庫爾勒香梨盛花期預(yù)報模型初探

張 倩，李新建，吉春容，吳新國

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆烏魯木齊830002；3.中國氣象局沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；4.庫爾勒市氣象局，新疆庫爾勒841000）

庫爾勒香梨是新疆名、特、優(yōu)水果之一，它以香味濃郁、皮薄酥脆、汁多味甘、清爽可口等特點(diǎn)深受人們的喜愛，在國際市場上素有“中華蜜梨、梨中珍品”等美稱，具有極高的經(jīng)濟(jì)價值。經(jīng)過近10 a的跨越式發(fā)展，香梨種植業(yè)已經(jīng)成為巴州地區(qū)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收以及出口創(chuàng)匯的主要渠道。

物候的季節(jié)變化特征反映了過去一段時間為氣候條件的積累對作物生長、發(fā)育的綜合影響[1-2]。花期是植物發(fā)育過程中一個重要的物候期，是植物從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。盛花期是香梨授粉、受精的關(guān)鍵時期，準(zhǔn)確的盛花期預(yù)報，可以指導(dǎo)農(nóng)戶及早加強(qiáng)花期的管理以及適時采取人工輔助授粉或蜜蜂傳粉措施，以提高香梨坐果率和香梨品質(zhì)。目前，對于庫爾勒香梨花期的預(yù)報已有一些研究。李曉川等[4-5]分別采用基于matlab語言的偏最小二乘回歸分析法和自適應(yīng)模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)（ANFIS）構(gòu)建了庫爾勒香梨始花期的預(yù)測模型，認(rèn)為影響庫爾勒香梨開花早晚的主要?dú)庀笠蜃訛槭蓟ㄇ捌诘臍鉁?、地溫和日照?/p>

本研究擬選用庫爾勒市近32 a香梨物候觀測資料和氣象資料，應(yīng)用相關(guān)分析找出影響香梨盛花期的關(guān)鍵氣象指標(biāo)，采用多元線性逐步回歸法，建立庫爾勒香梨盛花期預(yù)報模型，旨在為香梨花期預(yù)報提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

庫爾勒市地處亞歐大陸腹心地區(qū)，北為南天山中段支脈霍拉山，南為塔里木盆地內(nèi)的世界第2大沙漠——塔克拉瑪干大沙漠，孔雀河流域上中游。屬于中溫帶大陸性干燥氣候，年平均氣溫11.7℃，年平均日照時數(shù)2 854.0 h，年平均降水量57.4 mm，年平均蒸發(fā)量2 714.7 mm，全年盛行東北風(fēng)。

1.2 資料處理

庫爾勒香梨物候資料為庫爾勒市氣象局提供的1981—2012年共32 a的資料，氣象數(shù)據(jù)為庫爾勒市氣象局同期不同時段的氣溫、日照等地面觀測資料。

庫爾勒香梨盛花期是指全樹半數(shù)以上花序的花瓣開放[6]。將各年香梨盛花日期轉(zhuǎn)換為日序數(shù)（從每年1月1日起記為1，2月1日記為32，……，依此類推），從而得到32 a香梨盛花期的時間序列。經(jīng)統(tǒng)計，庫爾勒市香梨近32 a平均盛花期日序數(shù)為99.8，對應(yīng)日期平年為4月10日，閏年為4月9日。最早盛花日期為4月2日（1997年），最遲為4月20日（1996年），變幅長達(dá)18 d。

其中，1981—2007年共27 a資料用于香梨盛花期的模型建立，2008—2012年的資料用于模型的預(yù)報檢驗。采用相關(guān)分析法分析香梨盛花期與氣溫、日照等氣象因子的相關(guān)性，利用逐步回歸分析法找出對盛花期早晚有顯著作用的關(guān)鍵氣象因子，建立預(yù)報模型。模型驗證時應(yīng)用回代和預(yù)報2種方法。

1.3 建模方法

采用逐步回歸分析法建立香梨盛花期預(yù)測模型。在自變量比較多而且有的因素對因變量的影響不大，并且自變量之間有種種互作關(guān)系時，通常選用逐步回歸分析法進(jìn)行自變量的篩選。

在建立多元回歸方程的過程中，按偏相關(guān)系數(shù)的大小次序?qū)⒆宰兞恐饌€引入方程，對引入方程中的每個自變量偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，效應(yīng)顯著的自變量留在回歸方程內(nèi)，循此繼續(xù)遴選下一個自變量。如果效應(yīng)不顯著，停止引入新自變量。由于新自變量的引入，原已引入方程中的自變量由于變量之間的相互作用其效應(yīng)有可能變得不顯著，經(jīng)統(tǒng)計檢驗確證后要隨時從方程中剔除，只保留效應(yīng)顯著的自變量。直至不再引入和剔除自變量為止，從而得到最優(yōu)的回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響香梨盛花期的氣象因子分析

溫度、光照和水是植物重要的生存因子[7]。據(jù)研究，影響香梨開花的主要環(huán)境因素是溫度[8]，香梨根系一般在5℃以上時開始活動，7～8℃時新根開始生長，花芽發(fā)育的臨界溫度為8～10℃，開花始期要求溫度在10℃以上，影響花期的主要溫度與開花前一個月內(nèi)10℃以上的積溫有關(guān)[9]。日照時數(shù)是表征一個地區(qū)光照條件優(yōu)劣和熱量大小的重要指標(biāo)[10]，香梨是喜光植物，良好的光照條件能使香梨樹體生長健壯、花芽分化良好。南疆屬于干旱地區(qū)，年降水量僅為0～30 mm，香梨所需水分主要靠灌溉補(bǔ)給[5]。因此在氣象因子選取上，主要傾向于選取3月至始花期之間不同階段的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、合計日照時數(shù)和3月至始花期之間≥5℃以及≥10℃積溫等氣象因素。

利用相關(guān)分析法，分析庫爾勒香梨盛花期與所選氣象因素之間的相關(guān)性，結(jié)果（表1）顯示，相關(guān)性較高的有3月平均氣溫、3月平均最高氣溫、3月平均最低氣溫、3月下旬平均氣溫、3月下旬平均最高氣溫、3月下旬平均最低氣溫、3月到始花期合計日照時數(shù)以及4月1日至始花期的合計日照時數(shù)，最大的相關(guān)系數(shù)為0.922**。

表1 庫爾勒香梨盛花期與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

將庫爾勒市1981—2007年（2008—2012年進(jìn)行預(yù)報檢驗，不參與模型構(gòu)建）香梨盛花期日序數(shù)選為因變量（y），所選氣象因子作為自變量（x），采用逐步回歸分析法，從一個自變量開始，視自變量對因變量作用的顯著程度，選出對香梨盛花期（因變量y）作用顯著的氣象因子，結(jié)果如表2所示。

表2 變量進(jìn)入模型的順序及檢測結(jié)果

由表2可知，對香梨盛花期出現(xiàn)早晚作用最顯著的氣象因子是4月1日至始花期合計日照時數(shù)（x22）、3月平均最高氣溫（x4）以及 4月 1日至始花期平均氣溫（x15）。

2.2 預(yù)測模型構(gòu)建

以庫爾勒市1981—2007年（2008—2012年進(jìn)行預(yù)報檢驗，不參與建模）及相關(guān)氣象因子為基礎(chǔ)，采用逐步回歸分析法建立庫爾勒香梨盛花期的最優(yōu)預(yù)測模型如下：y＝109.756＋0.087x22－0.958x4－0.130x15。（R＝0.956，F(xiàn)＝80.699）。式中，y為香梨盛花期日序數(shù)，x22為4月1日至香梨始花期合計日照時數(shù)，x4為3月平均最高氣溫，x15為4月1日至始花期平均氣溫。

2.3 回代檢驗

回代檢驗結(jié)果如圖1所示，由圖1可知，所有點(diǎn)都能在圖對角線附近分布，方程擬合值與觀測值差異比較小。

用1981—2007年物候資料進(jìn)行回代檢驗，用預(yù)報值與觀測數(shù)據(jù)對比以檢驗?zāi)Ｐ途?。結(jié)果表明，預(yù)報盛花期與實際盛花期在同一天的準(zhǔn)確率為29.6%，相差1～2 d的準(zhǔn)確率可達(dá)66.7%，相差3 d的準(zhǔn)確率為3.7%，回代檢驗效果比較理想。

2.4 預(yù)報檢驗

對2008—2012年庫爾勒香梨盛花期進(jìn)行預(yù)報檢驗，結(jié)果如表3所示。由表3可知，香梨盛花期預(yù)測模型對2010年預(yù)測誤差較大，其余年份誤差均在3 d以內(nèi)。

表3 香梨盛花期預(yù)報結(jié)果

通過分析預(yù)測值和觀測值的相關(guān)關(guān)系可以得出，預(yù)測值和觀測值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.894 1（圖2），經(jīng)t檢驗，其顯著性水平大于0.05，說明該模型具有較高的精度。

3 結(jié)論與討論

本研究利用相關(guān)分析法找出對香梨盛花期影響較大的氣象因子，并采用逐步回歸分析法建立了香梨盛花期預(yù)測模型，通過回代和預(yù)報檢驗，誤差在2 d以內(nèi)的約占96.3%，預(yù)測效果較為理想，此模型可以根據(jù)香梨始花前期氣候條件于始花期后作出預(yù)報，預(yù)報效果較好，有較強(qiáng)的實用性。

本研究在香梨始花期模型建構(gòu)的因子選擇上，只限于對氣溫、日照和積溫等歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而并沒有考慮庫爾勒香梨生育過程中各個時期受物候變化的影響，有一定局限性，這還有待于進(jìn)一步研究。

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