河北省太行山区核桃萌芽幼果期温度适宜度模型构建及应用

赵玉兵 李武龙 陈利英 路漫漫 杨丽娜 孙东磊*

(1 河北省邢台市气象局，邢台 054000； 2 河北省核桃工程技术研究中心，临城 054300)

引言

气候适宜度是综合反映光、温、水等气象条件对作物生长发育的适宜程度，应用主要集中在历史气候适宜性的评估和利用气候模型预估未来气候的影响[1]。国外对气候适宜度的研究较少，仅瑞士 Holzkämper[2]等采用遗传算法建立了玉米的气候适宜度模型，其他学者研究主要集中在气候波动对作物的影响，如作物的历史产量和历年气候要素相关模型构建，运用气候预测或作物模型模拟未来气候变化对农业的影响等方面[3]。国内针对气候适宜度的研究最早出现在20世纪80年代初[4-10]，顾恒岳等[4]利用模糊数学理论提出了适宜度的概念，将气候对作物生长的适宜程度简称为适宜度，取值为[0，1]。20世纪90年代，马树庆[11]建立了作物产量对气温变化的反映函数，并指出，某一时期自然环境气温对作物正常生长发育获得高产的满足程度，是由该时期作物生长发育的下限温度、上限温度、高产的适宜温度和自然环境温度决定的函数，是一个在0～1变化的非对称的近似抛物线的曲线。多年来，国内气候适宜度的温度、降水、日照单因子模型中，对温度适宜度模型的改进最少，多数是引用马树庆所建立的基于产量随气温变化的隶属函数模型，所不同的是对模型中指标参数进行改变，或生育期指标改为旬指标或日指标等。郭建平[12]参照马树庆所建立模型构建了热量指数随气温变化的隶属函数模型。马树庆所建立的模型采用生育期或月、旬平均气温指标，并不能充分表达极端气温对作物的影响，特别是在作物某生育时期对极端低温(高温)较为敏感并产生较大影响时，采用平均气温容易造成“假性”适宜表达。

核桃是我国主要的经济林树种。河北省常年种植面积约15×104hm2，主要栽培区在太行山区和燕山山区。核桃冻害是引起河北省核桃减产绝产主要自然灾害，太行山区核桃低温冻害风险较高，发生概率为20%左右，主要发生在核桃萌芽-幼果期，时间集中在3月下旬至4月上中旬[13-16]。对核桃生长发育而言，核桃全生育期中萌芽-幼果期对低温较为敏感，持续2 h以上的低温是对该阶段生长发育影响程度最重要的因素，主要表现为产生低温胁迫造成冻害从而减产。现有的适宜度模型中，不能反映短时间低温对作物生长发育的影响。因而本研究基于温度因子对核桃萌芽-幼果期生长发育影响，将逐日最低气温、致死温度和致灾温度及持续时间引入气温隶属函数，并结合多年的调查资料进行检验，尝试建立核桃的温度适宜度模型，探索将适宜度模型应用于核桃冻害监测预警，以期为开展林果业气象服务提供一定的借鉴。

1 研究数据及其处理

河北省太行山区24个国家气象站,站点分布见图1，1991—2020年日观测资料包括日平均气温、日最低气温，由河北省气候中心提供。2000—2020年各县(市)区冻害等级资料由各地林业部门提供，课题组进行整理。2010—2020年沙河、临城、武安、涉县、行唐等县(市)区，冻害调查资料来源于河北省核桃气象中心田间调查数据，田间调查采用随机区组排列，选取生长势一致且树龄为3～10年，调查每区单株，6次重复，调查地的气象数据来源于调查地区域气象站，部分气象数据来源于果园的人工气象观测数据。冻害调查根据新稍受冻情况确定，参考任俊杰等[17]将受冻情况分为4级，分级标准如表1。

图1 太行山核桃产区气象站点分布

表1 冻害调查分级标准

2 适宜度模型构建

2.1 核桃萌芽幼果期日平均气温隶属函数适宜度模型

果树对温度因子的适应有很适宜、适宜或不适宜之分，这些都为定性描述，而利用模糊数学隶属函数的方法可以将各因子对作物的适宜程度定量化，此隶属度取值为0～1之间，隶属度值越大表明作物在该区域的温度适应性越高。不同环境气温下光合速率反应曲线也是不同的，根据Larcher 和Mirza[18]等气温与作物光合作用的关系曲线，气温与光合速率反应曲线近似呈S形。从光合作用的最适温度到下限温度之间，光合作用速率表现为随温度的下降而降低，从光合作用最适温度到上限温度之间，光合作用速率表现为随温度的上升而提高，上升或下降的变化在刚超出最适温度或接近上下限温度变化时最快，低于下限温度或高于上限温度，叶绿体结构及酶活性等会发生变化，对光合作用会产生严重不利影响。参考气温对光合速率的影响，仅从温度因子而言，我们定义在低于下限温度或高于上限温度时，温度对果树适宜程度定义为0，在适宜温度范围内温度对果树适宜程度定义为1；从下限温度开始随温度升高而上升，至最适温度下限时达到最大值1，当超过最适温度上限时开始下降，直至上限温度时下降至0。从上述变化整体来看，温度因子对果树的适宜程度，与机器学习中学习率衰减方法常用余弦衰减模型类似，参考余弦衰减模型[19]、王丽[20]建立温度隶属函数，结合研究地区实际情况，建立核桃萌芽-幼果期日平均气温隶属函数ST。

(1)

式中，Ti是萌芽-幼果期实际日平均气温(℃)。取值(表2)参考张玉星[21]主编的《果树栽培学各论》和李保国[22]主编的《绿色优质薄皮核桃生产》，同时结合河北省核桃气象中心有关专家和技术人员田间调查数据。

表2 日平均气温隶属函数因子取值

注:Th、Tl、Tsh、Tsl分别为萌芽-幼果期日平均气温上、下限和最适气温的上、下限。

2.2 日最低气温隶属函数适宜度模型

在果树处于春季温度敏感期阶段，气温对果树生长的适宜程度，主要表现为低温对花器的胁迫，当温度下降到0 ℃以下时，起初花器组织处于过冷却状态，器官组织不受伤害，当温度继续下降到器官生理适应的低温下限，即致灾温度的起点，果树将会受到低温胁迫，这时若温度回升至适温后，部分花器会发生褐变，但仍有恢复生长的可能。若温度继续下降，一旦气温降到某一温度，花器将不能恢复生长造成死亡，此时温度称为致死温度[23-27]。有关研究表明，随外界温度的变化，花器的组织温度变化曲线并非线性变化，低温胁迫对花器组织温度变化近似呈“～”形。从日最低气温来讲，存在一个温度点在其之上果树不受到低温胁迫，我们定义为适宜日最低气温，在适宜日最低气温以上，温度因子对果树适宜程度定义为1，在致死温度以下我们定义为0。日最低适宜气温到致灾温度之间，对细胞的组织结构不会产生明显影响，但对细胞功能产生一定影响，致灾温度到致死温度之间，对细胞的组织结构和功能均产生一定影响，影响大小同低温持续时间关系密切。细胞组织结构和功能变化接近致灾和致死温度时变化最快，这种变化我们仍尝试参考机器学习中学习率衰减余弦衰减模型去描述。结合研究地区实际情况，建立萌芽-幼果期日最低气温隶属函数SE。

(2)

式(2)中,Te为萌芽-幼果期实际日最低气温，取值(表3)参考张玉星[21]主编的《果树栽培学各论》和李保国[22]主编的《绿色优质薄皮核桃生产》。Fn(持续时间影响因子系数)=1-新稍叶片受害率，新稍叶片受害率=受冻新稍叶数/新稍总数叶数。取值参考河北农业大学李保国教授2000—2016年核桃春季冻害调查数据，同时结合河北省核桃气象中心有关专家和技术人员2010—2020年冻害调查数据，新稍叶片受害率取值采取四舍五入，保留一位小数(表4)。

表3 日最低气温隶属函数因子取值

表4 低于致灾温度持续时间(t)影响因子系数(Fn)

2.3 核桃萌芽幼果期温度综合适宜度模型

S=nST+mSE

1=n+m

(3)

式(3)中,S为萌芽-幼果期温度综合适宜度，ST为日平均气温适宜度，SE为日最低气温适宜度，n为日平均气温适宜度权重，m为日最低气温适宜度权重。本研究中采取德尔菲法[28]，向研究区域内15位专家包括果农、企业技术员、行政部门管理人员、高校、科研院所等，发出3轮咨询，专家咨询表回收率分别为93%、100%、100%，从专家学术水平、对指标熟悉程度、判断依据等对专家权威程度进行量化设计，采用加权平均法确定日平均气温适宜度、日最低气温适宜度权重，n、m值均为0.5。

3 模型的检验与应用

3.1 基于温度综合适宜度的冻害等级划分

从2010—2020年本课题组调查分析，河北省太行山区发生不同程度的冻害的年份为5次。以建立的温度隶属函数，分析了不同年份不同地点日平均气温适宜度、日最低气温适宜度、温度综合适宜度，表明发生冻害时日平均气温适宜度为0.11～0.74、日最低气温适宜度为0.10～0.54、温度综合适宜度为0.11～0.59。综合分析表明：冻害发生时日平均气温适宜度一般在0.8以下，日最低气温适宜度、温度综合适宜度一般在0.6以下。以温度综合适宜度(S)进行冻害等级划分，当0.5

表5 2010—2020年部分县(市)核桃冻害对应的适宜度分析

3.2 历史数据分析与模型检验

1991—2020年3月中旬至4月下旬，日平均气温适宜度平均为0.84，1991年最小为0.50，日最低气温适宜度平均为0.74，2013年最小为0.47，温度综合适宜度平均为0.76，2013年最小为0.51。由于各地冻害田间调查资料不全，本研究采用冻害资料较全的1999—2020年有关数据进行检验，根据温度综合适宜度指标判定，河北省太行山区1999—2020年24个气象站达到冻害日数总计为85站·d，其中轻微冻害日数为44站·d，轻度冻害日数16站·d，中度冻害日数为25站·d。为验证温度综合适宜度指标判定冻害的准确率，除去表5中冻害发生日数8站·d，对其余77站·d运用指标判定等级与实际冻害等级比较，轻微、轻度、中度冻害判定准确率分别为88%、71%、91%，平均达84%，可见温度综合适宜度数值的大小能够很好地反映是否发生冻害和冻害发生等级情况，温度综合适宜度模型可用于太行山核桃萌芽-幼果期冻害监测预警(表6)。

表6 1999—2020年基于温度综合适宜度的核桃冻害判定情况检验

4 结论与讨论

(1)基于温度因子对核桃萌芽-幼果期生长发育影响，利用模糊数学隶属函数的方法，参考学习率衰减方法中余弦衰减模型，建立了河北省太行山区核桃萌芽-幼果期日平均气温隶属函数；同时将逐日最低气温、致死温度和致灾温度及低于致灾温度持续时间引入日最低气温隶属函数，按一定权重组合建立了温度综合适宜度模型。本研究建立的日平均气温隶属函数，与马树庆建立的模型相比，在采用相同的气温参数情况下，其结果在萌芽-展叶期基本一致，花期-幼果期适宜度偏小。从田间调查情况分析，本研究适宜度数值对描述温度因子对核桃生长发育影响更为客观。以温度综合适宜度(S)进行冻害等级划分，当0.5

(2)日最低气温隶属函数，采取了适宜日最低气温、致死温度、致灾温度，当日最低气温小于致灾温度时，参考低温持续时间因子，实现定量评价日最低温度对核桃生长的影响，弥补了以往温度隶属函数模型采用月、旬气象要素平均值作为基础数据，由于时间段平均值掩盖了气象要素时间分布不均匀性和多变性特征，导致作物生长过程中短时低温过程影响难以充分反映出来的不足。本研究所建立温度函数模型表征更为准确、科学、客观和全面。由低温造成的伤害，其外因主要决定于气温降低的程度、持续的时间和发生的时期，内因主要决定于果树种类、品种及其抗寒能力，此外还与地势、树势有关[29-30]。本研究未考虑海拔、地形、作物的抗寒性对核桃生长发育的影响，研究有待进一步深入。

(3)气候适宜度评价指标与作物种类、品种、特性等有关，随着作物种植种类、种植品种的多样化及气候变化的影响，气候适宜度评价指标也会随之而变化。同时，作物不同生育时期起主导作用的光温因子并不相同。本研究对不同品种的核桃不同生育期的温度指标还需进一步通过田间调查进行修正。

(4)本研究所建立模型所需部分数据在气象智能网格预报中能实现自动化提取，利于模型业务化应用，实现气候适宜度以历史资料评价向预报预警转化，为开展林果业冻害监测预警服务提供科技支撑。