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灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型研究及應(yīng)用

2022-12-28 11:41劉延莉張宏利王一格雷宇
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年19期
關(guān)鍵詞:灞橋序數(shù)花期

劉延莉,張宏利,王一格,雷宇

(西安市灞橋區(qū)氣象局,西安 710038)

西安市灞橋區(qū)作為中國西北地區(qū)最大的櫻桃產(chǎn)業(yè)基地,目前種植面積達(dá)3 133 hm2,特別是白鹿原東的塬上塬下已成連片規(guī)模種植,有萬畝櫻桃谷之稱[1]。每年櫻桃花盛開時(shí)的景色頗有名氣,常有游人如織之場景。但每年櫻桃花開早晚、時(shí)長參差不齊,花期的不確定性一直困擾著旅游管理者及游客?;ㄆ陬A(yù)報(bào)有利于櫻桃種植戶應(yīng)用天氣預(yù)報(bào)及相應(yīng)技術(shù)使櫻桃花遲開或早開,從而避開災(zāi)害性天氣;有利于種植戶提前采取花期病蟲害防治、人工輔助或蜜蜂授粉及雜交育種等措施,從而提高櫻桃坐果率和品質(zhì)[2-4]。許多關(guān)于樹木物候期與氣候條件相關(guān)關(guān)系的研究表明,在北半球中高緯度地區(qū)影響樹木物候期的諸多環(huán)境要素(氣溫、降水、光照等)中,氣溫的作用最大[5,6]。Bradley等[7]對美國威斯康辛州不同樹木物候期統(tǒng)計(jì)分析后得出,受近幾十年氣候變暖影響,多種樹木始花期有所提前;陳匯林等[8]應(yīng)用費(fèi)歇爾準(zhǔn)則組建了荔枝花芽分化期預(yù)測模型;李美榮[9]、劉紅等[10]分別利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)新方法建立了陜西洛川塬區(qū)和安塞山地蘋果始花期預(yù)測模型;張倩等[11]、王存真等[12]、郭連云等[13]分別通過統(tǒng)計(jì)模型預(yù)報(bào)庫爾勒香梨盛花期、桂林桂花始花期和貴德縣梨樹始花期,研究表明用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對樹木開花期進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)是可行的。目前其他樹木的花期預(yù)報(bào)研究較多,但就櫻桃樹花期的研究較少。姜玉蓮[14]利用回歸分析法建立模型,預(yù)報(bào)大櫻桃的花期;尹文昱等[2]通過統(tǒng)計(jì)模式進(jìn)行大連地區(qū)大櫻桃始花期預(yù)報(bào),未見西安灞橋櫻桃花期預(yù)報(bào)研究方面的動(dòng)態(tài)與信息。本研究利用灞橋櫻桃、臨潼桃樹物候觀測資料和周邊國家站、區(qū)域站氣象資料,應(yīng)用相關(guān)分析法找出始花期的氣象影響指標(biāo),采用偏最小二乘回歸分析方法,建立西安灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型,以實(shí)現(xiàn)櫻桃花期有效預(yù)報(bào)及科學(xué)應(yīng)用。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料處理

1.1.1 資料來源

1)花期資料。使用2013—2020年西安市灞橋區(qū)席王街道辦事處毛西管區(qū)櫻桃始花期記錄資料,該地為灞橋櫻桃谷中心地帶,海拔高度510 m;使用2004—2020年西安市臨潼區(qū)秦陵街道辦事處磚房村桃樹始花期物候期觀測資料,該地為城鄉(xiāng)結(jié)合部的桃花園,海拔高度425 m。兩地相距20 km。

2)氣象資料。使用2004—2020年西安市藍(lán)田縣國家一般氣象站多要素氣象資料;使用西安市藍(lán)田縣華胥鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站氣溫、降水量氣象資料。兩地與灞橋區(qū)毛西管區(qū)櫻桃園直線距離分別為15、12 km,三地的海拔高度接近。

3)網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料。網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料源自國家氣象中心的網(wǎng)格預(yù)報(bào)服務(wù)平臺,最長預(yù)報(bào)時(shí)效為240 h,有氣溫、降水量等要素預(yù)報(bào)。經(jīng)過當(dāng)?shù)貧庀笈_解釋應(yīng)用后,完全能滿足灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型中所需預(yù)報(bào)資料的要求。

1.1.2 資料處理方法始花期日序數(shù):將1月1日日序數(shù)確定為1,開花日期轉(zhuǎn)化為日序數(shù)[15],如始花期為2020年3月21日的日序數(shù)為81。同理,≥界限溫度(0、3、5、10℃等)初日的日序數(shù)計(jì)算也用此方法。

櫻桃始花期數(shù)據(jù)序列:通過已有的灞橋櫻桃始花期與臨潼桃樹始花期資料,建立多項(xiàng)式回歸關(guān)系,延長櫻桃始花期的年份日序數(shù),得出新的櫻桃始花期年份日序數(shù)序列。在確定櫻桃始花期數(shù)據(jù)序列時(shí),使用實(shí)地櫻桃種植戶調(diào)查資料,對部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正。2004—2018年數(shù)據(jù)用于建立預(yù)測模型,2019—2020年數(shù)據(jù)不參與建模,用于預(yù)測模型檢驗(yàn)。

1.2 預(yù)報(bào)模型與檢驗(yàn)方法

采用偏最小二乘回歸分析方法建立灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型[16-18]。偏最小二乘回歸是一種較新型的多元因子數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法,可以較好地解決自變量之間的多重相關(guān)性問題。模型檢驗(yàn)時(shí)使用回代和預(yù)留年份比較法[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 櫻桃始花期變化特征分析

從數(shù)據(jù)資料來看,灞橋櫻桃始花期一般在3月25日,不同年份差異較大,最早的年份在3月20日(2014年)進(jìn)入始花期,最晚的年份在4月4日(2011年)才進(jìn)入始花期,二者相差15 d。2004—2020年灞橋櫻桃始花期日序數(shù)見圖1,由圖1可知,近17年灞橋櫻桃始花期變化有偏后的拋物線趨勢,有明顯的提早現(xiàn)象。偏度值和峰度值的計(jì)算表明,灞橋櫻桃始花期數(shù)據(jù)序列服從正態(tài)分布,故采取三分位法確定始花期偏早偏晚的指標(biāo)值,得到2004—2020年始花期遲早年型(表1)。從表1可以看出,花期偏晚及正常年份規(guī)律不明顯,而花期偏早年份明顯偏多且多出現(xiàn)在近年。

圖1 2004—2020年灞橋櫻桃始花期日序數(shù)

表1 灞橋櫻桃始花期遲早年型分布

2.2 櫻桃始花期預(yù)測模型的因子選擇

溫度、光照和水分是果樹重要的生存因子[20]。大田櫻桃是喜溫果樹,氣象因素中以溫度條件影響最大,各個(gè)生育期對溫度有不同要求[21]。大田櫻桃要求年均氣溫7~14℃,當(dāng)日均氣溫10℃左右時(shí),花芽開始萌動(dòng),日均氣溫15℃左右開始開花[22]。因此,在選取30多個(gè)氣象因子時(shí),主要側(cè)重于選取不同時(shí)段平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫及各界限溫度(0、3、5、10℃等)[23]初日等因子。運(yùn)用相關(guān)分析法分析灞橋櫻桃始花期與所選氣象因素之間的相關(guān)性,選取相關(guān)性較高的氣象因子。

1)冬季氣溫。通過對2004—2018年灞橋櫻桃始花期與冬季(12月至翌年2月)平均氣溫進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)櫻桃始花期與冬季氣溫之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.493 8,P<0.05。r為相關(guān)系數(shù),P為達(dá)到檢驗(yàn)顯著性水平的值,下同),即冬季氣溫越低,春季櫻桃始花期越晚。冬季氣溫異??捎美涠蚺硎?,因此,進(jìn)一步依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[24,25],得到冷冬年和暖冬年,通過分析冬季冷、暖年可以對春季櫻桃始花期早晚進(jìn)行定性預(yù)報(bào),暖冬年櫻桃始花期為正?;蚱?,冷冬年櫻桃始花期為正常或偏晚。

2)≥5℃初日。界限溫度是標(biāo)志某些重要物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動(dòng)開始終止的溫度,其中≥5℃初日預(yù)示著早春作物播種、喜溫作物以及多數(shù)樹木開始生長[26]。灞橋櫻桃≥5℃初日年變化幅度較大,5 d平均氣溫達(dá)到5℃,櫻桃花芽開始發(fā)育,其初日出現(xiàn)的早晚反映了初春的熱量條件,影響櫻桃開花的早晚。灞橋櫻桃環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)顯示,≥5℃初日平均為3月6日,最早出現(xiàn)在2013年2月21日,最晚出現(xiàn)在2006年3月16日。相關(guān)分析表明,灞橋櫻桃始花期與≥5℃初日日序數(shù)之間為顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.544 4,P<0.05),即≥5℃初日早或晚直接影響花期的早或晚。

3)春季氣溫。春季大氣和地面溫度回升,當(dāng)達(dá)到櫻桃花開的溫度條件時(shí)櫻桃花開放。若此時(shí)遭遇倒春寒天氣,會(huì)對櫻桃花芽造成傷害。日均溫<12℃會(huì)影響櫻桃開花授粉,日極端最低溫<0℃時(shí),櫻桃花柱頭會(huì)有凍害發(fā)生[21]。對灞橋櫻桃始花期與2—3月不同時(shí)段平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫進(jìn)行相關(guān)分析,得到櫻桃始花期與春季氣溫(以3月上中旬平均氣溫為代表)存在較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.489 8,P<0.05),即春季氣溫偏高、偏低時(shí),櫻桃花期偏早、偏晚。

2.3 模型的建立與檢驗(yàn)

2.3.1 模型構(gòu)建應(yīng)用灞橋櫻桃2004—2018年始花期和冬季氣溫(12月至翌年2月平均氣溫)、≥5℃初日日序數(shù)和春季氣溫(3月上中旬平均氣溫)統(tǒng)計(jì)資料,采用偏最小二乘回歸分析方法,建立灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型。

式中,Y為櫻桃始花期,X1為冬季氣溫(12月至翌年2月平均氣溫),X2為≥5℃初日日序數(shù),X3為春季氣溫(3月上中旬平均氣溫)。

在上述模型中,統(tǒng)計(jì)量F=4.76,當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí),F(xiàn)0.05(3,11)=3.59,F(xiàn)>F0.05,因此認(rèn)為,模型在α=0.05水平上具有顯著性[27],建模可行。

2.3.2 回代檢驗(yàn)用灞橋櫻桃始花期日序數(shù)的觀測和擬合序列值繪制效果圖(圖2),由圖2可以看出,所有點(diǎn)都能在圖的趨勢線附近均勻分布,模型的觀測值與擬合值差異較小,呈現(xiàn)較好的擬合效果。

圖2 灞橋櫻桃始花期預(yù)測效果

2.3.3 模型檢驗(yàn)對2019、2020年灞橋櫻桃始花期進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見表2。由表2可知,模型基本預(yù)測出當(dāng)年灞橋櫻桃始花期的出現(xiàn)時(shí)間,預(yù)報(bào)誤差在3 d之內(nèi)。

表2 灞橋2019、2020年櫻桃始花期預(yù)測結(jié)果

3 小結(jié)與討論

通過創(chuàng)建灞橋櫻桃物候觀測及周圍環(huán)境氣象數(shù)據(jù)庫,對灞橋櫻桃始花期進(jìn)行系統(tǒng)分析、預(yù)測建模及檢驗(yàn),得出以下結(jié)論。

1)采用已有的灞橋櫻桃始花期與臨潼桃花始花期資料,建立多項(xiàng)式回歸關(guān)系,延長櫻桃始花期的年份日序數(shù),得出新的櫻桃始花期年份日序數(shù)序列,分析顯示,2004—2020年灞橋櫻桃始花期變化有偏后的拋物線趨勢,為明顯的提早現(xiàn)象。

2)選取諸多灞橋櫻桃周圍環(huán)境氣象因子,利用相關(guān)分析法,分析灞橋櫻桃始花期與所選氣象因素之間的相關(guān)性,篩選出冬季氣溫、≥5℃初日、春季氣溫3個(gè)氣象因子。結(jié)果表明,冬季氣溫、春季氣溫與灞橋櫻桃始花期呈較大的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即氣溫偏高、偏低時(shí),花期偏早、偏晚;≥5℃初日與灞橋櫻桃始花期呈較大的正相關(guān)關(guān)系,≥5℃初日偏早、偏晚時(shí),花期偏早、偏晚。

3)應(yīng)用偏最小二乘回歸分析方法建立灞橋櫻桃始花期預(yù)測模型,通過回代及預(yù)測檢驗(yàn),誤差在3 d以內(nèi),預(yù)測效果較為理想。此模型應(yīng)用灞橋櫻桃前期的氣象因子資料,結(jié)合后期的網(wǎng)格預(yù)報(bào)資料,可以較好地預(yù)測灞橋櫻桃始花期,其實(shí)用性、簡捷性較強(qiáng)。

本研究所用資料年代僅有較短的17年,雖然所用氣象資料站址離櫻桃物候觀測地很近,但仍有距離,故分析及結(jié)論還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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