棗莊石榴氣候品質(zhì)評價模型研究

胡園春，安廣池，張越，崔云鵬，李永鋒，李全景

(1. 棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800；2. 棗莊市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 棗莊 277800；3. 滕州市園林管理服務中心，山東 滕州 277500)

石榴(Punica granatumL.)是石榴科石榴屬落葉灌木或小喬木果樹，原產(chǎn)于東歐至中東地區(qū)[1]，是人類栽培最早的果樹之一。 我國石榴主要有八大主產(chǎn)區(qū)，山東主要在棗莊市嶧城區(qū)。 棗莊石榴栽培歷史悠久[2]，種植面積達1 萬hm2，年產(chǎn)量約14 萬t[3]，以果實大、糖度高、色澤靚麗而著稱，是當?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟的支柱和特色產(chǎn)業(yè)。

近年來，隨著消費者對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，石榴果實品質(zhì)已成為決定其市場競爭力的重要因素。 而優(yōu)越的自然氣候條件是形成優(yōu)質(zhì)特色農(nóng)產(chǎn)品的根本保障，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的好壞與溫度、濕度、光照等氣象因素密切相關(guān)。 農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評價的目的就是建立氣象因素與作物品質(zhì)優(yōu)劣等級之間的量化關(guān)系，可以根據(jù)氣象因素的變化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導[4，5]。 金志鳳[6]、婁偉平[7]等最早對茶葉進行了氣候品質(zhì)評價和認證研究，且獲得氣候品質(zhì)認證的產(chǎn)品已經(jīng)得到廣大消費者的認可，有效提高了區(qū)域特色產(chǎn)品的市場競爭力。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務技術(shù)水平的提升和氣象為農(nóng)業(yè)特色服務工作的開展，全國各地相繼開展了農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認證工作，已分別對藍莓[8]、馬鈴薯[9]、贛 南 臍 橙[10]、 紅 富 士 蘋 果[11]、 碭 山梨[12]、庫爾勒香梨[13]的氣候品質(zhì)進行了研究。

但前人的研究大多是從品質(zhì)組成要素之間的相關(guān)性和對其品質(zhì)評價方法的綜合表征進行的，基本是揭示不同氣象要素與單一品質(zhì)指標的直接關(guān)系。 本研究以棗莊嶧城石榴為試材，選用果實發(fā)育期的3 個主要品質(zhì)指標(單果重、百粒重、可溶性固形物)與同時期氣象要素監(jiān)測資料進行分析，篩選影響果實綜合品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子，并采用逐步回歸法構(gòu)建石榴氣候品質(zhì)評價模型，以期為開展石榴氣候品質(zhì)認證并探索其應用、合理利用氣候資源、打造農(nóng)產(chǎn)品品牌及提升市場競爭力提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 研究地概況

山東省棗莊市嶧城區(qū)地處蘇、魯兩省交界處，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14.4℃，年降水量815.1 mm，年日照時數(shù)2078.7 h，全年≥10℃有效積溫4705.2℃，具有年溫度高、熱量豐富、雨量充沛等特點。 土壤多為紅頁巖風化土、粗砂土、粘壤土[14]，通透性好，pH 值在6.78 ～7.42之間，平均值為7.17，非常適宜石榴栽培[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 石榴品質(zhì)數(shù)據(jù) 由棗莊市果樹科學研究所提供。 2005—2020年選取嶧城觀測場東北方向3 km 處嶧城福山石榴合作社園區(qū)的石榴樹進行果實品質(zhì)監(jiān)測。 果實品質(zhì)等級按照《石榴質(zhì)量等級》(LY/T 2135—2018)要求進行劃分。 單果重、百粒重用精度0.01 g 的天平稱量，可溶性固形物用折光儀測定。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 來源于棗莊市嶧城區(qū)氣象觀測站。 選用石榴果實品質(zhì)監(jiān)測同時期的逐日氣溫、降水、光照時數(shù)等數(shù)據(jù)。

2 棗莊石榴氣候品質(zhì)評價模型的構(gòu)建

2.1 石榴果實品質(zhì)指標的選取及其等級劃分和賦值

農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認證是用表征農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的氣候指標對品質(zhì)優(yōu)劣等級所做的評定。 本研究基于《石榴質(zhì)量等級》(LY/T 2135—2018)標準，結(jié)合棗莊石榴市場調(diào)研以及專家經(jīng)驗，選取石榴鮮果的外觀和內(nèi)在品質(zhì)指標，用于建立棗莊石榴氣候品質(zhì)評價模型。

外觀品質(zhì)指標選用單果重(Y1)、百粒重(Y2)兩個指標。 其中，單果重是石榴感官質(zhì)量評價的重要因素之一，百粒重可反映石榴籽粒的飽滿程度，兩者都是消費者挑選石榴的重要參考指標。且根據(jù)專家和果農(nóng)經(jīng)驗，這兩指標均會受到該年度氣候條件的影響。

內(nèi)在品質(zhì)指標選用可溶性固形物(Y3)。 可溶性固形物主要包括可溶性糖類、維生素以及礦物質(zhì)，是決定石榴口感和營養(yǎng)價值的重要指標。

為便于統(tǒng)計分析，對3 個品質(zhì)指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理:針對棗莊石榴為大籽粒中型果的品種特征，結(jié)合石榴質(zhì)量標準和專家經(jīng)驗，對每個品質(zhì)指標進行等級劃分，并參照《農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認證技術(shù)規(guī)范》(QX/T 486—2019)進行賦值，結(jié)果見表1。

表1 選取的石榴品質(zhì)指標及其等級劃分和賦值

2.2 品質(zhì)指標與氣象因子的回歸關(guān)系分析

參照前人研究成果[16-20]，依據(jù)石榴栽培專家經(jīng)驗與氣象服務經(jīng)驗，利用相關(guān)分析法分析棗莊石榴發(fā)育期的溫度、降水、光照等氣象因子與各品質(zhì)指標之間的相關(guān)程度，篩選出與各品質(zhì)指標相關(guān)度高且通過顯著性檢驗(P＜0.05)的主要氣象因子，然后利用逐步回歸法建立各品質(zhì)指標與關(guān)鍵氣象因子的逐步回歸方程。

2.2.1 單果重 石榴單果重通常是由石榴生長期和成熟期的氣象因子共同決定，經(jīng)相關(guān)分析并結(jié)合專家經(jīng)驗，選擇成熟期9月中旬平均氣溫(X11)、9月中旬日較差(X12)、9月下旬日較差(X13)和生長期6月上、中、下旬平均氣溫(X14、X15、X16)以及6月整月相對濕度(X17)7 個氣象因子，建立其與單果重的回歸方程:

該回歸方程的R2值為0.9004，經(jīng)顯著性檢驗，P＝0.0076，小于0.05，表明該模型合理且精度較高，可用于棗莊石榴單果重的預測。 利用2019、2020年的單果重數(shù)據(jù)對模型進行檢驗，誤差分別為1.1%、1.4%，證明利用該模型預測石榴單果重的準確性較高。

對上述7 個氣象因子的回歸系數(shù)進行標準化，得到標準回歸系數(shù)分別為-0.3377、0.6632、0.2923、-0.5381、0.2510、0.6961、0.7657，可知:6月相對濕度對單果重的影響最大，其次為6月下旬平均氣溫和9月中旬日較差，且均為正向影響；6月中旬平均氣溫和9月下旬日較差對單果重也均為正向影響，但影響較??；9月中旬平均氣溫和6月上旬平均氣溫對單果重均為負影響，影響程度適中。 可以發(fā)現(xiàn)，生長期的溫、濕度是影響棗莊石榴單果重的主要氣象因素，且此期的溫、濕度高更有利于果實發(fā)育，此外，成熟期的日較差越高，也越有利于石榴單果重的增加。

2.2.2 百粒重 結(jié)合專家知識和相關(guān)分析，影響百粒重的氣象因素主要為8、9月份降水及平均氣溫，因此選擇8月中旬、8月下旬、9月上旬降水量(X21、X22、X23)以及8月中旬、8月下旬、9月上旬的平均氣溫(X24、X25、X26)6 個氣象因子，建立其與石榴百粒重的回歸方程:

該方程的R2為0.8506，且經(jīng)顯著性檢驗P＝0.0286，小于0.05，表明該回歸模型準確有效。 利用2019、2020年數(shù)據(jù)進行驗證，誤差分別為1.5%、1.8%，說明利用該模型預測棗莊石榴百粒重的精度較高。

對上述6 個氣象因子的回歸系數(shù)進行標準化，得到其標準回歸系數(shù)分別為0.6312、0.3619、-0.2338、0.0381、0.5683、0.2035，可知:8月中旬的降水量對百粒重影響最大，其次為8月下旬平均氣溫，8月下旬降水量和9月上旬氣溫影響也較大，此4 項均為正向影響；8月中旬平均氣溫對于該品質(zhì)因子影響較小，而9月上旬降水量對百粒重影響為負，影響程度適中。 可以發(fā)現(xiàn)，百粒重對氣溫的敏感性相比于降水量有時序上的延遲，延遲10 天左右，但成熟期降水不利于石榴果實內(nèi)容物積累。

2.2.3 可溶性固形物 根據(jù)專家知識，9月上旬到10月上旬日較差、光照及降水量均會影響石榴可溶性固形物含量。 結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，最終選擇9月上旬和10月上旬的平均日較差(X31和X32)、日照時數(shù)(X33和X34)、降水量(X35和X36)6個氣象因子，建立其與可溶性固形物的回歸方程:

該方程的R2值為0.7906，經(jīng)顯著性檢驗P＝0.0309，小于0.05，表明模型準確有效，可用于棗莊地區(qū)石榴果實可溶性固形物的預測。 利用2019、2020年數(shù)據(jù)進行驗證，誤差分別為0.75%、1.0%，充分說明該方程的預測精度較高。

對上述6 個氣象因子的回歸系數(shù)進行標準化，得到標準化回歸系數(shù)分別為-0.4593、0.7742、-0.5653、0.1443、-0.4939、0.9591，可知:10月上旬的平均日較差、日照時數(shù)、降水量均與可溶性固形物正相關(guān)，而9月此3 個氣象因子均與可溶性固形物負相關(guān)，其中10月上旬降水量對可溶固形物的影響最大，其次為10月平均日較差，9月的3個氣象因子影響程度也較高，而10月上旬的日照時數(shù)影響最小。 表明成熟后期的溫濕度對棗莊石榴可溶性固形物的積累影響更大。

2.3 氣候品質(zhì)評價模型的建立及驗證

2.3.1 確定品質(zhì)指標的權(quán)重系數(shù) 根據(jù)棗莊石榴固有特點和消費者喜好并結(jié)合專家知識，利用層次分析法確定各個品質(zhì)指標的權(quán)重。 首先構(gòu)造單果重、百粒重、可溶性固形物3 個品質(zhì)指標的判斷矩陣，尋找其最大特征值所對應的特征向量，并進行相應的歸一化處理，得到3 個指標的權(quán)重系數(shù)向量aj為[0.35180.31610.3321]；對于該準則層比較矩陣進行一致性檢驗，經(jīng)計算該判斷矩陣的一致性指標CI ＝0.0724，層次分析中所采用的因子數(shù)目為3，查表可知隨機一致性指標RI ＝0.9，因而一致性比率CR ＝CI/RI ＝0.0804 ＜0.10，不一致程度在容許范圍之內(nèi)，通過一致性檢驗，可用其歸一化特征向量aj作為權(quán)向量。

2.3.2 氣候品質(zhì)評價模型及等級劃分 根據(jù)上述確定的各品質(zhì)指標權(quán)重指數(shù)，建立棗莊石榴氣候品質(zhì)綜合評價指數(shù)(M)模型，即:

基于此，根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)認證技術(shù)規(guī)范》(QX/T486—2019)對棗莊石榴氣候品質(zhì)進行等級劃分，結(jié)果見表2。

表2 棗莊石榴氣候品質(zhì)評價等級劃分

2.3.3 驗證試驗 根據(jù)棗莊市果樹科學研究所的測定結(jié)果，2019年棗莊石榴的單果重、百粒重、可溶性固形物含量均值分別為444 g、86.57 g、15.96%，2020年分別為645 g、83.35 g、14.6%，由表1 等級劃分標準可知分別為特優(yōu)、優(yōu)。 將2019年和2020年棗莊石榴果實發(fā)育期的氣象資料分別代入建立的氣候品質(zhì)評價模型，得到兩年的M值分別為3.00、2.67，按表2 中標準可確定兩年棗莊石榴的氣候品質(zhì)分別為特優(yōu)、優(yōu)等級，與根據(jù)品質(zhì)指標實測值劃分的等級結(jié)果一致。 表明本研究建立的氣候品質(zhì)評價模型可以用于棗莊石榴綜合品質(zhì)評價。

3 結(jié)論

本研究以單果重、百粒重、可溶性固形物作為棗莊石榴果實品質(zhì)評價指標，根據(jù)前人研究結(jié)果、專家經(jīng)驗和相關(guān)分析選取果實發(fā)育期的關(guān)鍵氣象因子，選用2005—2018年的數(shù)據(jù)，建立了各品質(zhì)指標與氣象因子的逐步回歸方程，然后利用層次分析法確定各指標權(quán)重，建立了棗莊石榴氣候品質(zhì)綜合評價指數(shù)模型，并根據(jù)綜合評價指數(shù)大小劃分品質(zhì)等級。 經(jīng)2019、2020年數(shù)據(jù)驗證，利用該模型確定的棗莊石榴品質(zhì)等級與實測數(shù)據(jù)一致。 具體結(jié)論如下:

(1)生長期的溫、濕度條件是影響棗莊石榴單果重的關(guān)鍵氣象因素，溫濕度越高越有利于單果重增加；成熟期的日較差也對單果重有較大正面影響。

(2)百粒重對果實發(fā)育期氣溫的敏感性相比于降水量有時序上的延遲，約延遲10 d；在8月中下旬降水為正貢獻的情況下，9月的降水則會抑制石榴籽粒的充實。

(3)10月上旬的平均日較差、日照時數(shù)、降水量對棗莊石榴的可溶性固形物積累均有正向影響，而9月的這3 個氣象因子均不利于果實中可溶性固形物的積累。 其中，10月上旬的平均日較差和降水量對可溶性固形物影響最大。 說明石榴果實成熟后期的氣象條件對其營養(yǎng)品質(zhì)的影響更大。

(4)綜合3 個主要品質(zhì)指標及其關(guān)鍵氣象因子，本研究構(gòu)建了棗莊石榴氣候品質(zhì)綜合評價指數(shù)模型，并根據(jù)指數(shù)大小劃分特優(yōu)、優(yōu)、良、一般4個等級。 利用2019、2020年數(shù)據(jù)驗證，確定的兩年石榴氣候品質(zhì)等級與實測等級一致，說明該模型可用于估測棗莊石榴的總體品質(zhì)。

另外，大風、高溫、冰雹等會對石榴果面造成日灼、銹斑、磨傷、雹傷等現(xiàn)象，也會影響果實的整體品質(zhì)，但本研究暫未涉及，將在今后進一步深入研究。