中國北方主產地蘋果始花期與氣候要素的關系*

劉 璐，王景紅，傅瑋東，欒 青，李曼華

中國北方主產地蘋果始花期與氣候要素的關系*

劉 璐1，王景紅1，傅瑋東2，欒 青3，李曼華4

（1.陜西省農業遙感與經濟作物氣象服務中心，西安 710014；2.新疆農業氣象臺，烏魯木齊 830002；3.山西省氣候中心，太原 030006；4.山東省氣候中心，濟南 250031）

選取福山、萬榮、洛川、旬邑和阿克蘇分別代表中國渤海灣、黃土高原和新疆蘋果產區，利用1999?2018年各地富士蘋果始花期物候觀測數據，分析蘋果始花期變化趨勢，并利用偏最小二乘回歸法，分析日尺度平均氣溫、平均地溫、降水量、相對濕度和日照時數對蘋果始花期的影響，明確影響蘋果始花期的關鍵氣候因子及其影響時段和強度，在此基礎上，利用逐步回歸法建立各主產地蘋果始花期預測模型。結果表明，近20a來，中國北方主產地蘋果始花期平均出現在4月7?20日，但變化趨勢不顯著。影響各地始花期的關鍵氣候因子中，平均氣溫和平均地溫為主導因子，其中關鍵影響時段內平均氣溫和平均地溫每上升1℃，5個主產地蘋果始花期將顯著提前2.31～4.10d和2.34～4.96d；降水量每增加1mm，萬榮、旬邑和阿克蘇蘋果始花期將顯著推遲0.12～0.57d；平均相對濕度每增加1個百分點，旬邑和阿克蘇蘋果始花期推遲0.33d和0.51d；日照時數每增加1h，福山和萬榮蘋果始花期分別提前0.12d和0.07d。在明確影響各主產地蘋果始花期關鍵氣候因子的基礎上，建立中國北方蘋果主產地始花期預測模型，經回代檢驗，實測值與預測值相差小于5d的比例達80%～90%，模型可用于實際預測業務。

富士蘋果；始花期；偏最小二乘回歸法；預測模型；氣候變化

物候現象是指示氣候及自然環境變化的重要指標[1?2]，了解植物物候與氣候要素的關系，可為研究氣候變化對植物栽培、育種和管理的影響提供重要的理論基礎[3?6]。蘋果始花期是表征蘋果果實開始發育的重要指示物候期[7]，對全年蘋果產量和品質的形成均具有決定性影響[8?9]。因此，開展蘋果始花期與氣候要素關系的研究，對了解氣候變化對蘋果始花期的影響，以及指導地區蘋果生產具有重要意義。

Wolfe等[10]發現美國東北部地區1965?2001年蘋果始花期每10a提前2.0d；Clmielewski等[11?12]發現德國和南非的蘋果開花期分別以2.1d·10a?1和4.3d·10a?1的速率提前，并主要與春季氣溫的升高有關，期間溫度每上升1℃，蘋果開花期將提前4～5d。蒲金涌等[13?15]研究發現，甘肅地區蘋果開花期約以4.7d·10a?1的速率提前，并與年平均氣溫、3?4月平均氣溫和0℃積溫呈顯著負相關關系。總體上，國內外大部分研究主要集中于熱量資源對蘋果始花期的影響，有關水分和光照資源對始花期影響的研究鮮有報道，而大量研究結果表明，地溫、降水量、空氣相對濕度、光照強度和日照長度對植物物候亦有顯著影響[16?17]，有必要對其開展深入細致研究。此外，以往研究方法主要為旬、月氣候要素與始花期發生日期的時間序列的相關性分析，該方法雖然簡單易行，但因為蘋果始花期的發生日期并不一定由前期完整旬、月氣候因子所驅動，所以誤差較大。

為了更準確、合理地分析不同產區蘋果始花期與氣候要素的關系，本文擬在前人研究的基礎上，針對中國北方蘋果主產地，利用偏最小二乘回歸法，開展日尺度光、溫、水氣候因子變化對蘋果始花期的影響分析，明確各氣候要素對蘋果始花期的關鍵影響時段和影響強度，并在此基礎上建立始花期預測模型，以期為科學有效開展全國蘋果開花期氣象服務提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域

在渤海灣、黃土高原和新疆蘋果產區，選取產業規模、氣候條件和地理環境具有代表性的福山、萬榮、洛川、旬邑和阿克蘇作為研究地區。其中福山位于渤海灣產區，屬溫帶季風氣候，是蘋果產業發源地，綜合生產管理水平全國領先；萬榮、洛川和旬邑分別位于黃土高原產區東、北、西部果區，其中萬榮和洛川屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，旬邑屬溫帶大陸性季風氣候，三地均是黃土高原蘋果種植最早，且產量和品質最具代表性的地區；阿克蘇位于新疆蘋果種植的新優勢區，是中國本土蘋果發源地之一，且其單產為全國最高。中國北方蘋果主產區及研究代表站點分布見圖1。

1.2 數據及其處理

以富士蘋果（Fuji Apple）為研究對象，選擇1999?2018年各地始花期觀測資料，數據分別來源于山東福山、山西萬榮、新疆阿克蘇農業氣象試驗站，以及陜西洛川和旬邑縣氣象局，觀測依據和標準均為中國氣象局《農業氣象觀測規范》。此外，將逐年始花期出現日期轉化為距當年1月1日的實際天數，即日序（DOY），從而得到始花期的時間序列。氣候要素數據選取各站點1999?2018年逐日日平均氣溫、日平均地溫（0cm）、日降水量、日平均相對濕度和日照時數，數據來源于國家氣象信息中心。

1.3 研究方法

采用線性回歸法分析始花期的年際變化趨勢及始花期與各氣候因子的相關性[18?19]，并利用偏最小二乘回歸法（Partial Least Squares regression，PLS）對蘋果始花期發生時間與逐日氣象因子進行相關分析，最后，利用逐步回歸法建立各主產地蘋果始花期預報模型。

偏最小二乘回歸法是一種數學優化技術，它對自變量高度相關或自變量數目顯著高于因變量的情況特別適用，并已在多種植物物候期對氣候變化的響應研究中得到了很好的應用[20?23]。它主要產生變量重要性值VIP和標準化模型系數2個結果，在本研究中，VIP值反映自變量變化對始花期影響的顯著性，一般以0.8作為顯著性的判定標準；標準化模型系數的正負則表明影響的方向，為正代表氣象因子升高會推遲始花期，為負則表明氣象因子升高對始花期有提前作用。另外，本研究的自變量為逐日氣象因子，因各地始花期均發生在4月，故以前一年5月1日?當年4月30日作為自變量起止日期，開展相關分析，其數據分析和制圖均在R3.5.2中進行，PLS分析主要依賴R統計分析軟件中的“pls”軟件包。

圖1 中國北方三大蘋果主產區及其代表站分布圖

2 結果與分析

2.1 蘋果始花期及年尺度氣候因子的影響

2.1.1 蘋果始花期時空分布特征

由表1可見，1999?2018年，中國北方蘋果主產地始花期平均出現在第97?110天（4月7?20日），且各主產地蘋果始花期年際間變率在4.4～7.0d。總體上，萬榮始花期出現時間最早，其次為阿克蘇、旬邑、洛川，最晚的是福山；旬邑始花期年際間變率最小，福山年際間變率最大。從各主產地蘋果始花期年際間線性變化趨勢分析結果來看，1999?2018年各地均沒有顯著的線性變化趨勢。

2.1.2 氣候因子年際變化及對蘋果始花期的影響

1999?2018年，中國北方蘋果主產地年平均氣溫為9.5～13.4℃，年平均地溫為12.3～15.5℃，總降水量為89～629mm，年平均相對濕度53.2%～68.3%，總日照時數為2117.8～2848.4h。各主產地間，萬榮的平均氣溫、平均地溫和平均相對濕度的變化速率最大，達0.92℃·10a?1（P<0.01）、1.04℃·10a?1（P<0.01）和?6.7個百分點·10a?1（P<0.01），而旬邑各氣候因子的變化趨勢均不顯著（表2）。

利用各主產地1999?2018年蘋果始花期與逐年年平均氣溫、年平均地溫、年降水量、年平均相對濕度和年日照時數進行線性回歸發現，福山、洛川和阿克蘇的蘋果始花期與年平均氣溫呈顯著負相關關系，年平均氣溫每升高1℃，各地蘋果始花期依次提前7.9、5.6和7.5d·a?1（P<0.05）；洛川、旬邑和阿克蘇的蘋果始花期與年平均地溫亦呈顯著負相關關系，年平均地溫每升高1℃，各地蘋果始花期依次提前7.6、5.6和5.3d·a?1（P<0.05，圖2）。各主產地蘋果始花期與年降水量、年平均相對濕度和年日照時數均無顯著相關關系，說明除熱量條件外，其余年尺度氣候因子對蘋果始花期影響不大。各主產地間，洛川和阿克蘇的蘋果始花期與年平均氣溫和年平均地溫均呈顯著負相關關系，而萬榮與各氣候因子均無顯著相關性。

2.2 日尺度氣候因子對蘋果始花期的影響

2.2.1 影響時段和影響特征

由圖3和表3可見，平均氣溫對中國北方各主產地蘋果始花期的影響時段總體集中于1月或2月至始花期的一段時間，且該時段內的平均氣溫對始花期均為負影響，即平均氣溫升高使始花期提前；此外，萬榮上年11月5日?12月23日平均氣溫對當年蘋果始花期為正影響，即該時段平均氣溫升高將推遲蘋果始花期。平均地溫對各地蘋果始花期呈負影響的時段與平均氣溫基本一致，且萬榮和旬邑兩地上年秋冬季平均地溫對當年始花期均有正影響。降水量較平均氣溫和平均地溫對始花期的影響明顯分散，總體上集中在始花期前的一段時間，其中福山降水量對始花期以負影響為主，而其余各地降水量對始花期以正影響為主。相對濕度對各地始花期的影響特征差異較大，其中對福山、洛川和旬邑均為一個正影響時段，且主要集中在于1月或2月底至始花期前的一段時間，而對萬榮和阿克蘇均有3個影響時段，其中正影響時段集中在始花期前，而負影響時段分布在上年夏、秋季和當年年初兩個時段。日照時數對各地始花期的影響時段集中于始花期前的一段時間，且均以負影響為主。總體上，各地平均氣溫和平均地溫對始花期的影響時段基本一致，其次是日照時數，降水量和相對濕度對始花期的影響時段最為分散；各地間，福山和洛川各氣候因子對蘋果始花期的影響均為一個影響時段，而萬榮各氣候因子對蘋果始花期多為兩個或三個影響時段。

表1 1999?2018年北方主產地蘋果始花期統計結果

Note: DOY is the ordinal day from Jan.1. The same as below.

表2 1999?2018年北方蘋果主產地氣候因子變化趨勢

注:*、**分別代表P<0.05和P<0.01。下同。

Note:*,**indicate P<0.05 and P<0.01, respectively. The same as below.

圖2 不同產地蘋果始花期與年平均氣溫（a）和年平均地溫（b）的相關關系

圖3 1999?2018年北方蘋果主產地蘋果始花期與主要氣候因子的PLS分析結果

注:紅色表示變量重要性值（VIP）大于閾值0.8且模型系數為負，代表氣候因子與蘋果始花期為負相關關系；綠色表示變量重要性值（VIP）大于閾值0.8且模型系數為正，代表氣候因子對蘋果始花期有推遲效應，灰色表示變量重要性值（VIP）小于閾值0.8。

Note: Red area mean that VIP values are greater than 0.8 and model coefficients are negative, there are negative correlativity between apple first flower dates and climate variables. Green area indicates VIP values are greater than 0.8 and model coefficients are positive, there are positive correlativity between apple first flower dates and climate variables, while grey area represents the VIP values are less than 0.8.

表3 北方蘋果主產地各氣候因子對始花期的影響時段（月/日）和影響特征（+或?）

注:+表示氣候因子對始花期為正影響（使始花期推遲），?表示氣候因子對始花期為負影響（使始花期提前）。

Note: + indicates that climate variables have a positive effect on apple first flower dates (delay apple first flower dates), ? indicates that climate variables have a negative effect on apple first flower dates (advance apple first flower dates).

2.2.2 關鍵氣候因子及其影響強度

將各地蘋果始花期與表3中各影響時段內的氣候因子進行線性回歸分析，以通過0.05水平的顯著性檢驗為標準，得到影響各地蘋果始花期的關鍵氣候因子，及其關鍵影響時段和影響強度。由表4可見，各地蘋果始花期均與平均氣溫和平均地溫呈顯著負相關關系，關鍵影響時段內平均氣溫和平均地溫每上升1℃，各地始花期將顯著提前2.31～4.10d（P＜0.01）和2.34～4.96d（P＜0.05）。降水量是影響萬榮、旬邑和阿克蘇蘋果始花期的關鍵氣候因子，關鍵影響時段內總降水量每增加1mm，其始花期將顯著推遲0.12～0.57d（P＜0.05）。相對濕度是影響旬邑和阿克蘇始花期的關鍵氣候因子，關鍵影響時段內平均相對濕度每增加1個百分點，其始花期分別推遲0.33d（P＜0.01）和0.51d（P＜0.05）。日照時數是影響福山和萬榮蘋果始花期的關鍵氣候因子，關鍵影響時段內總日照時數每增加1h，其始花期分別提前0.12d（P＜0.05）和0.07d（P＜0.05）。從關鍵氣候因子對各地始花期的影響強度可見，熱量因素為影響中國北方蘋果始花期的主導因子，其對各地蘋果始花期的影響顯著大于水分和光照因素。各地間，影響萬榮、旬邑和阿克蘇蘋果始花期的氣候因子最多，達4個；影響洛川蘋果始花期的氣候因子最少，為2個。

2.3 各主產地蘋果始花期的預測模型及檢驗

利用1999?2018年各主產地蘋果始花期物候觀測資料，以及表4中影響各地蘋果始花期的關鍵氣候因子，采用逐步回歸法，建立中國北方蘋果主產地始花期預測模型（表5），預測模型的決定系數R2在0.434～0.866，相關系數R均通過0.01水平的顯著性檢驗。進一步利用各主產地蘋果始花期實測值對模型進行準確率檢驗，發現20a內實測值與預測值相差小于3d的比例，除阿克蘇低于50%外，其余地區為60%～75%，實測值與預測值相差小于5d的比例普遍達80%～90%，預測準確率較高，說明預測模型的擬合度較好。

表4 影響北方蘋果主產地始花期的關鍵氣候因子、影響時段和影響強度

表5 北方蘋果主產地始花期預測模型及檢驗結果

注:T、Tg和S分別代表關鍵影響時段內平均氣溫、平均地溫和總日照時數。＜3d指實測值與預測值相差小于3d的比例，＜5d指實測值與預測值相差小于5d的比例。

Note：T, Tgand S mean the mean temperature, the mean geotemperature and the total sunshine hours during the influencing time periods, respectively. ＜3 days is the ratio of the difference between measured and predicted values less than 3 days, ＜5 days is the ratio of the difference between measured and predicted values less than 5 days.

3 結論與討論

3.1 討論

（1）對比本研究中年尺度氣候因子和蘋果始花期的相關性分析結果，以及前人對植物物候與氣候要素的研究[13?17,24?28]，基于偏最小二乘回歸法開展的日尺度氣候數據與蘋果始花期的相關分析，不僅明確了平均氣溫和平均地溫對始花期影響的關鍵時段，同時發現了降水量、相對濕度和日照時數對各地蘋果始花期的關鍵影響時段和影響強度，研究精度較年、季、旬尺度研究方法有了顯著提高。

（2）對比熱量條件對植物物候期影響研究相關結論，在影響植物開花期的氣候因子中，溫度具有顯著的負作用，然而相較于氣溫對植物始花期的大量研究，地溫的研究成果相對較少，本研究發現中國北方蘋果主產地始花期與平均地溫均呈顯著負相關關系，且在始花期預測模型的建模中，西部主產地地溫對始花期的預測準確率大于氣溫，表明西部蘋果產地應更加重視地溫對蘋果物候期和生產的影響。

（3）相較于熱量資源，前人有關水分資源和光照資源對植物開花期的影響的研究成果較少，其中大部分研究認為降水對植物始花期無顯著影響[16?17,24]，而本研究發現，降水量和相對濕度對旬邑和阿克蘇的蘋果始花期均呈顯著正影響，這與張福春提出的木本植物樹大根深，一般的干旱環境對木本植物物候期不會產生顯著影響的觀點不同，反映出部分產地的蘋果始花期對水分需求有較為敏感的特性。對比水分因素對蘋果始花期的影響，本研究發現，日照時數與福山和萬榮兩地的蘋果始花期呈顯著的負相關關系，光照對蘋果始花期的影響關系與熱量條件類似，但影響強度小于熱量條件，這與Erwim等的研究結論一致[29]。

（4）本研究主要分析了氣候要素與蘋果始花期的關系，但蘋果屬栽培物種，春季灌水、施肥、種（覆）草等措施也會在一定程度上影響蘋果開花，因此，后期有必要就果園管理技術對蘋果開花的影響進行深入研究。

3.2 結論

（1）各氣候因子對中國蘋果主產地始花期的影響關系較為一致，但影響時段差別較大。其中溫度對始花期的影響主要集中在1月或2月至始花期前，但降水量、相對濕度和日照時數對始花期的影響時段分散在1、2和3月至始花期前，且大部地區影響時段的長度短于溫度對始花期的影響時段長度。影響各地始花期的關鍵氣候因子中，平均氣溫和平均地溫為主導因子，其中影響時段內平均氣溫和平均地溫每上升1℃，5個主產地蘋果始花期顯著提前2.31～4.10d 和2.34～4.96d；降水量每增加1mm，萬榮、旬邑和阿克蘇蘋果始花期顯著推遲0.12～0.57d；平均相對濕度每增加1個百分點，旬邑和阿克蘇的蘋果始花期推遲0.33d和0.51d；日照時數每增加1h，福山和萬榮的蘋果始花期分別提前0.12d和0.07d。

（2）在明確影響蘋果始花期關鍵氣候因子的基礎上，利用逐步回歸法建立中國蘋果主產地始花期預測模型，經回代檢驗，實測值與預測值相差小于5d的比例達80%～90%，準確率大于已有的陜西禮泉等地的蘋果始花期預測模型[30]，且預測因子及其時段的選擇較以往研究更加科學，可用于實際預測業務，為全國蘋果花期氣象服務提供技術支撐。

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Bai Q F,Wang J H,Qu Z J,et al.The research on Shaanxi apple florescence prediction model[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2013,29(19):164-169.(in Chinese)

Relationship between Apple’s First Flower and Climate Factors in the Main Producing Areas of the Northern China

LIU Lu1, WANG Jing-hong1, FU Wei-dong2, LUAN Qing3, LI Man-hua4

(1.Shaanxi Meteorological Service Center of Agricultural Remote Sensing and Economic Crops, Xi’an 710014, China；2. Xinjiang Agricultural Meteorological Station, Urumqi 830002；3. Shanxi Provincial Meteorological Center, Taiyuan 030006；4. Shandong Provincial Meteorological Center, Jinan 250031)

Choosed Fushan, Wanrong, Luochuan, Xunyi and Akesu to respresent the Bohai Gulf, the Loess Plateau and Xinjiang apple producing areas, respectively, apple’s first flower data at the 5 sites during 1999?2018 were used to analyze their linear trend. Partial Least Squares (PLS) regression was applied to identify the impacts of mean temperature, mean geotemperature, precipitation, mean relative humidity and sunshine hours on first flower data at daily resolution. On the basis of which, forecasting models of first flower data were established by using stepwise regression. The results indicated that in the past 20 years, regional mean occurrence dates of apple's first flower were in April 7 to 20, and the interannual trend of first flower dates were not significant in all the five producing areas. Among the five climatic factors affecting the first flower period, temperature is the dominant factor. During the influence periods, the mean temperature and the mean geotemperature increase by 1℃, the first flower date will be significantly advanced by 2.31?4.10 days and 2.34?4.96 days; the precipitation increase by 1mm, the first flower date at Wanrong, Xunyi and Akesu would be postponed by 0.12?0.57 days; the relative humidity increase by 1 percent, the first flower date at Xunyi and Akesu would be postponed by 0.33 days and 0.51 days; the sunshine hours increase by 1 hour, the first flower date at Fushan and Wanrong would be advanced by 0.12 days and 0.07 days. On the basis of defining the key climatic factors affecting the first flower data of apple in the main producing areas of the northern China, forecasting models of first flower data were established, and the test showed that the ratio of the difference between the measured and predicted values less than 5 days was 80%?90%, which could be used for practical forecasting business and provide technical support for meteorological service of apple flowering period in China.

Fuji apple; First flower date; Partial least squares regression; Forecasting model; Climate change

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.01.006

劉璐,王景紅,傅瑋東,等.中國北方主產地蘋果始花期與氣候要素的關系[J].中國農業氣象,2020,41(1):51-60

2019?06?01

中亞大氣科學研究基金；陜西省重點研發計劃（2018ZDCXL-N-24-3）；秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室開放研究基金（2019Z-5）

劉璐，E-mail：liululu128@163.com