張翠英，樊獻政，李瑞英

（1山東省菏澤市氣象局，山東菏澤 274000；2山東省招遠市氣象局，山東招遠 265400）

0 引言

油用牡丹又稱油牡丹、油料牡丹，是一種集油用、藥用和觀賞價值為一身重要的經(jīng)濟生態(tài)植物，具有種植成本低、產(chǎn)量比較高、出油率高、油的品質好，還能持續(xù)生態(tài)循環(huán)生產(chǎn)等特點。如五年生牡丹產(chǎn)量是大豆的2～3倍，含油率22%以上，高于大豆的19%，牡丹籽油不飽和脂肪酸更是達到92%。油用牡丹屬多年生木本植物，耐旱、耐陰、耐貧瘠，生長適應性強，適合中國大部分區(qū)域生長，也可用于荒山治理、林下種植等。油用牡丹果莢大、結籽多、籽粒飽滿且含油量高、產(chǎn)量比較穩(wěn)定、出油率較高、生長較快、適應性廣[1]、適合藥用，營養(yǎng)價值優(yōu)良，生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益可觀，是中國特有的木本油料資源。油用牡丹具有經(jīng)濟和觀賞價值為一體的獨特優(yōu)勢，呈現(xiàn)出巨大的開發(fā)潛力和廣闊的發(fā)展前景，因此發(fā)展牡丹產(chǎn)業(yè)，掌握油用牡丹的生長習性極其重要。目前國內外對油用牡丹的科研多數(shù)為栽培種植、催花、新品種培育、根皮的藥用價值等方面[2-7]。如陳慧玲等[8]研究了油用牡丹栽培、育種及繁育等，張欽等[9]總結了油用牡丹栽培、管理等方面的技術。氣象因子對油用牡丹物候期的影響、油用牡丹的花期預測的研究文獻中尚未見報道。隨著牡丹產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，油用牡丹的經(jīng)濟和社會價值已引起高度關注。因此探討氣象因子對油用牡丹生長發(fā)育及物候期的影響、準確預測油用牡丹開花期等，旨在為牡丹生產(chǎn)趨利避害，促進油用牡丹的快速發(fā)展提供科技支撐。

研究發(fā)現(xiàn)，導致植物物候出現(xiàn)早晚最重要的周圍環(huán)境因素之一是氣象條件，其中溫度是影響因素中最重要的氣象條件，它與植物的發(fā)育期出現(xiàn)的早晚、生長快慢，植物的病蟲害發(fā)生、發(fā)展均有直接的聯(lián)系[10-14]。有研究表明，植物對氣溫反應在春季更敏感[15]。劉克長[16]認為穩(wěn)定通過0℃時的活動積溫對于牡丹花發(fā)育的影響較大。作為菏澤市特色旅游的牡丹花觀賞時間倍受各界關注，但溫度對牡丹花期早晚、長短、始花期的影響尤為重要[17]。建立花期預報模型，發(fā)布觀賞性植物的精準花期預報，為旅游活動提供重要參考依據(jù)，已經(jīng)成為氣象服務領域一個新的發(fā)展方向[18]。

油用牡丹有鳳丹、紫斑兩個品種，菏澤種植主要品種是鳳丹牡丹，鳳丹牡丹大多花的顏色潔白如雪，食用味道獨特，營養(yǎng)豐富。油用牡丹可以制作牡丹花茶，牡丹花茶分花骨朵茶、花瓣茶、花絲茶、花蕊茶等，人工收集油用牡丹的花瓣、花蕊，制作花茶。據(jù)油用牡丹物候觀測資料顯示，一朵花苞牡丹從骨朵綻放到盛開、開敗僅僅持續(xù)一周時間，多數(shù)牡丹研究人員說采摘牡丹初開時的花瓣制作花茶口味、品質，所以采摘優(yōu)質牡丹花瓣對牡丹花茶的品質、口感等尤為重要，做好油用牡丹花期預報，對牡丹花瓣的適時采摘提供科學依據(jù)。

本研究主要通過對菏澤市油用牡丹開花期物候變化特征分析，找出影響油用牡丹開花期早晚的主要氣象因子，建立油用牡丹始花期預報模型，為做好牡丹特色氣象服務提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

菏澤位于黃河下游，屬于沖積平原，地勢平坦，土層深厚，土質疏松，土地肥沃；年平均氣溫14.0℃、降雨量649.9 mm、無霜期288天，且四季分明，雨熱同季，具有種植牡丹的得天獨厚的條件，自古以來就是牡丹最適宜的生長區(qū)，已經(jīng)成為中國牡丹栽培中心。2015年菏澤油用牡丹種植面積達30666.7 hm2，是油用牡丹存量面積最大的地級市。

1.2 物候資料與氣象資料

油用牡丹物候資料為2008—2019年菏澤國家農(nóng)業(yè)氣象觀測站資料，氣象資料為菏澤國家氣象觀測站資料。由于每種植物物候期的開始日期與其前2～3個月的氣象條件顯著相關[19]。因此統(tǒng)計了2007—2019年菏澤秋季至翌年4月30日期間最小步長以旬為單位的氣象觀測資料，包括旬平均、最高、最低氣溫、0～15 cm地溫、積溫、日較差、降水及日照等氣象要素。氣象資料常年值（1981—2010年平均氣象資料）來自山東省氣象信息中心。

1.3 研究方法

1.3.1 滑動平均法 滑動平均法又稱移動平均法[20]，它是以一連串部分重疊的序列的平均值組成新序列的一種方法。

1.3.2 相關分析方法[21-22]在分析油用牡丹始花期與氣象因子的關系時，采用相關分析方法統(tǒng)計油用牡丹花期與氣象因子的相關性，所用相關系數(shù)計算如式(1)所示。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2013統(tǒng)計分析和作圖，借助Statistical Product and Service Solutions和Data Processing System統(tǒng)計軟件對選取的氣象因子與牡丹花期進行處理和回歸分析，回歸系數(shù)采用最小二乘法[23-24]，計算方式如(2)所示。

式(2)中，如果0.01≤P＜0.05，則結果顯著；如果0.001≤P＜0.01，則結果極顯著；如果P＜0.001，則結果是極高地顯著；如果P＞0.05，則結果被認為沒有統(tǒng)計顯著性。

1.3.4 物候觀測 當觀測牡丹植株上或莖上出現(xiàn)牡丹某一發(fā)育期特征時，牡丹就進入了這個發(fā)育期，觀測的大田牡丹群體進入發(fā)育期，是以觀測的總株（莖）數(shù)中進入發(fā)育期的株（莖）數(shù)所占的百分率確定的。第一次觀測到≥10%為某個發(fā)育期的始期，觀測到發(fā)育期≥50%為發(fā)育普遍期[25]。

2 結果和分析

2.1 氣象要素與油用牡丹生長的關系

2.1.1 春季溫度對油用牡丹的影響 牡丹具有典型的深休眠現(xiàn)象[26]，深秋以后以牡丹的休眠狀態(tài)進入低溫的冬天。牡丹從上一年11月進入休眠后，到第二年氣溫穩(wěn)定在3～5℃時，開始萌動[17,27]。菏澤市牡丹一般2月開始萌動，統(tǒng)計2008—2019年2—4月平均氣溫、平均最低氣溫及極端最低氣溫與常年值（1981—2010年）比較（見表1）。

由表1可見，由于氣候變化，2008—2019年2—4月平均氣溫、平均最低氣溫及極端最低氣溫與常年（1981—2010年）相比，溫度均不同程度的上升，導致近年來菏澤牡丹花期逐漸提前。雖然極端最低氣溫較常年有所偏高，但極端氣溫的出現(xiàn)對牡丹生長的危害較為嚴重。

表1 菏澤市2008—2019年2—4月平均溫度與常年值比較

菏澤市12月23日（冬至日）至第二年2月上旬（立春），這段時間是全年溫度最低的時期，此期牡丹進入深休眠期。10℃是春季喜溫作物生長的下限溫度[28]。但在自然條件下，牡丹的生長下限溫度低于農(nóng)作物生長的溫度，春季溫度穩(wěn)定在3.6℃以上時，牡丹開始萌動生長[29]。當氣溫＜3.6℃時，牡丹逐漸停止生長。因此，當日平均氣溫持續(xù)低于界限溫度(3.6℃)時，對牡丹生長的影響越大，最明顯的是影響牡丹花期的遲早[10,30]。多年牡丹觀測資料顯示，每年春季，菏澤牡丹會發(fā)生不同程度的凍害，比如2018年春季溫度驟變對牡丹的危害較大，大部分油用牡丹遭受凍害，導致牡丹大面積減產(chǎn)，部分地塊甚至絕產(chǎn)。

2.1.2 氣象因子與油用牡丹始花期的關系 油用牡丹物候期的觀測資料顯示，最早始花期在4月6日（2018年），最晚出現(xiàn)在4月19日（2010年）。對牡丹始花期與同年前期氣象要素最小步長為旬包括溫度、氣溫日較差、日照、降水、≥0.1 mm降水日數(shù)及相對濕度進行相關分析，結果發(fā)現(xiàn)牡丹始花期與前期溫度相關顯著，大部分相關系數(shù)達極顯著檢驗（見表2，僅列出部分顯著相關的因子，其他略），最大相關系數(shù)r=-0.913**。這表明1—3月溫度是影響牡丹花期的主要氣象因子，溫度的高低與開花的早晚密切相關。

由表2可以看出，影響油用牡丹開花的單相關達到極顯著水平的氣象因子均為溫度，包括氣溫、積溫和地溫等，降水、日照等氣象因子相關不顯著，但在牡丹生長過程中也是重要影響因子。牡丹是一種多年生小灌木，耐干旱、耐高寒，是肉質深根系植物，所以牡丹對降水的要求不高，適宜的降水都能滿足牡丹生長的需求，但特別年份的干旱或洪澇災害導致土壤長期缺水或降水明顯偏多，對牡丹的生長危害較大，如2004年7月，菏澤市累計雨日18天，總降水量396.8 mm，降水較常年明顯偏多，牡丹大田因長時間積水導致大面積牡丹死亡。牡丹一般在4月開花，春季溫度不斷回升，但回升的時間有早有晚，速度也有快有慢，所以牡丹的花期也有早有晚，觀測發(fā)現(xiàn)3月氣象條件是影響油用牡丹花期的關鍵期。本研究選取與油用牡丹始花期相關顯著(P＜0.05)的氣象因子作為關鍵影響因子進行分析。

表2 2008—2019年菏澤牡丹始花期與春季溫度相關性

2.1.3 關鍵氣象因子對油用牡丹始花期的影響 統(tǒng)計分析2008—2019年穩(wěn)定通過0℃初日至油用牡丹開花始期期間的≥0℃積溫、穩(wěn)定通過3℃初日至油用牡丹開花始期有效積溫（菏澤牡丹一般在二月中、下旬，日平均氣溫穩(wěn)定通過3～5℃，芽開始萌動膨大，并逐漸綻裂，因此下限溫度取值3℃）、3月≥0℃積溫、最低氣溫≤3℃以下的日數(shù)、最低氣溫≤0℃以下的日數(shù)、最低氣溫≤0℃的累計小時數(shù)等，繪制油用牡丹始花期與氣象因子的關系曲線圖。

由牡丹花期的年變化趨勢與氣溫、積溫及地溫等溫度的變化曲線可見，當春季溫度升高時，牡丹花期偏早，這與2008—2019年的氣候變暖，花期出現(xiàn)不同程度的提前結論一致。3月溫度是影響牡丹花期的關鍵因子，比如：2010年牡丹花期最晚，出現(xiàn)在4月19日，穩(wěn)定通過3℃初日至開花始期有效積溫為331.5℃·d，在11年中有效積溫是最少的一年，3月最低氣溫≤0℃的出現(xiàn)累計時長76 h，累計時長是最長的一年，牡丹花期與其他年份相比明顯偏晚。

圖1 油用牡丹始花期與3月溫度關系曲線圖

圖2 油用牡丹始花期與穩(wěn)定通過0、3℃及距平關系曲線圖

圖3 油用牡丹與最低氣溫≤0、3℃及最低氣溫≤0℃的累計時長關系曲線圖

圖4 油用牡丹始花期與積溫關系曲線圖

油用牡丹始花期與1—3月平均氣溫呈顯著負相關，由油用牡丹始花期與關鍵氣象因子的年變化趨勢所示，平均氣溫、地溫及≥0℃積溫越多，牡丹花期越早，穩(wěn)定通過0、3℃初日越早，牡丹始花期越早，說明溫度是影響牡丹花期的主要因子之一。但最低氣溫≤0、3℃日數(shù)及最低氣溫≤0℃的累計時長與牡丹花期年變化趨勢一致，隨著最低氣溫≤0℃的時長增加，牡丹花期逐漸推遲。溫度影響整個牡丹的開花過程，同一地區(qū)牡丹花期早晚與春季氣溫變化關系密切，觀測發(fā)現(xiàn)春季氣溫偏高或偏低，花期早晚相差5～7天甚至十幾天或更多[1]。

2.2 花期預測模型

油用牡丹物候資料顯示，2008—2019年，菏澤油用牡丹4月上旬中后期開花，所以對2008—2018年油用牡丹始花期與1—3月氣象條件相關分析，選取相關顯著的氣象因子建立花期預測模型，在牡丹物候觀測中發(fā)現(xiàn)，日照、降水對花期有所影響，為確保預報的準確性，嘗試將日照、降水因子加入建模中，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行逐步回歸，最終選取方程復相關系數(shù)及信度檢驗較好的方程確定為最優(yōu)油用牡丹花期預測模型，建模后對2019、2020年進行預報檢驗，如式(3)所示。

式(3)中：X1為1月15 cm平均地溫，X5為1月下旬平均日照時數(shù)，X12為2月下旬—3月上旬累計日照，X13為2月下旬—3月中旬累計日照，X19為1月上旬—3月上旬積溫，X21為2月上旬—3月上旬積溫，X24為2月中旬—3月中旬≥0℃積溫。

方程的復相關系數(shù)R=0.9998，檢驗統(tǒng)計量F=1354.2255，通過0.0001信度檢驗。

用11年歷史資料回代，以±1天為準，擬合率為100%。

此預報模型可于3月21日作出油用牡丹花期預報，如式(4)所示。

式(4)中：X10為2—3月15cm平均地溫，X12為3月上旬平均氣溫，X21為1月≥0.1 mm日數(shù)，X23為2月下旬—3月上旬累計日照，X27為1月中旬—3月下旬累計日照，X40為2月中旬—3月下旬積溫。

方程的復相關系數(shù)R=0.9997，檢驗統(tǒng)計量F=1290.8762，通過0.0001信度檢驗。

用11年歷史資料回代，以±1天為準，擬合率為100%。

此預報模式可于4月1日作出油用牡丹花期預報。

雖然在花期預測模型、花期與氣象因子的相關分析中，多數(shù)選取了與溫度相關的氣象因子，但日照、相對濕度、氣溫日較差及降水等對牡丹整個生長期的影響也不容忽視。

2.3 預報檢驗與應用

用回歸方程對11年資料進行歷史回代檢驗（見圖5），擬合2008—2018年油用牡丹始花期，結果與原樣本Y值誤差均在±1天以內，準確率100%，擬合程度較為理想。

圖5 油用牡丹始花期預報模型歷史回代檢驗

利用所建立的預測模型對2019、2020年油用牡丹始花期進行預測檢驗，結果見表3。

表3 2019、2020年油用牡丹始花期預測模型檢驗

用預測模型對2019、2020年油用牡丹的始花期進行預報，預報值和實際值誤差均在1天以內。2008—2019年，春季氣溫不斷升高，油用牡丹始花不斷提前，模型預報結果與實際情況基本吻合，說明預測模型具有較高的應用價值和服務效益。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）春季牡丹開花前平均氣溫、地溫及≥0℃積溫越高，穩(wěn)定通過0、3℃初日越早，油用牡丹始花期越早。最低氣溫≤0、3℃日數(shù)及最低氣溫≤0℃的累計時長與牡丹花期年變化一致，隨著最低氣溫≤0℃的時長增加，牡丹開花期逐漸推遲，結論與劉克長等[16]研究結果一致。

（2）基于油用牡丹花期前的溫度、降水、空氣濕度、地溫、氣溫日較差等多種氣象要素，利用統(tǒng)計方法與油用牡丹花期相關分析，牡丹花期與前期的溫度相關顯著，說明溫度是影響牡丹花期的主要氣象因子，溫度的高低與開花的早晚密切相關，春季溫度偏高，油用牡丹花期提前。溫度包括平均氣溫、積溫和地溫等，牡丹花期與降水、日照、空氣濕度、氣溫日較差等氣象因子均無顯著相關性。

（3）在油用牡丹生長過程中，降水、日照等是重要的氣象影響因子，缺一不可，在建立油用牡丹花期預報模型中，為確保預報的準確性，選取與牡丹花期相關顯著的氣象因子，同時也加入降水和日照等氣象因素，利用逐步回歸逐步剔除建立花期預測模型，最終確定最優(yōu)預測模型，歷史回代及預報檢驗效果較好。

3.2 討論

（1）油用牡丹生長、開花等物候變化的過程，受多種因素影響，但經(jīng)驗和資料表明，溫度是影響牡丹的芽萌動、開花的主導因素。實際上是隨溫度的變化不斷積累植物體內某一物候期所需的能量積累過程，當體內物質積累到一定量時發(fā)生質變，出現(xiàn)了各種不同的物候現(xiàn)象[28,31-32]。賀漫媚[33]等認為溫度是影響油用牡丹生長的一個重要的氣象因子。

本研究通過連續(xù)多年的油用牡丹生長觀測資料發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度范圍內，溫度的高低直接影響油用牡丹各個物候期的早晚。但溫度過高或過低對油用牡丹生長產(chǎn)生不利影響，這也與油用牡丹的生長與多數(shù)氣象因子[1]，主要是溫度呈現(xiàn)負相關說法一致?；ㄆ陬A報模型引進的因子顯示，溫度是影響牡丹生長的主要氣象因子之一，這也與前人的研究結論一致。

（2）有效積溫不是一個常數(shù)，植物生長發(fā)育所需有效積溫在植物的生長過程中是一個隨機函數(shù)，溫度不同，有效積溫的數(shù)值不同[34]。李瑞英等[35]認為氣候變化對牡丹萌芽—開花期間的氣候適宜性無明顯負效應。本研究通過分析發(fā)現(xiàn)，在氣候變化的大背景下牡丹花期隨著溫度的上升有逐年提前的趨勢，但個別年份溫度偏低而花期推遲，表明有效積溫對牡丹生長及花開的影響至關重要。不同的年份牡丹生長的有效積溫不同，比如：2010年穩(wěn)定通過3℃初日至開花始期有效積溫331.5℃·d，在11年中有效積溫最少，3月最低氣溫≤0℃累計時長最多，牡丹花期與其它年份相比明顯偏晚。這也與高志民、王蓮英[29]研究的牡丹的催花只有在滿足其各生長發(fā)育期所需要的積溫后才能順利進行結論基本一致。

（3）劉克長[16]研究試驗表明在做牡丹花期預報時，應把萌動—開花這個時段的日照時數(shù)作為主要的預報因子，其它氣象要素包括降水、空氣濕度、地溫、氣溫日較差等對牡丹生長發(fā)育也有一定影響，但統(tǒng)計分析相關不顯著。楊芳絨等[36-37]研究發(fā)現(xiàn)溫度平穩(wěn)上升有利于花蕾發(fā)育及其花期延長，低溫推遲花期。本研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)油用牡丹始花期與日照時數(shù)、降水等氣象因子相關不顯著，這也與前人的研究結論吻合，主要是由于牡丹原產(chǎn)于中國西北較干旱地區(qū)，本身根系發(fā)達耐旱[38-39]。地溫高低對植株地下部分影響較大，而對地上部分影響沒有氣溫顯著。氣溫日較差與花期相關未達顯著水平，因為北方春季的氣溫日較差一般較大，但年際變化很小，因此劉克長在花期預報時，對以上諸因子不與考慮。本研究預報模型中也沒有引進降水、日較差作為影響牡丹生長的氣象因子，但引進了地溫，這與劉克長發(fā)現(xiàn)的地溫對植株地下部分影響較大恰恰吻合，但本研究認為地溫與牡丹花生長相關比較顯著，也是影響牡丹生長的主要因子之一，地溫影響牡丹地下部分的生長，間接的影響地上植株的生長，這一觀點與劉克長不同，但與克雷默[40]結論一致，克雷默研究發(fā)現(xiàn)，除了土壤水分外，可能地溫是影響水分吸收的最重要因子，地溫對根系吸收礦物質營養(yǎng)有很大影響。

（4）建立預測模型時，選取了與牡丹花期相關顯著的氣象因子，同時引進降水和日照等氣象因素建立預測模型。但在牡丹實際生長過程中，其它相關不顯著的氣象因子對牡丹生長及花期的影響也缺一不可，這方面還有待進一步研究；由于油用牡丹物候資料年限短，牡丹生長中經(jīng)歷的各種氣象條件無法對比分析，有望隨著觀測記錄年代的增加更好的分析氣象條件對牡丹生長的影響。