邱美娟 劉布春* 劉 園 王珂依 龐靜漪2) 張曉男 賀金娜3)

1)(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/作物高效用水與抗災(zāi)減損國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)2)(遼寧省營(yíng)口市氣象局， 營(yíng)口 115001)3)(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 沈陽 110161)

引 言

蘋果(MaluspmuilaMill.)是蘋果屬(MalusMill.)植物之一，是世界栽培面積最廣泛的果樹種類之一[1]。中國(guó)蘋果的栽培面積和總產(chǎn)量均居世界首位[2]。中國(guó)是世界第一蘋果出口大國(guó)，蘋果是我國(guó)最有明顯競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)產(chǎn)品之一[3]，環(huán)渤海灣地區(qū)的遼寧、山東、河北和黃土高原地區(qū)的山西、陜西、河南和甘肅7個(gè)省份是中國(guó)蘋果主產(chǎn)省，蘋果是這些地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)[4]。然而，受果樹栽培制度、人為管理方式、土壤條件、病蟲害以及自然災(zāi)害等多種因素影響，中國(guó)蘋果單產(chǎn)水平仍很低[5]。其中，水分是限制蘋果單產(chǎn)增加和質(zhì)量提高的一個(gè)重要因素[6-7]。隨著全球氣候變暖，不僅氣溫發(fā)生了變化，區(qū)域降水也發(fā)生了相應(yīng)變化[8-9]。降水是我國(guó)北方蘋果生產(chǎn)中水分的主要來源，對(duì)北方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要影響[10]。因此研究氣候變化背景下中國(guó)北方蘋果主產(chǎn)省蘋果需水特征及其降水適宜性，對(duì)蘋果產(chǎn)業(yè)種植規(guī)劃和健康發(fā)展具有重要意義。

針對(duì)果樹需水特征的研究常分為兩大類。第1類是通過試驗(yàn)觀測(cè)，利用蒸滲儀法、水量平衡法、渦度相關(guān)法、液流法等估算作物蒸騰量[11-13]。其中，近幾年通過對(duì)樹干邊材液流速度的監(jiān)測(cè)來估算樹木蒸騰量的液流法得到廣泛應(yīng)用[14-15]，這種方法測(cè)定單株或幾株植物蒸騰可以獲得較準(zhǔn)確結(jié)果，但耦合到林分水分蒸騰時(shí)并不穩(wěn)定，且在土壤空間較大、樹木株距較遠(yuǎn)的果園中，需要布置更多測(cè)點(diǎn)，才能保證蒸散的測(cè)算精度，試驗(yàn)成本較高。第2類是利用數(shù)學(xué)模型，通過較易獲得的氣象、土壤等資料進(jìn)行模擬田間蒸散，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]。其中利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)針對(duì)試驗(yàn)資料不足的地區(qū)和作物，提出的多種作物的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)和修正公式，通過作物系數(shù)法和由Penman-Monteith模型計(jì)算的參考作物蒸散量對(duì)作物需水量進(jìn)行估算[19-20]，是目前應(yīng)用最為廣泛的方法之一。該方法既考慮影響蒸散的輻射和溫度等氣象因素，又考慮空氣動(dòng)力學(xué)因素，具有較強(qiáng)的物理依據(jù)和較高的計(jì)算精度。區(qū)域降水量與作物需水量是否匹配，匹配程度如何，可以通過降水適宜度模型表征，降水適宜度是開展農(nóng)業(yè)氣候資源定量分析和分類評(píng)價(jià)的重要途徑[21-22]，它是將降水因子通過模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成的適宜程度。20世紀(jì)90年代蔣定生等[23]建立了降水適宜度模型。隨后，我國(guó)眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用到不同區(qū)域不同作物的降水適宜性研究中[24-26]。申雙和等[27]計(jì)算并分析A1B氣候情景下黃淮海冬麥區(qū)各個(gè)階段冬小麥降水適宜度時(shí)空變化特點(diǎn)，指出各主要生育期的降水適宜度表現(xiàn)為返青-拔節(jié)期和抽穗-成熟期較高，拔節(jié)-抽穗期較低的特點(diǎn)，全生育期內(nèi)降水適宜度呈先減少后增加的趨勢(shì)。邱美娟等[28]和劉新等[29]分別分析了吉林省和內(nèi)蒙古自治區(qū)玉米不同生育期溫度、日照、降水適宜度以及綜合氣候適宜度的時(shí)空變化規(guī)律，均指出玉米生長(zhǎng)的水分條件較差、水分不足是限制當(dāng)?shù)赜衩咨L(zhǎng)的主要?dú)庀笠蛩?。王春玲等[30]研究甘肅省定西市1961—2010年馬鈴薯溫度、水分和氣候適宜度的時(shí)空變化特征，認(rèn)為水分適宜度變化不明顯。綜上可見，在氣候變暖背景下，不同區(qū)域不同作物的降水適宜度變化存在差異。以上研究在構(gòu)建降水適宜度模型時(shí)大多未考慮水分過多可能形成濕害，在分析降水適宜度變化時(shí)均未考慮降水適宜度閾值。

地處我國(guó)黃土高原的甘肅、陜西、河南、山西以及渤海灣的山東、遼寧和河北等地是蘋果生產(chǎn)大省。在氣候變化背景下，這些地區(qū)蘋果各生育階段需水特征和降水適宜度變化規(guī)律如何，目前未見系統(tǒng)研究。本文利用1970—2019年我國(guó)北方7個(gè)蘋果主產(chǎn)省及周邊地區(qū)逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于ANUSPLIN軟件對(duì)逐日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，采用最小濕度法對(duì)作物系數(shù)(Kc)進(jìn)行逐日估算，嘗試考慮水分不足和水分過多情況，計(jì)算需水量和降水適宜度，并結(jié)合主產(chǎn)區(qū)地理分布確定不同生育階段降水適宜度閾值，進(jìn)而分析各生育階段需水特征和降水適宜度的時(shí)空變化，以期為當(dāng)?shù)靥O果生產(chǎn)和應(yīng)對(duì)極端氣候變化提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

本文主要研究區(qū)域?yàn)椴澈程O果產(chǎn)區(qū)的遼寧、河北、山東和黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)的山西、河南、陜西和甘肅7個(gè)蘋果主產(chǎn)省[1]。地理范圍為31°23′～43°30′N，92°20′～125°48′E。南北方向最大跨度約為1320 km，東西方向最大跨度約為 2786 km。中國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)布局在20世紀(jì)90年代中期至今一直處于調(diào)整、優(yōu)化階段，在“鞏固、提高優(yōu)生區(qū)，逐步淘汰非適生區(qū)”的指導(dǎo)思想下，蘋果生產(chǎn)逐步向優(yōu)生區(qū)集中，形成了黃土高原和渤海灣兩大優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)。

1970—2019年7個(gè)蘋果主產(chǎn)省及其周邊100 km 范圍內(nèi)210個(gè)氣象站的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)，包括逐日最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速等。對(duì)缺測(cè)較少的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，對(duì)于氣溫?cái)?shù)據(jù)利用缺測(cè)站點(diǎn)當(dāng)日氣候平均值代替，而對(duì)于降水、日照、相對(duì)濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，則利用離缺測(cè)站最近氣象站點(diǎn)的當(dāng)日數(shù)據(jù)代替，如果最近氣象站的數(shù)據(jù)缺測(cè)，利用次近氣象站的當(dāng)日數(shù)據(jù)代替，以此類推。對(duì)于缺測(cè)較多的情況，直接剔除這一年的數(shù)據(jù)。1 km分辨率的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)來源于CGIAR-CSI SRTM中國(guó)區(qū)域數(shù)據(jù)(http:∥srtm.csi.cgiar.org/)。研究區(qū)域氣象站點(diǎn)及高程分布見圖1。蘋果生育期劃分參考文獻(xiàn)[31]，主要分為萌芽-幼果期(3—5月)、果實(shí)膨大期(6—8月)和著色成熟期(9—10月)，蘋果全生育期為3—10月。

圖1 中國(guó)北方7個(gè)蘋果主產(chǎn)省及周邊100 km范圍內(nèi)210個(gè)氣象站點(diǎn)(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的氣象要素空間插值

基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)插值理論，ANUSPLIN除了可以引入自變量外，還允許引入?yún)f(xié)變量。本研究將海拔高度作為協(xié)變量引入插值過程。將1 km分辨率的DEM數(shù)據(jù)重采樣為0.02°，基于ANUSPLIN插值軟件對(duì)逐日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到0.02°×0.02°精細(xì)化氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)。ANUSPLIN插值的具體原理和方法參考文獻(xiàn)[32-33]。為了降低ANUSPLIN插值在研究區(qū)域邊界的誤差，利用研究區(qū)域內(nèi)173個(gè)氣象站及其周邊100 km范圍內(nèi)37個(gè)氣象站共210個(gè)氣象站一并進(jìn)行插值，提取研究區(qū)域結(jié)果進(jìn)行分析。

1.2.2 作物系數(shù)的確定

利用FAO56推薦的最小濕度方法[34-35]訂正作物系數(shù)Kc。根據(jù)FAO56的研究和蘋果樹生育特性，將蘋果樹劃分為初始生長(zhǎng)期(萌芽-開花期，3月上旬—5月下旬)、生長(zhǎng)中期(果實(shí)膨大期-成熟初期，6月上旬—9月上旬)、生長(zhǎng)后期(成熟中后期，9月中旬—10月下旬)3個(gè)生育階段確定Kc。周珊珊[36]通過試驗(yàn)研究得到2008—2010年陜西省黃陵縣東部塬面(35.6°N，108.6°E)紅富士蘋果樹在充分灌水條件下的需水量，本研究通過計(jì)算當(dāng)?shù)貐⒖颊羯⒘颗c需水量的比值，并參考FAO56中對(duì)蘋果各生育階段作物系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定以及其他相關(guān)研究[37-38]，將研究區(qū)域蘋果初始生長(zhǎng)期作物系數(shù)取0.60，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期的作物系數(shù)分別取為0.9和0.88，株高取值為3.5 m，而對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)條件下生長(zhǎng)中期作物系數(shù)和生長(zhǎng)后期作物系數(shù)需進(jìn)行修正，具體訂正方法參考文獻(xiàn)[34-35]。通過作物系數(shù)訂正公式可以得到逐日的作物系數(shù)Kc值。

1.2.3 需水量的計(jì)算

(1)

式(1)中，w為相應(yīng)生育階段蘋果樹生長(zhǎng)的生理需水量(單位：mm)，n為某一生育階段的日數(shù)(單位：d)，i為日序，Kci為第i日的作物系數(shù)，Eti為第i日的作物參考蒸散量(單位：mm)，根據(jù)FAO 1998年推薦的Penman-Monteith模型[35]計(jì)算獲得。

1.2.4 降水適宜度的計(jì)算及閾值

降水適宜度是指降水量滿足蘋果生長(zhǎng)發(fā)育階段所需水量的程度，計(jì)算公式為

u=p/w。

(2)

式(2)中，u為降水適宜度，p為不同生育階段的降水量(單位：mm)。

降水適宜度等于1時(shí)，表示蘋果水分供需平衡。相關(guān)研究[39]指出，水分適度虧缺有利于蘋果品質(zhì)的提高，使蘋果口感更佳。因此，根據(jù)已有研究[40-41]，利用百分位數(shù)法[40]將萌芽-幼果期第55百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的降水適宜度值、其他生育期第40百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的降水適宜度值作為最適宜蘋果生長(zhǎng)的臨界值。另外，根據(jù)趙政陽[1]對(duì)中國(guó)蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)的劃分及研究成果，本文假設(shè)蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，降水基本滿足各個(gè)生育階段蘋果生長(zhǎng)需求，即將蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)內(nèi)蘋果全年、萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期的降水適宜度值的最大、最小值定義為各生育階段降水適宜度閾值的上、下限。各生育階段降水適宜度閾值的具體劃分結(jié)果見表1。

表1 各生育階段降水適宜度閾值的劃分Table 1 Division of precipitation suitability threshold in different growth stages

1.2.5 全生育期降水適宜度指數(shù)

利用蘋果各個(gè)生育階段的降水適宜度值構(gòu)建蘋果全生育期的降水適宜度指數(shù)，進(jìn)行蘋果全生育期降水適宜性的評(píng)估。為了消除不同生育階段降水適宜度數(shù)量級(jí)的差異，對(duì)各個(gè)生育階段的降水適宜度進(jìn)行歸一化處理，即

(3)

式(3)中，uD為降水適宜度的歸一化值，u為指標(biāo)的原值，umin和umax分別為降水適宜度的最小值和最大值。

蘋果全生育期降水適宜度指數(shù)計(jì)算模型為

ug=uD1×uD2×uD3。

(4)

式(4)中，ug為蘋果全生育期的降水適宜度指數(shù)，uD1，uD2，uD3分別為萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期的降水適宜度的歸一化值。

另外，還采用氣候傾向率、變異系數(shù)、極差等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究蘋果各生育階段需水量和降水適宜度的變化趨勢(shì)及空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 需水量估算的合理性驗(yàn)證

在分析蘋果需水特征前，首先對(duì)需水量估算的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。2008—2010年周珊珊[36]在陜西省黃陵縣東部塬面(35.6°N，108.6°E)開展紅富士蘋果樹蒸騰需水特征的研究，設(shè)置灌水處理和不灌水處理兩種試驗(yàn)，利用熱擴(kuò)散莖流測(cè)定系統(tǒng)(TDP)莖流計(jì)對(duì)蘋果蒸騰進(jìn)行測(cè)定，得到該地區(qū)蘋果各關(guān)鍵生育期在充分灌溉條件下的需水量。本研究根據(jù)ANUSPLIN軟件對(duì)氣象要素插值的結(jié)果，利用最鄰近距離法從研究區(qū)域及其周邊共614385個(gè)格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)中提取陵縣東部塬面的氣象要素，利用上述確定作物系數(shù)及需水量的方法，計(jì)算該地區(qū)蘋果各個(gè)生育期需水量。將計(jì)算的需水量與周珊珊[36]在該地實(shí)測(cè)需水量之差除以實(shí)測(cè)需水量，得到各生育期需水量的相對(duì)誤差，以此判斷本研究計(jì)算得到需水量的準(zhǔn)確性和作物系數(shù)Kc確定方法的可靠性。

本研究計(jì)算得到的2008年蘋果全年、萌芽-幼果期和果實(shí)膨大期的需水量、2009年果實(shí)膨大期需水量比實(shí)測(cè)值偏大，其他各個(gè)時(shí)段需水量均比實(shí)測(cè)值偏小。總體上，各生育期需水量的相對(duì)誤差在10.0%以內(nèi)(表2)，說明本研究計(jì)算的蘋果需水量與實(shí)測(cè)值基本相吻合。蘋果全年、萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期需水量平均相對(duì)誤差分別為5.1%，6.7%，6.7%和5.0%。因此，本研究采取的作物系數(shù)的確定方法合理可行，得到的蘋果需水量基本準(zhǔn)確。

表2 陜西省黃陵縣東部塬面蘋果計(jì)算需水量相對(duì)誤差(單位：%)Table 2 Relative error of simulated water requirement of apple on the eastern tableland in Huangling County,Shaanxi Province(unit:%)

2.2 研究區(qū)域蘋果全年需水量時(shí)空變化特征

2.2.1 空間分布

由圖2a可見，1970—2019年蘋果全年平均需水量為500～800 mm的區(qū)域面積占研究區(qū)域的87.1%。高值區(qū)主要分布在甘肅北部，全年平均需水量大于800 mm，約占研究區(qū)域的12.3%，主要由于該地區(qū)氣溫高，蒸發(fā)大。低值區(qū)主要分布在遼寧東部局部地區(qū)、陜西南部和甘肅南部局部地區(qū)，全年平均需水量小于600 mm，約占研究區(qū)域的12.4%，其中全年平均需水量小于500 mm的地區(qū)僅占研究區(qū)域的0.6%，分布在陜西南部和甘肅南部零星區(qū)域。蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)全年平均需水量為412.8～798.5 mm，其中大部分地區(qū)為500～800 mm，約占主產(chǎn)區(qū)的99.9%。

2.2.2 年際變化

蘋果全年需水量的年際變化總體呈波動(dòng)變化，研究區(qū)域蘋果全年需水量變異系數(shù)均為0.03～0.08(圖略)。全年平均需水量極差大部分地區(qū)為150～250 mm，甘肅西南地區(qū)需水量極差小于150 mm，甘肅西北部地區(qū)需水量極差在250 mm 以上(圖略)。從蘋果全年需水量變化氣候傾向率的空間分布(圖2b)看，16.2%的地區(qū)呈顯著降低趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，主要位于甘肅西部、河北南部局部、河南東部局部和山東中西部地區(qū)；僅1.8% 的地區(qū)呈顯著升高趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，主要分布于甘肅南部；其他大部分地區(qū)變化不顯著。

圖2 1970—2019年研究區(qū)域蘋果全年需水量(a)及其氣候傾向率(b)空間分布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 蘋果關(guān)鍵生育期需水量時(shí)空變化特征

2.3.1 空間分布

蘋果主產(chǎn)省蘋果各生育期需水量空間分布見圖3。大部分地區(qū)蘋果萌芽-幼果期平均需水量在120～210 mm，占研究區(qū)域的88.6%；甘肅西北部局部地區(qū)、山東和河北交界處局部地區(qū)需水量大于210 mm，占研究區(qū)域的10.9%；甘肅南部局部地區(qū)和陜西南部局部地區(qū)需水量小于等于20 mm，占研究區(qū)域的0.4%。其中，蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)在萌芽-幼果期的平均需水量為94～208 mm，除零星地區(qū)需水量小于120 mm外，主產(chǎn)區(qū)需水量均為120～208 mm，需水量為150～180 mm的區(qū)域約占主產(chǎn)區(qū)面積的一半(53.6%)。大部分地區(qū)蘋果果實(shí)膨大期平均需水量為250～450 mm，占研究區(qū)域的88.8%；甘肅北部地區(qū)需水量大于450 mm，占研究區(qū)域的9.3%；甘肅南部局部地區(qū)和陜西南部局部地區(qū)需水量小于等于250 mm。其中，蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)在果實(shí)膨大期的平均需水量為189～408 mm，其中79.2% 的區(qū)域需水量為250～350 mm。蘋果著色-成熟期平均需水量大多為100～160 mm，占研究區(qū)域的85.2%；甘肅西北部和山東東部局部地區(qū)需水量在160 mm以上，遼寧南部局部地區(qū)、甘肅南部局部地區(qū)和陜西南部局部地區(qū)需水量小于等于100 mm，占研究區(qū)域的11.0%。其中，蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)在著色-成熟期的平均需水量為86.2～175.3 mm，其中92.9%的區(qū)域需水量為100～160 mm?？傮w上，蘋果各生育期需水量在甘肅西北部高于其他地區(qū)，這可能是與該地區(qū)干旱少雨，風(fēng)沙嚴(yán)重，白天氣溫高，蒸發(fā)強(qiáng)烈等有關(guān)。

在研究區(qū)域蘋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達(dá)到0.186～0.282；果實(shí)膨大期平均需水量占全年平均需水量的比率最大，達(dá)到0.392～0.562，大部分地區(qū)在0.450 以上；著色-成熟期平均需水量占全年平均需水量的比率為0.159～0.282(圖略)。由此可見，蘋果果實(shí)膨大期需水量大于萌芽幼果期，著色-成熟期需水量相對(duì)最小。

2.3.2 年際變化

研究區(qū)域蘋果萌芽-幼果期需水量變異系數(shù)為0.05～0.12，高值區(qū)主要位于河南大部和山西東部(圖略)。大部分區(qū)域需水量極差不高于200 mm，占研究區(qū)域的91.7%，甘肅西南部和祁連山地區(qū)極差在200 mm以上(圖略)。從萌芽-幼果期需水量變化的氣候傾向率(圖3)看，有23.9%的區(qū)域呈顯著升高趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，主要分布在甘肅南部、陜西西北和東南部以及河南的西南部地區(qū)。果實(shí)膨大期需水量變異系數(shù)均為0.02～0.11(圖略)，需水量極差均小于等于187 mm(圖略)，從氣候傾向率看，僅有15.6%的區(qū)域呈顯著降低趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，主要分布在甘肅西部局部地區(qū)、山東中西部、河北南部局部地區(qū)和河南東部局部地區(qū)(圖3)。著色-成熟期需水量變異系數(shù)均為0.06～0.15(圖略)；需水量極差為28.0～86.9 mm(圖略)；從氣候傾向率看，有20.2% 的區(qū)域呈顯著降低趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，主要分布在甘肅西部局部、山東大部和河北東南部地區(qū)(圖3)?？傮w上看，各關(guān)鍵生育期蘋果需水量在大部分區(qū)域年際變化不顯著。

圖3 1970—2019年蘋果關(guān)鍵生育期平均需水量及其氣候傾向率空間分布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 研究區(qū)域蘋果全年降水適宜度時(shí)空分布特征

由表1可見，優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)蘋果全年降水適宜度閾值的下限和上限分別為0.49和2.07，結(jié)合百分位數(shù)法確定全年降水適宜度最適宜臨界值為0.71。由圖4a可見，研究區(qū)域1970—2019年平均全年降水適宜度呈由北向南逐漸增加的空間分布特征。研究區(qū)域大部分區(qū)域降水適宜度為0.49～2.07，約占研究區(qū)域的85.4%。降水適宜度為0.71～1.00 的區(qū)域占研究區(qū)域的39.8%，主要分布在遼寧西部、河北東北部、山東北部、河南北部、山西大部、陜西中部和甘肅東部地區(qū)，這些地區(qū)是降水最利于蘋果生產(chǎn)的區(qū)域。河西走廊以及甘肅西端是全年降水適宜度的低值區(qū)，降水適宜度小于0.49，約占研究區(qū)域的14.5%。遼寧的東部、山東南部、河南南部、陜西南部和甘肅南部地區(qū)是降水適宜度的高值區(qū)，降水適宜度大于1.00，約占研究區(qū)域的29.4%；其中降水適宜度大于2.07的區(qū)域約占研究區(qū)域的0.20%，主要分布在陜西南部零星地區(qū)。由降水適宜度的定義可知，降水適宜度越小，則降水量越小于需水量，降水過低可能導(dǎo)致蘋果生產(chǎn)過程中的干旱發(fā)生；降水適宜度大于1，則降水量大于需水量，降水過多也可能導(dǎo)致內(nèi)澇。

從1970—2019年蘋果全年降水適宜度氣候傾向率的空間分布看(圖4b)，全年降水適宜度變化趨勢(shì)不顯著。全年降水適宜度極差的空間分布與全年平均降水適宜度的空間分布相似，呈北低南高的空間分布特征，在河西走廊以及甘肅西端小于等于0.5，遼寧的東部、河南南部和陜西南部地區(qū)大于2.0(圖略)。研究區(qū)域全年降水適宜度變異系數(shù)均在0.11以上(圖略)。

圖4 1970—2019年研究區(qū)域蘋果全年降水適宜度(a)及其氣候傾向率(b)空間分布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 蘋果關(guān)鍵生育期降水適宜度時(shí)空特征

2.5.1 萌芽-幼果期降水適宜度時(shí)空特征

根據(jù)蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)地理分布和百分位數(shù)法，得到蘋果萌芽-幼果期的降水適宜度閾值下限和上限分別為0.25和1.70，最適宜臨界值為0.55(表1)。由圖5a可見，在蘋果萌芽-幼果期，研究區(qū)域的降水適宜度呈由北向南逐漸增加的空間分布特征。其中，87.4%的區(qū)域降水適宜度均在閾值上下限范圍內(nèi)，表明大部分地區(qū)的降水適宜度都能夠滿足蘋果萌芽-幼果期對(duì)水分的需求。尤其是降水適宜度為0.55～1.00的區(qū)域是最利于該生育期蘋果生長(zhǎng)的地區(qū)，占整個(gè)研究區(qū)域的36.9%，主要分布在遼寧中東部大部、山東南部、河北北部局地、山西南部和東部、河南北部、陜西中部以及甘肅南部和東部地區(qū)。河西走廊和甘肅西端是低值區(qū)，降水適宜度小于0.25，約占研究區(qū)域的11.9%，陜西南部局地和河南南部局地為高值區(qū)，降水適宜度大于1.7，約占研究區(qū)域的0.7%。降水適宜度過低可能導(dǎo)致蘋果萌芽-幼果期發(fā)生干旱；降水適宜度過高可能引發(fā)內(nèi)澇。旱澇會(huì)引起蘋果落花，降低坐果率，水分供給適宜利于提高果樹光合效率，使果樹開花、坐果等生育過程順利進(jìn)行。

圖5 1970—2019年研究區(qū)域蘋果萌芽-幼果期降水適宜度(a)及其氣候傾向率(b)空間分布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

從1970—2019年萌芽-幼果期降水適宜度氣候傾向率(圖5b)看，只有0.3%的上升區(qū)域達(dá)到0.05的顯著性水平，主要分布在甘肅西端局部地區(qū)。降水適宜度極差的空間分布與降水適宜度平均值的空間分布相似，呈北低南高的空間分布特征，在河西走廊以及甘肅西端極差小于等于0.5，河南中南部地區(qū)、山東南部局部和陜西南部局部地區(qū)大于2.0，大部分地區(qū)極差為0.5～2.0(圖略)。研究區(qū)域萌芽-幼果期降水適宜度變異系數(shù)大多在0.15以上，且大部分地區(qū)為0.40～0.80(圖略)。

2.5.2 果實(shí)膨大期降水適宜度時(shí)空特征

根據(jù)蘋果果實(shí)膨大期降水適宜度、蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)地理分布和百分位數(shù)法等，得到蘋果果實(shí)膨大期降水適宜度閾值下限和上限分別為0.54和2.25，最適宜臨界值為0.82(表1)。從蘋果果實(shí)膨大期降水適宜度的空間分布(圖6a)看，大部區(qū)域的降水適宜度為0.54～2.25，占整個(gè)研究區(qū)域的85.6%，其中降水適宜度為0.82～1.00的區(qū)域約占整個(gè)研究區(qū)域的20.4%，主要分布在遼寧西北部局部地區(qū)、河北南部和北部局部地區(qū)、河南北部局部地區(qū)、山西西部、陜西中部以及甘肅東部局部地區(qū)，這些區(qū)域的降水條件最利于蘋果果實(shí)膨大期的生長(zhǎng)。其中，遼寧東部局部地區(qū)和陜西南部局部地區(qū)降水適宜度大于2.25，約占整個(gè)區(qū)域的0.7%；甘肅西端和河西走廊地區(qū)的降水適宜度未超過0.54，約占整個(gè)區(qū)域的13.7%。果實(shí)膨大期通常是蘋果生長(zhǎng)需水的關(guān)鍵期，水分條件主要影響果實(shí)膨大、內(nèi)在品質(zhì)、果形等，水分供應(yīng)充足，可以促進(jìn)果實(shí)膨大，且利于著色，但是水分過多也會(huì)影響花芽形成，還可造成新梢生長(zhǎng)過旺。

近50年蘋果果實(shí)膨大期降水適宜度的變化均不顯著，未達(dá)到0.05的顯著性水平(圖6b)。降水適宜度極差大部分地區(qū)為0.75～2.50(圖略)。降水適宜度變異系數(shù)均在0.15以上，河南南部、甘肅西北部和河北北部局部地區(qū)在0.45以上(圖略)。

圖6 1970—2019年研究區(qū)域蘋果果實(shí)膨大期降水適宜度(a)及其氣候傾向率(b)空間分布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 著色-成熟期降水適宜度時(shí)空特征

蘋果著色-成熟期降水適宜度閾值的下限和上限、最適宜臨界值分別為0.46和2.65，0.56(表1)。從圖7a看，大部區(qū)域蘋果著色-成熟期的降水適宜度為0.46～2.65，占整個(gè)研究區(qū)域的84.9%；降水適宜度為0.56～1.00的區(qū)域主要分布在遼寧南部和中西部大部、河北大部、山東大部、山西大部、河南北部、陜西北部和甘肅中部和東部局部地區(qū)，占整個(gè)研究區(qū)域的47.1%。這些區(qū)域的降水條件最利于蘋果著色-成熟期的生長(zhǎng)。降水適宜度大于2.65、小于0.46的區(qū)域分別約占研究區(qū)域的0.6%和14.5%，對(duì)應(yīng)分布在陜西南部局部、河西走廊和甘肅西端。蘋果著色-成熟期，如果水分過多，排澇不及時(shí)，容易引起裂果或者果實(shí)病害，影響品質(zhì)和產(chǎn)量；如果過于干旱，則會(huì)影響果實(shí)著色或造成采前落果。

近50年蘋果著色-成熟期降水適宜度在大部分地區(qū)變化不顯著，僅3.5%的區(qū)域呈顯著降低趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，主要分布在遼寧中部和山東東部局部地區(qū)；4.5%的區(qū)域呈顯著升高趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)，分布在河北中部、山西北部局部地區(qū)和甘肅西端局部地區(qū)(圖7b)。降水適宜度極差在甘肅西北部小于1.0，陜西南部較大，大于5.5 (圖略)。降水適宜度變異系數(shù)普遍較大，均在0.21以上(圖略)。

圖7 1970—2019年研究區(qū)域蘋果著色-成熟期降水適宜度(a)及其氣候傾向率(b)空間分布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 蘋果全生育期降水適宜性評(píng)價(jià)

利用ArcGIS軟件中的自然斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)蘋果全生育期平均降水適宜度指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，將整個(gè)區(qū)域分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)，結(jié)果見圖8。蘋果全生育期降水適宜度的最適宜區(qū)主要分布在陜西中部、甘肅東南部、山西東部和南部、河北東北部、遼寧中部和南部、山東南部和東部以及河南北部地區(qū)，占整個(gè)研究區(qū)域的31.9%。該區(qū)域的降水基本滿足蘋果各生育期對(duì)水分的需求，降水量與需水量匹配較好，蘋果的優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)多數(shù)(62.4%)分布于該區(qū)域內(nèi)。降水適宜度的次適宜區(qū)占整個(gè)研究區(qū)域的50.6%，蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)內(nèi)有36.7%的地區(qū)分布于該區(qū)域內(nèi)。甘肅西端和河西走廊一帶、遼寧東部、河南南部、陜西南部和甘肅南部局部地區(qū)是降水適宜度的不適宜區(qū)，占整個(gè)研究區(qū)域的17.5%。遼寧東部、河南南部和陜西南部主要由于雨水過多不利于蘋果的種植，如河南南部局部地區(qū)和陜西南部局部地區(qū)即使在枯水年，當(dāng)?shù)亟邓咳栽?50 mm以上[42]；甘肅西端和河西走廊一帶主要是由于降水過少，即使在豐水年，當(dāng)?shù)亟邓咳栽?00 mm以下，受多種環(huán)境因素的影響，當(dāng)?shù)靥O果實(shí)際種植面積較小。

圖8 蘋果全生育期降水適宜性劃分Fig.8 Division of precipitation suitability in apple growth period

3 結(jié)論與討論

本文以中國(guó)北方7個(gè)蘋果主產(chǎn)省為研究區(qū)域，利用研究區(qū)域及周邊100 km范圍內(nèi)氣象站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù)及1 km分辨率的DEM數(shù)據(jù)，采用最小濕度法對(duì)作物系數(shù)Kc進(jìn)行逐日估算，并采用ANUSPLIN插值軟件對(duì)逐日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，結(jié)合蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)和百分位數(shù)法，確定各生育期降水適宜度上、下限閾值和最適宜的臨界值，進(jìn)而計(jì)算分析1970—2019年研究區(qū)域蘋果各關(guān)鍵生育期需水量和降水適宜度的時(shí)空變化特征，得到如下結(jié)論：

1) 研究區(qū)域蘋果全年平均需水量多為500.0～800.0 mm，其中蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)為412.8～798.5 mm。蘋果萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期需水量分別為120～210 mm，250～450 mm 和100～160 mm 的區(qū)域占研究區(qū)域總面積的88.6%，88.8% 和85.2%。其中優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)平均需水量為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別為0.186～0.282，0.392～0.562和0.159～0.282。

2) 根據(jù)蘋果各生育期降水適宜度和蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)地理分布，得到蘋果全年、萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期的降水適宜度閾值范圍分別為0.49～2.07，0.25～1.70，0.54～2.25和0.46～2.65，最適宜臨界值分別為0.71，0.55，0.82和0.56。各生育期降水適宜度處在閾值范圍內(nèi)的區(qū)域分別占研究區(qū)域的85.4%，87.4%，85.6%和84.9%。在最適宜臨界值至水分供需平衡范圍內(nèi)的區(qū)域分別占研究區(qū)域的39.8%，36.9%，20.4%和47.1%。

3) 1970—2019年各生育期需水量的年際變化在大部分區(qū)域不顯著，果實(shí)膨大期和著色-成熟期分別有15.6%和20.2%的區(qū)域呈顯著降低趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)；萌芽-幼果期有23.9%的區(qū)域呈顯著升高趨勢(shì)(達(dá)到0.05顯著性水平)。蘋果萌芽-幼果期和著色-成熟期降水適宜度在絕大部分區(qū)域變化趨勢(shì)不明顯，只有極小部分區(qū)域達(dá)到0.05顯著性水平，但不同生育階段變化趨勢(shì)顯著的區(qū)域及范圍略有不同；全年和果實(shí)膨大期降水適宜度變化均不明顯。

4) 對(duì)蘋果全生育期的降水適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果表明：研究區(qū)域最適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)分別占研究區(qū)域的31.9%，50.6%和17.5%。

本研究根據(jù)逐日氣象條件，利用FAO56推薦的最小濕度法對(duì)蘋果作物系數(shù)進(jìn)行訂正，得到每日作物系數(shù)，較各生育階段的作物系數(shù)設(shè)為一個(gè)固定值估算林果水分適宜度更能體現(xiàn)作物系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。然而，蘋果初始生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的作物系數(shù)全區(qū)設(shè)置相同，可能對(duì)訂正結(jié)果有影響。

周珊珊[36]利用TDP對(duì)陜西省黃陵縣東部塬面(35.6°N，108.6°E)富士蘋果樹干液流進(jìn)行為期3年的定點(diǎn)定位觀測(cè)，研究表明蘋果果實(shí)膨大期需水量大于萌芽-幼果期，大于著色-成熟期，與本研究的結(jié)論一致。通過周珊珊[36]的研究得到蘋果全年、萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期需水量分別可達(dá)到640～690 mm，170～190 mm，303～320 mm和100～120 mm，對(duì)比可知，本研究計(jì)算得到的蘋果全年、萌芽-幼果期、果實(shí)膨大期和著色-成熟期的需水量與此基本一致。說明本研究作物系數(shù)的設(shè)定比較合理。

大多數(shù)研究在構(gòu)建降水適宜度模型時(shí)，將降水量大于需水量時(shí)的適宜度設(shè)置為1，僅考慮水分不足情況，未考慮水分過多情況，而本文構(gòu)建的降水適宜度模型可以直觀地體現(xiàn)水分的盈虧狀況，但模型中未考慮土壤濕度情況，也未考慮前期降水形成的底墑，使研究結(jié)果存在一定的誤差。另外，本研究?jī)H從降水角度分析研究區(qū)域蘋果生育期的降水適宜性，但降水適宜性較差并不代表該地區(qū)不能種植蘋果，一些降水適宜度較低但具有較好地下水資源和良好灌溉條件的地區(qū)、降水適宜度較高且具有較好防澇排水設(shè)施的地區(qū)仍然具備種植蘋果的條件。

本文利用ANUSPLIN插值軟件和1 km分辨率的DEM數(shù)據(jù)對(duì)蘋果主產(chǎn)省及其周邊區(qū)域氣象站點(diǎn)歷年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到0.02°×0.02°的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，在格點(diǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行各統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算。相比基于有限氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的研究，結(jié)果更精細(xì)化，對(duì)認(rèn)識(shí)區(qū)域蘋果需水特征和降水適宜性具有較高的參考價(jià)值。

由于我國(guó)蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)主要依靠自然降水滿足蘋果生長(zhǎng)的需求，本文基于蘋果優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)地理分布、百分位數(shù)法和主產(chǎn)區(qū)各個(gè)生育期降水適宜度值等確定各生育階段降水適宜度閾值上限、下限和最適宜臨界值，這種獲取各生育階段降水適宜度閾值的方法具有一定的可行性，但若要獲得準(zhǔn)確的降水適宜度閾值，還需要通過觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)一步獲取。另外，研究中未考慮不同蘋果樹種、樹齡需水量的差異，后續(xù)在有條件的基礎(chǔ)上，需通過觀測(cè)試驗(yàn)做進(jìn)一步深入分析。