基于影像資料的鴨梨開花物候期與氣象影響因子關(guān)系初探

趙洪杰，孟 杰，陳廣瑞，寇春偉，周曉倩，閆瑞華

（1.冠縣氣象局，山東 冠縣252500；2.莘縣氣象局，山東 莘縣252400）

近年來國內(nèi)各地利用當(dāng)?shù)毓麡洹?花卉資源開展觀光旅游活動逐漸增多。 冠縣政府自2006 年起每年在蘭沃鄉(xiāng)韓路村梨園舉辦“梨園文化觀光周暨農(nóng)民文化藝術(shù)節(jié)”，氣象局承擔(dān)花期預(yù)報工作，為確定開幕日提供依據(jù)；由于春季溫度變化大，梨樹每年開花日期都不確定。 2012 年在梨園安裝自動攝像觀測儀，記錄鴨梨花芽發(fā)育情況，為研究和制作花期預(yù)報提供觀測資料；觀測發(fā)現(xiàn)梨樹花芽自萌發(fā)到開花經(jīng)歷多個發(fā)育物候期。國內(nèi)文獻(xiàn)顯示植物花期預(yù)報研究方法主要有積溫物候法和相關(guān)分析法。積溫物候法是結(jié)合開花日期用不同方式統(tǒng)計開花前相關(guān)時段積溫，用公式法計算開花期[1-9]。 相關(guān)分析法統(tǒng)計開花前多種氣象要素、篩選氣象影響因子建立預(yù)報方程[10-16]。 鮮見在研究植物開花發(fā)育期間氣象因子影響規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行花期預(yù)報研究的。本文以梨園觀測影像照片資料判定的鴨梨花芽發(fā)育物候期為依據(jù)，分析氣象影響因子在鴨梨花芽發(fā)育不同階段的作用，預(yù)報鴨梨始花期。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗環(huán)境與設(shè)備

蘭沃鄉(xiāng)韓路村梨園， 屬于黃河故道河灘高地，觀測點位于115°37′E，36°35′N，園區(qū)表層土壤為沖積固定草甸風(fēng)沙土，以人工作物植被為主，自然茅草植被為輔，與冠縣氣象站為同一氣候環(huán)境，有微氣候差異。觀測用代表性較強的鴨梨樹，樹齡約120～150 a、樹干直徑30 cm、樹冠直徑10 m 左右、樹冠高約4 m，選鴨梨樹東部骨干枝上新生果枝為觀測點， 每年固定不變。

實驗設(shè)備為?？低旸S-2AF1-714 高清彩色紅外攝像儀觀測。

1.2 資料與方法

物候資料是從梨園鴨梨花芽連續(xù)實景觀測影像照片資料中， 每天人工截取08、11、14、17 時鴨梨花芽發(fā)育照片，用來判定鴨梨花芽發(fā)育物候期節(jié)點。

氣象資料為距梨園25 km 處氣象站同期氣溫、地溫、日照、降水、風(fēng)的觀測資料。

用氣候統(tǒng)計法、以花芽發(fā)育物候期為單位，統(tǒng)計相關(guān)氣象影響要素定量數(shù)據(jù)資料。

2 鴨梨花芽發(fā)育物候期與氣象影響因子關(guān)系分析

根據(jù)多年影像照片資料統(tǒng)計鴨梨花芽自萌發(fā)到凋謝需要48～64 d，經(jīng)歷萌發(fā)、膨大、開綻、露蕾、花芽分離、露冠、始花、盛花、謝花等物候期。 本文以2017 年為例分析鴨梨花芽發(fā)育與氣象條件的關(guān)系。

2.1 鴨梨花芽發(fā)育物候期與發(fā)育環(huán)境

根據(jù)2017 年梨園鴨梨花芽發(fā)育觀測影像照片資料，參照《梨·百度文庫》[17]和《常見果樹物候期的觀察方法》[18]圖文標(biāo)準(zhǔn)，得到花芽發(fā)育各物候期節(jié)點日期， 鴨梨樹自萌發(fā)到3 月8 日花芽鱗片松包顏色變淡為膨大期（圖1a）；芽頂鱗片松開露出花序花芽為開綻期（圖1b）在15 日；露蕾期（圖1c）在19 日；花蕾分離期（圖1d）在22 日；露冠期（圖1e）在27日，始花期（圖1f）在4 月1 日；盛花始期（圖1g）在3日，謝花末期（圖1h）為8 日。

圖1 鴨梨花芽發(fā)育物候期

一般情況下鴨梨樹經(jīng)過冬季休眠后， 平均氣溫達(dá)到0 ℃以上樹體開始萌發(fā)， 平均氣溫達(dá)到3 ℃以上花芽開始緩慢生長，開花需氣溫10 ℃以上，達(dá)到14 ℃開花加快[19]。 2017 年2 月11 日平均氣溫穩(wěn)定通過0 ℃， 即為鴨梨樹體萌發(fā)日， 各物候期出現(xiàn)日期、間隔日數(shù)，萌發(fā)至謝花≥0 ℃、≥3 ℃、≥10 ℃的日數(shù)及總發(fā)育期日數(shù)見表1。

表1 鴨梨花芽發(fā)育期與界限溫度日數(shù)統(tǒng)計

2.2 鴨梨花芽發(fā)育與氣溫

2.2.1 鴨梨花芽發(fā)育與氣溫變化

鴨梨萌芽開花需要一定的熱量條件。2017 年自鴨梨樹萌發(fā)至花謝整個發(fā)育過程， 每日平均氣溫與鴨梨花芽發(fā)育期的關(guān)系見圖2。

鴨梨花芽萌發(fā)后、前期氣溫較歷年略偏高，正距平明顯大于負(fù)距平， 花芽膨大和開綻期接近常年略早；花蕾自分離后到始花前平均氣溫偏低、低于10℃日數(shù)較多，溫度距平以負(fù)距平為主，對應(yīng)露冠到始花節(jié)點期間生長緩慢或停止，發(fā)育期較常年延長3～4 d； 露蕾、 露冠和始花期轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵日或前1～2 d都有≥10 ℃的氣溫相對應(yīng)（圖2）。

圖2 2017 年鴨梨花芽發(fā)育期逐日平均氣溫距平

2.2.2 鴨梨花芽發(fā)育與積溫

根據(jù)積溫學(xué)說完成每個發(fā)育物候期都經(jīng)過一定溫度積累。 鴨梨花芽發(fā)育各物候期及各界限溫度的活動積溫、有效積溫見表2。

2.3 鴨梨花芽發(fā)育與地溫

研究認(rèn)為梨樹根系在20～60 cm 土層分布最密， 當(dāng)?shù)販剡_(dá)到0.5 ℃時根系開始活動，7～8 ℃時根系開始加快生長，13 ℃為根系生長的最適溫度[19]。2017 年1 月25 日20、40 cm 土層地溫均達(dá)到年度最低值， 分別為0.2 ℃和1.9 ℃， 并分別于1 月28日、2 月4 日開始回升， 梨樹根系越冬期不明顯、生長啟動較早（圖3）。

表2 鴨梨花芽發(fā)育期積溫/℃

圖3 鴨梨花芽發(fā)育期20、40 cm 逐日平均地溫曲線

達(dá)到根系加快生長即平均氣溫為7 ℃的日期，分別在3 月3 日和10 日，這與花芽由萌發(fā)到膨大期轉(zhuǎn)換時間同步； 日平均氣溫由7 ℃使根系加快生長達(dá)到13 ℃最適生長時間，與鴨梨花芽的膨大到始花時間基本重合；根系生長最適溫度13 ℃的日期分別在4 月2 日和4 日，這比始花期略滯后；花期平均氣溫為13～15 ℃。

2.4 鴨梨花期與風(fēng)速

花芽開綻后隨著花蕾生長加快， 風(fēng)速對其影響逐漸增大。 在花冠發(fā)育完成后適宜的風(fēng)速可促使花蕾提前開放，較大風(fēng)速的機械作用易產(chǎn)生花瓣損傷，影響觀賞、授粉和座果率。后期較大風(fēng)速可使完成生化脫落分化進(jìn)程的花瓣提前脫落、花期縮短。鴨梨花芽開綻后風(fēng)速實況曲線見圖4。

圖4 鴨梨花芽開綻后風(fēng)速曲線

自3 月15 日鴨梨花芽開綻到4 月1 日始花開放， 風(fēng)速持續(xù)較大最大風(fēng)速8.0 m/s 以上日數(shù)9 d，10.8 m/s 以上日數(shù)3 d，始花前1 d 3 月31 日最大風(fēng)速10.0 m/s，8 日最大風(fēng)速13.4 m/s。據(jù)觀察，27 日已經(jīng)出現(xiàn)迎風(fēng)面、 強勢樹枝上含苞欲放的花蕾在風(fēng)作用下提前開放， 始花后連續(xù)3 d 風(fēng)速較大， 為4～5級，加快了進(jìn)入盛花期速度，也造成4 日便有花瓣不勝風(fēng)力而飄落；8 日較大的風(fēng)速促進(jìn)謝花期提前。

2.5 鴨梨花期與日照、陰雨天氣

梨樹屬喜光樹種， 充足的光照是梨花順利開放的必要條件。春季陰雨天氣一般造成日照減少，伴隨較強降溫和較大風(fēng)力。 本年度自梨樹萌發(fā)到花蕾分離前陰天日數(shù)少， 日照充足有利于花芽發(fā)育；3 月22—31 日降雨或陰天日數(shù)多達(dá)5 d， 陰雨寡照造成花芽發(fā)育緩慢， 發(fā)育期比往年延長3～4 d；4 月1 日始花后溫度適宜、光照充足，進(jìn)入盛花期較快；5 日和8 日分別出現(xiàn)7.1 mm 和7.4 mm 降雨以及風(fēng)的作用，直接造成梨花淋雨后提前衰敗凋謝。

鴨梨花芽發(fā)育進(jìn)度與溫度變化息息相關(guān)， 春天氣溫變化受天氣背景影響具有隨機性、 振幅大的特點，梨樹根系活動層地溫變化受氣溫影響為主、略滯后； 其它氣象要素在鴨梨花芽發(fā)育的不同階段影響不同。氣溫正距平對應(yīng)花芽發(fā)育正?；蜉^快，負(fù)距平對應(yīng)花芽發(fā)育緩慢或停止，在積溫上表現(xiàn)明顯，根據(jù)植物積溫的特征、 嘗試使用歷年鴨梨花芽發(fā)育物候期平均積溫值為主要因子制作花期預(yù)報。

3 鴨梨花期預(yù)報服務(wù)實踐與效果檢驗

2016 年和2017 年在以上初步分析的基礎(chǔ)上，分別以露蕾到始花≥0 ℃歷年平均積溫136.8 ℃、133.9 ℃和≥3 ℃歷年平均積溫101.5 ℃、99.1 ℃為預(yù)報指標(biāo)， 把露蕾日以后的溫度實況值與花期預(yù)報日以后的每天溫度預(yù)報值累加， 當(dāng)溫度累加值接近預(yù)報指標(biāo)值時，參考臨近花期天氣情況，綜合判斷預(yù)報鴨梨開花日期；預(yù)報結(jié)果均被作為確定“梨花節(jié)”開幕日的依據(jù)，取得良好的服務(wù)效果。用梨園鴨梨開花實況資料對花期預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比檢驗（表3）。

由表3 可知， 開花前10～12 d 預(yù)報，2016 年與實況對比誤差較大，7 d 預(yù)報與實況完全吻合；積溫實況與預(yù)報指標(biāo)的差值隨資料年份增加而減小，即積溫預(yù)報指標(biāo)的穩(wěn)定性與資料年代長短有關(guān)， 隨著資料年代延長穩(wěn)定逐漸增強， 預(yù)報結(jié)果準(zhǔn)確性將逐漸增大。

表3 2016—2017 年實況與花期預(yù)報對比

4 討論

前人研究植物花期預(yù)報的兩種傳統(tǒng)研究方法積溫物候法、相關(guān)分析法均存在不足。積溫物候法一般按多年平均開花日期統(tǒng)計開花前不同時段的氣象要素值， 統(tǒng)計資料不能真實反映植物花芽各發(fā)育期經(jīng)歷的氣象因子影響情況， 無法對植物花芽發(fā)育過程各個物候期節(jié)點之間的氣象條件進(jìn)行細(xì)致研究，容易忽略植物開花關(guān)鍵發(fā)育環(huán)節(jié)， 造成對植物花芽自萌發(fā)到開放時段研究結(jié)果判斷不準(zhǔn)確。 相關(guān)分析法一般采用多方法、多元素統(tǒng)計大量因子，經(jīng)篩選后選取部分因子建立回歸方程；屬于統(tǒng)計學(xué)范疇，預(yù)報因子的生物學(xué)意義不確切。以上兩種傳統(tǒng)研究思路、均對植物開花前花芽發(fā)育各物候期與氣象影響因子關(guān)系研究不足。

本文使用鴨梨花芽發(fā)育期連續(xù)實景觀測照片判定鴨梨花芽發(fā)育物候期節(jié)點， 結(jié)合氣象資料分析研究鴨梨花芽發(fā)育各物候期與相關(guān)氣象要素的關(guān)系，其方法符合鴨梨花芽發(fā)育規(guī)律； 以物候期為單位統(tǒng)計相關(guān)對應(yīng)氣象要素資料， 統(tǒng)計數(shù)據(jù)與鴨梨花芽發(fā)育物候期一一對應(yīng)，嚴(yán)謹(jǐn)、精確、可靠。隨著資料年代的增加和對多項氣象因子影響研究的進(jìn)展， 可以得到時效更長、更完善的預(yù)報方法?，F(xiàn)階段研究還處于較淺層次，旨在拋磚引玉。

5 結(jié)論

通過對2017 年鴨梨花芽發(fā)育過程與氣象資料對照分析發(fā)現(xiàn)， 鴨梨開花是在多種氣象因子共同影響下完成的， 氣象因子對鴨梨花芽發(fā)育的影響有以下特點：

（1）鴨梨花芽開放過程漫長，經(jīng)歷多個物候期，完成每個花芽發(fā)育物候期都是多種氣象要素綜合影響和積累的結(jié)果。鴨梨花芽萌發(fā)后，氣溫變化自始至終主導(dǎo)鴨梨花芽發(fā)育的進(jìn)度， 其它氣象要素在不同發(fā)育階段對鴨梨花芽發(fā)育影響程度各不相同。

（2）在鴨梨花芽發(fā)育過程中萌發(fā)期、開綻期、露蕾期、始花期是梨花開放的關(guān)鍵物候期；其中花芽開綻期標(biāo)志著花芽發(fā)育質(zhì)的轉(zhuǎn)變， 開綻前花期器官受到鱗片保護(hù)，各種天氣影響最終以溫度高低為標(biāo)志；開綻以后隨著各花期器官增長與外界接觸面積增大，溫度、日照、風(fēng)、降水等氣象要素影響程度逐漸增大。

（3）鴨梨花芽前期發(fā)育狀況表明為梨花開放積累和達(dá)到了一定的條件， 并不能作為判定梨花開放日期的依據(jù)；開綻、特別是露蕾以后臨近花期的溫度和天氣條件，是決定梨花開放日期的關(guān)鍵因素，研究花期預(yù)報方法必須高度重視。

資料分析和花期預(yù)報實踐表明， 必須準(zhǔn)確掌握與分析鴨梨花芽發(fā)育開放過程對氣象條件需求和氣象要素的影響， 才能得到符合鴨梨開花物候?qū)嶋H規(guī)律的花期預(yù)報方法。