基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用

张 皓,高慧莉,金凤雷,林雪君,包吉蕾,邵 晨,马 琳

(1 上海市松江区气象局,上海 201620;2 上海市生态气象和卫星遥感中心,上海 200030;3 上海市梨研究所,上海 201699)

中国梨果栽培的历史悠久,据联合国粮农组织(FAO)统计显示,中国是世界排名第一的产梨大国,梨果的总产量居于我国水果生产的第三位,仅次于苹果和柑橘,梨果产业已成为支撑其主要产地的农业发展和农业收入的主要来源[1]。 我国南方地区是砂梨主产区,其中水晶梨是早熟砂梨的代表性梨种[2],上海市松江、奉贤、崇明等区均有种植。 随着人民生活水平不断提高,消费者对鲜食梨产品的需求逐渐从对量的满足转向对质的追求,因而梨果品质的优劣将成为今后一段时期内制约梨产业发展和果农增收的限制因素。

梨果的品质不仅与当地的地理纬度、海拔高度有关,还与品种特性、土壤属性及栽培管理措施密不可分,同时又受到气候条件的制约。 对于特定的区域而言,种植的梨树品种、地理地形要素、土壤性质基本不变的前提下,不同年份间梨果品质的差异主要受年际间气候条件波动的影响[3]。 赵俊芳等[4]研究表明作物品质形成是品种遗传特性和环境条件综合作用的结果,在一定遗传基础上,环境因子的作用至关重要。 因此,合理开展梨产品气候品质研究和评价日益受到农业生产和决策部门的重视。

农产品气候品质评价是指对影响农产品品质的天气气候条件的优劣所作的评定[5]。 针对年际间气象条件的差异对农产品气候品质进行客观评价,是增加农产品经济附加值的有效途径之一[6]。 近年来,气象部门针对各地特色农产品品质评价开展了大量的研究工作,逐步推出针对优质茶叶[5]、水稻[7-8]、苹果[9-10]、蜜桃[11]、脐橙[3,12]等的气候品质评价服务,有效提升了区域特色农产品的市场竞争力。 上海农产品气候品质评价工作起步较晚,2018 年松江区气象局针对‘松早香1 号’品种大米发布了上海首份农产品气候品质评价报告[13],并建立相应的地方标准[14]。 本研究在大米气候品质评价实践的基础上,围绕水晶梨生产实际,基于主成分分析方法创新性提出综合气候品质指数的概念,筛选影响水晶梨品质的关键气象因子,建立水晶梨气候品质评价方法,并在一定区域内开展服务应用,助力上海水晶梨产业提质增效,促进果农增收。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

松江仓桥水晶梨生产基地是上海市重要的梨果产地之一,梨树种植面积约30 hm2。 仓桥镇位于上海市西南部,黄浦江上游,是拥有数千年历史的江南水乡。 该地地处亚热带季风气候区,气候温和,四季分明,全年无霜期282 d,常年平均气温16.9 ℃,降水量1 209.9 mm,日照时数1 785.5 h。 全年一级空气质量280 d 以上,水质量达到国家二级地面水环境质量标准,土壤为由湖河沉积而形成的弱酸性“青紫泥”,得天独厚的气候资源和环境优势造就了水晶梨的良好品质。

1.2 数据来源

1.2.1 梨果品质数据

‘翠冠’梨(Pyrus pyrifoliaCuiguan)属蔷薇科(Rosaceae)梨属(PyrusL.),是浙江省农业科学院园艺研究所选育出的早熟砂梨品种[15-16]。 2021 年,‘翠冠’梨占上海市水晶梨栽培总面积的近85%。 选取由仓桥水晶梨发展有限公司2011—2022 年生产的‘翠冠’品种水晶梨产品,并委托第三方机构检定的梨品质生化指标,主要包括单果重、可溶性固形物、硬度、横纵径和总酸等。 其中总酸和可溶性固形物的测定严格参照GB∕T 12456—2008 和NY∕T 2637—2014 标准进行。

1.2.2 气象数据

气象数据包括与梨果品质数据同时期的逐日平均气温(Tave)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、降水量(P)、相对湿度(Rh)和日照时数(Sd)等数据,其中日照时数来源于松江国家气象观测站,其他要素来源于松江区仓桥镇DZZ4 型4 要素区域自动气象站。

1.3 研究方法

1.3.1 水晶梨综合气候品质参量的确定

水晶梨的品质是由品种特性、气候环境、土壤属性和管理措施等多方面因素综合作用的结果。 考虑到水晶梨是以鲜食为主的初级农产品,根据专家经验、农业气象服务的实践和消费者最易判断等原则进行筛选,确定将平均单果重、最大单果重、可溶性固形物和横径4 个与气象条件密切相关的品质要素,作为水晶梨气候品质的代表因子。 其中单果重和横径主要表征果实的外观品质,可溶性固形物作为地理标志产品的固有特性之一,反映果实含糖量的高低,是水晶梨内在品质的重要表征。

为避免各气候品质因子年际间变化趋势不一,便于衡量不同年份气候品质的优劣,采用主成分分析法[17],对选取的品质因子进行降维简化,消除各品质因素之间的相关性,得到水晶梨综合气候品质的表征参量,即综合气候品质指数V=f(平均单果重、最大单果重、可溶性固形物、横径)。

为了消除量纲的影响,对4 个品质因子的数据序列进行标准化处理:

式中:yij为标准化后的值分别为第j个品质因子第i年测定的实际值和所有数据样本中的最大值。j=1,2,3,4,代表4 个品质因子。

主成分分析时,确定主成分个数的原则为:当第1 个主成分的方差贡献率≥90%时,可用第1 个主成分代表原来4 个品质因子标准化后的综合影响,即:

式中:a1,a2,a3,a4分别为主成分分析得到的第一主成分的第一特征值所对应的向量元素。 本研究使用2011—2020 年的品质测定数据用于建模,故i=1,2,3,4,…,10,即2011—2020 年。

当前L个主成分的方差贡献率≥90%时,V取每个主成分所对应的特征值占变量总方差的比例作为权重进行累加计算,以此作为原有4 个品质因子的综合气候品质指数(V):

式中:λj为第j个主分量所对应的特征值,j=1,2,3,…,L,L为累计方差贡献率≥90%时的主成分个数。

1.3.2 水晶梨气候品质等级划分

气候品质等级划分,是指对水晶梨综合气候品质数据序列进行区段分割,确定每个区段的阈值并赋予相应的级别,以区分不同年份梨果气候品质的优劣。 采用有序样本最优聚类法[18],利用数据处理系统软件DPS(Data processing system),将式(2)或式(3)计算所得的水晶梨综合气候品质指数划分为4 个等级,分别赋值1、2、3、4,对应“特优”“优”“良”“一般”4 个等级。 听取水晶梨生产和栽培专家对2011—2020 年逐年气候品质分级结果的意见,综合确定水晶梨气候品质指数等级阈值。

1.3.3 水晶梨气候品质评价模型构建

参考梨果品质与气象因子相互关系方面的研究成果[19-23],结合水晶梨栽培专家的经验,重点考察光、温、水3 个基本要素与综合气候品质指数之间的相关性,筛选相关程度高且通过显著性检验的敏感气象因子,以SPSS 19.0 为工具,采用逐步回归方法建立气象因子与水晶梨综合气候品质指数(V)的回归方程,即水晶梨综合气候品质评价模型。 分别利用2011—2020 年和2021—2022 年的观测资料对评价模型进行回代检验和外延检验,以验证模型的可用性。 外延检验中对新数据序列的要素进行标准化处理时,若yij＞1,即新数据大于原有数据样本序列的最大值时,取yij=1。

2 结果与分析

2.1 水晶梨综合气候品质指数

对2011—2020 年水晶梨的品质测定数据进行标准化后,采用主成分分析方法,得到4 个主成分相应的特征值与累计方差贡献率(表1)。 可见,前2 个主成分的累计方差贡献率为93.884%,超过90%的设定标准,故选择前2 个主成分所对应的特征值占变量总方差的比例作为权重系数(表2),利用式(2)得到2 个新参量,可表示为:

表1 各主成分的特征值及其方差与累计方差贡献率Table 1 Eigenvalue and cumulative variance contribution rates for each principal component

表2 各主成分对应的水晶梨品质因子系数矩阵Table 2 Coefficient matrix for quality factor of crystal pear corresponding to each principal component

再根据(3)式,取L=2,进而得到表征水晶梨综合气候品质指数(V)的表达式:

各主成分的系数矩阵(表2)反映了2 个新变量与原有各品质因子之间的相关性,如表可见第1 主成分与果重、横径的相关性较高,主要反映果实的大小,代表水晶梨的外观品质;第2 主成分与可溶性固形物的相关性较高,主要反映果实的含糖量高低,代表水晶梨的食味品质。

2.2 水晶梨气候品质等级划分

结合水晶梨品质检测数据及式(5)对2011—2020 年逐年综合气候品质指数(V)进行回算,采用有序样本最优聚类方法,确定综合气候品质指数等级的划分区间和分段阈值指标,以及各年气候品质等级的分布情况(表3)。 在近10 年评价结果中,2012 年和2014 年水晶梨气候品质等级为“特优”“优”“良”的等级各有3 年,2016 年和2020 年等级相对较低,评定为“一般”。

表3 2011—2020 年水晶梨气候品质指数的分级指标和等级划分Table 3 Grading index and the climatic quality levels of crystal pear from 2011—2020

以各等级出现的年数占总年数的比例作为纵坐标,各等级的赋值(“1,2,3,4”)作为横坐标,绘制水晶梨气候品质等级频率分布图(图1)。 以SPSS 19.0 软件为工具,采用峰度、偏度法[24]对综合气候品质指数各等级频率分布进行正态性检验,其峰度和偏度系数分别为-0.44 和0.79(P＜0.05),数据序列满足正态分布,表明水晶梨气候品质等级的划分是较为客观的。

图1 2011—2020 年水晶梨气候品质各等级频率分布Fig.1 Grade frequency of climatic quality of crystal pear from 2011—2020

2.3 影响水晶梨综合气候品质的敏感气象因子

选择2011—2020 年逐日气象观测数据中平均气温(Tave)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、气温日较差(Tdr)、降水量(P)、雨日(Rd)、相对湿度(Rh)和日照时数(Sd)共8 个气象统计量,以旬为基本时间单元,从梨树花芽复苏萌动期(3 月上旬)开始,逐年滚动统计每1—6 旬的各气象统计量,直到成熟采摘期(7 月下旬)为止,共计75 个统计时段(图2)。 同时,构建从果实初次膨大期至成熟期(4—7 月)累计降水量的订正指数(降水指数),可由式(6)表示:

图2 气象数据统计时段Fig.2 Diagram of meteorological data statistical period

式中:PI为4—7 月的降水指数,R4—7为4—7 月累计降水量(mm)。

采取相关分析法,普查2011—2020 年水晶梨综合气候品质指数(V)与各时段气象统计指标之间的相关程度,初步选定17 个气象统计指标供逐步回归方法建立气候品质评价模型使用(表4)。

表4 影响水晶梨综合气候品质指数的敏感气象因子Table 4 Sensitive meteorological factors affecting climatic quality index of crystal pear

如表4 可见,入选的各气象因子中,与相对湿度有关的因子有3 个,与日照时数有关的因子有4 个,与降水有关(降水量、降水日数、降水指数)的因子有5 个,与气温有关的因子(含气温日较差)有5 个。 从影响时段上看,分布在5 月上旬果肉细胞分裂后期至成熟期的气象因子有14 个,这说明在果实种子基本成熟后,果肉细胞进行组织分化并进入二次膨大期间的气象条件对梨果气候品质的形成至关重要。

从相关性性质来看,水晶梨综合气候品质指数与日照时数、气温日较差因子均呈正相关,与空气湿度、降水量(降水日数、降水指数)和极端气温等因子均成负相关。 表明日照时数较多,昼夜温差较大对水晶梨气候品质形成有利;而降水量和降水日数较多,空气湿度较大以及极端的气温,则会制约水晶梨气候品质的提升。

从相关程度来看,5 个和降水有关的因子与综合气候品质指数的相关程度较高,特别是5 月下旬—6月上旬的降水量、4 月上旬—7 月下旬的降水指数以及5 月上旬、5 月下旬—7 月中旬的降水日数4 个因子均通过1%的显著性检验,这说明降水条件对水晶梨综合气候品质的提升起到明显的抑制作用。 降水因子的影响时段主要从5 月上旬直至7 月上旬,涵盖从果实初次膨大期后期至二次膨大期结束。 结合水晶梨的生长发育过程,这一阶段果肉细胞分裂趋于停止,细胞数量趋于稳定,果实纵径基本确定,种子发育逐渐成熟,果实生长主要依靠果肉细胞体积膨大及细胞间隙的扩大,横径不断增加。 分析认为,这一时期上海正值汛前向梅汛期过渡,降水量逐渐增多,过多的降水量和降水日数必然会造成光照不足,进而影响光合效率及光合产物向梨果实的转运,不利于果肉细胞增大和糖分积累等所需要的养分合成,进而造成果实气候品质下降。 王荣英等[25]的研究也认为桃树果实迅速膨大期间多阴雨天气会降低果品品质。 由式(6)可见,从幼果初次膨大到成熟期间的累计降水量对梨果气候品质的影响表现为两个方面,降水量在550 mm 以下时,降水越多对水晶梨气候品质的形成越有利,当超过550 mm,降水越多越不利于水晶梨气候品质指数的提升。

相关程度次之的是气温方面的5 个因子,其中气温日较差均表现为正相关关系,气温极值均表现为负相关关系。 3 月上中旬正值梨花花芽萌发期,由于水晶梨属于典型的落叶果树,冬季自然休眠后需要一定的低温量才能解除休眠,正常开花结果[26],而此时较低的气温有助于梨树复苏和花芽萌发,对梨果气候品质形成具有积极意义。 5 月上旬和5 月下旬—7 月上旬分别为果肉细胞快速分裂后期和梨果二次膨大期,这期间气温日较差大既有利于碳水化合物的合成,减少呼吸消耗,加速果实生长膨大和淀粉积累,又有助于果实中的淀粉向糖分的迅速转化,促进糖分的合成和固定。 这与一些学者[3,6,19,23,27]研究气象条件与果实糖分积累的影响结论一致。 6 月下旬正值为梨果迅速膨大期,较低的夜间气温有助于降低植株体的呼吸消耗,促使日间积累的光合产物更多地向糖分转化,对梨果气候品质提升有利。 5 月中旬—6 月下旬常常与上海的梅雨季相遇,此时较高的气温往往伴随着高湿的环境容易诱发病虫害,不利于果实增重和品质形成。

相对湿度方面的3 个因子与综合气候品质指数之间的相关程度弱于降水和气温,3 月下旬—4 月上旬正值水晶梨初花期和落花坐果期,段晓凤等[19]指出开花期与幼果期主要是决定果肉细胞数目的关键时期。 梨树开花和授粉最有利的天气条件是晴朗且无持续阴雨,无风或微风[28]。 此时空气湿度过高往往伴随持续的时阴时雨天气,造成花朵柱头分泌物的减少,影响花粉的黏着和发芽以及授粉效率,不利于提高坐果率。 胡春丽等[6]认为南果梨开花期持续阴雨天气对梨树开花和授粉均有一定影响。 5 月上旬至7 月上旬正值果实初次膨大后期和二次膨大期,果肉细胞膨大和细胞间隙扩大需要充足的养分供应,此时空气湿度过大在一定程度上会阻碍梨树接收的太阳辐射,造成叶片光合作用效率降低和光合产物的供给不足[21],继而影响果实横径及单果重,不利于果品综合气候品质的提升。

日照时数方面的4 个因子与综合气候品质指数呈正相关关系,表明本地日照时数增加对气候品质的提升具有积极作用。 3 月下旬—4 月上旬期间充足的日照时数有利于梨树开花和授粉,促进果肉细胞数量的增加,提高坐果率,并为大果的形成创造良好的条件。 5 月上旬和7 月上旬分别对应果肉细胞数量形成后期和梨果二次膨大期,此时充足的光照条件是梨果果心部分细胞分裂增殖以及果实增大、重量增加和糖分积累的重要基础。 HIROSHI 等[29]的研究表明由于光照不足,光合作用减弱,光合作用合成的产物——可溶性糖含量减少,而呼吸作用的增强加剧了果实中可溶性糖含量的下降。

2.4 水晶梨综合气候品质评价模型

结合表4 初选的敏感气象因子和式(5)的综合气候品质指数表达式,建立水晶梨综合气候品质评价回归模型:

利用2011—2020 年和2021—2022 年的气象数据,结合式(7)对近10 年水晶梨综合气候品质指数分别进行回代检验(图3)和外延检验(表5)。 回代检验表明,气候品质评价模型展现了良好的评价能力,综合气候品质指数的模拟值和实际值具有很好的相关性,其相关系数R大于0.99,归一化均方根误差仅为0.588。 同时,近10 年间综合气候品质指数模拟值和实际值变化曲线基本吻合,极值年份和有较大波动的年份都均能较好地反映实际情况。 2021 年和2022 年外延检验结果可见,模型的准确率均在98%以上,表明所建立的回归方程适用于评价水晶梨的综合气候品质。

图3 2011—2020 年水晶梨气候品质评价模型回代检验Fig.3 Calibration results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 2011—2020

表5 2021—2022 年水晶梨气候品质评价模型的验证结果Table 5 Validation results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 2021—2022

2.5 水晶梨综合气候品质评价模型的应用

一直以来,上海市松江区气象局积极对接水晶梨种植企业和农业大户,寻找水晶梨气候品质评价服务的切入点,推进科技成果向服务应用端延伸。 通过开发农产品气候品质评价微信小程序,实现气候品质评价结果在手机等移动端的信息查阅。 2021 年起,水晶梨气候品质评价服务逐步推向市场,消费者通过扫描梨产品外包装上的二维码,即可获取当年梨树生长期间气象条件适宜度、农业生产管理措施、农业气候溯源信息和水晶梨气候品质评价结果。 此举既有助于松江农产品品牌建设,又进一步拓展了气候品质评价服务的社会影响力,实现了经济和社会效益双丰收。

3 结论与讨论

本研究从气候品质的概念出发,采用主成分分析法,综合水晶梨外观和内在品质方面的4 个检测要素,构建表征水晶梨综合品质的参量——综合气候品质指数。 结合同期观测的气象数据,筛选影响气候品质的敏感气象因子,采用逐步回归法建立水晶梨气候品质评价模型,实现基于气象数据的水晶梨气候品质的量化评估。 2011—2020 年水晶梨年际间气候品质等级率定结果表明,各等级出现频率服从正态分布。 经与水晶梨生产和栽培专家探讨,评价方法较为客观地反映了近年来气候条件对水晶梨果品品质的影响,评价结果与实际相符。

梨果品质往往是多种因素综合作用的结果,单一的要素检定结果仅能从某个侧面反映果品的品质特征,而综合相关文献表明气候品质评价研究同样具有一定的地域性和应用限制。 特定区域和品种的农产品气候品质评价方法的建立与考虑的品质性状数量、资料年限长短及是否涵盖极端灾害年份的影响等密切相关。 本研究仅从果实尺寸、重量和含糖量三方面出发,并未考虑不同等级的出果率、果实外观色泽、香气等品质因素,同时如何在气候品质评价模型中引入高温灼晒、冰雹、淹水等气象灾害因子对果品品质的影响,以及综合气候品质评价指数中如何剔除土壤和管理措施等非气象因子的影响,也是今后的研究需要逐步解决的问题。

相关分析结果表明,初选的温度因子除气温日较差外,均与综合气候品质指数呈负相关关系,这与现有研究的结果[30-31]存在一定差异。 分析认为,初选的气温因子为梨花花芽萌发期及果肉细胞缓慢分裂期至二次膨大期间的最高气温和最低气温,而非平均气温,反映的是气温极值对水晶梨气候品质的影响。花前低温有助于梨树解除休眠,正常开花结果。 果实膨大期间日间高温灾害会灼伤叶面和果实表皮,不利于光合产物合成[20],而日间高温和夜间最低气温偏高都会增加呼吸消耗[19],影响净光合产物的积累和糖分转化。 此外,本研究涉及的气象因子为旬或跨旬尺度,以降低不同年份间梨树生育期细微差异的影响,而如何在评价方法中引入非旬尺度的气象和非气象因子,也是下一步工作需要考虑的因素。