徐曉慧，陳昱星，朱芃鎧，何天友，鄭郁善，陳凌艷

（福建農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，福建 福州 350000 ）

0 引言

烏桕(Sapium sebiferum)又稱桕油樹、白蠟樹、木君子葉，是大戟科(Euphorbiaceae)烏桕屬(Sapium)落葉喬木，主要分布在中國(guó)黃河以南的各省區(qū)，北至陜西、甘肅，南至廣東、廣西。在日本、越南、印度等國(guó)及歐洲、美洲、非洲均有種植，是我國(guó)重要的油料樹種［1］。烏桕四季皆有景可賞，以金秋時(shí)節(jié)最佳，此時(shí)層林盡染。烏桕的物候生長(zhǎng)規(guī)律與氣象條件關(guān)系緊密，尤其是葉變色期的觀賞價(jià)值最高。烏桕作為福州地區(qū)的鄉(xiāng)土色葉植物，在園林景觀營(yíng)造中十分廣泛，建立烏桕色葉觀賞期預(yù)報(bào)有利于準(zhǔn)確發(fā)布賞葉信息，營(yíng)建特色季相景觀。

近年來，一些學(xué)者對(duì)蘋果［2-4］、櫻花［5-7］、刺槐［8］、杏花［9］和桂花［10］等植物進(jìn)行了花期預(yù)報(bào)，如張?jiān)鲂诺龋?1］利用1980─2012年南京市8種常見觀賞樹木的花期物候資料，通過有效積溫法能很好地模擬出了南京地區(qū)這8種觀賞植物初花、盛花和末花期，及開花時(shí)間的長(zhǎng)短。目前，還在研究香山紅葉、銀杏葉變色與氣象條件［12-14］的相關(guān)性和構(gòu)建最佳觀賞期模型［15］等方面取得了一定的研究進(jìn)展，如蔣紅霞等［12］利用1981─1993、2012─2014年郯城中華銀杏物候觀測(cè)資料，得出了銀杏的最佳觀賞始期、持續(xù)時(shí)間與前1周的氣溫、降水、日照等氣象條件有顯著相關(guān)性；尹志聰?shù)龋?4］利用1998─2012年其中10 a的香山公園紅葉物候資料，通過相關(guān)分析和回歸分析等方法建立預(yù)測(cè)模型，平均誤差為3 d左右。

對(duì)烏桕葉變色的研究多集中在生理層面，有研究發(fā)現(xiàn)，烏桕葉在秋季變色后，其體內(nèi)的葉綠體結(jié)構(gòu)變得松散甚至解體，這是葉綠素含量會(huì)大幅下降的原因之一，紅色葉中花色素苷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提升，黃色葉中類胡蘿卜素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加［16-17］；另有研究指出，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量與類胡蘿卜素、蔗糖與花色素苷含量之間呈顯著正相關(guān)，全氮和淀粉含量分別與葉綠素含量呈極顯著和顯著正相關(guān)，色素含量與RGB值之間也存在一定的算術(shù)值關(guān)系［18］。吳飛洋等［19］通過設(shè)置不同梯度的土壤水分，研究了土壤水分脅迫對(duì)烏桕秋葉生理指標(biāo)和景觀效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，在葉變色過程中，經(jīng)過不同處理的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均逐漸減少，而花色素苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)則大幅升高，類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后下降，并且中度(50%)和重度(35%)脅迫都能在一定程度上使葉色變化提前。目前，針對(duì)烏桕葉色變化與氣象條件關(guān)系并建立觀賞期預(yù)測(cè)模型的研究較少，因而開展相關(guān)研究對(duì)提升福州地區(qū)鄉(xiāng)土植物季相營(yíng)建有重要意義。

研究利用福州地區(qū)2003─2022年其中12 a的烏桕物候觀測(cè)記錄及氣象資料，對(duì)烏桕葉變色觀賞期進(jìn)行預(yù)報(bào)模型構(gòu)建，以期為福州地區(qū)烏桕季相景觀營(yíng)建提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 區(qū)域概況

福州（25.15°~26.39°N，118.08°~120.31°E)地處福建省東海岸和閩江下游，為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季常綠，日照充足，雨水充裕，霜凍少無雪，夏長(zhǎng)冬短，平均無霜期326 d。年平均日照1700~1980 h，年平均降水量900~2100 mm；年平均氣溫20~25 ℃，月平均氣溫10 ℃以上，最冷的月份為1─2月，平均氣溫6~10 ℃；最熱月份為7─8月，平均氣溫33~37 ℃；極端最高氣溫為42.3 ℃，最低氣溫為-2.5 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選用2003─2010、2014、2020─2022年(共計(jì)12 a)福州地區(qū)烏桕物候觀測(cè)記錄，數(shù)據(jù)來源于福建農(nóng)林大學(xué)校園植物物候觀測(cè)記錄，其中個(gè)別物候期記錄缺漏，則根據(jù)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（中國(guó)物候觀測(cè)網(wǎng)福州站）的烏桕物候觀測(cè)記錄及實(shí)際觀測(cè)前、后的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理以保證物候數(shù)據(jù)的完整性。將前11 a物候數(shù)據(jù)用作模型構(gòu)建，2022年作為獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。

氣象資料為2003─2010、2014、2020─2022年(共計(jì)12 a)福州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)下設(shè)的國(guó)家環(huán)境信息中心(NCEI)(https://www.ncei.noaa.gov/data/globalsummary-of-the-day/archive/)，氣象要素包括逐日平均氣溫、逐日平均最高氣溫、逐日平均最低氣溫、逐日平均降水、逐日日照時(shí)數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 物候觀測(cè) 參照中國(guó)物候觀測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)［20］，在同一地點(diǎn)范圍內(nèi)，選取3株周圍無其他大樹遮擋、健康的烏桕作為物候觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)植物，觀測(cè)時(shí)間為2022年2月4日至2023年2月4日，觀測(cè)間隔為5天1侯，采用目測(cè)與望遠(yuǎn)鏡結(jié)合的方法于每日14：00~17：00對(duì)選定的植物進(jìn)行觀測(cè)并記錄，以此觀測(cè)到的物候結(jié)果作為2022年的樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)《中國(guó)物候觀測(cè)方法》［20］制定觀測(cè)物候相及觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，包括：萌芽期（葉芽開始膨大期、葉芽開放期）、展葉期（開始展葉期、展葉盛期）、開花期（花序/花蕾出現(xiàn)期、開花始期、開花盛期、開花末期）、果實(shí)發(fā)育期（果實(shí)成熟期、果實(shí)脫落開始期、果實(shí)脫落末期）、秋色葉期（葉開始變色期、葉全部變色期）、落葉期（開始落葉期、落葉末期）。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 物候觀測(cè)數(shù)據(jù)均采用Julian日換算方法［21］；使用 Excel 軟件對(duì)逐年物候數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，使用 SPSS 26.0軟件通過線性回歸方法建立烏桕葉開始變色期及完全變色期的預(yù)報(bào)方程；利用Excel、Origin軟件繪制物候圖譜及葉變色曲線圖及烏桕葉變色實(shí)際值與預(yù)測(cè)值擬合圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2003—2022年福州地區(qū)氣候因子變化特征

由圖1分析得出，2003—2022年間福州地區(qū)的年平均氣溫以0.43 ℃/10 a 的速率緩慢上升，溫度起伏范圍在17.91~19.23 ℃之間，此期間約上升了0.82 ℃；年均降水量以18.98 mm/10 a的速率呈微弱波動(dòng)上升，此期間約增加了36.06 mm，降水范圍在915.56~2286.82 mm之間；年累積日照以104.42 h/10 a的速率呈顯著減少的趨勢(shì)，此期間約減少了198.40 h?？傮w來看，福州地區(qū)氣候呈溫暖、濕潤(rùn)的變化趨勢(shì)。

圖1 2003—2022年福州均溫、降水和日照變化情況

2.2 烏桕物候相觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)12 a的物候觀測(cè)資料制圖得出烏桕各物候相的平均發(fā)生日期及持續(xù)時(shí)間（圖2）。由圖2可知，福州地區(qū)烏桕葉開始變色期的平均日序?yàn)?15.75 d，平年對(duì)應(yīng)日期是11月11—12日，閏年對(duì)應(yīng)日期是11月10—11日，最早為10月14日（2003年），最晚為12月17日（2021年），相差65 d；葉全部變色期的平均日序是367.56 d，平年對(duì)應(yīng)日期是次年1月2—3日，閏年對(duì)應(yīng)日期是1月1—2日，最早為11月10日（2020）年，最晚為次年1月16日（2007年），相差36 d。根據(jù)烏桕葉開始變色期和完全變色期的逐年變化曲線與線性擬合結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)，烏桕葉開始變色期呈現(xiàn)緩慢延遲的趨勢(shì)，烏桕葉完全變色期呈現(xiàn)緩慢提前的趨勢(shì)，但葉開始變色期與完全變色期的變率均比較大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖2 2003—2010、2014、2020—2022年烏桕物候圖譜

圖3 2003—2010、2014、2020—2022年烏桕葉開始變色期和完全變色期逐年變化曲線與線性擬合情況

2.3 烏桕葉變色期與氣象條件的關(guān)系

2.3.1 烏桕葉開始變色期與氣象條件的關(guān)系 通過分析烏桕葉開始變色期與前期（1月1日至葉開始變色日當(dāng)天）逐旬平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、累積降水等氣象要素之間的關(guān)系（圖4）發(fā)現(xiàn)：烏桕葉開始變色期分別與當(dāng)年8月上旬、9月下旬的平均氣溫呈顯著正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系；分別與當(dāng)年8月上旬、9月下旬的平均最高氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)關(guān)系；與8月上旬的平均最低氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)；分別與當(dāng)年7月中旬、8月下旬日照時(shí)數(shù)呈極顯著、顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與當(dāng)年2月下旬累積降水呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖4 烏桕葉開始變色期與1—11月上、中、下旬氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.3.2 烏桕葉完全變色期與氣象條件的關(guān)系 分析烏桕葉完全變色期與前期（1月1日至葉開始變色日當(dāng)天）逐旬平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、累積降水等氣象要素之間的關(guān)系（圖5）發(fā)現(xiàn)：烏桕葉完全變色期與當(dāng)年8月上旬、9月下旬和12月中旬的平均氣溫分別存在顯著負(fù)相關(guān)、顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)關(guān)系；與當(dāng)年11月下旬的平均最高氣溫存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；分別與當(dāng)年8月上旬、12月中旬的平均最低氣溫存在顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系；而與當(dāng)年日照時(shí)數(shù)和累積降水量均不存在顯著相關(guān)性。

圖5 烏桕葉完全變色期與1—12月上、中、下旬氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.4 烏桕葉變色期預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

2.4.1 烏桕葉開始變色期短期氣候預(yù)測(cè) 結(jié)合圖4的分析結(jié)果，選定通過0.05和0.01水平顯著性檢驗(yàn)的各氣象要素作為相關(guān)因子（考慮方程顯著性，去除8月上旬平均最高溫度）引入預(yù)報(bào)模型，利用 SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件得到烏桕葉開始變色期預(yù)報(bào)方程：

式（1）中，y為烏桕葉變色期日序預(yù)測(cè)值，x1為當(dāng)年8月上旬平均氣溫；x2為當(dāng)年9月下旬平均溫度；x3為當(dāng)年9月下旬平均最高氣溫；x4為當(dāng)年8月上旬平均最低氣溫，x5為當(dāng)年2月下旬累計(jì)降水量，x6為當(dāng)年7月中旬日照時(shí)數(shù)，x7為當(dāng)年8月下旬日照時(shí)數(shù)。計(jì)算得R2=0.963，方程F顯著性統(tǒng)計(jì)量的P值為0.037，且通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，說明該方程回歸效果較為顯著，回歸系數(shù)不為0，方程有效。利用該預(yù)報(bào)方程，對(duì)2003—2010、2014、2020—2021年福州地區(qū)烏桕葉開始變色期進(jìn)行擬合回代檢驗(yàn)（圖6），結(jié)果表明，11 a中烏桕葉開始變色期的實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的平均絕對(duì)誤差為2.50 d，葉開始變色期預(yù)報(bào)值與實(shí)際值相差0~1 d的準(zhǔn)確率達(dá)到45.5%，相差2~3 d的準(zhǔn)確率為36.4%，相差5 d的準(zhǔn)確率為18.2%，結(jié)果較為可靠。

圖6 烏桕葉開始變色期的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值

2.4.2 烏桕葉完全變色期短期氣候預(yù)測(cè) 結(jié)合圖5的分析結(jié)果，選定通過0.05顯著性檢驗(yàn)的各氣象要素作為相關(guān)因子引入預(yù)報(bào)模型，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件得到烏桕葉完全變色期預(yù)報(bào)方程：

式（2）中，y為烏桕葉完全期日序預(yù)測(cè)值；x1為當(dāng)年8月上旬平均氣溫，x2為當(dāng)年9月下旬平均氣溫，x3為當(dāng)年12月中旬平均氣溫，x4為當(dāng)年11月下旬平均最高氣溫，x5為當(dāng)年8月上旬平均最低氣溫，x6為當(dāng)年12月中旬平均最低氣溫。計(jì)算得R2=0.976，方程F顯著性統(tǒng)計(jì)量的P值為0.003，通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明該方程回歸效果顯著，回歸系數(shù)不為0，方程有效。利用該預(yù)報(bào)方程，對(duì)2003—2010、2014、2020—2021年福州地區(qū)烏桕葉完全變色期進(jìn)行擬合回代檢驗(yàn)（圖7），結(jié)果表明，11 a中烏桕葉完全變色期的實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的平均絕對(duì)誤差為1.39 d，葉完全變色期預(yù)報(bào)值與實(shí)際值相差0~1 d的準(zhǔn)確率達(dá)到81.8%，相差2~3 d的準(zhǔn)確率為18.2%，結(jié)果較為可靠。

圖7 烏桕葉完全變色期的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值

2.4.3 中期預(yù)報(bào) 根據(jù)短期氣候預(yù)測(cè)的結(jié)果，劃定可進(jìn)行中期預(yù)報(bào)的時(shí)段，一般選擇比短期氣候預(yù)測(cè)值提前14 d開始，根據(jù)氣象臺(tái)每天發(fā)布的氣象信息進(jìn)行中期預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)采取迭代法，并根據(jù)實(shí)際情況不斷修正。

3 2022年獨(dú)立樣本檢驗(yàn)

將2022年8月上旬平均氣溫、9月下旬平均溫度、9月下旬平均最高氣溫、8月上旬平均最低氣溫、2月下旬累計(jì)降水量、7月中旬日照時(shí)數(shù)、8月下旬日照時(shí)數(shù)作為預(yù)報(bào)因子代入公式（1）進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)烏桕葉開始變色期的日序?yàn)?10.14 d，與實(shí)際值11月7日（日序?yàn)?11 d）相比，相差0.86 d，誤差可忽略不計(jì)，說明該模型具有比較高的準(zhǔn)確率。

將2022年8月上旬平均溫度、8月上旬平均最低溫度、9月下旬平均溫度、11月下旬平均最高溫度、12月中旬平均溫度及12月中旬平均最低溫度作為預(yù)報(bào)因子代入公式（2）進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)烏桕葉完全變色期的日序?yàn)?64.92 d，與實(shí)際值1月1日（日序?yàn)?66 d）相比，相差1.08 d，與實(shí)際值基本一致，表明該模型具有比較高的精度。

4 討論

氣溫是影響中國(guó)木本植物物候的主要因子［22］。研究表明2001—2020年全球地表平均溫度比1850—1900年平均溫度高出1.09 ℃［23］，氣候變暖使得許多植物的春季物候期提前、秋季物候期延遲。本研究中，烏桕葉開始變色期呈現(xiàn)緩慢延遲的趨勢(shì)，葉完全變色期呈現(xiàn)緩慢提前的趨勢(shì)，這可能與一定界限溫度的短期作用相關(guān)［22］，也可能是對(duì)光強(qiáng)度的年周期變化的反應(yīng)［28］，還可能與我國(guó)大部分華南地區(qū)秋春相連，無冬季的季節(jié)類型有關(guān)［29］。

外部環(huán)境因素，如溫度、水、光等會(huì)影響植物體內(nèi)發(fā)生的光合作用、水分代謝、礦質(zhì)代謝等生理生化過程，從而引起葉片內(nèi)各種色素的含量和比例發(fā)生變化，使葉片呈現(xiàn)不同的顏色［30］。本研究中，烏桕葉開始變色期與8—9月份的氣溫因子尤其相關(guān)；烏桕葉完全變色期與8—12月份的氣溫因子存在相關(guān)性，且與8、12月份的氣溫因子尤其相關(guān)，這可能是由于氣溫逐漸降低使葉綠素分解，導(dǎo)致類胡蘿卜素、花青素和其他存在于葉子中的物質(zhì)呈現(xiàn)，從而引起葉色變化［31-32］。

筆者認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，影響烏桕葉變色期的環(huán)境因素變得復(fù)雜，而各氣象要素也并不是單獨(dú)地發(fā)生作用，植物生長(zhǎng)的外部條件，烏桕苗木本身的質(zhì)量，以及觀測(cè)年份當(dāng)年的氣候條件，都會(huì)對(duì)烏桕葉變色期造成影響，因此只有不斷地觀測(cè)收集烏桕物候資料，當(dāng)樣本數(shù)據(jù)不斷增多，一些新的特征才可能被發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)測(cè)模型。

5 結(jié)論

通過對(duì)2003—2022年中12 a的福州地區(qū)的烏桕物候資料及同期氣象資料的研究分析得出：（1）2003—2022年福州地區(qū)的年均氣溫以0.43 ℃/10 a的速率呈緩慢上升狀態(tài)，此期間約上升了0.82 ℃；年均降水量以18.98 mm/10 a 的速率呈微弱波動(dòng)上升，此期間約增加了36.06 mm；年累積日照以104.42 h/10 a的速率呈顯著減少的趨勢(shì)，此期間約減少了198.40 h。

（2）烏桕葉開始變色期的平均日序值為315.75 d，對(duì)應(yīng)的平年日期為11月11—12日，閏年為11月10—11日；烏桕葉完全變色期的平均日序值為367.56 d，對(duì)應(yīng)的平年日期為次年1月2—3日，閏年為1月1—2日。烏桕葉開始變色期呈現(xiàn)緩慢延遲的趨勢(shì)，烏桕葉完全變色期呈現(xiàn)緩慢提前的趨勢(shì)，但葉開始變色期與完全變色期的變率均比較大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點(diǎn)。

（3）通過分析烏桕葉開始變色期與各氣象要素的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，烏桕葉開始變色期與當(dāng)年8月上旬平均氣溫、8月上旬平均最高氣溫、8月上旬平均最低氣溫、8月下旬日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與9月下旬平均氣溫、2月月下旬累積降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與9月下旬平均最高溫度和7月中旬日照時(shí)數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)，分別呈極顯著正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（4）通過分析烏桕葉完全變色期與各氣象要素的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，烏桕葉完全變色期與8月上旬平均氣溫、11月下旬平均最高氣溫、8月下旬平均最低氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與9月下旬和12月中旬平均氣溫、12月中旬平均最低氣溫存在顯著正相關(guān)關(guān)系；而與日照時(shí)數(shù)和累積降水量均不存在顯著相關(guān)性。

（5）依據(jù)分析得出的與烏桕葉開始變色期和烏桕葉變色期相關(guān)性最為顯著的氣象因子，分別建立了烏桕葉開始變色期預(yù)報(bào)模型：y=606.297-7.460x1+7.765x2-2.153x3-9.178x4-0.431x5+0.339x6-0.205x7(R2=0.963）；烏桕葉完全變色期預(yù)報(bào)模型：y=569.066+10.593x1-6.661x2+8.771x3-2.754x4-23.007x5+8.243x6(R2=0.976)。通過回代公式（1）得到，11 a中烏桕葉開始變色期的實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的平均絕對(duì)誤差為2.50 d；通過回代公式（2）得到，11 a中烏桕葉完全變色期的實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的平均絕對(duì)誤差為1.39 d，誤差均較小，結(jié)果較為可靠。

（6）經(jīng)2022年獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，烏桕葉開始變色期的日序值與實(shí)際值相差0.86 d，烏桕葉完全變色期的日序值與實(shí)際值相差1.08 d，誤差均較小，可知這2個(gè)模型均具有比較高的準(zhǔn)確率和可操作性。