胡園春,種冬冬,張?jiān)?崔云鵬,李全景*

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南 250031;2.棗莊市氣象局,山東棗莊 277800;3.棗莊市科技信息研究所,山東棗莊 277800)

棗莊石榴以“集中栽培面積最大、資源最豐富、單果最重、品質(zhì)最好”而著稱,歷經(jīng)2 000多年的發(fā)展,現(xiàn)已成為全國八大石榴主產(chǎn)區(qū)中最具產(chǎn)業(yè)特色的石榴系列產(chǎn)品生產(chǎn)和集散基地。氣象因素是影響石榴生長和發(fā)展的重要因素之一,準(zhǔn)確、及時(shí)、精細(xì)的石榴氣象服務(wù)可以幫助農(nóng)民更好地適應(yīng)氣象變化,降低環(huán)境因素對(duì)石榴生長的負(fù)面影響,提高石榴的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。此外,氣象驅(qū)動(dòng)的決策也可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加綠色、環(huán)保。

近幾年,氣象服務(wù)正逐步走向?qū)I(yè)化、特色化和定量化,特色氣象服務(wù)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。針對(duì)特定品類的農(nóng)作物單一的氣象服務(wù)技術(shù)研究較多,婁偉平、金志鳳、張波等[1-3]分別對(duì)茶葉和火龍果的氣候品質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究,鹿翔、吉莉、田慧等[4-6]分別對(duì)翠冠梨、臘梅、油菜花期預(yù)測進(jìn)行了研究,曾慶揚(yáng)、伍小紅[7,8]分別對(duì)油茶和香荔氣象條件對(duì)產(chǎn)量影響做了研究。

筆者對(duì)石榴氣象服務(wù)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,通過技術(shù)研發(fā)、技術(shù)集成和綜合示范,建立一套覆蓋石榴整個(gè)發(fā)育期的氣象服務(wù)技術(shù)體系。從石榴氣象災(zāi)害預(yù)測、石榴始花期預(yù)測、石榴氣候品質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)、石榴氣象觀測和石榴監(jiān)測預(yù)警等幾個(gè)方面入手,開展石榴氣象技術(shù)研究,有助于更好地利用氣候資源,打造農(nóng)產(chǎn)品品牌、提升特色農(nóng)產(chǎn)品知名度、增強(qiáng)市場競爭力,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

1 石榴氣象服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)集成

1.1 石榴氣象災(zāi)害預(yù)測技術(shù)

凍害和裂果是石榴主要?dú)庀鬄?zāi)害,也是制約棗莊石榴產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。據(jù)調(diào)查2008年薛城區(qū)張莊村村前20余hm2(300多畝)石榴園有80%以上受凍害死亡;嶧城區(qū)榴園鎮(zhèn)二環(huán)路兩側(cè)60%以上的石榴園受凍害,市中區(qū)齊村鎮(zhèn)部分園片也有凍害發(fā)生。2009年山中下坡成片石榴樹受害死亡現(xiàn)象。受害樹齡從幼樹到成齡樹均有發(fā)生,幼樹嚴(yán)重,隨著樹齡增大凍害漸輕。最為嚴(yán)重的是2015年秋冬季兩次凍害的迭加,棗莊石榴樹凍害面積達(dá)90%。2005年棗莊市石榴裂果嚴(yán)重的園片裂果率達(dá)46.7%;2006年裂果率達(dá)65.1%;2007年裂果率35%;2014年異常嚴(yán)重,最高裂果率達(dá)80%～90%。石榴裂果導(dǎo)致產(chǎn)量和商品性嚴(yán)重下降,同時(shí)引發(fā)了大量的蟲害和病害的滋生,污染了環(huán)境,直接影響了果農(nóng)的收入和石榴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

經(jīng)過田間調(diào)查和查閱文獻(xiàn),把石榴凍害分為秋末凍害、初春凍害和深冬凍害3類。依托嶧城區(qū)氣象站1981—2015年的氣象數(shù)據(jù),從農(nóng)業(yè)氣象技術(shù)服務(wù)的角度,對(duì)凍害和裂果有影響的氣象因子溫度、濕度、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象指標(biāo)逐年進(jìn)行分析梳理,最后篩選出近6 000組數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樣本。對(duì)氣象因子進(jìn)行篩選,確定導(dǎo)致凍害裂果的主要?dú)庀笠蜃?采用Logistic回歸方法分別建立基于主要致災(zāi)氣象因子的預(yù)報(bào)預(yù)警模型,包括石榴初春凍害預(yù)測模型、石榴秋末凍害預(yù)測模型、石榴裂果預(yù)測預(yù)警模型[9,10]。

1.1.1 初春凍害預(yù)測技術(shù) 預(yù)測模型見式(1),經(jīng)研究得知,石榴初春期凍害發(fā)生與否,與最低氣溫(x1)、最大降溫幅度(x2)、≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間(x3)、≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間(x4)及穩(wěn)定通過11 ℃的時(shí)間(x5)5 個(gè)氣象因子參數(shù)相關(guān)。其中,與初春時(shí)節(jié)最大降溫幅度參數(shù)的絕對(duì)值關(guān)系最大,而回歸參數(shù)絕對(duì)值的大小代表了自變量對(duì)于因變量,即凍害是否發(fā)生的影響作用大小。根據(jù)該模型求解得到凍害發(fā)生的概率p值,本研究采用0.5作為分割值,如果p大于0.5,則表明該年度初春有可能發(fā)生石榴凍害。

對(duì)于二分類Logistic回歸,其因變量只存在1和0(發(fā)生與不發(fā)生兩個(gè)取值),1代表發(fā)生災(zāi)害,0代表不發(fā)生災(zāi)害。y是因變量,x是n維樣本特征向量。

利用上述模型對(duì)已有年份進(jìn)行分類回判,然后與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比:對(duì)1981—2015年35年中初春發(fā)生凍害的15年進(jìn)行模型判別,只有其中一年被模型預(yù)測為無凍害,正確率為87.8%;對(duì)于不發(fā)生凍害的20年進(jìn)行判斷,發(fā)現(xiàn)對(duì)于初春不發(fā)生石榴凍害的預(yù)判正確率達(dá)91.3%?？傮w判斷正確率為89.5%,預(yù)測效果比較理想。

在石榴樹初春時(shí)節(jié)凍害發(fā)生的概率分析中,最大降溫幅度、<0 ℃的持續(xù)時(shí)間、穩(wěn)定通過11 ℃時(shí)間與發(fā)生凍害的概率呈正相關(guān);最低氣溫和≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間與發(fā)生凍害的概率呈負(fù)相關(guān)。最大降溫幅度、最低氣溫、≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間對(duì)發(fā)生凍害與否的影響最大。對(duì)降溫幅度而言,與凍害概率呈正相關(guān),即表明降溫幅度越大,凍害發(fā)生的概率越大,因?yàn)槌醮簳r(shí)節(jié)樹液已經(jīng)流動(dòng),一直在較高溫度下,細(xì)胞活動(dòng)劇烈,突然大幅度地降溫,凍傷細(xì)胞而產(chǎn)生凍害;對(duì)最低氣溫而言,凍害概率與其呈負(fù)相關(guān),因?yàn)樽畹蜌鉁卦礁?發(fā)生凍害的概率越小;氣溫≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間與凍害發(fā)生概率呈負(fù)相關(guān),表明≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間越短,發(fā)生凍害的概率越低;≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)定通過11 ℃時(shí)間與其他三個(gè)因子比較,相對(duì)石榴凍害發(fā)生影響較小。

1.1.2 秋末凍害預(yù)測技術(shù) 預(yù)測模型見式(2),經(jīng)研究得知,秋末凍害的發(fā)生與最低氣溫(x1)、最大降溫幅度(x2)、≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間(x3)以及穩(wěn)定通過11 ℃的時(shí)間(x4)息息相關(guān)。對(duì)以上4個(gè)因子參數(shù)進(jìn)行分析,可發(fā)現(xiàn)≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間與≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間存在共線性問題,不能同時(shí)進(jìn)入該多因素回歸分析,因此舍去≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間。與之前分析的初春凍害存在一些差別,其中,回歸參數(shù)絕對(duì)值的大小代表了自變量對(duì)于因變量,即凍害是否發(fā)生的影響作用大小。根據(jù)該模型求解秋末發(fā)生概率p值,本研究采用0.5作為分割值,如果p大于0.5,則表明該年度秋末有可能發(fā)生石榴凍害。

利用上述模型對(duì)已有年份進(jìn)行分類回判,然后與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比:對(duì)1981—2015年這35年中秋末發(fā)生凍害的16年進(jìn)行模型判別,只有其中1年被模型預(yù)測為無凍害,正確率為87.5%;對(duì)于不發(fā)生凍害的19年進(jìn)行判斷,其中有3年預(yù)測為發(fā)生凍害,則對(duì)于不發(fā)生凍害預(yù)判正確率達(dá)84.2%?？傮w判斷正確率為86.0%,預(yù)測效果比較理想。

在石榴樹秋末時(shí)節(jié)凍害發(fā)生的概率分析中,與初春凍害相同的是各氣象因子和發(fā)生凍害概率的正負(fù)相關(guān)一致,即≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間、最大降溫幅度、穩(wěn)定通過11 ℃的時(shí)間、與發(fā)生凍害的概率呈正相關(guān);最低氣溫與發(fā)生凍害的概率呈負(fù)相關(guān)。所不同的是對(duì)凍害影響較大的因子有差別,即≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間、最大降溫幅度對(duì)凍害發(fā)生與否的影響最大,≤-5 ℃的持續(xù)時(shí)間因不顯著篩選掉。而對(duì)于≤0 ℃的持續(xù)時(shí)間而言,與凍害發(fā)生概率呈正相關(guān),即持續(xù)時(shí)間越長,發(fā)生的凍害的概率越高;因?yàn)榍锬r(shí)節(jié)石榴地上停長、根部吸收養(yǎng)分的關(guān)鍵時(shí)刻,低溫持續(xù)時(shí)間越長,對(duì)于根系活力的影響越大,導(dǎo)致石榴發(fā)生凍害;對(duì)降溫幅度而言,凍害發(fā)生概率與其呈正相關(guān),且是決定秋末凍害發(fā)生的首要因素,即降溫幅度越大,石榴發(fā)生凍害概率越大,因?yàn)樵诖蠓禍氐那闆r下,植株沒有充足的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的生理反應(yīng)來逐步適應(yīng)溫度降低,無法完成冷馴化階段,致使植株抗寒能力較弱而發(fā)生凍害。此外,最低氣溫和穩(wěn)定通過11 ℃的時(shí)間對(duì)秋末石榴發(fā)生凍害與否的影響較小。

1.1.3 裂果預(yù)測技術(shù) 預(yù)測模型見式3,經(jīng)研究得知,石榴裂果的發(fā)生與當(dāng)年8月下旬至9月總降水量(X1)、9月最長無降水日數(shù)(X2)、9月最長連續(xù)降水日數(shù)(X3)、9月最長連續(xù)降水時(shí)間段降水量(X4)、9月日照時(shí)數(shù)(X6)、8月下旬最長連陰雨日數(shù)(X7)和8月下旬最長連陰雨日的降水量(X8)相關(guān)。根據(jù)該模型求解裂果發(fā)生概率p值,本研究采用0.5作為分割值,如果p大于0.5,則表明該年度發(fā)生石榴裂果的可能性較大。

利用上述模型對(duì)已有年份進(jìn)行分類回判,然后與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比:對(duì)1981—2015年這35年中發(fā)生裂果的23年進(jìn)行模型判別,只有其中1年被模型預(yù)測為無裂果,正確率90.2%;對(duì)于不發(fā)生裂果的12年中,預(yù)判石榴不發(fā)生裂果的正確率達(dá)92.5%。總體判斷正確率為91.4%,預(yù)測效果比較理想。

在石榴裂果發(fā)生的概率研究中發(fā)現(xiàn)除了8月下旬至9月總降水量與發(fā)生裂果的概率呈負(fù)相關(guān)外,其余幾項(xiàng)因子指標(biāo)均與裂果率呈正相關(guān)。對(duì)裂果影響較大的因子依次為9月最長連續(xù)降水時(shí)段的降水量、9月最長連續(xù)降水日數(shù)、9月日照時(shí)數(shù)和9月最長連續(xù)無降水日數(shù);其他幾個(gè)因子相對(duì)影響較小。9月是裂果關(guān)鍵期,此時(shí)已進(jìn)入石榴第2膨大期,果實(shí)迅速吸水膨脹易發(fā)生裂果,如果遇到連續(xù)降水持續(xù)時(shí)間較長以及期間的降水量較大,裂果更為嚴(yán)重;同時(shí)9月連續(xù)干旱的持續(xù)時(shí)間以及9月光照時(shí)數(shù)對(duì)石榴裂果影響較大,高溫干燥和日光直射,致使果皮組織受到損壞,加上果皮細(xì)胞組織的自然衰老,分生能力變?nèi)?果皮組織延展性降低,當(dāng)果皮承受膨脹能力達(dá)到極限時(shí)導(dǎo)致裂果。即長時(shí)間的干旱以及過長時(shí)間的日照容易引發(fā)石榴裂果。這與之前其他的研究結(jié)果一致。

1.2 石榴始花期預(yù)測技術(shù)

鮮紅的石榴花美艷無比,得到人們的喜愛,棗莊市每年舉辦石榴文化旅游節(jié)、石榴賞花節(jié)。由于受溫度、光照和水分等諸多環(huán)境因素影響,石榴開花時(shí)間年度間有一定差異,最多相差16 d 左右。適時(shí)開展石榴花期預(yù)測是氣象服務(wù)于社會(huì)的主要業(yè)務(wù)之一。

參考?xì)v史觀測資料,對(duì)于石榴始花期的日期進(jìn)行年度觀察。采用相關(guān)分析篩選出石榴花始花期的相關(guān)氣象因子,確定了穩(wěn)定通過0 ℃時(shí)的活動(dòng)積溫對(duì)于石榴花發(fā)育的影響較大,因此花期預(yù)測的相關(guān)因子主要根據(jù)石榴花期前的日平均溫度(>0 ℃)積溫高低相關(guān)。采用相關(guān)分析篩選出石榴花始花期相關(guān)氣象因子并構(gòu)建了預(yù)測方程[11],見式(4),Y為距離5月1日的天數(shù)。研究可知,石榴始花期與前期積溫關(guān)系密切,其中與2月下旬>0 ℃積溫(x1)和3月0 ℃的積溫(x2)成正比,與4月>0 ℃的積溫(x3)成反比,其中2月下旬>0 ℃的積溫影響最大。

Y=-0.295x1+0.099x2-0.082x3+37.180

(4)

該模型于2018年開始在石榴氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中應(yīng)用,2018—2023年預(yù)測最大誤差為4 d。

1.3 石榴氣候品質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)技術(shù)

石榴生長過程中的氣候條件對(duì)其果實(shí)品質(zhì)具有重大影響,利用2005—2018年棗莊石榴品質(zhì)資料以及同時(shí)期氣象監(jiān)測資料,依據(jù)前人研究成果和專家知識(shí),選取決定棗莊石榴品質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo)單果重(y1)、百粒重(y2)、可溶性固形物含量(y3)作為表征石榴果實(shí)品質(zhì)的指標(biāo),并利用相關(guān)分析法篩選出影響各品質(zhì)指標(biāo)的主要?dú)庀笠蜃?采用逐步回歸法建立各品質(zhì)指標(biāo)與相應(yīng)氣象因子間的關(guān)系;利用層次分析法確定各品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重,建立了棗莊石榴的氣候品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)模型[12],并基于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的大小劃分等級(jí),用于估測棗莊石榴的整體品質(zhì)。

綜合評(píng)價(jià)指數(shù)模型見式(5),結(jié)果表明,棗莊石榴氣候品質(zhì)主要與6月生長期和9、10月成熟期的光、溫、濕有關(guān),與氣溫、空氣濕度和日照多呈正相關(guān),尤其果實(shí)發(fā)育后期的氣溫日較差對(duì)果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)的影響最大,但與降水的相關(guān)性則隨著果實(shí)生長階段不同而有正負(fù)差別。利用2019、2020年的數(shù)據(jù)對(duì)所建立的石榴氣候品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證,等級(jí)劃分結(jié)果與根據(jù)實(shí)測品質(zhì)指標(biāo)所得結(jié)果一致,表明可以利用該模型估測當(dāng)年棗莊石榴的整體品質(zhì)。

M=0.3518y1+0.3161y2+0.3321y3

(5)

注:M為氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)。

該模型于2021年在石榴氣象服務(wù)中應(yīng)用,2021年在嶧城區(qū)3家石榴種植合作社試用,2022年推廣到嶧城區(qū)、薛城區(qū)和臺(tái)兒莊區(qū)8家石榴種植試用,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)提高經(jīng)濟(jì)效益10%～15%。

1.4 石榴氣象觀測技術(shù)

人工觀測技術(shù)。針對(duì)石榴不同生長發(fā)育主要階段確定石榴氣象觀測的基本要求、地段和植株選擇、發(fā)育期觀測時(shí)間和內(nèi)容、生長狀況測定項(xiàng)目和內(nèi)容等,規(guī)范石榴農(nóng)業(yè)氣象觀測流程,建立石榴氣象觀測技術(shù)規(guī)范,提高石榴氣象觀測的代表性和準(zhǔn)確性。該項(xiàng)業(yè)務(wù)于2018年開展。編制了《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范 石榴》(DB 3704/T 008-2020),于2020年10月20日發(fā)布并實(shí)施,建立了石榴發(fā)育期氣象觀測數(shù)據(jù)庫。

自動(dòng)觀測技術(shù)。在嶧城“冠世榴園”富山石榴種植合作社果園內(nèi)建設(shè)了果樹小氣候站,觀測包括氣溫、降水量、低溫、風(fēng)、空氣相對(duì)濕度、土壤相對(duì)濕度和日照等多要素的分鐘連續(xù)數(shù)據(jù),建立了石榴各發(fā)育期氣象要素值變化數(shù)據(jù)庫;采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),同時(shí)建設(shè)石榴果實(shí)生長監(jiān)測系統(tǒng),可以獲取果實(shí)生長分鐘的連續(xù)數(shù)據(jù),建立了石榴果實(shí)生長數(shù)據(jù)庫。

1.5 石榴氣象服務(wù)周年方案

通過石榴氣象服務(wù)技術(shù)在應(yīng)用中逐步熟化,編制了《石榴氣象服務(wù)周年方案》,規(guī)范了農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)人員在石榴各發(fā)育期的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容和全發(fā)育期的服務(wù)流程。

1.6 災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)

利用多種數(shù)值預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品,結(jié)合地形、下墊面訂正及統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù),統(tǒng)計(jì)模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)偏差并進(jìn)行實(shí)時(shí)訂正,開展數(shù)值模式要素預(yù)報(bào)訂正釋用,尤其是針對(duì)強(qiáng)對(duì)流、暴雨(雪)和強(qiáng)降溫等極端災(zāi)害天氣開展數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)、訂正和釋用,制作石榴產(chǎn)區(qū)精細(xì)化極端災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

依托山東現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象智能業(yè)務(wù)支撐平臺(tái),實(shí)現(xiàn)多種觀測數(shù)據(jù)及精細(xì)化預(yù)報(bào)的快速統(tǒng)計(jì),以不同格式、精度、預(yù)報(bào)時(shí)效的圖文形式供決策服務(wù)和專業(yè)服務(wù)使用;實(shí)現(xiàn)精細(xì)化氣象服務(wù)產(chǎn)品生成與發(fā)布;依托石榴花期和災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)模型、多種氣象觀測數(shù)據(jù)和省市精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)石榴氣象服務(wù)產(chǎn)品制作與分發(fā)。

通過對(duì)災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警軟件開發(fā)和實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警建設(shè),創(chuàng)建出災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)[13]。通過預(yù)警平臺(tái),構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+氣象+技術(shù)指導(dǎo)+農(nóng)戶”的智慧氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。

2 小結(jié)

石榴氣象服務(wù)體系的建立,為棗莊石榴產(chǎn)業(yè)提供了較準(zhǔn)確的氣象災(zāi)害的預(yù)測,初春、秋末的凍害預(yù)測,石榴裂果的預(yù)警預(yù)測,提升了石榴的品質(zhì)和產(chǎn)量,2021年和2022年果農(nóng)經(jīng)濟(jì)收益提高了15%～20%,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益,對(duì)促進(jìn)石榴產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到較大的推動(dòng)作用。目前,該技術(shù)集成已在嶧城區(qū)、薛城區(qū)、臺(tái)兒莊區(qū)進(jìn)行示范應(yīng)用。