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福州地区乌桕色叶观赏期模型预报.pdf

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资源描述

1、江西农业学报 2023,35(08):5561ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.08.009福州地区乌桕色叶观赏期模型预报 徐晓慧,陈昱星,朱芃铠,何天友,郑郁善,陈凌艳*(福建农林大学 风景园林与艺术学院,福建 福州 350000)摘 要:利用20032022年中12 a的福州地区乌桕物候资料及同年气象资料,研究了乌桕叶变色与前期气象条件的关系,并建立了乌桕叶开始变色期与完全变色期的预报模型。研究表明:(1)福州地区的气候总体特征呈温暖湿润的变化趋势;(2)福州地区乌桕叶开始变色期的平均日序值为315.75 d,呈缓慢延迟的

2、趋势;完全变色期的平均日序值为367.56 d,呈缓慢提前的趋势,两者的变率均较大,呈现出不稳定的特点;(3)乌桕叶开始变色期与当年8月上旬和9月下旬平均温度、8月上旬和9月下旬平均最高温度、8月上旬平均最低温度、7月中旬和8月下旬日照时数、2月下旬累积降水存在显著相关性;(4)乌桕叶完全变色期与当年8月上旬、9月下旬和12月中旬平均气温、11月下旬平均最高温度及8月上旬和12月中旬平均最低温度存在显著相关性,而与日照时数和累积降水均不存在显著相关性;(5)选择与两者具有显著相关的气象要素作为影响因子建立预报模型并代回检验,得出乌桕叶开始变色期的平均误差为2.50 d,乌桕叶完全变色期的平均误

3、差为1.39 d,误差值均较小;(6)通过2022年独立样本检验,可知这2个模型均具有比较高的准确率和可操作性。关键词:乌桕色叶;观赏期;气象因子;相关分析;预报模型 中图分类号:S685.99 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)08-0055-07Model Forecast of Ornamental Period of Sapium sebiferum Color Leaves in Fuzhou Area XUXiao-hui,CHENYu-xing,ZHUPeng-kai,HETian-you,ZHENGYu-shan,CHENLing-yan*(College

4、ofLandscapeArchitectureandArt,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350000,China)Abstract:TherelationshipbetweenSapium sebiferumleafdiscolorationandearlymeteorologicalconditionswasinvestigatedbasedonSapium sebiferumphenologydatainFuzhouregionfrom2003to2022andmeteorologicaldataofthesameyear,an

5、damodelwasestablishedtopredictthebeginningandcompletediscolorationofSapium sebiferumleaf.Theresultsshowedthat:(1)ThegeneralclimaticcharacteristicsoftheFuzhouregionshowedawarmandhumidtrend.(2)TheaveragedailysequencevalueofthebeginningdiscolorationperiodofSapium sebiferumleafinFuzhouwas315.75d,showing

6、aslowdelay.Theaveragedailysequencevalueofthecompletediscolorationwas367.56d,showingaslowadvance,andthevariabilityofbothwaslargeandunstable.(3)ThebeginningdiscolorationperiodofSapium sebiferumleafwassignificantlycorrelatedwiththeaveragetemperatureinearlyAugustandlateSeptember,theaveragemaximumtempera

7、tureinearlyAugustandlateSeptember,theaverageminimumtemperatureinearlyAugust,thenumberofsunshinehoursinmid-JulyandlateAugust,andtheaccumulatedprecipitationinlateFebruaryofthatyear.(4)ThecompletediscolorationperiodofSapium sebiferumleafwassignificantlycorrelatedwiththeaveragetemperatureinearlyAugust,l

8、ateSeptemberandmid-December,theaveragemaximumtemperatureinlateNovemberandtheaverageminimumtemperatureinlateAugustandmid-Decemberofthatyear,whilewasnotsignificantlycorrelatedsunshinehoursandaccumulatedprecipitation.(5)Theweatherelementswithsignificantcorrelationwereselectedastheinfluencingfactorstobu

9、ildtheforecastingmodelsandtestedbygeneration.TheaverageerrorofthebeginningofSapium sebiferumleafdiscolorationwas2.50d,andtheaverageerrorofthecompletediscolorationofSapium sebiferumleafwas1.39d,whichweresmall.(6)Theindependentsampletestin2022showedthatbothmodelshadrelativelyhighaccuracyandoperability

10、.Key words:Sapium sebiferumcolorleaf;Ornamentalperiod;Meteorologicalfactor;Correlationanalysis;Forecastingmodel0 引言乌桕(Sapium sebiferum)又称桕油树、白蜡树、木君子叶,是大戟科(Euphorbiaceae)乌桕属(Sapi-um)落叶乔木,主要分布在中国黄河以南的各省收稿日期:2023-05-06基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2019J01663)。作者简介:徐晓慧(1999),女,福建福州人,硕士研究生,研究方向为园林植物应用。*通信作者:陈凌艳。江 西

11、 农 业 学 报35 卷56区,北至陕西、甘肃,南至广东、广西。在日本、越南、印度等国及欧洲、美洲、非洲均有种植,是我国重要的油料树种1。乌桕四季皆有景可赏,以金秋时节最佳,此时层林尽染。乌桕的物候生长规律与气象条件关系紧密,尤其是叶变色期的观赏价值最高。乌桕作为福州地区的乡土色叶植物,在园林景观营造中十分广泛,建立乌桕色叶观赏期预报有利于准确发布赏叶信息,营建特色季相景观。近年来,一些学者对苹果2-4、樱花5-7、刺槐8、杏花9和桂花10等植物进行了花期预报,如张增信等11利用19802012年南京市8种常见观赏树木的花期物候资料,通过有效积温法能很好地模拟出了南京地区这8种观赏植物初花、盛

12、花和末花期,及开花时间的长短。目前,还在研究香山红叶、银杏叶变色与气象条件12-14的相关性和构建最佳观赏期模型15等方面取得了一定的研究进展,如蒋红霞等12利用19811993、20122014年郯城中华银杏物候观测资料,得出了银杏的最佳观赏始期、持续时间与前1周的气温、降水、日照等气象条件有显著相关性;尹志聪等14利用19982012年其中10a的香山公园红叶物候资料,通过相关分析和回归分析等方法建立预测模型,平均误差为3d左右。对乌桕叶变色的研究多集中在生理层面,有研究发现,乌桕叶在秋季变色后,其体内的叶绿体结构变得松散甚至解体,这是叶绿素含量会大幅下降的原因之一,红色叶中花色素苷的质量

13、分数显著提升,黄色叶中类胡萝卜素的质量分数显著增加16-17;另有研究指出,非结构性碳水化合物含量与类胡萝卜素、蔗糖与花色素苷含量之间呈显著正相关,全氮和淀粉含量分别与叶绿素含量呈极显著和显著正相关,色素含量与RGB值之间也存在一定的算术值关系18。吴飞洋等19通过设置不同梯度的土壤水分,研究了土壤水分胁迫对乌桕秋叶生理指标和景观效应的影响,结果表明,在叶变色过程中,经过不同处理的叶绿素质量分数均逐渐减少,而花色素苷质量分数则大幅升高,类胡萝卜素质量分数先升高后下降,并且中度(50%)和重度(35%)胁迫都能在一定程度上使叶色变化提前。目前,针对乌桕叶色变化与气象条件关系并建立观赏期预测模型的

14、研究较少,因而开展相关研究对提升福州地区乡土植物季相营建有重要意义。研究利用福州地区20032022年其中12a的乌桕物候观测记录及气象资料,对乌桕叶变色观赏期进行预报模型构建,以期为福州地区乌桕季相景观营建提供参考。1 研究区域与研究方法1.1 区域概况福州(25.15 26.39 N,118.08 120.31 E)地处福建省东海岸和闽江下游,为典型的亚热带季风气候,温暖湿润,四季常绿,日照充足,雨水充裕,霜冻少无雪,夏长冬短,平均无霜期326d。年平均日照17001980h,年平均降水量9002100mm;年平均气温2025,月平均气温10以上,最冷的月份为12月,平均气温610;最热月

15、份为78月,平均气温3337;极端最高气温为42.3,最低气温为-2.5。1.2 数据来源本研究选用20032010、2014、20202022年(共计12a)福州地区乌桕物候观测记录,数据来源于福建农林大学校园植物物候观测记录,其中个别物候期记录缺漏,则根据国家地球系统科学数据中心(中国物候观测网福州站)的乌桕物候观测记录及实际观测前、后的记录数据进行插值处理以保证物候数据的完整性。将前11a物候数据用作模型构建,2022年作为独立样本检验。气象资料为20032010、2014、20202022年(共计12a)福州地区气象数据,来源于国家气象科学数据共享服务平台(http:/ 研究方法1.3

16、.1 物候观测 参照中国物候观测方法标准20,在同一地点范围内,选取3株周围无其他大树遮挡、健康的乌桕作为物候观测的标准植物,观测时间为2022年2月4日至2023年2月4日,观测间隔为5天1侯,采用目测与望远镜结合的方法于每日14:0017:00对选定的植物进行观测并记录,以此观测到的物候结果作为2022年的样本数据。根据 中国物候观测方法20制定观测物候相及观测标准,包括:萌芽期(叶芽开始膨大期、叶芽开放期)、展叶期(开始展叶期、展叶盛期)、开花期(花序/花蕾出现期、开花始期、开花盛期、开花末期)、8 期徐晓慧等:福州地区乌桕色叶观赏期模型预报57果实发育期(果实成熟期、果实脱落开始期、果

17、实脱落末期)、秋色叶期(叶开始变色期、叶全部变色期)、落叶期(开始落叶期、落叶末期)。1.3.2 数据处理 物候观测数据均采用Julian日换算方法21;使用Excel软件对逐年物候数据进行计算,使用SPSS26.0软件通过线性回归方法建立乌桕叶开始变色期及完全变色期的预报方程;利用Excel、Origin软件绘制物候图谱及叶变色曲线图及乌桕叶变色实际值与预测值拟合图。2 结果与分析2.1 20032022年福州地区气候因子变化特征由图1分析得出,20032022年间福州地区的年平均气温以0.43/10a的速率缓慢上升,温度起伏范围在17.9119.23之间,此期间约上升了0.82;年均降水量

18、以18.98mm/10a的速率呈微弱波动上升,此期间约增加了36.06mm,降水范围在915.562286.82mm之间;年累积日照以104.42h/10a的速率呈显著减少的趋势,此期间约减少了198.40h。总体来看,福州地区气候呈温暖、湿润的变化趋势。2.2 乌桕物候相观测结果根据12a的物候观测资料制图得出乌桕各物候相的平均发生日期及持续时间(图2)。由图2可知,福州地区乌桕叶开始变色期的平均日序为315.75d,平年对应日期是11月1112日,闰年对应日期是11月1011日,最早为10月14日(2003年),最晚为12月17日(2021年),相差65d;叶全部变色期的平均日序是367.

19、56d,平年对应日期是次年1月23日,闰年对应日期是1月12日,最早为11月10日(2020)年,最晚为次年1月16日(2007年),相差36d。根据乌桕叶开始变色期和完全变色期的逐年变化曲线与线性拟合结果(图3)发现,乌桕叶开始变色期呈现缓慢延迟的趋势,乌桕叶完全变色期呈现缓慢提前的趋势,但叶开始变色期与完全变色期的变率均比较大,呈现出不稳定的特点。2.3 乌桕叶变色期与气象条件的关系2.3.1 乌桕叶开始变色期与气象条件的关系 通过分析乌桕叶开始变色期与前期(1月1日至叶开始变色日当天)逐旬平均气温、平均最高气温、平均最低气温、日照时数、累积降水等气象要素之间的关系(图4)发现:乌桕叶开始

20、变色期分别与当年8月上旬、9月下旬的平均气温呈显著正相关、负相关关系;分别与当年8月上旬、9月下旬的平均最高气温呈显著负相关和极显著正相关关系;与8月上旬的平均最低气温呈显著负相关;分别与当年7月中旬、8月下旬日照时数呈极显著、显著负相关关系;与当年2月下旬累积降水呈显著正相关关系。图1 20032022年福州均温、降水和日照变化情况图2 20032010、2014、20202022年乌桕物候图谱2.3.2 乌桕叶完全变色期与气象条件的关系 分析乌桕叶完全变色期与前期(1月1日至叶开始变江 西 农 业 学 报35 卷58色日当天)逐旬平均气温、平均最高气温、平均最低气温、日照时数、累积降水等气

21、象要素之间的关系(图5)发现:乌桕叶完全变色期与当年8月上旬、9月下旬和12月中旬的平均气温分别存在显著负相关、显著正相关和极显著正相关关系;与当年11月下旬的平均最高气温存在显著负相关关系;分别与当年8月上旬、12月中旬的平均最低气温存在显著负相关和正相关关系;而与当年日照时数和累积降水量均不存在显著相关性。图3 20032010、2014、20202022年乌桕叶开始变色期和完全变色期逐年变化曲线与线性拟合情况图4 乌桕叶开始变色期与111月上、中、下旬气象要素的相关系数8 期徐晓慧等:福州地区乌桕色叶观赏期模型预报592.4 乌桕叶变色期预报模型构建2.4.1 乌桕叶开始变色期短期气候预

22、测 结合图4的分析结果,选定通过0.05和0.01水平显著性检验的各气象要素作为相关因子(考虑方程显著性,去除8月上旬平均最高温度)引入预报模型,利用SPSS统计分析软件得到乌桕叶开始变色期预报方程:y=606.297-7.460 x1+7.765x2-2.153x3-9.178x4-0.431x5+0.339x6-0.205x7 (1)式(1)中,y为乌桕叶变色期日序预测值,x1为当年8月上旬平均气温;x2为当年9月下旬平均温度;x3为当年9月下旬平均最高气温;x4为当年8月上旬平均最低气温,x5为当年2月下旬累计降水量,x6为当年7月中旬日照时数,x7为当年8月下旬日照时数。计算得R2=0

23、.963,方程F显著性统计量的P值为0.037,且通过0.05水平的显著性检验,说明该方程回归效果较为显著,回归系数不为0,方程有效。利用该预报方程,对20032010、2014、20202021年福州地区乌桕叶开始变色期进行拟合回代检验(图6),结果表明,11a中乌桕叶开始变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为2.50d,叶开始变色期预报值与实际值相差01d的准确率达到45.5%,相差23d的准确率为36.4%,相差5d的准确率为18.2%,结果较为可靠。图5 乌桕叶完全变色期与112月上、中、下旬气象要素的相关系数2.4.2 乌桕叶完全变色期短期气候预测 结合图5的分析结果,选定通过0.0

24、5显著性检验的各气象要素作为相关因子引入预报模型,利用SPSS统计分析软件得到乌桕叶完全变色期预报方程:江 西 农 业 学 报35 卷60y=569.066+10.593x1+6.661x2-8.771x3-2.754x4-23.007x5+8.243x6 (2)式(2)中,y为乌桕叶完全期日序预测值;x1为当年8月上旬平均气温,x2为当年9月下旬平均气温,x3为当年12月中旬平均气温,x4为当年11月下旬平均最高气温,x5为当年8月上旬平均最低气温,x6为当年12月中旬平均最低气温。计算得R2=0.976,方程F显著性统计量的P值为0.003,通过0.01水平的显著性检验,说明该方程回归效果

25、显著,回归系数不为0,方程有效。利用该预报方程,对20032010、2014、20202021年福州地区乌桕叶完全变色期进行拟合回代检验(图7),结果表明,11a中乌桕叶完全变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为1.39d,叶完全变色期预报值与实际值相差01d的准确率达到81.8%,相差23d的准确率为18.2%,结果较为可靠。图6 乌桕叶开始变色期的预测值与实际值图7 乌桕叶完全变色期的预测值与实际值2.4.3 中期预报 根据短期气候预测的结果,划定可进行中期预报的时段,一般选择比短期气候预测值提前14d开始,根据气象台每天发布的气象信息进行中期预报。预报时应采取迭代法,并根据实际情况不断修

26、正。3 2022年独立样本检验将2022年8月上旬平均气温、9月下旬平均温度、9月下旬平均最高气温、8月上旬平均最低气温、2月下旬累计降水量、7月中旬日照时数、8月下旬日照时数作为预报因子代入公式(1)进行预测,预测乌桕叶开始变色期的日序为310.14d,与实际值11月7日(日序为311d)相比,相差0.86d,误差可忽略不计,说明该模型具有比较高的准确率。将2022年8月上旬平均温度、8月上旬平均最低温度、9月下旬平均温度、11月下旬平均最高温度、12月中旬平均温度及12月中旬平均最低温度作为预报因子代入公式(2)进行预测,预测乌桕叶完全变色期的日序为364.92d,与实际值1月1日(日序为

27、366d)相比,相差1.08d,与实际值基本一致,表明该模型具有比较高的精度。4 讨论气温是影响中国木本植物物候的主要因子22。研究表明20012020年全球地表平均温度比18501900年平均温度高出1.0923,气候变暖使得许多植物的春季物候期提前、秋季物候期延迟。本研究中,乌桕叶开始变色期呈现缓慢延迟的趋势,叶完全变色期呈现缓慢提前的趋势,这可能与一定界限温度的短期作用相关22,也可能是对光强度的年周期变化的反应28,还可能与我国大部分华南地区秋春相连,无冬季的季节类型有关29。外部环境因素,如温度、水、光等会影响植物体内发生的光合作用、水分代谢、矿质代谢等生理生化过程,从而引起叶片内各

28、种色素的含量和比例发生变化,使叶片呈现不同的颜色30。本研究中,乌桕叶开始变色期与89月份的气温因子尤其相关;乌桕叶完全变色期与812月份的气温因子存在相关性,且与8、12月份的气温因子尤其相关,这可能是由于气温逐渐降低使叶绿素分解,导致类胡萝卜素、花青素和其他存在于叶子中的物质呈现,从而引起叶色变化31-32。笔者认为,随着时间的推移,影响乌桕叶变色期的环境因素变得复杂,而各气象要素也并不是单独地发生作用,植物生长的外部条件,乌桕苗木本身的质量,以及观测年份当年的气候条件,都会对乌桕叶变色期造成影响,因此只有不断地观测收集乌桕物候资料,当样本数据不断增多,一些新的特征才可能被发现,并进一步优

29、化预测模型。5 结论通过对20032022年中12a的福州地区的乌桕物候资料及同期气象资料的研究分析得出:(1)20032022年福州地区的年均气温以0.43/10a8 期徐晓慧等:福州地区乌桕色叶观赏期模型预报61的速率呈缓慢上升状态,此期间约上升了0.82;年均降水量以18.98mm/10a的速率呈微弱波动上升,此期间约增加了36.06mm;年累积日照以104.42h/10a的速率呈显著减少的趋势,此期间约减少了198.40h。(2)乌桕叶开始变色期的平均日序值为315.75d,对应的平年日期为11月1112日,闰年为11月1011日;乌桕叶完全变色期的平均日序值为367.56d,对应的平

30、年日期为次年1月23日,闰年为1月12日。乌桕叶开始变色期呈现缓慢延迟的趋势,乌桕叶完全变色期呈现缓慢提前的趋势,但叶开始变色期与完全变色期的变率均比较大,呈现出不稳定的特点。(3)通过分析乌桕叶开始变色期与各气象要素的关系发现,乌桕叶开始变色期与当年8月上旬平均气温、8月上旬平均最高气温、8月上旬平均最低气温、8月下旬日照时数呈显著负相关关系;与9月下旬平均气温、2月月下旬累积降水量呈显著正相关关系;与9月下旬平均最高温度和7月中旬日照时数相关性最强,分别呈极显著正相关和极显著负相关关系。(4)通过分析乌桕叶完全变色期与各气象要素的关系发现,乌桕叶完全变色期与8月上旬平均气温、11月下旬平均

31、最高气温、8月下旬平均最低气温呈极显著负相关关系;与9月下旬和12月中旬平均气温、12月中旬平均最低气温存在显著正相关关系;而与日照时数和累积降水量均不存在显著相关性。(5)依据分析得出的与乌桕叶开始变色期和乌桕叶变色期相关性最为显著的气象因子,分别建立了乌桕叶开始变色期预报模型:y=606.297-7.460 x1+7.765x2-2.153x3-9.178x4-0.431x5+0.339x6-0.205x7(R2=0.963);乌桕叶完全变色期预报模型:y=569.066+10.593x1-6.661x2+8.771x3-2.754x4-23.007x5+8.243x6(R2=0.976)

32、。通过回代公式(1)得到,11a中乌桕叶开始变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为2.50d;通过回代公式(2)得到,11a中乌桕叶完全变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为1.39d,误差均较小,结果较为可靠。(6)经2022年独立样本检验,乌桕叶开始变色期的日序值与实际值相差0.86d,乌桕叶完全变色期的日序值与实际值相差1.08d,误差均较小,可知这2个模型均具有比较高的准确率和可操作性。参考文献:1 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志 M.北京:科学出版社,1993.2 刘海蓉,冯贝贝,张振军,等.阿克苏地区苹果始花期预报模型研究 J.沙漠与绿洲气象,2022,16(4):13

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38、露”蟠桃开花坐果的影响 J.上海农业科技,2011(1):52-53.10 王忠,朱彬彬,孙祥玲.上海地区玉露蟠桃不同栽培模式试验研究 J.农业与技术,2017,37(16):206-207.11 马瑞娟,俞明亮,杜平,等.油蟠桃新品种 金霞油蟠J.园艺学报,2009,36(3):459,469.12 施能.气象科研与预报中的多元分析方法 M.北京:气象出版社,1995.13 罗清,张虹娇.西南地区稻米品质与气候因子的关系模型及其应用 J.中国农学通报,2019,35(31):63-71.14 上海市市场监督管理局.地理标志产品 金山蟠桃:DB31/T6012019 S.15 鲍江峰,夏仁学,

39、彭抒昂.生态因子对柑桔果实品质的影响 J.应用生态学报,2004(8):1477-1480.16 罗琴.江苏吴县柑桔品质的多元分析 J.气象,1994(5):42-45.17 杨明凤,张玲,吉春容.石河子垦区蟠桃气候品质评价方法研究 J.中国农学通报,2019,35(19):97-101.18 杜纪红,吴丹丹,叶正文,等.蟠桃果实和种胚发育规律的研究 J.上海农业学报,2018,34(3):100-105.(责任编辑:许晶晶)(上接第61页)22 张福春.气候变化对中国木本植物物候的可能影响J.地理学报,1995(5):402-410.23 崔兴毅.2021年度气候变化十大科学事件 J.中学生

40、阅读:初中版,2022(Z2):91-93.24 SparksT,CareyPD,CombesJ.FirstleafingdatesoftreesinSurreybetween1947and1996 J.TheLondonNat,1997:76.25 BeaubienEG,FreelandHJ.SpringphenologytrendsinAlberta,Canada:Linkstooceantemperature J.Intern-ationalJournalofBiometeorology,2000,44(2):53-59.26 王传海,吴飞倩,李淑娟,等.西安植物园木本植物近十余年物候变

41、化的特征分析 J.中国农业气象,2006(4):261-264.27 吴蓓蕾,姜大膀,王晓欣.19612018年中国生长季变化 J.大气科学,2021,45(2):424-434.28 潘瑞炽.植物生理学 M.北京:高等教育出版社,2001.29 韩超,丁德平,李讯.中国物候季节时空分布规律研究C/中国气象学会.中国气象学会2008年年会气候资源应用研究分会场论文集.2008:7.30 胡永红,秦俊,蒋昌华,等.上海地区秋色叶成因的调查与分析 J.东北林业大学学报,2004,32(5):84-86.31 SusanneSR,ConstantinMZ.Theoccurrenceofredandyellowautumnleavesexplainedbyregionaldifferencesininsolationandtemperature J.NewPhytologist,2019,224(4):1464-1471.32 唐玉情,张捷,刘洋,等.北美红枫秋色叶呈色过程中GC-MS代谢组学分析 J.东北林业大学学报,2023,51(2):70-76.(责任编辑:许晶晶)

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