我国北方地区苹果干旱时空分布特征

程 雪 孙 爽 张方亮 张镇涛 刘志娟 王培娟 霍治国 杨晓光*

1)(中国农业大学资源与环境学院， 北京 100193)

2)(中国气象科学研究院， 北京 100081)

引 言

我国苹果生产和消费量居世界之首，随着苹果种植面积和产量逐年增加，我国苹果占世界苹果种植面积和产量的比例也在不断增加，近年来该比例达50%以上[1-3]。第5次IPCC评估报告指出，近百年全球平均表面温度升高0.85℃，高于1850—1900年变化的平均值[4]。随着全球气候变暖，近50年来我国北方干旱面积迅速扩大，极端干旱频率显著增加[5-7]，特别是华北和东北地区[8-11]。在我国北方，干旱对农业、经济及社会的影响远超过其他灾害[12-13]，不仅对我国粮食作物产量和品质产生影响，对苹果生产也有较大影响。因此，揭示我国苹果干旱发生的空间分布特征及时间演变规律，对我国苹果高产优质具有重要意义。

干旱是我国农业面临的主要灾害之一，不同领域对干旱的定义不同，分析干旱时采用的指标也各不相同[14-17]，农业生产中常考虑气象干旱和农业干旱[18]。有学者利用标准化降水指数(SPI)[19]、降水距平百分率(Ipa)[20]等气象指标分析了陕西苹果主产区干旱空间和时间变化特征，研究表明：苹果在春季发生干旱的频率和强度最高，幼果期和果实膨大期干旱对苹果生产影响较大[21-23]。有学者基于干燥度、土壤含水量、果园蒸散量等农业干旱指标综合分析了苹果干旱发生的主要时段和苹果的需水耗水规律，结果表明：9月干旱对来年春季苹果生长的影响较大，果实膨大期耗水量最大，耗水强度与水分亏缺程度呈负相关关系[24-27]。同时也对苹果干旱胁迫的发生机理也进行大量研究[28-29]。可见在部分省份苹果干旱以及干旱胁迫对苹果生理的影响等方面已开展了大量研究，但针对北方地区苹果各生育阶段的农业干旱时空分布特征及发生规律的研究仍鲜有报道。因此，本文以我国北方苹果主产省为研究区域，基于降水量、需水量、连续无降水日数及生育期日数4个因子构建的干旱指数作为苹果干旱程度的评价指标，探讨研究区域苹果各生育阶段干旱空间格局、时间演变规律及周期性特征，为我国苹果生产防旱减灾提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域

根据全国各省苹果种植面积以及产量数据(http:∥zzys.agri.gov.cn)，以1981—2016年苹果种植面积高于全国苹果总种植面积1%为原则，结合国家现代化苹果产业体系的苹果区划方案[30]，确定了本文的研究区域包括环渤海湾产区的山东省、河北省、辽宁省和北京市，黄土高原产区的陕西省、甘肃省、山西省和宁夏回族自治区，黄河故道产区的河南省(图1)。

图1 研究区域内气象站点分布

1.2 数据来源

研究区域内各省(市、自治区)苹果种植面积和产量数据来源于种植业管理司网站(http:∥zzys.agri.gov.cn)共享数据。1981—2016年地面气象观测数据来自中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)，包括逐日的日照时数、平均气压、降水量、平均风速、平均气温、日最高气温和日最低气温等。

苹果果树萌动期以平均温度稳定通过3℃为依据确定[31]。苹果其他生育期数据来源于不同地区苹果生育期调研数据，主要以晚熟品种富士苹果为主，包括研究区域内苹果花芽萌动期、盛花期、成熟期和落叶期初始日期，同时利用ArcGIS中的反距离插值结合物候定律法[32]将各地区生育期数据插值到相应的气象站点。

1.3 研究方法

1.3.1 参考蒸散量

采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[33-34]，计算各站点参考作物蒸散量：

[Δ+r(1+0.34U2)]。

(1)

式(1)中，Et0为可能蒸散量(单位:mm·d-1),T为2 m 高度日平均气温(单位：℃)，Rn为地表净辐射(单位：MJ·m-2·d-1)，G为土壤热通量(单位：MJ·m-2·d-1)，U2为2 m高度风速(单位：m·s-1)，es为饱和水汽压(单位：kPa)，ea为实际水汽压(单位：kPa)，Δ为饱和水汽压曲线斜率(单位：kPa·℃-1)，r为干湿表常数(单位：kPa·℃-1)。

1.3.2 作物系数

作物系数(Kc)是指作物某生育阶段的需水量Etc与该生育阶段的参考作物蒸散量Et0的比值，本研究中苹果各生育阶段作物系数采用1998年FAO-56推荐的分段单值平均作物系数法计算[35-36]：基于FAO推荐的标准条件下苹果发育初期Kc1、中期Kc2、后期Kc3的标准作物系数[37]，根据苹果生长发育特征，将苹果生育期划分为初始生长期(果树萌动-花芽萌动生育阶段，阶段标准作物系数为Kc1=0.6)、快速发育期(花芽萌动-盛花生育阶段，该阶段标准作物系数从Kc1=0.6上升至Kc2=0.95)、生育中期(盛花-成熟生育阶段，该阶段标准作物系数为Kc2=0.95)和成熟期(成熟-落叶生育阶段，该阶段的标准作物系数从Kc2=0.95下降至Kc3=0.75)。结合各站点气象数据及生育期数据，对苹果各生育阶段作物系数进行订正：

Kc2=Kc2+

(2)

Kc3=Kc3+

(3)

其中，h为该生育期内作物平均高度(单位：m)，本文选择树体高度为3 m[38]，U2为该生育期2 m高度日平均风速(单位：m·s-1)，RHmin为该生育期内的日最低相对湿度的平均值。RHmin可用日最高气温Tmax和日最低气温Tmin计算[37]：

(4)

1.3.3 作物需水量

作物需水量是指在作物水分供应充分、无其他限制因子的情况下获得最高产量所需要的水分总量[39]。本研究中采用FAO推荐的参考作物蒸散量乘作物系数法计算苹果各生育阶段需水量[40]：

Etc=Et0×Kc。

(5)

式(5)中,Etc为某一时刻作物需水量(单位:mm),Et0为对应时段的参考作物蒸散量(单位:mm),Kc为该时段作物系数。

1.3.4 小波分析

小波分析常用于周期分析，Morlet小波函数是小波分析中常用函数，它可以通过一簇小波函数系来无限逼近目标函数[41-42]。小波函数满足式(6)：

(6)

式(6)中，ψ(t)为基小波函数，通过改变小波函数尺度和时间轴，构建一簇函数系然后得到子小波进行小波变换(式(7))，确定小波系数，通过分析小波系数得到相关时间序列的变化规律。

(7)

1.3.5 干旱指数

本研究参考王景红等[43]的研究结果，以苹果生育期降水量、需水量、生育期日数及无降水日数4个因子构建的干旱指数为苹果干旱研究指标(式(8))。干旱指数越大，表示该生育阶段内苹果旱情越严重[38]。

(8)

式(8)中，Dri为某年某站点苹果第i个生育阶段内的干旱指数，Ci和Pi分别为该年该站点苹果第i个生育阶段需水量和降水量(单位均为mm)，Ni和Li分别为该年该站点苹果第i个生育阶段连续无降水日数和该生育阶段日数(单位均为d)。

2 结果分析

2.1 苹果各生育阶段降水量时空分布

2.1.1 苹果各生育阶段降水量空间分布特征

作物生长所需的水分主要通过大气降水补给，降水量的空间分布制约了作物的空间分布[44]。降水量的多少可以有效表征一个地区大气干旱的程度，本文基于1981—2016年逐日气象观测数据，结合苹果生育期数据，计算了过去36年苹果各生育阶段内的降水量，明确了研究区域内苹果各生育阶段降水量的空间分布特征，结果如图2所示。图2a为苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段内降水量空间分布，其值为0～111 mm，平均为15 mm，整体呈由西北向东南增加的趋势。图2b为苹果花芽萌动-盛花生育阶段内降水量空间分布，其值为2～52 mm，平均为18 mm，其中辽宁省东部降水量最多，甘肃省西北部、宁夏回族自治区北部、山西省东北部少部分地区、河北省大部分地区、山东省西部以及河南省东北部降水量较少。图2c为苹果盛花-成熟生育阶段内降水量空间分布，其值为33～885 mm，平均为454 mm，为苹果各生育阶段内降水量最多时期，整体呈由西北向东南增加的趋势。图2d为苹果成熟-落叶生育阶段内降水量空间分布，其值为1～90 mm，平均为26 mm，整体呈由西北向东南增加的趋势。

图2 1981—2016年苹果各生育阶段降水量空间分布

2.1.2 苹果各生育阶段降水量时间演变规律

基于1981—2016年苹果各生育阶段内的降水量，得到了过去36年降水量时间变化趋势，其空间分布如图3所示。图3a为苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段内降水量变化趋势的空间分布，其值为-17.62～24.72 mm/(10 a)，平均为-1.01 mm/(10 a)，整体呈显著下降趋势，空间表现为南部地区的变化趋势大于北部。图3b为苹果花芽萌动-盛花生育阶段降水量变化趋势的空间分布，其值为-4.37～48.76 mm/(10 a)，平均为2.28 mm/(10 a)，整体呈显著上升趋势。图3c为苹果盛花-成熟生育阶段内降水量变化趋势的空间分布，其值为-118.16～151.87 mm/(10 a)，平均为-0.52 mm/(10 a)，整体呈下降趋势，但趋势不显著。图3d为苹果成熟-落叶生育阶段降水量变化趋势的空间分布，其值为-6.80～37.16 mm/(10 a)，平均为3.99 mm/(10 a)，整体呈现显著上升趋势。各生育阶段降水量变化趋势统计检验如表1所示。

图3 1981—2016年苹果各生育阶段降水量变化趋势(单位：mm/(10 a))空间分布

表1 苹果不同生育阶段降水量、需水量、干旱指数变化趋势统计检验

注：表中各数值表示达到0.05显著性水平的站点数。

由以上分析可以看到，我国北方地区苹果各生育阶段内降水量整体呈由西北向东南逐渐增加的特征，降水量较少的地区主要分布在甘肃省、宁夏回族自治区、河北省和北京市；苹果盛花-成熟生育阶段内降水量最多。过去36年研究区域降水量变化趋势为果树萌动-花芽萌动生育阶段内降水量呈显著下降趋势，盛花-成熟生育阶段降水量呈下降趋势但趋势不显著，花芽萌动-盛花和成熟-落叶生育阶段内降水量呈显著增加趋势。

2.2 苹果各生育阶段需水量时空分布

2.2.1 苹果各生育阶段需水量空间分布特征

本文基于1981—2016年研究区域各站点逐日气象观测数据，结合苹果生育期数据，利用式(5)，计算得到过去36年北方地区苹果各生育阶段的需水量，明确了研究区域内苹果需水量空间分布特征，结果如图4所示。图4a为苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段内需水量空间分布，其值为2～71 mm，平均为38 mm。图4b为苹果花芽萌动-盛花生育阶段内需水量空间分布，其值为14～131 mm，平均为43 mm，其中辽宁省西部需水量最多，河南省东部少部分地区需水量最少。图4c为苹果盛花-成熟生育阶段内需水量空间分布，其值为431～884 mm，平均为610 mm，其中北部地区需水量较南部多。图4d为苹果成熟-落叶生育阶段内需水量空间分布，其值为16～92 mm，平均为45 mm。

2.2.2 苹果各生育阶段需水量时间演变规律

基于1981—2016年苹果各生育阶段内的需水量，得到了过去36年需水量时间变化趋势，其空间分布如图5所示。图5a为苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段内需水量变化趋势空间分布，其值为-7.22～8.77 mm/(10 a)，平均为1.67 mm/(10 a)，整体呈显著上升趋势。图5b为苹果花芽萌动-盛花生育阶段内需水量变化趋势空间分布，其值为-7.63～13.79 mm/(10 a)，平均为0.35 mm/(10 a)，整体呈显著上升趋势。图5c为苹果盛花-成熟生育阶段内需水量变化趋势空间分布，其值为-66.65～69.36 mm/(10 a)，平均为-0.96 mm/(10 a)，整体呈显著下降趋势。图5d为苹果成熟-落叶生育阶段内需水量变化趋势空间分布，其值为-16.92～4.85 mm/(10 a)，平均为-1.07 mm/(10 a)，整体呈显著下降趋势。各生育阶段需水量变化趋势统计检验如表1所示。

由以上结果可以看到，我国北方地区苹果各生育阶段内需水量空间分布存在差异，苹果盛花-成熟生育阶段需水量为全生育阶段内最多。过去36年北方苹果需水量变化趋势为果树萌动-花芽萌动和花芽萌动-盛花生育阶段显著上升，盛花-成熟和成熟-落叶生育阶段显著下降。结合降水量和需水量的空间分布特征可以看出，降水量与需水量具有一定的耦合效应，降水量少的地区需水量较多，如甘肃省、宁夏回族自治区、河北省、北京市以及辽宁省西部。

图4 1981—2016年苹果各生育阶段需水量空间分布

图5 1981—2016年苹果各生育阶段需水量变化趋势(单位：mm/(10 a)空间分布

2.3 苹果各生育阶段干旱指数时空分布

2.3.1 苹果各生育阶段干旱指数空间分布特征

干旱指数既可以表征气候的干燥情况，又与苹果自然供水与生理需水相结合，可以有效反映不同地区苹果干旱程度，本文基于1981—2016年逐日气象观测数据，结合苹果生育期数据，利用式(8)得到北方地区苹果不同生育阶段干旱指数，其空间分布特征如图6所示。由图6可以看到，研究区域内苹果不同生育阶段干旱指数空间分布存在差异，不同生育阶段干旱程度由高到低依次为花芽萌动-盛花生育阶段、果树萌动-花芽萌动生育阶段、成熟-落叶生育阶段和盛花-成熟生育阶段，且整体呈由西北向东南干旱程度逐步降低的分布特征。图6a为苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段干旱指数空间分布特征，其干旱指数为0.29～81.98，平均为14.27，高值区主要分布在甘肃省西北部、宁夏回族自治区北部、山西省中部、河北省南部、北京市、山东省北部以及辽宁省西部部分地区，低值区主要分布在河南省南部以及陕西省南部少部分地区。图6b为苹果花芽萌动-盛花生育阶段干旱指数空间分布特征，其干旱指数为0.92～150.70，平均为18.73，高值区主要分布在河北省大部分地区、北京市、甘肃省西北部和宁夏回族自治区，低值区主要分布在辽宁省、河南省南部、陕西省南部和甘肃省南部少部分地区。图6c为苹果盛花-成熟生育阶段干旱指数分布特征，其干旱指数为0.33～31.58，平均为2.03，该生育阶段干旱程度较低，空间分布整体呈由西北向东南逐渐减轻的趋势。图6d为苹果成熟-盛花生育阶段干旱指数分布特征，其干旱指数为0.58～123.22，平均为13.39，高值区主要集中在甘肃省西北部、宁夏回族自治区北部、河北省、山东省和辽宁省部分地区，低值区主要集中在辽宁省东部、陕西省南部及河南省西部部分地区。

图6 1981—2016年苹果各生育阶段干旱指数空间分布

2.3.2 苹果各生育阶段干旱指数时间演变规律

基于1981—2016年苹果各生育阶段内的干旱指数，得到了过去36年干旱指数时间变化趋势，其空间分布如图7所示。图7a为苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段干旱指数变化趋势空间分布，其变化范围为-27.50～36.84/(10 a)，平均为3.90/(10 a)，整体呈显著上升趋势。图7b为苹果花芽萌动-盛花生育阶段干旱指数变化趋势空间分布，其变化范围为-88.45～42.19/(10 a)，平均为-3.14/(10 a)，整体呈显著下降趋势。图7c为苹果盛花-成熟生育阶段干旱指数变化趋势空间分布，变化范围为-2.10～2.84/(10 a)，平均为-0.01/(10 a)，整体呈显著下降趋势。图7d为苹果成熟-落叶生育阶段干旱指数变化趋势，其变化范围在-123.17～25.76/(10 a)，平均为-1.65/(10 a)，整体呈显著下降趋势。各生育阶段干旱指数变化趋势统计检验如表1所示。

结合降水量与干旱指数空间分布特征可以发现，研究区域内苹果干旱指数空间分布特征与降水量空间分布特征一致，整体呈由西北向东南逐渐变化的趋势。花芽萌动-盛花生育阶段干旱程度最严重，盛花-成熟生育阶段干旱程度最小。过去36年北方地区苹果干旱指数变化趋势表现为果树萌动-花芽萌动生育阶段干旱指数显著上升，其他生育阶段干旱指数均显著下降。

图7 1981—2016年苹果各生育阶段干旱指数变化趋势(单位：(10 a)-1)空间分布

2.3.3 苹果各生育阶段干旱周期性变化规律

揭示研究区域内苹果干旱发生的周期规律对苹果生产防旱减灾具有重要作用，本文利用研究区域苹果干旱指数和年份数据，通过Morlet小波函数计算得到苹果不同生育阶段干旱发生的周期特征，结果如表2所示。由表2可以看到，苹果不同生育阶段干旱发生周期存在较大差异，如苹果果树萌动-花芽萌动生育阶段发生干旱的周期约为3年、6年和10年；苹果花芽萌动-盛花生育阶段发生干旱的周期约为2年、5年和18年，该生育阶段干旱发生的周期最短；苹果盛花-成熟生育阶段发生干旱的周期约为3年、7年和24年,苹果成熟-落叶生育阶段发生干旱的周期约为3年、8年和24年,苹果盛花-成熟生育阶段和成熟-落叶生育阶段干旱发生的周期较其他生育阶段长。

表2 1981—2016年苹果各生育阶段干旱发生周期

3 结论与讨论

本文以北方苹果主产省为研究区域，利用研究区域内站点逐日气象观测数据及苹果生育期数据，统计分析了研究区域内苹果各生育阶段降水量和需水量时空分布特征，基于降水量、需水量、无降水日数、生育期日数4个因子构建的干旱指数为研究指标，明确了1981—2016年研究区域内苹果不同生育阶段干旱的空间分布特征及时间变化趋势，结合小波分析方法，揭示了过去36年苹果不同生育阶段干旱发生的周期规律，得到如下结论：

1) 研究区域内降水量呈由西北向东南增加的趋势，干旱指数空间分布与降水量空间分布特征一致，干旱程度由西北向东南降低；降水空间分布结合干旱指数空间分布可以看到,降水量较多的区域发生干旱的程度较轻；研究区域内降水量时间变化趋势表现为果树萌动-花芽萌动和盛花-成熟生育阶段降水量呈下降趋势，其他生育阶段内降水量整体呈增加趋势。

2) 苹果不同生育阶段干旱程度分析结果表明:花芽萌动-盛花生育阶段干旱程度最重，甘肃省、宁夏回族自治区、河北省及北京市苹果干旱较为严重；对于年际变化趋势，过去36年研究区域内干旱指数在果树萌动-花芽萌动生育阶段干旱程度呈加重趋势，其他生育阶段干旱程度整体呈减轻趋势。

3) 过去36年研究区域苹果不同生育阶段干旱发生周期规律存在差异。各生育阶段不同尺度干旱发生周期规律表现为果树萌动-花芽萌动和花芽萌动-盛花生育阶段干旱发生的周期较短，其中苹果花芽萌动-盛花生育阶段干旱发生周期最短，周期为2年。

结合我国苹果实际生产情况可以发现，研究区域内干旱程度较大的甘肃省西北部地区苹果的实际种植面积较小，对我国北方地区苹果生产影响不大，但干旱程度较大的辽宁省西部、河北省、山东省西北部，这些地区苹果的实际种植面积较大，对我国北方苹果影响较大，因此，要重视该地区苹果干旱问题，通过防旱减灾措施减少干旱对苹果产量和品质的影响，特别要重视果树萌动-花芽萌动和花芽萌动-盛花生育阶段干旱的防御。

本文是针对北方地区苹果干旱的基础研究，旨在揭示北方苹果干旱发生的主要生育阶段和空间分布特征。利用降水量、需水量、连续无降水日数以及生育期日数4个因子构建的干旱指数作为苹果农业干旱指标，分析了我国北方地区苹果各生育阶段干旱的时空演变特征和周期规律。该方法既可以表征气候的干燥情况，又与苹果自然供水及生理需水相结合，还可以有效地表征不同地区苹果干旱程度的大小，但未考虑土壤水分含量以及灌溉对果树生长的影响，这对北方地区尤其是降水量短缺的地区苹果生长的影响尤为突出。本文在进行作物需水量的计算中，对不同地区不同生育阶段的作物系数进行订正，同时将各地区划分的苹果生育期数据采用反距离差值结合物候定律的方法差值到各气象站点中，但由于数据有限，不同地区苹果生育期采用多年平均值，并未考虑气候变化背景下各年代生育期的变化。多年平均生育期尽管没有考虑气候变化背景下物候的变化，但在苹果各生育阶段干旱空间分布在分析中仍然具有可比性。此外，由于苹果历年灾情数据有限，并未对干旱指数的等级进行划分和验证。在今后研究中，需对生育期数据进行完善，针对不同生育阶段、不同地区苹果干旱指数进行等级划分并根据苹果灾害数据进行验证，同时结合不同地区苹果实际生产数据对苹果生产中干旱分布特征进行具体分析，使研究结论更具有实用性和代表性。