烟台苹果气候产量与生育期气象因子的灰色关联分析

李秀美，范宝伟，魏 然，闫军辉，刘苏涛，宋旭峰

(信阳师范学院 地理科学学院/河南省水土环境污染协同防治重点实验室/豫南岩矿宝玉石鉴定及加工中心, 河南 信阳 464000)

0 引言

当前气候正以前所未有的速度变暖，在未来几十年里，极端高温和降雨事件将变得更加频繁[1]。温度、降水、光照等气象因素的变化改变了农作物生长所需的光热水土等生长环境，进而影响区域农作物生产条件及产量[2]。苹果是重要的经济作物，在世界上广泛栽培。据统计，我国苹果种植面积和产量连续10年位居世界各国第一[3]。苹果产量及品质与气象因子息息相关，在全球气候变暖的背景下，苹果产量对气候变化的响应和适应机制也成为决策者和果农备受关注的焦点问题[4]。近年来，学者围绕气候变化与苹果的交叉领域进行了大量研究，主要从气候资源利用[5]、栽培技术[6]、气象灾害[7]等方面开展了相关田间试验和综合性分析。然而，相关研究主要集中于陕西、山西、甘肃、新疆、云南等地区，对于山东烟台地区的相关研究较少。不同区域气候存在较大差异，对苹果生产的影响也不相同。烟台属暖温带季风气候，具有生产优质苹果的区位优势，是中国苹果主产区和优势产区，鲜果常年出口量在中国排名第一[8]。研究气候变化等相关因素对烟台地区苹果产量的影响，对充分发挥苹果主产区的区位资源优势，增强果农适应多变气候的能力，具有重要的现实意义。王崇红等[9]从地形地貌、土壤、气候3个影响因素进行分析，对烟台市苹果产业发展提出了优化建议。丁锡强等[10]首次应用统计学方法建立了基于气象因子的烟台苹果始花期预测模型，但模型预测的准确性还有待进一步改善和订正。孙振生等[11]利用烟台多年气候整编资料，根据苹果生长适宜的环境条件，认为晚霜冻、大风和冰雹是影响烟台苹果生长发育的主要气象灾害。此外，对2016年烟台苹果生育期观测资料和同期气象数据的分析发现，干旱、高温、短时强降水和大雾等也是造成烟台地区苹果减产的重要原因[12]。

现有研究或是集中于对多年气候整编资料的单一分析，或是针对某一特定年份苹果减产的原因分析，缺少长时间尺度气候变化对烟台苹果关键生育期产量的量化研究。因此，本研究运用1996-2016年烟台市苹果产量数据及气象资料数据，采用灰色关联分析方法，对近21年来烟台苹果产量与不同生育期气象因子进行量化分析，明确不同生育期对苹果气候产量影响的关键气象因子，以期保障烟台市苹果种植业的持续健康发展，为该地果业生产应对气候变化提供理论决策依据。

1 材料和方法

1.1 基础数据

烟台市历年苹果产量、历年苹果果园面积数据来源于《山东统计年鉴》(1996—2016年)；气象资料来源于中国气象数据网中国地面气候资料月值数据集(http://data.cma.cn/)。其中，气象资料包括1996—2016年中国气象站烟台福山基本站(113°15′E、37°30′N)平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数、日照百分率及平均风速的月值气候数据。根据烟台物候观测资料和当地农业部门数据将烟台苹果的生长周期划分为休眠期(当年11月—次年2月)、萌芽期(3月)、花期(4月)、幼果期(5月)、膨果期(6月—8月)、成熟期(9月—10月)6个生长阶段。

1.2 研究方法

1.2.1 气候产量计算

农作物产量受自然与非自然因素的影响[13]。为了区分两种因素，一般可以将农作物的实际产量y分解为趋势产量yt、气候产量yi和随机误差e三个部分[14]。其中：趋势产量主要反映着技术水平发展下的产量，也被称为技术产量；气候产量指受气候要素变化影响下的波动产量；随机误差是随机因素影响下的产量分量。由于扰动项的随机性较强，随机误差e常忽略不计。因此，气候产量表示为yi=y-yt。本文采用一次指数平滑法计算苹果的趋势产量，计算公式为yt=αy+(1-α)yt-1，其中：yt为本年的预测值(即趋势产量)，y为上一年的实际产量，yt-1为上一年的预测值，阻尼系数α取0.3。最后利用气候产量公式yi=y-yt得出烟台苹果各年的气候产量。

1.2.2 邓氏关联分析模型

为精确地量化不同生长阶段各气象因素对苹果气候产量的影响，本文采用邓氏灰色关联分析模型[15]进行分析。邓氏灰色关联分析模型以灰关联四公理为基础，根据序列中对应点之间的距离，测量系统中因子变化趋势的相似性。具体步骤如下：

设系统特征行为序列为

X0=(X0(1),X0(2),…,X0(n));

系统的相关因素序列为

Xi=[Xi(1),Xi(2),…,Xi(n)](i=1, 2，…，n)。

(1)采用Z_score方法进行标准化处理并计算关联系数：

ξ0i(k)=

式中：ξ为分辨系数，目的是扩大相关系数之间差异性，ξ∈(0,1)，通常取0.5；ξ0i(k)为关联系数，

(2)计算加权联度：

式中γ(X0,Xi)为X0与Xi的邓氏关联度。

本文以1996—2016年烟台市苹果的气候产量为特征行为序列，以1996—2016年烟台地区苹果生长周期中的主要气象因素(平均气温、降水量、平均相对湿度、日照时数、日照百分率和平均风速等)为相关因素行为序列，运用邓氏灰色关联分析的应用模型进行计算，得到烟台苹果不同生长阶段气象因素与苹果气候产量的灰色关联度。关联度从大到小排序，关联度越大，说明该生长阶段的气象因素对气候产量影响越大。

2 结果与分析

2.1 1996—2016年烟台市苹果产量变化

烟台市1996—2016年各年的苹果实际产量、趋势产量和气候产量变化如图1所示。近21年以来烟台市苹果实际产量和趋势产量呈显著上升趋势，但气候产量上升趋势微弱。气候产量变化有2个明显的波谷，2002年气候产量最低，为-3.41 t/hm2，1997年气候产量次之，为-1.15 t/hm2。气候产量最大值出现在2008年，为7.92 t/hm2。

图1 1996—2016年烟台地区苹果的年均产量、趋势产量、气候产量分析图Fig. 1 Chart of annual average yield, trend yield and climatic yield of apples in Yantai from 1996 to 2016

2.2 1996—2016年烟台市气象因素变化特征

2.2.1 1996—2016年烟台市各气象因素年均值变化

1996—2016年烟台地区各气象因素年均值变化如图2所示。近21年来烟台地区气温总体呈上升趋势，变化范围为11.93～13.69 ℃，多年年均温度12.95 ℃。降水量总体呈上升趋势，变化范围为339.40～957.40 mm，多年年平均降水量632.69 mm。1999、2000、2002、2004—2006年以及2014—2016年降水量较少，显著低于过去21 a平均值。1996—2016年期间烟台地区日照百分率变化整体呈下降趋势，变化范围53%～65%，平均值为58%。日照时数与日照百分率变化趋势一致，在2 354.20～2 909.10 h之间波动。苹果生长要求年日照时数为1700～2200 h，日照百分率达50%以上。1996—2016年烟台地区日照条件均可达到或超过苹果对光照条件的需求。年均相对湿度在1996—2016年期间总体呈上升趋势，多年平均相对湿度63%，相对湿度最大和最小值分别发生在2013年和2008年。1999、2002、2004、2005、2007、2008和2009年相对湿度较低，均低于研究时段内的多年平均值。20年内烟台地区年均风速变化总体呈下降趋势，多年平均值为3.20 m/s，其中2002年风速最高，为3.60 m/s，2009年风速最低，为2.68 m/s，2004—2010年期间风速低于1996—2016年的平均风速值。

图2 1996—2016年烟台地区年均苹果气候产量和年均气象因素变化Fig. 2 The changes of annual average apple climatic yield and annual average meteorological factors in Yantai from 1996 to 2016

2.2.2 1996—2016年烟台苹果不同生长阶段气象因素变化特征

1996—2016年烟台市苹果休眠期温度、风速、日照百分率和日照时数整体呈下降趋势，降水量和相对湿度整体呈增长趋势(图3a)。冬季苹果树必须在一定的低温条件下才能正常休眠，最冷月平均气温在-10～10 ℃方能满足果树对气温的要求。但若温度过低，且大气相对湿度低于45%时，会造成果树抽条严重[16]。1996—2016年烟台苹果休眠期月均温度在0.15～3.65 ℃间变化，相对湿度在54.5%～69.8%间变化，能够满足苹果休眠期对温度和相对湿度指标的要求。

1996—2016年烟台市苹果萌芽期温度变化范围2.90～8.60 ℃(图3b)。果树地上部分开始活动的临界日平均气温为3 ℃，气温上升到5 ℃时果树开始萌芽[16]。2010年烟台苹果萌芽期平均温度最低，为2.9 ℃，不能满足苹果幼芽萌发对温度的需求。萌芽期内降水量在不同年份之间波动较大，2007年和2010年萌芽期降水量较多，利于果树萌芽。而2000年、2011年和2015年萌芽期内降水量稀少，不能达到苹果萌芽对水分的需求。萌芽期相对湿度在44%～62%之间变化，波动性较大。日照百分率和日照时数整体呈上升趋势，光照较为充足。除2007年日照百分率较低(48%)外，其余年份萌芽期日照百分率都基本在60%以上。苹果萌芽期内风速变化波动性较大，在2.90～4.90 m/s之间变化。其中2013年风速最高，达到4.40 m/s，大风天气容易致使花芽受冻，不利于苹果萌芽。

图3 1996—2016年烟台地区苹果休眠期(a)和萌芽期(b)的气象因素变化Fig. 3 The changes of meteorological factors during period of dormancy (a) and germination (b) of apple in Yantai region from 1996 to 2016

烟台市苹果花期温度在1996—2016年期间整体呈上升趋势(图4a)，变化范围9.20～14.40 ℃，多年平均温度12.67 ℃，花期气温条件较好。花期降水量在不同年份之间变化较大，在8.3～78.2 mm之间波动，2011年降水量最少，1997年次之，偏少的降水量对成花不利。花期光照较充足，相对湿度在43%～67%之间变化，风速在3.10～4.80 m/s之间变化。2002年以及2011—2013年风速较高，达到4.50 m/s以上，大风天气易使花芽受冻，影响苹果花期正常授粉受精。

1996—2016年烟台苹果幼果期温度变化在波动中略呈上升趋势(图4b)，多年平均温度18.87 ℃，变化范围17.90～21.0 ℃。降水量在19.20～129.60 mm之间波动，波动性较大，该期降水量低于66 mm影响坐果率，进而影响产量。幼果期相对湿度在48%～64%之间变化，总体呈下降趋势，2011年相对湿度过低，对果实同化作用不利。幼果期光照充足，日照百分率波动范围50%～76%，利于果实成长。幼果期风速变化范围2.40～4.20 m/s，其中2014年风速最大，大风会刮落幼果，影响产量。

图4 1996—2016年烟台地区苹果花期(a)和幼果期(b)的气象因素变化Fig. 4 The changes of meteorological factors during the flowering stage (a) and young fruit stage(b) of apple in Yantai region from 1996 to 2016

烟台市苹果膨果期内气象因素变化见图5(a)。膨果期温度在1996—2016年期间整体呈上升趋势，变化范围为23.63～26.13 ℃。1997年果实膨大期温度最高,高温可能诱发“日烧”伤果，影响果实生长。果实膨大期需要大量的水分供应，烟台苹果膨果期降水量在45.03～232.93 mm之间波动，其中1997年和2002年膨果期降水量偏少，会对苹果产量及品质造成不良影响。膨果期多年相对湿度平均值73%，变化范围66%～80%，是苹果整个生育期相对湿度最高的时期。日照时数变化波动性较大，1997年和2004年分别为膨果期日照时数最强和最弱的年份。日照百分率在39%～65%之间波动。苹果正常生长要求日照百分率达50%以上，烟台苹果2004年和2011年膨果期日照百分率偏低，分别为39%和43%，对苹果生长不利。膨果期风速变化总体呈下降趋势，其中2002年风速最高，1997年次之，大风天气会刮落大量果实，对果实膨大发育不利。

图5 1996—2016年烟台地区苹果膨果(a)和成熟期(b)的气象因素变化Fig. 5 The changes of meteorological factors during the tuft stage (a) and maturity stage (b) of apple in Yantai region from 1996 to 2016

苹果成熟期气温以13～20 ℃为宜，1996—2016年烟台市苹果成熟期气温在16.65～19.95 ℃之间波动，多年平均值18.26 ℃，利于果实成熟、着色(图5b)。成熟期降水量波动性较大，最小值和最大值分别为5.85 mm和124.15 mm，分别发生在1997年和2007年。成熟期降水量过大或者过小都会对苹果产量产生负面影响。成熟期长时间的连阴雨天气会导致光照不足，对苹果着色及品质造成不良影响[17-18]。烟台市苹果成熟期日照百分率和日照时数整体略呈下降趋势，日照百分率变化范围49%～70%。2007年苹果成熟期连阴雨天气最多，日照时数最少，对苹果生长不利。1996—2016年苹果成熟期内风速在2.25～3.85 m/s之间变化。1997年风速最高，达到3.85 m/s，2002年次之，大风天气对成熟后期苹果果实发育不利。

2.3 烟台地区苹果不同生长阶段的气象因素对气候产量影响的灰度分析

苹果不同生长阶段对光、热、水等气候资源的需求不尽相同。1996—2016年烟台地区苹果气候产量与不同生长阶段气象因素的灰色关联性及排序见表1。结果表明，在烟台苹果各个生育阶段对苹果气候产量影响排前两位的气象因素是风速和气温，而对苹果气候产量影响最小的气象因素是日照时数。但由各灰色关联度值可知，不同生长阶段不同气象因素对苹果气候产量的影响程度不同。降水在膨果期对苹果气候产量的影响较小，但在其他生育期内降水对苹果气候产量影响仅次于风速和气温。日照百分率在膨果期对苹果气候产量影响较大，仅次于风速和气温，但在其他生育期内对苹果气候产量影响较小。相对湿度在膨果期对苹果气候产量影响也较大，但在其他生育期内对苹果气候产量影响相对较小。

表1 烟台地区苹果气候产量与不同生长阶段气象因素的灰色关联性及排序Tab. 1 Grey correlation bteween apple climatic yield and climatic factors at different growth stages in Yantai

3 讨论

3.1 风速对烟台苹果气候产量的影响

大风是造成烟台市苹果减产、减收的主要灾害性天气。由灰度分析结果(表1)可知，各气象因子中风速对苹果气候产量影响最大。相关分析也表明近21年烟台市苹果气候产量与风速存在显著的负相关关系(r=-0.679,p<0.01)。大风对苹果整个生育期均会产生不良影响。萌芽期和花期大风会致使花芽受冻，不利于苹果萌芽开花，此时大风还会造成蒸发加剧，吹干花柱，影响苹果花期正常授粉受精；幼果期和膨果期大风常伴随区域性暴雨或强对流天气，导致果实被大量刮落、树木断枝或倒伏，造成苹果减产；成熟期大风天气常常带来强冷空气，造成降温，不利于成熟后期苹果果实发育。研究时段内烟台市年均风速较大的两个年份(1997年和2002年)，苹果气候产量最低。2002年苹果休眠期、萌芽期、花期、膨果期、成熟期风速均较高，对苹果萌芽开花、授粉受精以及果实的膨大成熟造成了不利影响，苹果生产遭受严重损失，气候产量为21年最低值(-3.41 t/hm2)。1997年苹果幼果期、膨果期、成熟期风速极高，易造成幼果落果，影响幼果膨大和果实增长，气候产量仅为-1.15 t/hm2。2013年烟台苹果萌芽期、花期和膨果期风速极高，对苹果的萌芽开花和授粉受精不利，苹果气候产量为1.93 t/hm2。2014年为研究21 a内幼果期风速最大的年份，极大的风速严重影响果实坐果，苹果气候产量仅为1.74 t/hm2。因此，大风是影响烟台苹果气候产量极为重要的一项气象因素。为了提高烟台苹果防御大风灾害的能力，需要在烟台苹果生产中采取相应的防风措施，例如在果园周围种植高大树木和林带作为防风墙、集中连片种植、起垄栽培、立架栽培等，以提高烟台苹果的产量和品质。

3.2 气温、降水、光照等因素对烟台苹果气候产量的影响

区域光、热、水等气候资源直接影响苹果的质量和品质。由灰度分析结果可知，气温在烟台苹果各生育期内对苹果气候产量影响仅次于风速。苹果树喜低温，要求冬无严寒、夏无酷暑。生育期内温度过高或者过低均不利于果实生长。休眠期小于7.2 ℃的低温达1200～1500 h才能顺利自然休眠；萌芽期气温上升到5 ℃时果树才开始萌芽；花期最适宜气温为15～17 ℃，期间气温低于 2 ℃影响正常开花；果实生长期以18～24 ℃的温度为宜[11]。1996—2016年烟台地区年均气温变化呈增长趋势，但温度变化的季节性差异较为显著，苹果休眠期温度整体呈下降趋势，而萌芽期、花期和幼果期温度显著上升。1997年烟台苹果幼果期和成熟期温度较低，而膨果期温度过高，对果实生长发育造成不良影响，导致该年份苹果生产损失严重。1996年、2005年、2010年、2012年和2013年烟台市苹果萌芽期平均温度均低于5 ℃，不利于果树萌芽生长。2011年、2002年和2014年成熟期温度偏低，影响当年果实产量。在苹果生长过程中可以通过浇水、熏烟、放置烟雾发生器等方法来预防低温冻害的影响，如遇高温热害，可通过推迟套袋等措施防止果实日灼[19]。

苹果树耐干旱，通常年降水量500～600 mm即可满足苹果树正常生长。苹果不同生长阶段对水分的要求不同， 3—5 月为苹果萌芽、开花和幼果形成期，该时期内对水分需求较大，6—9 月果实生长期要求水分适宜，降水过多不利于根系生长[11]。1996—2016年烟台年均降水量633 mm，但降水量年际变化大且季节分布不均，季节性不均造成的干旱和雨涝灾害会影响苹果的产量和品质。由灰度分析结果可知，除膨果期外，在烟台苹果其他生长期内降水量对苹果气候产量的影响均较大。2000年、2011年、2014年和2015年萌芽期内降水量稀少，不利于果树萌芽生长；1997年、2000年和2011年苹果花期降水量偏低，不利于花芽形成；1996年、1999—2001年、2011年、2012年、2014年以及2015年幼果期降水量偏少，会引起幼果脱落，影响产量；1997年、2004年以及2006年苹果成熟期降水量过低，容易造成苹果上色慢、上色难，甚至出现返青、日烧现象，造成果实产量下降；2007年和2011年苹果成熟期降水量异常偏多，也不利于果实产量增长。因此季节性降水分布不均是影响烟台苹果的产量的重要因素，建议苹果种植选址要充分考虑园区土壤保墒能力，在园内建设水利设施便于旱季浇灌，进而有利于苹果产量的提高。

苹果树喜光，光照充足条件下，苹果树才能正常的开花结果。一般年日照时数2000 h 左右、日照百分率50%以上最为适宜。1996—2016年烟台日照条件较好，年均日照时数2583 h，年均日照百分率58%，苹果各生长季日照条件基本均可达到或超过苹果对光照条件的要求。但是灰度分析结果显示在膨果期内日照百分率对烟台苹果气候产量影响较大。在2004年和2011年的膨果期烟台日照百分率仅分别为39%和43%，不利于果实膨大，影响果实的品质和产量。

苹果生长期间适宜的空气湿度能促进光合作用，并影响果实的品质和病虫害的发生。研究发现果实发育期相对湿度为60%～70%时，对苹果生长最为适宜[12]。灰度分析显示膨果期内相对湿度对苹果气候产量影响较大。1996年、1998年、2012年和2013年膨果期相对湿度均超出了苹果果实发育期的适宜范围，可能会引发病虫害，易造成果实脱落，影响产量。因此，果实发育期应注意加强通风、透气和透光，并及时喷洒农药，减小因空气湿度大而造成的病虫害等危害。

4 结论

1996—2016年烟台市苹果气候产量在波动中有微弱上升趋势。研究时段内烟台市年均气温、年均降水量和年均相对湿度总体呈上升趋势，然而年均日照时数、年均日照百分率和年均风速总体呈下降趋势；气象要素季节性变化差异较大，苹果不同生育期内各气象要素变化不同，对苹果气候产量的影响程度也不同。分析发现大风是影响烟台苹果气候产量极为重要的一项气象因素，在烟台苹果各生育阶段内对苹果气候产量影响最大的气象因素是风速，其次是气温，影响最小的气象因素是日照时数；降水在膨果期对苹果气候产量的影响较小，但在其他生育期内其对苹果气候产量影响仅次于风速和气温；日照百分率和相对湿度在膨果期对苹果气候产量影响较大，但在其他生育期内对苹果气候产量影响较小。为应对大风、低温等气象灾害，需要加强苹果各生育期气象灾害的预报预警，有针对性地在烟台苹果生产中采取相应的管理措施，以提高烟台苹果的产量和品质。