邱美娟，劉布春，劉 園，王珂依，龐靜漪,2，張曉男，賀金娜,3

中國(guó)北方主產(chǎn)地蘋果始花期模擬及晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

邱美娟1，劉布春1※，劉 園1，王珂依1，龐靜漪1,2，張曉男1，賀金娜1,3

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/作物高效用水與抗災(zāi)減損國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.營(yíng)口市氣象局，營(yíng)口 115001；3. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽(yáng) 110161）

建立中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地蘋果始花期模型，分析蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)，為有效防御晚霜凍災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)靥O果生產(chǎn)的影響提供科學(xué)指導(dǎo)。該研究選取中國(guó)新疆的伊寧、阿克蘇、黃土高原的萬(wàn)榮、白水、禮泉、陜州區(qū)和渤海灣的福山、熊岳分別代表中國(guó)3大蘋果產(chǎn)區(qū)，利用各區(qū)代表站的蘋果始花期資料和同期氣象數(shù)據(jù)，建立并檢驗(yàn)了不同站點(diǎn)蘋果始花期模型，并利用該模型模擬了1962－2019年蘋果始花期，分析其時(shí)空變化特征。結(jié)合晚霜凍氣象指標(biāo)，對(duì)蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：1）蘋果始花期模型能夠在數(shù)據(jù)獨(dú)立的情況下較準(zhǔn)確地模擬各區(qū)代表站的始花期變化，新疆、黃土高原和渤海灣蘋果產(chǎn)區(qū)內(nèi)部檢驗(yàn)的均方根誤差分別為2.5～4.8、2.4～5.0、2.3～3.0 d，交叉檢驗(yàn)的均方根誤差分別為5.0～6.6、3.4～6.0和3.6～4.1 d。2）模擬得到的蘋果始花期均呈顯著提前趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)分別為-1.84～-1.04、-3.09～-2.62和-2.37～-1.88 d/10 a。3）不同區(qū)域蘋果晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)有著明顯的差異。新疆和黃土高原果區(qū)蘋果晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對(duì)較大，其中伊寧最大達(dá)2.38，其次是萬(wàn)榮達(dá)1.81，而渤海灣果區(qū)的福山蘋果晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0。結(jié)果表明新疆和黃土高原果區(qū)蘋果遭受晚霜凍的影響較大，渤海灣果區(qū)受晚霜凍影響最小。

模型；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；晚霜凍；氣象指標(biāo)；致災(zāi)因子；蘋果；始花期

0 引 言

蘋果在中國(guó)的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)林果[1]。蘋果物候期是指導(dǎo)蘋果生產(chǎn)和進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的重要依據(jù)[2-3]。目前，蘋果物候期的觀測(cè)資料時(shí)間序列短、站點(diǎn)偏少。因此，蘋果物候期的準(zhǔn)確模擬顯得尤為重要。同時(shí)，蘋果物候期與氣象條件顯著相關(guān)[4-5]，因此，基于長(zhǎng)時(shí)間、大范圍序列的氣象資料能夠模擬與重構(gòu)蘋果物候期。蘋果始花期是表征蘋果果實(shí)開始發(fā)育的重要指示物候期[6]，始花期的確定有助于識(shí)別花期晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)的暴露度，進(jìn)一步評(píng)估災(zāi)害對(duì)蘋果生產(chǎn)的可能影響。因此，開展蘋果始花期模擬模型研究，根據(jù)模擬結(jié)果評(píng)估蘋果花期晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)防御晚霜凍災(zāi)害對(duì)蘋果生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響，保障蘋果產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

物候模型是目前模擬和預(yù)測(cè)植物物候期的可靠手段，是重建過(guò)去和預(yù)測(cè)未來(lái)物候變化的有效方法[7]。物候模型主要分為統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)理模型[8]。統(tǒng)計(jì)模型較少考慮植物的生理生態(tài)過(guò)程，主要是利用物候事件發(fā)生的時(shí)間與氣候因子的相關(guān)性，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立物候與氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系[9]：如張愛英等[10]利用一元線性回歸方程建立北京3種觀賞植物花期與3月平均氣溫的統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)而進(jìn)行花期的預(yù)測(cè)；李美榮等[11]利用統(tǒng)計(jì)方法建立了基于氣象因子的蘋果始花期預(yù)測(cè)模型，模型得到的結(jié)果與實(shí)際較為吻合；柏秦鳳等[12]利用統(tǒng)計(jì)模型建立了陜西省不同果區(qū)蘋果花期對(duì)氣溫的響應(yīng)模型，模型模擬準(zhǔn)確率在70%左右，模擬效果較好。機(jī)理模型又稱過(guò)程模型，主要是通過(guò)數(shù)學(xué)方法重現(xiàn)物候期與氣象要素的關(guān)系[13]。關(guān)于植物機(jī)理模型有很多，如熱時(shí)模型（Thermal Time Model）、順序模型（Sequential Model）、平行模型（Parallel Model）和四階段模型（Four Phase Model）等[14-15]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)這些機(jī)理模型的適用性做了大量研究[16-20]。其中，熱時(shí)模型由于參數(shù)簡(jiǎn)單便于模擬，且模型準(zhǔn)確率較高，而被廣泛用于不同地域植物物候期的模擬研究：如鄔定榮等[21]評(píng)價(jià)了4種機(jī)理模型在陜西果區(qū)模擬始花期的適應(yīng)性，綜合考慮模型的模擬精度和復(fù)雜性，推薦使用熱時(shí)模型；戴君虎等[22]利用熱時(shí)模型對(duì)1963—2009年中國(guó)多種木本植物始花期進(jìn)行模擬分析，指出模型模擬出的始花期序列具有較可靠的信度，研究區(qū)內(nèi)東北地區(qū)和華北地區(qū)的始花期均呈提前趨勢(shì)；張愛英等[23]將熱時(shí)模型應(yīng)用到北京櫻花始花期的預(yù)測(cè)中，結(jié)果驗(yàn)證了模型的適應(yīng)性較高。熱時(shí)模型也是研究氣候變化背景下氣象災(zāi)害變化的一個(gè)重要手段。根據(jù)熱時(shí)模型得到的物候期結(jié)果，可以對(duì)植物物候期內(nèi)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行較準(zhǔn)確的研究。戴君虎等[22]根據(jù)熱時(shí)模型和氣象資料重構(gòu)了近50 a的物候期，分析了華北地區(qū)和東北地區(qū)木本植物花期霜凍風(fēng)險(xiǎn)；王明昌等[24]利用熱時(shí)模型重構(gòu)了陜西2個(gè)蘋果主產(chǎn)縣的蘋果始花期，并進(jìn)行花期凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Bennie等[25]根據(jù)熱時(shí)模型預(yù)測(cè)了歐洲西北部樺樹霜凍風(fēng)險(xiǎn)。

晚霜凍是中國(guó)北方蘋果生產(chǎn)中主要的氣象災(zāi)害之一，規(guī)避、防御和減輕晚霜凍災(zāi)害，是蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要考慮的重要問(wèn)題[26-28]。果樹開花至坐果階段抗凍能力最差，一旦發(fā)生霜凍災(zāi)害，將會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重危害[29-31]。研究表明，在氣候變暖的背景下，春季物候期提前[32-33]。物候期提前的趨勢(shì)會(huì)使植物的霜凍風(fēng)險(xiǎn)增加。但是，氣溫升高又可能使霜凍終日提前，從而降低霜凍風(fēng)險(xiǎn)。因此晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)的變化將取決于植物春季物候期與霜凍終日二者之間的進(jìn)退關(guān)系。對(duì)于中國(guó)北方蘋果生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，由于物候觀測(cè)資料的限制，關(guān)于花期晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)是如何變化的，系統(tǒng)的研究還不多見。因此，本研究通過(guò)建立中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地不同果區(qū)蘋果始花期模型，對(duì)1962－2019年始花期進(jìn)行重構(gòu)，從而分析各個(gè)果區(qū)蘋果始花期的時(shí)空變化及花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果可為中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地蘋果霜凍災(zāi)害防御及產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

在中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)區(qū)新疆、黃土高原和渤海灣，選取蘋果產(chǎn)業(yè)規(guī)模和地理氣候條件均具有代表性的阿克蘇、伊寧、白水、禮泉、萬(wàn)榮、陜州區(qū)、福山和熊岳作為研究地區(qū)。代表性區(qū)域無(wú)霜期基本在160 d以上[34]。阿克蘇和伊寧是新疆蘋果具有代表性的地區(qū)。該區(qū)屬于北溫帶大陸性氣候，溫度適宜，日照充足。年平均氣溫約為8.0～12.5 ℃，夏季（6～8月）平均氣溫約為18.0～24.0 ℃，日照時(shí)數(shù)為2 500～3 500 h[35-36]。其中，阿克蘇位于新疆蘋果種植的新優(yōu)勢(shì)區(qū)，雖然大部分地區(qū)年降水量相對(duì)較少，不足200 mm，但高山冰川積雪融水所匯集的河川徑流和地下水，為蘋果灌溉提供了有效保障[37]，阿克蘇是中國(guó)本土蘋果發(fā)源地之一。伊寧隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州，降水量相對(duì)充沛，具有發(fā)展特色農(nóng)業(yè)的水土光熱資源優(yōu)勢(shì)，伊犁是世界蘋果起源地之一，有“蘋果之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。萬(wàn)榮、白水、禮泉和陜州區(qū)是黃土高原蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)具有代表性的地區(qū)。該區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為8.5～14.5 ℃，年降水量為500～800 mm，日照時(shí)數(shù)約2 000～2 800 h[35-36]。其中，萬(wàn)榮位于山西省西南部，地處運(yùn)城市黃河金三角區(qū)域，光照充足，雨量適中，晝夜溫差大，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，是世界上優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)適宜栽培帶中的較佳生態(tài)區(qū)。白水和禮泉位于陜西省，是陜西乃至中國(guó)主要的果業(yè)生產(chǎn)基地。其中，白水位于陜西省東北部，處于關(guān)中平原與陜北高原的過(guò)渡地帶。白水的氣候、土壤等與生存優(yōu)質(zhì)蘋果的生態(tài)環(huán)境完全吻合，是世界蘋果最佳優(yōu)生區(qū)，白水蘋果佳名享譽(yù)世界，素有“中國(guó)蘋果之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。白水還是全國(guó)最大的有機(jī)蘋果生產(chǎn)基地。禮泉隸屬于陜西省咸陽(yáng)市，位于關(guān)中平原中部，光照充足，晝夜溫差大，是蘋果較佳適生區(qū)。陜州區(qū)位于河南省三門峽，光熱水等條件適合多種落葉果樹的生長(zhǎng)，是全國(guó)優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)基地縣之一，陜州區(qū)蘋果以優(yōu)良的品質(zhì)而著名。福山和熊岳是渤海灣蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)具有代表性的地區(qū)。該區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為8.0～12.5 ℃，日照時(shí)數(shù)為2 400～2 800 h，降水量為500～800 mm[35-36]。其中，福山坐落于膠東半島東北部，氣候、土壤條件和自然條件均適宜蘋果生長(zhǎng)，是蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地。熊岳位于遼東半島中部，盛產(chǎn)水果等經(jīng)濟(jì)作物，是著名的“水果之鄉(xiāng)”，其蘋果種植歷史悠久，遠(yuǎn)銷海外，1998年被農(nóng)業(yè)部列為國(guó)家優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)基地。研究區(qū)域分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

物候資料為新疆阿克蘇和伊寧、陜西白水和禮泉、山西萬(wàn)榮、河南陜州區(qū)、山東福山、遼寧熊岳富士蘋果（Fuji Apple）始花期觀測(cè)數(shù)據(jù)。禮泉縣部分蘋果花期物候數(shù)據(jù)（1973－1974、1976、1980、1982－1983、1989、1992、1998、2000－2001、2003－2004和2007年）來(lái)自于該縣果農(nóng)李忠孝先生的記錄。陜西其他蘋果物候數(shù)據(jù)來(lái)自于陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái)的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)。新疆阿克蘇和伊寧、遼寧熊岳、山東福山、山西萬(wàn)榮和河南陜州區(qū)數(shù)據(jù)分別來(lái)源于當(dāng)?shù)貧庀缶?。觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照中國(guó)氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》。觀測(cè)資料的起止時(shí)間見表1。在實(shí)際計(jì)算中，將始花期出現(xiàn)日期轉(zhuǎn)換為儒略日即在一年中的日序（Day Of Year，DOY）表示，即1月1日為1，1月2日為2，…，以此類推。本文所用氣象資料為蘋果物候期觀測(cè)點(diǎn)最鄰近的氣象站1962－2019年（福山由于1979年才建站，資料時(shí)段為1980－2019年）的逐日平均氣溫（℃）、最低氣溫（℃）資料序列，陜州區(qū)用三門峽氣象站的氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局。氣象站點(diǎn)分布見圖1。

表1 蘋果始花期觀測(cè)資料時(shí)段

1.3 始花期模型建立及檢驗(yàn)

研究利用熱時(shí)模型[14]模擬并重構(gòu)蘋果始花期序列。熱時(shí)模型實(shí)質(zhì)是從固定日期開始計(jì)算高于下限溫度的有效積溫。模型公式為

式中f為蘋果發(fā)育到始花期所需積溫，℃·d；為蘋果的始花期，用其在一年中的日序表示；為日平均氣溫，℃；f()為有效溫度，℃；為時(shí)間，d；0為積溫開始累積的當(dāng)日的日序；b為蘋果始花期發(fā)育所需的下限溫度，℃；當(dāng)f()的累加達(dá)到預(yù)先設(shè)定的積溫閾值f時(shí)，對(duì)應(yīng)的日序即為預(yù)測(cè)始花期。

模型參數(shù)的擬合采用各個(gè)站點(diǎn)中奇數(shù)年的樣本進(jìn)行，其余樣本用于交叉檢驗(yàn)。模型參數(shù)的估計(jì)采用最小二乘法原則，在所有可能取值中選擇使觀測(cè)值和模擬值的均方根誤差最小的一組參數(shù)。熱時(shí)模型參數(shù)較少，最優(yōu)參數(shù)的尋找采用在較大的參數(shù)取值范圍內(nèi)以較小的步長(zhǎng)直接全局尋優(yōu)的方法。熱時(shí)模型的參數(shù)空間和尋優(yōu)步長(zhǎng)設(shè)置如下：b取值范圍為0～5 ℃，步長(zhǎng)為0.1℃，0取值范圍為1～120d，步長(zhǎng)為1d。該算法利用Fortran編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

模型檢驗(yàn)通過(guò)內(nèi)部檢驗(yàn)和交叉檢驗(yàn)進(jìn)行。模型的內(nèi)部檢驗(yàn)通過(guò)奇數(shù)年擬合出的參數(shù)模擬物候期，通過(guò)模擬值與觀測(cè)值的均方根誤差（Root Mean Square Error, RMSE）、決定系數(shù)（2）以及模擬序列與觀測(cè)序列相差小于等于3 d和小于等于5 d的準(zhǔn)確率（%）、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差等進(jìn)行。交叉檢驗(yàn)則利用偶數(shù)年模擬值與觀測(cè)值的RMSE和2以及模擬序列與觀測(cè)序列相差小于等于3 d和小于等于5 d的準(zhǔn)確率（%）、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差等進(jìn)行，用來(lái)衡量模型在數(shù)據(jù)獨(dú)立情況下對(duì)始花期的模擬效果。

1.4 始花期模擬與分析方法

將各站點(diǎn)逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)輸入上述蘋果始花期模型，模擬1962－2019年（其中福山為1980－2019年）蘋果逐年的始花期。將原始蘋果始花期觀測(cè)序列中的缺測(cè)值用模擬結(jié)果插補(bǔ)，保留有觀測(cè)數(shù)據(jù)的年份，進(jìn)而得到重構(gòu)始花期物候序列。在此基礎(chǔ)上，使用線性回歸方法計(jì)算1962－2019年蘋果始花期隨年份變化的氣候傾向率、相關(guān)系數(shù)等。

設(shè)某站蘋果始花期時(shí)間序列為12，…，y，…，y，通常將其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)用一次線性回歸方程表示，即

始花期變化是否顯著通過(guò)相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)完成，相關(guān)系數(shù)定義為

1.5 花期晚霜凍指標(biāo)

蘋果花期內(nèi)不同程度的低溫會(huì)對(duì)蘋果生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不同的影響[39-40]。本研究采用的蘋果花期晚霜凍的氣象指標(biāo)見表2。其中，min為氣象站觀測(cè)的日最低氣溫。將蘋果始花期至末花期時(shí)段內(nèi)日最低氣溫在0～2 ℃的日數(shù)作為1個(gè)輕霜凍日，最低氣溫在?2～0 ℃的日數(shù)作為1個(gè)中霜凍日，最低氣溫在

通過(guò)實(shí)際調(diào)研了解到，各地蘋果末花期與始花期一般相差1到2周左右，在統(tǒng)計(jì)晚霜凍日數(shù)時(shí)，為了不遺漏霜凍災(zāi)害的影響，選擇的蘋果始花期至末花期時(shí)段為蘋果花期開始后30 d。

表2 蘋果花期晚霜凍指標(biāo)

1.6 蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

1.6.1 晚霜凍頻率指數(shù)

晚霜凍發(fā)生頻率指發(fā)生晚霜凍的年數(shù)占總年數(shù)的百分率，其中輕霜凍、中霜凍和重霜凍發(fā)生頻率分別指發(fā)生輕霜凍、中霜凍和重霜凍的年數(shù)占總年數(shù)的百分率。晚霜凍發(fā)生頻率計(jì)算公式為

=(f/)×100% （5）

式中為頻率，%；f為晚霜凍發(fā)生年數(shù)。

1.6.2 晚霜凍日數(shù)指數(shù)

晚霜凍日數(shù)指數(shù)是指蘋果花期內(nèi)分別發(fā)生輕、中、重度晚霜凍的日數(shù)，并對(duì)其求取多年平均值。

1.6.3 晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

為了能夠較客觀地反映晚霜凍的氣候風(fēng)險(xiǎn)性大小，本研究把晚霜凍強(qiáng)度和晚霜凍發(fā)生頻率結(jié)合起來(lái)。首先對(duì)不同晚霜凍級(jí)別分別賦值，輕霜凍賦值為1，中霜凍賦值為2，重霜凍賦值為3。然后建立晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，公式為

式中為晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；P為第組晚霜凍出現(xiàn)的頻率，%；H為霜凍強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果始花期模型建立與檢驗(yàn)結(jié)果

各站點(diǎn)蘋果始花期模型參數(shù)擬合結(jié)果見表3。不同站點(diǎn)蘋果始花期發(fā)育的下限溫度（b）不同（0.1～5.0 ℃），開始累積積溫的日期（0）也不同（27～79 d）。可能原因一是氣象站與蘋果物候觀測(cè)點(diǎn)位置不一致，其小氣候存在差異導(dǎo)致；另外，光照和水分也會(huì)影響蘋果物候[4-5]，但是熱時(shí)模型中并沒(méi)有考慮到這些影響因素。模型檢驗(yàn)結(jié)果（表4）顯示，蘋果始花期模型內(nèi)部檢驗(yàn)的RMSE在新疆果區(qū)為2.5～4.8 d，在黃土高原果區(qū)均為2.4～5.0 d，在渤海灣果區(qū)的福山為2.3～3.0 d。2在3個(gè)果區(qū)分別為0.80～0.81、0.66～0.89和0.74～0.90。模擬值與觀測(cè)值相差小于等于5 d的準(zhǔn)確率在3個(gè)果區(qū)分別為73.3%～92.9%、81.8%～100%和100%。模擬值與觀測(cè)值相差小于等于3 d的準(zhǔn)確率分別為60.0%～85.7%、72.7%～80%和75%～90%。多年平均絕對(duì)誤差在3個(gè)果區(qū)分別為1.8～3.7、1.9～3.3和1.9～2.5 d，多年平均相對(duì)誤差分別為1.8%～3.5%、1.9%～3.6%和1.6%～2.3%。

表3 蘋果始花期模型參數(shù)估計(jì)結(jié)果

表4 蘋果始花期模型內(nèi)部檢驗(yàn)和交叉檢驗(yàn)結(jié)果

注：DBOS 為始花期觀測(cè)值與模擬值之差的絕對(duì)值；為樣本量；*表示通過(guò)<0.05的顯著性檢驗(yàn)，下同。

Note: DBOS is absolute value of the difference between observed and simulated values of first flowering date;is sums of sample;*represents pass<0.05 level significant test, the same as below.

蘋果始花期模型交叉檢驗(yàn)的RMSE在3個(gè)果區(qū)分別為5.0～6.6、3.4～6.0和3.6～4.1 d；2分別為0.41～0.73、0.54～0.92和0.88；模擬值與觀測(cè)值相差小于等于5 d的準(zhǔn)確率分別為66.7%～80.0%、64.3%～100%和90.0%～91.7%；模擬值與觀測(cè)值相差小于等于3 d的準(zhǔn)確率分別為40.0%～66.7%、50.0%～66.7%和50.0%～75.0%。多年平均絕對(duì)誤差在3個(gè)果區(qū)分別為3.6～5.4、2.8～4.5和2.9～3.4 d，多年平均相對(duì)誤差分別為3.5%～5.1%、2.9%～4.8%和2.7%～2.9%。

由內(nèi)部檢驗(yàn)和交叉檢驗(yàn)的觀測(cè)值與模擬值的時(shí)間序列曲線（圖2～圖3）可見，各個(gè)果區(qū)蘋果始花期模型均能較好地模擬蘋果始花期的變化特征，除個(gè)別年份實(shí)測(cè)值與模擬值的誤差較大外，基本反映了觀測(cè)值的年際波動(dòng)。

總之，本研究建立的各果區(qū)蘋果始花期模型能夠在數(shù)據(jù)獨(dú)立（模型擬合和檢驗(yàn)為不同數(shù)據(jù)，則稱為獨(dú)立）的情況下比較準(zhǔn)確地模擬各個(gè)站點(diǎn)歷年的始花期。

2.2 蘋果始花期時(shí)空變化特征

中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地蘋果始花期平均出現(xiàn)在第101～123天（4月11日－5月3日）。其中新疆果區(qū)蘋果始花期平均出現(xiàn)在第105～107天（4月15日－4月17日），最早出現(xiàn)在第97～100天（4月7日－4月10日），最晚出現(xiàn)在第114～123天（4月24日－5月3日）。黃土高原果區(qū)蘋果始花期平均出現(xiàn)在第101～105天（4月11日－4月15日），最早出現(xiàn)在第92～97天（4月2日－4月7日），最晚出現(xiàn)在第116～123天（4月26日－5月3日）。渤海灣果區(qū)蘋果始花期平均出現(xiàn)在第112～123天（4月22日－5月3日），最早出現(xiàn)在第108～117天（4月18日－4月27日），最晚出現(xiàn)在第125～132天5月5日－5月12日，表5）。總體上，渤海灣果區(qū)的熊岳蘋果始花期出現(xiàn)時(shí)間最晚，黃土高原果區(qū)的禮泉蘋果始花期出現(xiàn)的最早，其他地區(qū)差異不明顯（表5）。

圖2 研究區(qū)蘋果始花期內(nèi)部檢驗(yàn)的觀測(cè)值與模擬值對(duì)比

圖3 研究區(qū)蘋果始花期交叉檢驗(yàn)的觀測(cè)值與模擬值對(duì)比

表5 蘋果始花期統(tǒng)計(jì)特征

新疆、黃土高原和渤海灣各果區(qū)蘋果始花期均呈顯著的提前趨勢(shì)（<0.05），年際間變化趨勢(shì)分別為?1.84～?1.04、?3.09～?2.62和?2.37～?1.88 d/10 a（表5）。從蘋果始花期20世紀(jì)平均值與21世紀(jì)平均值的對(duì)比來(lái)看，平均提前5～13 d。其中，新疆果區(qū)的阿克蘇由第107天（4月17日）提前至第101天（4月11日），伊寧由第109天（4月19日）提前至第104天（4月14日）；黃土高原果區(qū)的白水由第109天（4月19日）提前至第97天（4月7日），禮泉由第105天（4月15日）提前至第94天（4月4日），萬(wàn)榮由第109天（4月19日）提前至第96天（4月6日），陜州區(qū)由第108天（4月18日）提前至第97天（4月7日）；渤海灣果區(qū)的福山由第115天（4月25日）提前至第109天（4月19日），熊岳由第125天（5月5日）提前至第119天（4月29日）。

2.3 蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)分析

2.3.1 蘋果花期晚霜凍頻率指數(shù)

中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地各站蘋果花期不同級(jí)別晚霜凍發(fā)生頻率見表6。

新疆、黃土高原和渤海灣果區(qū)輕霜凍發(fā)生頻率分為為10.3%～44.8%、10.3%～48.3%和0～6.9%。其中，萬(wàn)榮最高，1962－2019年共58 a中有28 a生了輕霜凍；其次是伊寧，58 a中有26 a發(fā)生了輕霜凍；白水輕霜凍發(fā)生頻率為32.8%，即58 a中有19 a發(fā)生了輕霜凍；而渤海灣果區(qū)的熊岳在58 a中僅有4 a發(fā)生了輕霜凍，福山無(wú)輕霜凍發(fā)生。中霜凍發(fā)生頻率分別為1.7%～20.7%、1.7%～25.9%和0%。其中，萬(wàn)榮最高，58 a中有15 a發(fā)生了中霜凍；其次是伊寧，為20.7%，即58 a中有12 a發(fā)生了中霜凍；禮泉為10.3%，即58 a中有6 a發(fā)生了中霜凍；白水中霜凍發(fā)生頻率為6.9%，即58 a中有4 a發(fā)生了中霜凍；而渤海灣果區(qū)無(wú)中霜凍發(fā)生。重霜凍發(fā)生頻率在伊寧、白水和萬(wàn)榮分別為17.2%、3.4%和1.7%，即分別發(fā)生了10 a、2 a和1 a，而在其他站均無(wú)發(fā)生。從各級(jí)別晚霜凍發(fā)生頻率上看，除了福山在蘋果花期無(wú)霜凍發(fā)生，其他各站均表現(xiàn)為輕霜凍發(fā)生的頻率最高，其次是中霜凍，重霜凍發(fā)生頻率最低甚至無(wú)發(fā)生。

2.3.2 蘋果花期晚霜凍日數(shù)指數(shù)

中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地各站不同級(jí)別晚霜凍發(fā)生日數(shù)指數(shù)見表7。新疆、黃土高原和渤海灣果區(qū)輕霜凍日數(shù)指數(shù)分別為0.12～0.97、0.10～0.90和0～0.07 d。其中，伊寧的輕霜凍日數(shù)指數(shù)最大，其次是萬(wàn)榮，為0.90 d、白水為0.62 d、禮泉為0.33 d、阿克蘇為0.12 d、陜州區(qū)為0.10 d、熊岳為0.07 d，福山為0 d。中霜凍日數(shù)指數(shù)平均分別為0.02～0.36、0.02～0.31和0 d。其中，伊寧的中霜凍日數(shù)指數(shù)最大，其次是萬(wàn)榮，為0.31 d、白水為0.14 d、禮泉為0.10 d，阿克蘇和陜州區(qū)為0.02 d，福山和熊岳為0。而重霜凍日數(shù)指數(shù)在伊寧、白水和萬(wàn)榮分別為0.26、0.03和0.02 d，在其他各站均為0 d。從各個(gè)級(jí)別霜凍日數(shù)指數(shù)來(lái)看，輕霜凍日數(shù)指數(shù)最大，其次是中霜凍日數(shù)指數(shù)，重霜凍日數(shù)指數(shù)最小。

表7 各站蘋果花期不同級(jí)別晚霜凍日數(shù)指數(shù)

晚霜凍發(fā)生的級(jí)別越高，日數(shù)越多，日數(shù)指數(shù)越大，對(duì)蘋果生產(chǎn)造成的影響也越大。但不同站點(diǎn)間始花期和晚霜凍終日的變化趨勢(shì)不同，未來(lái)遭受晚霜凍的日數(shù)可能會(huì)有不同變化。如新疆果區(qū)的伊寧和阿克蘇輕、中、重霜凍終日提前趨勢(shì)（分別為?3.50、?1.60、?2.40 d/10 a和?3.74、?2.89、?2.15 d/10 a，表8）均大于蘋果始花期的提前趨勢(shì)（分別為?1.04和?1.84 d/10 a，表5），因此，未來(lái)伊寧和阿克蘇地區(qū)晚霜凍發(fā)生日數(shù)可能會(huì)降低。渤海灣果區(qū)的福山蘋果始花期晚于晚霜凍終日，基本不受晚霜凍的影響。但是該地區(qū)的蘋果始花期呈顯著提前趨勢(shì)（?2.37 d/10 a，表5），而輕、中、重霜凍終日提前趨勢(shì)不顯著（?0.40、?1.66和?0.90 d/10 a，表8），如果以這種趨勢(shì)變化，未來(lái)不排除該地區(qū)會(huì)遭受晚霜凍災(zāi)害的影響的可能。熊岳地區(qū)蘋果始花期的提前趨勢(shì)（?1.88 d/10 a）大于各級(jí)別晚霜凍終日的提前趨勢(shì)（?1.35、?1.21、?1.10 d/10 a），因此，該地區(qū)輕霜凍日數(shù)有可能會(huì)增加，同時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)中、重度晚霜凍。黃土高原果區(qū)的白水蘋果始花期的提前趨勢(shì)（?3.09 d/10 a）大于輕、中、重霜凍終日的提前趨勢(shì)（?1.73、?2.10、?2.47 d/10 a），因此白水地區(qū)晚霜凍災(zāi)害的發(fā)生日數(shù)有可能會(huì)增加。禮泉蘋果始花期提前趨勢(shì)（?2.62 d/10 a）大于輕、中霜凍終日的提前趨勢(shì)（?2.35和?2.41 d/10 a），但是小于重霜凍的提前趨勢(shì)（?3.73 d/10 a），意味著禮泉蘋果花期重霜凍發(fā)生日數(shù)有可能降低，而遭受輕、中霜凍災(zāi)害的日數(shù)有可能會(huì)增加。萬(wàn)榮蘋果始花期提前趨勢(shì)（?2.85 d/10 a）小于各級(jí)別晚霜凍終日的提前趨勢(shì)（?3.36、?5.45和?4.97 d/10 a），意味著萬(wàn)榮地區(qū)晚霜凍的發(fā)生日數(shù)有可能會(huì)降低。而陜州區(qū)蘋果始花期提前趨勢(shì)（?2.84 d/10 a）大于各級(jí)別晚霜凍終日的提前趨勢(shì)（?0.24、?1.73和?2.24 d/10 a），意味著該地區(qū)蘋果花期晚霜凍發(fā)生日數(shù)有可能會(huì)增加?？梢姡煌麉^(qū)不同站點(diǎn)蘋果花期晚霜凍未來(lái)發(fā)生情況具有差異。

表8 不同級(jí)別晚霜凍終日變化趨勢(shì)

2.3.3 蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

由表9可見，新疆果區(qū)的伊寧晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，為2.38，晚霜凍發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)最大；其次是黃土高原果區(qū)的萬(wàn)榮晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為1.81，晚霜凍發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也較大；黃土高原果區(qū)的白水和禮泉，晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.98和0.68；陜州區(qū)和阿克蘇地區(qū)晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均為0.24，晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)；而渤海灣果區(qū)的熊岳晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較小，為0.12，福山為0，基本無(wú)晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)。

表9 各站蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

3 討 論

本研究所建立的蘋果始花期模型可較準(zhǔn)確地模擬各站蘋果始花期，提高模型的準(zhǔn)確率還需要更多的數(shù)據(jù)和更全面地考慮其他影響因素。本研究建立的各站蘋果始花期模型可在數(shù)據(jù)獨(dú)立的情況下較準(zhǔn)確地模擬各站蘋果始花期，但是仍然存在2～6 d左右的誤差，決定系數(shù)也僅達(dá)到0.41～0.92左右。因?yàn)槟Ｐ蛢H考慮了有效積溫對(duì)物候期的影響，而未考慮水分、光照和地形土壤條件等其他環(huán)境因子對(duì)蘋果開花的影響。

本研究?jī)H從霜凍害致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性和承災(zāi)體的暴露性評(píng)估了霜凍風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)的研究還需對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的其他要素進(jìn)行全面的評(píng)估。影響蘋果晚霜凍成災(zāi)的因素有很多，作為承災(zāi)體的蘋果的品種、樹齡、樹形分布，防災(zāi)減災(zāi)能力，包括灌溉條件、防霜技術(shù)與設(shè)施等均會(huì)對(duì)霜凍災(zāi)害的發(fā)生以及危害的程度產(chǎn)生影響。因此，準(zhǔn)確評(píng)估蘋果晚霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)需要更全面的信息。本研究利用中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地各站長(zhǎng)期觀測(cè)氣象資料，以日最低氣溫為>0～2 ℃、?2～0 ℃和

依據(jù)始花期和終霜凍日的變化趨勢(shì)，不同果區(qū)不同站點(diǎn)蘋果花期未來(lái)遭受晚霜凍的風(fēng)險(xiǎn)存在差異性。由于觀測(cè)資料有限，本研究未能構(gòu)建各站蘋果末花期模型，而是直接統(tǒng)計(jì)蘋果花期開始后30 d內(nèi)的晚霜凍發(fā)生情況，在一定程度上可以反映晚霜凍對(duì)蘋果生產(chǎn)的影響。霜凍風(fēng)險(xiǎn)在各站各不相同，與不同站點(diǎn)間始花期和終霜凍日的變化趨勢(shì)不同有關(guān)。研究指出各站蘋果始花期呈提前趨勢(shì)，這與多數(shù)研究指出的氣候變暖的背景下，春季物候期提前[32-33]的結(jié)論一致。

中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地蘋果種植面積較廣，氣候有一定的差異。本研究在進(jìn)行蘋果花期晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)構(gòu)建了晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。根據(jù)研究結(jié)果，晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高的地區(qū)，其晚霜凍發(fā)生的頻率和日數(shù)也相對(duì)較高，如伊寧和萬(wàn)榮。渤海灣地區(qū)雖然晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低，但是在氣候變暖背景下，極端氣候事件頻有發(fā)生[41]。因此，在各個(gè)果區(qū)蘋果生產(chǎn)中，仍要防范晚霜凍的不利影響，要做好晚霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)管理，保障蘋果產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié) 論

本研究利用中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)地各站始花期觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)熱時(shí)模型參數(shù)進(jìn)行模擬，得到各蘋果產(chǎn)區(qū)代表站點(diǎn)（阿克蘇、伊寧、白水、禮泉、萬(wàn)榮、陜州區(qū)、福山和熊岳）蘋果始花期模型。利用1962－2019年各站逐日氣溫資料對(duì)歷年始花期進(jìn)行重構(gòu)，并對(duì)蘋果開花后不同等級(jí)晚霜凍發(fā)生的頻率和日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)不同等級(jí)晚霜凍發(fā)生的頻率和發(fā)生的強(qiáng)度，建立了蘋果花期晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型?；诖耍瑢?duì)蘋果花期晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)論如下：

1）通過(guò)均方根誤差、決定系數(shù)、準(zhǔn)確率、相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差等方面對(duì)不同果區(qū)建立的蘋果始花期模型進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)和交叉檢驗(yàn)。結(jié)果表明，本研究建立的各個(gè)果區(qū)的蘋果始花期模型能夠在數(shù)據(jù)獨(dú)立情況下較準(zhǔn)確地模擬各站多年始花期。各果區(qū)所有站始花期在1962－2019年（福山為1980－2019年）間均呈顯著提前趨勢(shì)，提前幅度為?1.84～?1.04、?3.09～?2.62和?2.37～?1.88 d/10 a。

2）渤海灣果區(qū)受晚霜凍影響較小，其中福山基本不受晚霜凍的影響。新疆果區(qū)的伊寧和黃土高原果區(qū)的萬(wàn)榮和白水等地受晚霜凍影響相對(duì)較大。其中，伊寧輕、中和重霜凍發(fā)生頻率分別44.8%、20.7%和17.2%，晚霜凍日數(shù)指數(shù)分別為0.97、0.36和0.26 d；萬(wàn)榮輕霜凍和中霜凍發(fā)生頻率分別為48.3%和25.9%，晚霜凍日數(shù)指數(shù)分別為0.90和0.31 d；白水輕霜凍和中霜凍發(fā)生頻率分別為32.8%和6.9%，晚霜凍日指數(shù)分別為0.62和0.14 d。

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Simulation of first flowering date for apple and risk assessment of late frost in main producing areas of northern China

Qiu Meijuan1, Liu Buchun1※, Liu Yuan1, Wang Keyi1, Pang Jingyi1,2, Zhang Xiaonan1, He Jinna1,3

(1.,//,,100081,; 2.,115001,; 3.,,110161,)

An accurate model of apple was established to simulate the first flowering date in the main apple producing areas of northern China. Taking the Yining, Aksu, Wanrong, Baishui, Liquan, Shanzhou district, Fushan, and Xiongyue in Xinjiang, Loess Plateau, and Bohai Bay, as examples, a systematic investigation was made to evaluate the climate risk for the late frost of apple in flowering stage. The phenological and meteorological observation data was collected during the same period from the representative stations in each area. The parameters of thermal time model were revised to establish the first flowering date model of apple in different stations. Using internal and cross validation methods, the applicability of thermal time model was evaluated when simulating the first flowering date of apple. Then, the model was used to reconstruct the first flowering date of apple from 1962 to 2019, in order to explore the variation trend for the first flowering date of apple and the climate risk of late frost to apple flower in each fruit region. The frequencies and days were determined in various grades of late frost, as well as the climate risk, combined with the meteorological index of late frost and the last day of its occurrence. The results showed that: 1) The models for the first flowering date of apple in Xinjiang, Loess Plateau, and Bohai Bay were able to accurately simulate the changes of the first flowering date in the representative stations in each region. The data was independent, where the root mean standard errors (RMSE) of internal validation in each region were 2.5-4.8, 2.4-5.0, and 2.3-3.0 d, and the2values were 0.80-0.81, 0.66-0.89, and 0.74-0.90. In the cross validation, the values of RMSE were 5.0-6.6, 3.4-6.0, and 3.6-4.1 d, and the values of2were 0.41-0.73, 0.54-0.92, and 0.88, respectively. 2) From 1962-2019 (except that Fushan was from 1980 to 2019), the first flowering date of apple showed a significant trend of advance, where the trend coefficients was -1.84 - -1.04, -3.09 - -2.62, and -2.37 - -1.88 d/10 a, respectively. 3) The occurrence frequency and days of light frost were the highest, followed by the medium frost, while, those of heavy frost were lowest. There were relatively large climate risk indexes of apple late frost in the fruit region of Xinjiang and the Loess Plateau. Specifically, the maximum of 2.38 was in Yining, and the second value of 1.81 was in Wanrong, with its light and medium frost occurring once about every 2 and 4 years, respectively, while, the annual average numbers of days of late frost were 0.90 and 0.31 d, respectively. Followed by Baishui, the light and medium frost occurring once every 3 and 14 years, respectively, while the annual average numbers of days of late frost were 0.62 and 0.14 d, respectively. Nevertheless, the climate risk index of apple in the late frost was 0 at Fushan in Bohai Bay. The apples in the fruit area of Xinjiang and Loess Plateau were more affected by the late frost, whereas, that in the Bohai Bay was basically not affected by the late frost. The findings can provide a scientific guidance to effectively prevent the impact of late frost disaster on local apple production.

models; risk assessment; late frost; meteorological indicators; disaster causing factors; apple; first flowering date

邱美娟，劉布春，劉園，等. 中國(guó)北方主產(chǎn)地蘋果始花期模擬及晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：154-163. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.019 http://www.tcsae.org

Qiu Meijuan, Liu Buchun, Liu Yuan, et al. Simulation of first flowering date for apple and risk assessment of late frost in main producing areas of northern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 154-163. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.019 http://www.tcsae.org

2020-06-29

2020-10-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與防范”重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFC1502804）

邱美娟，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究。Email：qmjcams@163.com

劉布春，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)減災(zāi)和農(nóng)業(yè)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理研究。Email：liubuchun@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.019

P49

A

1002-6819(2020)-21-0154-10