中国富士系苹果主产区花期模拟与分布

在中国富士系苹果的5个主产区,分别选取花期资料系列较长的山东福山(环渤海湾产区)、河南三门峡(黄河故道产区)、甘肃西峰(黄土高原产区)、云南昭通(西南冷凉高地产区)和新疆阿克苏(新疆产区)作为代表站,利用SPSS统计软件,分析和筛选影响苹果花期的气象要素,构建富士系苹果的花期模拟模型;采用平均绝对误差(MAE)和分级加权满分率计分评判法对模型进行检验,并用代表站周边12个站点的物候观测资料对模型进行外延检验;在此基础上,逐站逐年模拟中国苹果主产区416个气象站1981-2018年富士系苹果始花期和末花期。结果表明:代表站苹果花期模拟模型单站检验满分率66.7%～100.0%,平均绝对误差0.4～3.4d,外延检验平均绝对误差1.2～5.1d。1981-2018年中国不同产区富士系苹果花期时间差异大,并呈提前变化的趋势,提前变化分界点在1997年前后;代表站平均始花期最早与最晚相差27.0d,平均末花期最早与最晚相差18.0d;始花期提前变化幅度1.6～4.5d·10a-1,末花期提前变化幅度1.2～3.8d·10a-1。中国富士系苹果花期空间分布特征表现为由南向北逐渐推迟,平均始花期从西南冷凉高地的3月中旬向北逐渐推迟至环渤海湾产区北部的4月下旬,平均末花期从西南冷凉高地的4月上旬向北逐渐推迟至环渤海湾产区北部的5月上旬。     

基于物候模型研究未来气候情景下陕西苹果花期的可能变化

陕西苹果种植面积大、产量高,但产量易受晚霜冻影响。冻害的发生与苹果花期和晚霜冻时间密切相关,因此准确预测苹果花期,研究苹果花期的变化规律对苹果生产防灾减灾具有重要意义。本研究利用物候模型（春暖模型、连续模型、重叠模型和平行模型）研究气候变化背景下陕西苹果花期（包括始花期和末花期）的变化规律。首先,评价4种物候模型在陕西苹果产区模拟苹果花期的效果,筛选出研究区最佳花期预测模型。然后,基于所选最佳花期模型模拟历史（1980−2019年）时期各代表站（洛川、白水、凤翔和长武）的苹果花期。最后,基于33个全球气候模式（Global Climate Models,GCMs）生成的未来气象数据集,利用所选最佳模型分别模拟RCP4.5和RCP8.5两种情景下2021−2100年各代表站的苹果花期并研究花期时空变化规律。结果表明,连续模型是模拟渭北东部和西部苹果花期的最佳模型,而延安和关中西部苹果花期的最佳模型为平行模型。1980−2019年各代表站始花期提前速率为3.4～4.7d·10a−1,末花期提前速率为3.3～4.6d·10a−1,空间分布上,研究区苹果花期从东南到西北逐渐推迟,年平均花期持续时间为10～11d。在RCP4.5情景下,各代表站2021−2100年始花期提前速率为0.7～0.9d·10a−1,末花期提前速率为0.6～0.8d·10a−1;与1980−2019年相比,各代表站2021−2060年平均始花期提前0～4.4d,末花期提前0～5.0d,各代表站2061−2100年平均始花期提前3.4～7.6d,末花期提前2.6～8.2d。在RCP8.5情景下,2021−2100年各代表站始花期提前速率为1.3～1.8d·10a−1,末花期提前速率为1.3～1.6d·10a−1;与1980−2019年相比,各代表站2021−2060年平均始花期提前1.3～5.9d,末花期提前1.0～6.1d,各代表站2061−2100年平均始花期提前6.7～12.4d,末花期提前6.2～12.3d。未来气候条件下,苹果花期空间分布与历史时期基本一致,但花期持续时间略有缩短。本研究首次综合花期预测模型和未来气候数据研究陕西苹果产区苹果花期变化,可为陕西苹果产区应对气候变化产生的花期冻害提供一定的理论依据。     

中国北方主产地苹果始花期与气候要素的关系

选取福山、万荣、洛川、旬邑和阿克苏分别代表中国渤海湾、黄土高原和新疆苹果产区,利用1999−2018年各地富士苹果始花期物候观测数据,分析苹果始花期变化趋势,并利用偏最小二乘回归法,分析日尺度平均气温、平均地温、降水量、相对湿度和日照时数对苹果始花期的影响,明确影响苹果始花期的关键气候因子及其影响时段和强度,在此基础上,利用逐步回归法建立各主产地苹果始花期预测模型。结果表明,近20a来,中国北方主产地苹果始花期平均出现在4月7−20日,但变化趋势不显著。影响各地始花期的关键气候因子中,平均气温和平均地温为主导因子,其中关键影响时段内平均气温和平均地温每上升1℃,5个主产地苹果始花期将显著提前2.31~4.10d和2.34~4.96d;降水量每增加1mm,万荣、旬邑和阿克苏苹果始花期将显著推迟0.12~0.57d;平均相对湿度每增加1个百分点,旬邑和阿克苏苹果始花期推迟0.33d和0.51d;日照时数每增加1h,福山和万荣苹果始花期分别提前0.12d和0.07d。在明确影响各主产地苹果始花期关键气候因子的基础上,建立中国北方苹果主产地始花期预测模型,经回代检验,实测值与预测值相差小于5d的比例达80%~90%,模型可用于实际预测业务。     

基于Copula函数的陕西苹果晚霜冻特征分析

为探讨利用Copula函数在站点尺度上对苹果晚霜冻进行特征分析的适用性，该研究首先基于陕西省苹果主产区7个气象站点1971－2018年的逐日最低气温（Tmin）数据集，提取出晚霜冻事件的历时和强度两个特征变量。然后，基于6种不同的Copula函数构建晚霜冻特征变量的联合分布，并进行拟合优度评价。最后，利用优选的Copula函数分析晚霜冻发生的概率及重现期。结果表明：陕西苹果产区各站点1971－2018年受晚霜冻的影响在空间分布上由东南向西北方向加重，各站点晚霜冻的历时和强度之间均具有显著的正相关关系。当晚霜冻强度和历时增大时，其联合累积概率也相应增大，且增大趋势变缓。各站点联合重现期代表的"或"事件比同现重现期所代表的"且"事件更容易发生。当单变量重现期取值较小时，可将联合重现期和同现重现期视为单变量重现期的两种极端情况，对其实际范围进行估计。总体而言，陕西苹果产区各站点发生长历时且高强度晚霜冻事件的概率较小，但是位于延安果区的站点相较于其它果区站点更容易发生高强度或长历时的晚霜冻事件，以及高强度长历时同时发生的晚霜冻事件，需要重点加以关注。该研究可为陕西苹果产区在站点尺度上应对晚霜冻灾害提供理论依据。     

新疆杏的气候生态适应性及花期霜冻气候风险区划

新疆杏产区的光、热、水、土等条件都能很好地满足杏生长、发育的需求,从萌芽到果实成熟期只需≥10℃积温2500℃·d,杏树就能正常开花结果。杏树开花、幼果形成期间的低温霜冻对杏的产量和经济效益有很大影响。天山以北冬季寒冷,杏树越冬保证率低,限制了其发展。用自然灾害风险分析原理,以霜冻灾损率为区划指标,把新疆杏产区划分为4个花期霜冻灾害气候风险区,分析了各区的霜冻发生频率和冻害程度以及发展杏产业的利弊条件。     

陕西果区苹果始花期预测模型

利用陕西省苹果产区2000—2008年气象资料和6个苹果物候观测县站始花期资料,在果树物候模型理论的基础上、应用统计学方法建立了基于气象因子的苹果始花期预测模型：y=-1．4T1-1．13T2＋0．11r＋95．1（n=42,R=0．84;F=29〉F0.01）,y为各县始花日期的预测日序,T1为该县1月份平均气温,T2为该县3月份平均气温,r为该县3月下旬日照时数。根据预测结果与实际的比较,结合对当年前期气象因子的分析,提出了该模型的订正因子。根据陕西果区冬、春季气温变化趋势,模拟显示该区苹果始花期将偏早1～5d。     

基于多因素模型重构陕西苹果主要物候数据序列

苹果生长发育受气象因素影响较大,陕西高低温灾害发生频率的增加对苹果的产量和品质有很大影响。物候期的确定是指导果业生产、进行灾害风险管理的重要依据。目前,物候期观测数据十分匮乏,通过构建物候模型可对历史物候期进行重构。在陕西的四个果区,分别选取物候资料记录相对全面的两个代表站点,礼泉和凤翔（关中果区）、旬邑和长武（渭北西部果区）、铜川和白水（渭北东部果区）、延长和洛川（延安果区）。在各果区的两个代表站点中,选取历史物候期记录时间序列更长的站点,利用SPSS软件对该站点物候期日序与所选气象指标进行逐步回归分析,建立多个单项或多项物候期预测模型,再通过回代检验和预测检验两种方法选取最优模型。采用平均绝对误差（MAE）、物候期模拟值与实际值相差0～3d的相对准确率（RA）评估检验结果,并选择最优模型。结果表明：（1）萌芽期模型MAE为0.8～2.4d,RA为84.6%～100%;花期模型MAE为2.5～3.4d,RA为55.6%～75%;果实发育期模型MAE为0.9～2.8d,RA为63.2%～100%;成熟期模型MAE为2.2～3.2d,RA为69.2%～72.2%;模型模拟效果由好到差依次为萌芽期、果实发育期、成熟期和花期。（2）重构1981−2019年延安果区、渭北东部果区、渭北西部果区和关中果区苹果萌芽期年日序分别为72−98、70−88、73−98和71−85,花期年日序分别为102−116、86−107、100−125和84−115;1981−2019年延安果区、渭北东部果区和关中果区苹果果实发育期年日序分别为114−122、89−118和87−117,成熟期年日序为260−301、276−297和224−348。（3）重构物候期的空间分布,1981−2019年延安果区和渭北东部果区萌芽期由东南向西北逐渐推迟,关中果区和渭北西部果区自西向东推迟;花期整体自南向北越来越晚;果实发育期从南向北逐步推迟;延安果区和渭北东部果区成熟期从东向西逐步推迟,关中果区和渭北西部果区自西向东逐步推迟。本研究构建的物候模型的模拟效果总体较好,所重构的苹果物候期数据序列可为苹果生产管理和灾害风险防范提供基础性支撑,对果树物候期模型的研发具有借鉴意义。     

陕西苹果主产县花期冻害风险评估

为评估陕西礼泉和旬邑两个苹果主产县富士苹果的花期冻害风险,通过热时模型利用日平均气温重构礼泉和旬邑两地1967-2018年苹果始花期,并利用日最低气温根据苹果花期冻害指标阈值提取两地同时期内重度、中度和轻度不同等级冻害终日,采用线性倾向法和风险指数法分析两地苹果花期冻害风险情况。结果表明:1967-2018年礼泉和旬邑的重构苹果始花期呈显著提前趋势,提前速率分别为2.8d·10a~(-1)(P0.01)和0.8d·10a~(-1)(P0.05);礼泉地区重度冻害终日呈显著提前趋势,提前速率为3.3d·10a~(-1)(P0.01),中度、轻度冻害终日无显著变化,旬邑地区三个等级冻害终日均无显著变化;礼泉地区苹果平均始花期日序为DOY100,晚于平均轻度冻害终日日序DOY95,冻害风险较小,旬邑地区苹果平均始花期日序为DOY107,晚于平均重度冻害终日日序DOY93,但早于平均轻度冻害终日日序DOY118,冻害风险较高;礼泉和旬邑两地苹果花期冻害风险指数无显著变化,但是两地冻害风险指数≥0的频次增加,说明苹果花期冻害风险有上升趋势。     

陕西果区苹果花期冻害农业保险风险指数的设计

围绕苹果政策性农业保险对气象服务的需求,统计分析了陕西果区苹果花期物候和最低气温资料,确定了主要果区苹果花期冻害风险时段:延安和渭北西部果区为4月10-30日,关中和渭北东部果区为4月1-20日。结合有关文献和调查资料,依据低温强度,提出陕西苹果花期低温冻害农业保险的三个等级即低风险等级(TD≤0℃),中风险等级(TD≤-2℃),高风险等级(TD≤-4℃)和不同等级的风险指数空间分布特点:各级风险指数均以延安果区为最高,渭北西部果区次之,渭北东部和关中果区风险指数明显偏低。结合种植环境的复杂性和灾害等级的不确定性,提出了农业保险参保指数指标为:10%参保风险指数80%。结合参保风险指数指标及首先关注高风险等级原则,对主要果区参保等级进行了分区评估:延安果区参保等级为高风险等级和中等风险等级,渭北西部果区参保等级以中等风险等级为主,渭北东部和关中果区参保等级以低风险等级为主。     

基于日气温特征值与冷/热积量模型耦合的苹果始花期预报模型

以临猗、洛川和栖霞3个富士系苹果主产区为研究区，基于2019−2020年各地调查样点的1km格网气象数据、实际始花期数据以及冷小时模型（Chilling Hour Model，CHM）和生长度小时（Growing Degree Hour，GDH）模型，利用网格搜索法得到苹果始花期最优冷/热需求量；然后将日气温特征值（日最高温Tmax、日最低温Tmin和日平均温Tavg）划分为单因子、双因子和三因子7种日气温特征因子组合方式，利用随机森林算法（Random Forest，RF）构建3个地区不同日气温特征因子组合下的日冷/热积量模型，以筛选最优日气温特征因子；在此基础上，基于最优日气温特征因子，利用RF构建苹果始花期预报模型，并通过独立实际始花期数据对预报模型进行精度评价。结果表明：（1）临猗地区的苹果始花期最优冷/热需求量分别为730CH和7350GDH，洛川地区分别为345CH和4950GDH，栖霞地区分别为520CH和4450GDH；（2）7种日气温特征因子组合中，Tmax、Tmin和Tavg三因子组合下的3个地区日冷/热积量模型在估算日冷/热积量时均具有较高的准确性，日冷积量估算值与基于CHM模型得到的日冷积量间的RMSE为0.97～2.50CH，日热积量估算值与基于GDH模型得到的日热积量间的RMSE为1.73～15.76GDH；（3）利用苹果始花期预报模型估算日冷/热积量，日冷/热积量估算值与基于CHM/GDH模型得到的日冷/热积量间的RMSE分别为1.08～1.14CH和2.03～3.74GDH；当利用该模型进行苹果始花期预报时，预报值与实际值R2为0.92，RMSE为3.44d，其精度与基于真实逐小时气温数据的精度整体一致，表明本研究构建的苹果始花期预报模型可以有效将输入气温数据从逐小时尺度转换为日尺度，这在后续苹果始花期预报工作中具有较好的应用价值和潜力。     

气候变化背景下中国苹果适宜种植区北移西扩：基于高分辨率格点气象数据的区划分析

利用1981-2010年5km×5km格点气象数据,基于前人研究指标,采用气候倾向率、ArcGIS空间插值等方法,对影响苹果种植的气温、降水、相对湿度等主要气候指标分布特征进行分析。首先利用一票否决式指标剔除不能满足苹果生长基本要求的不可种植区域,然后结合苹果气候区划因子评分标准,对可种植区进行适宜性评价,并分析年际间适宜区的变化特征。结果表明,总体来看,苹果可种植区为华北、西北、西南以及华东、华南的部分地区。在可种植区中,适宜区主要位于黄土高原大部分地区和环渤海地区,次适宜区主要位于华北平原和黄土高原少部分地区以及塔里木盆地和云贵高原地区,不适宜区主要分布在东北地区、长江以南大部分地区、青藏高原地区以及新疆北部部分地区。与20世纪80年代相比,90年代、21世纪00年代山东半岛、黄土高原南部由适宜种植区转变为次适宜种植区,辽蒙交界地区、云贵川交界地区、黄土高原北部以及陕甘交界处由次适宜种植区转变为适宜种植区,苹果适宜种植区变化呈现明显北移西扩的特点。     

1960-2015年淮河流域初终霜日时空变化分析

基于淮河流域1960-2015年61个气象站点地面0cm日最低气温资料,采用线性倾向估计、反距离加权、Mann-Kendall突变检验、滑动T检验方法,分析近56a淮河流域初霜日、终霜日和无霜期的时空变化特征及突变年份。结果显示：（1）研究期内,淮河流域平均初霜日期 、终霜日期和无霜期分别以2.15、2.49、4.38d·10a-1的速率呈推迟、提前、延长的趋势（P＜0.01）,其中,在20世纪90年代的变化最为显著（P＜0.01）,速率分别为16.38、5.34、20.6d·10a-1。（2）平均初霜日期在空间上呈北早、南迟,山区早、平原迟的分布;86.9%的站点初霜日期呈显著推迟趋势（P＜0.05）。终霜日期呈西南早、东北迟,平原早、山区迟的分布;83.6%的站点通过0.05水平的显著性检验,以3.44～5.92d·10a-1的速率呈提早趋势。无霜期随纬度和海拔升高而缩短;93.4%的站点通过0.05水平的显著性检验,变化率为3.56～7.59d·10a-1,无霜期整体延长。（3）11月8日线、4月1日线、220d等值线位置较其它各气候基准期和各年代分别偏北约1个和2个纬距,在32°N和34°N附近的偏北趋势最为明显,佐证了该区初霜日期整体推迟、终霜日期整体提前、无霜期整体延长的趋势。（4）初霜日期、终霜日期和无霜期分别在2002年、1995年和1998年发生突变。     

基于格点资料的1961−2018年中国霜冻灾害时空变化规律

以1961−2018年长时间序列的格点化气象数据替代以往研究中站点数据,通过趋势分析和聚类分析等方法,研究中国区域内适合格点数据的霜冻辨识阈值、霜冻发生时间及霜冻强度的时空变化规律,以在气候变化背景下合理利用气候资源,降低霜冻灾害给农业生产造成的损失。结果表明：（1）日最低气温0℃相比日最低气温2℃作为阈值辨识初/终霜冻和无霜期的空间分布更加合理。（2）1961−2018年中国大部分地区初霜冻日期推后（1～3d·10a−1）,终霜冻日期提前,无霜期增加（1～3d·10a−1）。（3）不同强度的霜冻年累计发生次数在中国北方有微弱增加态势,在南方呈现明显的减少趋势。其中,晚霜冻不同霜冻强度年发生频次高于早霜冻。（4）以霜冻日期和霜冻发生频数为标准进行中国霜冻灾害区划,全国可分为亚热带、暖温带、中温带、寒温带和青藏高原5个分区。其中,以青藏高原不同霜冻日期变化最为剧烈。整体上,中国区域的气候变暖对于霜冻灾害的发生在时间、空间和强度上有明显的减弱效果。     

1961-2014年华北平原二十四节气热量资源的时空分布变化分析

通过推算历年二十四节气的划分时间,利用华北地区63个气象站点1961-2014年逐日地面观测资料,分析每个节气期间平均气温、最高/低气温、≥0℃积温的线性变化趋势;基于春分、秋分日计算分析研究区各站点无霜期的终/始日与春分/秋分日差值和无霜期≥0℃积温的时空分布变化特征.结果表明,华北平原气温(平均、最高、最低)最高为大、小暑节气,最低为小、大寒节气.无霜期由北向南递增,终霜日平均发生在春分节气,沿纬度方向由南向北推迟,初霜日平均发生在霜降节气,沿纬度方向由南向北提前.1961-2014年华北地区二十四节气内热量资源(气温、≥0℃积温)均呈现上升趋势,冬春季的节气升温幅度大于夏秋季.雨水节气平均气温、最高、最低气温增幅在二十四节气中最大,分别为0.63、0.74和0.53℃·10a-1.最低气温增幅大于平均气温和最高气温,对气候增暖的贡献较大.近54a来研究区无霜期内≥0℃积温平均增加442.8℃·d.气候变暖同时延长了华北地区的无霜期,研究区无霜期气候倾向率平均为3.9d·10a-1,该变化由初/终霜日的变化共同作用引起,且春季终霜日提前(气候倾向率为2.1d·10a-1)比秋季初霜日推迟(气候倾向率为1.9d·10a-1)更明显.     

陕西富士系苹果花期霜冻灾害气象指标的修订

将8～10a树龄的陕西富士系苹果树的花枝放入人工霜箱内,以子房受冻为观测标准,在10～-5℃的温度区间对样本进行降温处理,得到花朵子房组织温度随时间的变化曲线,由温度曲线确定其过冷却点和结冰点;在此基础上,利用人工气候箱模拟7组不同低温条件和持续时间,观测苹果花的受冻率,确定苹果花期霜冻指标;通过对历史实际灾情的调查,得到果树自身修复影响因子,获得新的苹果花期霜冻指标。结果表明,陕西富士系苹果花的过冷却点为-2.5～-4.0℃;苹果花受冻既与低温强度有关,也与低温持续时间密切相关,温度越低或持续时间越长,受冻率越高;研究区实际调查结果显示,花朵受冻后可部分恢复坐果,果树的这种自身修复可使花朵受冻率减少约18个百分点,据此建立了新的陕西富士系苹果花期霜冻灾害气象指标;经比较,新指标对霜冻灾情的吻合率大于原指标,且霜冻级别越高吻合程度越高。     

气候变暖背景下西藏中南部苹果物候期变化及其气候影响因子分析

利用2001-2020年西藏泽当农业气象站苹果物候期和逐日平均气温(T_m)、最高气温(T_max)、最低气温(T_min)、气温日较差(DTR)、相对湿度(RH)、降水量(Pr)、日照时数(S)和≥0℃积温(∑T₀)等资料,采用线性回归、Pearson相关系数和逐步回归等方法,分析近20a西藏中南部苹果物候期及生长期长度的变化趋势,以及影响的主导气候因子,以期揭示西藏高原苹果物候期变化特征及其对气候变暖的响应。结果表明：2001-2020年西藏中南部苹果除可采成熟期以1.28d·a^-1的速率呈提前趋势外,其它物候期平均每年推迟2.83～7.64d;果实生长发育期长度、花期长度平均每年分别缩短8.92d和5.98d,而果树全生育期长度略有延长,速率为0.65d·a^-1。各物候期T_max趋于升高,T_min呈降低趋势,DTR显著增大;多数物候期RH、S呈显著减少趋势;Pr在可采成熟期前以增加为主,之后趋于减少。春季物候期主...     

宝鸡不同密度旱作苹果园产量和深层土壤水分动态响应模拟

为揭示半湿润黄土台塬沟壑区不同密度旱作苹果园产量长周期演变趋势与深层土壤水分变化动态, 应用WinEPIC模型定量模拟分析了1965-2009年期间宝鸡6种种植密度(D1: 2 m×3 m; D2: 2 m×4 m; D3: 2.5 m× 4 m; D4: 3 m×4 m; D5: 4 m×4 m; D6: 4 m×5 m)苹果园果品产量和0~15 m土层土壤水分变化动态, 并据此确定了当地旱作苹果园最佳种植密度和适宜种植年限。结果表明: (1)在1968-2009年42年苹果产果期间, 各密度苹果园果品产量呈现逐渐增高后又强烈波动性降低趋势, 前21年平均产量明显高于后21年。(2)随着种植密度增大, 苹果园果品产量逐渐增加, 当种植密度达到D3(2.5 m×4 m)~D4(3 m×4 m), 即833~1 000 株·hm^-2后, 增产幅度趋缓。(3)随着种植密度增加, 果园0~15 m土层土壤有效含水量逐渐降低, 深层土壤干层形成时间逐渐缩短。(4)从产量、干旱胁迫日数、土壤有效含水量和土壤剖面湿度分布演变趋势和变幅分析, 宝鸡旱作苹果园地最佳种植密度为D3(2.5 m×4 m)或D4(3 m×4 m), 即833株·hm^-2或1 000株·hm^-2, 种植年限为30年左右为宜。