氣象條件對懸鈴木始花期的影響分析及預報模型構建*
——以江蘇興化為例

孫 明 徐 敏 高 蘋 艾文文 張志薇

1 江蘇省氣象服務中心，南京 210008 2 江蘇省氣候中心，南京 210008 3 江蘇省氣象科學研究所，南京 210009

提 要： 春季二球懸鈴木(以下簡稱懸鈴木)新生花粉和宿存球果脫落產生的果毛，既危害人體健康也為城市清潔帶來壓力，開展始花期預報有利于易敏人群提前做好防護準備，并可為園林部門適時噴灑植物生長抑制劑提供理論依據。以江蘇興化懸鈴木始花期為研究對象，選取1990—2020年的物候觀測數據和同期氣象觀測資料，分析其年際變化趨勢，篩選影響始花期的關鍵氣象因子，采用通徑分析法進一步明確各關鍵氣象因子對始花期的定量影響，并建立多元回歸預報模型；同時統計分析始花期有效積溫閾值，基于春季積溫模型進行預報，并對比檢驗兩種模型的預報效果。結果表明：在氣候變暖背景下興化懸鈴木始花期呈提前趨勢，每10年提前約2 d；光照、風速和降水對開花早晚影響較小，但2月下旬雨水充沛、空氣濕潤則有利于開花提前；溫度是影響開花早晚的最重要指標，冬季日最高氣溫對始花期的影響程度高于日最低氣溫，平均地表溫度的影響程度略高于平均氣溫，但到了3月氣溫回暖后則反之；冬季平均地表溫度、冬季平均氣溫以及3月中旬日最低氣溫<10℃的天數在直接、間接效應方面均對始花期具有最大的影響力，在此基礎上建立的逐步回歸預報模型擬合準確率達89.3%，具有較高的可靠性和業務應用價值。

引 言

二球懸鈴木(Platanusacerifolia，俗稱法國梧桐)作為世界著名行道樹，自20世紀初起，被上海、南京、杭州、青島、武漢、鄭州、西安等城市大量引種。以南京為例，據園林局統計主城區現存大約29 400棵二球懸鈴木(以下簡稱懸鈴木)。懸鈴木球果當年會宿存枝頭，次年4—5月脫落開裂并產生大量果毛，據統計一個球果產生的果毛可超過200萬～500萬根，一株十多年生、胸徑為10 cm的未經修剪的懸鈴木，每年可結200～400個球果(喬士義和厐品珍，1985)。此時也正值花期，大量新生花粉以及果毛從樹上飄落下來危害人體健康也為城市清潔工作帶來壓力。懸鈴木花粉中已被鑒定出的致敏原蛋白有三種，它們可以通過粒徑為0.1～1.0 μm的花粉微顆粒形式被釋放出來，進入人體誘發炎癥(沈家慧等，2017)，李明震等(1998)在武漢地區進行一年的花粉樣本采集以及對136例花粉癥患者皮試后初步判明懸鈴木是武漢地區春季最主要致敏花粉，是花粉癥的主要病因。懸鈴木果毛中部直徑為33 μm，尖端和尾部更細，小于人體表皮毛孔平均直徑，很容易進入毛孔誘發皮膚瘙癢等不適，同時果毛硬脆易斷裂，不慎落入眼中或吸入肺中能引發角膜炎、哮喘、咳嗽等疾病(曹劍波等，2008)。

屈李輝(2013)研究發現懸鈴木雌花無論是否完成授粉都會繼續發育成球果，且球果也都會產生果毛。為解決懸鈴木果毛污染問題，國內外學者做了各種探索和嘗試，主要包括無果品系選育、修剪嫁接控果、化學藥劑處理和基因工程改良等方法，其中化學藥劑處理對時間的要求比較嚴格。因此，開展氣象條件對開花開始時間(始花期)的影響分析進而開展始花期預報，可為園林部門合理安排噴灑植物生長抑制劑，為花粉過敏人群及醫療機構提前做好預防和治療準備以及為環衛部門做好道路清潔管理提供理論依據，具有較高實用價值。

木本植物花期與氣象條件間的關系及花期預測已有相關研究，劉流和甘一忠(2006)研究發現桂林桃花遲早年與1月下旬到2月下旬氣溫指標和上年冬季降水量顯著相關，毛明策等(2005)和郭睿(2016)均指出入春后≥5℃的積溫與樹木花期具有極顯著相關性，傅瑋東等(2011)探討了日平均氣溫≥5℃初日對杏樹開花期的影響，劉璐等(2020)發現在影響中國北方主產地蘋果始花期的關鍵氣候因子中平均氣溫和平均地溫為主導因子，El Yaacoubi et al(2019)建立了地中海地區蘋果開花的溫度變化驗證模型，李德等(2020)基于隨機森林算法開展碭山酥梨始花期預報。但目前針對懸鈴木的研究報道較少，Mimet et al(2009)基于對法國櫻花和懸鈴木的花期物候觀測發現熱島效應導致城市內植物花期提前，且花期與前15 d的平均最低氣溫密切相關。呂愛麗等(2020)發現臨汾常見木本植物中懸鈴木對氣溫變化響應最為敏感，在氣候變暖背景下，其春季物候期提前，秋季物候期推遲。在借鑒相關研究成果的基礎上，以江蘇省興化市懸鈴木的始花期為研究對象，統計分析其年際變化趨勢，篩選影響始花期的關鍵氣象因子，采用通徑分析法進一步明確各關鍵氣象因子對始花期的影響程度，并建立逐步回歸預報模型。同時統計分析始花期有效積溫閾值，基于春季積溫(spring warming,SW)模型進行預報，并對比檢驗兩種模型的預報效果。

1 資料和方法

1.1 資料來源

興化站是江蘇地區懸鈴木連續物候觀測記錄最長的站點，選取其1990—2020年共31 a的觀測數據(其中1990—2017年的數據用于建立預報模型，2018—2020年的數據用于試報檢驗)作為本文懸鈴木物候資料。懸鈴木物候觀測地段位于興化市城區人民公園內(32°56′N、119°50′E)，樹高約為7 m，胸徑約為45 cm，物候觀測按《農業氣象觀測規范》(國家氣象局，1993)中有關規定執行，其中，自規范1994年執行起新增了芽膨大期的觀測。

氣象觀測資料來源于興化氣象觀測站1989年12月至2020年4月的逐日氣象資料，要素包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、相對濕度和平均地表溫度(0 cm)等。

1.2 資料處理與分析方法

1.2.1 影響始花期的氣象因子初篩

劉震等(2002；2006)的試驗研究表明懸鈴木具有淺冬休眠特性，其冬芽休眠解除的低溫范圍較大，5與12℃具有同樣效果。湯珧華等(2019)通過物候觀察發現懸鈴木休眠芽在10℃開始萌動，15～25℃時花芽分化?？梢?℃和10℃是懸鈴木關鍵生育期溫度界限。選擇年內5 d滑動平均氣溫超過0、5和10℃的初日，以及逐月(上年12月至當年3月)、逐旬(當年1月上旬至4月中旬)內各氣象因子與始花期進行相關性分析，通過皮爾遜系數的大小和顯著性水平檢驗初步篩選出對始花期影響較大的氣象因子。

采用儒略日(Julian days)換算方法，將懸鈴木生長發育日期轉化為日序數，即每年的1月1日記為1，1月2日記為2，以此類推。

1.2.2 主要氣象影響因子通徑分析

通徑分析是在多元回歸基礎上將相關系數分解為直接通徑系數和間接通徑系數的一種統計方法。直接通徑和間接通徑系數分別表示某一變量對因變量的直接影響力，以及通過其他變量對因變量的間接影響力，通徑系數絕對值的大小可以反映出各個自變量在回歸方程中的重要作用。通徑分析方法已在農業、環境等領域有成熟的應用研究(張佩等，2020；信志紅等，2019；黃世成等，2012)，其基本模型為：

(1)

設有x1，x2，x3，…，xk，即k個自變量，式中：ri為自變量xi與因變量y之間的相關系數；pi為自變量xi的直接通徑系數；rij為任意兩個自變量xi與xj之間的相關系數；rijpj為自變量xi通過自變量xj對因變量y產生的間接作用，而rikpk(i≠k)之和即為自變量xi的間接通徑系數。

實際上影響始花期的各氣象因子并不是彼此獨立的，可在對篩選出的氣象因子進行正態檢驗后利用SPSS軟件進行通徑分析，反映它們的綜合作用效果，進而優化多元回歸預報模型參數。

1.2.3 春季積溫物候預測模型

植物在生長發育過程中不僅要求一定的溫度水平，而且還需要一定的熱量總和(即積溫)，積溫常分為活動積溫和有效積溫兩種，同一品種植物在不同地區不同年份所需的活動積溫差異較大，但有效積溫較為穩定，因此利用有效積溫做花期預測具有更好指示意義。

基于積溫理論發展出的SW模型是最簡單也被最廣泛應用的物候模型(于裴洋等，2020；張愛英等，2015)，其原理如下：

(2)

(3)

式中：y為預測的物候期(日序)，xt為第t天的日平均氣溫；t0為積溫開始累計的時間；Rt(xt)是高于某一界限值的有效溫度；Tb是界限溫度；F*指完成發育所需的積溫閾值。

目前多數花期預報研究是將0、3、5和10℃(柏秦鳳等，2020；張志薇等，2019；趙洪杰等，2019；李曉川等，2012；張惠霞，2013)作為積溫統計的界限溫度。

為確定懸鈴木始花期積溫統計的界限溫度(Tb)、積溫閾值(F*)和預報統計初日(t0)，分別計算從起算日(上年12月1日至當年3月31日)至始花期，≥5℃(解除休眠的溫度)，≥6℃，…，≥10℃的有效積溫的方差。方差最小所對應的溫度和起算日則被認為是懸鈴木始花期的界限溫度和預報統計初日，此時有效積溫的平均值即為始花期積溫閾值。

2 結果與分析

2.1 懸鈴木春季物候特征及變化趨勢

懸鈴木在秋季短日照誘導下，逐漸進入冬芽(混合芽)休眠期，11月進入深睡眠狀態，經過冬季低溫解除休眠，春季氣溫回暖后冬芽開始萌動生長(孟海紅，2019；張思思，2016；楊海青，2003)。木本植物的展葉物候(芽開放、展葉始期、展葉盛期)與花期物候(顯蕾、開花始期、開花盛期、開花末期)密切相關(劉聰，2018)，1990—2020年興化懸鈴木的芽膨大期基本集中在3月中上旬，一至兩周后葉芽開放，4月中旬開始開花(圖1)，開花早晚與葉芽開放時間密切相關(相關系數為0.748，P<0.05)。始花期最早出現在3月30日(2002年)，最遲出現在4月22日(1991年)和4月21日(2000年，閏年)，最早和最遲日期相差23 d，平均始花期為4月15日。從年際變化來看，2000年之前始花期波動較小，2000年以后波動較大，尤其2002—2006年始花期明顯提前。從總體演變特征來看，懸鈴木始花期呈現提前趨勢，氣候傾向率為-1.988 d·(10 a)-1，即每10 a約提前2 d。

通過對歷年興化懸鈴木始花期當天的日平均氣溫統計分析，發現除了2018年為9.7℃，其他年份均超過10℃，均值達到15℃，但當天日平均氣溫與始花期之間沒有通過顯著性水平檢驗。

將5 d滑動平均氣溫超過0、5和10℃的初日分別與始花期進行相關分析，發現：雖然懸鈴木解除冬芽休眠的低溫范圍較廣，但穩定通過10℃的初日(即氣象學定義的入春日)與始花期具有更好的正相關性，相關系數為0.553(P<0.05)，即興化地區當年入春日越早，懸鈴木開花日期則相應提前。

2.2 影響懸鈴木始花期的氣象因子篩選結果

2.2.1 花前氣象因子相關性分析

由表1和表2可以看出，溫度是影響開花早晚的最主要因子，與始花期呈負相關性，3月中旬(正值芽膨大期)以后越臨近開花日期相關程度越高，可見冬季的低溫決定了冬芽解除休眠程度，次年3月中旬后的溫度決定了混合芽從萌發到開花的速度；冬季平均最高氣溫對始花期的影響程度高于平均最低氣溫，平均地表溫度的影響程度略高于平均氣溫，但到了3月回暖后則反之。降水量和平均相對濕度僅在2月下旬與始花期有非常顯著的負相關性，說明開花前40～50 d是關鍵時期，若雨水充沛、空氣濕潤則有利于開花提前。日照時長與始花期的相關性未通過0.1的顯著性水平檢驗，說明懸鈴木雖然是喜光植物，但光照對開花早晚影響不明顯。

圖1 1990—2020年興化懸鈴木春季物候時間變化曲線Fig.1 Variation curves for the spring phenology of Platanus acerifolia in Xinghua， Jiangsu Province from 1990 to 2020

興化地處江蘇省中部(32°40′～33°13′N、119°43′～120°16′E)，屬亞熱帶溫潤性季風氣候區，雨水充沛，日照充足，四季分明，1990—2020年的31年間，年平均氣溫由15.5℃上升至16.1℃，冬季平均氣溫由3.6℃上升至5.7℃，最冷月(1月)的平均氣溫由1.7℃上升至4.5℃，由此可見，興化逐漸趨暖的氣候條件促使懸鈴木春季物候期提前，這與一些學者在其他木本植物花期上的研究結果一致(蔡榕碩和付迪，2018；Szabó et al，2016；Dai et al，2013)。

表1 1990—2017年冬季和當年逐月各氣象因子與興化懸鈴木始花期的相關系數Table 1 Correlation coefficient between the meteorological factors and the first-flowing date (FFD) of Platanus acerifolia at winter scale and month scale in Xinghua from 1990 to 2017

表2 1990—2017年當年逐旬各氣象因子與興化懸鈴木始花期的相關系數Table 2 Correlation coefficient between the meteorological factors and the FFD of Platanus acerifolia at ten-day scale in Xinghua from 1990 to 2017

2.2.2 通徑分析各關鍵氣象因子對始花期的影響程度

考慮預報時效性和預報因子宜使用實況值以降低采用預報值所產生的誤差，故去除4月中旬的氣象因子，從上述結果中按相關系數大小共選擇8個與始花期有極顯著相關性(通過0.05顯著性水平檢驗)的氣象因子：3月中旬日最低氣溫<10℃的天數(X1)、冬季平均地表溫度(X2)、冬季平均氣溫(X3)、2月下旬平均濕度(X4)、入春日(X5)、2月平均地表溫度(X6)、3月平均最低氣溫(X7)、2月下旬降水總量(X8)進行通徑分析，研究它們對始花期的相對重要性，從而建立始花期預報方程。從表3可以看出，供分析的各數據偏度較小，說明近似滿足正態分布要求，可以進行回歸和通徑分析。

表3 1990—2017年興化懸鈴木始花期主要氣象因子的簡單統計Table 3 Simple statistics of main factors and the FFD of Platanus acerifolia in Xinghua from 1990 to 2017

從表4可以看出，這8個關鍵氣象因子在直接效應方面，X2對始花期的負影響最大，冬季落葉樹木根上部分休眠，但根系沒有完全休眠，張慧(2017)指出地溫的升高會導致土壤中物理、生物過程的加速，進而影響植物生長，王連榮等(2004)對休眠期蟠桃的根系做不同溫度處理后發現提高地溫會增加花芽生長素含量，使芽休眠期內部生理代謝旺盛，利于提前解除休眠；其次是X3對始花期的正影響，這是由于冬芽必需經過一定時期的低溫(冷溫需求量)才能解除休眠并萌發，在有效低溫范圍內冬季氣溫偏高會導致打破休眠的冷量積累不足，最終影響開花，這與張福春(1983)的結論一致，但由于地溫和氣溫的密切相關性，最終冬季平均氣溫通過地溫對始花期較強的負影響作用而呈現出與始花期的負相關性；再其次是X1對始花期的正作用，3月中旬最低氣溫大部分都在10℃以下，如果此時氣溫回暖比較快則會引起展葉物候的提前并最終導致開花提前。總體而言，X1、X2、X3在直接、間接效應方面對始花期都有較大的影響力。

結合各因子對多元回歸方程可靠程度R2的貢獻率可以看出，除了X6、X7、X8，其他因子的貢獻率均較高，因此，選取冬季平均地表溫度、冬季平均氣溫、3月中旬日最低氣溫<10℃的天數、2月下旬平均相對濕度、入春日5個因子作為構建始花期預報模型的預報因子。

表4 1990—2017年興化懸鈴木始花期與主要氣象因子的相關和通徑系數Table 4 Correlation and path coefficient between the factors and the FFD of Platanus acerifolia in Xinghua from 1990 to 2017

2.3 懸鈴木始花期預測模型與效果檢驗

2.3.1 SW模型

由于歷年懸鈴木開花最早出現在3月30日，考慮至少提前10 d開展始花期預報有實際應用價值，因此在確定懸鈴木始花期的界限溫度、預報統計初日和積溫閾值的統計計算方法中將起算日由上年12月1日至當年3月31日調整為上年12月1日至當年3月20日。從圖2可以看出，當界限溫度為10℃，

起算日為3月14日時，各年份始花期的有效積溫的方差最小，數據最為穩定，此時對應的有效積溫均值為73.3℃·d。因此將10℃作為界限溫度、3月14日作為預報統計初日，73.3℃·d作為積溫閾值，即每年從3月14日開始將日平均氣溫≥10℃的有效積溫開始累加，累計達到或超過73.3℃·d時停止累加，將當天作為預報的始花期。

SW物候模型預測結果顯示：2018年、2019年和2020年的始花期預報值比實測始花日期分別提前了4、5和1 d，可見采用積溫預報模型具有較大的不確定性，這與肖靜等(2010)的研究結論一致，用于開展花期預報效果不理想。

2.3.2 逐步回歸模型

基于通徑分析結果，建立懸鈴木始花期預報模型的回歸預報方程：

圖2 1990—2017年不同界限溫度和起算日的興化懸鈴木始花期有效積溫方差Fig.2 Variance of effective accumulated temperature for the FFD of Platanus acerifolia at different boundary temperatures and starting dates in Xinghua from 1990 to 2017

y=107.309+2.013X1-4.766X2+

1.483X3-0.26X4+0.166X5

(4)

式中:y為始花期日序，X1為3月中旬日最低氣溫<10℃的天數，X2為冬季平均地表溫度，X3為冬季平均氣溫，X4為2月下旬平均濕度，X5為入春日。對模型進行檢驗發現，方程決定系數R2=0.827，F=26.864，P<0.01，說明這五個因子可以解釋懸鈴木始花期變化的82.7%，且在顯著性水平檢驗中達到極顯著水平，可用于開展始花期預報。將模型進行回代，預報方程對始花期的擬合情況如圖3所示，以±2 d為準，誤差2 d以內的有25 a，擬合準確率為89.3%。

圖3 1990—2018年興化懸鈴木始花期 回歸預報模型擬合結果Fig.3 Fitting result of regression prediction model for the FFD of Platanus acerifolia in Xinghua from 1990 to 2018

為進一步驗證該模型的準確性，將2018—2020年的數據進行試報檢驗。從圖4可見，2019年和2020年預報基本準確，但在2018年出現了較大偏差，這主要是由于構建預報模型時出于預報時效性考慮，選擇4月之前的氣象要素作為主要因子，臨近始花期若出現持續晴好天氣導致大幅升溫或遇強冷空氣出現驟然降溫等較為極端的天氣情況，則會大幅提前或推遲始花期，對這些極端情況，由于樣本有限，該模型的預報結果還存在一定不確定性，因此在實際應用中，需要結合預報的始花期前幾天天氣趨勢，進行綜合預判。

從圖5可以看出，相較其他兩個年份，2018年開花前13 d左右是持續晴好天氣，升溫幅度較大，日最低氣溫幾乎都超過了10℃，日最高氣溫均超過20℃，其中4月1—3日(始花期為4月6日)的日最高氣溫均達到27℃，正是開花前5 d左右持續的較高氣溫導致了2018年開花提前。

圖4 2018—2020年興化懸鈴木始花期 模型預報值及其誤差Fig.4 Forecasting results of multiple prediction model and its errors for the FFD of Platanus acerifolia in Xinghua from 2018 to 2020

圖5 2018—2020年興化距離懸鈴木始花期前13 d逐日氣溫變化曲線 (a)日平均氣溫，(b)日最高氣溫，(c)日最低氣溫Fig.5 Variation curves for daily temperature 13 days before the FFD of Platanus acerifolia in Xinghua from 2018 to 2020 (a) daily average temperature， (b) daily maximum temperature， (c) daily minimum temperature

3 結論與討論

(1)興化懸鈴木一般在4月中旬開始開花，最早出現在3月30日(2002年)，最遲出現在4月22日(1991年)和4月21日(2000年，閏年)，31 a的平均始花期為4月15日。2000年以前始花期波動不大，2000年以后波動較大并呈現提前的趨勢，氣候傾向率為-1.988 d·(10 a)-1。

(2)雖然懸鈴木是喜光植物，但日照時數對其始花期影響并不明顯。總體而言始花期對降水總量和平均相對濕度的反應也不敏感，但2月中旬，即開花前40～50 d是關鍵時期，若雨水充沛、空氣濕潤則有利于開花提前。

(3)溫度是影響開花早晚的最重要指標，就江蘇地區而言，12月至次年2月的冬季低溫決定了花芽萌發的快慢并最終影響開花時間，3月花芽萌發期內特別是中旬以后氣溫越高則開花越早，但開花當日氣溫高低對始花期并沒有顯著影響；冬季日最高氣溫對始花期的影響程度高于日最低氣溫，平均地表溫度的影響程度略高于平均氣溫，但到了3月氣溫回暖后則反之。

(4)影響興化懸鈴木始花期的主要氣象因子中，冬季平均地表溫度、冬季平均氣溫以及3月中旬日最低氣溫<10℃的天數在直接、間接效應方面均對始花期具有最大的影響力。

積溫預報模型具有較大的不確定性，而本文建立的多元回歸預報模型擬合準確率為89.3%，能較好預測懸鈴木始花期，但由于模型預測因子均為開花前期氣象因子，因此在實際應用時要結合預報的始花期前幾天氣象條件變化，對模型預測結果進行相應修訂。另外本文僅對興化懸鈴木始花期做了研究，春季漫天飛舞的果毛也讓人不堪其擾，后續將通過物候觀測數據的長時間累積，開展果毛飄飛與氣象條件之間的定量化研究。