河北青龙板栗生长气象条件分析与气候品质认证

于长文，许启慧，马贵东，杨 梅

（1河北省气候中心，石家庄050021；2承德市气象局，河北承德067000）

0 引言

优质的农产品需要良好的气候环境，农产品产地气候条件是影响其品质的重要因素之一。近年来，中国不少地区针对不同农作物开展了农产品气候品质评估或认证工作[1-3]，通过设置认证气候条件指标，建立认证模型，评价确定天气气候对生产阶段的农产品品质影响的优劣，综合评定农产品气候品质等级。这种精细化的为农服务，为农产品注入了新的气象科技元素，对提升农产品市场竞争力具有重要意义。本研究以河北省青龙满族自治县（下文统一简称青龙县）种植的板栗为例，对当地板栗生长的气候资源进行综合评价，并尝试对板栗品质进行认证评估。

板栗是中国传统产业，主要分布在大别山和燕山山脉两大主产区[4]。燕山山脉地处温带大陆性半湿润季风气候带，温和、冷凉、雨热同季，适合板栗生长。同时，燕山浅山丘陵地段沟谷纵横交错，形成了特殊山地小气候，为燕山板栗独特品质的形成提供了得天独厚的环境。河北辖区内的迁西、迁安、宽城、青龙、兴隆和遵化等县（市）是其主要产地[5]（见图1）。杨庆红等[6]曾利用兴隆县1970—1982 年和2000—2010 年的板栗产量资料及生育期的气象数据，分析了当地板栗产量与气温、降水、日照等气象条件的相关关系，选取与板栗产量相关好的气象要素为预报因子，建立了板栗气象产量评估方程。王文君[7]曾根据板栗生产所需的气候条件，对影响遵化市板栗生产的几种气象灾害进行分析，探讨了影响板栗生产的气象灾害防范措施。刘志刚等[8]对青龙气候变化和京东板栗物候观测记录的研究表明，气温升高、降水正常情况下，利于青龙地区板栗的增产增收。

板栗生长过程中存在多种气象要素影响，因此对温、光、水气候资源要素之间的匹配进行综合评价，有利于板栗种植的精细化生产应用与推广[9]。近年来加权逼近理想解排序(Dynamic Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,DTOPSIS)方法被引入农业气候资源综合评价中[10-12]，该方法曾用于多目标决策问题。多目标决策中突出的问题是目标间的不可公度性和矛盾性[13]，不可公度性是指各要素通常没有统一的度量标准，因而难以比较，例如影响板栗生长发育过程中的气温、降水和日照，这些气象因子之间无统一的量纲；矛盾性是指采用统一方案去改进目标值，可能使另一目标的值变得更差，比如在板栗生长过程中，长期的气温偏高，可能出现降水偏少，从而引起气象干旱，而过多的降水又会引起洪涝或者连阴雨、寡照等不利的农业气象灾害。多目标决策通常没有一个方案能使每个目标值都达到最优，即不存在最优解，但确有它的非劣解，即在所有可行解中没有一个优于它。

本研究以青龙县板栗为例，基于DTOPSIS 方法，建立板栗生长的气象条件综合评估指标，并以2008—2018年为例，将逐年指标值与通过百分制方法获得的同期板栗品质等级进行比较，进一步验证所建评估指标的可靠性，以期为该地板栗生长、生产提供更为科学的气象依据。

1 资料与方法

1.1 资料

考虑板栗生长所需的温、光、水资源，以及气象观测数据的均一性[14]、代表性和可靠性，本研究选取青龙气象站为参证站（见图1），采用该站1971—2018 年间的气温、降水和日照时数作为基本气象要素值，以2008—2018 年间的极端最低气温、平均气温距平、连阴雨日数及干旱日数作为主要的气象灾害指标。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率 分析气候要素的趋势变化通常用一元线性回归方程式(1)计算，其中t 表示时间，xt表示要素逐年值，k1为线性回归系数，k0为线性回归常数。以k1×10 表示气候要素每10 年的变化趋势，即气候倾向率，单位为要素值/10 a。

1.2.2 基本气象条件的评分标准 农产品气候品质认证是指为天气气候对农产品品质影响的优劣等级做评定，是提高农产品品质和声誉、增强竞争力的重要手段[15]。本年度果品生长气候条件认证包括本年度果品生长的基本气象条件认证及本年度气象灾害认证。

本研究对青龙板栗气候品质认证采用百分制评分标准，根据实际考察调研和相关文献研究，总结出主要影响青龙板栗生长的基本气象条件为：4—9月平均气温(a1)、≥10℃的年积温(a2)、4—9 月降水量(a3)、4—9 月日照时数(a4)和9月气温日较差(a5)5项，每项的评分细则如表1所示，将各项得分带入公式(2)，即可得到本年度基本气象条件评分。

1.2.3 气象灾害的评分标准 除基本气象条件外，气象灾害[16]的发生也会对板栗的产量和品质造成不可逆影响。果树气象灾害是在果树生长过程中，导致果树生长发育受抑制或死亡，使产量显著下降的不利天气气候条件的总称[17-18]。例如板栗休眠期温度以0℃左右最为适宜，冬季不低于-10～-9℃；进入4月，青龙县气温回升很快，但此时气温波动也较大，常出现倒春寒天气，倒春寒是指初春（一般指3 月）气温回升较快，而在春季后期（一般指4月或5月）气温较正常年份偏低的天气现象[19-21]，其危害的主要形式是春季温度下降到比常年明显偏低，长期低温条件下，会影响板栗幼芽生长，嫩芽甚至被冻坏，延迟板栗开花时间。此外，板栗具有“干花湿果”的特性，开花期间连阴雨日数过多，光合作用减少，影响植株的花芽分化和授粉授精，从而导致落花、败花降低坐果率，造成减产[22]；而在果实生长膨大期如降水少、水分条件不能正常满足，易引起“空篷”、果实干瘪，从而降低产量和品质[23]。

表1 基本气象条件评分标准

综上所述，本气候品质认证主要考虑板栗生育期的气象灾害有：12月—次年4月极端最低气温(b1)、3月中旬—4月下旬旬平均气温距平(b2)、花期最长连阴雨日数(b3)和果实膨大期干旱日数(b4)4 项。将气象灾害发生的程度分为重度、中度、轻度和无灾害4 个等级，分级指标及评分标准详见表2，依式(3)得到年度内气象灾害评分。

1.2.4 板栗气候品质认证指标 各年份内的基本气象条件评分与年内气象灾害评分之和，即为本年度内板栗气候品质认定评分W，计算如公式(4)所示。

根据分值W 的不同，将板栗的气候品质分为3 个等级：（1）W＞95分，特优；（2）95分≤W＜90分，优；（3）W≤90分，一般。

1.2.5 DTOPSIS 方法介绍DTOPSIS 法是对逼近理想解排序法的进一步深化，是一种加权的TOPSIS 法[24]，具体计算步骤为[25]：

（1）建立基本气象条件评价矩阵Aij，i为年份数，此处取值1,2,3,…,48，j=1,2,3,4,5 为基本气象条件中的5个要素项，具体如公式(5)所示。

（2）将A进行无量纲化处理，使其成为可相互比较的规范化矩阵D，其中Dij如公式(6)所示。

（3）确定各指标权重，建立规范化决策矩阵R，其中矩阵R 的元素Rij=Wj×Dij，Wj为第j 个气象要素的权重值，i、j取值同上。

（4）求取各气象要素的理想解和负理想解，公式如(7)～(8)所示。

（5）采用欧几里德范数作为距离的测定，得到各年基本气象条件与理想解的距离如式(9)所示。

表2 气象灾害分级指标及评分标准

与负理想解的距离如式(10)所示。

（6）求各年基本气象条件对理想解的相对接近度，作为衡量决策点接近理想解而远离非理想解的程度，即表示各年气象条件的综合评估指标C，如公式(11)所示。C值介于0～1之间，值越大，表明越接近理想解。

1.3 统计分析

通过Excel中的回归分析，建立气温、降水和日照时数时间序列回归方程，分析各要素的气候变化特征；采用MATLAB软件实现DTOPSIS方法中各项参数的计算，进而对综合评估指标C值进行分析。

2 结果与分析

2.1 基本气象条件的时间变化特征

2.1.1 热量资源 空气温度即气温是板栗生长发育的重要热量资源之一，在年平均气温8～17℃，生长季10～24℃条件下易生长，开花期适宜温度16～26℃，低于15℃影响授粉授精和坐果。果实膨大期，20℃以上的平均气温可促进坚果生长[26]，成熟期降温早影响果实成熟，休眠期以0℃左右最为适宜，冬季气温不易低于-10℃。

1971—2018 年，青龙县年平均气温在8.3～10.8℃之间变化，整体呈波动式上升（图2），气候倾向率为0.322℃/10 a，升温显著，尤以20 世纪90 年代最为突出。年平均气温最低值为8.3℃，出现在1985 年，最高值为10.8℃，出现在2017 年，2014—2018 年的平均气温均在10℃以上（图2）。

全年冬季月份（1月、2月和12月）气温最低，夏季月份（6—8 月）最高，其中1 月最冷，其多年平均气温为-8.1℃，平均最低温为-13.7℃；7月为年内最热月，其多年月平均气温为24.5℃，平均最高温为29.7℃。青龙县4—9月的多年月平均气温介于12.0～24.5℃之间，适宜板栗生长，5—9月该地的多年月平均气温均在17℃以上，对板栗的开花、坐果、果实膨大生长等均十分有利。

2.1.2 水分资源 板栗对水分条件要求不太严格，只要不出现较重的旱或涝，就对其生长发育无明显影响[27]。年降水量500～2000 mm 的地区可栽培板栗，中国北方产区，雨量一般在500～800 mm。板栗有“干花湿果”的特性[28-29]，开花期间连阴雨日数过多，光合作用减少，影响植株的花芽分化和授粉授精，从而造成减产；而在果实生长膨大期如降水少，易引起“空篷”、果实干瘪，从而降低产量和品质。

1971—2018 年，青龙县年平均降水量介于387.6～1128.8 mm之间，整体呈微弱的减少趋势（图3），气候倾向率为-16.12 mm/10 a，其中20世纪80年代和21世纪初10 年降水量明显减少，而20 世纪90 年代和2011 年之后的年份，降水量则呈增多变化，2011年后增多较为明显。年降水量最少为1999 年的387.6 mm，其次为1982 年和2014 年，数值均在450 mm 以下。上述年份均出现过较重的气象干旱，各年重旱以上日数达到36天以上，其中雨季7、8月份重旱以上日数超过15天。

青龙县全年各月降水量分布特征与气温近似，冬季月份降水最少，夏季月份最多，1 月为最少月，其多年平均值为2.9 mm，7月最多为225.2 mm，约占全年总降水量的1/3，8 月次之。这种雨热同季的气候特点，对该地区板栗果实的生长到成熟十分有利。

2.1.3 光照资源 板栗是喜光的阳性植物，生长发育期的全过程要求充足的光照，尤以开花期和幼果发育期更要光照充足，空气适度干爽，利于开花坐果，果实膨大期日照不足，抑制果实生长甚至落果，造成产量降低。故板栗适宜在光照充足的开阔地种植，白天超过6 h的光照，年日照时数2200～2900 h为最佳[30]。

1971—2018年，青龙县日平均日照小时数为7.4 h，年平均值在2259.5～2956.6 h 之间，整体呈明显的下降趋势，气候倾向率为-70.056 h/10 a，其中2001—2010年间日照时数减少最为显著，较20世纪90年代减小了219.6 h，2011 年之后则有所上扬，2014—2018 年的数值均达到2600 h以上（图4）。

全年3—6月间的日照最为充足，其次为8—10月，其中5 月的日照时数最多，占全年总量的10.2%。5、6月正值青龙县板栗开花期，充足的光照和适度的干爽天气对板栗的开花授粉授精和坐果十分必要，而秋季9 月为板栗的成熟期，若雨水过多、光照不足，则会引起苞皮破裂以致采前落果，影响栗果的品质和耐储性。

2.2 应用DTOPSIS方法建立气象条件综合评价指标

根据1.2.5中介绍的方法逐步推导，其中各气象要素的权重值即式(2)中各因子的系数，最终得到表示气象条件的综合指标C。图5为1971—2018年气象条件综合评价指标C值的历年分布情况，由图可见，各年C值在0.22～0.86 之间变化，C 值越大，说明当年的气象条件越适宜板栗的生长和发育。1971—2018年，指标C≥0.5 的年份占比为45.8%，其中1977、1984、1986、1994、1996年的C值超过0.75，为所有年份中相对较大的；C值低于0.3的年份为1999、2003、2006年。

2.3 板栗气候品质认证及其与C值的比较分析

从影响板栗生长过程中的温、光、水3大基本气象要素出发，采用多目标决策DTOPSIS 方法，获得了青龙县历年气象条件综合评价指标C，虽然C 值的高低可以反映出气象条件的优劣，但由于多目标决策通常没有一个方案能使每个目标值都达到最优，而是获得非劣解，即在所有可行解中没有一个优于它，因此在C值偏高年份，并不表示这一年的各项气象要素都绝对优质，也可能存在气象灾害的发生，而C 值偏低年份，也会出现某些气象要素在板栗生长适宜范围内。

为验证所建指标的合理性和可靠性，本研究将从气象条件的定量和定性两方面进行分析，以2008—2018年为例，将逐年气象条件综合指标C值与通过百分制方法获得的同期板栗品质等级进行对比分析。

2.3.1 基本气象条件评分 根据青龙县2008—2018 年间各基本气象条件的实际情况，结合1.2.2中表1及公式(2)，得到各年份基本气象条件的加权得分，如表3中所示。2010、2012、2016—2018 年为基本气象条件满分年份，表明上述5个年份的气温、降水和光照等基本气象条件对板栗的生长和发育十分有利。

2.3.2 气象灾害评分 根据2008—2018 年各年份内气象灾害的发生程度，依据1.2.3 中介绍的方法，通过式(3)得到气象灾害评分，如表4 所示。2008—2018 年各年份内均有气象灾害发生，其中2014年和2015年的气象灾害发生程度较重，得分均低于-10分，其次是2008年；2012、2016、2018 年的气象灾害发生程度较轻，得分均在-1分以上。

2.3.3 板栗气候品质与C值的对比分析 综合基本气象条件评分与年内气象灾害评分之和，即为本年度内板栗气候品质认定评分W，由公式(4)获得。结合1.2.4中板栗品质认证的分级标准，表5 中列出了2008—2018年青龙县各年份板栗品质综合认证结果。由表可知，2008—2018年中有5个年份的板栗品质达到特优等级（W＞95分），分别为2010、2012、2013、2016、2018年，3个年份达到优等级（95分≤W＜90分），其中2008、2014和2015 年的品质相对其他年份较差，为品质一般年（W≤90分）。

表3 青龙县板栗生长的基本气象条件评分

表4 气象灾害评分

对应各年气象条件综合评价指标C 值（表5），在板栗果品达到优质或以上等级的年份，C 值也是相对较高的，2008—2018年中2012年的C值最大，为0.73，其次是2016、2017和2010年，C值均在0.6以上。板栗品质相对一般的2008、2014和2015年，C值较小，均在0.4以下。

3 结论与讨论

（1）1971—2018 年，青龙县年平均气温整体呈波动式上升，气候倾向率为0.322℃/10 a；全年1月最冷，7月最热，4—9 月的多年平均气温介于12～24.5℃之间，适宜板栗生长，5—9月均在17℃以上，对板栗的开花、坐果等十分有利。

（2）1971—2018 年，青龙县年平均降水量整体呈微弱的减少趋势，气候倾向率为-16.12 mm/10 a，2011年之后增多明显；1982、1999、2014 年为少雨年，年降水量均在450 mm 以下；全年各月的降水量分布特征与气温近似，冬季月份降水最少，夏季月份最多，1 月为最少月，7 月最多，这种雨热同季的气候特点，适宜该地区板栗果实生长至成熟。

表5 板栗品质综合认定结果

（3）1971—2018 年，青龙县日平均日照小时数为7.4 h，整体呈明显的下降趋势，气候倾向率为-70.056 h/10 a，2011 年之后有所上扬，2014—2018 年的数值均在2600 h以上；全年3—6月间的日照最为充足，其次为8—10月，春末秋初充足的光照和适度的干爽天气对板栗的开花授粉授精和坐果十分必要。

（4）基于DTOPSIS 方法，建立了板栗生长的气象条件综合评价指标C，C值介于0～1之间。1971—2018年间，指标C≥0.5 的年份占比为45.8%，1977、1984、1986、1994、1996 年的C 值超过0.75，为所有年份中相对较大的；C值低于0.3的年份为1999、2003、2006年。

（5）以2008—2018 年为例，综合基本气象条件评分与年内气象灾害评分之和，对板栗气候品质进行了认证，其中5个年份的板栗品质达到特优等级（W＞95分），分别为2010、2012、2013、2016、2018 年，3 个年份达到优等级（95 分≤W＜90 分），2008、2014、2015 年的品质相对其他年份较差，为品质一般年（W≤90分）。

（6）采用气温、降水和光照等基本气象要素，通过DTOPSIS 方法所建立的气象条件综合评价指标C 值与板栗的气候品质之间大致存在正相关关系，板栗果品达到优质或以上等级的年份，C 值也是相对较高的。上述分析结果对今后年份板栗果品的评价和预估均有很好的指示作用。

本研究在建立气象条件综合指标C 值时，未将气象灾害项列入其中，因此在实际应用中，为达到更加准确的果品认定结果，建议结合年内的气象灾害发生情况最终给予果品评定结论。此外，板栗品质受气候条件、生产管理条件、地貌和土壤等多种因素影响，仅从果品生长的基本气象条件和年度内气象灾害两方面进行分析，对板栗的气候品质进行认证，其方法和考虑影响因素仍存在一定局限性，但在生产管理条件、地貌和土壤等资料不容易获取的条件下，此方法也是相对科学、可行的。