寒冷地区梨品种花期对气候变化的响应及模型预测

Response to climate change and model prediction for flowering phenology of pear cultivars in cold region

摘要

目的 构建抗寒梨品种花期预报模型，为寒冷地区梨树开花期间晚霜气象灾害预测和科学防御提供理论依据。 方法 以公主岭市2011-2020年气象数据和4个抗寒梨品种花期物候资料为基础，利用线性回归、相关性分析和偏最小二乘回归等方法，分析了梨花期物候对气候变化的响应趋势，明确了影响梨花期的主效气象因子，构建了花期预报回归模型。 结果 2011-2020年公主岭地区气候呈暖湿化发展趋势，4个梨品种的始花期和盛花期也随之提前；但末花期只有‘苹果梨’以0.3 d/10 a微弱趋势推迟，其余3个梨品种的末花期均呈提前趋势；反之，花期长度则以1.5~6.7 d /10 a呈延长趋势。梨花期物候与提前3个月（1-3月）和提前1个月（4月）的逐日平均气温及逐日平均最高气温呈显著负相关，而与降水量和日照时数的相关性不显著；提前1个月（4月）的平均日最高气温是影响该地区梨始花期和盛花期的主导气象因子，说明随着此阶段气温的升高，且高于往年时可能加速花期提前。基于主要气象要素的统计模型预报的梨各花期预测日期与实际日期相符率在98.2%~99.0%（P<0.01）。晚霜发生时间以3.1 d/10 a呈波动下降趋势，10年间晚霜霜冻日平均缩短了3 d。2021-2022年统计结果显示，4个梨品种花朵受冻率在14.8%~31.4%。 结论 随着梨品种始花期和盛花期的提前，以及晚霜霜冻日的缩短，导致寒冷地区抗寒梨品种花期霜冻的风险增大。

Abstract

Objective This study aims to construct a flowering prediction model for cold-resistant pear cultivars，providing a theoretical basis for forecasting and scientifically mitigating late frost damage during flowering in cold regions. Method Based on meteorological records during 2011-2020 and flowering phenology observations of four cold-resistant pear cultivars in Gongzhuling，linear regression，correlation analysis，and partial least squares regression were adopted to analyze the response of pear flowering phenology to climate change，identify the keymeteorological factors affecting flowering，and construct a regression model for flowering prediction. Result The climate in Gongzhuling presented a warming and wetting trend during 2011-2020.For the four pear cultivars，both initial flowering and full bloom dates advanced accordingly.Only the final flowering date of ‘Pingguoli’ was slightly delayed at a rate of 0.3 d/10 a，whereas those of the other three cultivars advanced. On the contrary，flowering duration increased by 1.5-6.7 d/10 a.Pear flowering phenology was significantly negatively correlated with daily mean temperature and maximum temperature in the preceding three months （January-March） and one month （April），but showed no significant correlation with precipitation or sunshine duration.Moreover，the daily mean maximum temperature one month in advance （April） was identified as the dominant meteorological factor affecting the initial and full flowering dates of pears in this region，indicating that higher temperature during this period，especially when exceeding the historical average，is likely to advance flowering.The statistical models based on key meteorological factors predicted pear flowering dates with an accuracy of 98.2%-99.0% （P<0.01）. The occurrence of late frost showed a fluctuating decreasing trend at a rate of 3.1 d/10 a，with the average number of late frost days decreasing by 3 days over the decade.Statistical results during 2021-2022 revealed that flower frost rates of the four pear cultivars ranged from 14.8% to 31.4%. Conclusion The advancement of initial flowering and full bloom dates of pear cultivars，coupled with the shortening of late frost days，increased the risk of frost damage during flowering to cold-resistant pear cultivars in cold regions.

Graphical abstract

关键词

梨 / 花期 / 寒冷地区 / 气候变化响应 / 花期预测模型

Key words

pear / flowering phenology / cold regions / response to climate change / flowering prediction model

中国东北地区地域辽阔，自南向北涵盖辽宁、吉林、黑龙江三省，区域内南北气候差异显著，冬季严寒漫长，夏季温热短促，还呈现出典型的“三寒四温”气候特点^［1］。地处该区域的松辽平原中部（吉林省境内），是我国重要的抗寒梨生产基地。据统计，该地区现有梨栽培面积约1.2万hm²，年产值约2.5亿元，在我国寒地梨生产中占有举足轻重的地位^［2］。但近些年来由于气候变化的明显改变，导致寒冷地区农业气象灾害频发^［3］，特别是多年生果树花期遭受晚霜伤害时有发生，损失严重^［4-6］。因此气候变化对寒地梨产业发展带来巨大挑战。

公主岭市因其所处纬度及独特地貌，是研究吉林省松辽平原中部气候变化对抗寒梨物候响应的理想区域^［7］。但目前关于吉林松辽平原中部植物物候变化的影响因素分析，主要以温度、降水等单一气象因子的影响为主，且研究多集中于一年生粮食作物^［8-11］。此外，由于植物对气候变化的响应具有滞后性^［12］，仅进行相关性分析会忽略气候因子对物候影响的时间变化^［13-15］。利用偏最小二乘回归分析可以克服预测变量相关导致的多元共线性问题，物候期预测结果较为准确可靠^［16-18］。花期作为果树营养生长期和果实形成期的重要指示物候期^［19-21］，直接影响果实产量和品质，甚至树体抗寒性的形成^{［6，22-23］}。开展花期对气象因子的响应研究，以及花期预测，对于指导当地果树安全生产具有十分重要的意义。为此，本研究以公主岭市为代表区域，基于该市2011-2020年气象资料及梨花期物候资料，分析了4个抗寒梨品种始花期、盛花期、末花期和花期长度的变化趋势，使用相关性分析探讨了气温、降水量和日照时数与梨品种花期物候的关系，并通过偏最小二乘回归分析来解析气象因子变量对花期物候期的综合影响；最终明确关键气候因子影响花期物候的主要时段，构建了花期预测模型，以期为科学有效地开展抗寒梨花期预报气象服务提供科技支撑，从而减轻晚霜霜冻带来的低温伤害。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验区概况

本试验试验区设于吉林省公主岭市松辽平原中部（124.02° E-125.18° E，43.11° N-44.09° N）吉林省农业科学院果树研究所梨试验园，该区域属温带大陆性季风气候，四季分明，园区土壤类型为暗棕壤土。供试梨树树龄统一、田间栽培管理措施保持一致。供试品种为‘延边大香水’（Pyrus ussuriensis ‘Yanbiandaxiangshui’）、‘苹果梨’（P.bretschneideri ‘Pingguoli’）、‘苹香梨’（P.ussuriensis ‘Pingxiangli’）和‘寒香梨’（P.ussuriensis ‘Hanxiangli’）。

2011-2020年连续10年定点观测上述4个梨品种的始花期、盛花期和末花期物候数据，花期观测资料均来源于本团队梨育种圃田间定位调查记录，花期长度以始花期至末花期时间跨度计算；同期区域气象数据由吉林省气象科学研究所整编提供。

1.2 研究方法

梨始花期、盛花期和末花期参考曹玉芬^［24］的描述标准。始花期是梨树5%花朵开放日期，盛花期是梨树50%花朵开放日期，末花期是梨树70%~80%花朵开放日期。

晚霜霜冻依据杜军等^［25］的方法，以日最低气温≤0 ℃为霜冻指标，用以分析花期晚霜的变化趋势。

花期预测精准度=（1-|预测值-实测值|÷实测值）×100%^［25］。花期观测日期及终霜日期均采用儒略日换算方法进行换算（1月1日为1年中第1天）^［26］。

对气象因子及4个梨品种花期及花期长度的年际变化趋势进行线性回归分析，并采用F检验法对其显著性进行检验（P<0.05或P<0.01）。利用Pearson相关系数分析花期、花期长度与气象因子之间的关系^［27］。采用偏最小二乘回归法（PLS）分析影响花期变化的主要因素，并建立花期预测模型^［28-29］。

本研究数据分析采用SAS 9.0软件完成，绘图采用Sigmaplot 10.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 2011-2020年公主岭气象因子的变化趋势

从图1可以看出，2011-2020年公主岭市的年均气温以1.69 ℃/10 a的速率呈波动上升趋势，温度在5.8~7.9 ℃，其中2012年的年均气温最低，为5.8 ℃，2019年的年均气温最高，为7.9 ℃；年降水量以206.09 mm/10 a的速率呈显著大幅增加趋势，降水量在346.6~802.6 mm，其中2011年的降水量最低，为346.6 mm，2013年的降水量最高，为802.6 mm；年日照时数以86.13 h/10 a的速率呈明显上升趋势，日照时数在2 555.2~3 410.8 h，其中2019年的日照时数最低，为2 555.2 h，2020年的日照时数最高，为3 410.8 h。总体而言，近10年来（2011-2020年）公主岭市气候呈现暖湿化的变化趋势。

2.2 梨品种花期及花期长度的变化趋势

由表1可以看出，4个梨品种始花期均呈提前趋势，其中‘延边大香水’提前的趋势显著（P<0.05），其始花期最早，且以8.5 d/10 a的速率大幅提前（P<0.05）；‘苹果梨’和‘寒香梨’的始花期最晚，其中‘寒香梨’始花期提前趋势最小，提前速率为6.1 d/10 a。4个梨品种盛花期均有提前趋势，其中仅‘苹香梨’的提前趋势显著（P<0.05）；但‘延边大香水’提前的平均速率最大，为8.3 d/10 a；‘苹果梨’提前的平均速率最小，为4.7 d/10 a。在末花期，除‘苹果梨’以0.3 d/10 a的微弱趋势推迟外，其余3个梨品种均呈提前趋势，其中仅‘延边大香水’提前趋势显著（P<0.05）；而4个梨品种仍是‘延边大香水’末花期开始最早，变幅最小，提前趋势最多。

由图2可以看出，对于花期长度而言，4个梨品种的花期长度均表现为一定程度的延长趋势，延长速率在1.5~6.7 d/10 a。其中‘延边大香水’花期的延长速率最小，其次是‘寒香梨’和‘苹香梨’，‘苹果梨’的延长速率最大。‘寒香梨’作为‘延边大香水’（母本）与‘苹香梨’（父本）的杂交后代，其花期及花期长度更趋向于父本。

2.3 气象因子对梨品种花期及花期长度的影响

通过分析气象因子与梨花期的相关性，结果（表2）发现，仅气温与梨花期关系显著；降水量和日照时数对梨各花期影响较小，相关性均不显著。由表2可知，4个梨品种始花期、盛花期和末花期与提前3个月和提前1个月的逐日平均气温和逐日平均最高气温均呈极显著负相关（P<0.01）。

变量重要性值（VIP）对梨花期有影响。一般情况下，VIP≥1，说明自变量对因变量具有显著影响；0.8<VIP<1，自变量对因变量的影响程度中等；VIP≤0.8，则自变量对因变量基本不具有影响^［30］。气温对梨花期综合影响的VIP值见表3。

由表3可以看出，提前1个月（4月份）的逐日平均最高气温对梨始花期时间起主要控制作用，其次是提前1个月（4月份）的逐日平均气温。对梨盛花期分析发现，VIP值≥1排名前3位的气象因子分别为：提前3个月的逐日平均最高气温>提前1个月的逐日平均气温>提前3个月的逐日平均最低气温。对梨末花期分析发现，VIP值≥1排名前3位的气象因子分别为：提前1个月的逐日平均气温>提前1个月的逐日平均最高气温>提前1个月的平均最长气温。

由表2可知，4个梨品种花期长度受提前3个月逐日平均最高气温影响较大，其中‘苹果梨’、‘苹香梨’和‘寒香梨’的花期长度与提前3个月逐日平均最高气温呈显著正相关（P<0.05）；‘苹果梨’花期长度还与提前3个月逐日平均气温呈显著正相关（P<0.05）。

2.4 晚霜霜冻对梨品种花期的影响

花期内不同低温会对梨树生长发育产生不同程度的影响。通过对晚霜日发生趋势分析发现，近10年来晚霜发生时间以3.1 d/10 a的速率呈波动下降趋势，晚霜日在105~125 d，平均为118 d，一般每年4月28日可能发生晚霜（图3-A）。因此随着花期的逐渐提前，梨树遭遇花期晚霜霜冻的风险加大，在2021-2022年梨花朵受冻统计结果（图3-B）显示，在花期内4个抗寒梨品种花朵均遭受不同程度晚霜冻害，‘延边大香水’、‘苹果梨’、‘苹香梨’和‘寒香梨’的受冻率分别为14.8%，31.4%，30.4%和29.5%。

2.5 梨品种花期预报模型

利用2011-2020年吉林公主岭地区4个梨品种花期观测数据及相关性和VIP值结果，采用偏最小二乘回归方法建立梨花期统计回归预测模型，结果见表4。由表4可以看出，预测模型均通过0.01显著性检验。梨各花期预测平均精准度在98.2%~99.0%，以始花期精准度最高，说明该花期预测模型的可信度较高。

3 讨 论

植物与环境之间存在紧密联系，环境中的温度、光照、水分等多种气候因子共同作用影响着植物的物候期^［30］。开花期是梨树重要的物候期之一，了解梨资源物候期对花期预测、人工授粉、疏花疏果、品种选育等科研与生产工作具有重要的指导作用^［31］。本研究通过对公主岭地区气候及梨花期物候连续10年（2011-2020年）的监测发现，梨树花期与气温呈显著负相关，但受降水量和日照时数的影响较小，说明在该地区降水量和日照时数不是制约梨树开花迟早及花期长度的关键气象因子，这在明确影响梨树花期的主导月气候因子中得到证实。

随着气候变暖加速，公主岭地区梨品种的始花期和盛花期也随之提前。在全球变暖的大背景下，开花期提前是气候变暖的重要标志，欧洲、美国东北部及亚洲大部的果树开花期均表现出提前趋势^［32-36］；但有些地区如我国西藏林芝地区种植的苹果，其始花期则随冬季和春季气温的升高而推迟^［25］。说明除气温外，越冬植物开花早晚还与需冷量有关。若需冷量不足，休眠不能被完全解除，植物也无法按时开花。有研究指出，梨树的需冷量相对较低，寒冷地区气候变暖对其休眠期延长的影响较小^［37］，所以气温是梨花期物候的决定因素。

开花期提前导致梨花期遭受春季冻害风险增加。春季是植物物候的重要时期，也是气象灾害的多发及频发时期。本研究通过连续2年（2021-2022年）的调查发现，4个抗寒梨品种花期内花朵均遭受了不同程度的晚霜冻害。因此本研究根据10年监测数据建立了梨花期物候预测模型，田间验证表明该模型以始花期精准度最高，这对优化种植管理、减少灾害损失、提高梨产量和品质具有重要意义。但植物的物候期除受气候要素影响外，还与土壤类型、土壤温湿度、水肥状况、地形地貌、植物生长状况等多种因素密切相关^［38］。未来可调整增加模型参数，以进一步提升梨花期物候预测的精度。

在实际生产中，还应做好霜冻防御措施^［39］，包括春季梨树萌芽前的树干涂白；萌芽至开花前喷施0.3%磷酸二氢钾+1%红糖液或灌1次防冻水；花期喷0.1%硼砂+0.2%尿素；霜冻前在果园上风口设置熏烟堆，在气温降至2 ℃时点燃等措施均可减轻晚霜对花期的影响。此外，可选育花期抗冻品种、开展花期冻害机制等研究，为梨品种的栽培推广及防霜技术研发提供理论支撑。

4 结 论

近10年间公主岭市气候总体呈“暖湿化”变化趋势，在气候变化背景下，梨品种的始花期和盛花期均提前，而末花期除‘苹果梨’略微延迟外，其他品种的末花期也提前，但梨品种的花期长度均延长。梨品种花期受不同气象因子的影响不同，对温度因子更敏感。4月份逐日平均最高气温是影响梨品种始花期和盛花期的主导气象因子，该阶段逐日平均最高气温越高，花期越提前。但10年间公主岭市晚霜霜冻日提前了3 d，梨品种开花期也明显提前，导致该区域梨花期遭受霜冻的风险增大。

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基金资助

吉林省科技发展计划项目(20250402002ZP)