崔 成, 劉 園, 劉布春, 孫彥坤, 楊 凡,3, 張曉男, 邱美娟

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 哈爾濱 150036; 2.中國農(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)減損國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室 北京 100081; 3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院 烏魯木齊 830000;4.天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院 天津 300392)

厄爾尼諾-南方濤動(簡稱“ENSO”), 是全球尺度下赤道太平洋海洋-大氣相互耦合作用產(chǎn)生的氣候異?，F(xiàn)象; 也是截至目前, 人類所觀測到最大、最強的全球氣候變率信號。當(dāng)ENSO事件發(fā)生時, 赤道附近海溫、大氣環(huán)流均發(fā)生改變, 影響全球氣候變化。根據(jù)海溫或大氣的異常變化, 將ENSO事件分為厄爾尼諾年(El Ni?o或暖事件)、中性年(Neutral)和拉尼娜年(La Ni?a或冷事件) 3種。ENSO事件通過大氣環(huán)流“遙相關(guān)”的方式, 影響東亞季風(fēng)環(huán)流, 甚至是中國東部沿海地區(qū)的降水和溫度。山東位于中國沿海地區(qū), 屬東亞季風(fēng)區(qū), 是受氣候變化影響較敏感地區(qū)之一。ENSO事件對山東氣候的影響較為直接, 常引發(fā)氣象災(zāi)害發(fā)生。國內(nèi)許多專家研究發(fā)現(xiàn), 厄爾尼諾年主要影響山東夏、冬季氣溫和夏、秋季降水。ENSO事件強度與山東降水量負(fù)相關(guān)顯著, 區(qū)域特點明顯。初軍玲等分析了1961-2010年文登區(qū)降水和溫度的關(guān)系, 厄爾尼諾年型下該地區(qū)降水少增溫明顯, 拉尼娜年型降水增多, 溫度增幅不顯著。大尺度ENSO事件對山東不同季節(jié)的氣溫和降水異常存在明顯的空間差異。

山東也是中國蘋果(Mill)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)之一, 區(qū)域氣候是產(chǎn)區(qū)蘋果產(chǎn)量、品質(zhì)最重要的環(huán)境條件。前人的研究多集中在氣候要素對山東蘋果生產(chǎn)的影響, 如楊建瑩等構(gòu)建了中國北方蘋果的干旱指標(biāo), 探明了蘋果不同生育期發(fā)生干旱的頻次及危險性。孫振生綜合分析了山東煙臺蘋果生長的氣候條件, 并給出了氣象災(zāi)害防御的措施建議。王冰等分析了2016年煙臺蘋果不同生育期的氣象條件變化及主要氣象災(zāi)害對蘋果生產(chǎn)的影響。崔修來等對山東營口蘋果物候期進(jìn)行了蘋果農(nóng)業(yè)氣候及災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。郭春香等針對山東壽光蘋果的霜凍危害, 明確了其發(fā)生機理并提出相應(yīng)的防御對策和補救措施。

中國作為全球最大的蘋果生產(chǎn)國和出口國, 蘋果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對果農(nóng)增收和全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興具有重要的現(xiàn)實意義。近年來, 隨著氣象和蘋果生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不斷積累, 極端天氣氣候事件頻發(fā)、重發(fā)背景下, 深入分析山東蘋果氣候資源及農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的變化對蘋果生產(chǎn)的影響顯得尤為重要; 同時, 探討大尺度環(huán)流氣候事件對蘋果影響的研究相對較少。鑒于此, 本文選定我國蘋果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的山東蘋果為研究對象, 重點分析1991—2019年不同ENSO年型下蘋果農(nóng)業(yè)氣候資源的時空演變規(guī)律, 評估不同ENSO年型對蘋果產(chǎn)量的可能影響, 為防范當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、保障蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論參考,為防范大環(huán)流氣候變化下林果災(zāi)害具有重要實踐指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

山東位于中國華北平原的沿海地區(qū)(圖1), 屬溫帶季風(fēng)性氣候, 熱量資源豐富, 雨熱同期, 且降水多集中在夏季, 無霜期較長。此外, 山東是中國重要的農(nóng)業(yè)大省之一, 以糧、棉、蘋果、大棚蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品種植為特色。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點分布圖Fig. 1 Location of the study area and distribution of the meteorological stations

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文選取山東省18個國家基準(zhǔn)氣象站的1991-2019年逐日氣象數(shù)據(jù), 包括最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)等, 數(shù)據(jù)來自中國氣象局(http://www.cma.gov.cn), 具體站點分布如圖1所示。同時, 收集并整理了1991—2019年山東省17個地市的蘋果種植面積、產(chǎn)量等統(tǒng)計數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來自山東省及各市統(tǒng)計年鑒。

一般情況下, 用海溫的異常標(biāo)準(zhǔn)差或大氣氣壓標(biāo)準(zhǔn)差描述一次ENSO事件的發(fā)生發(fā)展程度。因本文重點探討不同ENSO年型對山東氣候資源和蘋果生產(chǎn)的影響, 因此選取全球有且唯一的南方濤動指數(shù)(SOI)開展研究。當(dāng)SOI指數(shù)連續(xù)6個月≤-0.5,則定義為一次厄爾尼諾年; 反之, 當(dāng)SOI指數(shù)連續(xù)6個月≥0.5, 則定義為一次拉尼娜年; 其余年份則定義為中性年。本文收集了1991-2019年逐月SOI指數(shù), 數(shù)據(jù)來自于澳大利亞氣象局(http://www.bom.gov.au)。具體ENSO事件分類如表1所示。

表1 1991—2019年厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件不同年型的統(tǒng)計[16-17]Table 1 Classification of different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) events from 1991 to 2019

1.3 研究方法

蘋果生長發(fā)育的適宜氣候條件為: 起始生長溫度為8～14 ℃, 需≥10 ℃活動積溫為3000～4800 ℃·d,夏季平均氣溫約20～26 ℃、日溫差為8～12 ℃; 年光照1700～2200 h, 適宜降水量為400～800 mm。根據(jù)山東所處地理位置, 經(jīng)對比分析, 山東氣候條件基本滿足蘋果的正常生長發(fā)育, 如管理措施恰當(dāng), 果實品質(zhì)會進(jìn)一步提升。因此, 本文根據(jù)山東蘋果常年生長情況, 定義3月1日-10月31日為山東蘋果可生長期。

氣候傾向率是指某一時段內(nèi)變量的變化趨勢。一般采用線性方程表示, 即:

式中:是氣象要素的擬合值;為時間序列;為截距;為 斜率, 即趨勢變化率, 一般認(rèn)為10為該要素的氣候傾向率, 表示氣象要素每10 a變化幅度。

氣候要素變化的顯著性需通過統(tǒng)計檢驗, 具體公式如下:

式中:為相關(guān)系數(shù),為氣象要素的平均值,為相應(yīng)年份對應(yīng)數(shù)值的平均值,為總年數(shù),x表示第年氣象要素觀測值,y表示第年的年份。根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗表, 當(dāng)樣本數(shù)為29, 自由度為27, 通過＜0.05顯著性檢驗的臨界值為0.367, 即||≥0.367時, 氣象要素變化顯著。

為了研究氣象因子與蘋果單產(chǎn)之間的關(guān)系, 需剔除歷史時期生產(chǎn)力發(fā)展水平下的趨勢產(chǎn)量及誤差產(chǎn)量。具體公式如下:

式中:為實際產(chǎn)量,Y為趨勢產(chǎn)量,為氣象產(chǎn)量,為隨機產(chǎn)量。本文根據(jù)研究時段的數(shù)據(jù), 選取5 a滑動平均法計算山東蘋果單產(chǎn)的趨勢產(chǎn)量。

某指標(biāo)的空間區(qū)域重心, 常通過區(qū)域內(nèi)各子區(qū)域的某種屬性和地理坐標(biāo)來表達(dá)。和為研究區(qū)域某指標(biāo)的重心坐標(biāo), (X, Y)表示第個子區(qū)的幾何重心坐標(biāo)值,P為該子區(qū)某指標(biāo)的數(shù)量值(如產(chǎn)量),(,)就是該區(qū)域的某指標(biāo)的的幾何重心, 公式為:

某指標(biāo)重心在區(qū)域的年際移動距離計算公式為:

式中:D表示從第年到第年重心移動的距離;(X, Y)與(X, Y)分別表示第年和第年的某指標(biāo)重心位置經(jīng)緯度; 系數(shù)取常數(shù)111.11, 表示球體坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系數(shù)。

本文主要利用Excel和SPSS等統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計計算和分析, 并用ArcGIS 10.8進(jìn)行空間表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東蘋果生產(chǎn)概況

1991—2019年, 山東蘋果種植面積、總產(chǎn)量及單產(chǎn)的空間分布和時間趨勢如圖2所示。由圖2a-c可知, 山東東部、膠東半島地區(qū)是山東省蘋果種植的主要地區(qū), 膠東半島蘋果種植面積占山東省蘋果總種植面積約1/3, 煙臺市種植面積為全省最大, 達(dá)1×10hm以上。膠東半島的蘋果總產(chǎn)量相對較高,年均總產(chǎn)量值約400萬t, 占山東省蘋果平均總產(chǎn)的59%。從蘋果單產(chǎn)來看, 膠東半島蘋果單產(chǎn)最高, 達(dá)20 t·hm以上, 其中煙臺、淄博地區(qū)是蘋果單產(chǎn)的高值區(qū), 為25～30 t·hm(圖2c)。從時間趨勢看, 自20世紀(jì)90年代初, 山東蘋果種植面積呈上升趨勢,1995年種植面積達(dá)高值, 約66×10hm2, 較1991年增幅65.5%; 1996年后, 受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策的影響, 山東蘋果種植面積呈下降趨勢, 每年減少為1.28×10hm,年均減幅約為75.5% (圖2d)。過去近30年, 山東蘋果總產(chǎn)量波動中顯著上升, 2000年前蘋果總產(chǎn)增幅較大, 年均增幅約為98.8%, 至2002年, 蘋果總產(chǎn)下降至5×10t, 總產(chǎn)量增速放緩, 年均增幅約為43.2% (圖2e)。1991—2019年, 山東蘋果單產(chǎn)呈顯著上升趨勢, 每年增幅為1.2 t·hm, 年增幅約為13.5%(圖2f)。

圖2 1991—2019年山東各市及全省蘋果生產(chǎn)的時空分布Fig. 2 Spatial and temporal distribution of apple production in each city and whole Shandong Province during 1991—2019

從空間上看, 1991-2019年, 蘋果種植面積和生產(chǎn)重心在波動變化中也發(fā)生了顯著變化(圖3)。過去近30年山東蘋果種植面積(圖3a)和總產(chǎn)量(圖3b)的重心移動方向和距離基本一致, 自濰坊向東北移至青島地區(qū); 種植面積的重心向東北方向移動了156.41 km, 總產(chǎn)量重心向東北移動了142.17 km(圖3d-e)。過去30年山東蘋果單產(chǎn)重心變化略有不同(圖3c), 20世紀(jì)90年代, 單產(chǎn)重心在濰坊地區(qū)中部, 與種植面積和總產(chǎn)的重心基本上一致; 隨后,1991—1995年單產(chǎn)重心向西南方移動至濰坊西部,移動了63.56 km, 至2000年單產(chǎn)重心由東南向西北移動了約75.76 km, 到2019年重心由北向南移動約12.02 km至濰坊西部地區(qū)(圖3f)。

圖3 1991-2019年山東蘋果生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移路徑Fig. 3 Shifting path of apple production center in Shandong Province during 1991-2019

2.2 不同ENSO年型下山東蘋果可生長期農(nóng)業(yè)氣候資源演變規(guī)律

3種ENSO年型下, 山東蘋果可生長期內(nèi)光照資源的空間分布及演變趨勢如圖4所示。由圖可知,厄爾尼諾年日照時數(shù)＞1700 h的區(qū)域明顯多于中性年和拉尼娜年, 主要分布在魯中、魯北地區(qū)。從年際變化來看, 厄爾尼諾年大部分地區(qū)日照時數(shù)下降,魯北、魯南8個站點通過了95%顯著性檢驗; 拉尼娜年魯西地區(qū)5個站點有上升趨勢, 其余地區(qū)呈減少趨勢; 中性年山東半島及魯北有5個站點日照時數(shù)下降, 其余地區(qū)均呈上升趨勢。拉尼娜年和中性年的趨勢檢驗均未通過95%顯著性檢驗。

圖4 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東蘋果可生長期內(nèi)日照時數(shù)的空間演變Fig. 4 Spatial distribution and trend of sunshine hour during apple growth period in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)years in Shandong Province during 1991-2019

1) 3-10月平均氣溫。不同ENSO年型山東蘋果可生長期內(nèi)平均氣溫的空間演變?nèi)鐖D5所示。由圖可知, 山東蘋果生長期平均氣溫在18～24 ℃; 中性年平均氣溫20～22 ℃高值區(qū)域面積明顯多于厄爾尼諾和拉尼娜年; 拉尼娜年平均氣溫22～24 ℃高值區(qū)域分布在東部的海陽地區(qū)。從氣候傾向率來看, 3種年型下平均氣溫均有增加趨勢, 幅度略有不同; 厄爾尼諾年, 3-10月平均氣溫均呈增加趨勢, 除德州、濟(jì)南地區(qū), 其余地區(qū)增速均通過了95%的顯著性檢驗; 拉尼娜年僅沂源、郯城及煙臺地區(qū)平均溫度略下降, 且所有站點變化幅度均不顯著; 中性年, 全省平均氣溫呈上升趨勢, 但德州、惠民、濟(jì)南、郯城以及膠東半島的煙臺、威海地區(qū)增速放緩, 未通過顯著性檢驗(圖5d-f)。

圖5 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東蘋果可生長期內(nèi)平均氣溫的空間演變Fig. 5 Spatial distribution and trend of average temperature during apple growth period in different El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

2) ≥10 ℃活動積溫。不同ENSO年型, 山東蘋果可生長期內(nèi)≥10 ℃活動積溫呈東西分布(圖6a-c)。中性年4400～4700 ℃·d活動積溫區(qū)域范圍明顯多于厄爾尼諾和拉尼娜年; 厄爾尼諾年和中性年, 4700～4900 ℃·d活動積溫區(qū)域分布在濟(jì)南地區(qū); 拉尼娜年,4700～5600 ℃·d活動積溫較高值區(qū)分布在膠東半島。從氣候傾向率來看(圖6d-e), 3種年型下≥10 ℃活動積溫呈遞增趨勢, 僅拉尼娜年, 德州、沂源及煙臺地區(qū)有所下降。厄爾尼諾年活動積溫的增加最為顯著,11個站點通過了95%的顯著性檢驗; 中性年和拉尼娜年下, 幾乎所有站點皆未通過顯著性檢驗。

圖6 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東≥10 ℃活動積溫的空間演變Fig. 6 Spatial distribution and trend of active accumulated temperature more than 10 ℃ in different El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

3) 無霜期。無霜期的長短直接影響到蘋果生長發(fā)育潛在時期長短。不同ENSO年型下無霜期均在240～280 d, 255～280 d高值區(qū)出現(xiàn)在魯西、魯南沿海及膠東半島; 拉尼娜年無霜期較厄爾尼諾年、中性年有所縮短, 210～240 d低值區(qū)在沂源附近。從年際變化上來看, 3種年型下無霜期大部分站點呈延長趨勢(圖7d-e)。厄爾尼諾年僅濟(jì)南和日照無霜期縮短, 魯中、魯北8個站點通過了顯著性檢驗; 拉尼娜年沂源無霜期呈下降趨勢, 魯北、魯西5個站點通過了95%的顯著性檢驗; 中性年僅德州、莘縣、兗州及濰坊通過了95%顯著性檢驗。

圖7 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東省無霜期的空間演變Fig. 7 Spatial distribution and trend of frost-free period in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

4) 6-8月夏季日均溫。3種年型下6-8月夏季日均溫呈東西向分布(圖8a-c)。由圖可知, 23～25 ℃低值區(qū)均出現(xiàn)在膠東半島及魯東南地區(qū), 拉尼娜年低值區(qū)面積較大, 向西至沂源地區(qū); 中性年低值區(qū)較少。其他地區(qū)6-8月夏季日均溫在25～27 ℃波動。從氣候傾向率來看, 厄爾尼諾年德州、濟(jì)南及菏澤地區(qū)年際變化呈下降趨勢; 拉尼娜年僅沂源、日照、青島及煙臺地區(qū)年際變化呈下降趨勢, 厄爾尼諾年和拉尼娜年的所有站點均未通過顯著性檢驗。中性年6-8月夏季日均溫年際變化均呈上升趨勢, 除濟(jì)南地區(qū)外, 其余站點均通過了95%顯著性(圖8d-e)。

圖8 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東省6—8月夏季日均溫的空間演變Fig. 8 Spatial distribution and trend of average temperature from June to August in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)years in Shandong Province during 1991-2019

5) 6-8月夏季日較差。6-8月正值蘋果果實膨大期, 日較差越大, 越有利于蘋果果實的糖分積累。3種ENSO年型下山東6-8月日較差在5.0～11.0 ℃波動; 5.0～7.0 ℃低值區(qū)在膠東半島東部及魯東南。對于9.0～11.0 ℃的高值區(qū)面積而言, 厄爾尼諾年面積較大; 拉尼娜年、中性年高值區(qū)分布在魯西、魯中地區(qū), 濰坊也是高值區(qū)(圖9a-c)。厄爾尼諾年夏季日較差大于拉尼娜年及中性年, 夏季日氣溫變化顯著。從氣候傾向率來看, 厄爾尼諾年德州、濟(jì)南、日照地區(qū)年際變化呈上升趨勢, 僅濰坊、龍口通過了95%的顯著性檢驗; 拉尼娜年, 魯中及山東半島的8個站點年際變化呈遞增趨勢, 所有站點均未通過95%顯著性檢驗; 中性年11個站點的日較差呈增加趨勢, 東營、平度通過了95%顯著性檢驗(圖9d-f)。

圖9 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東6—8月日溫差的空間演變Fig. 9 Spatial distribution and trend of daily temperature difference from June to August in different El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

1) 蘋果可生長期降水量。不同年型下山東蘋果可生長期內(nèi)降水量由北向南遞增分布(圖10a-c)。降水在500 mm以下的區(qū)域厄爾尼諾年相比較拉尼娜和中性年多, 而降水＞650 mm的降水區(qū)域, 按照厄爾尼諾年、拉尼娜年和中性年順序依次增加, 并逐漸北移; 中性年最大降水量約在900 mm, 比拉尼娜年多100 mm左右。從氣候傾向率來看, 厄爾尼諾年和拉尼娜年, 東部大部分站點的降水量變化趨于減少,西部地區(qū)的降水量年際變化則呈遞增趨勢。3種年型下, 所有站點均未通過顯著性檢驗。

圖10 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東蘋果可生長期降水量的空間演變Fig. 10 Spatial distribution and trend of precipitation during apple growth period in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)years in Shandong during 1991-2019

2) 6-8月降水量。不同ENSO年型下6-8月降水量仍呈南北分布(圖11)。按照厄爾尼諾年、拉尼娜年和中性年的順序, 低于400 mm降水量的區(qū)域依次減少, 而400～600 mm的區(qū)域依次增加, 尤其是中性年6-8月降水量較為充沛, 分布較廣, 600～800 mm的高值區(qū)只有在中性年下的莒縣、煙臺附近。從年際變化來看, 厄爾尼諾年, 德州、魯東及膠東半島地區(qū)(除龍口、威海)年變化均下降; 拉尼娜年大部分地區(qū)年際變化呈遞增趨勢; 中性年僅莘縣、菏澤、東營、濰坊、平度地區(qū)年際變化遞增。3種年型下,所有站點均未通過顯著性檢驗。

圖11 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東6—8月平均降水量的空間演變Fig. 11 Spatial distribution and trend of precipitation from June to August in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

2.3 ENSO事件與氣候因子的關(guān)系

過去近30年, 山東蘋果可生長期內(nèi)氣候因子與SOI指數(shù)的相關(guān)性如表2所示。由表可知, 蘋果可生長期內(nèi)光照、夏季日均溫和日較差與SOI指數(shù)有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系, 降水、無霜期等要素與SOI指數(shù)呈明顯正相關(guān)關(guān)系; 其中, 光照、夏季日較差及降水的相關(guān)系數(shù)通過95%的顯著性檢驗。3種年型下, 氣候要素與厄爾尼諾年和拉尼娜年SOI指數(shù)的關(guān)系與中性年的關(guān)系幾乎相反。其中, 厄爾尼諾、拉尼娜年的光照、夏季均溫和日溫差與SOI指數(shù)的關(guān)系呈負(fù)向, 與≥10 ℃活動積溫、無霜期及降水量的關(guān)系呈正向, 厄爾尼諾年下光照和活動積溫等通過了顯著性檢驗。拉尼娜年和中性年下的相關(guān)關(guān)系未通過顯著檢驗。在光熱資源中, 厄爾尼諾年的相關(guān)系數(shù)大于拉尼娜年, 而拉尼娜年降水資源大于厄爾尼諾年, 說明厄爾尼諾年對蘋果生長季內(nèi)熱量資源影響較大, 拉尼娜年降水資源優(yōu)勢相對明顯?？傮w來看,ENSO事件與山東蘋果可生長季內(nèi)氣候資源顯著相關(guān)性不明顯, 山東蘋果可生長期降水及夏季降水資源受到ENSO事件的正向影響, 夏季熱量資源及光照資源與ENSO事件呈負(fù)向關(guān)系。

表2 1991-2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型下氣候因子與南方濤動指數(shù)的關(guān)系Table 2 Correlation between climate factors during apple potential growth period and Southern Oscillation index (SOI) in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

2.4 ENSO事件與山東蘋果氣象單產(chǎn)的關(guān)系

不同ENSO年型下, 蘋果生長情況也有所不同。由圖12可知, 3種年型下煙臺地區(qū)蘋果產(chǎn)量為高值區(qū)。厄爾尼諾年聊城、濟(jì)南、濟(jì)寧、濰坊及青島地區(qū)單產(chǎn)低于拉尼娜年和中性年的單產(chǎn)。拉尼娜年、中性年山東半島地區(qū)單產(chǎn)較高, 約為20～30 t·hm; 拉尼娜年淄博地區(qū)單產(chǎn)量最高, 達(dá)35～46 t·hm。厄爾尼諾年, 聊城、萊蕪地區(qū)平均單產(chǎn)8～10 t·hm。3種年型下蘋果總產(chǎn)和單產(chǎn)均呈增加趨勢, 厄爾尼諾年產(chǎn)量和單產(chǎn)相對較低。蘋果總產(chǎn)量及單產(chǎn)在不同ENSO年型下年際變化顯著, 均通過了95%的顯著性檢驗。

圖12 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東省蘋果產(chǎn)量的時空分布Fig. 12 Spatial and temporal distribution of apple production in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

通過5年滑動平均法模擬蘋果趨勢產(chǎn)量后, 計算得到山東蘋果氣象產(chǎn)量, 3種年型下其氣候產(chǎn)量的變化趨勢如圖13所示。山東氣象單產(chǎn)的變化趨勢一致, 但各地變化幅度不同。山東濱州、聊城、德州、日照地區(qū)氣象產(chǎn)量的變幅較大, 其中德州市尤為明顯, 1998-2006年變化速率最高達(dá)800%, 由此可看出, 當(dāng)?shù)貧庀髥萎a(chǎn)受氣象因子影響波動較大。

圖13 1991—2019年山東及各市蘋果單產(chǎn)變化趨勢Fig. 13 Change trend of apple yield per unit area in Shandong Province and each city during 1991-2019

山東蘋果氣象單產(chǎn)與可生長期內(nèi)氣象因子相關(guān)性如表3所示。過去29年, 山東蘋果氣象單產(chǎn)與SOI指數(shù)存在顯著正相關(guān)性; 不同ENSO年型下,SOI指數(shù)與蘋果氣象單產(chǎn)呈正向關(guān)系, 但結(jié)果未通過顯著性檢驗, ENSO事件的發(fā)生可能會對蘋果氣象單產(chǎn)造成一定程度的影響, 但并不是重要的影響因素,也有可能是研究時段樣本量有限的原因。不同ENSO年型下, 可生長期內(nèi)氣象因子、SOI指數(shù)與氣象單產(chǎn)的相關(guān)性仍不顯著, 光照資源、熱量資源與氣象單產(chǎn)之間呈負(fù)向關(guān)系, 對蘋果氣象單產(chǎn)可能造成減產(chǎn)的影響; 而降水資源大多與氣象單產(chǎn)之間呈正向關(guān)系; 且厄爾尼諾和拉尼娜年型下的降水資源關(guān)系變化一致, 與中性年的變化關(guān)系呈相反關(guān)系。厄爾尼諾年及拉尼娜年降水條件好的情況下, 對蘋果生產(chǎn)起到促進(jìn)作用, 有增產(chǎn)的效果。

表3 1991—2019年及不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東省蘋果氣象單產(chǎn)與氣候因子之間的關(guān)系Table 3 Correlation between apple meteorological yield and climate factors in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

由圖14可知, 蘋果氣象單產(chǎn)在魯北及山東半島地區(qū)與光照資源與熱量資源呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與降水資源呈正相關(guān)關(guān)系; 山東半島作為山東蘋果的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)之一, 其總產(chǎn)及單產(chǎn)相對優(yōu)勢較高, 降水資源的增多會對蘋果生產(chǎn)提供增益效果。不同ENSO年型下, 德州、濱州、濟(jì)南、日照及煙臺、威海地區(qū)的光照、熱量資源與氣象單產(chǎn)的關(guān)系通過顯著性檢驗,德州、濱州、威海、臨沂地區(qū)的降水資源與氣象單產(chǎn)的關(guān)系通過了顯著性檢驗, 無霜期與氣象單產(chǎn)相關(guān)性并不顯著。膠東半島地區(qū)(煙臺、威海及青島)是山東省蘋果產(chǎn)量高值區(qū), 魯西北地區(qū)(濟(jì)南、聊城及德州)低于山東平均值, 處于相對劣勢生產(chǎn)地區(qū)。由表4可知, 膠東半島地區(qū)(煙臺、威海及青島)和魯西北地區(qū)(聊城、濟(jì)南及德州), 光照和熱量資源與當(dāng)?shù)靥O果氣象單產(chǎn)呈負(fù)相關(guān), 即光熱資源增加對蘋果產(chǎn)量有一定制約; 但中性年, 魯西北地區(qū)光照、熱量資源與蘋果氣象單產(chǎn)呈正相關(guān), 對蘋果氣象產(chǎn)量有促進(jìn)作用。中性年膠東半島及拉尼娜年、中性年魯西北地區(qū)的降水變化與當(dāng)?shù)靥O果氣象單產(chǎn)呈負(fù)相關(guān); 由于拉尼娜年和中性年的降水資源相對充沛, 導(dǎo)致膠東半島和魯西北地區(qū)降水變化對蘋果氣象產(chǎn)量有一定的抑制作用?？傮w來看, 山東大部分地區(qū)氣象因素與氣象單產(chǎn)之間相關(guān)性并不顯著, 但對蘋果生產(chǎn)仍具有一定的指示意義。山東省德州、濱州及威海等地區(qū)受氣象因子的影響較為顯著, 該地區(qū)氣象單產(chǎn)與氣象因子之間存在相關(guān)性, 該地區(qū)氣象資源的變化對當(dāng)?shù)靥O果生產(chǎn)影響較為顯著。

表4 不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型膠東半島、魯西北蘋果氣象產(chǎn)量與氣象單產(chǎn)之間關(guān)系Table 4 Correlation between apple meteorological yield and meteorological unit yield in Jiaodong Peninsula and Northwest Shandong Province in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years

圖14 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)年型山東省各區(qū)域氣象單產(chǎn)與氣象因子相關(guān)性空間分布Fig. 14 Spatial distribution of correlation between apple meteorological yield and climate factors in different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

3 討論

本文基于山東省逐日氣象數(shù)據(jù)、逐月SOI指數(shù)及蘋果生產(chǎn)數(shù)據(jù), 分析了1991-2019年不同ENSO年型下蘋果可生長階段內(nèi)的光、熱、水資源的變化趨勢及空間分布, 探討了不同ENSO年型對山東蘋果生產(chǎn)的影響。

1991-2019年山東省蘋果總產(chǎn)、單產(chǎn)總體呈顯著上升趨勢, 這主要與當(dāng)?shù)靥O果栽培技術(shù)進(jìn)步、優(yōu)質(zhì)品種選育、高效合理地利用氣候資源等密切相關(guān)。而栽培面積呈先上升后下降的趨勢, 這主要是受國家種植結(jié)構(gòu)政策調(diào)整的影響。在這樣背景下, 山東蘋果種植面積重心、產(chǎn)量重心自濰坊地區(qū)西南向東北移動至煙臺地區(qū), 突出了膠東半島蘋果產(chǎn)業(yè)的絕對優(yōu)勢地位; 蘋果單產(chǎn)重心由東北濰坊地區(qū)向西南方向移動, 與種植面積、總產(chǎn)量的移動方向相反, 說明魯北、山東半島地區(qū)因氣候資源條件優(yōu)越, 使蘋果種植面積及總產(chǎn)量不斷增加, 但蘋果栽培技術(shù)、田間管理等方面尚未同步發(fā)展, 使該地區(qū)對氣候資源依賴性較大, 應(yīng)注重蘋果生產(chǎn)、栽培等技術(shù)的研發(fā)、推廣和使用, 從而確保蘋果的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn), 提升蘋果的品質(zhì)。

1991-2019年, 山東省農(nóng)業(yè)氣候資源基本滿足了蘋果種植生產(chǎn)的基本條件, 蘋果氣候資源在波動中變化, 增減幅度略有差異。不同ENSO年型下, 山東農(nóng)業(yè)氣候資源空間分布具有差異性, 光照資源、熱量資源呈東西向分布; 而降水資源則呈現(xiàn)南北向分布。由臨海向內(nèi)陸呈減少分布, 受地形因素影響的同時, 不同ENSO事件對山東農(nóng)業(yè)氣候資源年變化差異并不顯著, 僅降水資源呈區(qū)域分布特點明顯。分年型考慮山東農(nóng)業(yè)氣候資源, 發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾年豐富的光照資源、熱量資源以及拉尼娜年的降水資源,對蘋果的著色、糖分積累以及果實膨大起促進(jìn)作用。從分析結(jié)果來看, 厄爾尼諾年熱量資源優(yōu)于拉尼娜年和中性年, 但拉尼娜年、中性年的降水資源優(yōu)越于厄爾尼諾年。在這樣的氣候資源分布和配置下,拉尼娜年和中性年蘋果生產(chǎn)狀況(產(chǎn)量、單產(chǎn)等)表現(xiàn)也優(yōu)于厄爾尼諾年, 在一定程度上促進(jìn)了蘋果增產(chǎn), 但僅考慮區(qū)域氣候資源對蘋果增長可能有些單一, 后續(xù)可進(jìn)一步深入挖掘典型站點不同年型下蘋果生產(chǎn)的影響。此外, 厄爾尼諾年熱量偏多、降水減少趨勢明顯, 未來可加強對高溫、干旱等相關(guān)災(zāi)害監(jiān)測與防范; 而拉尼娜年下溫度偏低、降水偏多,需加強對低溫、洪澇(澇漬或連陰雨)等相關(guān)災(zāi)害的監(jiān)測與防范。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)1991-2019年蘋果可生長期氣象因子與SOI指數(shù)無明顯相關(guān)。但ENSO事件與山東蘋果可生長期降水資源之間存在正向關(guān)系, 與夏季熱量資源存在負(fù)向關(guān)系。馬露等分析了1961-2012年山東氣候變化特征與ENSO事件關(guān)系, 結(jié)果表明ENSO對山東省降水量變化的影響呈現(xiàn)非地帶性, 且暖事件降水量減少, 而冷事件降水量增加, 這與本文研究結(jié)果一致; 但馬露等從ENSO強度探討了其與氣候變化的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)ENSO強度對氣溫的影響不顯著, 但與降水量之間的關(guān)系顯著。本文未探討ENSO強度下的氣候變化關(guān)系, 但從一定程度上說明ENSO事件對山東氣候資源存在較為明顯的影響。王新建等分析了山東1990—2019年山東氣候變化與ENSO事件的相關(guān)性, 通過分析ENSO事件強度與氣象因子距平之間的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)ENSO事件與氣象因子二者之間并沒有顯著相關(guān)性, 其分析結(jié)果與本文一致。過去近30年, 山東蘋果可生長階段內(nèi)氣象因子與ENSO事件無顯著相關(guān)關(guān)系,ENSO事件的變化會對山東當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源條件以及農(nóng)業(yè)生長造成一定程度的影響, ENSO事件的發(fā)生對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展仍具有指示作用; 山東獨特的地理位置, 使其當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源除了受到ENSO事件的影響外, 東亞季風(fēng)也是不可忽視的重要因素, 僅考慮ENSO事件對其影響, 存在些許局限, 后續(xù)可進(jìn)一步研究; 同時由于研究年代有限, 研究時段樣本量的影響也是不可避免的。

山東大部分地區(qū)蘋果氣象單產(chǎn)變化不明顯, 一方面是該地區(qū)的產(chǎn)量受氣象因素影響有限, 另一方面是研究時段樣本量或選擇的氣象因子對結(jié)果有一定的影響。本文分析蘋果氣象單產(chǎn)與氣象因子間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn), 不同ENSO年型中, 光照、熱量資源與蘋果氣象單產(chǎn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 在降水資源中, 僅中性年的降水資源與蘋果氣象單產(chǎn)呈正相關(guān)。中性年的產(chǎn)量、單產(chǎn)相比其他年型最高, 而厄爾尼諾年產(chǎn)量、單產(chǎn)則最低。充足的熱量資源是滿足蘋果正常生長發(fā)育的必要條件, 但熱量資源的多寡應(yīng)與蘋果生長適宜溫度相適配, 否則會起到抑制作用; 降水資源同樣也是。降水資源對蘋果產(chǎn)量有較為重要的影響。在全時段、厄爾尼諾年、拉尼娜年, 降水資源對蘋果產(chǎn)量起到了促進(jìn)作用。但在中性年, 降水資源過于充沛, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蘋果生長所需的降水量, 對蘋果產(chǎn)量有阻礙作用。在山東各區(qū)域氣象要素與氣象單產(chǎn)的相關(guān)性中, 在光照資源與熱量資源的魯北、山東半島地區(qū)多呈負(fù)向關(guān)系, 而降水資源與蘋果氣象單產(chǎn)呈正相關(guān)關(guān)系; 山東半島作為山東蘋果的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)之一, 其總產(chǎn)量及單產(chǎn)較高, 降水資源的增多會對蘋果生產(chǎn)提供增益效果。對比膠東半島與魯西北地區(qū), 發(fā)現(xiàn)僅在魯西北地區(qū), 中性年的光照資源、熱量資源與當(dāng)?shù)貧庀髥萎a(chǎn)呈正相關(guān); 在降水資源中, 魯西北地區(qū)的拉尼娜年以及中性年, 兩地的蘋果氣象單產(chǎn)與降水資源呈負(fù)相關(guān)。中性年的降水資源遠(yuǎn)超于蘋果正常生長所需, 過量的降水資源對當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)量產(chǎn)生一定的抑制作用。膠東半島地區(qū)的獨特地理位置, 使其熱量資源過于充沛, 對當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)量產(chǎn)生抑制影響; 但在熱量資源優(yōu)越的年份, 例如厄爾尼諾年等, 降水資源相較于其他年份較少, 降水資源的增多, 成為了該年型下蘋果增產(chǎn)的正向積極氣象因素。而在魯西北地區(qū), 由于降水資源相較于膠東半島地區(qū)略顯匱乏, 加之當(dāng)?shù)靥O果品種等因素的影響, 在中性年降水較多的年份中, 熱量資源的增多對蘋果產(chǎn)量起到積極促進(jìn)作用; 而在熱量資源優(yōu)越的厄爾尼諾年, 降水資源成為了蘋果增產(chǎn)增收的一個積極因素。這可能是由于兩地的地理位置差異, 同時兩地蘋果種植品種對溫度、降水條件的適宜情況有所差異造成的。山東省熱量氣候條件的優(yōu)越以及過量的降水資源, 可能是與氣象單產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)向關(guān)系的一個因素。因此, 在氣候變化背景下, 不同大尺度環(huán)流下蘋果生產(chǎn)中仍需著重考慮熱量、降水對蘋果生產(chǎn)的影響, 尤其是溫度和降水有關(guān)的旱、澇災(zāi)害對蘋果生產(chǎn)帶來的不利影響。

本文受數(shù)據(jù)記錄時限的影響, 一方面未充分考慮典型站點或具體果園間的差異性, 對精細(xì)化結(jié)果仍有一定影響。另一方面, 雖考慮了SOI指標(biāo)與山東農(nóng)業(yè)氣候資源的相關(guān)關(guān)系, 但仍可以增加沿海的海溫異常等指標(biāo), 在未來研究工作中需進(jìn)一步探討。另外, 本文因數(shù)據(jù)收集有限, 未考慮蘋果品種、樹齡等, 忽略了不同時期蘋果樹體及不同生育階段蘋果果實在生長中對天氣變化的適應(yīng)和反饋作用, 在后續(xù)研究中需加強。

4 結(jié)論

本文以山東蘋果作為研究對象, 探討了不同ENSO年型下山東蘋果可生長階段氣候資源變化及其對蘋果生產(chǎn)的影響, 得到如下結(jié)論: 1991-2019年山東蘋果種植面積總體呈減少趨勢, 但總產(chǎn)量、單產(chǎn)量卻明顯增加; 種植面積及總產(chǎn)量生產(chǎn)重心分別向東北移動, 單產(chǎn)重心卻向西南移動。山東熱量、降水資源遠(yuǎn)超蘋果生產(chǎn)所需, 不同ENSO年型下的山東氣候資源均能滿足蘋果正常生長發(fā)育, 但空間上分布不均勻。厄爾尼諾年的光照資源、熱量資源較為優(yōu)越, 而拉尼娜年、中性年降水資源更為充沛; 優(yōu)越的氣候資源對蘋果生產(chǎn)的增收增益起有利的促進(jìn)作用。山東熱量資源變化與蘋果氣象單產(chǎn)呈負(fù)向關(guān)系, 降水資源與蘋果氣象單產(chǎn)呈正向關(guān)系, 拉尼娜年降水資源增多促進(jìn)了蘋果增產(chǎn), 而厄爾尼諾年則有導(dǎo)致蘋果減產(chǎn)的趨向, 但影響程度略有不同。不同ENSO事件對山東氣候資源變化及蘋果生產(chǎn)均有影響。厄爾尼諾年需考慮高溫與干旱等相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生, 拉尼娜年、中性年需防范低溫或雨澇災(zāi)害。