气象因素对水果产量的影响及小波分析研究

2024-11-19郭华王玺李亮王达菲武曦王越陶玲

山西果树 2024年6期

摘" 要：【目的】充分了解气候变化对山西省水果产量的影响，为山西省应对水果产量受气候变化的影响提供理论依据和决策支持。【方法】以1978年—2018年气候资料和水果产量资料为基础，采用CEEMD方法分离水果产量，通过M-K突变分析和趋势分析研究山西省各气候要素的变化特征，采用交叉小波分析气候产量与气象因子周期共振性，研究气候变化对水果单产的影响，并建立水果单产和气候因子之间的一元线性回归模型。【结果】山西全省降水呈无明显上升趋势，相对湿度和日照时数均呈显著明显下降趋势，年均气温上升幅度较大；苹果、梨和葡萄单产都有较大幅度的提高，对应的气候产量有较大的波动，但提高的速度较慢，其中苹果的气候产量有明显的提高趋势；苹果、梨、葡萄的相对产量符合相应气候产量趋势，说明气候变化显著影响水果产量；水果单产与气候因子的回归模型整体显著，且相对湿度和日照时数与水果单产之间呈负相关，降水和年平均气温与水果单产之间呈正相关。【结论】不同气候变化对不同水果的响应程度各不相同，山西省应采取选育抗逆性强的品种、改变栽培种植方式等合理措施，促进水果产量增长和品质提高。

关键词：水果产量；产量分离；交叉小波变换；山西省

文章编号：2096-8108（2024）06-0047-08" 中图分类号：F326.1" 文献标识码：A

收稿日期：2024-08-10中文收稿日期

第一作者简介：郭" 华（1990-），女，硕士，助理研究员，主要从事果业经济工作。E-mail：ch34158@163.com

Research on The Impact of Meteorological Factors on Fruit Yield and Wavelet Analysis

GUO" Hua，WANG" Xi，LI" Liang，WANG" Dafei，WU" Xi，WANG" Yue，TAO Ling

（Pomology Institute，Shanxi Agricultural University，Taiyuan Shanxi 030031， China）

Abstract：【Objective】Fully understand the impact of climate change on fruit production in Shanxi Province， and provide theoretical basis and decision support for Shanxi Province to cope with the impact of climate change on fruit production.【Methods】Based on the climate data and fruit yield data from 1978 to 2018， the CEEMD method was used to separate the fruit yield. The change characteristics of various climate elements in Shanxi Province were studied through M-K mutation analysis and trend analysis. The cross-wavelet analysis was used to study the periodic resonance between climate yield and meteorological factors， to investigate the impact of climate change on the per-unit yield of fruits， and to establish a unary linear regression model between the per-unit yield of fruits and climate factors. 【Results】The results showed that the precipitation in the whole province of Shanxi had no obvious upward trend， the relative humidity and the sunshine duration both showed a significant and obvious downward trend， and the annual average temperature had a large increase; the per-unit yields of apples， pears and grapes had all increased significantly， and the corresponding climate yields had large fluctuations， but the rate of increase was slow， among which the climate yield of apples had an obvious upward trend; the relative yields of apples， pears and grapes were in line with the corresponding climate yield trends， indicating that climate change significantly affected the fruit yield; the regression models between the per-unit yield of fruits and climate factors were all significant， and there was a negative correlation between relative humidity and sunshine duration and the per-unit yield of fruits， and a positive correlation between precipitation and annual average temperature and the per-unit yield of fruits. 【Conclusion】The response degrees of different fruits to different climate changes were different. Shanxi Province should take reasonable measures such as breeding cultivars with strong stress resistance and changing cultivation and planting methods to promote the increase of fruit yield and the improvement of quality.

Keywords：fruit yield; yield separation; cross wavelet transform; Shanxi Province

随着全球气候变暖趋势的持续，我国气候风险指数呈上升态势。极端强降水事件逐渐增多，而自20世纪90年代中期以来，极端高温事件明显增加。目前，国内外对农业的研究主要围绕气候变化对农作物育种改良适应、农业自然资源要素时空分布和旱涝灾害、病虫害等的影响［1-4］。农业受气候变化影响的研究方法有多种，目前主要使用的有农业生态地带模型分析法、经验统计模型法和观测试验法［5］。气候变化由于存在地域性特征，其对农业的影响从全球、全国范围，具体到了地区。

气候变化对农业生产的影响较大，王妍等［6］基于气象数据和产量数据，以中国冬小麦主产区为研究区域，获得对冬小麦产量影响的限制性气象因子。杨丽等［7］以河北省宁晋县为研究区域，以1982年—2018年为研究范围，采用HP滤波法对夏玉米产量进行分离，并分析了气象因子变化特征及其对夏玉米产量的影响。赵茹欣等［8］从气候产量、粮食单产等方面，分析了陕西关中地区，气候变化对粮食产量的影响。大多研究者着力于对粮食产量对气候变化响应的研究，也有部分研究者对水果产量受气候变化的影响进行了探究。吉春容等［9］分析了1989年—2019年哈密瓜产量变化趋势及其气候影响因素，研究表明，影响哈密瓜气候产量的主要因素为日照时数和平均气温。为提高苹果品质和产量，李秀美等［10］以烟台市苹果为研究对象，分析了苹果不同生长阶段气候产量与气象因子的关系。张沁之等［11］以东北、新疆等产区为研究区域，分析了气象因素对酿酒葡萄产量的影响，受地域特征的影响，不同地区葡萄产量的影响因素不同。

苹果是山西的第一大宗水果，其产量和种植面积一直居于首位，其产业发展是山西省农村经济发展的第一大产业；梨是农民增收的主要树种之一，随着特色产业的发展，梨的种植面积和产量随之增加；葡萄栽培历史久远，晋中地区及周边是我国著名的葡萄产区，葡萄是农民增收致富的主要树种之一，亦是水果产业效益较高的水果。水果产量随着经济社会的发展和种植技术的提高而增加，但却受到气候变化影响的显著影响。因此，本研究基于CEEMD、突变分析、趋势分析等数理统计方法，探究山西省气候变化情况，并根据交叉小波变换分析了水果单产、气候产量对气候变化的响应特征，充分了解气候变化对山西省水果产量的影响，为山西省应对水果产量受气候变化的影响提供理论依据和决策支持。

1" 研究区域概况

山西省地处东经110°14′～114°33′，北纬34°34′～40°44′，地势东北高西南低，属温带大陆性季风气候，具有光照充足、四季分明、南北气候差异显著等特点。年平均气温和年降水量分别为4.2～14.2℃和358～621mm，夏季降水相对集中，且降水分布受地形影响较大。

2" 数据来源及研究方法

2.1" 数据来源

本文水果产量数据采用山西省1978年—2018年的逐年产量（苹果、梨和葡萄）数据，数据来源于《山西省统计年鉴》（1978-2018）。气象数据（年平均降水、气温、日照时数、相对湿度）来源于中国气象数据网。

2.2" 研究方法

2.2.1" 产量分解

由于地区气候和种植管理方式等的影响，作物的生长情况及产量随之发生变化。因此，作物产量分为随农业生产技术的提高和种质变化的趋势产量和由气候要素引起变化的气候产量。

Y=Yt+Yc+Yw（1）

式中：Y为水果单产；Yt、Yc分别为趋势产量和气候产量；Yw为随机波动产量，通常忽略不计。

1）趋势产量模拟

A：水果产量分解采用CEEMD方法（互补集合经验模态分解），即将一个频率不规则的波化为多个单一频率的波和一个残波，残波即为水果趋势产量。

B：确定信号序列X（t）的所有极值点Xmax（t）和Xmin（t），通过3次样条曲线法得到信号序列的上、下包络线U（t）和L（t），并求出上、下包络线的平均线M（t）。

C：通过信号序列X（t）与平均线M（t）的差值，获得H1（t）；通过极值点数目和M（t）两个条件，判断H1（t）是否满足IMF；若不满足，H1（t）代替X（t）继续进行上述筛选过程，直至满足，这时可提出信号序列的第一个C1（t）。

信号序列X（t）与C1（t）的差值记为R1（t）；对R1（t）重复A-B过程，直至剩余部分为单调序列，则分解出信号序列X（t）的趋势项R（t），R（t）即可作为趋势产量。

2）气候产量

Yc=Y-Yt（2）

式中：Y为水果单产；Yt为趋势产量，即CEEMD分解得到的R（t）；Yc为气候产量。

3）相对气候产量

为消除经济生产力等因素的影响，本文采用相对气候产量，更直观的反映气候变化对水果产量的影响［12］。

Yr=YcYt×100%（3）

根据当年气候因素是否有利于作物生长，定义Yr＞10%为气候丰年，当Yr＜10%为气候歉年。

2.2.2" Mann-Kendall突变分析

本文采用 M-K（Mann-Kendall）法，对山西省1978年—2018年的气候要素（降水、平均气温、相对湿度和日照时数）进行突变分析，以此找出时间序列中气候要素的突变点。

1）计算样本x的顺序秩序列Sk。

Sk=∑ki=1ai（k=1，2，…，n）（4）

ai=+1（xi＞xj，j=1，2，…，i）

0（xi≤xj，j=1，2，…，i）（5）

2）计算顺序秩序列Sk对应的UFk。

UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk）（k=1，2，…，n）（6）

E（Sk）=k（k-1）4（k=1，2，…，n）（7）

Var（Sk）=k（k-1）（2k+5）72（k=1，2，…，n）（8）

3）计算样本x的逆序秩序列S′k和UBk。

4）给定显著性水平（0.05），UF曲线和UB曲线在临界线之间的交叉点为突变开始时间。

2.2.3" 交叉小波变换

交叉小波变换反映两个时间序列x（t）、y（t）的“共有周期”强度，以反映两个序列在不同视频区域相关的显著程度。

Wxy（α，τ）=CY（α，τ）C*Y（α，τ）（9）

交叉小波变换采用Morlet小波，CY（α，τ）和C*Y（α，τ）分别表示x（t）的小波变换系数和y（t）的小波变化系数的复共轭。

2.2.4" 趋势分析

本文的变量趋势性检验采用线性最小二乘法进行［5-6］：

y^=a+bx（10）

式中：y^表示变量回归值，x表示时间，a表示截距，即变化趋势，b表示斜率，通过下式得到：

b=∑ni=1xiyi-nxy∑ni=1xi2-nx2，a=y-bx（11）

式中：n表示时间序列长度，x和y表示时间x和变量回归值y的平均值，xi和yi分别为x和y两个序列的第i个数值。通过计算相关系数γ，得到t分布统计值，最后获得变化趋势的置信度1-p：

γ=∑ni=1（（xi-x）-（yi-y））∑ni=1（xi-x）2∑ni=1（yi-y）2（12）

t（γ，n）=|γ|n-21-γ2（13）

1-p=∫t（γ，n）-t（γ，n）f（t，n）dt（14）

式中：p为置信水平，f（t，n）为概率分布函数。

3" 结果与分析

3.1" 多年气候变化特征

本文通过距平变化特征、M-K突变分析以及显著性分析对影响水果产量的气候要素进行分析，如图1和表1。

1978年—2018年山西省降水呈不显著上升趋势，每年增速约为0.23mm，且突变点较多，主要突变年份在2010年左右；41年间降水波动较为剧烈，且1997年—2006年降水持续性小于平均水平437.27mm。每年平均气温和相对湿度变化显著，变化速率分别为0.04℃和-0.11%，平均气温的突变年份在1994年，相对湿度的突变年份在1997年。每年日照时数呈显著下降趋势，且下降速率为-9.06h，日照时数突变年份多，且突变年份集中在1992年左右；日照时数在1997年—2006年持续性大于平均值2363.14h，与降水状态相反。因此，日照时数和降水一定程度上存在负相关关系，降水较少时，晴天天数明显增加，日照时数增多。

3.2" 气候产量与水果产量变化特征

本文采用CEEMD法，对苹果、梨和葡萄单产进行气候产量和趋势产量的分离，并对水果单产和气候产量进行趋势拟合，如图2。

1978年—2018年多年平均苹果单产10364.86 kg·hm-2，呈显著增加趋势（P＜0.01），增加速率最快，每年达到724.86 kg·hm-2；趋势产

量为上升趋势，由2238.55 kg·hm-2上升到29239.2 kg·hm-2，说明农业生产技术的提高有利于苹果单产的增加；气候产量每年上升趋势显著（P＜0.05），上升速率为54.83 kg·hm-2，气候产量在-3720.74～4883.57 kg·hm-2波动，波动较大，上升速率较慢，由此可见气候变化显著影响苹果单产。

1978年—2018年平均梨单产7536.33 kg·hm-2，梨单产增加趋势显著（P＜0.01），每年增加速率为424.48 kg·hm-2；趋势产量由3137.69 kg·hm-2上升到21123.97 kg·hm-2，呈总体上升趋势；气候产量在-4892.95～4383.45 kg·hm-2范围内波动，呈不显著上升趋势，每年上升速率为33.87 kg·hm-2。

1978年—2018年多年平均葡萄单产为8611.97 kg·hm-2，呈显著上升趋势（P＜0.01），上升速率达到632.81 kg·hm-2；趋势产量在866.86 ～9785.93 kg·hm-2范围内总体上升；气候产量在-3489.5～9785.93 kg·hm-2范围内呈不显著上升趋势，且每年上升速率为44.09kg·hm-2，由此可见，气候产量波动较大，且增速较慢。

通过水果单产和气候产量的变化趋势可看出，苹果、梨、葡萄单产的峰谷变化同其相应气候产量峰谷变化相吻合。

3.3" 相对产量变化特征

本文通过相对气候产量，进一步阐释山西省水果产量的变化特征，如图3。苹果、梨和葡萄的相对气候产量变化幅度大，且与相应气候产量变化趋势一致。相对气候产量与气候变化密切相关，41年间，山西省苹果产量气候丰年8个，气候歉年16个；梨产量气候丰年8个，气候歉年22个；葡萄产量气候丰年4个，气候歉年24个。

3.4" 气候产量小波分析研究

为揭示气候变化对山西省水果气候产量的影响，对山西省主要气象因子和苹果、梨、葡萄气候产量进行交叉小波分析，如图4-6。

图4苹果气候产量与气象因子的交叉能量小波可看出，气候产量与降雨量在高能量集中区存在5年左右的共振周期（1999年—2003年），在此共振周期内二者呈正相关（黑色粗实线内箭头朝右）。气候产量与气温存在2个共振周期，分别是2年左右（2000年—2006年）和4年左右（1996年—2003年）；相位差显示，二者呈正相关。气候产量与日照时数存在2个共振周期，分别是1～3年（2000年—2006年）和4年左右（2002年—2005年）；二者在2个共振周期内分别呈正相关和负相关。气候产量与相对湿度存在2个共振周期，1～3年（2000年—2006年），和11年左右（1997年—2001年），且二者呈负相关。

图5梨气候产量与气象因子的交叉能量小波可

看出，气候产量与降雨量在高能量集中区存在4年左右的共振周期（2003年—2007年），在此共振周期内二者呈负相关（粗实线内箭头朝左）。气候产量与气温存在1个共振周期，1～4年（2002年—2011年），二者呈负相关。气候产量与日照时数存在2～5年的共振周期（2002年—2011年），二者呈正相关。气候产量与相对湿度存在2～5年的共振周期（2003年—2009年），二者呈负相关。

图6葡萄气候产量与气象因子的交叉能量小波可看出，气候产量与降雨量在黑色影响锥内无共振周期。气候产量与气温存在2～4年的共振周期（2008年—2013年），且二者呈负相关。气候产量与日照时数存在3年的共振周期（2008年左右），二者呈正相关。气候产量与相对湿度存在1年左右的共振周期（2003年左右），二者呈正相关。

3.5" 水果产量对气候因素的响应

本文采用一元线性回归模型，对水果单产和气候因素（降水量、平均气温、相对湿度、日照时数）进行拟合，得到回归模型如下：

y1=27.63x1+4068.06x2-1578.28x3-24.77x4+102666.27，R2=0.61

y2=22.99x1+1019.9x2-1219.92x3-15.47x4+91944.14，R2=0.51

y3=27.75x1+2428.66x2-1612.1x3-22.23x4+114103.48，R2=0.62

式中：y1、y2、y3表示苹果、梨和葡萄单产，x1～x4表示降水量、年平均气温、相对湿度、日照时数。苹果、梨和葡萄单产的回归模型均在P＜0.01水平下显著。

在41年时域中，降水和年平均气温与水果产量之间呈正相关，相对湿度和日照时数与水果产量之间呈负相关。降水充足会增加土壤湿度，满足果树生长所需水分，有助于果实增产；但雨水过多意味着阴天天数增加，光照减少，不利于果树的光合作用，会降低果实的产量和品质。温度影响作物生长周期，气温升高，果树生长周期变短。然而相对湿度若过大，病虫害容易滋生，会影响果实的产量和品质。

4" 结论与建议

4.1" 结论

本文依据山西省1978年—2018年气候要素和水果产量数据，对水果单产进行趋势产量和气候产量的分离，并分析了气候变化特征及其对产量的影响。主要结论如下。

1）1978年以来，山西省多年平均降水达到437.27mm，呈波动上升趋势，在2010年左右发生突变；年均气温上升趋势显著，每年上升速率为0.04℃，且突变发生在1994年；相对湿度和日照时数下降趋势明显，多年均值分别为2363.14h和56.29%，突变分别发生在1997年和1992年左右。

2）山西省苹果、梨、葡萄单产均呈显著上升趋势，且苹果每年单产的提高速率最快，为724.86 kg·hm-2，其次是葡萄和梨，其单产增速分别为632.81kg·hm-2和424.48 kg·hm-2。苹果气候产量上升速率慢且趋势显著，梨和葡萄上升速率慢，但趋势不显著。

3）水果相对产量与气候产量趋势一致，波动明显；1978年—2018年间，苹果、梨和葡萄的气候丰年分别为8个、8个、4个，气候歉年分别为16个、22个和24个。

4）交叉小波变换结果显示：苹果气候产量与降水量在5年左右呈显著正相关，与气温在2年和4年呈显著正相关，与日照时数在1～3年和4年呈显著负相关，与相对湿度在1～3年和11年呈显著负相关；梨气候产量与降水量存在4年左右的显著负相关，与气温存在1～4年的显著负相关，与日照时数存在2～5年的显著正相关，与相对湿度存在2～5年的显著负相关；葡萄气候产量与降水量无显著关系，与气温在2～4年呈显著负相关，与日照时数在3年左右呈显著正相关，与相对湿度在1年左右呈显著正相关。

5）41年时域中，水果产量与降水和年平均气温呈正相关，与相对湿度和日照时数呈负相关。

4.2" 建议

1）气候变暖对山西省苹果、梨和葡萄产量具有正效应，应顺气候变化，调整不同水果的种植比例，以促进水果产业经济发展。

2）日照时数的增加，会使果树光合作用减少；相对湿度的减少会使果实的果皮粗糙、果汁变少，品质下降，山西省应通过选育抗逆性强的果树品种，适应气候变化对果树生长的影响。

中文致谢

参考文献

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