基于小時(shí)氣溫資料的桃樹(shù)需冷量和需熱量研究

朱曉翠，鄭 健，陳妙金，沈 艷，李 軍，岳俗甲，楊怡曼

（1浙江省寧波市奉化區(qū)氣象局，浙江寧波 315500；2寧波市奉化區(qū)水蜜桃研究所，浙江寧波 315500；3上海市氣候中心，上海 200030）

0 引言

桃樹(shù)等落葉果樹(shù)的開(kāi)花早晚，主要受2個(gè)因子影響，一是滿足一定低溫累積量后才能打破花芽的自然休眠，即需冷量[1-2]；二是休眠結(jié)束后需要一定的熱量積累才能萌芽開(kāi)花，即需熱量[3-4]。而由于中國(guó)幅員遼闊，南北氣候差異大，植物物候與氣候存在明顯的地域特點(diǎn)，因此桃樹(shù)的需冷量、需熱量研究在品種和地域上也具有廣泛和多樣性[2,5-6]，目前桃樹(shù)需冷量及需熱量的研究多集中在北京、江蘇南京、河北中部、河南鄭州等地，而江浙一帶的研究較少[5,7]，尚未找到一個(gè)適合不同樹(shù)種、品種在任何地區(qū)有效的模型。而對(duì)于桃樹(shù)需冷量、需熱量的研究，前人大多利用物候?qū)W和生態(tài)生理學(xué)模型來(lái)確定：對(duì)桃樹(shù)解除休眠的需冷量量化主要采用0～7.2℃模型、7.2℃模型及猶他模型，需熱量量化研究多采用生長(zhǎng)度時(shí)數(shù)模型、有效積溫模型等[8-10]。研究表明利用不同模型得到的不同地區(qū)或同一地區(qū)、不同品種桃的需冷量和需熱量都存在顯著差異。王力榮等[9,11]利用7.2℃模式、猶它模式和0～7.2℃模式測(cè)定北方桃樹(shù)需冷量發(fā)現(xiàn)各模式估算結(jié)果存在顯著性差異；陳茂銓等[12]對(duì)比分析得到浙西南氣候條件下以猶他模型估算桃樹(shù)需冷量結(jié)果較理想，以生長(zhǎng)度日模型估算需熱量更為合適，且同一地區(qū)、同一模型下不同桃品種測(cè)定結(jié)果差異也十分明顯。因此，目前采用的桃樹(shù)需冷量、需冷量計(jì)算模式不一且都有一定的氣候適應(yīng)范圍，且以往研究所使用的資料大多從季節(jié)、月等時(shí)間尺度著手[13-15]，應(yīng)用歷史氣象資料（尤其是小時(shí)氣溫）研究桃需冷量和需熱量較為鮮見(jiàn)。因此，本研究以寧波市水蜜桃（‘湖景蜜露’）為對(duì)象，應(yīng)用氣象站氣溫小時(shí)和日資料結(jié)合桃樹(shù)初花期歷史資料，研究桃樹(shù)的需冷量和需熱量，旨在利用氣象數(shù)據(jù)為確定各地桃樹(shù)等落葉果樹(shù)的需冷量和需熱量尋求一個(gè)新途徑，也為落葉果樹(shù)促成栽培和花期動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)提供了一種新方法。

1 資料和方法

1.1 資料

小時(shí)氣溫資料來(lái)源于奉化國(guó)家氣象觀測(cè)站(58565)，時(shí)間為2005—2021年。桃初花期資料來(lái)源于寧波市奉化水蜜桃研究所，時(shí)間為2006—2021年。桃樹(shù)品種為‘湖景蜜露’，露地栽培，樹(shù)齡6年。桃初花期觀測(cè)地為寧波市奉化區(qū)蕭王廟街道林家村桃園，離奉化國(guó)家氣象觀測(cè)站4.0 km。

1.2 方法

根據(jù)前人研究，認(rèn)為一個(gè)地方某個(gè)桃樹(shù)品種的需冷量和需熱量是穩(wěn)定的[3,16-17]。因此，本研究在尋找‘湖景蜜露’需冷量時(shí)，認(rèn)為一組需熱量變異系數(shù)最小所對(duì)應(yīng)的需冷量為該品種的需冷量；在尋找‘湖景蜜露’需熱量時(shí)，認(rèn)為一組需冷量變異系數(shù)最小所對(duì)應(yīng)的需熱量為該品種的需熱量。變異系數(shù)和相關(guān)分析的計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[18-19]，用軟件編程技術(shù)計(jì)算尋找桃樹(shù)需冷量和需冷量。通過(guò)查詢歷史氣候資料，利用五日滑動(dòng)平均法[18]確定寧波市2005—2019年的日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)9℃的終日最早為11月3日，因此本文將上年的11月1日作為有效低溫的起點(diǎn)日期。用2006—2018年資料進(jìn)行需冷量和需熱量的計(jì)算，2019—2021年的3年觀測(cè)資料進(jìn)行獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。根據(jù)花期物候觀測(cè)資料‘，湖景蜜露’初花期最早出現(xiàn)在3月12日，采用Julian日換算方法[20]，將物候期轉(zhuǎn)換為距離3月1日的實(shí)際日數(shù)，得到歷年初花期的時(shí)間序列。

本文估算桃樹(shù)初花期的檢驗(yàn)效果中休眠結(jié)束日期以及初花期的計(jì)算所使用的方法，公式如式(1)所示。

式中，Nhour為小時(shí)氣溫小于需冷量上限氣溫的有效低溫時(shí)數(shù)，Tday為日平均氣溫。

本研究采用回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE(Root Mean Squared Error)和決定系數(shù)R2(Determination coefficient)對(duì)桃樹(shù)初花期的擬合值和實(shí)際值之間的符合程度進(jìn)行檢驗(yàn)，RMSE和R2的計(jì)算方法如式(3)～(4)所示。

式中，n為樣本數(shù)，SIM為桃樹(shù)初花期的擬合值，OBS為桃樹(shù)初花期實(shí)際值，為OBS的平均值[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 以需熱量的穩(wěn)定尋找需冷量

計(jì)算時(shí)，設(shè)桃需冷量范圍為600～1200 h（間隔10 h），某需冷量上限氣溫范圍為6～9℃（間隔0.1℃），用上年11月至當(dāng)年2月逐小時(shí)氣溫資料，計(jì)算達(dá)到該需冷量的日期，若計(jì)算過(guò)程中有年份未滿足該需冷量，則改變上限氣溫值和需冷量，直到所有年份滿足為止。滿足需冷量日期的次日至桃初花期前一天，用逐日氣溫計(jì)算需熱量，下限值范圍為4～10℃（間隔0.1℃），計(jì)算得到一組設(shè)定下限氣溫下的一組（2006—2018年）需熱量，計(jì)算該系列的變異系數(shù)，以此循環(huán)計(jì)算，直到結(jié)束，尋找到一組需熱量序列變異系數(shù)最小值，其對(duì)應(yīng)的需冷量及上限溫度認(rèn)為是‘湖景蜜露’需冷量及溫度模型，技術(shù)思路見(jiàn)圖1。

圖1 以需熱量的穩(wěn)定尋找需冷量

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)下限氣溫為4.5℃時(shí)的需熱量序列變異系數(shù)最小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的需冷量為740 h（7.5℃模型）。

2.2 以需冷量的穩(wěn)定尋找需熱量

設(shè)桃樹(shù)需熱量范圍為100～300℃·d（間隔5℃·d），氣溫下限值為4～10℃（間隔0.1℃），用2月至3月的日氣溫資料從桃初花期前一天開(kāi)始往前計(jì)算達(dá)到設(shè)定需熱量的日期（假定為桃休眠結(jié)束日的后一天），若計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有年份滿足該需熱量，則改變下限值，直到所有年份滿足為止。設(shè)計(jì)算需冷量的上限溫度為6～9℃（間隔0.1℃），計(jì)算休眠日之前設(shè)定上限氣溫下的一組（2006—2018年）需冷量，計(jì)算該序列的變異系數(shù)，以此循環(huán)計(jì)算，直到結(jié)束，尋找到一組需冷量序列變異系數(shù)最小值，其對(duì)應(yīng)的需熱量及下限溫度認(rèn)為是‘湖景蜜露’需熱量，技術(shù)思路見(jiàn)圖2。

圖2 以需冷量的穩(wěn)定尋找需熱量

經(jīng)計(jì)算，需冷量序列變異系數(shù)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的需熱量為200℃·d，下限氣溫為4.5℃。

綜上分析，寧波市‘湖景蜜露’的需冷量為740 h（7.5℃模型），需熱量為200℃·d（下限溫度4.5℃）。

2.3 用需冷量和需熱量估算桃樹(shù)初花期的檢驗(yàn)效果

2.3.1 擬合效果 根據(jù)上述確定的‘湖景蜜露’需冷量和需熱量，計(jì)算了2006—2018年‘湖景蜜露’的初花期，擬合值和實(shí)際值之間1:1線（圖3）的R2、RMSE分別為0.4639、7.9天，相關(guān)系數(shù)為0.6811，通過(guò)了顯著水平0.05的檢驗(yàn)。

圖3 ‘湖景蜜露’初花期擬合值與實(shí)際值的比較

2.3.2 獨(dú)立樣本效果 用2019—2021年的資料進(jìn)行獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，RMSE為2.6天。2019年初花期計(jì)算值為3月17日，實(shí)際值為3月18日；2020年初花期計(jì)算值為3月18日，實(shí)際值為3月14日；2021年初花期計(jì)算值為3月9日，實(shí)際值為3月11日。

從擬合和獨(dú)立樣本檢驗(yàn)效果看，本文確定的‘湖景蜜露’的需冷量和需熱量較好地反映了寧波市‘湖景蜜露’品種的生物學(xué)特性。

3 結(jié)論和討論

（1）本文基于小時(shí)氣象資料和花期資料，確定的桃樹(shù)桃需冷量和需冷量方法，從擬合和獨(dú)立樣本檢驗(yàn)效果看，較好地反映了寧波市‘湖景蜜露’品種的生物學(xué)特性，說(shuō)明該方法是可行的，可嘗試在其他桃樹(shù)（如油桃、蟠桃、黃桃等）及落葉果樹(shù)（如葡萄、藍(lán)莓等）估算需冷量和需熱量。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)中，有3年誤差特別大（圖3），主要原因與觀測(cè)人員的變更有關(guān)。

（2）根據(jù)本文建立的‘湖景蜜露’需冷量和需熱量，可根據(jù)小時(shí)氣溫計(jì)算當(dāng)年‘湖景蜜露’休眠結(jié)束日，之后利用實(shí)況資料結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)的日平均氣溫資料，計(jì)算需熱量，開(kāi)展桃樹(shù)初花期的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。

（3）根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，2006—2021年‘湖景蜜露’結(jié)束休眠日期的年際變化較大（圖4），最早為1月9日（2010年），最晚為2月15日（2020年），相差36天，80%的年份在1月26日達(dá)到了‘湖景蜜露’需冷量的要求。因此，在‘湖景蜜露’促成栽培中，需要根據(jù)當(dāng)年的小時(shí)氣溫資料計(jì)算達(dá)到需冷量的日期（休眠結(jié)束日期），之后適時(shí)進(jìn)行覆膜升溫，提升桃樹(shù)促成栽培效果及經(jīng)濟(jì)效益[22-23]。

圖4 2006—2021年滿足‘湖景蜜露’需冷量(740 h)的結(jié)束日期

（4）在桃樹(shù)需冷量研究中以7.2℃模型為主[4,24-25]，本文通過(guò)氣候資料研究和樣本檢驗(yàn)結(jié)果表明，寧波地區(qū)的‘湖景蜜露’的需冷量以7.5℃模型效果最好，這與前人研究的桃樹(shù)需冷量以及上限溫度會(huì)受生態(tài)環(huán)境影響產(chǎn)生地域差異相吻合[9,26]。因此，在研究不同地區(qū)的桃樹(shù)需冷量時(shí)要考慮其不同模型，分析桃樹(shù)不同模型需冷量的穩(wěn)定性，以找到符合該品種的需冷量及模型。植物在不同的生長(zhǎng)階段要求有不同的下限溫度[27]，開(kāi)展桃樹(shù)需熱量研究時(shí)需要考慮其下限溫度，以找到符合該品種生態(tài)特性的需熱量，本文在這方面也進(jìn)行了探討，研究表明寧波市‘湖景蜜露’需熱量為200℃·d（下限溫度為4.5℃），在以往研究需熱量時(shí)涉及下限溫度的研究較為少見(jiàn)。

（5）因桃樹(shù)物候資料限制，樣本數(shù)較少（僅13年），在一定程度影響了找到該品種的需冷量、需熱量效果，下階段將繼續(xù)收集桃樹(shù)物候資料，增加用于計(jì)算需冷量和需熱量的樣本數(shù)，進(jìn)一步提高效果；以及將氣溫結(jié)合其他要素（土壤環(huán)境溫濕度、輻射等）對(duì)桃樹(shù)需冷量和需熱量的綜合影響進(jìn)行研究。