库尔勒香梨气候品质评价指标及模型的研究

黄　娟，李新建，2*，吴新国，王雪姣，张仕明，范金霞

（1.新疆维吾尔自治区农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；3.库尔勒市气象局，新疆　库尔勒 841000；4.巴州气象局，新疆 库尔勒 841000）

库尔勒香梨原产于巴州孔雀河流域库尔勒市、轮台县和尉犁县，果实酥脆多汁、口感香甜、皮薄而透、果肉多香味浓、极耐储运，故被誉为“梨中珍品”。独特的气候及生态环境，形成了香梨的独特品质和地域性特点[1]。优越的自然气候条件是形成优质特色农产品的根本保障，也是赋予某一区域的“特色招牌[2]”。因此，通过公开的第三方（气象部门）认证程序给特色农产品增添新的“气候身份证明”，对促进优势特色农业产业的健康稳定发展具有重要意义[3]。

在农产品气候品质认证发展过程中，各省市陆续开展相关工作。金志凤等[4]采用加权指数求和法，将气象数据资料和茶叶品质数据资料进行分析，结合浙江省当地生产实际情况，建立茶叶气候品质评价模型。刘金铜[5]运用模糊数学综合评价法，根据苹果品质特征与气候因子的关系建立苹果单因素品质与气象因子关系回归方程，挑选出评价因素集，建立评价体系。徐腊梅等[6]通过对石河子地区酿酒葡萄不同生育期影响因子的分析，得到关键气象条件与气候品质的关系，建立葡萄气候品质分级标准。刘英才等[7]通过将蜜桔品质数据与气象数据数理统计分析，得到不同品质因子与气象因子的关系。桂园园等[8]通过运用模糊数学综合评价方法判断各气象因子对早熟梨各生育期的不同影响，建立评判指标，将不同气象背景下早熟梨品质划分为特优、优、良好、一般4个等级。

现阶段国内外关于梨果实品质与气象因子关系的研究报道较少，多为果品不同生育期影响因子的探究[9]，气候品质认证指标与评价模型在不断完善与优化[10～14]。本研究通过对库尔勒香梨果实品质与气象条件进行多元统计分析，得出果实品质与气象因子一一对应的关系，探究每个品质性状的主要影响因子，有助于提高库尔勒香梨的市场竞争力和产品附加值，增加卖点，以期为库尔勒香梨果实品质的提高和未来合理化区域管理提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

库尔勒香梨产区属暖温带大陆性干旱气候[15]，处于39°30′00″～42°40′00″N，78°02′00″～87°50′20″E之间，海拔850～1125 m。年总辐射为6060～6340 MJ/m2，年总日照时数2873～3051 h；年平均气温为10.5～11.5℃，夏季（6—8月）各月平均气温24～26.5℃；年降水量50～60 mm，最多年份118 mm，最少年份25 mm以下，降水日数28 d左右；3—11月，库尔勒香梨产区蒸发量1400 mm左右，是同期降水量25倍以上。产区库尔勒香梨生长期内的光热资源组合，日平均气温稳定≥0℃期间的光合辐射达2731 MJ/m2；日平均气温稳定上升到5℃以上，到10月初霜出现这一时段的光合辐射达2612 MJ/m2，为全疆乃至全国各地梨产区之首[16]。

1.2　试验设计

品质鉴定试验于2013—2016年每年8—9月在新疆林业科学研究院进行，即取4 a的数据作为连续样本。试验材料选自库尔勒市沙依东、上户镇、哈拉苏、库尔楚园艺场（平坦地表），选择管理条件相当的果园4片，每个果园选择5株树冠大小相当、树势基本一致的植株，分别在树冠不同方位取10个果实，每个果园共取50个果实作为样品（样品果实存入0℃冷库保存），取样要求果形良好，无病虫害（剔除样品中的缺陷果和畸形果）。试验过程中，样品用于测定果形指数、平均单果质量、果实硬度（硬度计法）、可溶性固形物（糖量计）含量值，每个处理重复3次，取平均值。自8月24日开始采样，每隔7 d取样1次，直至采摘期结束（一般为9月28日左右，采摘期按照当地普遍采收期前移或后推）。

1.3　数据处理

1.3.1原始数据处理

果实品质指标的量纲、数量级和对评价指标体系的影响不同，需要对原始数据进行合理处理和转化。数据筛选，采用拉依达准则[17]。

拉依达准则表达式：

当某个可疑数据xd符合上式时，则认为该数据是异常值，应予剔除。即当可疑数据与测量数据的算术平均值的偏差的绝对值大于3倍（或2倍）的标准偏差时应将此可疑值舍去，至于3S或2S与显著性水平a（随机变量落在置信区间以外的概率）有关，3S相当于a=0.01，2S相当于a=0.05（S是贝塞尔公式计算的标准差）。由公式可分析得到当测量次数n比较大的时候，标准差σ的值将很小，此时拉依达准则就显得比较严格，提出数据的可靠性大、准确度高。测量次数很大（一般n＞50）的时候常使用拉依达准则比较方便。由于果实品质指标的量纲、数量级对评价指标体系的影响不同，需要对原始数据进行合理处理和转化。对数据进行标准化处理，将各数据转化成均值为0、标准差为1的无量纲数据。标准化公式：

式中xij为第i个品种第j个性状的观察值；xj为第j个性状观察值的平均值；sj为第j个性状观察值的标准差。

1.3.2相关性分析

本文运用Pearson简单相关系数。若随机变量X、Y的联合分布是二维正态分布，xi和yi分别为n次独立观测值，则计算ρ和r的公式分别定义为公式（3）和公式（4）。

可以证明，样本相关系数r为总体相关系数ρ的最大似然估计量。

1.3.3线性回归分析

线性回归分析法是基本回归分析方法，其假设自变量和因变量之间存在线性关系。

文中所有数据采用IBM SPSS Statistics 19.0和Microsoft Excel 2007进行处理和分析。

2　结果与分析

2.1　气象因子对果实单果质量的影响

以各研究区2013—2016年气象资料为依据（即4 a的数据作为连续样本），分别取4个试验点的5—9月日平均气温、平均气温日较差、日平均最高气温、日平均最低气温、日平均相对湿度，9月≥10℃积温与各自试验点的品质数据分析。在相近的土壤和栽培管理条件下，探究影响香梨果实品质的主要气象条件。根据相关文献[18～21]结合经验法[22]筛选出5—8月各月相对湿度、9月≥10℃积温、5月气温日较差等具有明显生物学意义的因子，采用逐步回归法将各样点的单果质量数据和各样点的上述气象因子数据做统计分析，优选出影响单果质量的主要气象因子为5月气温日较差和5月相对湿度（表1），回归方程为：

式中，X1为5月平均气温日较差，X2为5月平均相对湿度，R2=0.780，F=10.644，P=0.05。

回归方程表明：5月平均气温日较差为负效应影响，即气温日较差越大，单果质量越小；5月平均相对湿度为正效应影响，相对湿度越大，单果质量越大。果实的大小（重量）取决于生长期细胞数量的多少和细胞体积的大小，香梨果实生长期一般从4月下旬开始，分为细胞分裂期和细胞膨大期。细胞数量的多少是果实增大的基础，在生长开始阶段，细胞分裂占主导地位，大约在开花坐果后持续一个月左右。5月平均气温日较差越小，相对湿度越大，越有利于细胞分裂，为形成大果奠定基础。从开花（4月10日前后）后50 d开始，细胞膨大占主要地位。

表1　气象因子与果实品质的关系

2.2　气象因子对香梨果形指数的影响

果形指数是指果实纵径与横径的比值，库尔勒香梨的果形指数一般为1.1～1.2。查阅相关文献[18～21]并结合当地香梨生长发育特性[22]筛选出5月的日平均气温、8—9月各月相对湿度、9月平均气温日较差、9月平均日最低气温等具有明显生物学意义的气象因子，选用曲线回归中的线性、对数、二次、指数方法分别对各样点的果形指数和气象数据做统计分析，选取拟合效果最佳的一种。分析结果表明：影响果形指数的主要因子是5月月平均气温和9月平均相对湿度。回归方程分别为：

式中，X3为5月的日平均气温，R2=0.806，F=12.492，P=0.007，X4为9月平均相对湿度，R2=0.664，F=5.942，P=0.038。回归方程表明，果形指数随5月日平均气温的增加，先增大，后减小，当5月的日平均气温为20.6℃时，果形指数达到最大值。果形指数随9月平均相对湿度的增加，先增大，后减小，当9月的平均相对湿度为50.7%时，果形指数达到最大值。花后一个月（5月）温度过高或过低会影响果形指数。果实发育期（9月），水分不足影响果实膨大，保证水分供给，是增产的重要措施之一。

2.3　气象因子对果实硬度的影响

查阅相关文献[18～21]并结合当地香梨生长发育特性[22]筛选出6—9月不同时段平均气温、7—8月各月平均气温日较差、8—9月相对湿度等具有明显生物学意义的气象因子，选用曲线回归中的线性、对数、二次、指数方法分别对各样点的果形硬度和气象数据做统计分析，选取拟合效果最佳的一种。分析结果表明：影响果实硬度的主要因子是6—7月平均气温和8月气温日较差。回归方程分别为：

式中，X5为6—7月平均气温，R2=0.765，F=22.848，P=0.002。X6为8月平均气温日较差，R2=0.702，F=16.526，P=0.005。回归方程表明，果实硬度随6～7月平均气温的增大而减小，随8月平均气温日较差的增大而增大。经回归计算，在一定温度范围内，6—7月日平均气温每增加1.0℃，果实硬度减小0.58 kg/cm2，8月平均气温日较差每增加1.0℃，果实硬度增加0.14 kg/cm2左右，这与前人研究结果增减性相同[19]。6—7月温度低，果实生长慢，细胞间结合力强，组织结构致密，成熟度低，果实硬度大。相反，温度高，果实生长快，细胞组织疏松，成熟度高，果肉软，果实硬度减小。

2.4　气象因子对果实可溶性固形物的影响

查阅相关文献[18～21]并结合当地香梨生长发育特性[22]筛选出7—9月各月平均气温、7—9月各月平均相对湿度、7—9月各月平均气温日较差、8—9月各月平均日最低气温、8—9月各月平均日最高气温等气象因子，选用曲线回归中的线性、对数、二次、指数方法分别对各样点的果形可溶性固形物含量和气象数据做统计分析，选取拟合效果最佳的一种。结果表明：影响果实可溶性固形物的主要因子是7月平均气温日较差和平均相对湿度、8月平均气温和平均相对湿度、9月平均日最低气温。回归方程分别为：

式中，X7为7月平均气温日较差，R2=0.710，F=17.130，P=0.004，X8为7月平均相对湿度，R2=0.759，F=9.434，P=0.014，X9为8月平均气温，R2=0.700，F=6.995，P=0.027，X10为8月平均相对湿度，R2=0.736，F=8.363，P=0.018，X11为9月平均日最低气温，R2=0.712，F=7.404，P=0.024。

上述方程结合生产实际分析：（1）果实可溶性固形物含量与7月平均气温日较差呈线性关系，7月平均气温日较差大，温度高日照足，有利于糖分积累，果实膨大期可溶性固形物含量大。（2）果实可溶性固形物含量随7月平均相对湿度的增加，先增大，后减小。香梨果实平均约85%为水分，水分不足影响果实膨大，影响光合产物合成，保证水分供给，对于糖分合成具有重要意义。水分过多，对糖分合成有不利影响，可溶性固形物含量减小。当7月平均相对湿度为52%时，可溶性固形物含量达最大值。（3）果实可溶性固形物含量随8月日平均气温的增加，先增大，后减小。8月为果实膨大期，温度高，日照足，有利于内含物转化，果面着色。但温度过高不利于糖分合成，研究区8月“日灼”等高温灾害会灼伤叶面及果实表皮，不利于光合产物的合成，易造成果实停止生长，果形变小，成熟期不一致。当8月日平均气温为24.5℃时，可溶性固形物含量达最大值，为13.4%。（4）果实可溶性固形物含量随8月平均相对湿度的增加，先增大，后减小。当8月平均相对湿度为60%时，可溶性固形物含量达最大值，为13.9%。（5）果实可溶性固形物含量随9月日平均最低气温减小（研究区9月日平均最低气温在6.0～17.0℃之间变化，总体呈减小趋势），先增大，后减小。9月成熟期气温低于16.0℃易形成皱果，温度过低，果实质量下降，种子不能充分发育成熟。当9月日平均最低气温达12.8℃时，可溶性固形物含量达最大值，为12.9%。

2.5　农业气象灾害及人工管理

2.5.1农业气象灾害评价等级

大风、冰雹、霜冻和冻害等灾害对香梨产量和品质有很大影响。

设置评价等级：

（1）冻害等级划分[23]。轻度冻害：全树30%花芽受冻变成褐色，可以萌动，但花难展开。1～3 a枝条髓部变色，新枝形成轻微变成褐色，可恢复。中度冻害：60%花芽心部变黑死亡；1～3 a生枝木质部变色，形成层变黑；主枝形成层变褐可恢复，主干发生冻裂，裂缝小可愈合。严重冻害：花芽柱头枯黑，雌蕊变褐，干枯脱落死亡，1～3 a生枝韧皮部深褐色，形成层变黑死亡，主枝形成层变黑死亡。

（2）冰雹标准参考《中华人民共和国国家标准GB/T 27957-2011冰雹等级》（表2），D为冰雹直径，同时考虑冰雹密度、持续时间及香梨所处生育期的综合影响。

表2　冰雹等级

（3）大风

库尔勒市行政区属于大风易发区[24]，7级以上大风天气出现频繁，且多发生在春秋两季。香梨成熟前期及采摘期（8、9月）大风天气易造成磕碰、品质下降及严重落果、减产等问题。观测表明[25]，香梨成熟前期风力达到17.1 m/s以上开始出现落果，定义该时期风力达到17.1 m/s以上为大风灾害轻微等级。香梨成熟期风力达到12 m/s以上开始出现落果，19 m/s则出现严重损失，故定义成熟期风力12 m/s～19 m/s为中度风灾等级，大于等于19 m/s为重度风灾等级。

综上，整个生育阶段无农业气象灾害为特优；出现轻度农业气象灾害对果品无明显伤害为优；出现轻度农业气象灾害且对果品造成较轻程度影响为良好；出现中度及以上农业气象灾害为一般。

2.5.2人工管理措施评价等级

果园管理措施的完善对于提高果品整体品质具有极其重要的意义。根据果农实际管理情况[25]，进行等级评价：运用科学合理的管理方式，适时适度采取相应措施为特优，同行相比其次为优，再次为良好；由于人为原因导致果园修剪不及时，病虫害防治不到位，灌水不足等问题出现时为一般。

2.6　评价指标的拟定及评价体系的构建

根据库尔勒香梨果实品质与相关气象因子的关系，建立库尔勒香梨气候品质评价体系：

Y=a×区域适宜性+b×单果质量+c×果形指数+d×果实硬度+e×可溶性固形物+f*气象灾害+g×人工管理。（15）

式中，Y为评价结果得分，a，b，c，d，e为相应的权重系数，由专家打分法得出：a=0.1，b=0.1，c=0.1，d=0.1，e=0.3，f=0.2，g=0.1。结合新疆库尔勒市当地气候条件特征及香梨不同生育期的果实特性[26]，参考《中华人民共和国农业行业标准NY/T 585-2002库尔勒香梨》，综合分析，得出以下认证指标及评价体系（表3）。

表3　库尔勒香梨气候品质认证指标

综上，根据单果质量、果形指数、果实硬度、可溶性固形物在各发育阶段随相关气象因素的变化规律，结合研究区域多年气象资料将划分标准“本地化”，对“最适气象因子”范围（一等范围）、“适宜气象因子”范围（二等范围）、“次适气象因子”范围（三等范围）进行划分，划分结果见表4。

2.7　2017年样点果园库尔勒香梨气候品质评价

将2017年样点果园各项气象指标数值代入方程（5）～（14），得出各品质因子值，依据评价标准得分（表5）代入总方程（15），分析确定2017年库尔勒市各园艺场气象灾害和果园管理情况，依据库尔勒当地的实际生产条件[26～28]，调整划分范围，划分评价等级。

综合考虑各生育期人工管理水平，2017年库尔勒市各园艺场人工管理综合评价为：沙依东80分，上户镇60分，哈拉苏60分，库尔楚80分。

表4　库尔勒香梨气候品质认证气象因子指标

表5　库尔勒香梨气候品质认证结果等级划分

式中Y1为2017年沙依东园艺场香梨气候品质评价结果得分，Y2为2017年上户镇园艺场香梨气候品质评价结果得分，Y3为2017年哈拉苏园艺场香梨气候品质评价结果得分，Y4为2017年库尔楚园艺场香梨气候品质评价结果得分。参考表5，评价结果为：2017年沙依东园艺场香梨气候品质评价结果为良好，2017年上户镇园艺场香梨气候品质评价结果为特优，2017年哈拉苏园艺场香梨气候品质评价结果为优，2017年库尔楚园艺场香梨气候品质评价结果为良好。2017年8月12—13日，库尔勒市大部出现雷雨大风、短时强降水天气，库尔楚园艺场局地出现短时冰雹，梨园损失严重，沙依东园艺场无防护林园区受灾严重，落果率达26.6%[29-30]，故评价结果与实际情况一致。

通过数据分析可知，7—9月是决定香梨果实内在品质的重要时期，这一时期的气象条件对香梨品质的形成具有决定性作用。主要影响因子探究结果表明，单果质量的研究结果与魏钦平等[19]在乔纳金苹果品质与气象因子的关系中的研究结果一致。果形指数的研究结果与周纯等[20]的一致。果实硬度的研究结果与刘灿盛等[31]“平均气温与硬度呈负相关，平均气温日较差与硬度正显著相关”一致，杨振伟[21]的研究也能证实这一结论。可溶性固形物的研究结果与刘灿盛等[31]“可溶性固形物含量随积温的增多、平均气温的升高、日较差的增大而增大”在一定温度范围内变化规律相同，超过适宜温度范围不同。考虑到新疆夏秋季节高温持续时间长且光照强，对香梨生长产生不利影响，故在果实适宜温度范围内增加，超过最适温度范围，出现果实皱皮，停止生长等不利情况。

3　结论

（1）单果质量的主要影响因子是5月平均气温日较差和5月平均相对湿度，5月平均气温日较差为负效应影响，5月平均相对湿度为正效应影响；果形指数的主要影响因子是5月日平均气温和9月平均相对湿度，果形指数随5月日平均气温的增加，先增大，后减小，当5月日平均气温为20.6℃时，果形指数达到最大值，果形指数随9月平均相对湿度的增加，先增大，后减小，当9月平均相对湿度为50.7%时，果形指数达到最大值；果实硬度的主要影响因子是6—7月平均气温和8月平均气温日较差，果实硬度与6—7月平均气温和8月平均气温日较差均呈线性关系，果实硬度随6—7月平均气温的增大而减小，随8月气温日较差的增大而增大；可溶性固形物的主要影响因子是7月平均气温日较差和相对湿度，8月日平均气温和相对湿度，9月日平均最低气温。7月气温日较差越大，高温与日照相伴，越有利于糖分积累，果实膨大期可溶性固形物含量越大。8月日平均相对湿度为60%时，可溶性固形物含量达到最大值，为13.9%。9月日平均最低气温为12.8℃时，可溶性固形物含量达到最大值，为12.9%。

（2）库尔勒香梨气候品质评价模型由区域适宜性、单果质量、果形指数、果实硬度、可溶性固形物、气象灾害、人工管理共7个因子构成。其中，气象灾害因子作特殊考量，即出现严重气象灾害年份，品质评价结果可考虑“一票否决”：严重气象灾害影响果品品质，果实不具有商品价值，则作品质较差处理，不予等级评价。

（3）库尔勒香梨气候品质认证结果划分为特优、优、良好、一般四个等级。经检验，这一等级划分符合当地生产实际，且对于果农提高果品的商品价值，具有积极的意义。

（4）2017年沙依东园艺场香梨气候品质评价结果为良好，上户镇园艺场香梨气候品质评价结果为特优，哈拉苏园艺场香梨气候品质评价结果为优，库尔楚园艺场香梨气候品质评价结果为良好。

本研究通过对库尔勒香梨果实品质与气象条件进行多元统计分析，得出果实品质与气象因子一一对应的关系，探究出每个品质性状的主要影响因子，为库尔勒香梨果实品质的提高和合理区域管理提供了理论依据和指导性方案。未来，建立香梨气候品质认证指标与评价模型，进行库尔勒香梨气候品质鉴定，可以结合遥感等研究方法，综合考虑当地地形、土壤条件，利用层次分析法、聚类分析法等统计分析方法对香梨各气候品质因子的权重筛选赋值，以提高认证技术的科学性和可靠性。