枣庄石榴气象服务技术集成

胡园春,种冬冬,张越,崔云鹏,李全景*

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室,山东济南 250031;2.枣庄市气象局,山东枣庄 277800;3.枣庄市科技信息研究所,山东枣庄 277800)

枣庄石榴以“集中栽培面积最大、资源最丰富、单果最重、品质最好”而著称,历经2 000多年的发展,现已成为全国八大石榴主产区中最具产业特色的石榴系列产品生产和集散基地。气象因素是影响石榴生长和发展的重要因素之一,准确、及时、精细的石榴气象服务可以帮助农民更好地适应气象变化,降低环境因素对石榴生长的负面影响,提高石榴的生产效率和品质。此外,气象驱动的决策也可以促进农业生产的可持续性,使农业生产更加绿色、环保。

近几年,气象服务正逐步走向专业化、特色化和定量化,特色气象服务技术也得到了迅速发展。针对特定品类的农作物单一的气象服务技术研究较多,娄伟平、金志凤、张波等[1-3]分别对茶叶和火龙果的气候品质进行了评价研究,鹿翔、吉莉、田慧等[4-6]分别对翠冠梨、腊梅、油菜花期预测进行了研究,曾庆扬、伍小红[7,8]分别对油茶和香荔气象条件对产量影响做了研究。

笔者对石榴气象服务进行了系统性研究,通过技术研发、技术集成和综合示范,建立一套覆盖石榴整个发育期的气象服务技术体系。从石榴气象灾害预测、石榴始花期预测、石榴气候品质等级评价、石榴气象观测和石榴监测预警等几个方面入手,开展石榴气象技术研究,有助于更好地利用气候资源,打造农产品品牌、提升特色农产品知名度、增强市场竞争力,具有巨大的经济效益、生态效益和社会效益。

1 石榴气象服务关键技术集成

1.1 石榴气象灾害预测技术

冻害和裂果是石榴主要气象灾害,也是制约枣庄石榴产业发展的重要因素。据调查2008年薛城区张庄村村前20余hm2(300多亩)石榴园有80%以上受冻害死亡;峄城区榴园镇二环路两侧60%以上的石榴园受冻害,市中区齐村镇部分园片也有冻害发生。2009年山中下坡成片石榴树受害死亡现象。受害树龄从幼树到成龄树均有发生,幼树严重,随着树龄增大冻害渐轻。最为严重的是2015年秋冬季两次冻害的迭加,枣庄石榴树冻害面积达90%。2005年枣庄市石榴裂果严重的园片裂果率达46.7%;2006年裂果率达65.1%;2007年裂果率35%;2014年异常严重,最高裂果率达80%～90%。石榴裂果导致产量和商品性严重下降,同时引发了大量的虫害和病害的滋生,污染了环境,直接影响了果农的收入和石榴产业的发展。

经过田间调查和查阅文献,把石榴冻害分为秋末冻害、初春冻害和深冬冻害3类。依托峄城区气象站1981—2015年的气象数据,从农业气象技术服务的角度,对冻害和裂果有影响的气象因子温度、湿度、降水量、日照时数等气象指标逐年进行分析梳理,最后筛选出近6 000组数据作为基础实验样本。对气象因子进行筛选,确定导致冻害裂果的主要气象因子,采用Logistic回归方法分别建立基于主要致灾气象因子的预报预警模型,包括石榴初春冻害预测模型、石榴秋末冻害预测模型、石榴裂果预测预警模型[9,10]。

1.1.1 初春冻害预测技术 预测模型见式(1),经研究得知,石榴初春期冻害发生与否,与最低气温(x1)、最大降温幅度(x2)、≤0 ℃的持续时间(x3)、≤-5 ℃的持续时间(x4)及稳定通过11 ℃的时间(x5)5 个气象因子参数相关。其中,与初春时节最大降温幅度参数的绝对值关系最大,而回归参数绝对值的大小代表了自变量对于因变量,即冻害是否发生的影响作用大小。根据该模型求解得到冻害发生的概率p值,本研究采用0.5作为分割值,如果p大于0.5,则表明该年度初春有可能发生石榴冻害。

对于二分类Logistic回归,其因变量只存在1和0(发生与不发生两个取值),1代表发生灾害,0代表不发生灾害。y是因变量,x是n维样本特征向量。

利用上述模型对已有年份进行分类回判,然后与实际情况进行对比:对1981—2015年35年中初春发生冻害的15年进行模型判别,只有其中一年被模型预测为无冻害,正确率为87.8%;对于不发生冻害的20年进行判断,发现对于初春不发生石榴冻害的预判正确率达91.3%。总体判断正确率为89.5%,预测效果比较理想。

在石榴树初春时节冻害发生的概率分析中,最大降温幅度、<0 ℃的持续时间、稳定通过11 ℃时间与发生冻害的概率呈正相关;最低气温和≤-5 ℃的持续时间与发生冻害的概率呈负相关。最大降温幅度、最低气温、≤-5 ℃的持续时间对发生冻害与否的影响最大。对降温幅度而言,与冻害概率呈正相关,即表明降温幅度越大,冻害发生的概率越大,因为初春时节树液已经流动,一直在较高温度下,细胞活动剧烈,突然大幅度地降温,冻伤细胞而产生冻害;对最低气温而言,冻害概率与其呈负相关,因为最低气温越高,发生冻害的概率越小;气温≤-5 ℃的持续时间与冻害发生概率呈负相关,表明≤-5 ℃的持续时间越短,发生冻害的概率越低;≤0 ℃的持续时间和稳定通过11 ℃时间与其他三个因子比较,相对石榴冻害发生影响较小。

1.1.2 秋末冻害预测技术 预测模型见式(2),经研究得知,秋末冻害的发生与最低气温(x1)、最大降温幅度(x2)、≤0 ℃的持续时间(x3)以及稳定通过11 ℃的时间(x4)息息相关。对以上4个因子参数进行分析,可发现≤0 ℃的持续时间与≤-5 ℃的持续时间存在共线性问题,不能同时进入该多因素回归分析,因此舍去≤-5 ℃的持续时间。与之前分析的初春冻害存在一些差别,其中,回归参数绝对值的大小代表了自变量对于因变量,即冻害是否发生的影响作用大小。根据该模型求解秋末发生概率p值,本研究采用0.5作为分割值,如果p大于0.5,则表明该年度秋末有可能发生石榴冻害。

利用上述模型对已有年份进行分类回判,然后与实际情况进行对比:对1981—2015年这35年中秋末发生冻害的16年进行模型判别,只有其中1年被模型预测为无冻害,正确率为87.5%;对于不发生冻害的19年进行判断,其中有3年预测为发生冻害,则对于不发生冻害预判正确率达84.2%。总体判断正确率为86.0%,预测效果比较理想。

在石榴树秋末时节冻害发生的概率分析中,与初春冻害相同的是各气象因子和发生冻害概率的正负相关一致,即≤0 ℃的持续时间、最大降温幅度、稳定通过11 ℃的时间、与发生冻害的概率呈正相关;最低气温与发生冻害的概率呈负相关。所不同的是对冻害影响较大的因子有差别,即≤0 ℃的持续时间、最大降温幅度对冻害发生与否的影响最大,≤-5 ℃的持续时间因不显著筛选掉。而对于≤0 ℃的持续时间而言,与冻害发生概率呈正相关,即持续时间越长,发生的冻害的概率越高;因为秋末时节石榴地上停长、根部吸收养分的关键时刻,低温持续时间越长,对于根系活力的影响越大,导致石榴发生冻害;对降温幅度而言,冻害发生概率与其呈正相关,且是决定秋末冻害发生的首要因素,即降温幅度越大,石榴发生冻害概率越大,因为在大幅降温的情况下,植株没有充足的时间进行相应的生理反应来逐步适应温度降低,无法完成冷驯化阶段,致使植株抗寒能力较弱而发生冻害。此外,最低气温和稳定通过11 ℃的时间对秋末石榴发生冻害与否的影响较小。

1.1.3 裂果预测技术 预测模型见式3,经研究得知,石榴裂果的发生与当年8月下旬至9月总降水量(X1)、9月最长无降水日数(X2)、9月最长连续降水日数(X3)、9月最长连续降水时间段降水量(X4)、9月日照时数(X6)、8月下旬最长连阴雨日数(X7)和8月下旬最长连阴雨日的降水量(X8)相关。根据该模型求解裂果发生概率p值,本研究采用0.5作为分割值,如果p大于0.5,则表明该年度发生石榴裂果的可能性较大。

利用上述模型对已有年份进行分类回判,然后与实际情况进行对比:对1981—2015年这35年中发生裂果的23年进行模型判别,只有其中1年被模型预测为无裂果,正确率90.2%;对于不发生裂果的12年中,预判石榴不发生裂果的正确率达92.5%。总体判断正确率为91.4%,预测效果比较理想。

在石榴裂果发生的概率研究中发现除了8月下旬至9月总降水量与发生裂果的概率呈负相关外,其余几项因子指标均与裂果率呈正相关。对裂果影响较大的因子依次为9月最长连续降水时段的降水量、9月最长连续降水日数、9月日照时数和9月最长连续无降水日数;其他几个因子相对影响较小。9月是裂果关键期,此时已进入石榴第2膨大期,果实迅速吸水膨胀易发生裂果,如果遇到连续降水持续时间较长以及期间的降水量较大,裂果更为严重;同时9月连续干旱的持续时间以及9月光照时数对石榴裂果影响较大,高温干燥和日光直射,致使果皮组织受到损坏,加上果皮细胞组织的自然衰老,分生能力变弱,果皮组织延展性降低,当果皮承受膨胀能力达到极限时导致裂果。即长时间的干旱以及过长时间的日照容易引发石榴裂果。这与之前其他的研究结果一致。

1.2 石榴始花期预测技术

鲜红的石榴花美艳无比,得到人们的喜爱,枣庄市每年举办石榴文化旅游节、石榴赏花节。由于受温度、光照和水分等诸多环境因素影响,石榴开花时间年度间有一定差异,最多相差16 d 左右。适时开展石榴花期预测是气象服务于社会的主要业务之一。

参考历史观测资料,对于石榴始花期的日期进行年度观察。采用相关分析筛选出石榴花始花期的相关气象因子,确定了稳定通过0 ℃时的活动积温对于石榴花发育的影响较大,因此花期预测的相关因子主要根据石榴花期前的日平均温度(>0 ℃)积温高低相关。采用相关分析筛选出石榴花始花期相关气象因子并构建了预测方程[11],见式(4),Y为距离5月1日的天数。研究可知,石榴始花期与前期积温关系密切,其中与2月下旬>0 ℃积温(x1)和3月0 ℃的积温(x2)成正比,与4月>0 ℃的积温(x3)成反比,其中2月下旬>0 ℃的积温影响最大。

Y=-0.295x1+0.099x2-0.082x3+37.180

(4)

该模型于2018年开始在石榴气象服务业务中应用,2018—2023年预测最大误差为4 d。

1.3 石榴气候品质等级评价技术

石榴生长过程中的气候条件对其果实品质具有重大影响,利用2005—2018年枣庄石榴品质资料以及同时期气象监测资料,依据前人研究成果和专家知识,选取决定枣庄石榴品质优劣的指标单果重(y1)、百粒重(y2)、可溶性固形物含量(y3)作为表征石榴果实品质的指标,并利用相关分析法筛选出影响各品质指标的主要气象因子,采用逐步回归法建立各品质指标与相应气象因子间的关系;利用层次分析法确定各品质指标的权重,建立了枣庄石榴的气候品质综合评价指数模型[12],并基于综合评价指数的大小划分等级,用于估测枣庄石榴的整体品质。

综合评价指数模型见式(5),结果表明,枣庄石榴气候品质主要与6月生长期和9、10月成熟期的光、温、湿有关,与气温、空气湿度和日照多呈正相关,尤其果实发育后期的气温日较差对果实营养品质的影响最大,但与降水的相关性则随着果实生长阶段不同而有正负差别。利用2019、2020年的数据对所建立的石榴气候品质综合评价模型进行验证,等级划分结果与根据实测品质指标所得结果一致,表明可以利用该模型估测当年枣庄石榴的整体品质。

M=0.3518y1+0.3161y2+0.3321y3

(5)

注:M为气候品质评价指数。

该模型于2021年在石榴气象服务中应用,2021年在峄城区3家石榴种植合作社试用,2022年推广到峄城区、薛城区和台儿庄区8家石榴种植试用,据不完全统计提高经济效益10%～15%。

1.4 石榴气象观测技术

人工观测技术。针对石榴不同生长发育主要阶段确定石榴气象观测的基本要求、地段和植株选择、发育期观测时间和内容、生长状况测定项目和内容等,规范石榴农业气象观测流程,建立石榴气象观测技术规范,提高石榴气象观测的代表性和准确性。该项业务于2018年开展。编制了《农业气象观测规范 石榴》(DB 3704/T 008-2020),于2020年10月20日发布并实施,建立了石榴发育期气象观测数据库。

自动观测技术。在峄城“冠世榴园”富山石榴种植合作社果园内建设了果树小气候站,观测包括气温、降水量、低温、风、空气相对湿度、土壤相对湿度和日照等多要素的分钟连续数据,建立了石榴各发育期气象要素值变化数据库;采用物联网技术,同时建设石榴果实生长监测系统,可以获取果实生长分钟的连续数据,建立了石榴果实生长数据库。

1.5 石榴气象服务周年方案

通过石榴气象服务技术在应用中逐步熟化,编制了《石榴气象服务周年方案》,规范了农业气象服务业务人员在石榴各发育期的重点关注内容和全发育期的服务流程。

1.6 灾害性天气监测预警平台

利用多种数值预报和集合预报产品,结合地形、下垫面订正及统计释用技术,统计模式预报系统偏差并进行实时订正,开展数值模式要素预报订正释用,尤其是针对强对流、暴雨(雪)和强降温等极端灾害天气开展数值预报产品检验、订正和释用,制作石榴产区精细化极端灾害天气预报预警服务。

依托山东现代农业气象智能业务支撑平台,实现多种观测数据及精细化预报的快速统计,以不同格式、精度、预报时效的图文形式供决策服务和专业服务使用;实现精细化气象服务产品生成与发布;依托石榴花期和灾害预测预报模型、多种气象观测数据和省市精细化预报预警产品,实现石榴气象服务产品制作与分发。

通过对灾害性天气监测预警软件开发和实时自动监测预警建设,创建出灾害性天气监测预警平台[13]。通过预警平台,构建了“互联网+气象+技术指导+农户”的智慧气象预报预警服务系统。

2 小结

石榴气象服务体系的建立,为枣庄石榴产业提供了较准确的气象灾害的预测,初春、秋末的冻害预测,石榴裂果的预警预测,提升了石榴的品质和产量,2021年和2022年果农经济收益提高了15%～20%,取得了良好的经济效益、生态效益和社会效益,对促进石榴产业的可持续发展起到较大的推动作用。目前,该技术集成已在峄城区、薛城区、台儿庄区进行示范应用。