中国北方主产地苹果始花期与气候要素的关系*

刘 璐，王景红，傅玮东，栾 青，李曼华

中国北方主产地苹果始花期与气候要素的关系*

刘 璐1，王景红1，傅玮东2，栾 青3，李曼华4

（1.陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心，西安 710014；2.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002；3.山西省气候中心，太原 030006；4.山东省气候中心，济南 250031）

选取福山、万荣、洛川、旬邑和阿克苏分别代表中国渤海湾、黄土高原和新疆苹果产区，利用1999−2018年各地富士苹果始花期物候观测数据，分析苹果始花期变化趋势，并利用偏最小二乘回归法，分析日尺度平均气温、平均地温、降水量、相对湿度和日照时数对苹果始花期的影响，明确影响苹果始花期的关键气候因子及其影响时段和强度，在此基础上，利用逐步回归法建立各主产地苹果始花期预测模型。结果表明，近20a来，中国北方主产地苹果始花期平均出现在4月7−20日，但变化趋势不显著。影响各地始花期的关键气候因子中，平均气温和平均地温为主导因子，其中关键影响时段内平均气温和平均地温每上升1℃，5个主产地苹果始花期将显著提前2.31～4.10d和2.34～4.96d；降水量每增加1mm，万荣、旬邑和阿克苏苹果始花期将显著推迟0.12～0.57d；平均相对湿度每增加1个百分点，旬邑和阿克苏苹果始花期推迟0.33d和0.51d；日照时数每增加1h，福山和万荣苹果始花期分别提前0.12d和0.07d。在明确影响各主产地苹果始花期关键气候因子的基础上，建立中国北方苹果主产地始花期预测模型，经回代检验，实测值与预测值相差小于5d的比例达80%～90%，模型可用于实际预测业务。

富士苹果；始花期；偏最小二乘回归法；预测模型；气候变化

物候现象是指示气候及自然环境变化的重要指标[1−2]，了解植物物候与气候要素的关系，可为研究气候变化对植物栽培、育种和管理的影响提供重要的理论基础[3−6]。苹果始花期是表征苹果果实开始发育的重要指示物候期[7]，对全年苹果产量和品质的形成均具有决定性影响[8−9]。因此，开展苹果始花期与气候要素关系的研究，对了解气候变化对苹果始花期的影响，以及指导地区苹果生产具有重要意义。

Wolfe等[10]发现美国东北部地区1965−2001年苹果始花期每10a提前2.0d；Clmielewski等[11−12]发现德国和南非的苹果开花期分别以2.1d·10a−1和4.3d·10a−1的速率提前，并主要与春季气温的升高有关，期间温度每上升1℃，苹果开花期将提前4～5d。蒲金涌等[13−15]研究发现，甘肃地区苹果开花期约以4.7d·10a−1的速率提前，并与年平均气温、3−4月平均气温和0℃积温呈显著负相关关系。总体上，国内外大部分研究主要集中于热量资源对苹果始花期的影响，有关水分和光照资源对始花期影响的研究鲜有报道，而大量研究结果表明，地温、降水量、空气相对湿度、光照强度和日照长度对植物物候亦有显著影响[16−17]，有必要对其开展深入细致研究。此外，以往研究方法主要为旬、月气候要素与始花期发生日期的时间序列的相关性分析，该方法虽然简单易行，但因为苹果始花期的发生日期并不一定由前期完整旬、月气候因子所驱动，所以误差较大。

为了更准确、合理地分析不同产区苹果始花期与气候要素的关系，本文拟在前人研究的基础上，针对中国北方苹果主产地，利用偏最小二乘回归法，开展日尺度光、温、水气候因子变化对苹果始花期的影响分析，明确各气候要素对苹果始花期的关键影响时段和影响强度，并在此基础上建立始花期预测模型，以期为科学有效开展全国苹果开花期气象服务提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域

在渤海湾、黄土高原和新疆苹果产区，选取产业规模、气候条件和地理环境具有代表性的福山、万荣、洛川、旬邑和阿克苏作为研究地区。其中福山位于渤海湾产区，属温带季风气候，是苹果产业发源地，综合生产管理水平全国领先；万荣、洛川和旬邑分别位于黄土高原产区东、北、西部果区，其中万荣和洛川属暖温带半湿润大陆性季风气候，旬邑属温带大陆性季风气候，三地均是黄土高原苹果种植最早，且产量和品质最具代表性的地区；阿克苏位于新疆苹果种植的新优势区，是中国本土苹果发源地之一，且其单产为全国最高。中国北方苹果主产区及研究代表站点分布见图1。

1.2 数据及其处理

以富士苹果（Fuji Apple）为研究对象，选择1999−2018年各地始花期观测资料，数据分别来源于山东福山、山西万荣、新疆阿克苏农业气象试验站，以及陕西洛川和旬邑县气象局，观测依据和标准均为中国气象局《农业气象观测规范》。此外，将逐年始花期出现日期转化为距当年1月1日的实际天数，即日序（DOY），从而得到始花期的时间序列。气候要素数据选取各站点1999−2018年逐日日平均气温、日平均地温（0cm）、日降水量、日平均相对湿度和日照时数，数据来源于国家气象信息中心。

1.3 研究方法

采用线性回归法分析始花期的年际变化趋势及始花期与各气候因子的相关性[18−19]，并利用偏最小二乘回归法（Partial Least Squares regression，PLS）对苹果始花期发生时间与逐日气象因子进行相关分析，最后，利用逐步回归法建立各主产地苹果始花期预报模型。

偏最小二乘回归法是一种数学优化技术，它对自变量高度相关或自变量数目显著高于因变量的情况特别适用，并已在多种植物物候期对气候变化的响应研究中得到了很好的应用[20−23]。它主要产生变量重要性值VIP和标准化模型系数2个结果，在本研究中，VIP值反映自变量变化对始花期影响的显著性，一般以0.8作为显著性的判定标准；标准化模型系数的正负则表明影响的方向，为正代表气象因子升高会推迟始花期，为负则表明气象因子升高对始花期有提前作用。另外，本研究的自变量为逐日气象因子，因各地始花期均发生在4月，故以前一年5月1日−当年4月30日作为自变量起止日期，开展相关分析，其数据分析和制图均在R3.5.2中进行，PLS分析主要依赖R统计分析软件中的“pls”软件包。

图1 中国北方三大苹果主产区及其代表站分布图

2 结果与分析

2.1 苹果始花期及年尺度气候因子的影响

2.1.1 苹果始花期时空分布特征

由表1可见，1999−2018年，中国北方苹果主产地始花期平均出现在第97−110天（4月7−20日），且各主产地苹果始花期年际间变率在4.4～7.0d。总体上，万荣始花期出现时间最早，其次为阿克苏、旬邑、洛川，最晚的是福山；旬邑始花期年际间变率最小，福山年际间变率最大。从各主产地苹果始花期年际间线性变化趋势分析结果来看，1999−2018年各地均没有显著的线性变化趋势。

2.1.2 气候因子年际变化及对苹果始花期的影响

1999−2018年，中国北方苹果主产地年平均气温为9.5～13.4℃，年平均地温为12.3～15.5℃，总降水量为89～629mm，年平均相对湿度53.2%～68.3%，总日照时数为2117.8～2848.4h。各主产地间，万荣的平均气温、平均地温和平均相对湿度的变化速率最大，达0.92℃·10a−1（P<0.01）、1.04℃·10a−1（P<0.01）和−6.7个百分点·10a−1（P<0.01），而旬邑各气候因子的变化趋势均不显著（表2）。

利用各主产地1999−2018年苹果始花期与逐年年平均气温、年平均地温、年降水量、年平均相对湿度和年日照时数进行线性回归发现，福山、洛川和阿克苏的苹果始花期与年平均气温呈显著负相关关系，年平均气温每升高1℃，各地苹果始花期依次提前7.9、5.6和7.5d·a−1（P<0.05）；洛川、旬邑和阿克苏的苹果始花期与年平均地温亦呈显著负相关关系，年平均地温每升高1℃，各地苹果始花期依次提前7.6、5.6和5.3d·a−1（P<0.05，图2）。各主产地苹果始花期与年降水量、年平均相对湿度和年日照时数均无显著相关关系，说明除热量条件外，其余年尺度气候因子对苹果始花期影响不大。各主产地间，洛川和阿克苏的苹果始花期与年平均气温和年平均地温均呈显著负相关关系，而万荣与各气候因子均无显著相关性。

2.2 日尺度气候因子对苹果始花期的影响

2.2.1 影响时段和影响特征

由图3和表3可见，平均气温对中国北方各主产地苹果始花期的影响时段总体集中于1月或2月至始花期的一段时间，且该时段内的平均气温对始花期均为负影响，即平均气温升高使始花期提前；此外，万荣上年11月5日−12月23日平均气温对当年苹果始花期为正影响，即该时段平均气温升高将推迟苹果始花期。平均地温对各地苹果始花期呈负影响的时段与平均气温基本一致，且万荣和旬邑两地上年秋冬季平均地温对当年始花期均有正影响。降水量较平均气温和平均地温对始花期的影响明显分散，总体上集中在始花期前的一段时间，其中福山降水量对始花期以负影响为主，而其余各地降水量对始花期以正影响为主。相对湿度对各地始花期的影响特征差异较大，其中对福山、洛川和旬邑均为一个正影响时段，且主要集中在于1月或2月底至始花期前的一段时间，而对万荣和阿克苏均有3个影响时段，其中正影响时段集中在始花期前，而负影响时段分布在上年夏、秋季和当年年初两个时段。日照时数对各地始花期的影响时段集中于始花期前的一段时间，且均以负影响为主。总体上，各地平均气温和平均地温对始花期的影响时段基本一致，其次是日照时数，降水量和相对湿度对始花期的影响时段最为分散；各地间，福山和洛川各气候因子对苹果始花期的影响均为一个影响时段，而万荣各气候因子对苹果始花期多为两个或三个影响时段。

表1 1999−2018年北方主产地苹果始花期统计结果

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

表2 1999−2018年北方苹果主产地气候因子变化趋势

注:*、**分别代表P<0.05和P<0.01。下同。

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

图2 不同产地苹果始花期与年平均气温（a）和年平均地温（b）的相关关系

图3 1999−2018年北方苹果主产地苹果始花期与主要气候因子的PLS分析结果

注:红色表示变量重要性值（VIP）大于阈值0.8且模型系数为负，代表气候因子与苹果始花期为负相关关系；绿色表示变量重要性值（VIP）大于阈值0.8且模型系数为正，代表气候因子对苹果始花期有推迟效应，灰色表示变量重要性值（VIP）小于阈值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 北方苹果主产地各气候因子对始花期的影响时段（月/日）和影响特征（+或−）

注:+表示气候因子对始花期为正影响（使始花期推迟），−表示气候因子对始花期为负影响（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 关键气候因子及其影响强度

将各地苹果始花期与表3中各影响时段内的气候因子进行线性回归分析，以通过0.05水平的显著性检验为标准，得到影响各地苹果始花期的关键气候因子，及其关键影响时段和影响强度。由表4可见，各地苹果始花期均与平均气温和平均地温呈显著负相关关系，关键影响时段内平均气温和平均地温每上升1℃，各地始花期将显著提前2.31～4.10d（P＜0.01）和2.34～4.96d（P＜0.05）。降水量是影响万荣、旬邑和阿克苏苹果始花期的关键气候因子，关键影响时段内总降水量每增加1mm，其始花期将显著推迟0.12～0.57d（P＜0.05）。相对湿度是影响旬邑和阿克苏始花期的关键气候因子，关键影响时段内平均相对湿度每增加1个百分点，其始花期分别推迟0.33d（P＜0.01）和0.51d（P＜0.05）。日照时数是影响福山和万荣苹果始花期的关键气候因子，关键影响时段内总日照时数每增加1h，其始花期分别提前0.12d（P＜0.05）和0.07d（P＜0.05）。从关键气候因子对各地始花期的影响强度可见，热量因素为影响中国北方苹果始花期的主导因子，其对各地苹果始花期的影响显著大于水分和光照因素。各地间，影响万荣、旬邑和阿克苏苹果始花期的气候因子最多，达4个；影响洛川苹果始花期的气候因子最少，为2个。

2.3 各主产地苹果始花期的预测模型及检验

利用1999−2018年各主产地苹果始花期物候观测资料，以及表4中影响各地苹果始花期的关键气候因子，采用逐步回归法，建立中国北方苹果主产地始花期预测模型（表5），预测模型的决定系数R2在0.434～0.866，相关系数R均通过0.01水平的显著性检验。进一步利用各主产地苹果始花期实测值对模型进行准确率检验，发现20a内实测值与预测值相差小于3d的比例，除阿克苏低于50%外，其余地区为60%～75%，实测值与预测值相差小于5d的比例普遍达80%～90%，预测准确率较高，说明预测模型的拟合度较好。

表4 影响北方苹果主产地始花期的关键气候因子、影响时段和影响强度

表5 北方苹果主产地始花期预测模型及检验结果

注:T、Tg和S分别代表关键影响时段内平均气温、平均地温和总日照时数。＜3d指实测值与预测值相差小于3d的比例，＜5d指实测值与预测值相差小于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 结论与讨论

3.1 讨论

（1）对比本研究中年尺度气候因子和苹果始花期的相关性分析结果，以及前人对植物物候与气候要素的研究[13−17,24−28]，基于偏最小二乘回归法开展的日尺度气候数据与苹果始花期的相关分析，不仅明确了平均气温和平均地温对始花期影响的关键时段，同时发现了降水量、相对湿度和日照时数对各地苹果始花期的关键影响时段和影响强度，研究精度较年、季、旬尺度研究方法有了显著提高。

（2）对比热量条件对植物物候期影响研究相关结论，在影响植物开花期的气候因子中，温度具有显著的负作用，然而相较于气温对植物始花期的大量研究，地温的研究成果相对较少，本研究发现中国北方苹果主产地始花期与平均地温均呈显著负相关关系，且在始花期预测模型的建模中，西部主产地地温对始花期的预测准确率大于气温，表明西部苹果产地应更加重视地温对苹果物候期和生产的影响。

（3）相较于热量资源，前人有关水分资源和光照资源对植物开花期的影响的研究成果较少，其中大部分研究认为降水对植物始花期无显著影响[16−17,24]，而本研究发现，降水量和相对湿度对旬邑和阿克苏的苹果始花期均呈显著正影响，这与张福春提出的木本植物树大根深，一般的干旱环境对木本植物物候期不会产生显著影响的观点不同，反映出部分产地的苹果始花期对水分需求有较为敏感的特性。对比水分因素对苹果始花期的影响，本研究发现，日照时数与福山和万荣两地的苹果始花期呈显著的负相关关系，光照对苹果始花期的影响关系与热量条件类似，但影响强度小于热量条件，这与Erwim等的研究结论一致[29]。

（4）本研究主要分析了气候要素与苹果始花期的关系，但苹果属栽培物种，春季灌水、施肥、种（覆）草等措施也会在一定程度上影响苹果开花，因此，后期有必要就果园管理技术对苹果开花的影响进行深入研究。

3.2 结论

（1）各气候因子对中国苹果主产地始花期的影响关系较为一致，但影响时段差别较大。其中温度对始花期的影响主要集中在1月或2月至始花期前，但降水量、相对湿度和日照时数对始花期的影响时段分散在1、2和3月至始花期前，且大部地区影响时段的长度短于温度对始花期的影响时段长度。影响各地始花期的关键气候因子中，平均气温和平均地温为主导因子，其中影响时段内平均气温和平均地温每上升1℃，5个主产地苹果始花期显著提前2.31～4.10d 和2.34～4.96d；降水量每增加1mm，万荣、旬邑和阿克苏苹果始花期显著推迟0.12～0.57d；平均相对湿度每增加1个百分点，旬邑和阿克苏的苹果始花期推迟0.33d和0.51d；日照时数每增加1h，福山和万荣的苹果始花期分别提前0.12d和0.07d。

（2）在明确影响苹果始花期关键气候因子的基础上，利用逐步回归法建立中国苹果主产地始花期预测模型，经回代检验，实测值与预测值相差小于5d的比例达80%～90%，准确率大于已有的陕西礼泉等地的苹果始花期预测模型[30]，且预测因子及其时段的选择较以往研究更加科学，可用于实际预测业务，为全国苹果花期气象服务提供技术支撑。

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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

刘璐,王景红,傅玮东,等.中国北方主产地苹果始花期与气候要素的关系[J].中国农业气象,2020,41(1):51-60

2019−06−01

中亚大气科学研究基金；陕西省重点研发计划（2018ZDCXL-N-24-3）；秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室开放研究基金（2019Z-5）

刘璐，E-mail：liululu128@163.com