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基于主成分分析的上海水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)與應(yīng)用

2023-09-14 01:45高慧莉金鳳雷林雪君包吉蕾
關(guān)鍵詞:梨果水晶氣候

張 皓,高慧莉,金鳳雷,林雪君,包吉蕾,邵 晨,馬 琳

(1 上海市松江區(qū)氣象局,上海 201620;2 上海市生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心,上海 200030;3 上海市梨研究所,上海 201699)

中國梨果栽培的歷史悠久,據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)顯示,中國是世界排名第一的產(chǎn)梨大國,梨果的總產(chǎn)量居于我國水果生產(chǎn)的第三位,僅次于蘋果和柑橘,梨果產(chǎn)業(yè)已成為支撐其主要產(chǎn)地的農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)收入的主要來源[1]。 我國南方地區(qū)是砂梨主產(chǎn)區(qū),其中水晶梨是早熟砂梨的代表性梨種[2],上海市松江、奉賢、崇明等區(qū)均有種植。 隨著人民生活水平不斷提高,消費(fèi)者對鮮食梨產(chǎn)品的需求逐漸從對量的滿足轉(zhuǎn)向?qū)|(zhì)的追求,因而梨果品質(zhì)的優(yōu)劣將成為今后一段時(shí)期內(nèi)制約梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展和果農(nóng)增收的限制因素。

梨果的品質(zhì)不僅與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥取⒑0胃叨扔嘘P(guān),還與品種特性、土壤屬性及栽培管理措施密不可分,同時(shí)又受到氣候條件的制約。 對于特定的區(qū)域而言,種植的梨樹品種、地理地形要素、土壤性質(zhì)基本不變的前提下,不同年份間梨果品質(zhì)的差異主要受年際間氣候條件波動(dòng)的影響[3]。 趙俊芳等[4]研究表明作物品質(zhì)形成是品種遺傳特性和環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果,在一定遺傳基礎(chǔ)上,環(huán)境因子的作用至關(guān)重要。 因此,合理開展梨產(chǎn)品氣候品質(zhì)研究和評價(jià)日益受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和決策部門的重視。

農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價(jià)是指對影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的天氣氣候條件的優(yōu)劣所作的評定[5]。 針對年際間氣象條件的差異對農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)進(jìn)行客觀評價(jià),是增加農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)附加值的有效途徑之一[6]。 近年來,氣象部門針對各地特色農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評價(jià)開展了大量的研究工作,逐步推出針對優(yōu)質(zhì)茶葉[5]、水稻[7-8]、蘋果[9-10]、蜜桃[11]、臍橙[3,12]等的氣候品質(zhì)評價(jià)服務(wù),有效提升了區(qū)域特色農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力。 上海農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價(jià)工作起步較晚,2018 年松江區(qū)氣象局針對‘松早香1 號’品種大米發(fā)布了上海首份農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價(jià)報(bào)告[13],并建立相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)[14]。 本研究在大米氣候品質(zhì)評價(jià)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,圍繞水晶梨生產(chǎn)實(shí)際,基于主成分分析方法創(chuàng)新性提出綜合氣候品質(zhì)指數(shù)的概念,篩選影響水晶梨品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子,建立水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)方法,并在一定區(qū)域內(nèi)開展服務(wù)應(yīng)用,助力上海水晶梨產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效,促進(jìn)果農(nóng)增收。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

松江倉橋水晶梨生產(chǎn)基地是上海市重要的梨果產(chǎn)地之一,梨樹種植面積約30 hm2。 倉橋鎮(zhèn)位于上海市西南部,黃浦江上游,是擁有數(shù)千年歷史的江南水鄉(xiāng)。 該地地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,四季分明,全年無霜期282 d,常年平均氣溫16.9 ℃,降水量1 209.9 mm,日照時(shí)數(shù)1 785.5 h。 全年一級空氣質(zhì)量280 d 以上,水質(zhì)量達(dá)到國家二級地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),土壤為由湖河沉積而形成的弱酸性“青紫泥”,得天獨(dú)厚的氣候資源和環(huán)境優(yōu)勢造就了水晶梨的良好品質(zhì)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 梨果品質(zhì)數(shù)據(jù)

‘翠冠’梨(Pyrus pyrifoliaCuiguan)屬薔薇科(Rosaceae)梨屬(PyrusL.),是浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所選育出的早熟砂梨品種[15-16]。 2021 年,‘翠冠’梨占上海市水晶梨栽培總面積的近85%。 選取由倉橋水晶梨發(fā)展有限公司2011—2022 年生產(chǎn)的‘翠冠’品種水晶梨產(chǎn)品,并委托第三方機(jī)構(gòu)檢定的梨品質(zhì)生化指標(biāo),主要包括單果重、可溶性固形物、硬度、橫縱徑和總酸等。 其中總酸和可溶性固形物的測定嚴(yán)格參照GB∕T 12456—2008 和NY∕T 2637—2014 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)包括與梨果品質(zhì)數(shù)據(jù)同時(shí)期的逐日平均氣溫(Tave)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、降水量(P)、相對濕度(Rh)和日照時(shí)數(shù)(Sd)等數(shù)據(jù),其中日照時(shí)數(shù)來源于松江國家氣象觀測站,其他要素來源于松江區(qū)倉橋鎮(zhèn)DZZ4 型4 要素區(qū)域自動(dòng)氣象站。

1.3 研究方法

1.3.1 水晶梨綜合氣候品質(zhì)參量的確定

水晶梨的品質(zhì)是由品種特性、氣候環(huán)境、土壤屬性和管理措施等多方面因素綜合作用的結(jié)果。 考慮到水晶梨是以鮮食為主的初級農(nóng)產(chǎn)品,根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的實(shí)踐和消費(fèi)者最易判斷等原則進(jìn)行篩選,確定將平均單果重、最大單果重、可溶性固形物和橫徑4 個(gè)與氣象條件密切相關(guān)的品質(zhì)要素,作為水晶梨氣候品質(zhì)的代表因子。 其中單果重和橫徑主要表征果實(shí)的外觀品質(zhì),可溶性固形物作為地理標(biāo)志產(chǎn)品的固有特性之一,反映果實(shí)含糖量的高低,是水晶梨內(nèi)在品質(zhì)的重要表征。

為避免各氣候品質(zhì)因子年際間變化趨勢不一,便于衡量不同年份氣候品質(zhì)的優(yōu)劣,采用主成分分析法[17],對選取的品質(zhì)因子進(jìn)行降維簡化,消除各品質(zhì)因素之間的相關(guān)性,得到水晶梨綜合氣候品質(zhì)的表征參量,即綜合氣候品質(zhì)指數(shù)V=f(平均單果重、最大單果重、可溶性固形物、橫徑)。

為了消除量綱的影響,對4 個(gè)品質(zhì)因子的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

式中:yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的值分別為第j個(gè)品質(zhì)因子第i年測定的實(shí)際值和所有數(shù)據(jù)樣本中的最大值。j=1,2,3,4,代表4 個(gè)品質(zhì)因子。

主成分分析時(shí),確定主成分個(gè)數(shù)的原則為:當(dāng)?shù)? 個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率≥90%時(shí),可用第1 個(gè)主成分代表原來4 個(gè)品質(zhì)因子標(biāo)準(zhǔn)化后的綜合影響,即:

式中:a1,a2,a3,a4分別為主成分分析得到的第一主成分的第一特征值所對應(yīng)的向量元素。 本研究使用2011—2020 年的品質(zhì)測定數(shù)據(jù)用于建模,故i=1,2,3,4,…,10,即2011—2020 年。

當(dāng)前L個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率≥90%時(shí),V取每個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占變量總方差的比例作為權(quán)重進(jìn)行累加計(jì)算,以此作為原有4 個(gè)品質(zhì)因子的綜合氣候品質(zhì)指數(shù)(V):

式中:λj為第j個(gè)主分量所對應(yīng)的特征值,j=1,2,3,…,L,L為累計(jì)方差貢獻(xiàn)率≥90%時(shí)的主成分個(gè)數(shù)。

1.3.2 水晶梨氣候品質(zhì)等級劃分

氣候品質(zhì)等級劃分,是指對水晶梨綜合氣候品質(zhì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行區(qū)段分割,確定每個(gè)區(qū)段的閾值并賦予相應(yīng)的級別,以區(qū)分不同年份梨果氣候品質(zhì)的優(yōu)劣。 采用有序樣本最優(yōu)聚類法[18],利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件DPS(Data processing system),將式(2)或式(3)計(jì)算所得的水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)劃分為4 個(gè)等級,分別賦值1、2、3、4,對應(yīng)“特優(yōu)”“優(yōu)”“良”“一般”4 個(gè)等級。 聽取水晶梨生產(chǎn)和栽培專家對2011—2020 年逐年氣候品質(zhì)分級結(jié)果的意見,綜合確定水晶梨氣候品質(zhì)指數(shù)等級閾值。

1.3.3 水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)模型構(gòu)建

參考梨果品質(zhì)與氣象因子相互關(guān)系方面的研究成果[19-23],結(jié)合水晶梨栽培專家的經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)考察光、溫、水3 個(gè)基本要素與綜合氣候品質(zhì)指數(shù)之間的相關(guān)性,篩選相關(guān)程度高且通過顯著性檢驗(yàn)的敏感氣象因子,以SPSS 19.0 為工具,采用逐步回歸方法建立氣象因子與水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)(V)的回歸方程,即水晶梨綜合氣候品質(zhì)評價(jià)模型。 分別利用2011—2020 年和2021—2022 年的觀測資料對評價(jià)模型進(jìn)行回代檢驗(yàn)和外延檢驗(yàn),以驗(yàn)證模型的可用性。 外延檢驗(yàn)中對新數(shù)據(jù)序列的要素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí),若yij>1,即新數(shù)據(jù)大于原有數(shù)據(jù)樣本序列的最大值時(shí),取yij=1。

2 結(jié)果與分析

2.1 水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)

對2011—2020 年水晶梨的品質(zhì)測定數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,采用主成分分析方法,得到4 個(gè)主成分相應(yīng)的特征值與累計(jì)方差貢獻(xiàn)率(表1)。 可見,前2 個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為93.884%,超過90%的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),故選擇前2 個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占變量總方差的比例作為權(quán)重系數(shù)(表2),利用式(2)得到2 個(gè)新參量,可表示為:

表1 各主成分的特征值及其方差與累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Table 1 Eigenvalue and cumulative variance contribution rates for each principal component

表2 各主成分對應(yīng)的水晶梨品質(zhì)因子系數(shù)矩陣Table 2 Coefficient matrix for quality factor of crystal pear corresponding to each principal component

再根據(jù)(3)式,取L=2,進(jìn)而得到表征水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)(V)的表達(dá)式:

各主成分的系數(shù)矩陣(表2)反映了2 個(gè)新變量與原有各品質(zhì)因子之間的相關(guān)性,如表可見第1 主成分與果重、橫徑的相關(guān)性較高,主要反映果實(shí)的大小,代表水晶梨的外觀品質(zhì);第2 主成分與可溶性固形物的相關(guān)性較高,主要反映果實(shí)的含糖量高低,代表水晶梨的食味品質(zhì)。

2.2 水晶梨氣候品質(zhì)等級劃分

結(jié)合水晶梨品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)及式(5)對2011—2020 年逐年綜合氣候品質(zhì)指數(shù)(V)進(jìn)行回算,采用有序樣本最優(yōu)聚類方法,確定綜合氣候品質(zhì)指數(shù)等級的劃分區(qū)間和分段閾值指標(biāo),以及各年氣候品質(zhì)等級的分布情況(表3)。 在近10 年評價(jià)結(jié)果中,2012 年和2014 年水晶梨氣候品質(zhì)等級為“特優(yōu)”“優(yōu)”“良”的等級各有3 年,2016 年和2020 年等級相對較低,評定為“一般”。

表3 2011—2020 年水晶梨氣候品質(zhì)指數(shù)的分級指標(biāo)和等級劃分Table 3 Grading index and the climatic quality levels of crystal pear from 2011—2020

以各等級出現(xiàn)的年數(shù)占總年數(shù)的比例作為縱坐標(biāo),各等級的賦值(“1,2,3,4”)作為橫坐標(biāo),繪制水晶梨氣候品質(zhì)等級頻率分布圖(圖1)。 以SPSS 19.0 軟件為工具,采用峰度、偏度法[24]對綜合氣候品質(zhì)指數(shù)各等級頻率分布進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),其峰度和偏度系數(shù)分別為-0.44 和0.79(P<0.05),數(shù)據(jù)序列滿足正態(tài)分布,表明水晶梨氣候品質(zhì)等級的劃分是較為客觀的。

圖1 2011—2020 年水晶梨氣候品質(zhì)各等級頻率分布Fig.1 Grade frequency of climatic quality of crystal pear from 2011—2020

2.3 影響水晶梨綜合氣候品質(zhì)的敏感氣象因子

選擇2011—2020 年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)中平均氣溫(Tave)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、氣溫日較差(Tdr)、降水量(P)、雨日(Rd)、相對濕度(Rh)和日照時(shí)數(shù)(Sd)共8 個(gè)氣象統(tǒng)計(jì)量,以旬為基本時(shí)間單元,從梨樹花芽復(fù)蘇萌動(dòng)期(3 月上旬)開始,逐年滾動(dòng)統(tǒng)計(jì)每1—6 旬的各氣象統(tǒng)計(jì)量,直到成熟采摘期(7 月下旬)為止,共計(jì)75 個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段(圖2)。 同時(shí),構(gòu)建從果實(shí)初次膨大期至成熟期(4—7 月)累計(jì)降水量的訂正指數(shù)(降水指數(shù)),可由式(6)表示:

圖2 氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段Fig.2 Diagram of meteorological data statistical period

式中:PI為4—7 月的降水指數(shù),R4—7為4—7 月累計(jì)降水量(mm)。

采取相關(guān)分析法,普查2011—2020 年水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)(V)與各時(shí)段氣象統(tǒng)計(jì)指標(biāo)之間的相關(guān)程度,初步選定17 個(gè)氣象統(tǒng)計(jì)指標(biāo)供逐步回歸方法建立氣候品質(zhì)評價(jià)模型使用(表4)。

表4 影響水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)的敏感氣象因子Table 4 Sensitive meteorological factors affecting climatic quality index of crystal pear

如表4 可見,入選的各氣象因子中,與相對濕度有關(guān)的因子有3 個(gè),與日照時(shí)數(shù)有關(guān)的因子有4 個(gè),與降水有關(guān)(降水量、降水日數(shù)、降水指數(shù))的因子有5 個(gè),與氣溫有關(guān)的因子(含氣溫日較差)有5 個(gè)。 從影響時(shí)段上看,分布在5 月上旬果肉細(xì)胞分裂后期至成熟期的氣象因子有14 個(gè),這說明在果實(shí)種子基本成熟后,果肉細(xì)胞進(jìn)行組織分化并進(jìn)入二次膨大期間的氣象條件對梨果氣候品質(zhì)的形成至關(guān)重要。

從相關(guān)性性質(zhì)來看,水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)與日照時(shí)數(shù)、氣溫日較差因子均呈正相關(guān),與空氣濕度、降水量(降水日數(shù)、降水指數(shù))和極端氣溫等因子均成負(fù)相關(guān)。 表明日照時(shí)數(shù)較多,晝夜溫差較大對水晶梨氣候品質(zhì)形成有利;而降水量和降水日數(shù)較多,空氣濕度較大以及極端的氣溫,則會制約水晶梨氣候品質(zhì)的提升。

從相關(guān)程度來看,5 個(gè)和降水有關(guān)的因子與綜合氣候品質(zhì)指數(shù)的相關(guān)程度較高,特別是5 月下旬—6月上旬的降水量、4 月上旬—7 月下旬的降水指數(shù)以及5 月上旬、5 月下旬—7 月中旬的降水日數(shù)4 個(gè)因子均通過1%的顯著性檢驗(yàn),這說明降水條件對水晶梨綜合氣候品質(zhì)的提升起到明顯的抑制作用。 降水因子的影響時(shí)段主要從5 月上旬直至7 月上旬,涵蓋從果實(shí)初次膨大期后期至二次膨大期結(jié)束。 結(jié)合水晶梨的生長發(fā)育過程,這一階段果肉細(xì)胞分裂趨于停止,細(xì)胞數(shù)量趨于穩(wěn)定,果實(shí)縱徑基本確定,種子發(fā)育逐漸成熟,果實(shí)生長主要依靠果肉細(xì)胞體積膨大及細(xì)胞間隙的擴(kuò)大,橫徑不斷增加。 分析認(rèn)為,這一時(shí)期上海正值汛前向梅汛期過渡,降水量逐漸增多,過多的降水量和降水日數(shù)必然會造成光照不足,進(jìn)而影響光合效率及光合產(chǎn)物向梨果實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn),不利于果肉細(xì)胞增大和糖分積累等所需要的養(yǎng)分合成,進(jìn)而造成果實(shí)氣候品質(zhì)下降。 王榮英等[25]的研究也認(rèn)為桃樹果實(shí)迅速膨大期間多陰雨天氣會降低果品品質(zhì)。 由式(6)可見,從幼果初次膨大到成熟期間的累計(jì)降水量對梨果氣候品質(zhì)的影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面,降水量在550 mm 以下時(shí),降水越多對水晶梨氣候品質(zhì)的形成越有利,當(dāng)超過550 mm,降水越多越不利于水晶梨氣候品質(zhì)指數(shù)的提升。

相關(guān)程度次之的是氣溫方面的5 個(gè)因子,其中氣溫日較差均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系,氣溫極值均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。 3 月上中旬正值梨花花芽萌發(fā)期,由于水晶梨屬于典型的落葉果樹,冬季自然休眠后需要一定的低溫量才能解除休眠,正常開花結(jié)果[26],而此時(shí)較低的氣溫有助于梨樹復(fù)蘇和花芽萌發(fā),對梨果氣候品質(zhì)形成具有積極意義。 5 月上旬和5 月下旬—7 月上旬分別為果肉細(xì)胞快速分裂后期和梨果二次膨大期,這期間氣溫日較差大既有利于碳水化合物的合成,減少呼吸消耗,加速果實(shí)生長膨大和淀粉積累,又有助于果實(shí)中的淀粉向糖分的迅速轉(zhuǎn)化,促進(jìn)糖分的合成和固定。 這與一些學(xué)者[3,6,19,23,27]研究氣象條件與果實(shí)糖分積累的影響結(jié)論一致。 6 月下旬正值為梨果迅速膨大期,較低的夜間氣溫有助于降低植株體的呼吸消耗,促使日間積累的光合產(chǎn)物更多地向糖分轉(zhuǎn)化,對梨果氣候品質(zhì)提升有利。 5 月中旬—6 月下旬常常與上海的梅雨季相遇,此時(shí)較高的氣溫往往伴隨著高濕的環(huán)境容易誘發(fā)病蟲害,不利于果實(shí)增重和品質(zhì)形成。

相對濕度方面的3 個(gè)因子與綜合氣候品質(zhì)指數(shù)之間的相關(guān)程度弱于降水和氣溫,3 月下旬—4 月上旬正值水晶梨初花期和落花坐果期,段曉鳳等[19]指出開花期與幼果期主要是決定果肉細(xì)胞數(shù)目的關(guān)鍵時(shí)期。 梨樹開花和授粉最有利的天氣條件是晴朗且無持續(xù)陰雨,無風(fēng)或微風(fēng)[28]。 此時(shí)空氣濕度過高往往伴隨持續(xù)的時(shí)陰時(shí)雨天氣,造成花朵柱頭分泌物的減少,影響花粉的黏著和發(fā)芽以及授粉效率,不利于提高坐果率。 胡春麗等[6]認(rèn)為南果梨開花期持續(xù)陰雨天氣對梨樹開花和授粉均有一定影響。 5 月上旬至7 月上旬正值果實(shí)初次膨大后期和二次膨大期,果肉細(xì)胞膨大和細(xì)胞間隙擴(kuò)大需要充足的養(yǎng)分供應(yīng),此時(shí)空氣濕度過大在一定程度上會阻礙梨樹接收的太陽輻射,造成葉片光合作用效率降低和光合產(chǎn)物的供給不足[21],繼而影響果實(shí)橫徑及單果重,不利于果品綜合氣候品質(zhì)的提升。

日照時(shí)數(shù)方面的4 個(gè)因子與綜合氣候品質(zhì)指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,表明本地日照時(shí)數(shù)增加對氣候品質(zhì)的提升具有積極作用。 3 月下旬—4 月上旬期間充足的日照時(shí)數(shù)有利于梨樹開花和授粉,促進(jìn)果肉細(xì)胞數(shù)量的增加,提高坐果率,并為大果的形成創(chuàng)造良好的條件。 5 月上旬和7 月上旬分別對應(yīng)果肉細(xì)胞數(shù)量形成后期和梨果二次膨大期,此時(shí)充足的光照條件是梨果果心部分細(xì)胞分裂增殖以及果實(shí)增大、重量增加和糖分積累的重要基礎(chǔ)。 HIROSHI 等[29]的研究表明由于光照不足,光合作用減弱,光合作用合成的產(chǎn)物——可溶性糖含量減少,而呼吸作用的增強(qiáng)加劇了果實(shí)中可溶性糖含量的下降。

2.4 水晶梨綜合氣候品質(zhì)評價(jià)模型

結(jié)合表4 初選的敏感氣象因子和式(5)的綜合氣候品質(zhì)指數(shù)表達(dá)式,建立水晶梨綜合氣候品質(zhì)評價(jià)回歸模型:

利用2011—2020 年和2021—2022 年的氣象數(shù)據(jù),結(jié)合式(7)對近10 年水晶梨綜合氣候品質(zhì)指數(shù)分別進(jìn)行回代檢驗(yàn)(圖3)和外延檢驗(yàn)(表5)。 回代檢驗(yàn)表明,氣候品質(zhì)評價(jià)模型展現(xiàn)了良好的評價(jià)能力,綜合氣候品質(zhì)指數(shù)的模擬值和實(shí)際值具有很好的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)R大于0.99,歸一化均方根誤差僅為0.588。 同時(shí),近10 年間綜合氣候品質(zhì)指數(shù)模擬值和實(shí)際值變化曲線基本吻合,極值年份和有較大波動(dòng)的年份都均能較好地反映實(shí)際情況。 2021 年和2022 年外延檢驗(yàn)結(jié)果可見,模型的準(zhǔn)確率均在98%以上,表明所建立的回歸方程適用于評價(jià)水晶梨的綜合氣候品質(zhì)。

圖3 2011—2020 年水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)模型回代檢驗(yàn)Fig.3 Calibration results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 2011—2020

表5 2021—2022 年水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)模型的驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Validation results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 2021—2022

2.5 水晶梨綜合氣候品質(zhì)評價(jià)模型的應(yīng)用

一直以來,上海市松江區(qū)氣象局積極對接水晶梨種植企業(yè)和農(nóng)業(yè)大戶,尋找水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)服務(wù)的切入點(diǎn),推進(jìn)科技成果向服務(wù)應(yīng)用端延伸。 通過開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價(jià)微信小程序,實(shí)現(xiàn)氣候品質(zhì)評價(jià)結(jié)果在手機(jī)等移動(dòng)端的信息查閱。 2021 年起,水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)服務(wù)逐步推向市場,消費(fèi)者通過掃描梨產(chǎn)品外包裝上的二維碼,即可獲取當(dāng)年梨樹生長期間氣象條件適宜度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施、農(nóng)業(yè)氣候溯源信息和水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)結(jié)果。 此舉既有助于松江農(nóng)產(chǎn)品品牌建設(shè),又進(jìn)一步拓展了氣候品質(zhì)評價(jià)服務(wù)的社會影響力,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)和社會效益雙豐收。

3 結(jié)論與討論

本研究從氣候品質(zhì)的概念出發(fā),采用主成分分析法,綜合水晶梨外觀和內(nèi)在品質(zhì)方面的4 個(gè)檢測要素,構(gòu)建表征水晶梨綜合品質(zhì)的參量——綜合氣候品質(zhì)指數(shù)。 結(jié)合同期觀測的氣象數(shù)據(jù),篩選影響氣候品質(zhì)的敏感氣象因子,采用逐步回歸法建立水晶梨氣候品質(zhì)評價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)基于氣象數(shù)據(jù)的水晶梨氣候品質(zhì)的量化評估。 2011—2020 年水晶梨年際間氣候品質(zhì)等級率定結(jié)果表明,各等級出現(xiàn)頻率服從正態(tài)分布。 經(jīng)與水晶梨生產(chǎn)和栽培專家探討,評價(jià)方法較為客觀地反映了近年來氣候條件對水晶梨果品品質(zhì)的影響,評價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符。

梨果品質(zhì)往往是多種因素綜合作用的結(jié)果,單一的要素檢定結(jié)果僅能從某個(gè)側(cè)面反映果品的品質(zhì)特征,而綜合相關(guān)文獻(xiàn)表明氣候品質(zhì)評價(jià)研究同樣具有一定的地域性和應(yīng)用限制。 特定區(qū)域和品種的農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價(jià)方法的建立與考慮的品質(zhì)性狀數(shù)量、資料年限長短及是否涵蓋極端災(zāi)害年份的影響等密切相關(guān)。 本研究僅從果實(shí)尺寸、重量和含糖量三方面出發(fā),并未考慮不同等級的出果率、果實(shí)外觀色澤、香氣等品質(zhì)因素,同時(shí)如何在氣候品質(zhì)評價(jià)模型中引入高溫灼曬、冰雹、淹水等氣象災(zāi)害因子對果品品質(zhì)的影響,以及綜合氣候品質(zhì)評價(jià)指數(shù)中如何剔除土壤和管理措施等非氣象因子的影響,也是今后的研究需要逐步解決的問題。

相關(guān)分析結(jié)果表明,初選的溫度因子除氣溫日較差外,均與綜合氣候品質(zhì)指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與現(xiàn)有研究的結(jié)果[30-31]存在一定差異。 分析認(rèn)為,初選的氣溫因子為梨花花芽萌發(fā)期及果肉細(xì)胞緩慢分裂期至二次膨大期間的最高氣溫和最低氣溫,而非平均氣溫,反映的是氣溫極值對水晶梨氣候品質(zhì)的影響?;ㄇ暗蜏赜兄诶鏄浣獬菝?正常開花結(jié)果。 果實(shí)膨大期間日間高溫災(zāi)害會灼傷葉面和果實(shí)表皮,不利于光合產(chǎn)物合成[20],而日間高溫和夜間最低氣溫偏高都會增加呼吸消耗[19],影響凈光合產(chǎn)物的積累和糖分轉(zhuǎn)化。 此外,本研究涉及的氣象因子為旬或跨旬尺度,以降低不同年份間梨樹生育期細(xì)微差異的影響,而如何在評價(jià)方法中引入非旬尺度的氣象和非氣象因子,也是下一步工作需要考慮的因素。

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