜合指數，從而簡化計算過程。

H=0.019×X1+0.023×X2+0.10×X3+0.004×X4+ 0.004×X5+0.017×X6-0.028×X7-0.405 ···公式（4）

其中：X1，低于3度天數；X2，低于6度積寒；X3，低于6度天數；X4，低于10度積寒；X5，低于10度天數；X6，氣溫最大降幅；X7，極端最低氣溫。

2.5 胡椒寒害氣象等級建立

根據實地調查獲得的植株受寒癥狀及其相應寒害氣象綜合指數，對不同寒害等級進行了劃分，見表7。從表中可知，根據本次調查的胡椒整體受寒情況，本文將胡椒寒害分為無寒害（0級）、輕微寒害（Ⅰ級）、中度寒害（Ⅱ級）、重度寒害（Ⅲ級）、極重度寒害（Ⅳ級）共5個等級，并根據各等級寒害中所涵括的綜合指數值，確定了各等級對應的氣象綜合寒害指數變化范圍。

3 討論與結論

目前胡椒寒害研究僅對胡椒適宜溫度、寒害發生條件、不同品種抗寒性等進行了初步探索[1，2，17]，寒害等級也僅按胡椒受害冠幅大小進行簡單劃分[6]。本文根據胡椒發生寒害的臨界溫度，從氣象數據中提取初始寒害指標，并以此為基礎，利用因子分析獲取寒害氣象綜合指數，最后結合實地調查的植株寒害癥狀，建立了以寒害氣象綜合指標為標準的胡椒寒害等級，這是首次采用寒害氣象因子進行胡椒寒害等級劃分；對比寒害氣象綜合指數（表6）與實際寒害調查結果（表2）發現，寒害氣象綜合指數表征的受寒程度與植株的實際寒害程度基本一致，說明經因子分析獲得的寒害綜合指數能夠較真實地反映不同寒害危害程度之間的差異，利用寒害氣象綜合指數來對胡椒寒害等級進行劃分是可行的。

荔枝、香蕉和橡膠等作物的寒害氣象等級研究統一將作物寒害發生臨界溫度設定在5 ℃[7-9，18]，這種初始寒害指標提取方法的可取之處在于提高了不同作物寒害結果之間的可比性，但忽略了不同作物對低溫環境的響應差異[19]，進而影響到后續寒害評估結果的準確性。本文中胡椒寒害初始寒害指標的提取是根據胡椒葉片、枝條、蔓條、果實等不同部位寒害發生的臨界溫度而確定的，因此各指標的物理意義更加明確，也真實反映了不同低溫對胡椒植株的影響程度，為后期寒害評估提供了更準確、可靠的數據支持，這種針對單一作物的專一性寒害指標提取方法已逐步成為作物寒害氣象等級的發展趨勢[20]。

與荔枝、香蕉和橡膠等研究中采用的主成分分析法相比[7-9]，本文采用了因子分析法，這是由于因子分析法通過旋轉，在因子解釋方面更有優勢[10-11]。本文研究結果也表明（如圖1），通過因子分析獲得的兩個因子可分別解釋為低溫累積因子和溫度降幅因子，且不同地區致寒因子存在不同。危害較輕的地區主要集中在緯度較低的海南，其低溫累積因子和溫度降幅因子數值均小于0；危害較重的地區則集中在緯度較高的云南、廣東，表現為溫度降幅因子大于0或低溫累積因子和溫度降幅因子數值均大于0。因此，利用因子分析提取的兩個致寒因子能夠更好地理解寒害形成原因，并為量化比較提供了依據。

隨著全球氣候變暖，我國熱帶作物種植北界正逐步北移[14]，云南、廣東、廣西等省份適宜熱帶作物生長的面積不斷擴大[21-22]， 但面臨的寒害風險較高[14]。利用歷年氣象數據評估地區的寒害風險可以有效地指導生產[23]，特別是在產業發展前期規劃時，選擇寒害風險較小的地區進行合理布局；通過評估得知寒害發生風險較高的地方，還可以利用預報氣象數據開展寒害的動態監測與預警，確保寒害來臨之前及時做好防寒措施[3]，本文結果可為我國胡椒非傳統優勢種植區的發展規劃、區域布局等相關決策提供參考。

本文中寒害等級劃分主要依據2013～2014 年冬春海南和云南地區和部分1975～1976年冬春海南、廣東地區的寒害數據建立。劃分的輕微、中度、重度和極重度等寒害等級均是根據本次調查寒害的植株受損程度和減產率來進行定義，對應的寒害綜合指數的值的變化范圍在-0.502至1.972，因而，本研究中的分類等級具有一定相對性。但由于等級劃分所使用的寒害綜合指數是絕對值，將計算得到的綜合指數與參考值比較仍可表征寒害的相對危害程度，因此不影響該劃分方法的應用。但今后應收集更多的胡椒寒害數據并及時補充，以進一步豐富和完善胡椒寒害氣象等級分類。

參考文獻

[1] 潘衍慶. 中國熱帶作物栽培學[M]. 北京： 中國農業出版社， 1998： 502.

[2] 鄔華松， 楊建峰， 林麗云. 中國胡椒研究綜述[J]. 中國農業科學， 2009， 42（7）： 2 469-2 480.

[3] 周 華， 張洪波， 郭鐵英， 等. 云南德宏地區胡椒栽培技術[J]. 中國熱帶農業， 2014， 4（47）： 69-74.

[4] 彭 杰. 云南綠春縣： 小胡椒成大氣候[EB/OL]. http：//news.hexun.com/2012-11-16/148040741.html.

[5] 呂玉蘭， 黃家雄. 潞江壩胡椒種植面積嚴重萎縮原因分析及發展建議[J]. 熱帶農業科技， 2007， 30（4）： 20-22.

[6] 胡卓勇. 云南省熱區1999/2000年冬熱帶作物栽培措施與寒害調研報告[J]. 云南熱作科技， 2001， 24（增）： 35-38.

[7] 杜堯東， 李春梅，毛慧琴. 廣東省香蕉與荔枝寒害致災因子和綜合氣候指標研究[J]. 生態學雜志， 2006， 25（2）： 225-230. [8] 中國氣象局. 香蕉、 荔枝寒害災害等級[M]. 北京： 氣象出版社， 2007.

[9] 陳 瑤， 譚志堅， 樊佳慶，等. 橡膠樹寒害氣象等級研究[J]. 熱帶農業科技， 2013， 36（2）： 7-11.

[10] 于秀林， 任雪松. 多元統計分析[M]. 北京： 中國統計出版社， 1999.

[11] 王 芳. 主成分分析與因子分析的異同比較及應用[J]. 統計教育， 2003（5）： 14-17.

[12] 崔讀昌. 關于凍害、寒害、冷害和霜凍[J]. 中國農業氣象， 1999， 20（1）： 56-57.

[13] 孫 祎. 寒害. 中國氣象局[EB/OL]. http：//www.cma.gov.cn/2011xzt/20120816/20130625/2013062503/201307/t20130701_218127.html.

[14] 李 勇， 楊曉光， 王文峰，等. 全球氣候變暖對中國種植制度可能影響V. 氣候變暖對中國熱帶作物種植北界和寒害風險的影響分析[J]. 中國農業科學， 2010， 43（12）： 2 477-2 484.

[15] 閻慈琳. 關于主成分分析做綜合評價的若干問題[J]. 數理統計與管理， 1998， 17（2）： 22- 25.

[16] 張文彤. SPSS統計分析高級教程[M]. 北京： 高等教育出版社，2004.

[17] Ravindran P N. Black pepper： piper nigrum. series： medical and aromatic plants-Industrial profiles[M]. Publisher Availability： In Stock CRC Press， 2000.

[18] 柏秦鳳. 華南寒害致災氣候因子及綜合指數研究[D]. 北京： 中國氣象科學研究院， 2008.

[19] Wang C Y. Chilling and freezing injury. In： Gross， K.C. Agriculture handbook 66（HB-66）[M]. Beltsville， USDA， ARS. 2002.

[20] 譚宗琨， 劉世業， 唐志鵬，等. 香蕉寒凍害等級指標及災損指標的初步研究[J]. 自然災害學報， 2013， 22（4）： 182-192.

[21] 房世波， 韓國軍， 張新時，等. 氣候變化對農業生產的影響及其適應[J]. 氣象科技進展， 2011， 1（2）： 15-19.

[22] 喻 彥， 蒙桂云， 張利才. 西雙版納近45年來氣候變化及對熱帶作物的影響[J]. 熱帶農業科技， 2007， 30（3）： 48-52.

[23] 劉少軍， 周廣勝， 房世波. 1961～2010年中國橡膠寒害的時空分布特征[J]. 生態學雜志， 2015， 34（5）： 1 282-1 288.