辽东山区秋季红枫树观赏期气候预测研究

2024-01-16张钰祺马林于嫒平

中国野生植物资源 2023年12期

张钰祺，马林，于嫒平

（1.辽宁省气象服务中心，辽宁沈阳 110116； 2.辽宁省气象装备保障中心，辽宁沈阳 110116）

在植物的周年生长过程中，植物秋季红叶属于其中的一个物候期，彩色植物叶片本身具有独特的组织结构、光合特性、色素组成及合成过程，对于植物秋季红叶来说，无论是季节以及气候，还是土壤以及水文等因素，均会对其艳丽程度以及应季时间产生重要的影响［1-3］。无论是落叶、树木开花以及结果，还是叶变色、果实成熟以及展叶等植物的物候现象，均可反映相应的环境条件［4-5］。

在辽东山区的旅游业中，植物的红叶期以及花期有着无可比拟的作用和地位［6-7］，所以，当地旅游业极为重视对植物秋季红叶期的研究。进入到十月份之后，长白山余脉的辽东山区公路沿线连绵上百里的红枫林进入观赏期，坐落大山之中的关门山、大石湖、老边沟、洋湖沟等景区在每年红枫叶出现之后，都会吸引大批国内外游客的慕名观赏，从而进一步带动了当地旅游业的发展。由于气象环境会对红枫叶变色期产生影响，因此为了促进当地旅游业的发展，对红枫叶观赏期进行预测便显得极为重要。

在各类环境条件中，气候是植物变化的主要驱动因子，可直接对植物物侯变化产生影响［8］。张增信等［9］以南京市植物花期为研究对象，以对其年际变化的研究结果为依据，发现植物花期的变化主要会受到积温的影响；顾品强等［10］在对桃树的研究过程中指出，降水、日照以及气温等气象因子均会对其成熟期以及开花期产生影响，具有极为明显的生物学意义；刘俊等［11］在对桃花盛花期的研究过程中指出，在桃花盛花期前三个月中，温度每上升1℃，盛花期便会出现6.47 d的提前，物候期对气候变化具有极高的敏感度；王永格等［12］在对‘丽红’元宝枫叶的研究过程中重点对光照强度所产生的影响进行了分析，并表示在全光照环境之中，秋季红叶具有最佳的颜色；张春红［13］通过研究枫叶变红的影响因子确定了其气象指标以及气象预报因子；蔺银鼎等［14］以‘元宝枫’为研究对象，重点分析了气候因子对其变色产生的影响。尹志聪等［15］在对红枫树叶变色的研究过程中，重点对其气象条件进行了分析，以变色日为研究对象，完成了对气象统计预测模型的构建。需要强调的是，虽然各地区存在着不同的地理以及地势环境，但对于秋季树叶变色与植物物候来说，不同的环境气候条件对其产生的影响极为相似［16-17］。

红枫（Acer palmatum ′Atropurpureum′）落叶小乔木为槭树科（Aceraceae）槭属（AcerL.）鸡爪槭（Acer palmatumThunb.）的一个品种。本文以辽东山区本溪境内的羊湖沟景区、关门山景区中的红枫叶为研究对象，采用气候诊断法来对其变色日期开展回归分析以及线性相关分析，筛选出影响叶变色期的主要气象因子，构建相应的气候预测预报模型，旨在确定观赏红叶的适宜时间范围，为旅游发展提供气象服务支撑。

1 材料与方法

1.1 资料来源

本文物候资料来自于本溪县关门山景区、羊湖沟景区林业部门，年限为2012 ～ 2021年。红枫叶变色观赏标准划分为：全山变色率达到10%的日期为红叶变色始期（初红状态），30%为斑红状态，60%为满红状态，满红状态至落叶50%视为最佳观赏期。以本溪县国家气象观测站对2012 ～ 2021年中所获取的逐日观测资料为依据来对气象要素资料进行选用。无论是相对湿度、降水量、最高以及最低气温，还是气温日较差、日照时数以及平均气温，均属于典型的气象要素。

1.2 分析方法

本文使用了回归分析法以及线性相关分析法［18］，以气象因子以及红枫树叶的变色日期为研究对象，对其相关关系进行了分析。完成了对主要气象因子的筛选，以红枫树叶变色日为依据来对其预测模型进行了构建。借助Excel 2003软件来完成线性相关系数及多元回归方程的运算。

1.2.1 标准化

由于气象要素单位存在着差异，可通过以下关系式来完成对其的标准化处理，即：

1.2.2 线性相关系数

相关系数r是衡量自变量（气象要素x）与因变量（叶变色日y）之间关系的统计量［20］。可借助下式来计算其相关系数。

其中，-1 ≤r≤ 1，正相关由r＞ 0来表示，负相关由r＜ 0来表示。各变量间的相关性与r绝对值的大小存在着正相关关系。借助相关系数检验表来对显著性进行查算，不显著相关、相关显著以及相关极显著分别由P＞ 0.05、P＜ 0.05以及P＜ 0.01来表示。

1.2.3 多元回归

多元线性回归方法是研究因变量与若干自变量的关系，可建立多元回归方程，多元回归方程见（3）式。

式中，yj为红枫树叶变色日期，xi为气象要素，bi为偏回归系数。

2 结果与分析

2.1 红枫树叶变色期分析

红枫是亚热带树种，性喜温暖、湿润、凉爽的气候环境，对土壤要求不严格。红枫是一种非常美丽的观叶树种，辽东山区每年进入9月下旬气温下降后，关门山、羊湖沟景区红枫叶开始变色。通过对表1的分析发现，在2012 ～ 2021年期间，对于本溪关门山景区的红枫树秋季红叶期来说，其变红的开始时间为9月下旬，观赏期可持续到10月中下旬。可观赏期（斑红至落叶）在9月下旬至10月中下旬，平均20 d左右，最佳观赏期（满红至落叶）在10月上中旬，平均15 d左右。

表1 关门山景区2012 ～ 2021年红枫树秋季叶变色期Tab.1 Autumn leaf color period of red maple trees in Guanmen Mountain scenic spot from 2012 to 2021

2.2 影响红枫树叶变色的主要气象因子分析

2.2.1 近期气象要素对红枫树叶变色日期的影响

通过研究发现，光照强度与叶片变色质量、花色素苷含量以及枫树叶片可溶性糖含量存在着正相关关系。温度是影响秋季植物叶变色的主要气象条件之一，当温度较低时，红叶色彩可达到最佳状态，在低温环境的作用下，植物体内可完成对花色素苷的合成，进而导致秋季植物叶色出现变化［12，19-20］。叶绿素可在低温环境中快速被分解，从而不断形成以及积累花青素［22-23］。当降雨量较为充沛时，促进叶绿素以及树叶的生长，但会抑制花色素苷的合成，同时需消耗较长时间来褪去叶片绿色［21］。以所获取的2012 ～ 2021年的物候监测数据为依据，当日最低气温下降至8℃及以下时，枫叶由绿色变为紫色，当日最低气温下降至6℃及以下时，枫叶开始变红，当日最低气温下降至4℃及以下时，60%以上枫叶变红。枫叶变色滞后于气温下降2～3 d，枫叶变红的速度取决于气温下降速率。以叶变色温度指标为依据，假如温度以极快的速度降至指标以下水平，则会破坏掉大部分叶绿素，并合成花青素，进而使叶子开始变红；相反，气温下降速度慢，叶变色也相应缓慢。如2017年红叶始期出现于9月20日，早于其他年份，由于之前三天（9月17至19日）最低气温由17℃迅速下降至8℃以下，红枫叶的变色时间提前，但进入到2018年9月下旬之后，气温下降速度缓慢，叶变色则推迟出现在10月1日。

表2所示，红枫树秋季红叶始期与前10 d日平均气温、日最高气温、日最低气温、活动积温、日照时数呈正显著相关，达到P＜ 0.01的检验水平，表现出气温高、热量充足条件下红枫树秋季红叶始期来临较晚的特征；气温日较差、降水量及空气相对湿度与红叶始期不显著相关。近10天的日平均气温、最高气温、最低气温和活动积温是影响红枫树叶变色的主要气象因子。

表2 红枫树秋季红叶始期与气象要素相关分析Tab.2 Correlation analysis between autumn red leaf initiation and meteorological elements of red maple tree

2.2.2 前期气象要素对红枫树叶变色日期的影响

以红枫树叶变色日期为研究对象，表3对其始期以及前期（6 ～ 9月）气象要素的相关数据进行了分析。在7月中，最高与最低气温以及平均气温均与红枫树叶的变色日期存在着负相关关系，日照则与红枫树叶的变色日期呈不显著正相关，进入到8月份之后，红枫树叶变色始期与降水量存在着正相关关系。从而可知，在进入到7月份之后，随着气温的不断升高，红枫树叶变色期的提前趋势将会变的更加明显，例如进入到2017年7月之后，具有26.4℃的平均气温，与历年的平均值（24.6℃）相比提高了1.9℃，红枫树叶变色期提前至9月20日，比平均日期（9月25日）提前5 d。8月的降水量越大，树木生长越旺盛，叶片绿色褪去所需要的时间相对较长，红枫树叶变色越晚，如2019年8月降水432.0 mm是平均降水量（226.5 mm）的1.9倍，红枫树叶变色期后推至9月30日，与平均日期相比推迟了5 d。

表3 6 ～ 9月气象要素与红叶变色始期的相关分析Tab.3 Correlation analysis between meteorological elements and red leaf discoloration days from June to September

2.3 红叶变色初始日期预测及模型

2.3.1 红叶变色初始日期短期预测及模型

其一，根据气象观测统计指标和气象部门发布的15 d或7 d时段的天气预报预测红枫叶变色始期。当日最低气温下降至8℃及以下时，枫叶由绿色变为紫色，当日最低气温下降至6℃及以下时，枫叶开始变红，当日最低气温下降至4℃及以下时，枫叶变红在60%以上，枫叶变色滞后于气温下降2～3 d，以此预测红枫叶变色日期。

其二，根据红枫叶变色始期与前10 d气象要素相关分析结果，运用多元回归方法建立红叶始期预测模型，短期气象统计预测模型为：

式中：x1为前10 d日最低的累加值；x2为前10 d日平均气温累加值（活动积温）；x3为前10 d日照时数的累加值。该红叶始期（y）预测模型F值为167.472，预测值与实测值相关系数为0.927，通过了P＜ 0.01显著检验水平，模型回代拟合率为88.8%，预测准确率为83.5%。

2.3.2 红叶变色初始日期中长期预测模型

通过红叶期与气象要素相关检验，7月平均气温、最低气温、最高气温和8月降水量与红枫树叶变色日期显著相关，从而选定7月平均气温和8月降水量作为中期预报因子。对2012 ～ 2020年的资料建模进行使用，选用2021年的资料来完成预测检验工作，对中期气象统计预报模型进行构建，即：

式中：y是日序数（设定9月1日为1，9月2日为2……，以此类推）；x=d1+1/d2，其中，d1为7月平均气温标准化值，d2为8月降水量标准化值。该红叶始期（y）预测模型F值为27.017，标准误差1.60，预测值与实测值拟合率为 77.2%，通过了P＜ 0.01显著检验水平，平均残差0.19，预测2021年y= 23.35，实测值9月22日，残差1.35天（见表4）。

表4 关门山景区红枫叶变色始期实测值与预测回带检验Tab.4 Test of measured value and predicted return zone of red maple leaf in Guanmen Mountain scenic spot at the beginning of change

3 讨论

枫树秋季红叶期出现时间的早晚与变色始期前3 d和前10 d的气温呈正相关关系，与7月气温呈负相关，与8月降水量呈正相关，与尹志聪、吉奇等的研究结果一致，可证明秋季红叶期出现时间与气候变化存在着密切的相关性［15，24］。在前3天的叶变化过程中，气温作为重要的气象因子，其下降幅度会对红枫树叶变色产生重要影响，高光照以及低温条件会阻碍光合色素的合成，进而导致秋叶的颜色出现变化，当温度降低时，叶绿素合成酶活性减弱，抑制叶绿素的合成，同时在低温条件的作用下，能够快速合成以及积累花色素苷，并形成花青素，进而使叶子开始变红。

当日最低气温下降至8℃及以下时，枫叶由绿色变为紫色，当日最低气温下降至6℃及以下时，枫叶开始变红，当日最低气温下降至4℃及以下时，枫叶变红在60%以上，枫叶变红的速度取决于气温下降速率［22-23，25］。枫叶斑红状态与初霜日相吻合［19］，而在植物生长旺盛期的7月份高温干旱，可促使叶变色提前［21，26］，降水量短期增加，对红枫树叶变色的影响不显著，当进入到7 ～ 8月份后，累计降水量开始变得极为充沛，树木生长旺盛，叶绿素的生成以及树叶生长被促进的同时花色素苷的合成受到抑制，因此需消耗较长时间来褪去叶片绿色，红枫树叶变色时间随之推迟。如2019年8月降水是往年平均降水量的1.9倍，红枫树叶变色期延迟至9月30日，与平均日期相比，推迟的时间为5 d。

本文采用2012 ～ 2021年红枫树叶变色期监测与调研资料，结合当地自动气象站气象资料，建立红枫树叶变色期的预测模型，因为本文所选用的资料相对有限，所获取的预测结果准确率略显不足，但此项研究对本溪红叶观赏期的预测仍具有一定的准确率和实践可操作性。为此，在后续工作中需选用更为丰富的资料，从而通过对预测模型的优化来对红枫树叶变色期展开更加深入的研究，使预测结果的精确率得到进一步提升，进而促进旅游气象服务行业的发展。