楊素苗 董宇航 馬筱建 石海強(qiáng) 杜紀(jì)壯 姚樹然 段鵬偉

摘? ? 要：為探明氣象因子對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響，確定適宜‘富士蘋果栽培的氣候條件范圍，應(yīng)用主成分分析、多元線性回歸及線性規(guī)劃對(duì)河北省44個(gè)蘋果園及當(dāng)?shù)貧庀笠蜃舆M(jìn)行分析。結(jié)果表明，氣候因子對(duì)果實(shí)的著色指數(shù)、裂果指數(shù)、質(zhì)構(gòu)特性影響顯著，對(duì)單果質(zhì)量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量沒有顯著影響;適宜‘富士蘋果栽培的氣候條件為生長(zhǎng)期日均氣溫17.05～18.42 ℃，平均日較差9.94～14.61 ℃，日均降水量1.29～3.09 mm，日均濕度55.01%～71.55%，日均日照時(shí)數(shù)5.72～5.92 h，及年日均氣溫8.38～15.60 ℃，平均日較差9.59～14.26 ℃，日均降水量0.79～1.93 mm，日均濕度50.15%～65.67%，日均日照時(shí)數(shù)5.19～7.48 h。綜上，河北省生長(zhǎng)期內(nèi)的日較差、降水量和濕度，以及周年的溫度、日較差、降雨量、濕度和光照時(shí)數(shù)均適宜‘富士蘋果栽培，部分地區(qū)生長(zhǎng)期內(nèi)過高的日照時(shí)數(shù)和溫度是影響果實(shí)品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子。

關(guān)鍵詞：蘋果;果實(shí)品質(zhì);主成分回歸;線性規(guī)劃;氣象因子

中圖分類號(hào)：S162.5+5? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.014

The Effects of Climate Factors on Fruit Quality of 'Fuji' Apple in Hebei Province

YANG Sumiao1， DONG Yuhang2， MA Xiaojian1， SHI Haiqiang1， DU Jizhuang1， YAO Shuran2， DUAN Pengwei1

（1.Shijiazhuang Institute of Fruit Trees， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050000， China; 2.Meteorological Institute of Hebei Province， Shijiazhuang，? Hebei? 050000， China）

Abstract： In order to ascertain the impact of meteorological factors on fruit quality and determine the suitable range of climatic conditions for 'Fuji' apple cultivation， 44 apple orchards and local meteorological factors in Hebei Province were analyzed through the principal component analysis， multiple linear regression and linear programming. The results showed that climate factors had significant effects on fruit color index， cracking index， and texture characteristics， but had no significant effects on fruit weight， soluble solid content， and titratable acid content. The suitable climatic conditions for 'Fuji' apple cultivation were as follows： the average daily temperature was 17.05-18.42℃， the average diurnal temperature range was 9.94-14.61 ℃， the average daily precipitation was 1.29-3.09 mm， the average daily humidity was 55.01%-71.55%， the average daily sunshine hours was 5.72-5.92 h during the growth period;the average daily temperature was 8.38 -15.60 ℃， the average daily temperature difference was 9.59-14.26 ℃， the average daily precipitation was 0.79-1.93 mm， the average daily humidity was 50.15%-65.67%， and the average daily sunshine hours was 5.19-7.48 h in the whole year. In summary， the diurnal temperature range， precipitation and humidity during the growth period， as well as the annual temperature， diurnal temperature range， rainfall， humidity and light hours are suitable for the cultivation of 'Fuji' apples in Hebei Province， and the key meteorological factors affecting fruit quality are the too long sunshine hours and the too high temperature during the growth period in some areas.

Key words： apple; fruit quality; principal component regression; linear programming; climate factor

中國是蘋果生產(chǎn)大國，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一?！皇渴俏覈闹髟云贩N，約占蘋果種植品種的70%[1]，但通過對(duì)主產(chǎn)區(qū)‘富士蘋果的抽樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，我國蘋果的理化品質(zhì)呈下降趨勢(shì)[2-5]。果實(shí)品質(zhì)受氣候條件影響較大，Sugiura等[6]發(fā)現(xiàn)氣候變暖導(dǎo)致‘富士和‘津輕蘋果花期提前、果實(shí)成熟度變高，果實(shí)硬度和酸含量降低，可溶性固形物含量提高。申順吏等[7]認(rèn)為溫度類因子是蘋果產(chǎn)量的主要影響因素;Syukur等[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，結(jié)果數(shù)量、果實(shí)產(chǎn)量、果品級(jí)別、果實(shí)硬度等均降低。童盼盼等[9]研究認(rèn)為，果實(shí)品質(zhì)和糖心形成受光照強(qiáng)度和晝夜溫差的影響，光照強(qiáng)度與晝夜溫差大有利于果實(shí)品質(zhì)提高和糖心形成。張磊等[10]研究結(jié)果表明，氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度是影響高酸蘋果品質(zhì)最主要的氣象因子。魏欽平等[11-12]研究認(rèn)為單果質(zhì)量和果形指數(shù)的相對(duì)光照強(qiáng)度值要求較低，果實(shí)著色、可溶性固形物和可溶性糖對(duì)相對(duì)光照強(qiáng)度的需求均在80%以上。李興軍等[13]研究發(fā)現(xiàn)蘋果果實(shí)生育期的相對(duì)濕度不宜超過70%;段曉鳳等[14]認(rèn)為“富士”蘋果的相對(duì)濕度要求為65.1%～73.3%。綜上，同一氣候因子可能影響果實(shí)的多個(gè)品質(zhì)，同一品質(zhì)指標(biāo)也可能同時(shí)受多個(gè)氣候因子影響。為了探明氣象因子對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響，明確適宜‘富士蘋果栽培的氣象因子范圍，以我國環(huán)渤海蘋果優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)的河北省44個(gè)果園的‘富士蘋果為試材，結(jié)合所屬縣的氣象數(shù)據(jù)，分析了氣象因子對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

‘富士蘋果果實(shí)選自河北省33個(gè)蘋果種植縣共44個(gè)‘富士蘋果園，南起邯鄲市磁縣，北至承德市平泉市，北緯36°41′至41°20′，東經(jīng)113°78′至119°27′，果園海拔高度范圍為-5～700 m。2019年河北省年平均氣溫12.9 ℃，年平均降水量437.6 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 373.3 h。

自2019年10—11月，分別于當(dāng)?shù)毓麑?shí)最適采收期，在每個(gè)果園隨機(jī)選擇長(zhǎng)勢(shì)中庸的成齡長(zhǎng)枝富士蘋果樹3株，每株樹從4個(gè)方向隨機(jī)摘取10個(gè)果實(shí)，即每個(gè)果園共取30個(gè)果實(shí)，取樣后4 h內(nèi)保存于果品保鮮庫中。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 果實(shí)品質(zhì)指標(biāo) 對(duì)果實(shí)單果質(zhì)量、著色指數(shù)、裂果指數(shù)、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、脆裂性、膠粘性、咀嚼性共8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

單果質(zhì)量，根據(jù)NY/T 2316-2013蘋果品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)規(guī)范稱量。著色指數(shù)，目測(cè)著色部分在整個(gè)果實(shí)的面積占比。裂果指數(shù)，目測(cè)裂果部分在整個(gè)果實(shí)的面積占比。可溶性固形物，采用PAL-1型數(shù)字糖度計(jì)測(cè)定?？傻味ㄋ岷浚捎肎MK-835F型水果酸度計(jì)測(cè)定。脆裂性是指樣品折斷時(shí)的力，膠粘性是指半固體食品吞咽前破碎它需要的能量，咀嚼性是指咀嚼固體樣品時(shí)需要的能量，感官指果實(shí)在牙齒的咀嚼過程中對(duì)外力的持續(xù)抵抗作用;脆裂性、膠粘性和咀嚼性用美國FTC質(zhì)構(gòu)儀TPA（texture profile analysis）法測(cè)定，方法：延果梗將蘋果切為兩瓣，使用14 mm的打孔器在蘋果的4個(gè)角取樣，用切分寬度4.5 mm的雙刀切取居中部位作為試樣。質(zhì)構(gòu)儀感應(yīng)元量程250 N，圓柱形探頭，回升高度30 mm，形變百分量60，檢測(cè)速度60 mm·min-1，最小力0.1 N。

1.2.2 氣象因子主成分分析 主成分回歸是一種處理多重共線性的新參數(shù)方法，其基本思想是首先將原始變量轉(zhuǎn)化為若干主成分，再建立主成分的回歸方程，然后再基于主成分與原始變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到原自變量回歸模型的估計(jì)方程。選擇生長(zhǎng)期內(nèi)（2019年4—10月）日均氣溫、平均日較差、日均降水、日均濕度、日均日照時(shí)數(shù)和一年內(nèi)（2019年1—12月）日均氣溫、平均日較差、日均降水、日均日照時(shí)數(shù)，共10項(xiàng)指標(biāo)（依次記做X1，X2……X10）進(jìn)行主成分分析。

氣象數(shù)據(jù)來自果園自建氣象站或距其最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)（縣城）氣象站。

1.2.3 多元線性回歸分析 對(duì)測(cè)定的8項(xiàng)果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)（依次記做Y1，Y2……Y8）和氣象因子主成分進(jìn)行回歸分析，并將該回歸方程中的主成分值還原為X表達(dá)。

1.2.4 線性規(guī)劃 根據(jù)Y與X之間的關(guān)系，求得氣象因子的最優(yōu)解，得到有利于‘富士蘋果品質(zhì)形成的適宜氣候條件。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與作圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行主成分回歸分析，采用Lingo 12.0進(jìn)行線性規(guī)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)分析

從表1可知，蘋果單果質(zhì)量介于321.93 g和143.60 g之間，均值為247.53 g，極差為178.33 g;蘋果著色指數(shù)均值為82.08%，超過均值的果園共有26個(gè)，占59.09%，達(dá)到100%的果園有4個(gè);裂果方面，平均裂果指數(shù)為12.47%，無裂果的果園有13個(gè)，占29.55%，裂果指數(shù)不超過10%的果園有24個(gè)，占54.55%;果實(shí)可溶性固形物含量的均值為13.59%，最高值為17.44%，最低值為10.51%，極差為6.93%;果實(shí)可滴定酸含量的均值為0.21%;脆裂性平均值為61.47 N，最大值為81.64 N，最小值為47.20 N，極差為34.44 N;膠粘性平均值為8.44 N，最大值和最小值分別為13.46 N和6.00 N，極差為7.46 N;咀嚼性介于22.48 J和8.94 J之間，平均值為14.81 J，極差為13.54 J。7個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)表現(xiàn)為裂果指數(shù)>咀嚼性>膠粘性>著色指數(shù)>可滴定酸含量>單果質(zhì)量>脆裂性>可溶性固形物含量。

2.2 氣象因子數(shù)據(jù)及相關(guān)性分析

由表2可知，生長(zhǎng)季的平均氣溫最大值和最小值分別為17.05 ℃和23.28 ℃，日較差均值為11.61 ℃，年平均氣溫的最大值和最小值分別為8.38 ℃和15.6 ℃，日較差均值為13.55 ℃。生長(zhǎng)季總降水量均值為402.32 mm，年總降水量均值為423.4 mm，生長(zhǎng)季降雨量占全年降雨量的95.02%。年降雨量最小為288.35 mm，年降雨量最大為704.45 mm，前者與后者的比值為41%，可見年降雨量的區(qū)域差異較大?？諝鉂穸鹊木?0.15%～71.55%，年日照時(shí)數(shù)均值1 894.35～2 730.20 h。不同氣象因子的變異系數(shù)表現(xiàn)為全年日均降水量>生長(zhǎng)期日均降水>全年日均氣溫>全年平均日較差>生長(zhǎng)期平均日較差>全年日均日照時(shí)數(shù)>全年日均濕度>生長(zhǎng)期日均氣溫>生長(zhǎng)期日均濕度>生長(zhǎng)期日均日照時(shí)數(shù)。

由表3可知，全年和生長(zhǎng)季的氣溫、日較差、日照時(shí)數(shù)3者之間相關(guān)性均為極顯著。年降水量與年日均濕度、年日均光照時(shí)數(shù)相關(guān)性極顯著，生長(zhǎng)季日均氣溫與日照時(shí)數(shù)同樣呈極顯著相關(guān)。通常認(rèn)為，二因子相關(guān)系數(shù)大于0.7時(shí)，可能存在共線性，因此建立回歸方程需要對(duì)氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行偏回歸處理。

2.3 氣象因子的主成分提取

通過對(duì)生長(zhǎng)期內(nèi)日均氣溫、平均日較差、日均降水、日均濕度、日均日照時(shí)數(shù)和一年內(nèi)日均氣溫、平均日較差、日均降水、日均日照時(shí)數(shù)等氣象因子進(jìn)行主成分轉(zhuǎn)化后，得到10個(gè)主成分因子及其對(duì)應(yīng)的氣象因子特征值（表4）?？芍?個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.09%，滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)分析要求。

2.4 果實(shí)品質(zhì)與氣象因子主成分的回歸分析

建立果實(shí)各品質(zhì)指標(biāo)與5個(gè)主成分的回歸方程，再根據(jù)表4中主成分與氣象因子的關(guān)系式，將主成分轉(zhuǎn)換為氣象因子，得到果實(shí)單果質(zhì)量、著色指數(shù)、裂果指數(shù)、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、脆裂性、膠粘性和咀嚼性與氣象因子的回歸關(guān)系（表5）。根據(jù)顯著相關(guān)性判定，果實(shí)的著色指數(shù)、裂果指數(shù)、脆裂性、膠粘性、咀嚼性回歸方程均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即上述5項(xiàng)指標(biāo)與氣象因子相關(guān)性顯著。通過對(duì)擬合值和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，見圖1—圖5，可以看出大部分果園的實(shí)際值與擬合值基本一致。

2.5 確定氣象因子適宜范圍

根據(jù)氣象因子與品質(zhì)的線性規(guī)劃方程組，求解氣象因子的范圍，既要保證氣象因子在測(cè)定范圍之內(nèi)，又要確保果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到平均值以上水平，即果實(shí)品質(zhì)因素的選擇為果實(shí)著色指數(shù)≥82.08%、裂果指數(shù)≤12.47%、脆裂性≥61.47 N、膠粘性≥8.44 N、咀嚼性≥14.81 J。通過Lingo軟件依次進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6，可知?dú)庀笠蜃拥倪m宜范圍：生長(zhǎng)期的日均氣溫17.05～18.42 ℃，平均日較差9.94～14.61 ℃，日均降水量1.29～3.09 mm，日均濕度55.01%～71.55%，日均日照時(shí)數(shù)5.72～5.92 h;年日均氣溫8.38～15.60 ℃，平均日較差9.59～14.26 ℃，日均降水量0.79～1.93 mm，日均濕度50.15%～65.67%，日均日照時(shí)數(shù)5.19～7.48 h。

3 結(jié)論與討論

主成分回歸法降維優(yōu)勢(shì)明顯，具有多重共線性的自變量經(jīng)過主成分轉(zhuǎn)換后，消除了共線性的危害[15-16]。本文中氣候因子選擇了全年和生長(zhǎng)期兩類時(shí)期的各5項(xiàng)指標(biāo)，部分氣象因子之間相關(guān)性顯著，通過主成分提取及回歸分析，降低了模型擬合的誤差，在一定程度上會(huì)使得回歸方程更加可靠。使用Lingo軟件進(jìn)行線性規(guī)劃，在求解氣象因子范圍時(shí)，將所有相關(guān)品質(zhì)的條件及氣象因子范圍都列為限制條件，然后分別求得所有自變量之和的最大值和最小值，其結(jié)果值即氣象因子的優(yōu)化范圍。張強(qiáng)[1]在求解氣象因子范圍時(shí)，依次對(duì)每項(xiàng)品質(zhì)進(jìn)行單獨(dú)求解，然后對(duì)所有求得的氣象因子值進(jìn)行匯總來確定范圍，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致求得的氣象因子只有一個(gè)最大值或者最小值，無法確定區(qū)間。

氣象因子在蘋果果實(shí)品質(zhì)形成中發(fā)揮著重要作用[17-20]。河北省地區(qū)周年的氣象因子均適宜‘富士果實(shí)品質(zhì)形成。生長(zhǎng)期的日較差、降水量和濕度都在適宜范圍之內(nèi)。生長(zhǎng)期的溫度和日照時(shí)數(shù)上限高于優(yōu)化后的氣象因子范圍，這主要是由于日照時(shí)數(shù)增加和溫度升高會(huì)導(dǎo)致裂果指數(shù)增加，從而降低果實(shí)的外觀品質(zhì)。蘋果種植的氣候條件沒有標(biāo)準(zhǔn)的限定范圍，本文中氣象和果實(shí)品質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果可為‘富士蘋果的栽培提供一定參考。

本研究?jī)H對(duì)‘富士蘋果品質(zhì)而言，其他栽培品種因限于觀測(cè)資料的局限性，本文未曾討論。本文雖只運(yùn)用了一年的數(shù)據(jù)，但果園取樣遍布了河北省絕大部分的蘋果種植區(qū)，基本能說明該地區(qū)的氣象因子對(duì)果品影響。在氣象因素中選擇了全年和生長(zhǎng)期共10項(xiàng)指標(biāo)，回歸方程的擬合值與實(shí)際值基本一致，而對(duì)果實(shí)某單一品質(zhì)影響的氣候因子指標(biāo)可能更少，回歸方程可能會(huì)更加簡(jiǎn)化，如果實(shí)著色的影響光照條件關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)色期的兩周之內(nèi)[21-22]，果實(shí)裂果可能在于某一日的極端高溫或日較差[23]，更加精準(zhǔn)影響因子的確定需要下一步試驗(yàn)研究與驗(yàn)證。

綜上所述，氣象因子對(duì)‘富士蘋果的著色指數(shù)、裂果指數(shù)和質(zhì)構(gòu)特性影響顯著，對(duì)果實(shí)的單果質(zhì)量、可溶性固形物含量和可滴定酸含量影響不顯著。河北省地區(qū)適宜‘富士蘋果生長(zhǎng)的氣象條件范圍為生長(zhǎng)期的日均氣溫17.05～18.42 ℃，平均日較差9.94～14.61 ℃，日均降水量1.29～3.09 mm，日均濕度55.01%～71.55%，日均日照時(shí)數(shù)5.72～5.92 h;年日均氣溫8.38～15.60 ℃，平均日較差9.59～14.26 ℃，日均降水量0.79～1.93 mm，日均濕度50.15%～65.67%，日均日照時(shí)數(shù)5.19～7.48 h。

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