气象因子对河北省‘富士’苹果果实品质的影响

杨素苗 董宇航 马筱建 石海强 杜纪壮 姚树然 段鹏伟

摘    要：為探明气象因子对果实品质的影响，确定适宜‘富士苹果栽培的气候条件范围，应用主成分分析、多元线性回归及线性规划对河北省44个苹果园及当地气象因子进行分析。结果表明，气候因子对果实的着色指数、裂果指数、质构特性影响显著，对单果质量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量没有显著影响;适宜‘富士苹果栽培的气候条件为生长期日均气温17.05～18.42 ℃，平均日较差9.94～14.61 ℃，日均降水量1.29～3.09 mm，日均湿度55.01%～71.55%，日均日照时数5.72～5.92 h，及年日均气温8.38～15.60 ℃，平均日较差9.59～14.26 ℃，日均降水量0.79～1.93 mm，日均湿度50.15%～65.67%，日均日照时数5.19～7.48 h。综上，河北省生长期内的日较差、降水量和湿度，以及周年的温度、日较差、降雨量、湿度和光照时数均适宜‘富士苹果栽培，部分地区生长期内过高的日照时数和温度是影响果实品质的关键气象因子。

关键词：苹果;果实品质;主成分回归;线性规划;气象因子

中图分类号：S162.5+5         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.014

The Effects of Climate Factors on Fruit Quality of 'Fuji' Apple in Hebei Province

YANG Sumiao1， DONG Yuhang2， MA Xiaojian1， SHI Haiqiang1， DU Jizhuang1， YAO Shuran2， DUAN Pengwei1

（1.Shijiazhuang Institute of Fruit Trees， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050000， China; 2.Meteorological Institute of Hebei Province， Shijiazhuang，  Hebei  050000， China）

Abstract： In order to ascertain the impact of meteorological factors on fruit quality and determine the suitable range of climatic conditions for 'Fuji' apple cultivation， 44 apple orchards and local meteorological factors in Hebei Province were analyzed through the principal component analysis， multiple linear regression and linear programming. The results showed that climate factors had significant effects on fruit color index， cracking index， and texture characteristics， but had no significant effects on fruit weight， soluble solid content， and titratable acid content. The suitable climatic conditions for 'Fuji' apple cultivation were as follows： the average daily temperature was 17.05-18.42℃， the average diurnal temperature range was 9.94-14.61 ℃， the average daily precipitation was 1.29-3.09 mm， the average daily humidity was 55.01%-71.55%， the average daily sunshine hours was 5.72-5.92 h during the growth period;the average daily temperature was 8.38 -15.60 ℃， the average daily temperature difference was 9.59-14.26 ℃， the average daily precipitation was 0.79-1.93 mm， the average daily humidity was 50.15%-65.67%， and the average daily sunshine hours was 5.19-7.48 h in the whole year. In summary， the diurnal temperature range， precipitation and humidity during the growth period， as well as the annual temperature， diurnal temperature range， rainfall， humidity and light hours are suitable for the cultivation of 'Fuji' apples in Hebei Province， and the key meteorological factors affecting fruit quality are the too long sunshine hours and the too high temperature during the growth period in some areas.

Key words： apple; fruit quality; principal component regression; linear programming; climate factor

中国是苹果生产大国，种植面积和产量均居世界第一。‘富士是我国的主栽品种，约占苹果种植品种的70%[1]，但通过对主产区‘富士苹果的抽样检测发现，我国苹果的理化品质呈下降趋势[2-5]。果实品质受气候条件影响较大，Sugiura等[6]发现气候变暖导致‘富士和‘津轻苹果花期提前、果实成熟度变高，果实硬度和酸含量降低，可溶性固形物含量提高。申顺吏等[7]认为温度类因子是苹果产量的主要影响因素;Syukur等[8]研究发现，随着温度的升高，结果数量、果实产量、果品级别、果实硬度等均降低。童盼盼等[9]研究认为，果实品质和糖心形成受光照强度和昼夜温差的影响，光照强度与昼夜温差大有利于果实品质提高和糖心形成。张磊等[10]研究结果表明，气温、降水、日照时数和相对湿度是影响高酸苹果品质最主要的气象因子。魏钦平等[11-12]研究认为单果质量和果形指数的相对光照强度值要求较低，果实着色、可溶性固形物和可溶性糖对相对光照强度的需求均在80%以上。李兴军等[13]研究发现苹果果实生育期的相对湿度不宜超过70%;段晓凤等[14]认为“富士”苹果的相对湿度要求为65.1%～73.3%。综上，同一气候因子可能影响果实的多个品质，同一品质指标也可能同时受多个气候因子影响。为了探明气象因子对果实品质的影响，明确适宜‘富士苹果栽培的气象因子范围，以我国环渤海苹果优势产区的河北省44个果园的‘富士苹果为试材，结合所属县的气象数据，分析了气象因子对果实品质的影响。

1 材料和方法

1.1 试验材料

‘富士苹果果实选自河北省33个苹果种植县共44个‘富士苹果园，南起邯郸市磁县，北至承德市平泉市，北纬36°41′至41°20′，东经113°78′至119°27′，果园海拔高度范围为-5～700 m。2019年河北省年平均气温12.9 ℃，年平均降水量437.6 mm，年平均日照时数2 373.3 h。

自2019年10—11月，分别于当地果实最适采收期，在每个果园随机选择长势中庸的成龄长枝富士苹果树3株，每株树从4个方向随机摘取10个果实，即每个果园共取30个果实，取样后4 h内保存于果品保鲜库中。

1.2 试验方法

1.2.1 果实品质指标 对果实单果质量、着色指数、裂果指数、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、脆裂性、胶粘性、咀嚼性共8项指标进行测定。

单果质量，根据NY/T 2316-2013苹果品质指标评价规范称量。着色指数，目测着色部分在整个果实的面积占比。裂果指数，目测裂果部分在整个果实的面积占比。可溶性固形物，采用PAL-1型数字糖度计测定。可滴定酸含量，采用GMK-835F型水果酸度计测定。脆裂性是指样品折断时的力，胶粘性是指半固体食品吞咽前破碎它需要的能量，咀嚼性是指咀嚼固体样品时需要的能量，感官指果实在牙齿的咀嚼过程中对外力的持续抵抗作用;脆裂性、胶粘性和咀嚼性用美国FTC质构仪TPA（texture profile analysis）法测定，方法：延果梗将苹果切为两瓣，使用14 mm的打孔器在苹果的4个角取样，用切分宽度4.5 mm的双刀切取居中部位作为试样。质构仪感应元量程250 N，圆柱形探头，回升高度30 mm，形变百分量60，检测速度60 mm·min-1，最小力0.1 N。

1.2.2 气象因子主成分分析 主成分回归是一种处理多重共线性的新参数方法，其基本思想是首先将原始变量转化为若干主成分，再建立主成分的回归方程，然后再基于主成分与原始变量之间的对应关系，得到原自变量回归模型的估计方程。选择生长期内（2019年4—10月）日均气温、平均日较差、日均降水、日均湿度、日均日照时数和一年内（2019年1—12月）日均气温、平均日较差、日均降水、日均日照时数，共10项指标（依次记做X1，X2……X10）进行主成分分析。

气象数据来自果园自建气象站或距其最近的乡镇（县城）气象站。

1.2.3 多元线性回归分析 对测定的8项果实品质指标（依次记做Y1，Y2……Y8）和气象因子主成分进行回归分析，并将该回归方程中的主成分值还原为X表达。

1.2.4 线性规划 根据Y与X之间的关系，求得气象因子的最优解，得到有利于‘富士苹果品质形成的适宜气候条件。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据统计与作图，采用SPSS 22.0进行主成分回归分析，采用Lingo 12.0进行线性规划。

2 结果与分析

2.1 果实品质指标分析

从表1可知，苹果单果质量介于321.93 g和143.60 g之间，均值为247.53 g，极差为178.33 g;苹果着色指数均值为82.08%，超过均值的果园共有26个，占59.09%，达到100%的果园有4个;裂果方面，平均裂果指数为12.47%，无裂果的果园有13个，占29.55%，裂果指数不超过10%的果园有24个，占54.55%;果实可溶性固形物含量的均值为13.59%，最高值为17.44%，最低值为10.51%，极差为6.93%;果实可滴定酸含量的均值为0.21%;脆裂性平均值为61.47 N，最大值为81.64 N，最小值为47.20 N，极差为34.44 N;胶粘性平均值为8.44 N，最大值和最小值分别为13.46 N和6.00 N，極差为7.46 N;咀嚼性介于22.48 J和8.94 J之间，平均值为14.81 J，极差为13.54 J。7个指标的变异系数表现为裂果指数>咀嚼性>胶粘性>着色指数>可滴定酸含量>单果质量>脆裂性>可溶性固形物含量。

2.2 气象因子数据及相关性分析

由表2可知，生长季的平均气温最大值和最小值分别为17.05 ℃和23.28 ℃，日较差均值为11.61 ℃，年平均气温的最大值和最小值分别为8.38 ℃和15.6 ℃，日较差均值为13.55 ℃。生长季总降水量均值为402.32 mm，年总降水量均值为423.4 mm，生长季降雨量占全年降雨量的95.02%。年降雨量最小为288.35 mm，年降雨量最大为704.45 mm，前者与后者的比值为41%，可见年降雨量的区域差异较大。空气湿度的均值50.15%～71.55%，年日照时数均值1 894.35～2 730.20 h。不同气象因子的变异系数表现为全年日均降水量>生长期日均降水>全年日均气温>全年平均日较差>生长期平均日较差>全年日均日照时数>全年日均湿度>生长期日均气温>生长期日均湿度>生长期日均日照时数。

由表3可知，全年和生长季的气温、日较差、日照时数3者之间相关性均为极显著。年降水量与年日均湿度、年日均光照时数相关性极显著，生长季日均气温与日照时数同样呈极显著相关。通常认为，二因子相关系数大于0.7时，可能存在共线性，因此建立回归方程需要对气象因子数据进行偏回归处理。

2.3 气象因子的主成分提取

通过对生长期内日均气温、平均日较差、日均降水、日均湿度、日均日照时数和一年内日均气温、平均日较差、日均降水、日均日照时数等气象因子进行主成分转化后，得到10个主成分因子及其对应的气象因子特征值（表4）。可知，前5个主成分的累计贡献率达到99.09%，满足统计学分析要求。

2.4 果实品质与气象因子主成分的回归分析

建立果实各品质指标与5个主成分的回归方程，再根据表4中主成分与气象因子的关系式，将主成分转换为气象因子，得到果实单果质量、着色指数、裂果指数、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、脆裂性、胶粘性和咀嚼性与气象因子的回归关系（表5）。根据显著相关性判定，果实的着色指数、裂果指数、脆裂性、胶粘性、咀嚼性回归方程均具有统计学意义，即上述5项指标与气象因子相关性显著。通过对拟合值和实际值进行对比，见图1—图5，可以看出大部分果园的实际值与拟合值基本一致。

2.5 确定气象因子适宜范围

根据气象因子与品质的线性规划方程组，求解气象因子的范围，既要保证气象因子在测定范围之内，又要确保果实品质指标达到平均值以上水平，即果实品质因素的选择为果实着色指数≥82.08%、裂果指数≤12.47%、脆裂性≥61.47 N、胶粘性≥8.44 N、咀嚼性≥14.81 J。通过Lingo软件依次进行计算，结果见表6，可知气象因子的适宜范围：生长期的日均气温17.05～18.42 ℃，平均日较差9.94～14.61 ℃，日均降水量1.29～3.09 mm，日均湿度55.01%～71.55%，日均日照时数5.72～5.92 h;年日均气温8.38～15.60 ℃，平均日较差9.59～14.26 ℃，日均降水量0.79～1.93 mm，日均湿度50.15%～65.67%，日均日照时数5.19～7.48 h。

3 结论与讨论

主成分回归法降维优势明显，具有多重共线性的自变量经过主成分转换后，消除了共线性的危害[15-16]。本文中气候因子选择了全年和生长期两类时期的各5项指标，部分气象因子之间相关性显著，通过主成分提取及回归分析，降低了模型拟合的误差，在一定程度上会使得回归方程更加可靠。使用Lingo软件进行线性规划，在求解气象因子范围时，将所有相关品质的条件及气象因子范围都列为限制条件，然后分别求得所有自变量之和的最大值和最小值，其结果值即气象因子的优化范围。张强[1]在求解气象因子范围时，依次对每项品质进行单独求解，然后对所有求得的气象因子值进行汇总来确定范围，这种方法可能会导致求得的气象因子只有一个最大值或者最小值，无法确定区间。

气象因子在苹果果实品质形成中发挥着重要作用[17-20]。河北省地区周年的气象因子均适宜‘富士果实品质形成。生长期的日较差、降水量和湿度都在适宜范围之内。生长期的温度和日照时数上限高于优化后的气象因子范围，这主要是由于日照时数增加和温度升高会导致裂果指数增加，从而降低果实的外观品质。苹果种植的气候条件没有标准的限定范围，本文中气象和果实品质数据结果可为‘富士苹果的栽培提供一定参考。

本研究仅对‘富士苹果品质而言，其他栽培品种因限于观测资料的局限性，本文未曾讨论。本文虽只运用了一年的数据，但果园取样遍布了河北省绝大部分的苹果种植区，基本能说明该地区的气象因子对果品影响。在气象因素中选择了全年和生长期共10项指标，回归方程的拟合值与实际值基本一致，而对果实某单一品质影响的气候因子指标可能更少，回归方程可能会更加简化，如果实着色的影响光照条件关键在于转色期的两周之内[21-22]，果实裂果可能在于某一日的极端高温或日较差[23]，更加精准影响因子的确定需要下一步试验研究与验证。

综上所述，气象因子对‘富士苹果的着色指数、裂果指数和质构特性影响显著，对果实的单果质量、可溶性固形物含量和可滴定酸含量影响不显著。河北省地区适宜‘富士苹果生长的气象条件范围为生长期的日均气温17.05～18.42 ℃，平均日较差9.94～14.61 ℃，日均降水量1.29～3.09 mm，日均湿度55.01%～71.55%，日均日照时数5.72～5.92 h;年日均气温8.38～15.60 ℃，平均日较差9.59～14.26 ℃，日均降水量0.79～1.93 mm，日均濕度50.15%～65.67%，日均日照时数5.19～7.48 h。

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