油用牡丹花期预报

张翠英，樊献政，李瑞英

（1山东省菏泽市气象局，山东菏泽 274000；2山东省招远市气象局，山东招远 265400）

0 引言

油用牡丹又称油牡丹、油料牡丹，是一种集油用、药用和观赏价值为一身重要的经济生态植物，具有种植成本低、产量比较高、出油率高、油的品质好，还能持续生态循环生产等特点。如五年生牡丹产量是大豆的2～3倍，含油率22%以上，高于大豆的19%，牡丹籽油不饱和脂肪酸更是达到92%。油用牡丹属多年生木本植物，耐旱、耐阴、耐贫瘠，生长适应性强，适合中国大部分区域生长，也可用于荒山治理、林下种植等。油用牡丹果荚大、结籽多、籽粒饱满且含油量高、产量比较稳定、出油率较高、生长较快、适应性广[1]、适合药用，营养价值优良，生态效益、社会效益和经济效益可观，是中国特有的木本油料资源。油用牡丹具有经济和观赏价值为一体的独特优势，呈现出巨大的开发潜力和广阔的发展前景，因此发展牡丹产业，掌握油用牡丹的生长习性极其重要。目前国内外对油用牡丹的科研多数为栽培种植、催花、新品种培育、根皮的药用价值等方面[2-7]。如陈慧玲等[8]研究了油用牡丹栽培、育种及繁育等，张钦等[9]总结了油用牡丹栽培、管理等方面的技术。气象因子对油用牡丹物候期的影响、油用牡丹的花期预测的研究文献中尚未见报道。随着牡丹产业化的发展，油用牡丹的经济和社会价值已引起高度关注。因此探讨气象因子对油用牡丹生长发育及物候期的影响、准确预测油用牡丹开花期等，旨在为牡丹生产趋利避害，促进油用牡丹的快速发展提供科技支撑。

研究发现，导致植物物候出现早晚最重要的周围环境因素之一是气象条件，其中温度是影响因素中最重要的气象条件，它与植物的发育期出现的早晚、生长快慢，植物的病虫害发生、发展均有直接的联系[10-14]。有研究表明，植物对气温反应在春季更敏感[15]。刘克长[16]认为稳定通过0℃时的活动积温对于牡丹花发育的影响较大。作为菏泽市特色旅游的牡丹花观赏时间倍受各界关注，但温度对牡丹花期早晚、长短、始花期的影响尤为重要[17]。建立花期预报模型，发布观赏性植物的精准花期预报，为旅游活动提供重要参考依据，已经成为气象服务领域一个新的发展方向[18]。

油用牡丹有凤丹、紫斑两个品种，菏泽种植主要品种是凤丹牡丹，凤丹牡丹大多花的颜色洁白如雪，食用味道独特，营养丰富。油用牡丹可以制作牡丹花茶，牡丹花茶分花骨朵茶、花瓣茶、花丝茶、花蕊茶等，人工收集油用牡丹的花瓣、花蕊，制作花茶。据油用牡丹物候观测资料显示，一朵花苞牡丹从骨朵绽放到盛开、开败仅仅持续一周时间，多数牡丹研究人员说采摘牡丹初开时的花瓣制作花茶口味、品质，所以采摘优质牡丹花瓣对牡丹花茶的品质、口感等尤为重要，做好油用牡丹花期预报，对牡丹花瓣的适时采摘提供科学依据。

本研究主要通过对菏泽市油用牡丹开花期物候变化特征分析，找出影响油用牡丹开花期早晚的主要气象因子，建立油用牡丹始花期预报模型，为做好牡丹特色气象服务提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区域

菏泽位于黄河下游，属于冲积平原，地势平坦，土层深厚，土质疏松，土地肥沃；年平均气温14.0℃、降雨量649.9 mm、无霜期288天，且四季分明，雨热同季，具有种植牡丹的得天独厚的条件，自古以来就是牡丹最适宜的生长区，已经成为中国牡丹栽培中心。2015年菏泽油用牡丹种植面积达30666.7 hm2，是油用牡丹存量面积最大的地级市。

1.2 物候资料与气象资料

油用牡丹物候资料为2008—2019年菏泽国家农业气象观测站资料，气象资料为菏泽国家气象观测站资料。由于每种植物物候期的开始日期与其前2～3个月的气象条件显著相关[19]。因此统计了2007—2019年菏泽秋季至翌年4月30日期间最小步长以旬为单位的气象观测资料，包括旬平均、最高、最低气温、0～15 cm地温、积温、日较差、降水及日照等气象要素。气象资料常年值（1981—2010年平均气象资料）来自山东省气象信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 滑动平均法 滑动平均法又称移动平均法[20]，它是以一连串部分重叠的序列的平均值组成新序列的一种方法。

1.3.2 相关分析方法[21-22]在分析油用牡丹始花期与气象因子的关系时，采用相关分析方法统计油用牡丹花期与气象因子的相关性，所用相关系数计算如式(1)所示。

1.3.3 数据处理 数据用Microsoft Office Excel 2013统计分析和作图，借助Statistical Product and Service Solutions和Data Processing System统计软件对选取的气象因子与牡丹花期进行处理和回归分析，回归系数采用最小二乘法[23-24]，计算方式如(2)所示。

式(2)中，如果0.01≤P＜0.05，则结果显著；如果0.001≤P＜0.01，则结果极显著；如果P＜0.001，则结果是极高地显著；如果P＞0.05，则结果被认为没有统计显著性。

1.3.4 物候观测 当观测牡丹植株上或茎上出现牡丹某一发育期特征时，牡丹就进入了这个发育期，观测的大田牡丹群体进入发育期，是以观测的总株（茎）数中进入发育期的株（茎）数所占的百分率确定的。第一次观测到≥10%为某个发育期的始期，观测到发育期≥50%为发育普遍期[25]。

2 结果和分析

2.1 气象要素与油用牡丹生长的关系

2.1.1 春季温度对油用牡丹的影响 牡丹具有典型的深休眠现象[26]，深秋以后以牡丹的休眠状态进入低温的冬天。牡丹从上一年11月进入休眠后，到第二年气温稳定在3～5℃时，开始萌动[17,27]。菏泽市牡丹一般2月开始萌动，统计2008—2019年2—4月平均气温、平均最低气温及极端最低气温与常年值（1981—2010年）比较（见表1）。

由表1可见，由于气候变化，2008—2019年2—4月平均气温、平均最低气温及极端最低气温与常年（1981—2010年）相比，温度均不同程度的上升，导致近年来菏泽牡丹花期逐渐提前。虽然极端最低气温较常年有所偏高，但极端气温的出现对牡丹生长的危害较为严重。

表1 菏泽市2008—2019年2—4月平均温度与常年值比较

菏泽市12月23日（冬至日）至第二年2月上旬（立春），这段时间是全年温度最低的时期，此期牡丹进入深休眠期。10℃是春季喜温作物生长的下限温度[28]。但在自然条件下，牡丹的生长下限温度低于农作物生长的温度，春季温度稳定在3.6℃以上时，牡丹开始萌动生长[29]。当气温＜3.6℃时，牡丹逐渐停止生长。因此，当日平均气温持续低于界限温度(3.6℃)时，对牡丹生长的影响越大，最明显的是影响牡丹花期的迟早[10,30]。多年牡丹观测资料显示，每年春季，菏泽牡丹会发生不同程度的冻害，比如2018年春季温度骤变对牡丹的危害较大，大部分油用牡丹遭受冻害，导致牡丹大面积减产，部分地块甚至绝产。

2.1.2 气象因子与油用牡丹始花期的关系 油用牡丹物候期的观测资料显示，最早始花期在4月6日（2018年），最晚出现在4月19日（2010年）。对牡丹始花期与同年前期气象要素最小步长为旬包括温度、气温日较差、日照、降水、≥0.1 mm降水日数及相对湿度进行相关分析，结果发现牡丹始花期与前期温度相关显著，大部分相关系数达极显著检验（见表2，仅列出部分显著相关的因子，其他略），最大相关系数r=-0.913**。这表明1—3月温度是影响牡丹花期的主要气象因子，温度的高低与开花的早晚密切相关。

由表2可以看出，影响油用牡丹开花的单相关达到极显著水平的气象因子均为温度，包括气温、积温和地温等，降水、日照等气象因子相关不显著，但在牡丹生长过程中也是重要影响因子。牡丹是一种多年生小灌木，耐干旱、耐高寒，是肉质深根系植物，所以牡丹对降水的要求不高，适宜的降水都能满足牡丹生长的需求，但特别年份的干旱或洪涝灾害导致土壤长期缺水或降水明显偏多，对牡丹的生长危害较大，如2004年7月，菏泽市累计雨日18天，总降水量396.8 mm，降水较常年明显偏多，牡丹大田因长时间积水导致大面积牡丹死亡。牡丹一般在4月开花，春季温度不断回升，但回升的时间有早有晚，速度也有快有慢，所以牡丹的花期也有早有晚，观测发现3月气象条件是影响油用牡丹花期的关键期。本研究选取与油用牡丹始花期相关显著(P＜0.05)的气象因子作为关键影响因子进行分析。

表2 2008—2019年菏泽牡丹始花期与春季温度相关性

2.1.3 关键气象因子对油用牡丹始花期的影响 统计分析2008—2019年稳定通过0℃初日至油用牡丹开花始期期间的≥0℃积温、稳定通过3℃初日至油用牡丹开花始期有效积温（菏泽牡丹一般在二月中、下旬，日平均气温稳定通过3～5℃，芽开始萌动膨大，并逐渐绽裂，因此下限温度取值3℃）、3月≥0℃积温、最低气温≤3℃以下的日数、最低气温≤0℃以下的日数、最低气温≤0℃的累计小时数等，绘制油用牡丹始花期与气象因子的关系曲线图。

由牡丹花期的年变化趋势与气温、积温及地温等温度的变化曲线可见，当春季温度升高时，牡丹花期偏早，这与2008—2019年的气候变暖，花期出现不同程度的提前结论一致。3月温度是影响牡丹花期的关键因子，比如：2010年牡丹花期最晚，出现在4月19日，稳定通过3℃初日至开花始期有效积温为331.5℃·d，在11年中有效积温是最少的一年，3月最低气温≤0℃的出现累计时长76 h，累计时长是最长的一年，牡丹花期与其他年份相比明显偏晚。

图1 油用牡丹始花期与3月温度关系曲线图

图2 油用牡丹始花期与稳定通过0、3℃及距平关系曲线图

图3 油用牡丹与最低气温≤0、3℃及最低气温≤0℃的累计时长关系曲线图

图4 油用牡丹始花期与积温关系曲线图

油用牡丹始花期与1—3月平均气温呈显著负相关，由油用牡丹始花期与关键气象因子的年变化趋势所示，平均气温、地温及≥0℃积温越多，牡丹花期越早，稳定通过0、3℃初日越早，牡丹始花期越早，说明温度是影响牡丹花期的主要因子之一。但最低气温≤0、3℃日数及最低气温≤0℃的累计时长与牡丹花期年变化趋势一致，随着最低气温≤0℃的时长增加，牡丹花期逐渐推迟。温度影响整个牡丹的开花过程，同一地区牡丹花期早晚与春季气温变化关系密切，观测发现春季气温偏高或偏低，花期早晚相差5～7天甚至十几天或更多[1]。

2.2 花期预测模型

油用牡丹物候资料显示，2008—2019年，菏泽油用牡丹4月上旬中后期开花，所以对2008—2018年油用牡丹始花期与1—3月气象条件相关分析，选取相关显著的气象因子建立花期预测模型，在牡丹物候观测中发现，日照、降水对花期有所影响，为确保预报的准确性，尝试将日照、降水因子加入建模中，利用DPS数据处理系统进行逐步回归，最终选取方程复相关系数及信度检验较好的方程确定为最优油用牡丹花期预测模型，建模后对2019、2020年进行预报检验，如式(3)所示。

式(3)中：X1为1月15 cm平均地温，X5为1月下旬平均日照时数，X12为2月下旬—3月上旬累计日照，X13为2月下旬—3月中旬累计日照，X19为1月上旬—3月上旬积温，X21为2月上旬—3月上旬积温，X24为2月中旬—3月中旬≥0℃积温。

方程的复相关系数R=0.9998，检验统计量F=1354.2255，通过0.0001信度检验。

用11年历史资料回代，以±1天为准，拟合率为100%。

此预报模型可于3月21日作出油用牡丹花期预报，如式(4)所示。

式(4)中：X10为2—3月15cm平均地温，X12为3月上旬平均气温，X21为1月≥0.1 mm日数，X23为2月下旬—3月上旬累计日照，X27为1月中旬—3月下旬累计日照，X40为2月中旬—3月下旬积温。

方程的复相关系数R=0.9997，检验统计量F=1290.8762，通过0.0001信度检验。

用11年历史资料回代，以±1天为准，拟合率为100%。

此预报模式可于4月1日作出油用牡丹花期预报。

虽然在花期预测模型、花期与气象因子的相关分析中，多数选取了与温度相关的气象因子，但日照、相对湿度、气温日较差及降水等对牡丹整个生长期的影响也不容忽视。

2.3 预报检验与应用

用回归方程对11年资料进行历史回代检验（见图5），拟合2008—2018年油用牡丹始花期，结果与原样本Y值误差均在±1天以内，准确率100%，拟合程度较为理想。

图5 油用牡丹始花期预报模型历史回代检验

利用所建立的预测模型对2019、2020年油用牡丹始花期进行预测检验，结果见表3。

表3 2019、2020年油用牡丹始花期预测模型检验

用预测模型对2019、2020年油用牡丹的始花期进行预报，预报值和实际值误差均在1天以内。2008—2019年，春季气温不断升高，油用牡丹始花不断提前，模型预报结果与实际情况基本吻合，说明预测模型具有较高的应用价值和服务效益。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）春季牡丹开花前平均气温、地温及≥0℃积温越高，稳定通过0、3℃初日越早，油用牡丹始花期越早。最低气温≤0、3℃日数及最低气温≤0℃的累计时长与牡丹花期年变化一致，随着最低气温≤0℃的时长增加，牡丹开花期逐渐推迟，结论与刘克长等[16]研究结果一致。

（2）基于油用牡丹花期前的温度、降水、空气湿度、地温、气温日较差等多种气象要素，利用统计方法与油用牡丹花期相关分析，牡丹花期与前期的温度相关显著，说明温度是影响牡丹花期的主要气象因子，温度的高低与开花的早晚密切相关，春季温度偏高，油用牡丹花期提前。温度包括平均气温、积温和地温等，牡丹花期与降水、日照、空气湿度、气温日较差等气象因子均无显著相关性。

（3）在油用牡丹生长过程中，降水、日照等是重要的气象影响因子，缺一不可，在建立油用牡丹花期预报模型中，为确保预报的准确性，选取与牡丹花期相关显著的气象因子，同时也加入降水和日照等气象因素，利用逐步回归逐步剔除建立花期预测模型，最终确定最优预测模型，历史回代及预报检验效果较好。

3.2 讨论

（1）油用牡丹生长、开花等物候变化的过程，受多种因素影响，但经验和资料表明，温度是影响牡丹的芽萌动、开花的主导因素。实际上是随温度的变化不断积累植物体内某一物候期所需的能量积累过程，当体内物质积累到一定量时发生质变，出现了各种不同的物候现象[28,31-32]。贺漫媚[33]等认为温度是影响油用牡丹生长的一个重要的气象因子。

本研究通过连续多年的油用牡丹生长观测资料发现，在一定的温度范围内，温度的高低直接影响油用牡丹各个物候期的早晚。但温度过高或过低对油用牡丹生长产生不利影响，这也与油用牡丹的生长与多数气象因子[1]，主要是温度呈现负相关说法一致。花期预报模型引进的因子显示，温度是影响牡丹生长的主要气象因子之一，这也与前人的研究结论一致。

（2）有效积温不是一个常数，植物生长发育所需有效积温在植物的生长过程中是一个随机函数，温度不同，有效积温的数值不同[34]。李瑞英等[35]认为气候变化对牡丹萌芽—开花期间的气候适宜性无明显负效应。本研究通过分析发现，在气候变化的大背景下牡丹花期随着温度的上升有逐年提前的趋势，但个别年份温度偏低而花期推迟，表明有效积温对牡丹生长及花开的影响至关重要。不同的年份牡丹生长的有效积温不同，比如：2010年稳定通过3℃初日至开花始期有效积温331.5℃·d，在11年中有效积温最少，3月最低气温≤0℃累计时长最多，牡丹花期与其它年份相比明显偏晚。这也与高志民、王莲英[29]研究的牡丹的催花只有在满足其各生长发育期所需要的积温后才能顺利进行结论基本一致。

（3）刘克长[16]研究试验表明在做牡丹花期预报时，应把萌动—开花这个时段的日照时数作为主要的预报因子，其它气象要素包括降水、空气湿度、地温、气温日较差等对牡丹生长发育也有一定影响，但统计分析相关不显著。杨芳绒等[36-37]研究发现温度平稳上升有利于花蕾发育及其花期延长，低温推迟花期。本研究统计发现油用牡丹始花期与日照时数、降水等气象因子相关不显著，这也与前人的研究结论吻合，主要是由于牡丹原产于中国西北较干旱地区，本身根系发达耐旱[38-39]。地温高低对植株地下部分影响较大，而对地上部分影响没有气温显著。气温日较差与花期相关未达显著水平，因为北方春季的气温日较差一般较大，但年际变化很小，因此刘克长在花期预报时，对以上诸因子不与考虑。本研究预报模型中也没有引进降水、日较差作为影响牡丹生长的气象因子，但引进了地温，这与刘克长发现的地温对植株地下部分影响较大恰恰吻合，但本研究认为地温与牡丹花生长相关比较显著，也是影响牡丹生长的主要因子之一，地温影响牡丹地下部分的生长，间接的影响地上植株的生长，这一观点与刘克长不同，但与克雷默[40]结论一致，克雷默研究发现，除了土壤水分外，可能地温是影响水分吸收的最重要因子，地温对根系吸收矿物质营养有很大影响。

（4）建立预测模型时，选取了与牡丹花期相关显著的气象因子，同时引进降水和日照等气象因素建立预测模型。但在牡丹实际生长过程中，其它相关不显著的气象因子对牡丹生长及花期的影响也缺一不可，这方面还有待进一步研究；由于油用牡丹物候资料年限短，牡丹生长中经历的各种气象条件无法对比分析，有望随着观测记录年代的增加更好的分析气象条件对牡丹生长的影响。