基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用.pdf

收稿日期:2022-08-11基金项目:上海市气象局科技开发项目(MS202017)作者简介:张皓(1982),男,硕士,高级工程师,研究方向为农业气候资源与系统模拟。E-mail:上海农业学报 2023,39(4):47-54http:Acta Agriculturae ShanghaiDOI:10.15955j.issn1000-3924.2023.04.07张皓,高慧莉,金凤雷,等.基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用J.上海农业学报,2023,39(4):47-54.基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用张 皓1,2,高慧莉1,金凤雷3,林雪君3,包吉蕾1,邵 晨1,马 琳1(1上海市松江区气象局,上海 201620;2上海市生态气象和卫星遥感中心,上海 200030;3上海市梨研究所,上海 201699)摘 要:农产品气候品质评价是合理利用区域气候资源优势,助力农产品品牌战略和提升市场竞争力的重要举措之一。基于 20112022 年上海市松江仓桥地区逐日气象观测资料和水晶梨品质测定数据,采用主成分分析和逐步回归等统计方法,建立基于水晶梨综合气候品质指数的气候品质评价模型,并在区域范围内开展应用。水晶梨综合气候品质指数(V)由最大单果重、平均单果重、可溶性固形物和横径 4 个品质测定要素降维简化成的 2 个相关性较低的主成分加权求和而成,权重系数为各主分量对应的特征值占变量总方差的比例。采用有序样本最优聚类法将水晶梨气候品质划分为 4 个等级,“特优”“优”“良好”“一般”所对应的阈值分别为 V 0.9、0.85 V0.9、0.8 0.9,0.85 V0.9,0.8 1,即新数据大于原有数据样本序列的最大值时,取 yij=1。2 结果与分析2.1 水晶梨综合气候品质指数对 20112020 年水晶梨的品质测定数据进行标准化后,采用主成分分析方法,得到 4 个主成分相应的特征值与累计方差贡献率(表 1)。可见,前 2 个主成分的累计方差贡献率为 93.884%,超过 90%的设定标准,故选择前 2 个主成分所对应的特征值占变量总方差的比例作为权重系数(表 2),利用式(2)得到2 个新参量,可表示为:V1=0.339yi1+0.319yi2+0.147yi3+0.334yi4V2=-0.151yi1-0.272yi2+1.009yi3-0.032yi4(4)再根据(3)式,取 L=2,进而得到表征水晶梨综合气候品质指数(V)的表达式:V=0.76 V1+0.24 V2(5)各主成分的系数矩阵(表 2)反映了 2 个新变量与原有各品质因子之间的相关性,如表可见第 1 主成分与果重、横径的相关性较高,主要反映果实的大小,代表水晶梨的外观品质;第 2 主成分与可溶性固形物的相关性较高,主要反映果实的含糖量高低,代表水晶梨的食味品质。94张皓等:基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用表 1 各主成分的特征值及其方差与累计方差贡献率Table 1 Eigenvalue and cumulative variance contribution rates for each principal component成分特征值方差贡献率%累积方差贡献率%12.85971.46971.46920.89722.41593.88430.1874.66698.55040.0581.450100.000表 2 各主成分对应的水晶梨品质因子系数矩阵Table 2 Coefficient matrix for quality factor of crystal pear corresponding to each principal component品质因子成分12单果重0.339-0.151最大单果重0.319-0.272固形物0.1471.009横径0.334-0.0322.2 水晶梨气候品质等级划分结合水晶梨品质检测数据及式(5)对 20112020 年逐年综合气候品质指数(V)进行回算,采用有序样本最优聚类方法,确定综合气候品质指数等级的划分区间和分段阈值指标,以及各年气候品质等级的分布情况(表 3)。在近 10 年评价结果中,2012 年和 2014 年水晶梨气候品质等级为“特优”“优”“良”的等级各有 3 年,2016 年和 2020 年等级相对较低,评定为“一般”。表 3 20112020 年水晶梨气候品质指数的分级指标和等级划分Table 3 Grading index and the climatic quality levels of crystal pear from 20112020等级赋值阈值(V)年份年数特优10.902012,20142优20.85 V0.902019,2015,20133良30.80 V0.852018,2017,20113一般4V0.802016,20202图 1 20112020 年水晶梨气候品质各等级频率分布Fig.1 Grade frequency of climatic quality ofcrystal pear from 20112020 以各等级出现的年数占总年数的比例作为纵坐标,各等级的赋值(“1,2,3,4”)作为横坐标,绘制水晶梨气候品质等级频率分布图(图 1)。以 SPSS 19.0 软件为工具,采用峰度、偏度法24对综合气候品质指数各等级频率分布进行正态性检验,其峰度和偏度系数分别为-0.44 和 0.79(P 550.0)(6)式中:PI 为 47 月的降水指数,R47为 47 月累计降水量(mm)。采取相关分析法,普查 20112020 年水晶梨综合气候品质指数(V)与各时段气象统计指标之间的相关程度,初步选定 17 个气象统计指标供逐步回归方法建立气候品质评价模型使用(表 4)。05上 海 农 业 学 报图 2 气象数据统计时段Fig.2 Diagram of meteorological data statistical period表 4 影响水晶梨综合气候品质指数的敏感气象因子Table 4 Sensitive meteorological factors affecting climatic quality index of crystal pear序号编号气象因子说明相关系数P1X13 月下旬4 月上旬平均相对湿度%-0.5090.052X25 月上旬平均相对湿度%-0.5780.013X35 月下旬7 月上旬平均相对湿度%-0.5170.054X43 月下旬4 月上旬日照时数h0.4970.055X55 月上旬日照时数h0.5200.056X65 月下旬日照时数h0.4640.057X77 月上旬日照时数h0.4910.058X85 月下旬6 月上旬降水量mm-0.6250.019X95 月上旬降水日数d-0.5920.0110X105 月中旬降水日数d-0.5380.0511X115 月下旬7 月上旬降水日数d-0.5500.0112X125 月上旬平均气温日较差0.5770.0113X135 月下旬7 月上旬平均气温日较差0.4960.0514X146 月下旬日平均最低气温-0.5200.0515X155 月中旬6 月下旬日平均最高气温-0.5380.0116X163 月上旬3 月中旬日平均最低气温-0.5590.0117X174 月上旬7 月下旬降水指数mm-0.5470.01 如表4 可见,入选的各气象因子中,与相对湿度有关的因子有3 个,与日照时数有关的因子有4 个,与降水有关(降水量、降水日数、降水指数)的因子有 5 个,与气温有关的因子(含气温日较差)有 5 个。从影响时段上看,分布在 5 月上旬果肉细胞分裂后期至成熟期的气象因子有 14 个,这说明在果实种子基本成熟后,果肉细胞进行组织分化并进入二次膨大期间的气象条件对梨果气候品质的形成至关重要。从相关性性质来看,水晶梨综合气候品质指数与日照时数、气温日较差因子均呈正相关,与空气湿度、降水量(降水日数、降水指数)和极端气温等因子均成负相关。表明日照时数较多,昼夜温差较大对水晶梨气候品质形成有利;而降水量和降水日数较多,空气湿度较大以及极端的气温,则会制约水晶梨气候品质的提升。从相关程度来看,5 个和降水有关的因子与综合气候品质指数的相关程度较高,特别是 5 月下旬6月上旬的降水量、4 月上旬7 月下旬的降水指数以及5 月上旬、5 月下旬7 月中旬的降水日数4 个因子均通过 1%的显著性检验,这说明降水条件对水晶梨综合气候品质的提升起到明显的抑制作用。降水因子的影响时段主要从 5 月上旬直至 7 月上旬,涵盖从果实初次膨大期后期至二次膨大期结束。结合水晶梨的生长发育过程,这一阶段果肉细胞分裂趋于停止,细胞数量趋于稳定,果实纵径基本确定,种子发育15张皓等:基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用逐渐成熟,果实生长主要依靠果肉细胞体积膨大及细胞间隙的扩大,横径不断增加。分析认为,这一时期上海正值汛前向梅汛期过渡,降水量逐渐增多,过多的降水量和降水日数必然会造成光照不足,进而影响光合效率及光合产物向梨果实的转运,不利于果肉细胞增大和糖分积累等所需要的养分合成,进而造成果实气候品质下降。王荣英等25的研究也认为桃树果实迅速膨大期间多阴雨天气会降低果品品质。由式(6)可见,从幼果初次膨大到成熟期间的累计降水量对梨果气候品质的影响表现为两个方面,降水量在550 mm 以下时,降水越多对水晶梨气候品质的形成越有利,当超过 550 mm,降水越多越不利于水晶梨气候品质指数的提升。相关程度次之的是气温方面的 5 个因子,其中气温日较差均表现为正相关关系,气温极值均表现为负相关关系。3 月上中旬正值梨花花芽萌发期,由于水晶梨属于典型的落叶果树,冬季自然休眠后需要一定的低温量才能解除休眠,正常开花结果26,而此时较低的气温有助于梨树复苏和花芽萌发,对梨果气候品质形成具有积极意义。5 月上旬和 5 月下旬7 月上旬分别为果肉细胞快速分裂后期和梨果二次膨大期,这期间气温日较差大既有利于碳水化合物的合成,减少呼吸消耗,加速果实生长膨大和淀粉积累,又有助于果实中的淀粉向糖分的迅速转化,促进糖分的合成和固定。这与一些学者3,6,19,23,27研究气象条件与果实糖分积累的影响结论一致。6 月下旬正值为梨果迅速膨大期,较低的夜间气温有助于降低植株体的呼吸消耗,促使日间积累的光合产物更多地向糖分转化,对梨果气候品质提升有利。5 月中旬6 月下旬常常与上海的梅雨季相遇,此时较高的气温往往伴随着高湿的环境容易诱发病虫害,不利于果实增重和品质形成。相对湿度方面的 3 个因子与综合气候品质指数之间的相关程度弱于降水和气温,3 月下旬4 月上旬正值水晶梨初花期和落花坐果期,段晓凤等19指出开花期与幼果期主要是决定果肉细胞数目的关键时期。梨树开花和授粉最有利的天气条件是晴朗且无持续阴雨,无风或微风28。此时空气湿度过高往往伴随持续的时阴时雨天气,造成花朵柱头分泌物的减少,影响花粉的黏着和发芽以及授粉效率,不利于提高坐果率。胡春丽等6认为南果梨开花期持续阴雨天气对梨树开花和授粉均有一定影响。5 月上旬至 7 月上旬正值果实初次膨大后期和二次膨大期,果肉细胞膨大和细胞间隙扩大需要充足的养分供应,此时空气湿度过大在一定程度上会阻碍梨树接收的太阳辐射,造成叶片光合作用效率降低和光合产物的供给不足21,继而影响果实横径及单果重,不利于果品综合气候品质的提升。日照时数方面的 4 个因子与综合气候品质指数呈正相关关系,表明本地日照时数增加对气候品质的提升具有积极作用。3 月下旬4 月上旬期间充足的日照时数有利于梨树开花和授粉,促进果肉细胞数量的增加,提高坐果率,并为大果的形成创造良好的条件。5 月上旬和 7 月上旬分别对应果肉细胞数量形成后期和梨果二次膨大期,此时充足的光照条件是梨果果心部分细胞分裂增殖以及果实增大、重量增加和糖分积累的重要基础。HIROSHI 等29的研究表明由于光照不足,光合作用减弱,光合作用合成的产物 可溶性糖含量减少,而呼吸作用的增强加剧了果实中可溶性糖含量的下降。2.4 水晶梨综合气候品质评价模型结合表 4 初选的敏感气象因子和式(5)的综合气候品质指数表达式,建立水晶梨综合气候品质评价回归模型:V=1.668+0.335 X5+0.142 X7-0.829 X14+0.657 X2+0.146 X12-1.139 X15+0.089 X4-0.034 X9(R2=0.992,P 0.005)(7)利用 20112020 年和 20212022 年的气象数据,结合式(7)对近 10 年水晶梨综合气候品质指数分别进行回代检验(图 3)和外延检验(表 5)。回代检验表明,气候品质评价模型展现了良好的评价能力,综合气候品质指数的模拟值和实际值具有很好的相关性,其相关系数 R 大于 0.99,归一化均方根误差仅为0.588。同时,近10 年间综合气候品质指数模拟值和实际值变化曲线基本吻合,极值年份和有较大波动的年份都均能较好地反映实际情况。2021 年和 2022 年外延检验结果可见,模型的准确率均在 98%以上,表明所建立的回归方程适用于评价水晶梨的综合气候品质。25上 海 农 业 学 报 YX2图 3 20112020 年水晶梨气候品质评价模型回代检验Fig.3 Calibration results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 20112020表 5 20212022 年水晶梨气候品质评价模型的验证结果Table 5 Validation results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 20212022年份2 0 2 12 0 2 2年份2 0 2 12 0 2 25 月上旬日照时数/h8 8.18 3.7平均单果重/g3 5 3.43 2 2.37 月上旬日照时数/h4 1.79 2.3最大单果重/g3 8 5.83 7 7.06 月下旬平均最低气温/2 2.82 6.1可溶性固形物/%1 3.71 4.35 月上旬平均空气湿度/%6 7.26 7.3横径/c m8.98.65 月上旬平均气温日较差/1 0.39.6V（实际值）0.9 3 00.9 1 75 月中旬6 月下旬平均最高气温/2 8.02 8.2V（模拟值）0.9 4 40.9 0 23 月下旬4 月上旬日照时数/h1 1 4.71 3 2.9准确率/%9 8.5 69 8.3 75 月上旬降水日数/d2.00.02.5 水晶梨综合气候品质评价模型的应用一直以来,上海市松江区气象局积极对接水晶梨种植企业和农业大户,寻找水晶梨气候品质评价服务的切入点,推进科技成果向服务应用端延伸。通过开发农产品气候品质评价微信小程序,实现气候品质评价结果在手机等移动端的信息查阅。2021 年起,水晶梨气候品质评价服务逐步推向市场,消费者通过扫描梨产品外包装上的二维码,即可获取当年梨树生长期间气象条件适宜度、农业生产管理措施、农业气候溯源信息和水晶梨气候品质评价结果。此举既有助于松江农产品品牌建设,又进一步拓展了气候品质评价服务的社会影响力,实现了经济和社会效益双丰收。3 结论与讨论本研究从气候品质的概念出发,采用主成分分析法,综合水晶梨外观和内在品质方面的 4 个检测要素,构建表征水晶梨综合品质的参量 综合气候品质指数。结合同期观测的气象数据,筛选影响气候品质的敏感气象因子,采用逐步回归法建立水晶梨气候品质评价模型,实现基于气象数据的水晶梨气候品质的量化评估。20112020 年水晶梨年际间气候品质等级率定结果表明,各等级出现频率服从正态分布。经与水晶梨生产和栽培专家探讨,评价方法较为客观地反映了近年来气候条件对水晶梨果品品质的影响,评价结果与实际相符。梨果品质往往是多种因素综合作用的结果,单一的要素检定结果仅能从某个侧面反映果品的品质特征,而综合相关文献表明气候品质评价研究同样具有一定的地域性和应用限制。特定区域和品种的农产品气候品质评价方法的建立与考虑的品质性状数量、资料年限长短及是否涵盖极端灾害年份的影响等密切相关。本研究仅从果实尺寸、重量和含糖量三方面出发,并未考虑不同等级的出果率、果实外观色泽、香气等品质因素,同时如何在气候品质评价模型中引入高温灼晒、冰雹、淹水等气象灾害因子对果品品质的影响,以及综合气候品质评价指数中如何剔除土壤和管理措施等非气象因子的影响,也是今后的研究需要逐步解决的问题。相关分析结果表明,初选的温度因子除气温日较差外,均与综合气候品质指数呈负相关关系,这与现有研究的结果30-31存在一定差异。分析认为,初选的气温因子为梨花花芽萌发期及果肉细胞缓慢分裂期至二次膨大期间的最高气温和最低气温,而非平均气温,反映的是气温极值对水晶梨气候品质的影响。花前低温有助于梨树解除休眠,正常开花结果。果实膨大期间日间高温灾害会灼伤叶面和果实表皮,不利于光合产物合成20,而日间高温和夜间最低气温偏高都会增加呼吸消耗19,影响净光合产物的积累和35张皓等:基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用糖分转化。此外,本研究涉及的气象因子为旬或跨旬尺度,以降低不同年份间梨树生育期细微差异的影响,而如何在评价方法中引入非旬尺度的气象和非气象因子,也是下一步工作需要考虑的因素。参 考 文 献 1 王琭璠.梨果出口市场竞争格局及企业出口策略研究D.南京:南京农业大学,2017.2 沈根华.上海市松江区梨安全优质生产及产业发展研究D.南京:南京农业大学,2005.3 谢远玉,王培娟,朱凌金,等.基于气象因子的赣南脐橙气候品质指标评价模型J.生态学杂志,2019,38(7):2265-2274.4 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