福州地區(qū)烏桕色葉觀賞期模型預報

徐曉慧，陳昱星，朱芃鎧，何天友，鄭郁善，陳凌艷

（福建農(nóng)林大學 風景園林與藝術學院，福建 福州 350000 ）

0 引言

烏桕(Sapium sebiferum)又稱桕油樹、白蠟樹、木君子葉，是大戟科(Euphorbiaceae)烏桕屬(Sapium)落葉喬木，主要分布在中國黃河以南的各省區(qū)，北至陜西、甘肅，南至廣東、廣西。在日本、越南、印度等國及歐洲、美洲、非洲均有種植，是我國重要的油料樹種［1］。烏桕四季皆有景可賞，以金秋時節(jié)最佳，此時層林盡染。烏桕的物候生長規(guī)律與氣象條件關系緊密，尤其是葉變色期的觀賞價值最高。烏桕作為福州地區(qū)的鄉(xiāng)土色葉植物，在園林景觀營造中十分廣泛，建立烏桕色葉觀賞期預報有利于準確發(fā)布賞葉信息，營建特色季相景觀。

近年來，一些學者對蘋果［2-4］、櫻花［5-7］、刺槐［8］、杏花［9］和桂花［10］等植物進行了花期預報，如張增信等［11］利用1980─2012年南京市8種常見觀賞樹木的花期物候資料，通過有效積溫法能很好地模擬出了南京地區(qū)這8種觀賞植物初花、盛花和末花期，及開花時間的長短。目前，還在研究香山紅葉、銀杏葉變色與氣象條件［12-14］的相關性和構(gòu)建最佳觀賞期模型［15］等方面取得了一定的研究進展，如蔣紅霞等［12］利用1981─1993、2012─2014年郯城中華銀杏物候觀測資料，得出了銀杏的最佳觀賞始期、持續(xù)時間與前1周的氣溫、降水、日照等氣象條件有顯著相關性；尹志聰?shù)龋?4］利用1998─2012年其中10 a的香山公園紅葉物候資料，通過相關分析和回歸分析等方法建立預測模型，平均誤差為3 d左右。

對烏桕葉變色的研究多集中在生理層面，有研究發(fā)現(xiàn)，烏桕葉在秋季變色后，其體內(nèi)的葉綠體結(jié)構(gòu)變得松散甚至解體，這是葉綠素含量會大幅下降的原因之一，紅色葉中花色素苷的質(zhì)量分數(shù)顯著提升，黃色葉中類胡蘿卜素的質(zhì)量分數(shù)顯著增加［16-17］；另有研究指出，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量與類胡蘿卜素、蔗糖與花色素苷含量之間呈顯著正相關，全氮和淀粉含量分別與葉綠素含量呈極顯著和顯著正相關，色素含量與RGB值之間也存在一定的算術值關系［18］。吳飛洋等［19］通過設置不同梯度的土壤水分，研究了土壤水分脅迫對烏桕秋葉生理指標和景觀效應的影響，結(jié)果表明，在葉變色過程中，經(jīng)過不同處理的葉綠素質(zhì)量分數(shù)均逐漸減少，而花色素苷質(zhì)量分數(shù)則大幅升高，類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)先升高后下降，并且中度(50%)和重度(35%)脅迫都能在一定程度上使葉色變化提前。目前，針對烏桕葉色變化與氣象條件關系并建立觀賞期預測模型的研究較少，因而開展相關研究對提升福州地區(qū)鄉(xiāng)土植物季相營建有重要意義。

研究利用福州地區(qū)2003─2022年其中12 a的烏桕物候觀測記錄及氣象資料，對烏桕葉變色觀賞期進行預報模型構(gòu)建，以期為福州地區(qū)烏桕季相景觀營建提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 區(qū)域概況

福州（25.15°~26.39°N，118.08°~120.31°E)地處福建省東海岸和閩江下游，為典型的亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季常綠，日照充足，雨水充裕，霜凍少無雪，夏長冬短，平均無霜期326 d。年平均日照1700~1980 h，年平均降水量900~2100 mm；年平均氣溫20~25 ℃，月平均氣溫10 ℃以上，最冷的月份為1─2月，平均氣溫6~10 ℃；最熱月份為7─8月，平均氣溫33~37 ℃；極端最高氣溫為42.3 ℃，最低氣溫為-2.5 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選用2003─2010、2014、2020─2022年(共計12 a)福州地區(qū)烏桕物候觀測記錄，數(shù)據(jù)來源于福建農(nóng)林大學校園植物物候觀測記錄，其中個別物候期記錄缺漏，則根據(jù)國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（中國物候觀測網(wǎng)福州站）的烏桕物候觀測記錄及實際觀測前、后的記錄數(shù)據(jù)進行插值處理以保證物候數(shù)據(jù)的完整性。將前11 a物候數(shù)據(jù)用作模型構(gòu)建，2022年作為獨立樣本檢驗。

氣象資料為2003─2010、2014、2020─2022年(共計12 a)福州地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺(http://data.cma.cn/)、美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下設的國家環(huán)境信息中心(NCEI)(https://www.ncei.noaa.gov/data/globalsummary-of-the-day/archive/)，氣象要素包括逐日平均氣溫、逐日平均最高氣溫、逐日平均最低氣溫、逐日平均降水、逐日日照時數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 物候觀測 參照中國物候觀測方法標準［20］，在同一地點范圍內(nèi)，選取3株周圍無其他大樹遮擋、健康的烏桕作為物候觀測的標準植物，觀測時間為2022年2月4日至2023年2月4日，觀測間隔為5天1侯，采用目測與望遠鏡結(jié)合的方法于每日14：00~17：00對選定的植物進行觀測并記錄，以此觀測到的物候結(jié)果作為2022年的樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)《中國物候觀測方法》［20］制定觀測物候相及觀測標準，包括：萌芽期（葉芽開始膨大期、葉芽開放期）、展葉期（開始展葉期、展葉盛期）、開花期（花序/花蕾出現(xiàn)期、開花始期、開花盛期、開花末期）、果實發(fā)育期（果實成熟期、果實脫落開始期、果實脫落末期）、秋色葉期（葉開始變色期、葉全部變色期）、落葉期（開始落葉期、落葉末期）。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 物候觀測數(shù)據(jù)均采用Julian日換算方法［21］；使用 Excel 軟件對逐年物候數(shù)據(jù)進行計算，使用 SPSS 26.0軟件通過線性回歸方法建立烏桕葉開始變色期及完全變色期的預報方程；利用Excel、Origin軟件繪制物候圖譜及葉變色曲線圖及烏桕葉變色實際值與預測值擬合圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2003—2022年福州地區(qū)氣候因子變化特征

由圖1分析得出，2003—2022年間福州地區(qū)的年平均氣溫以0.43 ℃/10 a 的速率緩慢上升，溫度起伏范圍在17.91~19.23 ℃之間，此期間約上升了0.82 ℃；年均降水量以18.98 mm/10 a的速率呈微弱波動上升，此期間約增加了36.06 mm，降水范圍在915.56~2286.82 mm之間；年累積日照以104.42 h/10 a的速率呈顯著減少的趨勢，此期間約減少了198.40 h。總體來看，福州地區(qū)氣候呈溫暖、濕潤的變化趨勢。

圖1 2003—2022年福州均溫、降水和日照變化情況

2.2 烏桕物候相觀測結(jié)果

根據(jù)12 a的物候觀測資料制圖得出烏桕各物候相的平均發(fā)生日期及持續(xù)時間（圖2）。由圖2可知，福州地區(qū)烏桕葉開始變色期的平均日序為315.75 d，平年對應日期是11月11—12日，閏年對應日期是11月10—11日，最早為10月14日（2003年），最晚為12月17日（2021年），相差65 d；葉全部變色期的平均日序是367.56 d，平年對應日期是次年1月2—3日，閏年對應日期是1月1—2日，最早為11月10日（2020）年，最晚為次年1月16日（2007年），相差36 d。根據(jù)烏桕葉開始變色期和完全變色期的逐年變化曲線與線性擬合結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)，烏桕葉開始變色期呈現(xiàn)緩慢延遲的趨勢，烏桕葉完全變色期呈現(xiàn)緩慢提前的趨勢，但葉開始變色期與完全變色期的變率均比較大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點。

圖2 2003—2010、2014、2020—2022年烏桕物候圖譜

圖3 2003—2010、2014、2020—2022年烏桕葉開始變色期和完全變色期逐年變化曲線與線性擬合情況

2.3 烏桕葉變色期與氣象條件的關系

2.3.1 烏桕葉開始變色期與氣象條件的關系 通過分析烏桕葉開始變色期與前期（1月1日至葉開始變色日當天）逐旬平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時數(shù)、累積降水等氣象要素之間的關系（圖4）發(fā)現(xiàn)：烏桕葉開始變色期分別與當年8月上旬、9月下旬的平均氣溫呈顯著正相關、負相關關系；分別與當年8月上旬、9月下旬的平均最高氣溫呈顯著負相關和極顯著正相關關系；與8月上旬的平均最低氣溫呈顯著負相關；分別與當年7月中旬、8月下旬日照時數(shù)呈極顯著、顯著負相關關系；與當年2月下旬累積降水呈顯著正相關關系。

圖4 烏桕葉開始變色期與1—11月上、中、下旬氣象要素的相關系數(shù)

2.3.2 烏桕葉完全變色期與氣象條件的關系 分析烏桕葉完全變色期與前期（1月1日至葉開始變色日當天）逐旬平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時數(shù)、累積降水等氣象要素之間的關系（圖5）發(fā)現(xiàn)：烏桕葉完全變色期與當年8月上旬、9月下旬和12月中旬的平均氣溫分別存在顯著負相關、顯著正相關和極顯著正相關關系；與當年11月下旬的平均最高氣溫存在顯著負相關關系；分別與當年8月上旬、12月中旬的平均最低氣溫存在顯著負相關和正相關關系；而與當年日照時數(shù)和累積降水量均不存在顯著相關性。

圖5 烏桕葉完全變色期與1—12月上、中、下旬氣象要素的相關系數(shù)

2.4 烏桕葉變色期預報模型構(gòu)建

2.4.1 烏桕葉開始變色期短期氣候預測 結(jié)合圖4的分析結(jié)果，選定通過0.05和0.01水平顯著性檢驗的各氣象要素作為相關因子（考慮方程顯著性，去除8月上旬平均最高溫度）引入預報模型，利用 SPSS 統(tǒng)計分析軟件得到烏桕葉開始變色期預報方程：

式（1）中，y為烏桕葉變色期日序預測值，x1為當年8月上旬平均氣溫；x2為當年9月下旬平均溫度；x3為當年9月下旬平均最高氣溫；x4為當年8月上旬平均最低氣溫，x5為當年2月下旬累計降水量，x6為當年7月中旬日照時數(shù)，x7為當年8月下旬日照時數(shù)。計算得R2=0.963，方程F顯著性統(tǒng)計量的P值為0.037，且通過0.05水平的顯著性檢驗，說明該方程回歸效果較為顯著，回歸系數(shù)不為0，方程有效。利用該預報方程，對2003—2010、2014、2020—2021年福州地區(qū)烏桕葉開始變色期進行擬合回代檢驗（圖6），結(jié)果表明，11 a中烏桕葉開始變色期的實際值與預報值的平均絕對誤差為2.50 d，葉開始變色期預報值與實際值相差0~1 d的準確率達到45.5%，相差2~3 d的準確率為36.4%，相差5 d的準確率為18.2%，結(jié)果較為可靠。

圖6 烏桕葉開始變色期的預測值與實際值

2.4.2 烏桕葉完全變色期短期氣候預測 結(jié)合圖5的分析結(jié)果，選定通過0.05顯著性檢驗的各氣象要素作為相關因子引入預報模型，利用SPSS統(tǒng)計分析軟件得到烏桕葉完全變色期預報方程：

式（2）中，y為烏桕葉完全期日序預測值；x1為當年8月上旬平均氣溫，x2為當年9月下旬平均氣溫，x3為當年12月中旬平均氣溫，x4為當年11月下旬平均最高氣溫，x5為當年8月上旬平均最低氣溫，x6為當年12月中旬平均最低氣溫。計算得R2=0.976，方程F顯著性統(tǒng)計量的P值為0.003，通過0.01水平的顯著性檢驗，說明該方程回歸效果顯著，回歸系數(shù)不為0，方程有效。利用該預報方程，對2003—2010、2014、2020—2021年福州地區(qū)烏桕葉完全變色期進行擬合回代檢驗（圖7），結(jié)果表明，11 a中烏桕葉完全變色期的實際值與預報值的平均絕對誤差為1.39 d，葉完全變色期預報值與實際值相差0~1 d的準確率達到81.8%，相差2~3 d的準確率為18.2%，結(jié)果較為可靠。

圖7 烏桕葉完全變色期的預測值與實際值

2.4.3 中期預報 根據(jù)短期氣候預測的結(jié)果，劃定可進行中期預報的時段，一般選擇比短期氣候預測值提前14 d開始，根據(jù)氣象臺每天發(fā)布的氣象信息進行中期預報。預報時應采取迭代法，并根據(jù)實際情況不斷修正。

3 2022年獨立樣本檢驗

將2022年8月上旬平均氣溫、9月下旬平均溫度、9月下旬平均最高氣溫、8月上旬平均最低氣溫、2月下旬累計降水量、7月中旬日照時數(shù)、8月下旬日照時數(shù)作為預報因子代入公式（1）進行預測，預測烏桕葉開始變色期的日序為310.14 d，與實際值11月7日（日序為311 d）相比，相差0.86 d，誤差可忽略不計，說明該模型具有比較高的準確率。

將2022年8月上旬平均溫度、8月上旬平均最低溫度、9月下旬平均溫度、11月下旬平均最高溫度、12月中旬平均溫度及12月中旬平均最低溫度作為預報因子代入公式（2）進行預測，預測烏桕葉完全變色期的日序為364.92 d，與實際值1月1日（日序為366 d）相比，相差1.08 d，與實際值基本一致，表明該模型具有比較高的精度。

4 討論

氣溫是影響中國木本植物物候的主要因子［22］。研究表明2001—2020年全球地表平均溫度比1850—1900年平均溫度高出1.09 ℃［23］，氣候變暖使得許多植物的春季物候期提前、秋季物候期延遲。本研究中，烏桕葉開始變色期呈現(xiàn)緩慢延遲的趨勢，葉完全變色期呈現(xiàn)緩慢提前的趨勢，這可能與一定界限溫度的短期作用相關［22］，也可能是對光強度的年周期變化的反應［28］，還可能與我國大部分華南地區(qū)秋春相連，無冬季的季節(jié)類型有關［29］。

外部環(huán)境因素，如溫度、水、光等會影響植物體內(nèi)發(fā)生的光合作用、水分代謝、礦質(zhì)代謝等生理生化過程，從而引起葉片內(nèi)各種色素的含量和比例發(fā)生變化，使葉片呈現(xiàn)不同的顏色［30］。本研究中，烏桕葉開始變色期與8—9月份的氣溫因子尤其相關；烏桕葉完全變色期與8—12月份的氣溫因子存在相關性，且與8、12月份的氣溫因子尤其相關，這可能是由于氣溫逐漸降低使葉綠素分解，導致類胡蘿卜素、花青素和其他存在于葉子中的物質(zhì)呈現(xiàn)，從而引起葉色變化［31-32］。

筆者認為，隨著時間的推移，影響烏桕葉變色期的環(huán)境因素變得復雜，而各氣象要素也并不是單獨地發(fā)生作用，植物生長的外部條件，烏桕苗木本身的質(zhì)量，以及觀測年份當年的氣候條件，都會對烏桕葉變色期造成影響，因此只有不斷地觀測收集烏桕物候資料，當樣本數(shù)據(jù)不斷增多，一些新的特征才可能被發(fā)現(xiàn)，并進一步優(yōu)化預測模型。

5 結(jié)論

通過對2003—2022年中12 a的福州地區(qū)的烏桕物候資料及同期氣象資料的研究分析得出：（1）2003—2022年福州地區(qū)的年均氣溫以0.43 ℃/10 a的速率呈緩慢上升狀態(tài)，此期間約上升了0.82 ℃；年均降水量以18.98 mm/10 a 的速率呈微弱波動上升，此期間約增加了36.06 mm；年累積日照以104.42 h/10 a的速率呈顯著減少的趨勢，此期間約減少了198.40 h。

（2）烏桕葉開始變色期的平均日序值為315.75 d，對應的平年日期為11月11—12日，閏年為11月10—11日；烏桕葉完全變色期的平均日序值為367.56 d，對應的平年日期為次年1月2—3日，閏年為1月1—2日。烏桕葉開始變色期呈現(xiàn)緩慢延遲的趨勢，烏桕葉完全變色期呈現(xiàn)緩慢提前的趨勢，但葉開始變色期與完全變色期的變率均比較大，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特點。

（3）通過分析烏桕葉開始變色期與各氣象要素的關系發(fā)現(xiàn)，烏桕葉開始變色期與當年8月上旬平均氣溫、8月上旬平均最高氣溫、8月上旬平均最低氣溫、8月下旬日照時數(shù)呈顯著負相關關系；與9月下旬平均氣溫、2月月下旬累積降水量呈顯著正相關關系；與9月下旬平均最高溫度和7月中旬日照時數(shù)相關性最強，分別呈極顯著正相關和極顯著負相關關系。

（4）通過分析烏桕葉完全變色期與各氣象要素的關系發(fā)現(xiàn)，烏桕葉完全變色期與8月上旬平均氣溫、11月下旬平均最高氣溫、8月下旬平均最低氣溫呈極顯著負相關關系；與9月下旬和12月中旬平均氣溫、12月中旬平均最低氣溫存在顯著正相關關系；而與日照時數(shù)和累積降水量均不存在顯著相關性。

（5）依據(jù)分析得出的與烏桕葉開始變色期和烏桕葉變色期相關性最為顯著的氣象因子，分別建立了烏桕葉開始變色期預報模型：y=606.297-7.460x1+7.765x2-2.153x3-9.178x4-0.431x5+0.339x6-0.205x7(R2=0.963）；烏桕葉完全變色期預報模型：y=569.066+10.593x1-6.661x2+8.771x3-2.754x4-23.007x5+8.243x6(R2=0.976)。通過回代公式（1）得到，11 a中烏桕葉開始變色期的實際值與預報值的平均絕對誤差為2.50 d；通過回代公式（2）得到，11 a中烏桕葉完全變色期的實際值與預報值的平均絕對誤差為1.39 d，誤差均較小，結(jié)果較為可靠。

（6）經(jīng)2022年獨立樣本檢驗，烏桕葉開始變色期的日序值與實際值相差0.86 d，烏桕葉完全變色期的日序值與實際值相差1.08 d，誤差均較小，可知這2個模型均具有比較高的準確率和可操作性。