崔 成,劉 園,劉布春,孫彥坤,楊 凡,3,張曉男,4,劉珊珊,朱永昶,賀金娜

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(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;2.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 哈爾濱 150036;3.新疆農(nóng)業(yè)大學食品科學與藥學學院 烏魯木齊 830000;4.張家口機場有限公司航務管理部 張家口 075000)

蘋果(Malus pumila)是中國第一大水果,在我國林果產(chǎn)業(yè)中有著重要的地位,主要分布在環(huán)渤海、黃土高原、黃河故道和秦嶺北麓、新疆以及西南冷涼高地等地[1]。山東作為我國蘋果傳統(tǒng)環(huán)渤海優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū)的主產(chǎn)省之一,具有獨特的地理位置和優(yōu)越的氣候資源。由于受臨海季風、極端氣候的影響,農(nóng)業(yè)氣象災害呈頻發(fā)、重發(fā)態(tài)勢,給蘋果安全生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)[2]。

厄爾尼諾-南方濤動事件(ENSO 事件)是指中東太平洋地區(qū)海溫異常變化與太平洋和印度洋地區(qū)東西方向海平面氣壓變化的蹺蹺板現(xiàn)象,是目前人類所能觀測到最強的全球尺度的海洋和大氣耦合系統(tǒng)[3]。20 世紀60 年代以來國內(nèi)外專家研究發(fā)現(xiàn),ENSO 事件常引發(fā)中國不同地區(qū)旱澇、高低溫等氣象災害的發(fā)生,進而影響農(nóng)業(yè)氣候資源的時空格局,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定的損失[4-8]。氣候變化背景下,環(huán)渤海地區(qū)旱澇災害頻發(fā),ENSO 事件與降水強度、旱澇指數(shù)呈顯著負相關,與旱澇等級呈顯著正相關[4-6];厄爾尼諾年降水減少且有明顯滯后性,拉尼娜年與之相反。ENSO 事件對山東氣溫影響呈空間差異性,總體而言,厄爾尼諾年極端高溫日數(shù)增加,極端低溫日數(shù)減少,不同時段氣溫與ENSO 事件存在不同共振周期[9];但苗正偉等[10]認為京津冀地區(qū)極端溫度指數(shù)與ENSO 事件無顯著相關性。與此同時,旱澇災害的發(fā)生對環(huán)渤海地區(qū)蘋果生產(chǎn)影響較大[11]。降水量異常變化影響了蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)[12-13]。程雪等[14]、楊建瑩等[15]分析了北方蘋果種植區(qū)干旱時空分布特征,指明了蘋果干旱的觸發(fā)閾值,并在區(qū)域進行了驗證。馬麗君[16]、程婷婷等[17]分析了夏季干旱、冬春連旱、低溫等農(nóng)業(yè)氣象災害,發(fā)現(xiàn)這是導致蘋果坐果率低的主要原因,并提出相應的田間管理措施建議。但分析大尺度環(huán)流異常的ENSO 事件對山東農(nóng)業(yè)氣象災害、蘋果產(chǎn)量的影響鮮見報道。鑒于旱澇災害、極端溫度災害對蘋果生產(chǎn)影響較大,本文以此為切入點,探究在大尺度環(huán)流異常ENSO 事件影響下的山東旱澇、極端溫度等農(nóng)業(yè)氣象災害的區(qū)域演變特征,探討其對蘋果產(chǎn)量的影響,以期為保障山東蘋果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的健康發(fā)展,規(guī)避農(nóng)業(yè)氣象災害提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

山東省位于我國東部環(huán)渤海沿海地區(qū),屬于溫帶季風氣候,氣候資源季節(jié)分配不均,雨熱同期(圖1)。山東省也是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一[18-19]。

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

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文選取山東省18 個國家標準氣象站(圖1) 1991-2019 年逐日氣象數(shù)據(jù),包括最高、最低和平均溫度,降水量,日照時數(shù)和風速等;山東省17 個地市1991-2019 年蘋果種植面積、產(chǎn)量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)。同時,選取1991-2019 年逐月南方濤動指數(shù)(Southern Oscillation Index,簡稱SOI)數(shù)據(jù)[20-21],全球有且唯一的SOI 數(shù)據(jù)主要用于劃分大尺度環(huán)流異常ENSO 事件年型[19],統(tǒng)計結果如表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[20-21]Table 1 Classification of different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) events from 1991 to 2019

1.3 研究方法

1.3.1 山東蘋果可生長期及生長的基本氣候條件

根據(jù)查閱相關文獻[19]和實地走訪,收集整理了山東各地不同品種蘋果實際生長發(fā)育日期。本文以可覆蓋蘋果所有品種的關鍵生育期為目標,劃定每年3 月1 日-10 月31 日為山東蘋果的可生長期(潛在生長期),即在此時間范圍內(nèi)的氣候條件可滿足蘋果正常生長發(fā)育的最低要求;同時,定義3 月1 日-5 月31 日為開花期,6 月1 日-8 月31 日為果實膨大期。

1.3.2 旱澇災害的判定

參考國家標準《氣象干旱等級》(GB/T 20481-2017)及相關文獻[22-24],本文選取降水距平百分率作為山東旱澇災害發(fā)生的判定指標。降水距平百分率是描述某時段內(nèi)某地降水量與同期降水量多年平均狀態(tài)的偏離程度,用百分率(%)表示,降水量越大降水距平偏離氣候平均值越大,發(fā)生干旱或雨澇災害的風險越大。計算公式如下:

式中:Pa為降水量距平(%),P為某時段降水量(mm),為同期降水量的多年平均值(mm)。以降水距平百分率為指標的旱澇等級劃分,具體如表2 所示[23-24]。

表2 根據(jù)降水距平百分率(Pa)劃分旱澇等級Table 2 Drought and flood grades according to the percentage of precipitation anomaly (Pa)

1.3.3 旱澇站次比

旱澇站次比是研究區(qū)域內(nèi)同一時段發(fā)生干旱或雨澇的站點與區(qū)域內(nèi)全部站點的比值,用于表達干旱或雨澇災害的影響區(qū)域大小。計算公式如下:

式中:Pj為旱澇站次比(%),M為研究區(qū)域內(nèi)站點總個數(shù),m為發(fā)生干旱或雨澇事件的站點數(shù)。以旱澇站次比為指標的旱澇等級劃分[22-25],具體如表3 所示。

表3 以旱澇站次比(Pj)劃分區(qū)域災害影響范圍Table 3 Influence area of regional disasters by the stations ratio of drought or flooding (Pj)

1.3.4 旱澇頻率

研究區(qū)域內(nèi)某時段干旱或雨澇發(fā)生的頻率用Pi表示,計算公式如下:

式中:N為研究時間段,n為發(fā)生干旱或雨澇的次數(shù)[2]。

1.3.5 極端溫度

山東省蘋果極端溫度指標如表4 所示。每年3-5 月為蘋果開花階段,常受低溫、倒春寒等災害的影響,開花受到低溫影響,影響蘋果坐果率和果實品質(zhì)[26-27]。低溫災害一般分為低溫冷害和低溫凍害。6-8 月為果實膨大期,高溫熱害導致果實發(fā)生日灼,影響果實品質(zhì)和產(chǎn)量[25]。

表4 山東蘋果極端溫度指標Table 4 Extreme temperature indexes of apple in Shandong

1.3.6 產(chǎn)量分離

為研究蘋果產(chǎn)量與氣象因子之間的關系,剔除生產(chǎn)力發(fā)展下的趨勢產(chǎn)量,得到蘋果的氣候產(chǎn)量,具體公式如下:

式中:Y為實際產(chǎn)量(kg·hm-2);Yi為趨勢產(chǎn)量(kg·hm-2);Y0為氣象產(chǎn)量(kg·hm-2);a為隨機誤差產(chǎn)量,忽略不計。本文選取5 年滑動平均法計算蘋果產(chǎn)量的趨勢產(chǎn)量[28]。

此外,利用蘋果減產(chǎn)率(Yw)來判斷氣象條件是否有利于蘋果產(chǎn)量。當Y0＞0 時,蘋果減產(chǎn)率為0;當Y0＜0 時,即氣候條件易導致蘋果產(chǎn)量減產(chǎn),取絕對值后記為蘋果減產(chǎn)率。具體計算如下[29]:

2 結果與分析

2.1 不同ENSO 年型蘋果果實膨大期(6-8 月)旱澇災害特征

2.1.1 旱澇頻次/頻率

6-8 月是蘋果果實膨大期,降水量多寡影響蘋果果實著色及糖分積累[30]。1991-2019 年,不同ENSO年型下山東干旱、雨澇具有時空差異性(圖2)。厄爾尼諾年,山東共發(fā)生干旱站次共78 次,雨澇26 次;拉尼娜年,發(fā)生干旱站次有32 次,雨澇29 次;中性年,干旱站次僅發(fā)生6 次,雨澇站次發(fā)生了60 次。厄爾尼諾年干旱發(fā)生頻次高于雨澇發(fā)生頻次,中性年雨澇發(fā)生頻次高于干旱。從空間來看,厄爾尼諾年膠東半島、魯南地區(qū)干旱發(fā)生站次分別為26 次和16 次,雨澇發(fā)生4 次和2 次;拉尼娜年干旱站次發(fā)生高值區(qū)分布在膠東半島(16 次)和魯北地區(qū)(7 次);中性年,海陽、煙臺、莒縣等地雨澇站次均為5 次?？傮w而言,厄爾尼諾年更易發(fā)生干旱,中性年更易發(fā)生雨澇災害。在地區(qū)分布上,魯西、魯中地區(qū)容易發(fā)生干旱災害,膠東半島、魯南地區(qū)容易發(fā)生雨澇災害。

圖2 不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型山東6-8 月降水距平百分率及旱澇等級(1991-2019 年)Fig.2 Percentage of precipitation anomalies and grade of droughts and floods from June to August under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong (1991-2019)

不同ENSO 年型下山東旱澇災害發(fā)生頻率如圖3所示。1991-2019 年,山東地區(qū)干旱和旱澇發(fā)生頻率基本持平;厄爾尼諾年干旱發(fā)生頻率約35%,高于雨澇發(fā)生頻率(10%);中性年雨澇發(fā)生頻率集中在35%～45%,最高達55%,干旱頻率為0～10%,高值約在20%;拉尼娜年干旱發(fā)生頻率為15%～45%,雨澇發(fā)生頻率在0～45%?？傮w而言,厄爾尼諾年干旱發(fā)生頻率高于拉尼娜年和中性年,中性年雨澇災害發(fā)生頻率高于厄爾尼諾年和拉尼娜年。

圖3 不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型山東6-8 月旱澇頻率分布Fig.3 Frequency of drought and flood from June to August under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)years in Shandong

2.1.2 旱澇站次比

1991-2019 年山東旱澇站次比的變化如圖4 所示,過去近30 年,山東干旱發(fā)生站次比多于雨澇發(fā)生站次比。山東全區(qū)共發(fā)生1 次全域性干旱、2 次區(qū)域性干旱及3 次區(qū)域性雨澇。厄爾尼諾年山東發(fā)過1 次全區(qū)干旱、2 次區(qū)域性干旱,中性年發(fā)生3 次區(qū)域性雨澇。厄爾尼諾年局部性雨澇、拉尼娜年局地性雨澇高于局地性干旱的發(fā)生。

圖4 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下山東6-8 月旱澇災害站次比Fig.4 Stations ratio of drought and flood from June to August under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong (1991-2019)

2.2 極端溫度

2.2.1 低溫冷害

過去近30 年,山東發(fā)生低溫冷害的平均年日數(shù)來看(圖5a-c),魯東、魯北地區(qū)屬低溫冷害高發(fā)區(qū),魯西地區(qū)屬低溫冷害發(fā)生低值區(qū)。厄爾尼諾年低溫冷害平均年日數(shù)高值區(qū)在膠東半島和魯北地區(qū),約5～7 d·a-1,其中濰坊低溫冷害的平均年日數(shù)達7～9 d·a-1;魯西、魯南煙臺、威海地區(qū)低溫冷害發(fā)生平均年日數(shù)為3～5 d·a-1。拉尼娜年,低溫冷害低值區(qū)在濟南、朝陽、菏澤、日照、青島等地區(qū),平均為1～3 d·a-1。中性年,低溫冷害高值區(qū)在魯北、魯中及山東半島地區(qū),平均為5～7 d·a-1,德州、濰坊、煙臺低溫冷害發(fā)生的年均日數(shù)最高,平均為7～9 d·a-1。中性年低溫冷害的高值區(qū)范圍相對最大。

圖5 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下低溫冷害(-2 ℃＜極端低溫≤0 ℃)發(fā)生日數(shù)、＞ 3 d 低溫冷害頻率空間分布Fig.5 Spatial distribution of occurrence days of cold injury (-2 ℃ ＜ extreme low temperature≤ 0 ℃) and frequency of cold injury lasting for more than 3 days under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

在蘋果開花期發(fā)生持續(xù)3 d 以上的低溫冷害,影響蘋果花粉活力和坐果率[27]。圖5d-f 是＞3 d 低溫冷害發(fā)生的頻率區(qū)域分布,＞3 d 低溫冷害的高頻率區(qū)在魯中至膠東半島地區(qū),頻率約在60%～100%;魯西、魯東南地區(qū)為低頻率區(qū)。厄爾尼諾年魯西、魯東南及煙臺地區(qū)＞3 d 低溫冷害的發(fā)生頻率在30%～60%。拉尼娜年,＞3 d 低溫冷害低值區(qū)(10%～30%)分布在濟南、日照、青島地區(qū)。中性年＞3 d 低溫冷害發(fā)生頻率低值區(qū)(30%～60%)分布在菏澤、濟南、日照等地,高頻率分布范圍最廣,其中膠東半島地區(qū)低溫冷害發(fā)生頻率為90%～100%。綜上所述,厄爾尼諾年下,發(fā)生低溫冷害的日數(shù)、頻率較低,受低溫冷害的影響較低;而中性年,低溫冷害發(fā)生持續(xù)日數(shù)較長,且發(fā)生頻率的影響范圍最廣,因此中性年受低溫災害影響較大。

2.2.2 低溫凍害

1991-2019 年,山東蘋果開花期低溫凍害平均年日數(shù)的空間分布如圖6a-c 所示。魯東、膠東半島地區(qū)為低溫凍害高值區(qū),魯西地區(qū)為低值區(qū)。相較于低溫冷害發(fā)生情況,低溫凍害影響區(qū)域偏高。厄爾尼諾年魯東及膠東半島地區(qū)低溫凍害年日數(shù)5～7 d·a-1,濟南、菏澤、日照、青島地區(qū)平均為1～3 d·a-1。拉尼娜年,魯西、魯東南地區(qū)及東營地區(qū)為低值區(qū)。中性年,魯東至膠東半島地區(qū)為低溫凍害發(fā)生的高值區(qū)。3 種ENSO 年型下,濰坊地區(qū)低溫凍害年發(fā)生日數(shù)最高,為7～9 d·a-1。

圖6 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下低溫凍害(極端低溫≤-2 ℃)發(fā)生日數(shù)、＞3 d 低溫凍害頻率空間分布Fig.6 Spatial distribution of low temperature freezing injury (extreme low temperature ≤ -2 ℃) days and frequency of low temperature freezing injury lasting for more than 3 days under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

1991-2019 年,＞3 d 低溫凍害發(fā)生頻率的空間分布如圖6d-f 所示。厄爾尼諾年魯東、膠東半島地區(qū)＞3 d 低溫凍害發(fā)生頻率較高,約在60%～90%,其中濰坊地區(qū)＞3 d 低溫凍害頻率最高,為90%～100%,厄爾尼諾年下,近乎年年發(fā)生。拉尼娜年、中性年,在菏澤、濟南、東營等地低溫凍害發(fā)生頻率較低,約在10%～30%。綜上而言,厄爾尼諾年低溫凍害在魯東、魯北等地區(qū)分布范圍最廣,發(fā)生頻率也較高。由于濰坊地區(qū)以東、以北為渤海、沿海平原,以南、以西多為山地,冷空氣易進難出,使得低溫災害發(fā)生重于其他地區(qū)。

2.2.3 高溫熱害

6-8 月是蘋果果實膨大期,高溫熱害影響蘋果果實品質(zhì),也易引發(fā)病害發(fā)生[30]。在1991-2019 年山東發(fā)生高溫熱害的平均年日數(shù)區(qū)域分布如圖7a-c所示。不同ENSO 年型山東發(fā)生高溫熱害年日數(shù)呈東向西增加的空間分布。厄爾尼諾年,高溫熱害平均年日數(shù)高值區(qū)分布在魯中、魯西等地,其中魯西地區(qū)發(fā)生天數(shù)最高,約在11～15 d·a-1;拉尼娜年、中性年在魯東、膠東半島地區(qū)平均年日數(shù)較低,約在0～5 d·a-1。

圖7 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下高溫熱害(極端高溫≥35 ℃)發(fā)生日數(shù)空間、＞ 3 d 高溫熱害頻率分布Fig.7 Spatial distribution of occurrence days of high temperature (extereme high temperature ≥35 ℃) and frequency of high temperature lasting for more than 3 days under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

1991-2019 年山東發(fā)生高溫熱害頻率的空間分布如圖7d-f 所示,厄爾尼諾年,魯東、膠東半島地區(qū)＞3 d 發(fā)生頻率僅有0～30%;在魯北、魯中等地＞3 d發(fā)生頻率較高,約在60%～90%,其中魯西地區(qū)頻率最高,在90%～100%。拉尼娜年,僅魯西、魯北地區(qū)＞3 d發(fā)生頻率較高,約60%～90%。中性年,魯西、魯北地區(qū)＞3 d 發(fā)生頻率約在90%～100%。魯東、膠東半島地區(qū)臨近海洋,受海洋氣候的調(diào)節(jié)作用,高溫災害有所減弱。

2.3 ENSO 事件與農(nóng)業(yè)氣象災害的關系

2.3.1 旱澇災害與ENSO 的相關性

為了探明區(qū)域旱澇關系與大尺度環(huán)流的關系,進行了山東地區(qū)蘋果旱澇災害指數(shù)與不同ENSO 年型的南方濤動指數(shù)(SOI)值相關關系的分析,結果如圖8 所示。3-10 月蘋果可生長期內(nèi),厄爾尼諾年SOI 與山東大部分地區(qū)干旱呈正相關,拉尼娜年SOI與山東大部分地區(qū)干旱呈負相關,與膠東半島和魯東南地區(qū)干旱呈正相關。中性年SOI 與魯東南、膠東半島北部干旱呈負相關,與魯中地區(qū)干旱呈顯著正相關(通過顯著性90%檢驗)。果實膨大期(6-8 月),厄爾尼諾年SOI 與魯中、魯西等地干旱呈正相關關系;拉尼娜年SOI 與山東大部分地區(qū)呈負相關,中性年SOI 與膠東半島干旱呈負相關;其中,拉尼娜年、中性年SOI 與魯東地區(qū)干旱呈顯著負相關關系(通過顯著性90%檢驗)。

圖8 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下旱澇災害(A: 3-10 月干旱;B: 3-10 月雨澇;C: 6-8月干旱;D: 6-8 月雨澇)與ENSO 事件南方濤動指數(shù)相關性的空間分布Fig.8 Spatial distribution of correlation between drought and flood disasters (A: drought from March to October;B: flood from March to October;C: drought from June to August;D: flood from June to August) and El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)events in different ENSO years from 1991 to 2019

對于雨澇災害而言,3-10 月蘋果可生長期,厄爾尼諾年SOI 數(shù)與山東大部分地區(qū)雨澇呈正相關,與膠東半島雨澇呈負相關;拉尼娜年、中性年SOI與雨澇呈負相關。果實膨大期(6-8 月),厄爾尼諾年SOI 與雨澇呈負相關關系,與魯東、魯西部分地區(qū)干旱呈顯著負相關(通過90%顯著性檢驗)。拉尼娜年SOI 與魯中、魯西地區(qū)雨澇呈正相關;與魯東、膠東半島地區(qū)雨澇呈負相關。中性年SOI 與山東大部分地區(qū)雨澇呈正相關,但與魯東、魯東南地區(qū)雨澇呈負相關。

2.3.2 極端溫度災害與ENSO 事件的相關性

1991-2019 年,山東低溫災害發(fā)生天數(shù)與不同ENSO 年型的SOI 相關關系的空間分布如圖9 所示。厄爾尼諾年SOI 與山東大部分地區(qū)低溫冷害、凍害呈負相關關系,與魯中地區(qū)相關性通過90%顯著性檢驗。拉尼娜年、中性年SOI 與山東低溫冷害、凍害呈正相關關系;拉尼娜年SOI 與魯西地區(qū)、中性年SOI 與魯中地區(qū)低溫冷害、低溫凍害呈負相關?？傮w來說,厄爾尼諾年低溫災害受SOI 影響較小;拉尼娜年、中性年隨著SOI 增強,低溫冷害、凍害發(fā)生日數(shù)有所增加。

圖9 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下低溫冷害(A)和低溫凍害(B)與ENSO 事件相關性的空間分布Fig.9 Spatial distribution of correlation between chilling damage (A),low temperature freezing injury (B) and El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) events in different ENSO years from 1991 to 2019

1991-2019 年,山東蘋果果實膨大期高溫災害發(fā)生天數(shù)與不同ENSO 年型SOI 相關關系的空間分布如圖10 所示,山東大部分地區(qū)高溫熱害與ENSO 事件SOI 呈負相關。厄爾尼諾年SOI 與膠東半島,拉尼娜年SOI 與沂源、日照、威海等地,中性年SOI 與龍口、濰坊、日照等地高溫熱害呈正相關,但相關關系未通過90%顯著性檢驗。總體而言,隨著南方SOI 變化,對山東高溫熱害影響有限。

圖10 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下高溫熱害與ENSO 事件相關性的空間分布Fig.10 Spatial distribution of correlation between high temperature heat damage and El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) events under different ENSO years during 1991-2019

2.4 農(nóng)業(yè)氣象災害與蘋果減產(chǎn)率的關系

2.4.1 旱澇災害與蘋果減產(chǎn)率的關系

不同ENSO 年型,山東蘋果減產(chǎn)率與旱澇災害相關關系的空間分布如圖11 所示。3-10 月蘋果可生長期,厄爾尼諾年,山東魯東北、膠東半島干旱與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,隨著干旱程度增強,蘋果減產(chǎn)率也隨之增加;其余地區(qū)干旱與蘋果減產(chǎn)率呈負相關,其中濟寧、濰坊干旱與蘋果減產(chǎn)率呈顯著負相關(通過90%顯著性檢驗)。拉尼娜年德州、濰坊地區(qū),中性年德州、濱州、菏澤、青島地區(qū)蘋果減產(chǎn)率與干旱呈顯著正相關(通過顯著性90%)。拉尼娜年魯西南、魯東北及中性年濟南、臨沂地區(qū)干旱災害與蘋果減產(chǎn)率呈負相關,干旱災害與蘋果減產(chǎn)率的相關系數(shù)較小。對3-10 月蘋果可生長期雨澇災害而言,山東大部分地區(qū)厄爾尼諾年膠東半島雨澇災害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關關系,其余地區(qū)蘋果減產(chǎn)率受雨澇影響較低;中性年山東大部分地區(qū)雨澇與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,降水增多導致蘋果減產(chǎn)率增加。

圖11 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下旱澇災害(降水距平百分率)與蘋果減產(chǎn)率相關性的空間分布(A: 3-10 月干旱;B: 3-10 月雨澇;C: 6-8 月干旱;D: 6-8 月雨澇)Fig.11 Spatial distribution of correlation between drought and flood disasters (percentage of precipitation anomaly) and apple yield reduction rate under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019 (A: drought from March to October;B: flood from March to October;C: drought from June to August;D: flood from June to August)

6-8 月蘋果果實膨大期,厄爾尼諾年菏澤、魯東北及膠東半島地區(qū)干旱與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,尤其東營、淄博、青島地區(qū)相關關系通過顯著性90%檢驗;濰坊、臨沂等地干旱與蘋果減產(chǎn)率呈顯著負相關(通過顯著性90%檢驗)。拉尼娜年膠東半島、淄博、日照、菏澤地區(qū)干旱災害與蘋果減產(chǎn)率呈顯著負相關(通過顯著性90%檢驗),濰坊、臨沂地區(qū)干旱與蘋果減產(chǎn)率呈顯著正相關(通過顯著性90%檢驗)。中性年魯西、魯東北、煙臺、日照等地干旱與蘋果減產(chǎn)率呈顯著負相關(通過顯著性90%檢驗),濱州、臨沂地區(qū)干旱與蘋果減產(chǎn)率呈顯著正相關(通過90%顯著性檢驗)。厄爾尼諾年、拉尼娜年雨澇災害與蘋果減產(chǎn)率呈負相關,中性年絕大部分地區(qū)雨澇災害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關。這與不同ENSO 年型下氣候條件差異有著密切的關聯(lián)。

2.4.2 極端氣溫與蘋果減產(chǎn)率的關系

1991-2019 年,不同ENSO 年型低溫災害發(fā)生天數(shù)與蘋果減產(chǎn)率關系的空間分布如圖12 所示。由圖可知,厄爾尼諾年魯北、威海等地低溫冷害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,隨低溫冷害日數(shù)的增加,蘋果減產(chǎn)減收幅度增大;其中德州、威海地區(qū)低溫冷害與蘋果減產(chǎn)率呈顯著性正相關(通過顯著性90%檢驗)。拉尼娜年魯東、魯東北及中性年山東半島地區(qū)低溫冷害與蘋果減產(chǎn)率呈負相關,低溫冷害對蘋果減產(chǎn)率影響較小。厄爾尼諾年山東大部分地區(qū)低溫凍害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,僅膠東半島、德州等地呈負相關,煙臺地區(qū)低溫凍害與蘋果減產(chǎn)率呈顯著負相關(通過顯著性90%檢驗)。拉尼娜年僅魯西、魯南及膠東半島部分地區(qū)低溫凍害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關關系。中性年僅魯北及魯南地區(qū)低溫凍害對蘋果減產(chǎn)影響較低。

圖12 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下低溫冷害(A)和低溫凍害(B)與蘋果減產(chǎn)率相關性的空間分布Fig.12 Spatial distribution of correlation between chilling damage (A),low termperature freezing injury (B) and apple yield reduction rate under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

不同ENSO 年型下高溫熱害發(fā)生天數(shù)與蘋果減產(chǎn)率相關性的空間分布如圖13 所示,厄爾尼諾年魯東及威海地區(qū)高溫熱害與蘋果減產(chǎn)率呈負相關;其余地區(qū)呈正相關關系,即隨高溫熱害日數(shù)的增加,蘋果減產(chǎn)減收越大。拉尼娜年膠東半島、魯西地區(qū)高溫熱害與蘋果減產(chǎn)率呈負相關。中性年僅魯東南及濟南地區(qū)高溫熱害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,濟南地區(qū)正相關關系通過顯著性90%檢驗。

圖13 1991-2019 年不同厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件年型下高溫熱害與蘋果減產(chǎn)率相關性的空間分布Fig.13 Spatial distribution of correlation between high temperature and apple yield reduction rate under different El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

3 討論

降水距平百分率指數(shù)能較好地反映區(qū)域旱澇的時空變化特征。1991-2019 年,不同ENSO 年型的山東旱澇災害變化差異明顯。由于厄爾尼諾年氣候資源整體趨于暖干性,熱量資源較為豐富[19],厄爾尼諾年易發(fā)生干旱;中性年降水資源充沛,易發(fā)生雨澇,是影響中性年雨澇災害頻發(fā)的重要因素之一[19];雖然拉尼娜年降水量較為豐富,但干旱發(fā)生頻次仍高于雨澇。從空間分布來看,魯南地區(qū)雨澇災害發(fā)生的頻次高于干旱,尤其在拉尼娜年和中性年;而魯中、魯西地區(qū)干旱發(fā)生頻次高于雨澇頻次,主要是因為區(qū)域地理位置的差異性,導致不同區(qū)域的熱量資源和降水資源的差異。在不同ENSO 年型下,氣候資源分配也具有差異性。魯南地區(qū)臨近海洋,受季風氣候影響較為顯著,加之拉尼娜年、中性年的降水資源偏多,導致該區(qū)域雨澇過多。而魯中、魯西地處內(nèi)陸,該區(qū)域熱量資源豐富、氣溫偏高,在厄爾尼諾年下降水偏少,干旱發(fā)生較為頻繁[19]。因此,魯西、魯中地區(qū)為干旱災害的易發(fā)、重發(fā)地區(qū),尤其是厄爾尼諾年;魯南等地則成為雨澇災害的高發(fā)區(qū),在中性年,魯南地區(qū)雨澇災害尤為嚴重。從影響范圍來看,區(qū)域性干旱多發(fā)生厄爾尼諾年,中性年、拉尼娜年多發(fā)生局部或者地區(qū)性雨澇災害。

1991-2019 年,山東3-10 月蘋果可生長期的干旱與厄爾尼諾年呈正相關,但與拉尼娜年呈負相關;山東大部分地區(qū)干旱與中性年呈正相關。厄爾尼諾年與雨澇呈正相關,但拉尼娜年、中性年與雨澇呈負相關。6-8 月果實膨大期,魯中、魯西干旱與厄爾尼諾年呈正相關;山東大部分地區(qū)干旱與拉尼娜年呈負相關;其中拉尼娜年、中性年下,魯東地區(qū)與干旱呈顯著負相關(通過顯著性90%檢驗)。厄爾尼諾年與6-8 月雨澇災害呈負相關,但魯中、魯西地區(qū)雨澇與拉尼娜年呈正相關;山東大部分地區(qū)雨澇與中性年呈正相關。厄爾尼諾年多發(fā)易發(fā)干旱災害,而中性年卻頻發(fā)雨澇災害,這與不同ENSO 年型下氣候條件的差異有關。厄爾尼諾年熱量資源充沛,但降水資源相較于拉尼娜年、中性年較少。由于地理位置的差異性,導致各地區(qū)氣候資源存在差異,這使得魯西、魯中等地成為了干旱的高發(fā)區(qū),且因為遠離海洋,氣候調(diào)節(jié)能力有限,使該地受大尺度氣候影響比沿海地區(qū)更為敏感?？傮w而言,1991-2019 年,受ENSO 事件影響,熱量資源相對優(yōu)越的厄爾尼諾年,干旱災害發(fā)生的程度、影響范圍高于其他年型,魯西、魯中等地區(qū)尤為突出;降水資源充沛的中性年,魯南地區(qū)雨澇災害發(fā)生頻率和范圍較大。蘋果可生長期內(nèi),厄爾尼諾年應多加防范區(qū)域性干旱災害,中性年謹防雨澇災害。徐澤華等[2]認為ENSO 事件下山東降水減少、溫度升高,致使山東氣候趨于暖干化,加劇了山東干旱災害的發(fā)生;魯西及魯西北等地干旱較為嚴重;通過標準化蒸散指數(shù)分析山東旱澇災害,發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾年指數(shù)趨于干旱,且程度大于拉尼娜年。這一結果與本文研究一致。由于地理位置差異,使魯東、魯西兩地旱澇災害發(fā)生情況有所差異,不同ENSO 年型下氣候分配不均勻,使得在相對溫暖干燥的厄爾尼諾年,魯西地區(qū)干旱加劇,而雨量較多的拉尼娜年、中性年,則導致魯東地區(qū)雨澇災害頻發(fā)。

1991-2019 年,不同ENSO 年型的山東蘋果開花期低溫、果實膨大期的高溫災害也存在時空變化差異。中性年低溫冷害、凍害發(fā)生的日數(shù)及發(fā)生頻率高于厄爾尼諾年和拉尼娜年,且影響范圍大。中性年低溫冷害在膠東半島地區(qū)發(fā)生頻率為90%～100%,發(fā)生日數(shù)在7～9 d·a-1,＞3 d 的低溫凍害發(fā)生頻率在60%～90%。這與中性年降水資源過于豐富,且熱量資源相較于其他年份偏低有關。膠東半島低溫災害的高發(fā)率,也與其地理位置有關。高溫熱害則恰恰與低溫災害相反,少有發(fā)生低溫災害的魯西、魯中地區(qū)成為了高溫熱害的高發(fā)區(qū),尤其是厄爾尼諾年影響范圍最大,持續(xù)天數(shù)也較多(約8～15 d·a-1),厄爾尼諾年魯西、魯中地區(qū)熱量資源優(yōu)越,也是其成為高溫熱害高發(fā)區(qū)的重要原因。

1991-2019 年,低溫冷害、凍害與厄爾尼諾年呈負相關,與拉尼娜年、中性年呈正相關;高溫熱害與ENSO 事件均呈負相關。厄爾尼諾年,低溫冷害、低溫凍害與SOI 值呈負相關,低溫災害受ENSO 事件影響較小。拉尼娜年、中性年,低溫災害與SOI值呈正相關,低溫冷害、凍害發(fā)生天數(shù)有所增加。在魯中、膠東半島地區(qū)極端溫度變化受ENSO 事件影響較大,發(fā)生天數(shù)有所增加。董旭光等[31]、劉玄等[32]研究發(fā)現(xiàn)山東極端氣溫分布空間不均勻,魯東南、膠東半島等沿海地區(qū)與內(nèi)陸地區(qū)的極端熱氣溫指數(shù)變化差異明顯;姜德娟等[33]發(fā)現(xiàn)山東極端溫度發(fā)生的頻率空間差異較突出,膠東半島地區(qū)為氣候變化敏感區(qū),極端溫度事件發(fā)生更為頻繁且變化幅度較大。這與本文結果一致。在膠東半島、魯東南等地,高溫熱害發(fā)生的天數(shù)、頻率遠低于位于內(nèi)陸的魯西、魯中地區(qū)。這可能由于山東地理位置等因素的影響。因此魯西等地,尤為厄爾尼諾年,謹防高溫熱害帶來的危害。山東局部地區(qū)的ENSO 事件表現(xiàn)與相鄰地區(qū)變化有所差異,由于數(shù)據(jù)收集的有限性,可能是地區(qū)上在地理位置、地勢等因素的存在差異所導致。后續(xù)會進一步收集相關數(shù)據(jù)研究。

氣候變化背景下不同ENSO 年型旱澇災害對蘋果減產(chǎn)率造成一定的影響。在3-10 月干旱災害中,厄爾尼諾年,膠東半島地區(qū)干旱頻發(fā)導致蘋果減產(chǎn)率上升;中性年,山東魯北、魯西等地區(qū)旱災與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,即隨著干旱程度的加深,蘋果減產(chǎn)減收的程度也增大。3-10 月雨澇,膠東半島在厄爾尼諾年與蘋果減產(chǎn)率呈正相關;而中性年,山東大部分地區(qū)與蘋果減產(chǎn)率呈正相關。6-8 月干旱,厄爾尼諾年膠東半島與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,而拉尼娜年、中性年僅在魯中部分地區(qū)與蘋果減產(chǎn)率呈正相關。6-8 月雨澇,厄爾尼諾年、拉尼娜年山東大部分地區(qū)與蘋果減產(chǎn)率呈負相關;但是中性年卻與蘋果減產(chǎn)率呈正相關。膠東半島地區(qū)由于緊鄰海洋,同時其蘋果種植面積最廣,蘋果減產(chǎn)減收更容易受到旱澇災害的影響。魯西、魯中地區(qū)深居內(nèi)陸,熱量資源充沛(尤在厄爾尼諾年),旱災的加劇,在一定程度上導致蘋果產(chǎn)量受災損失加重。中性年降雨過多下,雨澇災害頻發(fā)、重發(fā),使得蘋果減產(chǎn)減收加劇。因此,厄爾尼諾年等熱量資源充沛的年份,做好蘋果預旱防旱的措施;中性年降水較多的年份,謹防雨澇災害對蘋果生產(chǎn)的影響。

不同ENSO 年型下,極端溫度對蘋果產(chǎn)量影響也具有差異性,厄爾尼諾年,魯西、魯中地區(qū)的高溫熱害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關;魯中、魯西地區(qū)為高溫熱害高發(fā)區(qū),高溫熱害發(fā)生導致蘋果減產(chǎn)率上升。拉尼娜年和中性年,魯東、膠東半島地區(qū)極端低溫災害與蘋果減產(chǎn)率呈正相關,極端低溫災害的發(fā)生,阻礙了蘋果產(chǎn)量的增產(chǎn)增收;煙臺地區(qū)與蘋果減產(chǎn)率呈負相關,這可能由于煙臺地區(qū)種植技術、管理措施等因素降低了氣候條件對蘋果生產(chǎn)的影響。厄爾尼諾年,高溫熱害天數(shù)的增多導致蘋果減產(chǎn)風險增高。拉尼娜、中性年,高溫對山東蘋果減產(chǎn)影響較小。因此,厄爾尼諾、中性年應謹防高溫熱害、低溫凍害對蘋果產(chǎn)量的影響,拉尼娜年,謹防低溫冷害對蘋果減產(chǎn)的危害。

但是,本文是基于站點氣象數(shù)據(jù)對山東蘋果旱澇災害開展研究,受數(shù)據(jù)年限及數(shù)據(jù)精細化的限制,并未充分考慮到蘋果需水量及蒸散量等因素,也未考慮蘋果品種、人工灌溉等因素的影響。在今后研究中,會收集相關數(shù)據(jù)進一步開展更深入的研究。

4 結論

本文通過山東1991-2019 年逐日氣象數(shù)據(jù)及山東蘋果地級市蘋果生產(chǎn)數(shù)據(jù),探究了不同ENSO 年型旱澇、極端溫度災害的時空演變規(guī)律,分析不同ENSO 事件農(nóng)業(yè)氣象災害對山東蘋果減產(chǎn)率的影響。過去29 年,厄爾尼諾年干旱發(fā)生頻率、影響程度和范圍較大;中性年雨澇災害發(fā)生頻繁。從地區(qū)來看,魯西地區(qū)易發(fā)生干旱、魯南易發(fā)生雨澇災害。膠東半島、魯東等地易發(fā)生低溫冷害、凍害;魯西、魯中及魯北等地高溫熱害相對嚴重。極端低溫災害與厄爾尼諾南方濤動指數(shù)呈負相關,與拉尼娜年、中性年的關系反之。極端高溫與中性年南方濤動指數(shù)呈負相關。對于蘋果產(chǎn)量,厄爾尼諾年干旱、高溫導致蘋果減產(chǎn)量增加,尤其在魯西地區(qū)。拉尼娜年、中性年低溫冷害使得蘋果減產(chǎn)率增加?？傮w而言,厄爾尼諾年蘋果栽培需預防干旱和高溫,中性年需預防雨澇、蘋果花期低溫和果實膨大期的高溫災害,拉尼娜年需謹防低溫災害的發(fā)生。