奉贤黄桃产量的气象影响因子分析及预测模型的建立

徐相明，谈建国，顾品强，杜纪红，王正大，汤晨阳，姚寅秋，尹荔阳

（1上海市奉贤区气象局，上海 201416；2上海市气候中心，上海 200030；3上海市农业科学院林木果树研究所，上海 201400）

0 引言

随着气候变暖，极端天气事件发生次数及强度呈增多（增强）趋势，对农作物耕种制度、品种选择及产量、品质造成直接影响，杨华、Liu Q、刘玉洁等[1-3]发现随着温度升高作物生长季开始时间提前，李宁等[4]通过气候预测来预估气候对海南岛橡胶树种植的影响，卢燕宇等[5-7]分析气候变化及极端天气对粮食产量的致灾风险，并因地制宜提出针对性建议。果业作为农业的组成部分，对气候变化呈现出不同程度的响应，彭颖姝等[8]认为气候变化对温带地区园艺果树造成负面影响，需要通过研究果树对气候变暖的应对机理和机制来降低气候变化带来的损失，并提出3点应对建议；Wang L等[9]通过试验表明冬季气温达不到甜樱桃开花的临界需冷量会造成雌花器官异常，限制了在暖冬地区种植甜樱桃；徐相明等[10]得出花期遭遇极端高温导致2015年庄行蜜梨坐果减少，并建立大田高温致灾指标；姚小英、万梓文等[11-12]得出天水气候变干变暖的趋势导致当地桃树物候普遍提前，并分析不同时期的气象因子对桃产量的影响；蒋璐璐等[13]通过选取关键气象因子，运用统计学方法建立奉化市水蜜桃产量预测模型并进行验证。

奉贤地处长江三角洲，从20世纪80年代开始大量种植黄桃，2010年‘奉贤黄桃’获国家“地理标志保护认定产品”称号，种植的品种主要为上海市农科院培育的‘锦绣’系列[14]。近年来，奉贤不断推进乡村振兴战略的实施，通过大力发展桃产业，促进桃农增产增收，但黄桃生长期容易遭受低温、高温、连阴雨、干旱、大风（台风）[15]等灾害性气象因子的影响而导致减产，如2013年遭遇持续干旱导致黄桃商品果数量大幅下降、2014年遭遇10级雷雨大风造成10%～15%的果实脱落、2016年遭遇花期相对湿度偏低等气象致灾因子导致坐果数大幅减少[16]。为提升应对气候变化导致的致灾风险能力，徐相明、李军等[16-17]基于春季首日建立桃始花期的长期预报模型，顾品强等[18]基于桃关键生育期气温等因子进行花期、采摘期预测，但气象因子对奉贤黄桃产量影响的研究鲜有报道。本研究拟通过对黄桃全生育期气象因子对产量的影响进行详细分析，并建立基于气象因子的黄桃产量预测模型，以期为奉贤黄桃生产及管理部门有效应对气候变化提供理论和技术支持。

1 资料与方法

上海奉贤地区黄桃种植主要集中在青村镇，其它镇有零散种植，故本研究分析的黄桃产量等资料均为青村镇的统计数据，来源于上海市奉贤区林业署[19]及上海市奉贤区青村镇农业服务中心，序列为1982—2019年，产量以每公顷产出量表示（以下均同）。气象数据来源于上海市奉贤区气象局，包括1981—2019年逐旬气温（平均气温、平均最高气温、平均最低气温，下文分别简称为平均气温、最高气温、最低气温）、降水（降水量、降水日数）、相对湿度（下文简称为湿度）、日照等气象观测资料。考虑方便对黄桃生育期的分析，文中黄桃全生育期为上年7月—当年8月中旬，如2019年全生育期指2018年7月—2019年8月20日。

黄桃产量与气候条件有直接关系，即从上年花芽分化到果实成熟采摘各个时期的生长都受到气温、降水、光照等[20]气象因子的影响。奉贤黄桃于上年7—10月处于花芽分化期，11月处于落叶期，上年12月—当年2月处于休眠期，3—4月处于萌动—开花坐果期，5—8月中旬为果实膨大—成熟期。柏秦凤等[21]提出果树气象灾害指标按照指标组成类型划分为：单要素指标、多要素指标、综合类指标，本研究采用单要素指标法，即将气象因子对黄桃产量的影响进行分类分析。文中，对黄桃全生育期旬（或连续多旬、月）的气温、降水、日照、湿度等气象要素观测值、日平均气温≥10、15、20℃的初终期及其≥10℃的有效积温、日最高气温≥35℃（日最低气温≤-5℃）的日数及初终期、年极端最高（最低）气温等气象因子与黄桃产量求相关，并对各相关系数进行详细分析，其中涉及到当年膨大成熟期的10、15、20℃有效积温、35℃日数及初终期只统计至8月20日。

2 结果与分析

2.1 奉贤黄桃产量的变化特征及对生育期气象因子的响应

对奉贤1982—2019年历年黄桃全生育期平均气温及产量变化特征进行分析，可知（图1）：38年平均气温最高为19.1℃（2017年）、最低为16.6℃（1982年），呈持续增温趋势，气候倾向率达到0.45℃/10 a。38年间黄桃产量与平均气温相关系数高达0.560（P＜0.01），但黄桃产量与平均气温变化趋势不同，以2003年为界，呈现出不同的变化趋势。1982—2002年黄桃产量呈波动式上升趋势，上升趋势达到1284.5 kg/a，2002年的产量达到33126.5 kg/hm2，是1982年（2277.2 kg/hm2）的14.5倍，而2003—2019年黄桃产量整体呈围绕2003—2019年均值（16323.2 kg/hm2）上下波动，与平均气温相关系数降至0.344，最高年产量（22812.2 kg/hm2，2009年）比最低年（6739.9 kg/hm2，2016年）偏高16072.5 kg/hm2，且最低年产量仅为2003—2019年均值的41.3%，该时期产量变异系数达到22.9%。分析2003年以来产量最低的2年，可知随着奉贤地区气温持续升高，极端天气强度增强，2013年夏季出现持续高温干旱，7—8月中旬出现日最高气温≥35℃的天数为23天，降水量、降水日数分别仅为28.1 mm、7天，造成当年黄桃商品果减少、单果重下降；2016年花期温度偏高、日照偏多、湿度过低，造成黄桃坐果数大幅减少。说明，奉贤黄桃随着规模化种植时间的推移，栽培品种及管理水平逐渐适应当地气候，黄桃产量由持续增长转为年际间波动，但由于温、光、水等气象因子匹配程度的不确定性，导致2003年之后黄桃产量大幅波动。

图1 奉贤地区1982—2019年历年黄桃全生育期平均气温及产量变化趋势

统计奉贤黄桃2003—2019年历年全生育期各月气象因子与产量的相关系数（表1）并分析，可知：与黄桃产量相关系数通过信度0.05（或0.01）显著性检验的气象因子均位于花芽分化期及膨大成熟期，即说明这2个物候期是气象因子影响奉贤黄桃产量形成的关键时期，气象条件是否适宜直接影响黄桃产量。落叶—开花坐果期气候条件基本适宜黄桃生长发育，各气象因子与黄桃产量大多呈弱相关，但在开花坐果后期至硬核之前的气温日较差、降水及湿度对产量有一定的影响；奉贤气候变暖整体有利于黄桃增产，全生育期气温每上升1℃，产量增加6780.1 kg/hm2（P＜0.01），但气候变暖导致花芽分化前期（或膨大成熟后期）的气温对上下年度产量影响效应呈相反的变化，以致黄桃产量达到22800 kg/hm2后未随气温升高继续增加。作为不耐涝果树，奉贤黄桃仅花芽分化后期、休眠期后期及成熟期降水不足，可以适当补充水分以促进产量形成，其余时期降水均偏多，尤其是幼果膨大初期，如5月降水日数与产量达到显著负相关。湿度对黄桃产量的影响与降水基本一致，开花坐果后期至膨大前期持续的高湿有利于腐褐病等病虫害发生，与黄桃产量呈显著负相关，日照对黄桃产量的影响与降水（湿度）相反。

表1 奉贤黄桃2003—2019年历年全生育期各月气象因子与产量的相关系数

统计奉贤地区10、15、20℃的相关因子与黄桃产量的相关系数得到表2，得出：上年各界限温度初终期及有效积温与黄桃产量的相关性高于当年，仅当年20℃初日与黄桃产量的相关性高于上年，其中上年10℃终日、上年10℃有效积温、上年20℃有效积温与黄桃产量的相关性均通过信度0.05显著性检验，且上年≥35℃初终期及间隔日数与黄桃产量的相关系数达到0.356～0.417，表明花芽分化期需要较高的温度条件提升花芽、雌蕊生成及落叶前营养积累。休眠期极端最低气温、≤-5℃年日数与产量的相关系数为-0.175、0.220，这可能与黄桃解除休眠需要一定冷温量有关，奉贤地区黄桃休眠期温度偏高造成满足蓄冷量的日期推迟，从而影响黄桃花芽萌动、开花。

表2 奉贤黄桃全生育期相关界限温度与产量的相关系数

2.2 2003—2019年气象因子对奉贤黄桃产量的影响

2.2.1 气温 从图2可知，奉贤地区2003—2019年各旬平均气温、最高气温、最低气温与黄桃产量的相关性变化趋势基本一致，仅开花坐果后期至膨大前期（4—5月）的最低气温与平均气温、最高气温不同，大多呈负相关。总体上，各旬气温与产量相关性以膨大成熟期中期（6月中旬前后）为界，由以正相关为主转为以负相关为主，其中花芽分化期初期（上年7月上中旬）和中后期（上年9月中旬—10月中旬）的平均气温、最低气温及花芽分化期初期（上年7月上中旬）、开花坐果期后期至膨大成熟期中期（4月下旬—6月上旬）的最高气温均通过信度0.05（或0.01）显著性检验；膨大成熟期后期（7月下旬—8月中旬）的平均气温、最高气温、最低气温均为负相关，且最低气温通过信度0.05显著性检验。气温日较差与产量的相关性与气温类似，大多呈正相关，其中3月中旬—6月下旬持续正相关，且4月中旬、5月下旬通过信度0.05显著性检验，但花芽分化期的上年9月中旬—10月下旬为持续负相关、膨大成熟期的7月上旬—8月中旬以负相关为主。说明花芽分化期整体呈现温度越高越有利于花芽及雌蕊的形成，尤其是上年7月中旬花芽（叶芽）生理分化期及上年9月中旬—10月中旬雌蕊雄蕊形成期，但盛夏季节（上年7月下旬—8月上旬）最低气温偏高、秋季（上年9月中旬—10月中旬）昼夜温差偏大不利于花芽等形成；黄桃开花坐果—膨大期气温越高、日较差越大越有利于黄桃干物质积累及产量形成，但盛夏阶段较高的气温抑制黄桃果实增长。

图2 奉贤黄桃2003—2019年全生育期各旬气温因子与产量的相关系数

2.2.2 降水、湿度 由图3可知：奉贤地区降水量、降水日数对黄桃产量的影响相似，且由于湿度高低主要受降水因素影响，其对黄桃产量的影响与降水一致，但各生育期之间存在一定的差异。花芽分化期前中期（上年7—9月）降水量、降水日数、湿度与产量的相关性大多呈正相关，仅上年7月上中旬、上年8月下旬呈负相关，且各旬相关系数振幅大，如上年7月中旬、上年8月下旬降水量与产量的相关系数分别为-0.536、-0.542，而上年9月中旬降水量相关系数为0.493，需关注梅雨（晚梅雨）、台风降水等夏季极端降水及秋季降水趋少变化对黄桃花芽分化可能造成的不利影响。落叶期—开花坐果期前期（上年10月—3月）与产量的相关性均较弱，正负相关呈交替变化。开花坐果期后期—膨大成熟期（4—8月中旬）以7月下旬为界，之前大多呈负相关，其中4月下旬—5月上旬的累积降水量、4月下旬—5月下旬的累积降水日数、4月下旬—7月中旬的平均湿度与产量的相关系数分别达到-0.553（P＜0.05）、-0.680 （P＜0.01）、-0.660 （P＜0.01），说明这些时段降水越多、湿度越大，越不利于黄桃产量形成；但7月下旬及之后均呈正相关，其中7月下旬的降水量、降水日数分别达到0.496 （P＜0.05）、0.609 （P＜0.01），说明黄桃膨大后期至成熟阶段需要适当补充水分，如2013年出现夏秋持续干旱，通过采取灌溉等措施的田块产量仍接近正常年景产量。同时，据调查，奉贤黄桃始花-盛花期间一般在3月下旬，该旬湿度与产量的相关系数为0.327，与3月中旬（-0.213）、4月上旬（-0.356）相关系数相反，说明3月中旬、4月上旬湿度偏高易造成病虫害，减少坐果数及后期商品果数量，但3月下旬与此相反，呈现出湿度越高产量越多，这是因为在黄桃开花关键期需要一定的湿度来维持花粉活性、柱头粘液黏性，确保桃花正常授粉受精，而目前奉贤地区3月下旬湿度偏低，如2016年花期出现少雨、低湿等天气现象，导致产量大幅偏低[16]。

图3 奉贤黄桃2003—2019年全生育期各旬降水、湿度与产量的相关系数

2.2.3日照 桃树属于喜光树种，日照多寡直接影响桃树的光合作用，日照充足时树体强壮、干物质积累多。日照对黄桃产量影响与降水（湿度）相反，且各生育期之间差异明显。日照与产量的相关性在花芽分化期由正相关向负相关转换，其中上年10月中旬日照与黄桃产量呈显著负相关，且落叶至休眠初期（上年11—12月）呈现弱相关，休眠中期至开花坐果前期（1—3月）呈持续弱的负相关，说明除花芽分化期前期（上年7—8月）日照充足有利于提高产量外，3月之前其他时段日照已经达到或超过黄桃生长需求。开花坐果后期至膨大成熟期（4月—8月20日）以7月中旬为界，之前除7月上旬（弱的负相关）外均为正相关，其中4月上旬—6月下旬的累积日照与黄桃产量的相关系数达到0.489（P＜0.05），而7月下旬之后日照与黄桃产量呈负相关，其中7月下旬—8月中旬的累积日照与黄桃产量的相关系数通过信度0.05显著性检验。说明，开花坐果后期至膨大期日照越多越有利于产量形成，但膨大成熟期后期日照偏多，需要果农采取应急措施来趋利避害。

图4 奉贤黄桃2003—2019年全生育期各旬日照与产量的相关系数

2.3 产量模型的建立及检验

通过对2003—2019年黄桃全生育期逐旬（或连续多旬、月）的气温、湿度、降水、日照及不同界限温度的初终期、有效积温等与黄桃产量进行相关分析，发现与奉贤黄桃产量相关性强的气象因子均位于花芽分化期及膨大成熟期，开花坐果期后期也有部分气象因子与黄桃产量有一定的相关性。为减少气象因子偶然性对产量波动的影响，以连续≥2旬的时间段为单元，统计与产量的相关系数通过信度0.05显著性检验的气象因子列于表3。

从表3及表2列出的相关系数通过信度0.05显著性检验的气象因子中挑选出相对独立、易统计、具有一定提前量的因子作为产量模型的预报因子。经过筛选，挑选了4个温度因子、2个降水因子、2个日照因子、1个湿度因子作为多元回归方程的自变量（X），并采用偏最小二乘回归方法建立黄桃产量（Y）预测模型，如式（1）所示。

表3 奉贤黄桃全生育期连续≥2旬且与产量相关系数通过信度0.05显著性检验的气象因子

其中：X1为上年7—10月平均气温（℃）、X2为上年10℃有效积温（d·℃）、X3为4月上旬—6月上旬最高气温平均值（℃）、X4为3月下旬—6月上旬日较差平均值（℃）、X5为4月下旬—5月上旬降水量（mm）、X6为4月下旬—5月下旬降水日数（d）、X7为4月下旬—7月中旬平均湿度（%）、X8为上年9月上旬—10月中旬日照时数（h）、X9为4月上旬—6月下旬日照时数（h）。

采用误差百分比法对模型预测准确度进行分析，即将2003—2019年历年模拟产量减去实测产量，得到的误差值除以实测产量，计算出误差百分比，取|误差比|≤5%为准确、5%＜|误差比|≤10%为基本准确、|误差比|＞10%为不准确。结果显示，2003—2019年历年模拟产量与实测产量基本相符（图5），达到基本准确的年份为15年（88.2%），其中达到准确的年份有9年（占比52.9%），不准确的年份仅有2年（2016、2017年，占比11.8%）。综合分析实测产量与模拟产量存在较大差异的2年，可发现，2016年黄桃花期受低湿等极端天气影响，坐果数少导致大幅减产，2017年黄桃各生育期气象条件适宜生长发育，表现为温度偏高、降水适中、光照充足，该年大幅增产，模型对这上下2年的欠丰年转折性趋势预测与实况一致。黄桃产量预测模型在2020年投入业务化应用，2020年奉贤黄桃预测产量为16054.5 kg/hm2，实测产量为15306.0 kg/hm2，误差百分比为4.9%，预测结果准确。表明该产量预测模型可以较好的模拟奉贤黄桃产量，其预测值可以为果农、销售商、政府等提供决策依据。

图5 2003—2019年奉贤黄桃产量模拟值与实测值

3 结论与讨论

（1）奉贤黄桃产量以2003年为界，1982—2002年随着品种改良、栽培水平提升及逐渐适应当地气候，产量总体呈单边波动上升趋势，2003年以后产量转为上下波动为主，但受气象因子匹配程度的影响，2003—2019年产量变异系数达到22.9%。黄桃果实膨大—成熟期气象因子与产量的相关性较大，其次为花芽分化期、萌动—开花坐果期，休眠期（落叶期）较小，这可能与黄桃产量由实收果实数、单果重构成有一定的关系,而果实数与花芽分化质量及开花关键期坐果率有关。黄桃全生育期的气温、日照与产量大多呈正相关，而降水、湿度则大多呈负相关，且各气象因子对产量影响存在明显的差异性。

（2）奉贤黄桃膨大成熟期温度（日照）均在4—6月与产量的相关性大多呈正相关，7—8月则大多呈负相关，降水（湿度）与产量的相关性与温度（日照）基本相反。说明在黄桃膨大成熟期前期气温越高、日较差越大、日照越多越有利于提高光合作用及光合产物向果实转化。但春末夏初及梅雨期的持续性降水带来的多雨高湿导致黄桃易落果及增加病虫害的发生，如2020年出现部分果园‘锦枫’黄桃灰霉病等病害较重，且5—6月黄桃硬核期，持续降水及晴雨急转天气增加黄桃裂核数量，减少商品桃，需加强果园沟渠清理，保障排水畅通。7月后期进入果实二次快速膨大及成熟，需要适宜的降水满足树体为果实提供养分，而盛夏伏旱阶段降水偏少易造成黄桃生理性缺水，特别是梅雨结束后的持续晴热天气，可采取林间喷淋、滴灌等补水措施，确保产量及品质；黄桃花芽分化期气温整体呈越高越好，但盛夏季节（7月下旬—8月上旬）最低气温偏高及秋季（9月中旬—10月下旬）日较差偏大，不利于花芽及雌蕊形成，可采取灌水、生草等措施降低林间温度及减缓昼夜温差。花芽分化期各旬降水与黄桃产量相关性差异大，如上年8月下旬、上年9月中旬的降水量（降水日数）与产量的相关系数分别为-0.542（-0.258）、0.493 （0.650），且7月下旬之后的夏季后期至秋季天气晴好，导致降水总体偏少影响果树营养积累及果实膨大，而8月下旬多午后强对流、9月下旬台风易结合弱冷空气等导致阶段性降水偏多，对花芽分化有一定的影响。花芽分化期湿度对黄桃产量影响与降水类似，而日照影响基本与降水相反，上年10月中旬日照与产量呈显著负相关；奉贤黄桃萌动—开花坐果期及落叶—休眠期的气象因子与黄桃产量相关性较小，但春秋季冷暖空气交汇带来的干旱（低湿）等极端天气及暖冬引起的蓄冷量不足对产量有一定影响。

（3）本研究在开展黄桃全生育期期间各类气象因子与产量相关分析的基础上，从2003—2019年影响黄桃产量的温度、湿度、降水、日照及不同界限温度的热量条件等气象因子中，选取具有代表性且与产量相关系数通过信度0.05显著性检验的因子构建黄桃产量预测模型。经过检验，模型预测基本准确率达到88.2%，且对产量的转折性趋势预测效果较好，可应用于日常气象服务，为果农、农业管理部门合理安排肥水管理及病虫害防控提供决策依据，也为果品销售及电商采购等提前部署提供参考。