劉錦月， 鞏鐵雄， 喬江波， 韓曉陽(yáng)， 朱元駿,

(1.中國(guó)科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

近年來(lái)全球氣候變暖的趨勢(shì)越來(lái)越明顯[1]。氣候變暖使中國(guó)的熱量資源增多，作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)種植帶不斷北移，進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響[2]。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)蘋果種植業(yè)發(fā)展迅速，形成了5個(gè)主要的蘋果產(chǎn)區(qū)：黃土高原、西南冷涼高地、黃河故道、渤海灣和新疆[3]。氣候變化和經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)蘋果產(chǎn)區(qū)逐漸向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移，使得黃土高原成為中國(guó)兩大蘋果主產(chǎn)區(qū)之一[4]。黃土高原蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一方面增加了農(nóng)民收入，另一方面還改善了局地生態(tài)環(huán)境。量化蘋果種植業(yè)分布、變化規(guī)律及影響因素對(duì)區(qū)域蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣具有重要意義。

長(zhǎng)期以來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)蘋果主產(chǎn)區(qū)的遷移、氣候適宜性以及蘋果品質(zhì)方面進(jìn)行了研究。屈振江等[4]分析了1981—2010年氣象資料和“富士”蘋果種植區(qū)分布數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)黃土高原的陜西、山西和甘肅是“富士”的氣候適宜區(qū)。魏欽平等[5]認(rèn)為“富士”、“喬納金”和“新紅星”等蘋果品種的最優(yōu)栽培氣候區(qū)在黃土高原和甘肅隴東，“富士”、“喬納金”的優(yōu)質(zhì)栽培氣候區(qū)是渤海灣地區(qū)，西南高地局部小氣候是“新紅星”的最適生態(tài)區(qū)。余優(yōu)森等[6]研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原、西秦嶺山地、川西北和川西南山地以及甘肅、新疆等蘋果產(chǎn)區(qū)的品質(zhì)最優(yōu)。白秀廣等[7]指出，降水量的增加會(huì)對(duì)蘋果主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)布局變遷產(chǎn)生負(fù)面影響；氣溫的適度升高和日照時(shí)數(shù)的增加對(duì)黃土高原區(qū)蘋果生產(chǎn)布局變遷有利。朱琳等[8]研究發(fā)現(xiàn)，陜西蘋果種植適宜區(qū)北緣已由原來(lái)延安以南北移至安塞和延川一帶，并且逐漸向北延伸到府谷、神木經(jīng)榆林南端至橫山一帶。張穎聰?shù)萚9]運(yùn)用GIS技術(shù)與重心理論分析了2005—2015年蘋果生產(chǎn)數(shù)據(jù)，指出氣候變化和國(guó)家政策等因素導(dǎo)致中國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)西移。張山清等[10]研究發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)溫度升高對(duì)不同地形蘋果種植產(chǎn)生不同影響，蘋果次適宜種植區(qū)明顯擴(kuò)大，適宜種植區(qū)減小。

上述研究指出了蘋果種植業(yè)在黃土高原的擴(kuò)張路線及影響因素，但大部分是從全國(guó)或者蘋果主產(chǎn)區(qū)等大尺度上得出的結(jié)論，對(duì)黃土高原區(qū)域內(nèi)蘋果種植業(yè)的變化規(guī)律還缺少系統(tǒng)分析。本文以黃土高原4個(gè)蘋果主產(chǎn)省為研究對(duì)象，以29個(gè)市為基本地域單元，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)空間分析方法，量化黃土高原蘋果種植面積和氣象因子的時(shí)空變化，探討區(qū)域蘋果生產(chǎn)布局的變化趨勢(shì)和規(guī)律，為黃土高原蘋果產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

黃土高原(33°—41°N，100°—114°E)位于太行山以西、日月山以東、秦嶺以北、陰山以南，總面積64萬(wàn)km2，橫跨青、甘、寧、蒙、陜、晉、豫7省，海拔800～3 000 m。黃土高原屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度為3.6～14.3℃，年降水量為150～750 mm，且多集中在6—9月(占全年降水量的55%～78%)。區(qū)域土壤類型主要是黃綿土以及黃綿土上發(fā)育而成的地帶性土壤，如塿土和黑壚土。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

本文以黃土高原29個(gè)蘋果主產(chǎn)市為研究對(duì)象(圖1)，從統(tǒng)計(jì)年鑒上獲取29個(gè)蘋果主產(chǎn)市2005年、2010年和2015年的蘋果種植面積數(shù)據(jù)；從國(guó)家氣象中心下載2005年、2010年和2015年29個(gè)主產(chǎn)市氣象站年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況

1.3 分析方法

在ArcGIS中用柱狀圖表示出2005年、2010年和2015年29個(gè)市蘋果種植面積，用Excel計(jì)算三年蘋果種植面積差值(2015年減去2010年和2010年減去2005年)，用克里金插值法對(duì)29個(gè)市蘋果種植密度、年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)進(jìn)行空間插值，然后對(duì)2005年、2010年和2015年29個(gè)市蘋果種植密度、年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)創(chuàng)建漁網(wǎng)和多值提取至點(diǎn)(圖2)，提取29個(gè)市共164個(gè)點(diǎn)蘋果種植密度、年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)，利用SPSS進(jìn)行蘋果種植密度與年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)的相關(guān)分析。

普通克里金(Ordinary Kriging)是區(qū)域化變量的線性估計(jì)，它假設(shè)數(shù)據(jù)變化成正態(tài)分布，認(rèn)為區(qū)域化變量Z的期望值是未知的。插值過(guò)程類似于加權(quán)滑動(dòng)平均，權(quán)重值的確定來(lái)自于空間數(shù)據(jù)分析，是從變量相關(guān)性和變異性出發(fā)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)的一種方法。

克里金方法公式統(tǒng)一表示為：

(1)

式中：Z(x0)為未知樣點(diǎn)的值；Z(xi)為未知樣點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的值；λi為第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重；n為已知樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果種植面積變化

2005—2015年黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)種植面積在區(qū)域尺度上變化明顯(圖3)。蘋果種植面積在空間上呈現(xiàn)以咸陽(yáng)和運(yùn)城變?yōu)橐韵剃?yáng)和延安為極值的發(fā)展趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：甘肅省東部、陜西省中北部和山西省西部地區(qū)的種植面積變化趨勢(shì)明顯；2005年蘋果種植主要集中在咸陽(yáng)和運(yùn)城，2010年蘋果種植面積在咸陽(yáng)和延安形成極值區(qū)域，2015年與2010年相比平?jīng)觥⒂芰?、延安、咸?yáng)和銅川蘋果種植面積繼續(xù)增加。從圖3中可知，近10 a甘肅省東部蘋果種植面積變化幅度較大，天水、平?jīng)龊蛻c陽(yáng)蘋果種植面積增加，白銀蘋果種植面積呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，說(shuō)明隴東蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。陜西省蘋果種植面積除了西安以外，其他縣市蘋果種植面積都顯著增加，空間分布格局呈現(xiàn)以咸陽(yáng)為中心逐漸變?yōu)橐韵剃?yáng)和延安雙中心為主，說(shuō)明陜西省蘋果種植逐漸向北部發(fā)展。2005年山西省運(yùn)城是蘋果種植的極值地區(qū)，2010年以后，蘋果種植面積整體減少，其中以臨汾和運(yùn)城蘋果種植面積變化明顯，且運(yùn)城蘋果種植面積銳減。河南省2005—2015年蘋果種植面積空間分布有向西移動(dòng)的趨勢(shì)，洛陽(yáng)蘋果種植面積明顯減少，三門峽蘋果種植面積增加。

圖2 采樣點(diǎn)分布圖

為了進(jìn)一步分析蘋果種植面積變化趨勢(shì)，我們計(jì)算2005年、2010年和2015年蘋果種植面積差值(2015年減去2010年和2010年減去2005年)(圖4)。從圖4可知，黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)種植面積出現(xiàn)不同層次的變化趨勢(shì)，2010—2005年種植面積變化幅度大于2015—2010年蘋果種植面積變化。甘肅省東部(天水、平?jīng)龊蛻c陽(yáng))增加趨勢(shì)明顯；陜西省咸陽(yáng)、延安和渭南是蘋果種植面積增加最大的區(qū)域，只有西安蘋果種植面積呈現(xiàn)負(fù)值；山西省2005—2015年蘋果種植面積變化幅度不大，整體出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，運(yùn)城蘋果種植面積變化出現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)明顯；河南省三門峽市近10 a蘋果種植面積顯著增加。蘋果種植面積變化的原因在于：(1) 蘋果種植帶來(lái)高收益促使更多的農(nóng)戶種植蘋果；(2) 黃土高原氣候暖干導(dǎo)致適宜蘋果種植的區(qū)域向西北擴(kuò)張。

圖3 2005年、2010年和2015年黃土高原蘋果主產(chǎn)市種植面積

圖4 2005-2010年和2010-2015年黃土高原年平均蘋果種植面積變化

2.2 蘋果種植區(qū)氣象差異因素分析

用克里金插值法對(duì)2005年、2010年和2015年29個(gè)市蘋果種植密度、年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)進(jìn)行空間插值，對(duì)蘋果種植密度、年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)創(chuàng)建漁網(wǎng)和多值提取至點(diǎn)(圖2)，提取29個(gè)市共164個(gè)點(diǎn)蘋果種植密度、年平均氣溫、年平均降水量和年平均日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，分析得出蘋果種植密度與年平均氣溫、年平均降水量和年日平均照時(shí)數(shù)的相關(guān)性(表1)。

氣候變化可以影響蘋果的各個(gè)生育期[11-13]。研究表明，蘋果種植有其最佳的氣候條件(表2)[14-19]。黃土高原地下水埋藏普遍較深，因此蘋果產(chǎn)區(qū)的灌溉比例很低，蘋果形狀指數(shù)、硬度、可溶性糖和果皮花青素依賴于降水；在年平均溫度相對(duì)較高的地區(qū)，糖酸比通常較高，但果實(shí)硬度較低，這些水果不能長(zhǎng)期保存。相反，在年平均溫度低的區(qū)域，可滴定酸含量太高，這可能影響蘋果口感。植物在進(jìn)行光合作用時(shí)日照是一個(gè)必不可少的因素，日照的變化在蘋果種植方面有很大的影響，在蘋果形狀指數(shù)、果皮花青素和糖酸比例方面，足夠的日照時(shí)數(shù)對(duì)于確保優(yōu)質(zhì)蘋果非常重要。日照時(shí)間不足可能影響果實(shí)著色和糖分積累；但是大量的日照時(shí)間會(huì)降低果實(shí)形狀指數(shù)。

表1 相關(guān)分析結(jié)果

注：**.在0.01級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著。

表2 主要?dú)庀笠蛩貙?duì)蘋果品質(zhì)的影響和最適范圍

2.2.1 年平均降水量 從圖5可知，3 a年平均降水量有明顯的變化。具體表現(xiàn)為甘肅省東部臨夏、定西和天水降水量明顯減少；陜西省寶雞、渭南、延安和榆林降水量明顯增加；山西省東部降水量明顯減少，尤其是晉城和長(zhǎng)治。2010年與2015年相比，研究區(qū)域中部年平均降水量減少。由表2可知，適宜于蘋果種植的最佳降水量范圍在500～800 mm，結(jié)合圖3蘋果種植面積的出現(xiàn)極值的區(qū)域(咸陽(yáng)、延安、渭南和運(yùn)城)年平均降水量都在400 mm以上，尤其是咸陽(yáng)、渭南和運(yùn)城的年平均降水量在500 mm以上。根據(jù)表1可知，年平均降水量對(duì)蘋果種植面積有顯著影響(p<0.01，皮爾遜系數(shù)0.429)，且蘋果種植面積與平均降水量呈正相關(guān)。

2.2.2 年平均氣溫 從2005年、2010年和2015年的年平均氣溫變化可知，研究區(qū)年年平均氣溫沒有明顯的變化。甘肅省定西年平均氣溫明顯降低，陜西省榆林南部年平均氣溫增加，山西省朔州年平均氣溫增高。結(jié)合圖6和表2可知，適宜蘋果種植的最佳氣溫范圍在8～13℃，近10 a整個(gè)黃土高原29個(gè)市的年平均氣溫都在8℃以上，尤其是咸陽(yáng)、渭南和運(yùn)城的年平均氣溫10～13℃之間。根據(jù)表1可知，平均氣溫對(duì)蘋果種植面積有顯著影響(p<0.01，皮爾遜系數(shù)0.487)，且蘋果種植面積與平均氣溫呈正相關(guān)。

2.2.3 年平均日照時(shí)數(shù) 從三年的年平均日照時(shí)數(shù)變化(圖7)來(lái)看，黃土高原29個(gè)市的年平均日照時(shí)數(shù)變化明顯，從東南向西北方向明顯減少，尤其是山西省日照時(shí)數(shù)明顯下降。由表3可知，適宜蘋果種植的最佳日照時(shí)數(shù)范圍在2 200～2 600 h；結(jié)合圖3和圖4可知，近10 a甘肅省東部天水和平?jīng)鎏O果種植面積增加；陜西省蘋果種植面積空間分布格局以咸陽(yáng)為中心逐漸變?yōu)橐韵剃?yáng)和延安的雙中心為主，榆林市的蘋果種植面積顯著增加，說(shuō)明陜西省蘋果種植逐漸向北部發(fā)展，與年平均日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)相反；山西省蘋果種植面積變化幅度較小，運(yùn)城蘋果種植面積有先減少后增加的趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，年平均日照時(shí)數(shù)對(duì)黃土高原西北部地區(qū)蘋果種植面積的擴(kuò)展有消極影響，年均日照時(shí)數(shù)與蘋果種植面積之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05，皮爾遜系數(shù)為-0.475)(表1)。

圖5 黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)2005年、2010年和2015年年平均降水量區(qū)域變化差異

圖6 黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)2005年、2010年和2015年年平均氣溫區(qū)域變化差異

圖7 黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)2005年、2010年和2015年年平均日照時(shí)數(shù)區(qū)域變化差異

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

根據(jù)IPCC第五次報(bào)告的預(yù)測(cè)[1]，未來(lái)全球的氣溫、降水和日照等氣象因素都在時(shí)間和空間上的差異進(jìn)一步增加。氣候變化影響蘋果物候期，這對(duì)蘋果產(chǎn)業(yè)布局產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)生影響[20]。根據(jù)之前的研究可知，中國(guó)主要蘋果產(chǎn)區(qū)重心逐漸向黃土高原轉(zhuǎn)移。本文分析了2005年、2010年、2015年黃土高原29個(gè)蘋果主產(chǎn)市氣象因素與種植面積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黃土高原蘋果種植生產(chǎn)布局總體向中北部移動(dòng)，具體表現(xiàn)為甘肅省東部(天水、平?jīng)龊蛻c陽(yáng))、陜西省中部(延安)和北部(榆林)、山西西部(臨汾和運(yùn)城)和河南西部(三門峽)。在氣候方面年平均氣溫和年平均降水量的變化會(huì)對(duì)黃土高原蘋果種植產(chǎn)生積極的影響，年平均日照時(shí)數(shù)減少對(duì)黃土高原南部蘋果種植產(chǎn)生消極的影響，對(duì)中部和北部的蘋果種植產(chǎn)生積極的影響。在近10 a中氣溫的變化對(duì)黃土高原蘋果的種植產(chǎn)生積極的影響，降水量的變化會(huì)對(duì)黃土高原的蘋果種植產(chǎn)生不利影響，這與先前的研究結(jié)果差異[4]；許多研究表明，日照的變化會(huì)使黃土高原蘋果種植面積比重上升[7]，這與本研究結(jié)果不同。其原因可能是以前的研究尺度較大，未考慮小尺度條件下氣象因素的差異。可見氣候變化對(duì)黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了重大影響。

本文在蘋果種植分布格局與氣象因素的研究中沒有考慮極端氣候，例如開花期凍害等極端氣候事件以及膨脹期間的高溫和低溫都會(huì)直接影響蘋果品質(zhì)[21-22]；此外，蘋果品質(zhì)除了與氣象環(huán)境因素密切相關(guān)，受土壤、水分和肥料以及種植管理的影響[23]。由于缺乏黃土高原所有縣市蘋果的種植數(shù)據(jù)，只能分析2005年、2010年和2015年蘋果主產(chǎn)區(qū)29個(gè)蘋果縣市的數(shù)據(jù)，時(shí)間尺度偏?。?9個(gè)市的氣象數(shù)據(jù)缺少，如果將蘋果生產(chǎn)的時(shí)空變化尺度增大，能對(duì)黃土高原蘋果生產(chǎn)布局變化進(jìn)行更為系統(tǒng)地研究。蘋果是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)樹種之一，在面對(duì)氣候變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，蘋果種植區(qū)應(yīng)該采取措施來(lái)適應(yīng)氣候變化對(duì)黃土高原蘋果種植帶來(lái)的積極和消極影響，合理調(diào)整黃土高原蘋果的種植生產(chǎn)布局。

3.2 結(jié) 論

(1) 從黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)分布的變化趨勢(shì)來(lái)看，黃土高原蘋果種植有向中部和北部擴(kuò)張的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為向甘肅的東部(天水、平?jīng)龊蛻c陽(yáng))、陜西的中北部(延安和榆林)、山西西部(臨汾和運(yùn)城)和河南西部(三門峽)移動(dòng)。

(2) 氣候變化對(duì)蘋果生產(chǎn)布局的影響程度有所不同，年平均降水量和年平均氣溫的變化對(duì)蘋果種植產(chǎn)生積極的影響，年日照時(shí)數(shù)的變化對(duì)黃土高原南部蘋果種植產(chǎn)生消極的影響，對(duì)中部和北部的蘋果種植產(chǎn)生積極的影響。

氣候變化中各個(gè)氣象因子的變化對(duì)黃土高原蘋果種植成產(chǎn)布局產(chǎn)生的影響不盡相同，在進(jìn)行蘋果產(chǎn)業(yè)布局和規(guī)劃時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮氣候變化的影響，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域蘋果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。