三門峽紅富士蘋果始花期預測模型研究

吉志紅，劉曉迎，張燕燕，曹蘇婭

（1河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003；2三門峽市氣象局，河南三門峽 472000；3河南省氣象服務中心，鄭州 450003）

0 引言

三門峽屬暖溫帶半干旱內陸性氣候，年平均氣溫14.1℃，年降雨量568.3 mm，年日照時數2091.4 h，全年無霜期211 天，平均相對濕度61%，最冷月（1 月）平均氣溫-0.1℃，最熱月（7 月）平均氣溫26.6℃。三門峽適宜的氣候和地理條件為蘋果種植提供得天獨厚的優勢，全市蘋果種植面積11.6×104hm2，種植區主要分布于靈寶市和陜州區境內，是農業農村部優勢農產品區布局規劃中重點扶持和發展的果樹優生區之一。靈寶“寺河山蘋果”香味濃郁、脆香可口、酸甜適中、綠色有機，已成為優質蘋果的代名詞。核心種植區在海拔在800～1200 m之間，土層厚、海拔高、溫差大、日照長，土壤有機質含量明顯高，完全符合蘋果生長七項氣候指標。近年來圍繞蘋果產業，依托雄厚的蘋果產業基礎、歷史人文及景觀資源，打造靈寶寺河山“蘋果小鎮”，開展蘋果研學活動。從2017年開始三門峽市連續舉辦5屆蘋果賞花節，帶動生態旅游持續發展，蘋果始花期預測受到了政府高度關注。

蘋果樹屬多年生落葉喬木，分早熟、中熟、晚熟品種，其中晚熟品種在中國占比較大。蘋果樹一年生長周期常用物候期來表示，主要有越冬期、萌芽顯蕾期、花期、幼果發育期、果實膨大期、著色成熟期和落葉期。三門峽紅富士蘋果為晚熟品種，一般為2 月中旬左右開始萌芽、3 月下旬至4 月中旬開花，5 月幼果發育，6—8月果實膨大，10月中旬左右成熟，11月下旬落葉。物候不僅反映了過去氣候條件積累對生物的綜合影響以及當時當地的氣候和環境狀態[1]，還可以作為預報指標，在引種、選種、植樹造林、環境污染的監測等方面有參考作用[2]，同時物候期的變化對生態、農業、衛生等產生重要影響[3]。隨著氣候變暖，大部分木本植物春季物候期表現提前趨勢[4-5]，花期為蘋果樹最重要的物候期，決定著蘋果一年的產量和品質。近年來初春寒潮降溫天氣增加，晚霜凍危害出現頻繁，花期凍害受到眾多學者的關注。李美榮等[6]研究指出陜西省在土壤、灌溉條件許可的條件下，蘋果種植北擴優先發展花期凍害基本無風險區及輕度風險區的地區；劉映寧等[7]圍繞蘋果政策性農業保險對氣象服務的需求，確定了主要果區蘋果花期凍害風險時段；孫智輝等[8]和曹雪梅等[9]對蘋果花期凍的防御措施進行了探討；張謀草等[10]分析了蘋果花期凍害的致災因子并以此建立了風險評估模型。蘋果花期凍害防御需以始花期預測為基礎，蘋果始花期的預測研究也是政府和果農的迫切需求。李美榮等[11]在果樹物候模型理論的基礎上，應用統計學方法建立了基于平均氣溫和日照時數的蘋果始花期預測模型；柏秦鳳等[12]通過對0～5℃的活動/有效積溫與蘋果花期有顯著相關性分析，指出有效積溫因子好于活動積溫因子與花期的相關性，分果區建立了陜西蘋果花期預測模型；張艷艷等[13]對隴東蘋果始花期與光熱水氣象因子分析，建立基于平均氣溫和積溫的偏最小回歸法預測模型；劉紅等[14]用相關顯著的氣溫積算值回歸方程式，對安塞山地蘋果初花日進行檢驗和預測；毛明策等[15]分析結果表明蘋果始花期與上年冬后的積溫有負相關關系，與花前逆序積溫有顯著的負相關；金美玉等[16]基于氣溫建立了蘋果梨始花期預報模型，郭連云等[17]利用氣溫穩定通過5℃到3月底的積溫值作為主要指標建立梨花始花期預測模型；張利華等[18]基于上年12 月—3 月上旬的氣溫和日照時數建立梨花預報模型。前人開展的大量研究對果樹始花期預測提供重要成果，但大部分基于花期前正積溫值或旬月氣溫，對于負積溫的研究較少，負積溫不足，對果樹而言，會造成冬季不能完全進入休眠期，長期處于樹液流動期，導致營養物質在樹體莖干消耗，造成樹根養分貯備不足，影響后期坐果結實[19]。筆者對三門峽地區蘋果始花期與氣象因子進行分析，并將負積溫因子納入研究，探索蘋果始花期預測模型，以期服務地方經濟發展，拓展氣象服務領域，提升蘋果花期凍害防御能力。

1 資料與方法

1.1 數據來源

氣象資料來源于河南三門峽氣象觀測站，位于蘋果種植區，因蘋果花期一般為4月上旬至4月中旬，故選取上一年12月份至當年3月底前的日平均氣溫、降水量和日照時數。蘋果物候期來自河南省三門峽蘋果研究所2009—2020年“紅富士”資料，觀測基地位于蘋果種植核心區，蘋果樹齡15 年，土壤質地為壤土。蘋果種植分布及氣象站見圖1。

圖1 三門峽蘋果種植及氣象站點分布圖

1.2 研究方法

統計從1 月1 日至3 月底日平均氣溫、日降水量、日日照時數和≥0℃、≥3℃、≥5℃的積溫，上一年12月1日至當年3月底＜0℃積溫。蘋果始花期天數統計為將1 月1 日至蘋果始花日期的時段轉化成相應的天數。利用SPSS軟件分析與蘋果花期相關性好的氣象因子，以此建立蘋果始花期預測回歸模型，并對各模型進行檢驗，篩選出最優蘋果始花期預測模型。

2 結果與分析

2.1 蘋果始花期特征

蘋果始花期采用年日序的表示方法，即自1月1日至該日期的日數，得到物候期的時間序列（1 月1 日為1、2月1日為32……，以此類推），見表1。

表1 三門峽蘋果歷年始花期日數

2009 年以來，蘋果始花期最早出現在4 月1 日（2018 年），最晚出現在4 月18 日（2012 年），蘋果始花期出現提前趨勢，線性變化率為3.7d/10a，但未通過0.05 顯著性水平檢驗。芽膨大期最早出現在3 月9 日（2013 年），最晚出現在3 月26 日（2011 年），芽膨大至花期間隔日數最長31 天（2017 年），最短僅為16 天（2014、2019 年）。從圖2 可看出芽膨大期日數與始花期日數有一定趨勢性，但相關分析結果未通過0.05水平顯著性檢驗。

圖2 芽膨大至始花期日數趨勢圖

2.2 氣溫變化對蘋果始花期影響

利用上一年12月至當年3月底的旬、月平均氣溫與當年出現的始花期進行相關分析，由表2可知，蘋果始花期與3月中旬、3月下旬平均氣溫、3月平均氣溫與蘋果始花期呈顯著負相關。

表2 旬月平均氣溫與花期相關系數

2.3 積溫變化對蘋果始花期影響

落葉果樹為適應不良環境，多以植株形態進行休眠，依據休眠期的生理活動特征和生態表現，分自然休眠和被迫休眠2個階段。需冷量是植物在長期自然演變過程中形成的對休眠期低溫量的要求，只有滿足了需冷量，才能保證其順利通過自然休眠。蘋果樹需經過1200～1500 h的0～7.2℃低溫休眠期才能正常開花坐果[20-21]。三門峽地區秋季穩定通過7.2℃日期為11 月15日左右，解除自然休眠日期為次年1月初，故積溫研究時段為1月1日至3月底。

積溫因子主要包括≥0℃積溫、≥3℃活動積溫、≥3℃有效積溫、≥5℃活動積溫、≥5℃有效積溫。由表3可知與始花期相關性各積溫因子中，≥0℃活動積溫、≥3℃、≥5℃活動積溫和有效積溫均呈現顯著負相關，表明≥0℃以上積溫越大則蘋果開花越早。

本研究負積溫時段為上年12月至當年3月底＜0℃積溫，由表3 可知：＜0℃積溫與花期呈現明顯正相關，負積溫值越小蘋果樹開花越早。2017 年＜0℃積溫7.10℃·d，是所有年份中最小值，當年花期4 月12 日，為第二晚年份，出現與結論不一致現象。分析其原因為2017年芽膨大期為3月12日，是所有年份中芽膨大日期較早的年份，但芽膨大至開花期間，氣溫持續偏低，降水偏多，不僅抑制了花期提前，且推遲了開花日期。

表3 各積溫因子與始花期相關系數

2.4 降水和日照變化對始花期影響

分析當年1—3月的降水、日照與始花期相關性可知（表4），無論旬、月變化對始花期影響均較小，說明降水和日照不是影響花期早晚的主要因素，在始花期預測模型中可不予考慮。

表4 降水、日照與始花期相關系數

2.5 蘋果始花期預測模型建立及檢驗

2.5.1 建立蘋果始花期預測模型 以2009—2020 年三門峽氣象站數據為基礎，利用SPSS軟件逐步回歸的方法建立三門峽市蘋果始花期預測模型，見表5。模型Y1利用2009—2017 年數據建模，進入因子為3 月中旬氣溫。模型Y2利用2009—2020年奇數年數據建模，進入因子3月中旬氣溫。積溫指標在果樹花期預測中被國內學者廣泛應用[22-23]，考慮到積溫對花期預測關鍵性作用，模型Y3和Y4剔除旬月平均氣溫，用2009—2017年數據建模，進入因子分別為≥3℃活動積溫和＜0℃積溫。

表5 三門峽蘋果始花期預測模型

2.5.2 預測效果檢驗 利用2018、2019、2020 年真實始花期及氣象數據，對模型Y1、Y3、Y4進行檢驗，各結果見表6。利用2009—2020年偶數年數據對模型Y2進行檢驗，見表7。通過各模型檢驗和對比，進入因子為≥3℃活動積溫和＜0℃積溫的模型Y4較其他模型誤差更小，準確率更高。

表6 三門峽花期預測模型回代檢驗及誤差模型

表7 模型Y2回代檢驗及誤差模型

3 討論

關于蘋果始花期的預測，前人做出了大量的研究，也取得明顯成績。本次研究對≥0℃以上積溫各因子主要影響時段做了明確界定，即從本地果樹大概解除自然休眠日期（1 月1 日）開始計算，具有明顯的合理性。隨著全球氣候變暖，負積溫不足對果樹的影響日益凸顯，本研究將負積溫作為預測因子，為蘋果始花期預測探索出新的思路。

李美榮等研究指出，始花前適宜的降水能增加空氣相對濕度和促進開花，但降水量較大、雨日多則有抑制開花的效果，本研究中降水與始花期相關性差未作為預測因子，主要因為本地開花期間降水較少，遇到類似天氣可酌情考慮始花期預測日期。

本研究首先利用逐步回歸方建立的預測模型Y1和Y2未包含溫因子，考慮到積溫在始花期預測的重要性，花期預測模型Y3和Y4在設計中主動剔除了旬、月平均氣溫因子，從而得到只包含積溫因子的模型，盡管模型Y4效果明顯，但存在一定主觀因素，在今后的服務中可綜合考慮、相互驗證。另本研究只考慮了氣象因素，樣本較少具有一定局限性，且未考慮果樹管理等影響，有待綜合考慮和繼續完善。

4 結論

三門峽蘋果始花期出現提前趨勢，但未通過顯著性檢驗。本研究通過對不同氣象因子與蘋果始花期的分析表明，氣溫是影響蘋果始花期早晚的主要因素，蘋果始花期與3月中旬平均氣溫、3月下旬平均氣溫、3月平均氣溫呈現顯著負相關，與≥0℃活動積溫、≥3℃活動積溫和有效積溫、≥5℃活動積溫和有效積溫均呈現顯著負相關，與＜0℃積溫呈明顯正相關，而降水和日照不是影響花期早晚的主要因素。依據2009—2017和2009—2020 奇數年份數據建立4 種始花期預測模型，通過2018—2020 年蘋果始花期預測檢驗，優選出基于≥3℃活動積溫和＜0℃負積溫因子的模型，其回歸方程為Y4=131.727-0.069X2+0.072X3，誤差分別為2.5天、-0.1天、-0.1天，預報結果更為精準，此模型可應用于后期服務中，為蘋果始花期預測和凍害防御提供科學依據。