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Vertical temperature distribution and its forecast for two tree structures of apple orchard during the blooming period in the Loess Plateau.

黄土高原两种树形苹果园花期温度垂直变化特征及预测


温度是苹果花期最为敏感的生态因子,选择两种在黄土高原区具有代表性的不同树龄和树形结构(盛果期小冠开心形和初挂果期自由纺锤形)的富士苹果园,利用小气候梯度自动测定系统在2011—2014年苹果花期进行定位观测,分析花期不同天气类型下(晴天、阴天或多云、雨天)的果园温度梯度及树体温度的变化特征,并基于气象站温度(TM)建立了果园冠下温度(TL)的推算模型.结果表明: 花期果园温度的垂直分布及与园外的差异主要取决于树形结构,而不同天气类型下的差异不显著.平均温度、日最低温度从树冠下到顶部递增,日最高温度、日较差递减.小冠开心形冠层下部晴天日较差最大,多云或阴天冠层中部和顶部日较差较自由纺锤形小.园内外温差的日变化自由纺锤形呈现高低高的单波谷形态、而小冠开心形呈单峰形态,园外最低温度高于冠层下部而与冠层中部的温度接近,小冠开心形冠层下的最低温度较园外最低温度更低,特别是多云或阴天更明显,而冠层中部和顶部与园外的温度差异则较自由纺锤形小.线性模型能够较好地推算树冠下部的温度,误差绝对值在1 ℃以内,特别是自由纺锤形果园和雨天条件下效果更好.

Temperature is the most sensitive environment factor for the blooming period of apple. Temperatures at different levels were measured by automatic microclimatic gradient system in the blooming periods from 2011 to 2014, in two Fuji apple orchards with two different tree ages and structures \[small canopy open center shape (SMCOCS) and freedom spindle shape (FSS)\], respectively, which were typical in the Loess Plateau. Variations of the temperature gradient in both canopy and tree body were analyzed in sunny, overcast, cloudy, and rainy weather conditions, and a predicting model was established that could predict the temperature of the canopy (TL) according to the temperature observed in nearby meteorological station (TM). The results showed that the vertical distribution of canopy temperature and its difference to the outside of orchard was mainly due to the tree structure, rather than the weather condition. The average temperature and daily minimum temperature increased while the daily maximum temperature and the diurnal temperature range decreased from the bottom to the upper of the canopy. For SMCOCS, the diurnal temperature range reached its peak under the canopy in the clear days, and the diurnal temperature range was less than that for FSS in the middle and upper canopy in cloudy or overcast conditions. The daily variation of temperature difference between inside and outside the orchard behaved as a single peakvalleypeak for FSS but as a single peak for SMCOCS. The minimum temperature outside the orchard was closer to that in the middle of canopy, but higher than that in the bottom of the canopy. For SMCOCS, the minimum temperature in the bottom of its canopy was rather lower than that in the orchard outside, especially in cloudy or overcast day, while in the middle or upper canopy, the minimum temperature difference with the orchard outside was smaller than that for the FSS. The linear model was found to be able to predict the TL with absolute errors below 1 ℃, and the best prediction was found for the FSS in rainy days.


全 文 :黄土高原两种树形苹果园花期温度
垂直变化特征及预测∗
屈振江1∗∗  尚小宁2  王景红1  梁  轶1  高  峰1  杨  芳3
( 1陕西省经济作物气象服务台, 西安 710015; 2咸阳市气象局, 陕西咸阳 712000; 3西北农林科技大学白水苹果试验站, 陕西
白水 715100)
摘  要  温度是苹果花期最为敏感的生态因子,选择两种在黄土高原区具有代表性的不同树
龄和树形结构(盛果期小冠开心形和初挂果期自由纺锤形)的富士苹果园,利用小气候梯度自
动测定系统在 2011—2014年苹果花期进行定位观测,分析花期不同天气类型下(晴天、阴天
或多云、雨天)的果园温度梯度及树体温度的变化特征,并基于气象站温度(TM)建立了果园
冠下温度(TL)的推算模型.结果表明: 花期果园温度的垂直分布及与园外的差异主要取决于
树形结构,而不同天气类型下的差异不显著.平均温度、日最低温度从树冠下到顶部递增,日
最高温度、日较差递减.小冠开心形冠层下部晴天日较差最大,多云或阴天冠层中部和顶部日
较差较自由纺锤形小.园内外温差的日变化自由纺锤形呈现高⁃低⁃高的单波谷形态、而小冠开
心形呈单峰形态,园外最低温度高于冠层下部而与冠层中部的温度接近,小冠开心形冠层下
的最低温度较园外最低温度更低,特别是多云或阴天更明显,而冠层中部和顶部与园外的温
度差异则较自由纺锤形小.线性模型能够较好地推算树冠下部的温度,误差绝对值在 1 ℃以
内,特别是自由纺锤形果园和雨天条件下效果更好.
关键词  苹果; 花期; 果园; 温度; 预测
∗中国气象局气象关键技术集成与应用项目(CMAGJ2015M60)和中国气象局气候变化专项(CCSF201328)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: nju_qzj@ 126.com
2015⁃02⁃04收稿,2015⁃07⁃20接受.
文章编号  1001-9332(2015)11-3405-08  中图分类号  S718.512  文献标识码  A
Vertical temperature distribution and its forecast for two tree structures of apple orchard
during the blooming period in the Loess Plateau. QU Zhen⁃jiang1, SHANG Xiao⁃ning2, WANG
Jing⁃hong1, LIANG Yi1, GAO Feng1, YANG Fang3 ( 1 Shaanxi Meteorological Service Station for
Economic Crops, Xi’ an 710015, China; 2Xianyang Meteorological Bureau, Xianyang 712000,
Shaanxi, China; 3Apple Experiment Station of Northwest A&F University, Baishui 715100,
Shaanxi, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(11): 3405-3412.
Abstract: Temperature is the most sensitive environment factor for the blooming period of apple.
Temperatures at different levels were measured by automatic micro⁃climatic gradient system in the
blooming periods from 2011 to 2014, in two Fuji apple orchards with two different tree ages and
structures [small canopy open center shape (SMCOCS) and freedom spindle shape (FSS)], re⁃
spectively, which were typical in the Loess Plateau. Variations of the temperature gradient in both
canopy and tree body were analyzed in sunny, overcast, cloudy, and rainy weather conditions, and
a predicting model was established that could predict the temperature of the canopy (TL) according
to the temperature observed in nearby meteorological station (TM). The results showed that the ver⁃
tical distribution of canopy temperature and its difference to the outside of orchard was mainly due to
the tree structure, rather than the weather condition. The average temperature and daily minimum
temperature increased while the daily maximum temperature and the diurnal temperature range de⁃
creased from the bottom to the upper of the canopy. For SMCOCS, the diurnal temperature range
reached its peak under the canopy in the clear days, and the diurnal temperature range was less
than that for FSS in the middle and upper canopy in cloudy or overcast conditions. The daily varia⁃
tion of temperature difference between inside and outside the orchard behaved as a single peak⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 11月  第 26卷  第 11期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2015, 26(11): 3405-3412
valley⁃peak for FSS but as a single peak for SMCOCS. The minimum temperature outside the or⁃
chard was closer to that in the middle of canopy, but higher than that in the bottom of the canopy.
For SMCOCS, the minimum temperature in the bottom of its canopy was rather lower than that in
the orchard outside, especially in cloudy or overcast day, while in the middle or upper canopy, the
minimum temperature difference with the orchard outside was smaller than that for the FSS. The
linear model was found to be able to predict the TL with absolute errors below 1 ℃, and the best
prediction was found for the FSS in rainy days.
Key words: apple; blooming period; orchard; temperature; prediction.
    温度是苹果开花、授粉、受精和坐果顺利完成的
重要限制性生态因子[1-3],花期低温冻害易导致花
器官受损,持续性低温会降低花粉活力,抑制授粉昆
虫活动从而造成苹果大面积减产[4-6] .黄土高原是我
国两大主要苹果优生区之一,其中主栽的富士苹果
花期一般在 3月下旬至 5月上旬,而 3—4月该区冷
空气活动约占到全年的 40%,基本每年都有不同程
度的花期冻害或低温冷害发生[7] .温度对苹果花期
的影响取决于平均温度、最低温度及其持续时间及
温度的日较差等因素[8-9] .果园温度随海拔有所变化
且园内温度的垂直分布差异较大[10],树形结构不
同[11-13]及树冠枝(梢)叶分布[11-12]导致温度等冠层
微气候特征有所区别,同时黄土高原旱地苹果园采
用的生草、覆盖等措施对果园温度等小气候要素也
有较大影响[14-16] .目前气象部门的温度预测与考核
评价均以当地气象站温度为参照[17],若直接利用气
象部门发布的气温预测结果配合花期冻害指标来指
导园内的防灾减灾,显然会造成较大误差.因此有必
要对园内外的温度差异表现及冻害发生时园内温度
效应进行研究,并以气象站点的温度来准确推算园
内的温度而实现精细化的生产指导.
在果树花期冻害特征研究方面: Farajzadeh
等[18]通过霜冻发生时间结合果树花蕾期的预测预
估了苹果花期冻害风险;孙伟等[19]利用气象站点的
历史资料序列分析了浙江省柑橘冻害的发生规律;
唐力生等[20]基于实际地形对广东省寒害过程的日
平均气温进行了分布式模拟;高方胜等[21]和苏渤
海[22]分高干开心形、小冠疏层形和纺锤形 3 种不同
树形微生态环境与果实品质产量关系进行分析.在
利用气象站温度推算不同群落内的温度分布方面:
关德新等[23]利用气象站资料建立的线性预测模型
推算附近森林浅层地温和气温取得了较好的预测效
果;谭宗琨等[17]基于野外实测数据建立了冬季荔枝
园大气温度与观测站大气温度的线性及曲线回归模
型,用以开展荔枝寒害的监测有较好的业务适用性;
Bocock等[24]、Palagin[25]、姚付启等[26]分别利用多
元线性回归和 BP 人工神经网络方法建立了基于多
因子的苹果果园土壤温度预测模型.
针对苹果园温度等小气候要素的研究大多是围
绕气候资源的高效利用及对果实品质的影响展
开[11,13,21-22],且主要针对冠层结构形成后的果园微
域小气候因子进行短期观测.为此,本研究针对苹果
花期低温灾害的防御,在果树冠层尚未完整形成的
苹果花期进行长期定位观测,且分树形和天气类型
进行较为精细的研究.本文以黄土高原两种最具代
表性的苹果园为研究对象,通过定位观测,分析不同
天气类型下,不同树形和树龄果园内温度梯度分布
及树体温度的变化特征,并与园外气象站的温度进
行比较,分析苹果花期冻害发生期间园内外温度差
异在园内不同高度的表现,并建立基于气象站温度
的园内温度推算模型,对于深入了解苹果花期果园
的小气候生态效应、更加精准地指导花期低温灾害
防御有重要的意义.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  试验区概况
富士苹果从 20世纪 90年代开始在黄土高原区
大规模种植,目前该区处于盛果期的苹果树在改良
后的树形大都以开心形为主,树龄较小的果园栽植
密度较大,树形多以纺锤形为主.试验选取这两种树
形为代表,在陕西旬邑县太村镇胡家村(盛果期果
园、小冠开心形)和白水县尧禾镇尧禾村(初挂果期
果园、自由纺锤形)分别设立试验园,与试验园相隔
较近且处于同一塬面的旬邑和白水气象站(表 1)作
为园外对照站.
旬邑地处渭北旱塬中部,县内塬面海拔 960 ~
1350 m,年平均气温 9 ℃,无霜期 180 d 左右,年均
降水量 606 mm,土壤类型主要为黄绵土和黑垆土.
试验园面积 120 hm2,树间无植被,果园土壤平均有
机质含量 12.72 g·kg-1、全氮含量 1.06 g·kg-1,果
园管理水平一般.
白水地处黄土高原丘陵沟壑区 ,平均海拔
6043 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 1  试验区与对照站概况
Table 1  General situations of experimental area and control station
地点
Site
经度
Longitude
纬度
Latitude
海拔
Altitude
(m)
树龄
Tree
age
树形
Tree form
株行距
Planting spacing
(m)
旬邑 试验区 Experimental area 108.17′ E 36.07′ N 1225 20 小冠开心形 3×4
Xunyi 对照站 Control station 108.18′ E 35.10′ N 1277 - - -
白水 试验区 Experimental area 109.34′ E 35.12′ N 845 8 自由纺锤形 2×4
Baishui 对照站 Control station 109.35′ E 35.11′ N 805 - - -
850 m,年平均气温为 11. 4 ℃,无霜期 207 d 左右,
年均降水量 578 mm,土壤类型主要为黄绵土,部分
为黑垆土.试验园面积 33 hm2,树间生草,树盘覆膜,
果园平均有机质含量 12. 6 g·kg-1、氮含量 1􀆰 21
g·kg-1、pH值 7.2,果园管理水平较高.
1􀆰 2  资料观测
为了获取果园不同高度上的温度资料,分别在
两个试验园内建立一个 6 m 高的观测架,使用小气
候梯度自动测定系统 ( AVALON,USA),在 6、 3、
1.5 m高处设置温度传感器(AV⁃10TH,USA)分别观
测树冠层顶、冠中及树冠下部的气温,在观测架周围
不同朝向选择 5 棵果树,在树干离地 50 cm 处钻孔
将传感器(AV⁃10NT,USA)插入树干 50 mm深度,固
定后测定平均树体温度.所有观测项目的传感器以
电缆与数据采集器相连,全天 24 h 观测,每 10 min
自动数据采集器对每一观测项目自动记录 1 次.观
测时间从 2011年 1月 1日到 2014 年 5 月 31 日,持
续 3年多.
对照站的温度为气象观测站 1.5 m 高度的逐小
时观测数据,资料来源于陕西省气候资料室.所用物
候监测资料来自陕西省经济作物气象服务台.
1􀆰 3  研究方法
以果园实地观测为主要手段,针对不同天气类
型,分别统计分析两种果园内温度垂直分布[冠层
下部(TL)、冠层中部(TC)及冠层上部(TA)]及树
体温度(TB)变化特征.并将不同高度的温度与园外
对照站进行比较,分析其不同树形果园在不同天气
类型下花期果园内外温度差异的日变化特征.
以 2011—2013年的逐时温度监测资料为建模
系列,针对不同天气类型和不同树龄树形结构,建立
基于气象站温度(TM)的果树冠层下部温度(TL)的
推算模型,并利用 2014年的观测资料对模型的推算
结果分别进行检验.
通过统计两个试验园 2011—2014 年花期的晴
天、多云、阴天及雨天等不同天气类型的天数(表
2),发现多云和阴天的变化规律较为一致且花期阴
天出现日数较少,因此将天气类型分为晴天、多云或
阴天、雨天 3种情况.
2  结果与分析
2􀆰 1  花期园内温度垂直分布和园内外差异变化特征
2􀆰 1􀆰 1果园内温度的垂直分布   由表 3 可以看出,
两个试验园内的平均温度和最低温度从树冠下部到
顶部递增,最高温度及气温日较差则从树冠下部到
顶部递减,树体温度及其日较差均高于空气温度.
最低温度在晴天最低,多云或阴天次之,雨天较
高.最高温度在晴天最高,开心形果园在多云或阴天
而纺锤形果园雨天较低.空气温度和树体温度日较
差都在晴天最大,其中小冠开心形树冠下部晴天平
均日较差大于 20 ℃ .开心形果园日较差在多云或阴
表 2  试验地苹果花期持续时间及不同天气类型天数统计
Table 2  Duration of blooming of apple under different weather conditions in two experimental areas
试验园
Experimental
area
树形
Tree form
年份
Year
始花期
Date of initial
blooming
终花期
Date of final
blooming
天数 Days
晴天
Clear day
多云
Cloudy
阴天
Overcast
雨天
Rainy day
旬邑 小冠开心形 2011 04⁃21 04⁃30 5 4 0 1
Xunyi Small canopy open 2012 04⁃20 04⁃28 5 1 0 3
center shape 2013 04⁃08 04⁃18 9 2 0 0
2014 04⁃18 04⁃29 5 1 1 5
白水 自由纺锤形 2011 04⁃16 04⁃26 10 0 0 1
Baishui Freedom spindle 2012 04⁃12 04⁃23 4 2 2 4
apple shape 2013 04⁃04 04⁃16 9 2 1 1
2014 04⁃13 04⁃25 3 1 1 8
704311期                  屈振江等: 黄土高原两种树形苹果园花期温度垂直变化特征及预测           
表 3  两种果园花期在不同天气类型下的温度垂直分布特征
Table 3  Vertical distribution characteristic of temperature at two kinds of Fuji apple orchard during the blooming period in
different weather conditions (℃)
温度类型
Temperature type
小冠开心形
Small canopy open center shape
晴天
Clear
多云或阴天
Cloudy or overcast
雨天
Rainy
自由纺锤形
Freedom spindle apple shape
晴天
Clear
多云或阴天
Cloudy or overcast
雨天
Rainy
平均温度 TAave 14.7 15.0 15.5 15.3 14.3 13.1
Mean temperature TCave 14.2 14.8 15.4 15.2 14.2 13.0
TLave 13.8 14.8 15.4 15.1 14.1 12.8
TBave 16.4 17.0 16.8 15.9 14.9 13.9
TMave 14.3 14.8 15.6 15.6 14.6 13.4
最低温度 TAmin 6.9 11.1 11.2 8.7 9.3 9.8
Minimum temperature TCmin 5.5 9.7 10.2 8.4 9.0 9.3
TLmin 3.8 8.9 9.5 7.9 8.5 8.7
TBmin 6.0 11.0 10.7 6.4 8.1 8.5
TMmin 5.4 11.0 11.0 8.5 9.4 9.6
最高温度 TAmax 22.2 18.5 20.6 21.7 19.2 15.8
Maximum temperature TCmax 22.8 19.0 21.2 22.0 19.3 16.1
TLmax 23.9 20.0 22.2 22.7 19.7 16.6
TBmax 26.7 22.5 23.5 27.4 23.5 20.5
TMmax 22.6 18.8 21.1 22.6 20.1 17.3
日较差 TAdif 15.3 7.4 9.4 13.0 9.9 6.0
Diurnal range TCdif 17.3 9.3 11.0 13.6 10.3 6.8
TLdif 20.1 11.1 12.7 14.8 11.2 7.9
TBdif 20.7 11.5 12.8 21.0 15.4 12.0
TMdif 17.2 7.8 10.1 14.1 10.7 7.7
TA: 冠层上部 The upper of canopy; TC: 冠层中部 The middle of canopy; TL: 冠层下部 The bottom of canopy; TB: 树体 Tree body.
天最小而纺锤形果园则在雨天最小,其中自由纺锤
形树冠顶部和中部的日较差均小于 7 ℃ .树体温度
日较差在开心形果园与树冠下部空气温度日较差接
近,而在自由纺锤形果园则与空气温度日较差差异
较大,其中,晴天树体温度日较差都大于 20 ℃ .
与园外温度比较,平均温度自由纺锤形树冠顶
部在不同天气类型下都低于园外,而小冠开心形的
树冠顶部在晴天、多云或阴天条件下高于园外.最低
温度树冠下部和中部都较果园外低,自由纺锤形果
园树体最低温度较果园外低而开心形果园则略高于
园外.树冠顶部最高温度低于园外,其他各层及树体
温度则均较园外高.树冠下部及中部的日较差均较
园外剧烈.
2􀆰 1􀆰 2园内外温度差异特征  通过分析果园内各高
度层温度及树体温度与园外对照站温度差的日变化
(图 1)可知,树形不同园内外温度差值日变化特征
差异明显,而同一树形下不同天气类型下的变化差
异并不显著,可以看出园内外温度的差异主要取决
于树形结构的不同.自由纺锤形果园各高度与对照
站温度差值日变化的趋势较为一致,都呈现高⁃低⁃
高的单波谷形态.小冠开心形树冠下与对照站温差
呈现单峰趋势,树冠顶部与果园外的温度差值呈现
单波谷形态,而中部与对照站温度差异波动较小.
与园外对照站的树冠顶温度比较,自由纺锤形
在 9:00—20:00 较园外低,且在 12:00 差异达到最
大,多云或阴天条件下最大为 2.4 ℃,其余天气条件
下在 2.0 ℃左右,而夜间高于园外,在 22:00 左右最
显著,高出约 1.0 ℃ .小冠开心形则在 10:00—21:00
低于对照站,差异持续在 0.5 ℃左右,而夜间明显高
于园外,其中,晴天条件下在 23:00 达到 1.8 ℃左
右,雨天条件下则不显著.
自由纺锤形果园树冠中部与园外的差异特点与
树冠顶部类似,也是在 9:00—20:00 低于园外,在
11:00最明显,达到 2.0 ℃左右,夜间高于园外,最大
在 21:00,高于园外 1 ℃左右.小冠开心形与园外的
温度差异波动较大,但也呈现出 12:00—21:00 高、
其余时间低于园外温度的基本特点,其差异均较自
由纺锤形小.最大差异在 9:00 左右,其中,多云或阴
天最明显,低于气象站 1 ℃左右.
自由纺锤形树冠下的温度一天中大多时间低于
园外,小冠开心形则在 11:00—21:00 高于园外.自
由纺锤形在晴天和多云或阴天条件下 9:00 左右低
于园外最为明显,分别低 1.7 和 2.0 ℃,而在雨天条
件下8:00最为显著,低于园外2.2 ℃ .小冠开心形晴
8043 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 1  园内不同梯度温度与园外温度差异的日变化
Fig.1  Diurnal variation of temperature differences in the inside and outside of the orchard.
1)小冠开心形 Small canopy open center shape; 2)自由纺锤形 Freedom spindle apple shape. TA:冠层上部 The upper part of canopy; TC:冠层中部
The middle part of canopy; TL: 冠层下部 The bottom part of canopy; TB: 树体 Tree body.
天在 0:00左右低于园外最为明显,达到 2.6 ℃,而
多云或阴天条件则在 5:00左右达到最大差异,分别
低 1.8和 1.7 ℃ .小冠开心形在午后高于园外最明
显,其中晴天最明显,高 1.5 ℃ .
树体温度与园外温度差异最为明显,且不同树
形及天气条件下的差异变化有较显著的区别.自由
纺锤形在 11:00—20:00高于园外,且在晴天差异最
显著,达到 5 ℃,而雨天则差异最小;8:00 低于园外
也以晴天最明显,达到 3. 5 ℃ .小冠开心形则只在
8:00—12:00低于园外,低值晴天最明显而雨天次
之,最大差异出现在晴天的 9:00,低于园外达到
3.7 ℃;在 22:00 左右高于园外最为显著,其中,晴
天和雨天最大,均达到 5 ℃左右.
2􀆰 2  基于园外温度的树冠下部温度的推算
2􀆰 2􀆰 1推算模型的建立  苹果花期气象灾害防御的
重点是低温危害.相较于果园其他垂直高度的温度
而言,树冠下部平均温度和最低温度均较低.以
2011—2013年苹果花期的试验观测数据为建模系
列,分小冠开心形和自由纺锤形两种树形结构,分 3
种天气类型(晴天、多云或阴天、雨天)和不分天气
904311期                  屈振江等: 黄土高原两种树形苹果园花期温度垂直变化特征及预测           
表 4  基于气象站温度的果园树冠下部温度预测模型参数
Table 4  Prediction model parameters of the temperature of canopy bottom based on the temperature of meterological station
试验园
Experimental area
天气类型
Weather type
线性预测模型 Linear prediction model
a b R2 n
旬邑 晴天 Clear day 1.103 -1.234 0.951 456
Xunyi 多云或阴天 Cloudy or overcast 1.081 -1.399 0.944 168
雨天 Rainy 1.120 -1.535 0.954 96
不分天气类型 All weather type 1.102 -1.437 0.949 720
白水 晴天 Clear day 1.019 -0.759 0.975 552
Baishui 多云或阴天 Cloudy or overcast 0.998 -0.502 0.964 168
雨天 Rainy 0.999 -0.568 0.953 144
不分天气类型 All weather type 1.014 -0.717 0.972 864
表 5  树冠下部温度预测误差检验
Table 5  Error test of the prediction temperature at canopy bottom
试验园
Experimental
area
天气类型
Weather
type
平均绝对误差
MAE
(℃)
误差算数平均值±标准差
Arithmetic mean
error±standard
deviation (℃)
误差≤1 ℃的
样本百分率
Percentage of
MAE≤1 ℃(%)
≤1 ℃样本
平均误差
Mean of
MAE≤1 ℃(℃)
旬邑 晴天 Clear day 0.61 -0.10±0.76 79.2 0.42
Xunyi 多云或阴天 Cloudy or overcast 0.46 -0.13±0.60 85.4 0.33
雨天 Rainy 0.51 -0.41±0.50 86.0 0.39
不分天气类型 All weather type 0.56 0.40±0.57 85.3 0.43
白水 晴天 Clear day 0.48 -0.30±0.58 87.5 0.35
Baishui 多云或阴天 Cloudy or overcast 0.41 -0.25±0.46 93.8 0.36
雨天 Rainy 0.26 -0.08±0.37 96.9 0.23
不分天气类型 All weather type 0.32 0.13±0.45 94.2 0.26
类型,分别建立基于园外温度(TM)的果园树冠下部
温度(TL)的线性预测回归方程(表 4).回归方程的决
定系数(R2)都在 0.94以上.其中,自由纺锤形果园预
测效果最好,R2平均达到 0.96.小冠开心形在雨天、自
由纺锤形在晴天时好于其他天气下的预测效果.
从线性预测模型的回归系数分析,不同果园预
测模型的 a、b值变化较大,但同一果园不同天气类
型的 a、b值变化范围有限,因此可以通过建立只区
分树形而不区分天气类型的预测模型,从预测效果
看,自由纺锤形的决定系数达到了 0.97,仅比晴天效
果稍差,而小冠开心形的预测效果则稍低,但也达到
了 0.95.
2􀆰 2􀆰 2模型的检验  为了进一步检验各方程在花期
果园温度要素推算中的可靠性,利用 2014年的花期
观测数据对方程进行验证,计算其误差统计参数
(表 5).结果表明,各预测模型的误差算数平均值均
接近 0,表明推算无明显的系统性偏差,误差绝对值
88.5%都在 1 ℃以内且无≥2 ℃以上的误差.自由纺
锤形果园的效果总体好于小冠开心形,其误差绝对
值≤1 ℃的样本概率在 90%以上,特别是在雨天的
效果最好,平均误差仅为 0.26 ℃且误差≤1 ℃样本
率都在 97%左右.证明用气象站温度建立的线性预
测模型来推算果园温度具有较好的效果和可行性.
3  讨    论
与李保国等[10]对山地苹果园冻害发生期间的
园内外温度特征的研究不同,本试验选择的果园和
对照站均处在塬面,地形影响较小,另外前述研究没
有区分树形和天气类型,因此研究结果的差异较大.
李保国等[10]认为,最低温度在树冠下层最低而冠层
顶部次之,且园外最低温度低于园内;但本研究表
明,从冠层下部到冠层顶部最低温度依次提高,且园
外最低温度高于冠层下部、低于冠层顶部、而与冠层
中部的温度接近.两者日较差的研究结果则较为相
似,都是从冠层下部到冠层顶依次减小,这是由于冠
层下部受到地面辐射的影响较大而冠层顶部则主要
与外界的湍流交换较强有关.李国栋等[27]对关中西
部红富士苹果低干开心形、小冠疏层形和自由纺锤
形 3 种树形的冠层主要生态因子进行比较,认为 3
种树形 7—9月果树生长盛期冠层中部的温度差异
不大,通过对本研究观测到的 2011—2013 年对应时
段两个果园冠层中部的温度资料分析也得到相似结
论,因为在生长盛期,冠层郁闭,特别是冠中与下垫
面及果园外部湍流交换较弱,因此不同树形冠中的
0143 应  用  生  态  学  报                                      26卷
温度差异不太明显.与生长盛期对应时段资料对比
分析的一致性也从侧面支持和印证了本研究在苹果
开花期对温度特征的分析结论.
目前我国苹果栽培大多以乔砧密植为主,果园
易出现冠层郁闭及通风等问题,因此栽植密度和树
形是决定苹果早期产量的关键因素.本研究表明,在
果树花期不同树形的果园温度垂直分布特征及与园
外有较大差异,黄土高原区苹果开花期的低温影响
以混合型的平流辐射降温为主,在观测的 4 年中均
有不同程度发生,树龄较长的盛果期小冠开心形果
园较处于初果期的自由纺锤形果园更易对平流降温
中的冷空气在冠下形成阻挡和堆积,特别是在短波
辐射较弱的多云或阴天表现出冠下温度更低的特
征.受树形影响,小冠开心形的冠下较自由纺锤形与
外界的湍流交换和潜热交换弱,冠下温度受地面温
度和地面长波辐射的影响较大,所以其日较差也较
大.因此小冠开心形较自由纺锤形,在果树花期混合
型降温过程中更应关注冠层下部的冻害防御.各地
建园及树形选择时一方面要考虑能够合理地利用光
照等气候资源促成果实的产量和品质形成,另外一
方面应该考虑气象灾害的影响.
体温是影响体表和体内物理、化学和生物过程
的关键因子[28-29] .本研究对苹果开花期不同果园的
树体温度进行观测分析(目前国内尚未见相关报
道)认为,树体温度的日较差均较空气温度的日较
差大,且在自由纺锤形果园这种趋势最为明显,树体
一般在 8:00—9:00左右低于园外空气温度最明显,
达到 3. 5 ℃左右,而在 22:00 左右高于园外温度
5 ℃,均较园内外空气温度的差异大.虽然花期的低
温强度未必能引起果树树体的伤害,但其结果对于
研究苹果的越冬期冻害提供了参考.
本研究基于 3年的园内外观测数据建立了推算
模型,检验表明无明显的系统性偏差且误差绝对值
基本都控制在 1 ℃以内,目前气象预测的最高和最
低温度考核标准以绝对误差 2 ℃为限,推算的园内
实际温度变化结果有较好的适用性.而关德新等[23]
研究也认为,森林的垂直气温分布可以用气象站对
应观测数据的线性函数来推算,从预测的结果检验
发现雨天的预测效果较好,晴天最差.谭宗琨等[17]
基于野外实测数据建立的分天气类型的冬季荔枝果
园大气温度与观测站大气温度的预测模型虽然没有
提供气象站和试验园的基础信息,但其预测结果认
为阴天和雨天模型效果好于晴天天气,这与本研究
结果基本一致,主要是果园内空气温度的垂直变化
与园内的湍流和平流热交换作用密切相关,在晴天
条件下太阳辐射变化较大导致果园微气候环境的影
响作用较园外放大,因此误差相对较大.基于建立的
气象站温度的果园冠下温度推算模型,利用气象部
门发布的 1~7 d分站点温度预测结果,可对不同树
形果园在不同天气类型下的园内温度进行准确推
算,能够更加精准地指导果树花期冻害防御.
本研究仅对黄土高原目前两种主要树形结构果
园进行了定位观测,在代表性方面还需继续验证,且
该观测只进行了 4 年,虽对果树花期园内温度的基
本时空分布规律和园内外差异特征进行了总结,但
鉴于资料序列有限,建立的果园内温度推算模型还
有待后期继续检验和优化.近年来,果实膨大期的高
温热害、越冬期冻害等气象灾害时有发生,也需要分
别针对不同灾害进行继续观测分析与研究.
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作者简介  屈振江,男,1977 年生,硕士,高级工程师. 主要
从事农业气象灾害研究. E⁃mail: nju_qzj@ 126.com
责任编辑  杨  弘
2143 应  用  生  态  学  报                                      26卷