基于气象条件下的牡丹花期预报预测研究

岳高峰,王丽萍,刘 丽 ,韩志强

(1.甘肃省临夏州气象局,甘肃 临夏 731100；2.甘肃省临夏市职教中心,甘肃 临夏731100；3.甘肃省陇南市气象局,甘肃 陇南746000；4.甘肃省临夏州农业科学院,甘肃 临夏 731100)

0 引言

牡丹历来被奉为庭院珍品，享有花中之王的美誉，其雍容华贵的外形更是成为了富贵华丽的代名词，再加上其品种丰富、花色泽艳、花香芬芳而令世人推崇[1]。牡丹在我国栽培种植可追溯到1500年前的南北朝。目前，牡丹在我国的东北、西北、东南，以及内蒙、台湾省等地都有栽培和种植。牡丹具有很高的观赏价值，花期为7～10 d，牡丹同时还具有药用和食用价值。古人有诗句“庭前芍药妖无格，池上芙蕖净少情。唯有牡丹真国色，花开时节动京城。”来盛赞牡丹的美丽和风格。而现代盛行的大田和园林栽培种植牡丹技术使得牡丹观光旅游产业异军突起、大放异彩。国内的河南洛阳和山东菏泽都将牡丹作为市花，并形成了相当规模的以牡丹为主题的观光旅游产业，如洛阳牡丹文化节和荷泽国际牡丹花会都是通过每年春季举办牡丹花会，吸引海内外众多游客来赏花观光和旅游，形成了当地重要的经济支柱发展产业。

甘肃省临夏市地处青藏高原和黄土高原的过渡地带[2]，其独特的气候特征适宜于牡丹的栽培和种植，而当地的群众历来都有种植牡丹的习惯和爱好，主要以栽培种植紫斑牡丹为主。紫斑牡丹为仅次于中原牡丹的第二大牡丹种群，适宜生长在海拔1100～2800 m的山地区域。紫斑牡丹是由于在花瓣内面基部具有深紫色斑块而得名，在西北很多地方都有栽培种植。近年来，临夏市人民政府将牡丹旅游产业作为一张重点名牌来打造，加快牡丹旅游产业规模步伐，通过深入推进牡丹栽培种植技术，并在临夏市南滨河路人工栽培种植了长达5 km的牡丹旅游观光长廊，从2016年开始每年春季举办“牡丹文化旅游节”来吸引省内外的游客到此观光旅游，极大地带动和促进了当地经济和文化的发展。

目前已经确认的牡丹有600多个品种[3]。每年的气象条件不一样，造成牡丹花期会出现提前或延迟，由于不能准确确定牡丹花期，这给“牡丹文化旅游节”的管理组织者带来很大的考验，有时也会遇到一些尴尬。如2017年，第二届河州牡丹文化节于4月28日开幕，但当年牡丹花期推迟了8 d，盛花期到5月6日才开始，这令许多纷纷慕名而来的外地游客感到有些失望，也严重地影响了当地对外的影响力和美誉度，并造成了一定的经济损失。因此，对牡丹花期进行准确的预报预测显得很有必要。植物的花期预报预测主要有以下3种方法：(1)根据物候现象发生顺序的相关规律，通过观测记录不同的物候现象，来对后面出现的物候现象(花期)进行预报预测；(2)通过持续对植物的芽生长情况进行测量和记录，进而预报预测开花期；(3)选取相关的气象因子建立模型，来对花期进行预报预测[4-9]。

利用物候现象发生顺序和测量记录芽生长进行花期的预报预测，往往需要有多年的平行观测记录资料来支撑，在可操作性上存在一定的局限。而利用选取不同的气象因子，通过建立模型，对牡丹花期进行预报预测，则克服了以上2种预报预测方法的局限性。杨绒芳[10]、魏秀兰[11]、刘波[12]、张菲[13]、张玲[14]和王泳梅[15]等诸多学者以气象条件为基础对牡丹花期预测进行过研究和尝试，并取得了丰硕的研究成果和结论。但在实际预测中，牡丹花期预报预测还没达到令人非常满意的程度，目前仍然存在着牡丹花会与牡丹盛花期不相匹配的现象。因此，逐步完善牡丹花期预报预测水平和方法，突破瓶颈和短板，成为了壮大牡丹文化旅游产业发展中亟需解决的难题。影响牡丹开花的主要气象因素有气温、光照、降雨、湿度、积温和低温霜冻等。本文通过选取气温、积温、日照、空气湿度等要素，对牡丹花期预报预测进行数学建模，利用逐步回归方法剔除对花期影响小的要素，建立多元回归预测模型方程。

1 材料与方法

1.1 数据来源

使用甘肃省临夏州气象局国家自动气象观测站1996～2015年共20年的逐日平均气温、日最高气温、日最低气温、空气相对湿度、降雨量、日照时数等气象观测资料。使用临夏州农业科学院的2010～2017年牡丹物候观测资料，包括牡丹的萌动期、芽膨大期、显蕾期、翘蕾期、立蕾期、小风铃期、大风铃期、圆桃期、平桃期、初开期、普开期、盛开期、花谢期、显叶期、展叶期、落叶期、芽分化期等17个物候期，并使用了2018年牡丹花期实地观测记录资料。

1.2 指标确定及数据处理

温度是影响牡丹花期的重要因素[10]。不同的物候期对气温的敏感度也不同，在小风铃期和圆桃期对气温最为敏感。如果在这2个物候阶段出现寒潮降温天气，牡丹的花蕾就会遭受到一定程度的损伤，即使后面经历相对较高的气温时段，也会对牡丹的花期造成影响。深秋至冬季低温时，牡丹经历休眠期，当第二年春季日气温接近3 ℃时，牡丹开始解除休眠并开始萌芽。据观测，临夏市的紫斑牡丹在气温接近3 ℃时，解除休眠并开始萌动；气温大于5 ℃时开始展叶；气温大于15 ℃时开始开花。因此选取3 ℃为牡丹萌芽起始温度，选取日气温稳定通过3 ℃为花芽萌动起始日。据1996～2015年气象观测资料显示，临夏市平均气温稳定通过3 ℃的日期为3月3日。因此选取日平均气温3 ℃为预报起始温度，选取3月3日为预报起始日期，预报因子取到4月23日。

积温也是影响牡丹花期的重要因素之一。牡丹花期所需的温度达到要求，同时还要所经历的积温也要达到要求。否则，牡丹也不会立即开花，而是会延迟，直到积温达到所需的要求。据监测，临夏市的紫斑牡丹花期前所需的有效积温为350 ℃·d。

水分是影响植物生长的重要因素。牡丹为喜荫耐旱植物，当地正常的降雨量就能满足其所需水分。因此选取每日空气相对湿度为研究指标。牡丹为喜光植物，每天6.5 h以上的日照完全可以满足其所需光照的需求。因此，选取日照时数大于6.5 h以上的时间为日照指标。

在确定了预报指标因子后(表1)，用Excel 2003软件对选取的4个气象指标数据进行标准化和无量纲化处理，以消除不同指标存在不同量纲的问题。

表1 牡丹花期各主要指标

2 研究方法

2.1 基于气象条件的花期预测研究现状

对于植物花期的预报，很多学者选取气象因子进行预测研究，而气温和积温成为了重要影响因子。车少静等[5]通过分析迎春花花期与气温的相关性，发现气温的高低与迎春花花期的早晚有很好的对应关系，并通过选取气温为预报因子进行预报预测，取得了很好的效果。刘红等[9]利用苹果初花前50 d各旬气温积算值与初花期的相关性进行分析，结果表明：苹果初花期前4旬旬平均气温积算值和旬最高气温积算值与初花日相关性显著。通过对用相关显著的气温积算值预测苹果花期。杨芳绒等[10]对牡丹花期进行了研究，发现2月10日之后的旬平均气温和有效积温对花期的预报预测有很好的对应关系；气温稳定上升时有利于牡丹花期，反之花期有可能提前或推后，甚至遭受到损害。魏秀兰等[11]研究发现，在2月牡丹萌动期之前，气温、降雨和光照等气象条件对花期的影响不明显，花期前的2～4月中旬的温度与牡丹花期密切相关，决定着花期的早晚和盛衰。任宪威等[17]选取北京120种植物，进行30年(1951～1980年)物候研究分析，得出了气温成为了决定植物物候期发育迟早的关键因素。李军[18]对桃树始花期与气象条件进行了分析研究，发现桃树的始花期基本与日平均气温稳定通过10 ℃相吻合，并以此研究结果为依据对上海2005年桃始花期进行预报预测，得到了很好的效果。国内还有很多学者[19-27]对植物开花期进行了深入研究和分析，并取得了显著的研究成果和结论。

2.2 主成分分析法

主成分分析法(PCA)又称为主分量分析法，它是一种通过降维技术把多个变量化为少数几个主成分(即综合变量)的多元统计方法，这些主成分能够反映原始变量的大部分信息，通过表示为原始变量的线性组合。

研究显示，由于牡丹花期与单个气象因子的线性关系并不显著，而且气温、有效积温、湿度、光照要素之间互相影响较大，这就需要进一步找出对花期贡献率大的主要因子。利用Excel 2003软件对所选取的4个因子进行标准化处理，并对之后的因子进行主成分分析，得出各主成分系数(表2)，统计出各个主成分的贡献率(表3)。

表2中第一主分和第二主成分的贡献率之和占第一、第二、第三、第四主成分的80.2%，因此选择第一和第二主成分。在表2中，第一个因子(旬平均气温)与第一主成分呈负相关，系数最大；第二个因子(有效积温)与第一主成分为负相关，系数绝对值为次大。而第二主成分中，第二个因子(有效积温)和第三个因子(平均日照时数)占主要影响，且第二个因子为正相关，第三个因子为负相关。

表2 主成分分析系数

表3 主成分的贡献率

综合表2和表3分析，剔除掉日平均相对湿度因子，将预报因子压缩为3个，即：旬平均气温、有效积温和平均日照时数。而在表1中，由于第一主成分和第二主成分中占主要影响的前2名因子中均包含有效积温，因此将有效积温作为重点因子进行观察。

2.3 逐步回归分析

为了验证旬平均气温、有效积温和平均日照时数与牡丹花期的关系，采用逐步回归分析方法挑选对牡丹花期相关性最高的因子。

首先对旬平均气温、有效积温、平均日照时数和日平均相对湿度4个因子建立模型，并进行显著性分析，得出模型参数和置信区间分布(表4)。通过逐步剔除因子，使用有效积温和气温2个因子开展建模进行显著性分析，得出模型参数和置信区间分布(表5)。

表4 4个因子模型置信区间

表5 积温和气温因子模型置信区间

经过比较，在建立模型中选取4个因子作为预报要素，模型显著性并不理想。而依次剔除不同的因子后，发现当保留旬平均气温和有效积温时，模型显著性为最强。比对表4和表5，使用4个预报因子时F值为1.653；而使用旬平均气温和有效积温进行预报时，F值为4.235。因此，只使用旬平均气温和有效积温因子进行花期预报比使用4个因子进行预报的效果更加显著。

2.4 建立预报模型

综上考虑，采用旬平均气温和有效积温作为牡丹花期预报预测的主要因子指标。临夏市紫斑牡丹解除休眠日期为2月23日左右，萌动期为3月3日左右，将3 ℃作为预报起始气温，由于当地气温稳定通过3 ℃的日期在3月3日左右，选取3月3日至牡丹盛花期(开花率达60%)所经历的日数作为预报变量(Y), 选取3月3日至气温稳定通过3 ℃的首日日数作为第一个指标(X1)，选取气温稳定通过3℃的首日至有效积温稳定通过350 ℃·d的日数作为第二个指标(X2)。临夏市开展牡丹文化节时间为每年4月28日左右，因此选取预报因子截止4月23日，可以进行5 d及以上的预报。选取实际气温稳定通过3 ℃的首日至4月23日旬平均气温之和为第三个指标(X3)。使用临夏州农业科学院的2010～2017年牡丹花期观测记录和2018年牡丹花期实际观测记录，以及对应当年气象观测资料，对Y、X1、X2、X3进行回归分析，建立花期预报预测模型：

Y=204.3621-1.8544X1-2.4236X2-0.9834X3+0.04262X1X2

2.5 模型检验

2.5.1 牡丹花期预报预测检验 使用花期预报预测回归方程对2010～2018年牡丹花期进行预报预测，除了2013年预报误差为4 d，2015年预报误差3 d，其余年份误差均≤2 d。根据现有资料进行预报预测检验，误差≤2 d的花期预报预测准确率为77.8%；误差≤3 d的准确率为88.9%；误差≤4 d的准确率为100%。

2.5.2 置信度检验 设定置信度为α=0.95条件下，对建立的花期预报预测模型进行2011～2018年牡丹花期预报预测的区间估计，9年中有7年的实际开花期均在α=0.95的置信区间内，牡丹实际盛花期与模型预报预测花期最多相差4 d，相差2 d的预测结果占到77.8%，相差3 d的预测结果占88.9%。

3 结论

(1)临夏市栽培种植的紫斑牡丹在2月23日左右解除休眠，在春季气温为3 ℃时开始萌动，而当地日平均气温稳定通过3 ℃的在3月3日之后。

(2)选取对影响牡丹花期的旬平均气温、有效积温、光照和空气相对湿度等气象因子，进行主成分分析和逐步回归分析，发现日平均气温稳定通过3 ℃之后的气温和有效积温对牡丹花期影响最显著。这与之前学者研究得出的气温是影响牡丹花期的重要因素、气温和有效积温是花期预测的重要指标的结论相一致。通过进一步选取气温和有效积温作为牡丹花期的预报因子并建立预报模型：

Y=204.3621-1.8544X1-2.4236X2-0.9834X3+0.04262X1X2

(3)对牡丹花期预报预测模型进行检验，在置信度取α=0.95的条件下，牡丹实际盛花期与模型预报预测花期最多相差4 d，相差2 d的预报预测结果准确率为77.8%，相差3 d的预报预测结果准确率为88.9%。

(4)牡丹花期为7～10 d，而模型预报预测最大误差在4 d以内，因此，花期预报模型的可靠性和可信度都是有保障的，它为临夏市开展牡丹花期预报提供了基础，为开展河州牡丹文化节的组织都提供了决策依据。