中国北方苹果种植需水特征及降水适宜性

邱美娟 刘布春* 刘 园 王珂依 庞静漪2) 张晓男 贺金娜3)

1)(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室/农业部农业环境重点实验室， 北京 100081)2)(辽宁省营口市气象局， 营口 115001)3)(沈阳农业大学农学院， 沈阳 110161)

引 言

苹果(MaluspmuilaMill.)是苹果属(MalusMill.)植物之一，是世界栽培面积最广泛的果树种类之一[1]。中国苹果的栽培面积和总产量均居世界首位[2]。中国是世界第一苹果出口大国，苹果是我国最有明显竞争力的农产品之一[3]，环渤海湾地区的辽宁、山东、河北和黄土高原地区的山西、陕西、河南和甘肃7个省份是中国苹果主产省，苹果是这些地区农业经济发展的重要支柱产业[4]。然而，受果树栽培制度、人为管理方式、土壤条件、病虫害以及自然灾害等多种因素影响，中国苹果单产水平仍很低[5]。其中，水分是限制苹果单产增加和质量提高的一个重要因素[6-7]。随着全球气候变暖，不仅气温发生了变化，区域降水也发生了相应变化[8-9]。降水是我国北方苹果生产中水分的主要来源，对北方农业经济社会发展具有重要影响[10]。因此研究气候变化背景下中国北方苹果主产省苹果需水特征及其降水适宜性，对苹果产业种植规划和健康发展具有重要意义。

针对果树需水特征的研究常分为两大类。第1类是通过试验观测，利用蒸渗仪法、水量平衡法、涡度相关法、液流法等估算作物蒸腾量[11-13]。其中，近几年通过对树干边材液流速度的监测来估算树木蒸腾量的液流法得到广泛应用[14-15]，这种方法测定单株或几株植物蒸腾可以获得较准确结果，但耦合到林分水分蒸腾时并不稳定，且在土壤空间较大、树木株距较远的果园中，需要布置更多测点，才能保证蒸散的测算精度，试验成本较高。第2类是利用数学模型，通过较易获得的气象、土壤等资料进行模拟田间蒸散，如Penman-Monteith模型、Priestley-Taylor模型、Hargreaves模型、Thornthwaite模型、McCloud模型、Blaney-Criddle模型和Holdridge模型等[16-18]。其中利用联合国粮农组织(FAO)针对试验资料不足的地区和作物，提出的多种作物的标准作物系数和修正公式，通过作物系数法和由Penman-Monteith模型计算的参考作物蒸散量对作物需水量进行估算[19-20]，是目前应用最为广泛的方法之一。该方法既考虑影响蒸散的辐射和温度等气象因素，又考虑空气动力学因素，具有较强的物理依据和较高的计算精度。区域降水量与作物需水量是否匹配，匹配程度如何，可以通过降水适宜度模型表征，降水适宜度是开展农业气候资源定量分析和分类评价的重要途径[21-22]，它是将降水因子通过模糊数学中隶属函数转化为对作物生长发育、产量形成的适宜程度。20世纪90年代蒋定生等[23]建立了降水适宜度模型。随后，我国众多学者在此基础上对模型进行改进并应用到不同区域不同作物的降水适宜性研究中[24-26]。申双和等[27]计算并分析A1B气候情景下黄淮海冬麦区各个阶段冬小麦降水适宜度时空变化特点，指出各主要生育期的降水适宜度表现为返青-拔节期和抽穗-成熟期较高，拔节-抽穗期较低的特点，全生育期内降水适宜度呈先减少后增加的趋势。邱美娟等[28]和刘新等[29]分别分析了吉林省和内蒙古自治区玉米不同生育期温度、日照、降水适宜度以及综合气候适宜度的时空变化规律，均指出玉米生长的水分条件较差、水分不足是限制当地玉米生长的主要气象因素。王春玲等[30]研究甘肃省定西市1961—2010年马铃薯温度、水分和气候适宜度的时空变化特征，认为水分适宜度变化不明显。综上可见，在气候变暖背景下，不同区域不同作物的降水适宜度变化存在差异。以上研究在构建降水适宜度模型时大多未考虑水分过多可能形成湿害，在分析降水适宜度变化时均未考虑降水适宜度阈值。

地处我国黄土高原的甘肃、陕西、河南、山西以及渤海湾的山东、辽宁和河北等地是苹果生产大省。在气候变化背景下，这些地区苹果各生育阶段需水特征和降水适宜度变化规律如何，目前未见系统研究。本文利用1970—2019年我国北方7个苹果主产省及周边地区逐日气象观测数据，基于ANUSPLIN软件对逐日气象数据进行空间插值，采用最小湿度法对作物系数(Kc)进行逐日估算，尝试考虑水分不足和水分过多情况，计算需水量和降水适宜度，并结合主产区地理分布确定不同生育阶段降水适宜度阈值，进而分析各生育阶段需水特征和降水适宜度的时空变化，以期为当地苹果生产和应对极端气候变化提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域及数据来源

本文主要研究区域为渤海湾苹果产区的辽宁、河北、山东和黄土高原苹果产区的山西、河南、陕西和甘肃7个苹果主产省[1]。地理范围为31°23′～43°30′N，92°20′～125°48′E。南北方向最大跨度约为1320 km，东西方向最大跨度约为 2786 km。中国苹果产业布局在20世纪90年代中期至今一直处于调整、优化阶段，在“巩固、提高优生区，逐步淘汰非适生区”的指导思想下，苹果生产逐步向优生区集中，形成了黄土高原和渤海湾两大优势主产区。

1970—2019年7个苹果主产省及其周边100 km 范围内210个气象站的地面气象观测数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)，包括逐日最低气温、最高气温、平均气温、日照时数、降水量、相对湿度和平均风速等。对缺测较少的数据进行插补，对于气温数据利用缺测站点当日气候平均值代替，而对于降水、日照、相对湿度、风速等数据，则利用离缺测站最近气象站点的当日数据代替，如果最近气象站的数据缺测，利用次近气象站的当日数据代替，以此类推。对于缺测较多的情况，直接剔除这一年的数据。1 km分辨率的数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据来源于CGIAR-CSI SRTM中国区域数据(http:∥srtm.csi.cgiar.org/)。研究区域气象站点及高程分布见图1。苹果生育期划分参考文献[31]，主要分为萌芽-幼果期(3—5月)、果实膨大期(6—8月)和着色成熟期(9—10月)，苹果全生育期为3—10月。

图1 中国北方7个苹果主产省及周边100 km范围内210个气象站点(a)及高程(b)分布Fig.1 Distribution of 210 meteorological stations(a) and digital elevation model(b) in seven major apple producing provinces in northern China and surrounding areas within 100 km

1.2 研究方法

1.2.1 基于ANUSPLIN的气象要素空间插值

基于普通薄盘和局部薄盘样条函数插值理论，ANUSPLIN除了可以引入自变量外，还允许引入协变量。本研究将海拔高度作为协变量引入插值过程。将1 km分辨率的DEM数据重采样为0.02°，基于ANUSPLIN插值软件对逐日气象数据进行插值，得到0.02°×0.02°精细化气象格点数据。ANUSPLIN插值的具体原理和方法参考文献[32-33]。为了降低ANUSPLIN插值在研究区域边界的误差，利用研究区域内173个气象站及其周边100 km范围内37个气象站共210个气象站一并进行插值，提取研究区域结果进行分析。

1.2.2 作物系数的确定

利用FAO56推荐的最小湿度方法[34-35]订正作物系数Kc。根据FAO56的研究和苹果树生育特性，将苹果树划分为初始生长期(萌芽-开花期，3月上旬—5月下旬)、生长中期(果实膨大期-成熟初期，6月上旬—9月上旬)、生长后期(成熟中后期，9月中旬—10月下旬)3个生育阶段确定Kc。周珊珊[36]通过试验研究得到2008—2010年陕西省黄陵县东部塬面(35.6°N，108.6°E)红富士苹果树在充分灌水条件下的需水量，本研究通过计算当地参考蒸散量与需水量的比值，并参考FAO56中对苹果各生育阶段作物系数标准值的设定以及其他相关研究[37-38]，将研究区域苹果初始生长期作物系数取0.60，标准状态下生长中期和生长后期的作物系数分别取为0.9和0.88，株高取值为3.5 m，而对非标准条件下生长中期作物系数和生长后期作物系数需进行修正，具体订正方法参考文献[34-35]。通过作物系数订正公式可以得到逐日的作物系数Kc值。

1.2.3 需水量的计算

(1)

式(1)中，w为相应生育阶段苹果树生长的生理需水量(单位：mm)，n为某一生育阶段的日数(单位：d)，i为日序，Kci为第i日的作物系数，Eti为第i日的作物参考蒸散量(单位：mm)，根据FAO 1998年推荐的Penman-Monteith模型[35]计算获得。

1.2.4 降水适宜度的计算及阈值

降水适宜度是指降水量满足苹果生长发育阶段所需水量的程度，计算公式为

u=p/w。

(2)

式(2)中，u为降水适宜度，p为不同生育阶段的降水量(单位：mm)。

降水适宜度等于1时，表示苹果水分供需平衡。相关研究[39]指出，水分适度亏缺有利于苹果品质的提高，使苹果口感更佳。因此，根据已有研究[40-41]，利用百分位数法[40]将萌芽-幼果期第55百分位数对应的降水适宜度值、其他生育期第40百分位数对应的降水适宜度值作为最适宜苹果生长的临界值。另外，根据赵政阳[1]对中国苹果优势主产区的划分及研究成果，本文假设苹果优势主产区内，降水基本满足各个生育阶段苹果生长需求，即将苹果优势主产区内苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期的降水适宜度值的最大、最小值定义为各生育阶段降水适宜度阈值的上、下限。各生育阶段降水适宜度阈值的具体划分结果见表1。

表1 各生育阶段降水适宜度阈值的划分Table 1 Division of precipitation suitability threshold in different growth stages

1.2.5 全生育期降水适宜度指数

利用苹果各个生育阶段的降水适宜度值构建苹果全生育期的降水适宜度指数，进行苹果全生育期降水适宜性的评估。为了消除不同生育阶段降水适宜度数量级的差异，对各个生育阶段的降水适宜度进行归一化处理，即

(3)

式(3)中，uD为降水适宜度的归一化值，u为指标的原值，umin和umax分别为降水适宜度的最小值和最大值。

苹果全生育期降水适宜度指数计算模型为

ug=uD1×uD2×uD3。

(4)

式(4)中，ug为苹果全生育期的降水适宜度指数，uD1，uD2，uD3分别为萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期的降水适宜度的归一化值。

另外，还采用气候倾向率、变异系数、极差等数理统计方法研究苹果各生育阶段需水量和降水适宜度的变化趋势及空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 需水量估算的合理性验证

在分析苹果需水特征前，首先对需水量估算的合理性进行检验。2008—2010年周珊珊[36]在陕西省黄陵县东部塬面(35.6°N，108.6°E)开展红富士苹果树蒸腾需水特征的研究，设置灌水处理和不灌水处理两种试验，利用热扩散茎流测定系统(TDP)茎流计对苹果蒸腾进行测定，得到该地区苹果各关键生育期在充分灌溉条件下的需水量。本研究根据ANUSPLIN软件对气象要素插值的结果，利用最邻近距离法从研究区域及其周边共614385个格点气象数据中提取陵县东部塬面的气象要素，利用上述确定作物系数及需水量的方法，计算该地区苹果各个生育期需水量。将计算的需水量与周珊珊[36]在该地实测需水量之差除以实测需水量，得到各生育期需水量的相对误差，以此判断本研究计算得到需水量的准确性和作物系数Kc确定方法的可靠性。

本研究计算得到的2008年苹果全年、萌芽-幼果期和果实膨大期的需水量、2009年果实膨大期需水量比实测值偏大，其他各个时段需水量均比实测值偏小。总体上，各生育期需水量的相对误差在10.0%以内(表2)，说明本研究计算的苹果需水量与实测值基本相吻合。苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期需水量平均相对误差分别为5.1%，6.7%，6.7%和5.0%。因此，本研究采取的作物系数的确定方法合理可行，得到的苹果需水量基本准确。

表2 陕西省黄陵县东部塬面苹果计算需水量相对误差(单位：%)Table 2 Relative error of simulated water requirement of apple on the eastern tableland in Huangling County,Shaanxi Province(unit:%)

2.2 研究区域苹果全年需水量时空变化特征

2.2.1 空间分布

由图2a可见，1970—2019年苹果全年平均需水量为500～800 mm的区域面积占研究区域的87.1%。高值区主要分布在甘肃北部，全年平均需水量大于800 mm，约占研究区域的12.3%，主要由于该地区气温高，蒸发大。低值区主要分布在辽宁东部局部地区、陕西南部和甘肃南部局部地区，全年平均需水量小于600 mm，约占研究区域的12.4%，其中全年平均需水量小于500 mm的地区仅占研究区域的0.6%，分布在陕西南部和甘肃南部零星区域。苹果优势主产区全年平均需水量为412.8～798.5 mm，其中大部分地区为500～800 mm，约占主产区的99.9%。

2.2.2 年际变化

苹果全年需水量的年际变化总体呈波动变化，研究区域苹果全年需水量变异系数均为0.03～0.08(图略)。全年平均需水量极差大部分地区为150～250 mm，甘肃西南地区需水量极差小于150 mm，甘肃西北部地区需水量极差在250 mm 以上(图略)。从苹果全年需水量变化气候倾向率的空间分布(图2b)看，16.2%的地区呈显著降低趋势(达到0.05显著性水平)，主要位于甘肃西部、河北南部局部、河南东部局部和山东中西部地区；仅1.8% 的地区呈显著升高趋势(达到0.05显著性水平)，主要分布于甘肃南部；其他大部分地区变化不显著。

图2 1970—2019年研究区域苹果全年需水量(a)及其气候倾向率(b)空间分布Fig.2 Spatial distribution of statistical eigenvalues of annual water requirement for apple(a) and corresponding climate tendency rate(b) in the study area from 1970 to 2019

2.3 苹果关键生育期需水量时空变化特征

2.3.1 空间分布

苹果主产省苹果各生育期需水量空间分布见图3。大部分地区苹果萌芽-幼果期平均需水量在120～210 mm，占研究区域的88.6%；甘肃西北部局部地区、山东和河北交界处局部地区需水量大于210 mm，占研究区域的10.9%；甘肃南部局部地区和陕西南部局部地区需水量小于等于20 mm，占研究区域的0.4%。其中，苹果优势主产区在萌芽-幼果期的平均需水量为94～208 mm，除零星地区需水量小于120 mm外，主产区需水量均为120～208 mm，需水量为150～180 mm的区域约占主产区面积的一半(53.6%)。大部分地区苹果果实膨大期平均需水量为250～450 mm，占研究区域的88.8%；甘肃北部地区需水量大于450 mm，占研究区域的9.3%；甘肃南部局部地区和陕西南部局部地区需水量小于等于250 mm。其中，苹果优势主产区在果实膨大期的平均需水量为189～408 mm，其中79.2% 的区域需水量为250～350 mm。苹果着色-成熟期平均需水量大多为100～160 mm，占研究区域的85.2%；甘肃西北部和山东东部局部地区需水量在160 mm以上，辽宁南部局部地区、甘肃南部局部地区和陕西南部局部地区需水量小于等于100 mm，占研究区域的11.0%。其中，苹果优势主产区在着色-成熟期的平均需水量为86.2～175.3 mm，其中92.9%的区域需水量为100～160 mm。总体上，苹果各生育期需水量在甘肃西北部高于其他地区，这可能是与该地区干旱少雨，风沙严重，白天气温高，蒸发强烈等有关。

在研究区域苹果全年平均需水量中，萌芽-幼果期平均需水量占全年平均需水量的比率达到0.186～0.282；果实膨大期平均需水量占全年平均需水量的比率最大，达到0.392～0.562，大部分地区在0.450 以上；着色-成熟期平均需水量占全年平均需水量的比率为0.159～0.282(图略)。由此可见，苹果果实膨大期需水量大于萌芽幼果期，着色-成熟期需水量相对最小。

2.3.2 年际变化

研究区域苹果萌芽-幼果期需水量变异系数为0.05～0.12，高值区主要位于河南大部和山西东部(图略)。大部分区域需水量极差不高于200 mm，占研究区域的91.7%，甘肃西南部和祁连山地区极差在200 mm以上(图略)。从萌芽-幼果期需水量变化的气候倾向率(图3)看，有23.9%的区域呈显著升高趋势(达到0.05显著性水平)，主要分布在甘肃南部、陕西西北和东南部以及河南的西南部地区。果实膨大期需水量变异系数均为0.02～0.11(图略)，需水量极差均小于等于187 mm(图略)，从气候倾向率看，仅有15.6%的区域呈显著降低趋势(达到0.05显著性水平)，主要分布在甘肃西部局部地区、山东中西部、河北南部局部地区和河南东部局部地区(图3)。着色-成熟期需水量变异系数均为0.06～0.15(图略)；需水量极差为28.0～86.9 mm(图略)；从气候倾向率看，有20.2% 的区域呈显著降低趋势(达到0.05显著性水平)，主要分布在甘肃西部局部、山东大部和河北东南部地区(图3)。总体上看，各关键生育期苹果需水量在大部分区域年际变化不显著。

图3 1970—2019年苹果关键生育期平均需水量及其气候倾向率空间分布Fig.3 Spatial distribution of average water requirement and corresponding climate tendency in key growth stages of apple in the study area from 1970 to 2019

2.4 研究区域苹果全年降水适宜度时空分布特征

由表1可见，优势主产区苹果全年降水适宜度阈值的下限和上限分别为0.49和2.07，结合百分位数法确定全年降水适宜度最适宜临界值为0.71。由图4a可见，研究区域1970—2019年平均全年降水适宜度呈由北向南逐渐增加的空间分布特征。研究区域大部分区域降水适宜度为0.49～2.07，约占研究区域的85.4%。降水适宜度为0.71～1.00 的区域占研究区域的39.8%，主要分布在辽宁西部、河北东北部、山东北部、河南北部、山西大部、陕西中部和甘肃东部地区，这些地区是降水最利于苹果生产的区域。河西走廊以及甘肃西端是全年降水适宜度的低值区，降水适宜度小于0.49，约占研究区域的14.5%。辽宁的东部、山东南部、河南南部、陕西南部和甘肃南部地区是降水适宜度的高值区，降水适宜度大于1.00，约占研究区域的29.4%；其中降水适宜度大于2.07的区域约占研究区域的0.20%，主要分布在陕西南部零星地区。由降水适宜度的定义可知，降水适宜度越小，则降水量越小于需水量，降水过低可能导致苹果生产过程中的干旱发生；降水适宜度大于1，则降水量大于需水量，降水过多也可能导致内涝。

从1970—2019年苹果全年降水适宜度气候倾向率的空间分布看(图4b)，全年降水适宜度变化趋势不显著。全年降水适宜度极差的空间分布与全年平均降水适宜度的空间分布相似，呈北低南高的空间分布特征，在河西走廊以及甘肃西端小于等于0.5，辽宁的东部、河南南部和陕西南部地区大于2.0(图略)。研究区域全年降水适宜度变异系数均在0.11以上(图略)。

图4 1970—2019年研究区域苹果全年降水适宜度(a)及其气候倾向率(b)空间分布Fig.4 Spatial distribution of annual precipitation suitability for apple(a) and corresponding climate tendency rate(b) in the study area from 1970 to 2019

2.5 苹果关键生育期降水适宜度时空特征

2.5.1 萌芽-幼果期降水适宜度时空特征

根据苹果优势主产区地理分布和百分位数法，得到苹果萌芽-幼果期的降水适宜度阈值下限和上限分别为0.25和1.70，最适宜临界值为0.55(表1)。由图5a可见，在苹果萌芽-幼果期，研究区域的降水适宜度呈由北向南逐渐增加的空间分布特征。其中，87.4%的区域降水适宜度均在阈值上下限范围内，表明大部分地区的降水适宜度都能够满足苹果萌芽-幼果期对水分的需求。尤其是降水适宜度为0.55～1.00的区域是最利于该生育期苹果生长的地区，占整个研究区域的36.9%，主要分布在辽宁中东部大部、山东南部、河北北部局地、山西南部和东部、河南北部、陕西中部以及甘肃南部和东部地区。河西走廊和甘肃西端是低值区，降水适宜度小于0.25，约占研究区域的11.9%，陕西南部局地和河南南部局地为高值区，降水适宜度大于1.7，约占研究区域的0.7%。降水适宜度过低可能导致苹果萌芽-幼果期发生干旱；降水适宜度过高可能引发内涝。旱涝会引起苹果落花，降低坐果率，水分供给适宜利于提高果树光合效率，使果树开花、坐果等生育过程顺利进行。

图5 1970—2019年研究区域苹果萌芽-幼果期降水适宜度(a)及其气候倾向率(b)空间分布Fig.5 Spatial distribution of precipitation suitability at germination and young fruit period of apple(a) and corresponding climate tendency rate(b) in the study area from 1970 to 2019

从1970—2019年萌芽-幼果期降水适宜度气候倾向率(图5b)看，只有0.3%的上升区域达到0.05的显著性水平，主要分布在甘肃西端局部地区。降水适宜度极差的空间分布与降水适宜度平均值的空间分布相似，呈北低南高的空间分布特征，在河西走廊以及甘肃西端极差小于等于0.5，河南中南部地区、山东南部局部和陕西南部局部地区大于2.0，大部分地区极差为0.5～2.0(图略)。研究区域萌芽-幼果期降水适宜度变异系数大多在0.15以上，且大部分地区为0.40～0.80(图略)。

2.5.2 果实膨大期降水适宜度时空特征

根据苹果果实膨大期降水适宜度、苹果优势主产区地理分布和百分位数法等，得到苹果果实膨大期降水适宜度阈值下限和上限分别为0.54和2.25，最适宜临界值为0.82(表1)。从苹果果实膨大期降水适宜度的空间分布(图6a)看，大部区域的降水适宜度为0.54～2.25，占整个研究区域的85.6%，其中降水适宜度为0.82～1.00的区域约占整个研究区域的20.4%，主要分布在辽宁西北部局部地区、河北南部和北部局部地区、河南北部局部地区、山西西部、陕西中部以及甘肃东部局部地区，这些区域的降水条件最利于苹果果实膨大期的生长。其中，辽宁东部局部地区和陕西南部局部地区降水适宜度大于2.25，约占整个区域的0.7%；甘肃西端和河西走廊地区的降水适宜度未超过0.54，约占整个区域的13.7%。果实膨大期通常是苹果生长需水的关键期，水分条件主要影响果实膨大、内在品质、果形等，水分供应充足，可以促进果实膨大，且利于着色，但是水分过多也会影响花芽形成，还可造成新梢生长过旺。

近50年苹果果实膨大期降水适宜度的变化均不显著，未达到0.05的显著性水平(图6b)。降水适宜度极差大部分地区为0.75～2.50(图略)。降水适宜度变异系数均在0.15以上，河南南部、甘肃西北部和河北北部局部地区在0.45以上(图略)。

图6 1970—2019年研究区域苹果果实膨大期降水适宜度(a)及其气候倾向率(b)空间分布Fig.6 Spatial distribution of precipitation suitability at expanding period of apple(a) and corresponding climate tendency rate(b) in the study area from 1970 to 2019

2.5.3 着色-成熟期降水适宜度时空特征

苹果着色-成熟期降水适宜度阈值的下限和上限、最适宜临界值分别为0.46和2.65，0.56(表1)。从图7a看，大部区域苹果着色-成熟期的降水适宜度为0.46～2.65，占整个研究区域的84.9%；降水适宜度为0.56～1.00的区域主要分布在辽宁南部和中西部大部、河北大部、山东大部、山西大部、河南北部、陕西北部和甘肃中部和东部局部地区，占整个研究区域的47.1%。这些区域的降水条件最利于苹果着色-成熟期的生长。降水适宜度大于2.65、小于0.46的区域分别约占研究区域的0.6%和14.5%，对应分布在陕西南部局部、河西走廊和甘肃西端。苹果着色-成熟期，如果水分过多，排涝不及时，容易引起裂果或者果实病害，影响品质和产量；如果过于干旱，则会影响果实着色或造成采前落果。

近50年苹果着色-成熟期降水适宜度在大部分地区变化不显著，仅3.5%的区域呈显著降低趋势(达到0.05显著性水平)，主要分布在辽宁中部和山东东部局部地区；4.5%的区域呈显著升高趋势(达到0.05显著性水平)，分布在河北中部、山西北部局部地区和甘肃西端局部地区(图7b)。降水适宜度极差在甘肃西北部小于1.0，陕西南部较大，大于5.5 (图略)。降水适宜度变异系数普遍较大，均在0.21以上(图略)。

图7 1970—2019年研究区域苹果着色-成熟期降水适宜度(a)及其气候倾向率(b)空间分布Fig.7 Spatial distribution of statistical characteristic values of precipitation suitability at coloring and maturity period of apple(a) and corresponding climate tendency rate(b) in the study area from 1970 to 2019

2.6 苹果全生育期降水适宜性评价

利用ArcGIS软件中的自然断点分级法对苹果全生育期平均降水适宜度指数进行分级，将整个区域分为适宜区、次适宜区和不适宜区，结果见图8。苹果全生育期降水适宜度的最适宜区主要分布在陕西中部、甘肃东南部、山西东部和南部、河北东北部、辽宁中部和南部、山东南部和东部以及河南北部地区，占整个研究区域的31.9%。该区域的降水基本满足苹果各生育期对水分的需求，降水量与需水量匹配较好，苹果的优势主产区多数(62.4%)分布于该区域内。降水适宜度的次适宜区占整个研究区域的50.6%，苹果优势主产区内有36.7%的地区分布于该区域内。甘肃西端和河西走廊一带、辽宁东部、河南南部、陕西南部和甘肃南部局部地区是降水适宜度的不适宜区，占整个研究区域的17.5%。辽宁东部、河南南部和陕西南部主要由于雨水过多不利于苹果的种植，如河南南部局部地区和陕西南部局部地区即使在枯水年，当地降水量仍在950 mm以上[42]；甘肃西端和河西走廊一带主要是由于降水过少，即使在丰水年，当地降水量仍在500 mm以下，受多种环境因素的影响，当地苹果实际种植面积较小。

图8 苹果全生育期降水适宜性划分Fig.8 Division of precipitation suitability in apple growth period

3 结论与讨论

本文以中国北方7个苹果主产省为研究区域，利用研究区域及周边100 km范围内气象站点逐日气象数据及1 km分辨率的DEM数据，采用最小湿度法对作物系数Kc进行逐日估算，并采用ANUSPLIN插值软件对逐日气象数据进行空间插值，结合苹果优势主产区和百分位数法，确定各生育期降水适宜度上、下限阈值和最适宜的临界值，进而计算分析1970—2019年研究区域苹果各关键生育期需水量和降水适宜度的时空变化特征，得到如下结论：

1) 研究区域苹果全年平均需水量多为500.0～800.0 mm，其中苹果优势主产区为412.8～798.5 mm。苹果萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期需水量分别为120～210 mm，250～450 mm 和100～160 mm 的区域占研究区域总面积的88.6%，88.8% 和85.2%。其中优势主产区平均需水量为94～208 mm，189～408 mm和86.2～175.3 mm。各生育期平均需水量占全年平均需水量的比率分别为0.186～0.282，0.392～0.562和0.159～0.282。

2) 根据苹果各生育期降水适宜度和苹果优势主产区地理分布，得到苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期的降水适宜度阈值范围分别为0.49～2.07，0.25～1.70，0.54～2.25和0.46～2.65，最适宜临界值分别为0.71，0.55，0.82和0.56。各生育期降水适宜度处在阈值范围内的区域分别占研究区域的85.4%，87.4%，85.6%和84.9%。在最适宜临界值至水分供需平衡范围内的区域分别占研究区域的39.8%，36.9%，20.4%和47.1%。

3) 1970—2019年各生育期需水量的年际变化在大部分区域不显著，果实膨大期和着色-成熟期分别有15.6%和20.2%的区域呈显著降低趋势(达到0.05显著性水平)；萌芽-幼果期有23.9%的区域呈显著升高趋势(达到0.05显著性水平)。苹果萌芽-幼果期和着色-成熟期降水适宜度在绝大部分区域变化趋势不明显，只有极小部分区域达到0.05显著性水平，但不同生育阶段变化趋势显著的区域及范围略有不同；全年和果实膨大期降水适宜度变化均不明显。

4) 对苹果全生育期的降水适宜性评价结果表明：研究区域最适宜区、次适宜区和不适宜区分别占研究区域的31.9%，50.6%和17.5%。

本研究根据逐日气象条件，利用FAO56推荐的最小湿度法对苹果作物系数进行订正，得到每日作物系数，较各生育阶段的作物系数设为一个固定值估算林果水分适宜度更能体现作物系数的动态变化。然而，苹果初始生长期、生长中期和生长后期在标准状态下的作物系数全区设置相同，可能对订正结果有影响。

周珊珊[36]利用TDP对陕西省黄陵县东部塬面(35.6°N，108.6°E)富士苹果树干液流进行为期3年的定点定位观测，研究表明苹果果实膨大期需水量大于萌芽-幼果期，大于着色-成熟期，与本研究的结论一致。通过周珊珊[36]的研究得到苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期需水量分别可达到640～690 mm，170～190 mm，303～320 mm和100～120 mm，对比可知，本研究计算得到的苹果全年、萌芽-幼果期、果实膨大期和着色-成熟期的需水量与此基本一致。说明本研究作物系数的设定比较合理。

大多数研究在构建降水适宜度模型时，将降水量大于需水量时的适宜度设置为1，仅考虑水分不足情况，未考虑水分过多情况，而本文构建的降水适宜度模型可以直观地体现水分的盈亏状况，但模型中未考虑土壤湿度情况，也未考虑前期降水形成的底墒，使研究结果存在一定的误差。另外，本研究仅从降水角度分析研究区域苹果生育期的降水适宜性，但降水适宜性较差并不代表该地区不能种植苹果，一些降水适宜度较低但具有较好地下水资源和良好灌溉条件的地区、降水适宜度较高且具有较好防涝排水设施的地区仍然具备种植苹果的条件。

本文利用ANUSPLIN插值软件和1 km分辨率的DEM数据对苹果主产省及其周边区域气象站点历年气象数据进行空间插值，得到0.02°×0.02°的格点数据，在格点数据基础上进行各统计量的计算。相比基于有限气象站点数据的研究，结果更精细化，对认识区域苹果需水特征和降水适宜性具有较高的参考价值。

由于我国苹果优势主产区主要依靠自然降水满足苹果生长的需求，本文基于苹果优势主产区地理分布、百分位数法和主产区各个生育期降水适宜度值等确定各生育阶段降水适宜度阈值上限、下限和最适宜临界值，这种获取各生育阶段降水适宜度阈值的方法具有一定的可行性，但若要获得准确的降水适宜度阈值，还需要通过观测试验进一步获取。另外，研究中未考虑不同苹果树种、树龄需水量的差异，后续在有条件的基础上，需通过观测试验做进一步深入分析。