基于主成分分析的上海水晶梨氣候品質評價與應用

張 皓,高慧莉,金鳳雷,林雪君,包吉蕾,邵 晨,馬 琳

(1 上海市松江區氣象局,上海 201620;2 上海市生態氣象和衛星遙感中心,上海 200030;3 上海市梨研究所,上海 201699)

中國梨果栽培的歷史悠久,據聯合國糧農組織(FAO)統計顯示,中國是世界排名第一的產梨大國,梨果的總產量居于我國水果生產的第三位,僅次于蘋果和柑橘,梨果產業已成為支撐其主要產地的農業發展和農業收入的主要來源[1]。 我國南方地區是砂梨主產區,其中水晶梨是早熟砂梨的代表性梨種[2],上海市松江、奉賢、崇明等區均有種植。 隨著人民生活水平不斷提高,消費者對鮮食梨產品的需求逐漸從對量的滿足轉向對質的追求,因而梨果品質的優劣將成為今后一段時期內制約梨產業發展和果農增收的限制因素。

梨果的品質不僅與當地的地理緯度、海拔高度有關,還與品種特性、土壤屬性及栽培管理措施密不可分,同時又受到氣候條件的制約。 對于特定的區域而言,種植的梨樹品種、地理地形要素、土壤性質基本不變的前提下,不同年份間梨果品質的差異主要受年際間氣候條件波動的影響[3]。 趙俊芳等[4]研究表明作物品質形成是品種遺傳特性和環境條件綜合作用的結果,在一定遺傳基礎上,環境因子的作用至關重要。 因此,合理開展梨產品氣候品質研究和評價日益受到農業生產和決策部門的重視。

農產品氣候品質評價是指對影響農產品品質的天氣氣候條件的優劣所作的評定[5]。 針對年際間氣象條件的差異對農產品氣候品質進行客觀評價,是增加農產品經濟附加值的有效途徑之一[6]。 近年來,氣象部門針對各地特色農產品品質評價開展了大量的研究工作,逐步推出針對優質茶葉[5]、水稻[7-8]、蘋果[9-10]、蜜桃[11]、臍橙[3,12]等的氣候品質評價服務,有效提升了區域特色農產品的市場競爭力。 上海農產品氣候品質評價工作起步較晚,2018 年松江區氣象局針對‘松早香1 號’品種大米發布了上海首份農產品氣候品質評價報告[13],并建立相應的地方標準[14]。 本研究在大米氣候品質評價實踐的基礎上,圍繞水晶梨生產實際,基于主成分分析方法創新性提出綜合氣候品質指數的概念,篩選影響水晶梨品質的關鍵氣象因子,建立水晶梨氣候品質評價方法,并在一定區域內開展服務應用,助力上海水晶梨產業提質增效,促進果農增收。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

松江倉橋水晶梨生產基地是上海市重要的梨果產地之一,梨樹種植面積約30 hm2。 倉橋鎮位于上海市西南部,黃浦江上游,是擁有數千年歷史的江南水鄉。 該地地處亞熱帶季風氣候區,氣候溫和,四季分明,全年無霜期282 d,常年平均氣溫16.9 ℃,降水量1 209.9 mm,日照時數1 785.5 h。 全年一級空氣質量280 d 以上,水質量達到國家二級地面水環境質量標準,土壤為由湖河沉積而形成的弱酸性“青紫泥”,得天獨厚的氣候資源和環境優勢造就了水晶梨的良好品質。

1.2 數據來源

1.2.1 梨果品質數據

‘翠冠’梨(Pyrus pyrifoliaCuiguan)屬薔薇科(Rosaceae)梨屬(PyrusL.),是浙江省農業科學院園藝研究所選育出的早熟砂梨品種[15-16]。 2021 年,‘翠冠’梨占上海市水晶梨栽培總面積的近85%。 選取由倉橋水晶梨發展有限公司2011—2022 年生產的‘翠冠’品種水晶梨產品,并委托第三方機構檢定的梨品質生化指標,主要包括單果重、可溶性固形物、硬度、橫縱徑和總酸等。 其中總酸和可溶性固形物的測定嚴格參照GB∕T 12456—2008 和NY∕T 2637—2014 標準進行。

1.2.2 氣象數據

氣象數據包括與梨果品質數據同時期的逐日平均氣溫(Tave)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、降水量(P)、相對濕度(Rh)和日照時數(Sd)等數據,其中日照時數來源于松江國家氣象觀測站,其他要素來源于松江區倉橋鎮DZZ4 型4 要素區域自動氣象站。

1.3 研究方法

1.3.1 水晶梨綜合氣候品質參量的確定

水晶梨的品質是由品種特性、氣候環境、土壤屬性和管理措施等多方面因素綜合作用的結果。 考慮到水晶梨是以鮮食為主的初級農產品,根據專家經驗、農業氣象服務的實踐和消費者最易判斷等原則進行篩選,確定將平均單果重、最大單果重、可溶性固形物和橫徑4 個與氣象條件密切相關的品質要素,作為水晶梨氣候品質的代表因子。 其中單果重和橫徑主要表征果實的外觀品質,可溶性固形物作為地理標志產品的固有特性之一,反映果實含糖量的高低,是水晶梨內在品質的重要表征。

為避免各氣候品質因子年際間變化趨勢不一,便于衡量不同年份氣候品質的優劣,采用主成分分析法[17],對選取的品質因子進行降維簡化,消除各品質因素之間的相關性,得到水晶梨綜合氣候品質的表征參量,即綜合氣候品質指數V=f(平均單果重、最大單果重、可溶性固形物、橫徑)。

為了消除量綱的影響,對4 個品質因子的數據序列進行標準化處理:

式中:yij為標準化后的值分別為第j個品質因子第i年測定的實際值和所有數據樣本中的最大值。j=1,2,3,4,代表4 個品質因子。

主成分分析時,確定主成分個數的原則為:當第1 個主成分的方差貢獻率≥90%時,可用第1 個主成分代表原來4 個品質因子標準化后的綜合影響,即:

式中:a1,a2,a3,a4分別為主成分分析得到的第一主成分的第一特征值所對應的向量元素。 本研究使用2011—2020 年的品質測定數據用于建模,故i=1,2,3,4,…,10,即2011—2020 年。

當前L個主成分的方差貢獻率≥90%時,V取每個主成分所對應的特征值占變量總方差的比例作為權重進行累加計算,以此作為原有4 個品質因子的綜合氣候品質指數(V):

式中:λj為第j個主分量所對應的特征值,j=1,2,3,…,L,L為累計方差貢獻率≥90%時的主成分個數。

1.3.2 水晶梨氣候品質等級劃分

氣候品質等級劃分,是指對水晶梨綜合氣候品質數據序列進行區段分割,確定每個區段的閾值并賦予相應的級別,以區分不同年份梨果氣候品質的優劣。 采用有序樣本最優聚類法[18],利用數據處理系統軟件DPS(Data processing system),將式(2)或式(3)計算所得的水晶梨綜合氣候品質指數劃分為4 個等級,分別賦值1、2、3、4,對應“特優”“優”“良”“一般”4 個等級。 聽取水晶梨生產和栽培專家對2011—2020 年逐年氣候品質分級結果的意見,綜合確定水晶梨氣候品質指數等級閾值。

1.3.3 水晶梨氣候品質評價模型構建

參考梨果品質與氣象因子相互關系方面的研究成果[19-23],結合水晶梨栽培專家的經驗,重點考察光、溫、水3 個基本要素與綜合氣候品質指數之間的相關性,篩選相關程度高且通過顯著性檢驗的敏感氣象因子,以SPSS 19.0 為工具,采用逐步回歸方法建立氣象因子與水晶梨綜合氣候品質指數(V)的回歸方程,即水晶梨綜合氣候品質評價模型。 分別利用2011—2020 年和2021—2022 年的觀測資料對評價模型進行回代檢驗和外延檢驗,以驗證模型的可用性。 外延檢驗中對新數據序列的要素進行標準化處理時,若yij＞1,即新數據大于原有數據樣本序列的最大值時,取yij=1。

2 結果與分析

2.1 水晶梨綜合氣候品質指數

對2011—2020 年水晶梨的品質測定數據進行標準化后,采用主成分分析方法,得到4 個主成分相應的特征值與累計方差貢獻率(表1)。 可見,前2 個主成分的累計方差貢獻率為93.884%,超過90%的設定標準,故選擇前2 個主成分所對應的特征值占變量總方差的比例作為權重系數(表2),利用式(2)得到2 個新參量,可表示為:

表1 各主成分的特征值及其方差與累計方差貢獻率Table 1 Eigenvalue and cumulative variance contribution rates for each principal component

表2 各主成分對應的水晶梨品質因子系數矩陣Table 2 Coefficient matrix for quality factor of crystal pear corresponding to each principal component

再根據(3)式,取L=2,進而得到表征水晶梨綜合氣候品質指數(V)的表達式:

各主成分的系數矩陣(表2)反映了2 個新變量與原有各品質因子之間的相關性,如表可見第1 主成分與果重、橫徑的相關性較高,主要反映果實的大小,代表水晶梨的外觀品質;第2 主成分與可溶性固形物的相關性較高,主要反映果實的含糖量高低,代表水晶梨的食味品質。

2.2 水晶梨氣候品質等級劃分

結合水晶梨品質檢測數據及式(5)對2011—2020 年逐年綜合氣候品質指數(V)進行回算,采用有序樣本最優聚類方法,確定綜合氣候品質指數等級的劃分區間和分段閾值指標,以及各年氣候品質等級的分布情況(表3)。 在近10 年評價結果中,2012 年和2014 年水晶梨氣候品質等級為“特優”“優”“良”的等級各有3 年,2016 年和2020 年等級相對較低,評定為“一般”。

表3 2011—2020 年水晶梨氣候品質指數的分級指標和等級劃分Table 3 Grading index and the climatic quality levels of crystal pear from 2011—2020

以各等級出現的年數占總年數的比例作為縱坐標,各等級的賦值(“1,2,3,4”)作為橫坐標,繪制水晶梨氣候品質等級頻率分布圖(圖1)。 以SPSS 19.0 軟件為工具,采用峰度、偏度法[24]對綜合氣候品質指數各等級頻率分布進行正態性檢驗,其峰度和偏度系數分別為-0.44 和0.79(P＜0.05),數據序列滿足正態分布,表明水晶梨氣候品質等級的劃分是較為客觀的。

圖1 2011—2020 年水晶梨氣候品質各等級頻率分布Fig.1 Grade frequency of climatic quality of crystal pear from 2011—2020

2.3 影響水晶梨綜合氣候品質的敏感氣象因子

選擇2011—2020 年逐日氣象觀測數據中平均氣溫(Tave)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、氣溫日較差(Tdr)、降水量(P)、雨日(Rd)、相對濕度(Rh)和日照時數(Sd)共8 個氣象統計量,以旬為基本時間單元,從梨樹花芽復蘇萌動期(3 月上旬)開始,逐年滾動統計每1—6 旬的各氣象統計量,直到成熟采摘期(7 月下旬)為止,共計75 個統計時段(圖2)。 同時,構建從果實初次膨大期至成熟期(4—7 月)累計降水量的訂正指數(降水指數),可由式(6)表示:

圖2 氣象數據統計時段Fig.2 Diagram of meteorological data statistical period

式中:PI為4—7 月的降水指數,R4—7為4—7 月累計降水量(mm)。

采取相關分析法,普查2011—2020 年水晶梨綜合氣候品質指數(V)與各時段氣象統計指標之間的相關程度,初步選定17 個氣象統計指標供逐步回歸方法建立氣候品質評價模型使用(表4)。

表4 影響水晶梨綜合氣候品質指數的敏感氣象因子Table 4 Sensitive meteorological factors affecting climatic quality index of crystal pear

如表4 可見,入選的各氣象因子中,與相對濕度有關的因子有3 個,與日照時數有關的因子有4 個,與降水有關(降水量、降水日數、降水指數)的因子有5 個,與氣溫有關的因子(含氣溫日較差)有5 個。 從影響時段上看,分布在5 月上旬果肉細胞分裂后期至成熟期的氣象因子有14 個,這說明在果實種子基本成熟后,果肉細胞進行組織分化并進入二次膨大期間的氣象條件對梨果氣候品質的形成至關重要。

從相關性性質來看,水晶梨綜合氣候品質指數與日照時數、氣溫日較差因子均呈正相關,與空氣濕度、降水量(降水日數、降水指數)和極端氣溫等因子均成負相關。 表明日照時數較多,晝夜溫差較大對水晶梨氣候品質形成有利;而降水量和降水日數較多,空氣濕度較大以及極端的氣溫,則會制約水晶梨氣候品質的提升。

從相關程度來看,5 個和降水有關的因子與綜合氣候品質指數的相關程度較高,特別是5 月下旬—6月上旬的降水量、4 月上旬—7 月下旬的降水指數以及5 月上旬、5 月下旬—7 月中旬的降水日數4 個因子均通過1%的顯著性檢驗,這說明降水條件對水晶梨綜合氣候品質的提升起到明顯的抑制作用。 降水因子的影響時段主要從5 月上旬直至7 月上旬,涵蓋從果實初次膨大期后期至二次膨大期結束。 結合水晶梨的生長發育過程,這一階段果肉細胞分裂趨于停止,細胞數量趨于穩定,果實縱徑基本確定,種子發育逐漸成熟,果實生長主要依靠果肉細胞體積膨大及細胞間隙的擴大,橫徑不斷增加。 分析認為,這一時期上海正值汛前向梅汛期過渡,降水量逐漸增多,過多的降水量和降水日數必然會造成光照不足,進而影響光合效率及光合產物向梨果實的轉運,不利于果肉細胞增大和糖分積累等所需要的養分合成,進而造成果實氣候品質下降。 王榮英等[25]的研究也認為桃樹果實迅速膨大期間多陰雨天氣會降低果品品質。 由式(6)可見,從幼果初次膨大到成熟期間的累計降水量對梨果氣候品質的影響表現為兩個方面,降水量在550 mm 以下時,降水越多對水晶梨氣候品質的形成越有利,當超過550 mm,降水越多越不利于水晶梨氣候品質指數的提升。

相關程度次之的是氣溫方面的5 個因子,其中氣溫日較差均表現為正相關關系,氣溫極值均表現為負相關關系。 3 月上中旬正值梨花花芽萌發期,由于水晶梨屬于典型的落葉果樹,冬季自然休眠后需要一定的低溫量才能解除休眠,正常開花結果[26],而此時較低的氣溫有助于梨樹復蘇和花芽萌發,對梨果氣候品質形成具有積極意義。 5 月上旬和5 月下旬—7 月上旬分別為果肉細胞快速分裂后期和梨果二次膨大期,這期間氣溫日較差大既有利于碳水化合物的合成,減少呼吸消耗,加速果實生長膨大和淀粉積累,又有助于果實中的淀粉向糖分的迅速轉化,促進糖分的合成和固定。 這與一些學者[3,6,19,23,27]研究氣象條件與果實糖分積累的影響結論一致。 6 月下旬正值為梨果迅速膨大期,較低的夜間氣溫有助于降低植株體的呼吸消耗,促使日間積累的光合產物更多地向糖分轉化,對梨果氣候品質提升有利。 5 月中旬—6 月下旬常常與上海的梅雨季相遇,此時較高的氣溫往往伴隨著高濕的環境容易誘發病蟲害,不利于果實增重和品質形成。

相對濕度方面的3 個因子與綜合氣候品質指數之間的相關程度弱于降水和氣溫,3 月下旬—4 月上旬正值水晶梨初花期和落花坐果期,段曉鳳等[19]指出開花期與幼果期主要是決定果肉細胞數目的關鍵時期。 梨樹開花和授粉最有利的天氣條件是晴朗且無持續陰雨,無風或微風[28]。 此時空氣濕度過高往往伴隨持續的時陰時雨天氣,造成花朵柱頭分泌物的減少,影響花粉的黏著和發芽以及授粉效率,不利于提高坐果率。 胡春麗等[6]認為南果梨開花期持續陰雨天氣對梨樹開花和授粉均有一定影響。 5 月上旬至7 月上旬正值果實初次膨大后期和二次膨大期,果肉細胞膨大和細胞間隙擴大需要充足的養分供應,此時空氣濕度過大在一定程度上會阻礙梨樹接收的太陽輻射,造成葉片光合作用效率降低和光合產物的供給不足[21],繼而影響果實橫徑及單果重,不利于果品綜合氣候品質的提升。

日照時數方面的4 個因子與綜合氣候品質指數呈正相關關系,表明本地日照時數增加對氣候品質的提升具有積極作用。 3 月下旬—4 月上旬期間充足的日照時數有利于梨樹開花和授粉,促進果肉細胞數量的增加,提高坐果率,并為大果的形成創造良好的條件。 5 月上旬和7 月上旬分別對應果肉細胞數量形成后期和梨果二次膨大期,此時充足的光照條件是梨果果心部分細胞分裂增殖以及果實增大、重量增加和糖分積累的重要基礎。 HIROSHI 等[29]的研究表明由于光照不足,光合作用減弱,光合作用合成的產物——可溶性糖含量減少,而呼吸作用的增強加劇了果實中可溶性糖含量的下降。

2.4 水晶梨綜合氣候品質評價模型

結合表4 初選的敏感氣象因子和式(5)的綜合氣候品質指數表達式,建立水晶梨綜合氣候品質評價回歸模型:

利用2011—2020 年和2021—2022 年的氣象數據,結合式(7)對近10 年水晶梨綜合氣候品質指數分別進行回代檢驗(圖3)和外延檢驗(表5)。 回代檢驗表明,氣候品質評價模型展現了良好的評價能力,綜合氣候品質指數的模擬值和實際值具有很好的相關性,其相關系數R大于0.99,歸一化均方根誤差僅為0.588。 同時,近10 年間綜合氣候品質指數模擬值和實際值變化曲線基本吻合,極值年份和有較大波動的年份都均能較好地反映實際情況。 2021 年和2022 年外延檢驗結果可見,模型的準確率均在98%以上,表明所建立的回歸方程適用于評價水晶梨的綜合氣候品質。

圖3 2011—2020 年水晶梨氣候品質評價模型回代檢驗Fig.3 Calibration results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 2011—2020

表5 2021—2022 年水晶梨氣候品質評價模型的驗證結果Table 5 Validation results of climatic quality evaluation model for crystal pear from 2021—2022

2.5 水晶梨綜合氣候品質評價模型的應用

一直以來,上海市松江區氣象局積極對接水晶梨種植企業和農業大戶,尋找水晶梨氣候品質評價服務的切入點,推進科技成果向服務應用端延伸。 通過開發農產品氣候品質評價微信小程序,實現氣候品質評價結果在手機等移動端的信息查閱。 2021 年起,水晶梨氣候品質評價服務逐步推向市場,消費者通過掃描梨產品外包裝上的二維碼,即可獲取當年梨樹生長期間氣象條件適宜度、農業生產管理措施、農業氣候溯源信息和水晶梨氣候品質評價結果。 此舉既有助于松江農產品品牌建設,又進一步拓展了氣候品質評價服務的社會影響力,實現了經濟和社會效益雙豐收。

3 結論與討論

本研究從氣候品質的概念出發,采用主成分分析法,綜合水晶梨外觀和內在品質方面的4 個檢測要素,構建表征水晶梨綜合品質的參量——綜合氣候品質指數。 結合同期觀測的氣象數據,篩選影響氣候品質的敏感氣象因子,采用逐步回歸法建立水晶梨氣候品質評價模型,實現基于氣象數據的水晶梨氣候品質的量化評估。 2011—2020 年水晶梨年際間氣候品質等級率定結果表明,各等級出現頻率服從正態分布。 經與水晶梨生產和栽培專家探討,評價方法較為客觀地反映了近年來氣候條件對水晶梨果品品質的影響,評價結果與實際相符。

梨果品質往往是多種因素綜合作用的結果,單一的要素檢定結果僅能從某個側面反映果品的品質特征,而綜合相關文獻表明氣候品質評價研究同樣具有一定的地域性和應用限制。 特定區域和品種的農產品氣候品質評價方法的建立與考慮的品質性狀數量、資料年限長短及是否涵蓋極端災害年份的影響等密切相關。 本研究僅從果實尺寸、重量和含糖量三方面出發,并未考慮不同等級的出果率、果實外觀色澤、香氣等品質因素,同時如何在氣候品質評價模型中引入高溫灼曬、冰雹、淹水等氣象災害因子對果品品質的影響,以及綜合氣候品質評價指數中如何剔除土壤和管理措施等非氣象因子的影響,也是今后的研究需要逐步解決的問題。

相關分析結果表明,初選的溫度因子除氣溫日較差外,均與綜合氣候品質指數呈負相關關系,這與現有研究的結果[30-31]存在一定差異。 分析認為,初選的氣溫因子為梨花花芽萌發期及果肉細胞緩慢分裂期至二次膨大期間的最高氣溫和最低氣溫,而非平均氣溫,反映的是氣溫極值對水晶梨氣候品質的影響?；ㄇ暗蜏赜兄诶鏄浣獬菝?正常開花結果。 果實膨大期間日間高溫災害會灼傷葉面和果實表皮,不利于光合產物合成[20],而日間高溫和夜間最低氣溫偏高都會增加呼吸消耗[19],影響凈光合產物的積累和糖分轉化。 此外,本研究涉及的氣象因子為旬或跨旬尺度,以降低不同年份間梨樹生育期細微差異的影響,而如何在評價方法中引入非旬尺度的氣象和非氣象因子,也是下一步工作需要考慮的因素。