基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用.pdf
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1、收稿日期:2022-08-11基金项目:上海市气象局科技开发项目(MS202017)作者简介:张皓(1982),男,硕士,高级工程师,研究方向为农业气候资源与系统模拟。E-mail:上海农业学报 2023,39(4):47-54http:Acta Agriculturae ShanghaiDOI:10.15955j.issn1000-3924.2023.04.07张皓,高慧莉,金凤雷,等.基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用J.上海农业学报,2023,39(4):47-54.基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用张 皓1,2,高慧莉1,金凤雷3,林雪君3,包吉蕾1,邵 晨1,马
2、琳1(1上海市松江区气象局,上海 201620;2上海市生态气象和卫星遥感中心,上海 200030;3上海市梨研究所,上海 201699)摘 要:农产品气候品质评价是合理利用区域气候资源优势,助力农产品品牌战略和提升市场竞争力的重要举措之一。基于 20112022 年上海市松江仓桥地区逐日气象观测资料和水晶梨品质测定数据,采用主成分分析和逐步回归等统计方法,建立基于水晶梨综合气候品质指数的气候品质评价模型,并在区域范围内开展应用。水晶梨综合气候品质指数(V)由最大单果重、平均单果重、可溶性固形物和横径 4 个品质测定要素降维简化成的 2 个相关性较低的主成分加权求和而成,权重系数为各主分量对应
3、的特征值占变量总方差的比例。采用有序样本最优聚类法将水晶梨气候品质划分为 4 个等级,“特优”“优”“良好”“一般”所对应的阈值分别为 V 0.9、0.85 V0.9、0.8 0.9,0.85 V0.9,0.8 1,即新数据大于原有数据样本序列的最大值时,取 yij=1。2 结果与分析2.1 水晶梨综合气候品质指数对 20112020 年水晶梨的品质测定数据进行标准化后,采用主成分分析方法,得到 4 个主成分相应的特征值与累计方差贡献率(表 1)。可见,前 2 个主成分的累计方差贡献率为 93.884%,超过 90%的设定标准,故选择前 2 个主成分所对应的特征值占变量总方差的比例作为权重系数
4、(表 2),利用式(2)得到2 个新参量,可表示为:V1=0.339yi1+0.319yi2+0.147yi3+0.334yi4V2=-0.151yi1-0.272yi2+1.009yi3-0.032yi4(4)再根据(3)式,取 L=2,进而得到表征水晶梨综合气候品质指数(V)的表达式:V=0.76 V1+0.24 V2(5)各主成分的系数矩阵(表 2)反映了 2 个新变量与原有各品质因子之间的相关性,如表可见第 1 主成分与果重、横径的相关性较高,主要反映果实的大小,代表水晶梨的外观品质;第 2 主成分与可溶性固形物的相关性较高,主要反映果实的含糖量高低,代表水晶梨的食味品质。94张皓等:
5、基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用表 1 各主成分的特征值及其方差与累计方差贡献率Table 1 Eigenvalue and cumulative variance contribution rates for each principal component成分特征值方差贡献率%累积方差贡献率%12.85971.46971.46920.89722.41593.88430.1874.66698.55040.0581.450100.000表 2 各主成分对应的水晶梨品质因子系数矩阵Table 2 Coefficient matrix for quality factor of cry
6、stal pear corresponding to each principal component品质因子成分12单果重0.339-0.151最大单果重0.319-0.272固形物0.1471.009横径0.334-0.0322.2 水晶梨气候品质等级划分结合水晶梨品质检测数据及式(5)对 20112020 年逐年综合气候品质指数(V)进行回算,采用有序样本最优聚类方法,确定综合气候品质指数等级的划分区间和分段阈值指标,以及各年气候品质等级的分布情况(表 3)。在近 10 年评价结果中,2012 年和 2014 年水晶梨气候品质等级为“特优”“优”“良”的等级各有 3 年,2016 年和
7、2020 年等级相对较低,评定为“一般”。表 3 20112020 年水晶梨气候品质指数的分级指标和等级划分Table 3 Grading index and the climatic quality levels of crystal pear from 20112020等级赋值阈值(V)年份年数特优10.902012,20142优20.85 V0.902019,2015,20133良30.80 V0.852018,2017,20113一般4V0.802016,20202图 1 20112020 年水晶梨气候品质各等级频率分布Fig.1 Grade frequency of climatic
8、 quality ofcrystal pear from 20112020 以各等级出现的年数占总年数的比例作为纵坐标,各等级的赋值(“1,2,3,4”)作为横坐标,绘制水晶梨气候品质等级频率分布图(图 1)。以 SPSS 19.0 软件为工具,采用峰度、偏度法24对综合气候品质指数各等级频率分布进行正态性检验,其峰度和偏度系数分别为-0.44 和 0.79(P 550.0)(6)式中:PI 为 47 月的降水指数,R47为 47 月累计降水量(mm)。采取相关分析法,普查 20112020 年水晶梨综合气候品质指数(V)与各时段气象统计指标之间的相关程度,初步选定 17 个气象统计指标供逐步
9、回归方法建立气候品质评价模型使用(表 4)。05上 海 农 业 学 报图 2 气象数据统计时段Fig.2 Diagram of meteorological data statistical period表 4 影响水晶梨综合气候品质指数的敏感气象因子Table 4 Sensitive meteorological factors affecting climatic quality index of crystal pear序号编号气象因子说明相关系数P1X13 月下旬4 月上旬平均相对湿度%-0.5090.052X25 月上旬平均相对湿度%-0.5780.013X35 月下旬7 月上旬平均
10、相对湿度%-0.5170.054X43 月下旬4 月上旬日照时数h0.4970.055X55 月上旬日照时数h0.5200.056X65 月下旬日照时数h0.4640.057X77 月上旬日照时数h0.4910.058X85 月下旬6 月上旬降水量mm-0.6250.019X95 月上旬降水日数d-0.5920.0110X105 月中旬降水日数d-0.5380.0511X115 月下旬7 月上旬降水日数d-0.5500.0112X125 月上旬平均气温日较差0.5770.0113X135 月下旬7 月上旬平均气温日较差0.4960.0514X146 月下旬日平均最低气温-0.5200.0515
11、X155 月中旬6 月下旬日平均最高气温-0.5380.0116X163 月上旬3 月中旬日平均最低气温-0.5590.0117X174 月上旬7 月下旬降水指数mm-0.5470.01 如表4 可见,入选的各气象因子中,与相对湿度有关的因子有3 个,与日照时数有关的因子有4 个,与降水有关(降水量、降水日数、降水指数)的因子有 5 个,与气温有关的因子(含气温日较差)有 5 个。从影响时段上看,分布在 5 月上旬果肉细胞分裂后期至成熟期的气象因子有 14 个,这说明在果实种子基本成熟后,果肉细胞进行组织分化并进入二次膨大期间的气象条件对梨果气候品质的形成至关重要。从相关性性质来看,水晶梨综合
12、气候品质指数与日照时数、气温日较差因子均呈正相关,与空气湿度、降水量(降水日数、降水指数)和极端气温等因子均成负相关。表明日照时数较多,昼夜温差较大对水晶梨气候品质形成有利;而降水量和降水日数较多,空气湿度较大以及极端的气温,则会制约水晶梨气候品质的提升。从相关程度来看,5 个和降水有关的因子与综合气候品质指数的相关程度较高,特别是 5 月下旬6月上旬的降水量、4 月上旬7 月下旬的降水指数以及5 月上旬、5 月下旬7 月中旬的降水日数4 个因子均通过 1%的显著性检验,这说明降水条件对水晶梨综合气候品质的提升起到明显的抑制作用。降水因子的影响时段主要从 5 月上旬直至 7 月上旬,涵盖从果实
13、初次膨大期后期至二次膨大期结束。结合水晶梨的生长发育过程,这一阶段果肉细胞分裂趋于停止,细胞数量趋于稳定,果实纵径基本确定,种子发育15张皓等:基于主成分分析的上海水晶梨气候品质评价与应用逐渐成熟,果实生长主要依靠果肉细胞体积膨大及细胞间隙的扩大,横径不断增加。分析认为,这一时期上海正值汛前向梅汛期过渡,降水量逐渐增多,过多的降水量和降水日数必然会造成光照不足,进而影响光合效率及光合产物向梨果实的转运,不利于果肉细胞增大和糖分积累等所需要的养分合成,进而造成果实气候品质下降。王荣英等25的研究也认为桃树果实迅速膨大期间多阴雨天气会降低果品品质。由式(6)可见,从幼果初次膨大到成熟期间的累计降水
14、量对梨果气候品质的影响表现为两个方面,降水量在550 mm 以下时,降水越多对水晶梨气候品质的形成越有利,当超过 550 mm,降水越多越不利于水晶梨气候品质指数的提升。相关程度次之的是气温方面的 5 个因子,其中气温日较差均表现为正相关关系,气温极值均表现为负相关关系。3 月上中旬正值梨花花芽萌发期,由于水晶梨属于典型的落叶果树,冬季自然休眠后需要一定的低温量才能解除休眠,正常开花结果26,而此时较低的气温有助于梨树复苏和花芽萌发,对梨果气候品质形成具有积极意义。5 月上旬和 5 月下旬7 月上旬分别为果肉细胞快速分裂后期和梨果二次膨大期,这期间气温日较差大既有利于碳水化合物的合成,减少呼吸
15、消耗,加速果实生长膨大和淀粉积累,又有助于果实中的淀粉向糖分的迅速转化,促进糖分的合成和固定。这与一些学者3,6,19,23,27研究气象条件与果实糖分积累的影响结论一致。6 月下旬正值为梨果迅速膨大期,较低的夜间气温有助于降低植株体的呼吸消耗,促使日间积累的光合产物更多地向糖分转化,对梨果气候品质提升有利。5 月中旬6 月下旬常常与上海的梅雨季相遇,此时较高的气温往往伴随着高湿的环境容易诱发病虫害,不利于果实增重和品质形成。相对湿度方面的 3 个因子与综合气候品质指数之间的相关程度弱于降水和气温,3 月下旬4 月上旬正值水晶梨初花期和落花坐果期,段晓凤等19指出开花期与幼果期主要是决定果肉细
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