基于小时气温资料的桃树需冷量和需热量研究

朱晓翠，郑 健，陈妙金，沈 艳，李 军，岳俗甲，杨怡曼

（1浙江省宁波市奉化区气象局，浙江宁波 315500；2宁波市奉化区水蜜桃研究所，浙江宁波 315500；3上海市气候中心，上海 200030）

0 引言

桃树等落叶果树的开花早晚，主要受2个因子影响，一是满足一定低温累积量后才能打破花芽的自然休眠，即需冷量[1-2]；二是休眠结束后需要一定的热量积累才能萌芽开花，即需热量[3-4]。而由于中国幅员辽阔，南北气候差异大，植物物候与气候存在明显的地域特点，因此桃树的需冷量、需热量研究在品种和地域上也具有广泛和多样性[2,5-6]，目前桃树需冷量及需热量的研究多集中在北京、江苏南京、河北中部、河南郑州等地，而江浙一带的研究较少[5,7]，尚未找到一个适合不同树种、品种在任何地区有效的模型。而对于桃树需冷量、需热量的研究，前人大多利用物候学和生态生理学模型来确定：对桃树解除休眠的需冷量量化主要采用0～7.2℃模型、7.2℃模型及犹他模型，需热量量化研究多采用生长度时数模型、有效积温模型等[8-10]。研究表明利用不同模型得到的不同地区或同一地区、不同品种桃的需冷量和需热量都存在显著差异。王力荣等[9,11]利用7.2℃模式、犹它模式和0～7.2℃模式测定北方桃树需冷量发现各模式估算结果存在显著性差异；陈茂铨等[12]对比分析得到浙西南气候条件下以犹他模型估算桃树需冷量结果较理想，以生长度日模型估算需热量更为合适，且同一地区、同一模型下不同桃品种测定结果差异也十分明显。因此，目前采用的桃树需冷量、需冷量计算模式不一且都有一定的气候适应范围，且以往研究所使用的资料大多从季节、月等时间尺度着手[13-15]，应用历史气象资料（尤其是小时气温）研究桃需冷量和需热量较为鲜见。因此，本研究以宁波市水蜜桃（‘湖景蜜露’）为对象，应用气象站气温小时和日资料结合桃树初花期历史资料，研究桃树的需冷量和需热量，旨在利用气象数据为确定各地桃树等落叶果树的需冷量和需热量寻求一个新途径，也为落叶果树促成栽培和花期动态预报提供了一种新方法。

1 资料和方法

1.1 资料

小时气温资料来源于奉化国家气象观测站(58565)，时间为2005—2021年。桃初花期资料来源于宁波市奉化水蜜桃研究所，时间为2006—2021年。桃树品种为‘湖景蜜露’，露地栽培，树龄6年。桃初花期观测地为宁波市奉化区萧王庙街道林家村桃园，离奉化国家气象观测站4.0 km。

1.2 方法

根据前人研究，认为一个地方某个桃树品种的需冷量和需热量是稳定的[3,16-17]。因此，本研究在寻找‘湖景蜜露’需冷量时，认为一组需热量变异系数最小所对应的需冷量为该品种的需冷量；在寻找‘湖景蜜露’需热量时，认为一组需冷量变异系数最小所对应的需热量为该品种的需热量。变异系数和相关分析的计算方法参见文献[18-19]，用软件编程技术计算寻找桃树需冷量和需冷量。通过查询历史气候资料，利用五日滑动平均法[18]确定宁波市2005—2019年的日平均气温稳定通过9℃的终日最早为11月3日，因此本文将上年的11月1日作为有效低温的起点日期。用2006—2018年资料进行需冷量和需热量的计算，2019—2021年的3年观测资料进行独立样本检验。根据花期物候观测资料‘，湖景蜜露’初花期最早出现在3月12日，采用Julian日换算方法[20]，将物候期转换为距离3月1日的实际日数，得到历年初花期的时间序列。

本文估算桃树初花期的检验效果中休眠结束日期以及初花期的计算所使用的方法，公式如式(1)所示。

式中，Nhour为小时气温小于需冷量上限气温的有效低温时数，Tday为日平均气温。

本研究采用回归估计标准误差RMSE(Root Mean Squared Error)和决定系数R2(Determination coefficient)对桃树初花期的拟合值和实际值之间的符合程度进行检验，RMSE和R2的计算方法如式(3)～(4)所示。

式中，n为样本数，SIM为桃树初花期的拟合值，OBS为桃树初花期实际值，为OBS的平均值[21]。

2 结果与分析

2.1 以需热量的稳定寻找需冷量

计算时，设桃需冷量范围为600～1200 h（间隔10 h），某需冷量上限气温范围为6～9℃（间隔0.1℃），用上年11月至当年2月逐小时气温资料，计算达到该需冷量的日期，若计算过程中有年份未满足该需冷量，则改变上限气温值和需冷量，直到所有年份满足为止。满足需冷量日期的次日至桃初花期前一天，用逐日气温计算需热量，下限值范围为4～10℃（间隔0.1℃），计算得到一组设定下限气温下的一组（2006—2018年）需热量，计算该系列的变异系数，以此循环计算，直到结束，寻找到一组需热量序列变异系数最小值，其对应的需冷量及上限温度认为是‘湖景蜜露’需冷量及温度模型，技术思路见图1。

图1 以需热量的稳定寻找需冷量

经计算，当下限气温为4.5℃时的需热量序列变异系数最小，此时对应的需冷量为740 h（7.5℃模型）。

2.2 以需冷量的稳定寻找需热量

设桃树需热量范围为100～300℃·d（间隔5℃·d），气温下限值为4～10℃（间隔0.1℃），用2月至3月的日气温资料从桃初花期前一天开始往前计算达到设定需热量的日期（假定为桃休眠结束日的后一天），若计算过程中没有年份满足该需热量，则改变下限值，直到所有年份满足为止。设计算需冷量的上限温度为6～9℃（间隔0.1℃），计算休眠日之前设定上限气温下的一组（2006—2018年）需冷量，计算该序列的变异系数，以此循环计算，直到结束，寻找到一组需冷量序列变异系数最小值，其对应的需热量及下限温度认为是‘湖景蜜露’需热量，技术思路见图2。

图2 以需冷量的稳定寻找需热量

经计算，需冷量序列变异系数最小时对应的需热量为200℃·d，下限气温为4.5℃。

综上分析，宁波市‘湖景蜜露’的需冷量为740 h（7.5℃模型），需热量为200℃·d（下限温度4.5℃）。

2.3 用需冷量和需热量估算桃树初花期的检验效果

2.3.1 拟合效果 根据上述确定的‘湖景蜜露’需冷量和需热量，计算了2006—2018年‘湖景蜜露’的初花期，拟合值和实际值之间1:1线（图3）的R2、RMSE分别为0.4639、7.9天，相关系数为0.6811，通过了显著水平0.05的检验。

图3 ‘湖景蜜露’初花期拟合值与实际值的比较

2.3.2 独立样本效果 用2019—2021年的资料进行独立样本检验，RMSE为2.6天。2019年初花期计算值为3月17日，实际值为3月18日；2020年初花期计算值为3月18日，实际值为3月14日；2021年初花期计算值为3月9日，实际值为3月11日。

从拟合和独立样本检验效果看，本文确定的‘湖景蜜露’的需冷量和需热量较好地反映了宁波市‘湖景蜜露’品种的生物学特性。

3 结论和讨论

（1）本文基于小时气象资料和花期资料，确定的桃树桃需冷量和需冷量方法，从拟合和独立样本检验效果看，较好地反映了宁波市‘湖景蜜露’品种的生物学特性，说明该方法是可行的，可尝试在其他桃树（如油桃、蟠桃、黄桃等）及落叶果树（如葡萄、蓝莓等）估算需冷量和需热量。独立样本检验中，有3年误差特别大（图3），主要原因与观测人员的变更有关。

（2）根据本文建立的‘湖景蜜露’需冷量和需热量，可根据小时气温计算当年‘湖景蜜露’休眠结束日，之后利用实况资料结合数值预报的日平均气温资料，计算需热量，开展桃树初花期的动态预报。

（3）根据本文计算结果，2006—2021年‘湖景蜜露’结束休眠日期的年际变化较大（图4），最早为1月9日（2010年），最晚为2月15日（2020年），相差36天，80%的年份在1月26日达到了‘湖景蜜露’需冷量的要求。因此，在‘湖景蜜露’促成栽培中，需要根据当年的小时气温资料计算达到需冷量的日期（休眠结束日期），之后适时进行覆膜升温，提升桃树促成栽培效果及经济效益[22-23]。

图4 2006—2021年满足‘湖景蜜露’需冷量(740 h)的结束日期

（4）在桃树需冷量研究中以7.2℃模型为主[4,24-25]，本文通过气候资料研究和样本检验结果表明，宁波地区的‘湖景蜜露’的需冷量以7.5℃模型效果最好，这与前人研究的桃树需冷量以及上限温度会受生态环境影响产生地域差异相吻合[9,26]。因此，在研究不同地区的桃树需冷量时要考虑其不同模型，分析桃树不同模型需冷量的稳定性，以找到符合该品种的需冷量及模型。植物在不同的生长阶段要求有不同的下限温度[27]，开展桃树需热量研究时需要考虑其下限温度，以找到符合该品种生态特性的需热量，本文在这方面也进行了探讨，研究表明宁波市‘湖景蜜露’需热量为200℃·d（下限温度为4.5℃），在以往研究需热量时涉及下限温度的研究较为少见。

（5）因桃树物候资料限制，样本数较少（仅13年），在一定程度影响了找到该品种的需冷量、需热量效果，下阶段将继续收集桃树物候资料，增加用于计算需冷量和需热量的样本数，进一步提高效果；以及将气温结合其他要素（土壤环境温湿度、辐射等）对桃树需冷量和需热量的综合影响进行研究。