沙河市佛照山景區(qū)黃櫨樹紅葉變色氣象預(yù)測模型

李瑞蘇

（河北省沙河市氣象局）

植物秋季紅葉是植物周年生長過程中的物候期之一，彩色植物葉片具有自身的組織結(jié)構(gòu)、光合特性、色素組成及其合成過程等特點(diǎn)，而植物秋季紅葉的應(yīng)季時(shí)間與艷麗程度則取決于氣候、水文、土壤、季節(jié)等的影響［1-3］。植物花期與紅葉期在旅游業(yè)中占有重要地位［4，5］，因此，研究植物秋季紅葉期是成就當(dāng)?shù)芈糜谓?jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎。金秋十月，沙河市柴關(guān)鄉(xiāng)的王硇村，萬畝的紅葉林也進(jìn)入最佳觀賞期，王硇古村落地處太行山東麓，屹立于青山懷抱中，地形隱蔽，佛照山、紅楓山和筆架山紅葉連綿上百里，每年的紅葉應(yīng)時(shí)如約而至，慕名而來的國內(nèi)外游客給當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)增加了可觀的經(jīng)濟(jì)收入［6，7］。紅葉變色與氣象環(huán)境相關(guān)密切，開展紅葉觀賞期預(yù)報(bào)對當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展具有重要意義。植物的秋季紅葉是自然物候現(xiàn)象，與自然氣候環(huán)境密切相關(guān)。物候現(xiàn)象如樹木開花、展葉、結(jié)果、果實(shí)成熟、葉變色、落葉等反映當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的積累［8，9］。環(huán)境條件中的主要因素是氣候，氣候變化直接影響植物物候期的變化［10］。張?jiān)鲂诺龋?1］研究南京市植物花期年際變化認(rèn)為，積溫是影響的主要影響因素；顧品強(qiáng)等［12］分析桃樹開花始期及成熟期與日照、氣溫、降水氣象因子相關(guān)密切，其生物學(xué)意義比較明顯；劉俊等［13］研究桃花盛花期前3 個(gè)月溫度升高1℃，盛花期提前6.47 d，物候期對氣候變化高度敏感；王永格等［14］研究不同光照強(qiáng)度對麗紅元寶楓葉影響，秋季紅葉以全光照條件下呈色最佳；張春紅［15］確定了影響楓葉變色的氣象預(yù)報(bào)因子，建立了楓葉出現(xiàn)的氣象指標(biāo)；藺銀鼎等［16］分析了氣候因子對元寶楓著色的影響。尹志聰?shù)龋?7］研究了香山黃櫨樹葉變色的氣象條件，建立了變色日的氣象統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型。值得關(guān)注的是，因各地區(qū)地勢地理位置的不同，環(huán)境氣候?qū)χ参镂锖蚣扒锛緲淙~變色的影響不盡一致［18，19］。本研究針對河北沙河市柴關(guān)鄉(xiāng)王硇村的佛照山、紅楓山和筆架山的黃櫨樹紅葉變色日期進(jìn)行氣候診斷分析，找出變色期的主要?dú)庀笥绊懸蜃樱⒔⒆兩諝夂蝾A(yù)測預(yù)報(bào)模型，為適宜時(shí)間段觀賞紅葉及旅游開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

采用的物候資料為沙河佛照山2012—2021 年旅游景區(qū)調(diào)研資料和林業(yè)部門對黃櫨樹葉變色物候觀測數(shù)據(jù)。設(shè)定全山變色率達(dá)到10%的日期為紅葉變色日（出紅狀態(tài)），斑紅率為20%～60%，變色率在60%以上為滿紅狀態(tài)，滿紅狀態(tài)至落葉50%視為最佳觀賞期。氣象要素資料選用沙河國家氣象觀測站2012—2021 年逐日觀測資料，氣象要素包括氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等。

1.2 分析方法

采用線性相關(guān)分析和回歸分析方法［20］，分析黃櫨樹葉變色日期與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，篩選影響黃櫨樹葉變色的主要?dú)庀笠蜃?，建立黃櫨樹葉變色日的預(yù)測模型。利用Excel 2003 軟件進(jìn)行運(yùn)算。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化 分析過程中要素單位不一致，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算如式（1）。

1.2.2 線性相關(guān)系數(shù) 相關(guān)系數(shù)r是衡量因變量（葉變色日y）與自變量（氣象要素x）之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)量。相關(guān)系數(shù)計(jì)算如式（2）。

式中-1≤r≤ 1，r＞0 表示正相關(guān)，r＜0 表示負(fù)相關(guān)。r的絕對值越大，表明個(gè)變量之間的相關(guān)性越高。通過相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表查算，當(dāng)P＜0.05為相關(guān)顯著，當(dāng)P＜0.01 相關(guān)極顯著，P＞0.05 為相關(guān)不顯著。

1.2.3 回歸方程 線性回歸方法是研究因變量與自變量的相關(guān)關(guān)系，從而建立回歸方程式y(tǒng)j=b0+b1xi。式中y為黃櫨樹葉變色日期，xi為氣象要素，bi為回歸系數(shù)［20］。采用回歸方程建立紅葉期預(yù)測模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃櫨樹葉變色期分析

表1 所示，佛照山景區(qū)2012—2021 年黃櫨樹秋季紅葉期從10 月上旬開始慢慢變紅，可觀賞期（斑紅狀態(tài)至落葉期）從10 月中旬持續(xù)到11 月上中旬，歷時(shí)25～33 d，平均為29 d。最佳觀賞期（滿紅至落葉期）從10 月中旬到11 月上中旬，歷時(shí)21～28 d，平均為25 d。

表1 佛照山景區(qū)2016—2021 年黃櫨樹秋季葉變色期

2.2 影響黃櫨樹葉變色的主要?dú)庀笠蜃臃治?/h3>

2.2.1 近期氣象要素對黃櫨樹葉變色日期的影響研究認(rèn)為光照強(qiáng)度與楓樹葉片可溶性糖含量、花色素苷含量和葉片變色質(zhì)量呈正相關(guān)，與胡蘿卜素含量和葉綠素含量呈負(fù)相關(guān)［14］。溫度是影響秋季植物紅葉變色的主要?dú)庀髼l件之一，且在較低的溫度下才表現(xiàn)出最佳的紅葉色彩，在低溫的誘導(dǎo)下植物體內(nèi)合成花色素苷，從而引起秋季植物葉色的變化［21，22］。充沛的降雨量有利于樹葉的生長和葉綠素的生成，不利于花色素苷合成，所以秋季葉片綠色退去所需要的時(shí)間相對較長［23］。依據(jù)2012—2021 年資料統(tǒng)計(jì)分析，近期日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣溫日較差和活動積溫是影響黃櫨樹葉變色的主要?dú)庀笠蜃?。發(fā)現(xiàn)黃櫨樹葉變色初日與前3 d 的溫度變化關(guān)系最為密切。即在黃櫨樹葉變色前連續(xù)保持3 d 日平均氣溫在18.0 ℃以下、最低氣溫低于8.0℃、氣溫日較差大于12.0 ℃的天氣條件，則第四日為紅葉變色初日。低溫有利于葉綠素的分解，氣溫日較差大有利于花青素的形成和積累［24，25］。當(dāng)氣溫迅速下降到氣溫指標(biāo)之下，葉綠素大部分被破壞，有助于花青素的形成，葉子很快變紅，反之則慢。2018 年紅葉之前氣溫下降幅度較快，紅葉期出現(xiàn)得早，而2019 年10 月上旬氣溫下降緩慢，推遲了葉變色的時(shí)間。表2所示，黃櫨樹秋季紅葉始期和前10 d日平均氣溫、日最高氣溫、活動積溫相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著（P＜0.01）水平，與最低氣溫達(dá)到顯著（P＜0.05）水平；氣溫日較差、降水量及日照時(shí)數(shù)與紅葉始期相關(guān)不顯著。

表2 黃櫨樹秋季紅葉始期與氣象要素相關(guān)分析

2.2.2 前期氣象要素對黃櫨樹葉變色日期的影響針對黃櫨樹葉變色日期與前期（6—9 月）氣象要素進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析（表3）。黃櫨樹葉變色日期與9 月平均氣溫、最高氣溫呈顯著正相關(guān)，與8 月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。由此可見9 月的氣溫越高，黃櫨樹葉變色晚，反之則葉變色期提前，如2017 年9 月平均最高氣溫29.5 ℃，較歷年平均值（27.0 ℃）高2.5 ℃，黃櫨樹葉變色期較晚至10 月13 日。8 月降水量越大黃櫨樹葉變色越晚，降雨量充沛有利于樹葉的生長和葉綠素的生成，降水少則樹木生長不旺盛，葉片綠色退去所需要的時(shí)間相對較短，如2014 年8 月降水僅49.0 mm，比平均降水量（119.1mm）少58.9%，黃櫨樹葉變色期提前至10 月7 日，比正常早3 d。

表3 6—9 月氣象要素與紅葉變色日的相關(guān)分析

2.3 紅葉變色初始日期預(yù)測模型

2.3.1 短期預(yù)測模型 通過前10 d 平均氣溫建立紅葉始期（y）回歸預(yù)測模型為y=9.3697+0.8442x。x為前 10 d 日平均氣溫；經(jīng)方差分析（表 4），該紅葉始期（y）預(yù)測模型F值為13.534，標(biāo)準(zhǔn)誤差1.295，通過了P＜0.01 顯著檢驗(yàn)水平，模型回代正確率為89.0%，預(yù)測準(zhǔn)確率為68.2%。預(yù)測擬合見圖1。

表4 紅葉始期短期預(yù)測模型方差分析

圖1 短期預(yù)測擬合

2.3.2 中長期預(yù)測模型 通過紅葉期與氣象要素相關(guān)檢驗(yàn)，篩選9 月平均最高氣溫和8 月降水量與紅葉變色初始日期建立中期預(yù)測模型。通過使用2012—2020 年資料建模，2021 年作為預(yù)測檢驗(yàn)，其預(yù)報(bào)模型為y=-1.1719+0.2178x。式中，y是日序數(shù)（設(shè)定10 月1 日為1，10 月2 日為2……，以此類推），x=d1+d2，其中，d1為9 月平均最高氣溫的標(biāo)準(zhǔn)化值，d2為8 月降水量標(biāo)準(zhǔn)化值。經(jīng)方差分析（表5），該紅葉始期（y）預(yù)測模型F值為18.671，預(yù)測值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)為0.837，標(biāo)準(zhǔn)誤差1.163，通過了P＜0.01顯著檢驗(yàn)，模型回代正確率為83.3%，預(yù)測2021 年y=10.3，實(shí)測值10 月9 日。預(yù)測擬合見圖2。

表5 紅葉始期中期預(yù)測模型方差分析

圖2 中期預(yù)測擬合

3 討論

研究結(jié)果表明，秋季紅葉始期出現(xiàn)的早晚與前3 d 氣溫關(guān)系密切，對10 d 的氣溫變化響應(yīng)明顯，并且8 月降水和9 月氣溫變化對紅葉始期影響顯著，與王永格等［14］、尹志聰?shù)龋?7］、吉奇等［26］的研究結(jié)果一致。紅葉前期的溫度高、降水多均有可能將紅葉期的時(shí)間向后推，表明氣候變化對秋季紅葉日期的影響具有普遍性。葉變色前3 d 氣溫下降幅度是影響黃櫨樹葉變色的主要?dú)庀笠蜃?，低溫高光照條件下光合色素合成受阻，從而引起葉色的變化，低溫可以促進(jìn)花色素苷的合成［27］，氣溫日較差大有利于花青素的形成和積累［24，25］。在植物旺盛生長期高溫干旱，可促使葉變色提前［28，29］；但 8 月充沛的降水量有利于樹葉的生長和葉綠素的生成，葉片綠色退去所需要的時(shí)間相對變長；而9 月的高溫氣候可使紅葉期向后推遲。采用2012—2021 年黃櫨樹葉變色期監(jiān)測與調(diào)研資料，結(jié)合沙河國家氣象觀測站資料，建立黃櫨樹葉變色期的短、中期預(yù)測模型，由于資料年代較短，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率相對較低，還需進(jìn)一步積累資料，完善黃櫨樹葉變色期的氣候預(yù)測方法，提高準(zhǔn)確率，應(yīng)用于實(shí)際服務(wù)。該氣候統(tǒng)計(jì)模型對預(yù)測沙河市秋季觀賞黃櫨樹紅葉變色期具有一定的指導(dǎo)作用，對當(dāng)?shù)芈糜伟l(fā)展有一定的幫助。

4 結(jié)論

1）沙河佛照山秋季紅葉始期在10 月上旬，落葉在11 月上旬，最佳觀賞期在10 月中旬至11 月上旬，平均為25 d。

2）依據(jù)2012—2021 年資料分析，天氣條件連續(xù)保持3 d 平均氣溫在18.0 ℃以下、最低氣溫低于8.0 ℃、氣溫日較差大于12.0 ℃，第四日為黃櫨樹葉紅葉變色初日。

3）黃櫨樹葉紅葉變色初日前10 d 的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、活動積溫與紅葉變色初日呈正相關(guān)顯著。

4）9 月平均氣溫，平均最高、最低氣溫，以及8 月降水量與紅葉變色初日呈顯著正相關(guān)。