1971—2017年我国苹果主产区降水适宜度的时空分布特征

邱美娟，刘布春，刘 园，庞静漪，2，王珂依，王亚明，张玥滢

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室，农业部农业环境重点实验室，北京 100081；2.辽宁省营口市气象局，辽宁 营口 115001；3.河北省大城县气象局，河北 大城 065900）

引 言

苹果是中国重要的林果产业［1］，陕西、山西、河南、河北、辽宁、山东和甘肃7省是中国苹果主产区［2－3］，2018年苹果栽培面积和产量分别为1.623×106hm2和 3.488×106t，占全国总面积和总产量的 83.7%和 88.9%［4］，苹果是这些地区农业经济发展的重要支柱产业［5］。气候适宜度指标是用来表征某地气候资源对作物生长发育过程的适宜程度，该指标是将温度、光照、降水等气候因子，通过模糊数学中隶属函数转化为对作物生长发育、产量形成的适宜程度，是开展农业气候资源定量分析及评价的重要途径［6－7］。然而，国外主要侧重于对历史气候适宜性的评估，即利用历年作物产量和气象要素，通过建立相关模型得出作物产量与气候要素的关系［8］，以及利用气候模型预估未来气候的影响，即运用气候预测模型或者作物模型，模拟未来气候变化对农业生产的影响［9］。我国自20世纪80年代，陆续建立了温度、降水和日照时数等单一要素及多要素综合的气候适宜度模型［10－12］。然而，不同区域、不同作物、不同生育阶段，其气候要素的适宜度存在差异，为此对这些气候适宜度模型进行了改进，以满足不同区域、不同作物的气候适宜性研究［13－15］。我国苹果主产区地处旱作雨养农业区，光照资源优越，伴随着气候变暖，热量条件变优，但降水却呈减少趋势，且极端性强［16－19］，水分条件是限制该区域苹果生长发育及产量、品质的重要环境因素，而降水是苹果主产区水分的主要来源，降水条件适宜与否，对苹果产量及品质有重大影响［20－21］。因此，研究上述主产区降水适宜度的时空分布特征，对指导当地的苹果生产、制定应对气候变化方针等具有重要意义。

多数研究认为，当降水量小于作物需水量时，降水适宜度定义为降水量与需水量的比值，而当降水量大于作物需水量时，降水适宜度则定义为1［22－24］。然而，作物对水分的需求往往是一个范围，因此任玉玉等［25］在前人基础上进行了改进，即当降水量小于作物需水量下限时，降水适宜度定义为降水量与需水量下限的比值；当降水量大于作物需水量上限时，降水适宜度定义为需水量上限与降水量的比值；当降水量在需水量下限和上限之间时，降水适宜度定义为1。另外，部分研究将某时段降水量与降水距平百分率作比较，同时考虑土壤墒情状况，建立了降水适宜度模型［26］，但是土壤墒情资料在很多区域无法获取。以上研究均未考虑水分过多可能形成湿害的情况，且没有考虑降水适宜度阈值，或者仅凭经验法确定降水适宜度阈值［27］。为此，本文利用我国苹果主产区1971—2017年逐日气象观测数据，尝试考虑水分不足和水分过多的情况，构建降水适宜度模型，并结合优势产区地理分布确定不同生育阶段降水适宜度阈值，进而基于EOF分解和气候倾向率等方法分析各生育阶段降水适宜度的时空变化，以期为当地苹果生产以及应对极端气候变化提供一定指导。

1 资料与方法

1.1 资 料

我国苹果主产区包括辽宁、河北、山东、山西、河南、陕西6省以及甘肃的兰州市、庆阳市、平凉市、天水市、陇南市、白银市、定西市、甘南藏族自治州、临夏回族自治州等9市（州）。选用中国气象局提供的上述地区159个气象站1971—2017年逐日最高气温、最低气温、相对湿度、风速、降水量等观测数据，对于缺测较少的气象站点数据用距离最邻近的站点当日数据代替，若最邻近站的数据缺测，则用第二邻近的站点当日数据代替，以此类推，研究区域及气象站点分布见图1。苹果生育期资料主要来源于文献［28］及［29］。

图1 研究区域气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in study area

1.2 研究方法

1.2.1 作物系数的确定

利用FAO56推荐的最小湿度方法［30－31］订正作物系数Kc。根据FAO的研究［31］和苹果树的生育特性，将苹果树划分为初始生长期（萌芽—开花期，4月上旬至5月下旬）、旺盛生长期（果实膨大期，6月上旬至9月上旬）、生长后期（成熟期，9月中旬至10月下旬）3个生育阶段确定 Kc值。根据FAO56中苹果各生育阶段作物系数标准值的设定，并参考姚小英等［27］的研究成果，将苹果初始生长期作物系数Kc－ini取0.55，标准状态下旺盛生长期和生长后期的作物系数分别取0.9和0.65，株高取值为3.5 m，而对非标准条件下旺盛生长期作物系数Kc－mid和生长后期作物系数 Kc－end需进行修正，具体订正方法参考文献［30］及［31］。

1.2.2 降水适宜度的计算及阈值

降水适宜度是指降水量满足苹果生长发育阶段所需水量的程度，计算公式为：

式中：u为降水量适宜度；p（mm）为不同生育阶段的降水量；w（mm）为相应生育阶段苹果树生长的生理需水量；n（d）为某一生育阶段的日数；i为日序；Kci为第i日的作物系数；ET0i（mm）为第i日的作物参考蒸散量，根据FAO 1998年推荐的Penman－Monteith模型［31］计算获得。

根据赵政阳［3］对中国苹果优势产区的研究成果，本文将苹果优势产区内苹果初始生长期、旺盛生长期和生长后期的降水适宜度值定义为各生育阶段适宜苹果生长的阈值。

另外，还采用了气候倾向率、经验正交函数（EOF）分解等方法研究苹果各生育阶段降水适宜度的变化趋势及空间异常分布特征，并根据NORTH等［32］提出的计算特征值误差范围进行显著性检验，以考察各模态之间是否相互独立。

2 结果与分析

2.1 苹果初始生长期降水适宜度时空特征

2.1.1 降水适宜度时空分布

由图2（a）可见，在苹果初始生长期，我国苹果主产区的降水适宜度呈由北向南逐渐增加的空间分布特征，降水适宜度为0.22～2.41，结合苹果优势产区地理分布，得到苹果初始生长期的降水适宜度阈值为0.3～1.29。其中，甘肃河东北部局部地区是低值区，降水适宜度小于0.30，约占研究区域的0.1%，而陕西南部和河南南部为高值区，降水适宜度大于1.29，约占研究区域的5.0%，其余大部分地区降水适宜度均在阈值范围内，表明主产区大部的降水适宜度都能够满足苹果生长初期对水分的需求，尤其是降水适宜度在0.3～1.29之间的部分区域成为了苹果的优势产区。由降水适宜度的定义可知，降水适宜度越小，说明降水量小于需水量，降水过低可能导致苹果生长初期发生干旱；降水适宜度大于1，则说明降水量大于需水量，而降水过多可能引发内涝。旱涝会引起苹果落花，降低坐果率，水分供给适宜利于提高果树光合效率，使果树开花、坐果等生育过程顺利进行。

从图2（b）看出，研究区域1971—2017年苹果生长初期降水适宜度的变化趋势空间不一致，表现为下降趋势的区域主要分布在研究区南部，包括甘肃南部和东部、陕西中部、河南南部、山西北部局部地区和山东东部局部地区；其余大部分地区则呈上升趋势，气候倾向率最大为 0.08（10 a）－1，但只有4.8%的上升区域通过0.05的显著性检验，主要分布在陕西北部与山西交界处、河北与山东交界处。

2.1.2 降水适宜度EOF特征向量场及时间系数

经验正交函数分解能够探究降水适宜度的时空异常变化规律。由表1可见，苹果初始生长期降水适宜度前10个特征向量场的特征值对总方差的累积贡献率达90.09%，其中前2个特征值的累积方差贡献率为61.29%。根据North判别对特征值进行显著性检验，前2个模态均通过了显著性检验，说明其特征向量场是有价值的信号，可以反映主产区苹果生长初期降水适宜度的空间变率分布结构。因此，选用前2个荷载向量进行正交旋转，获取降水适宜度场。

图2 苹果初始生长期降水适宜度（a）及其气候倾向率［b，单位：（10 a）－1］的空间分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation suitability（a）and its climate tendency rate（b，Unit：（10 a）－1）at initial growth stage of apple

表1 苹果初始生长期降水适宜度EOF分解的前10个特征量的方差贡献率及累积贡献率Tab.1 The contribution rate and cumulative contribution rate of the first 10 eigenvectors to total variance from EOF decomposition of precipitation suitability at initial growth period of apple 单位：%

图3是苹果初始生长期降水适宜度EOF分解的第一、第二载荷向量场及对应的时间系数。可以看出，第一载荷向量场全区几乎一致为正，中部值较大，东北部、西南部值较小［图3（a）］，说明全区降水适宜度具有较好的一致性，即同时增大或者同时减小，且降水适宜度的振荡强度由东北、西南向中部加强，陕西大部、山西大部、河南大部、河北南部、山东中西部和甘肃东部等地区易出现降水适宜度异常，对苹果萌芽、开花等可能有一定影响。这种空间类型占总方差的50.53%，故第一载荷向量空间分布可以反映研究区域降水适宜度的主要特点。第一载荷向量对应的第一时间系数的变化等同于各站平均降水适宜度变化，第一时间系数越大，该年的平均降水适宜度越大。从第一时间系数曲线［图3（c）］看出，1971—2017年整体呈缓慢波动上升趋势，表明研究区降水适宜度呈缓慢升高趋势，但未通过0.05的显著性检验。其中，1983、1990、1991、1998年的第一时间系数较大，分别为 37.225、31.185、33.217和62.597，同期的降水适宜度分别为 1.02、1.00、0.99和 1.36，较区域多年平均值 0.69偏大0.3～0.67；1981年和 2001年的第一时间系数较小，分别为 －33.223和 －32.798，同期的降水适宜度分别为0.29和0.26，比平均值偏小0.4左右。

苹果初始生长期，降水适宜度第二载荷向量场呈东西反向的分布特征，向量载荷值为正值的地区主要在东部的环渤海湾一带，负值区域主要位于西部的黄土高原一带［图3（b）］。环渤海湾一带主要受东亚夏季风影响，而黄土高原一带因深居内陆主要受大陆性气候影响，所以这两个地区降水适宜度的变化呈相反状态，这种空间类型占总方差的10.76%。第二时间系数正值越大，其对应年份的降水适宜度越接近于第二特征向量场的分布，即东（正）西（负）反向型，如 1979、1990、2005、2008年等；第二时间系数负值越大，其对应年份的降水适宜度越接近第二特征向量场的反向分布，如1973、1993、2002、2013年等［图3（d）］。

图3 初始生长期降水适宜度EOF分解的第一（a、c）、第二（b、d）特征向量（a、b）及相应的时间系数（c、d）Fig.3 The first（a，c）and second（b，d）spatial load vectors（a，b）of precipitation suitability decomposed by EOF and corresponding time coefficients（c，d）at initial growth period of apple

2.2 苹果旺盛生长期降水适宜度时空特征

2.2.1 降水适宜度的时空分布

根据苹果旺盛生长期降水适宜度和优势产区地理分布，得到苹果旺盛生长期降水适宜度阈值为0.63～1.78。从苹果旺盛生长期降水适宜度的空间分布［图4（a）］看出，大部区域的降水适宜度为0.70～1.78，占整个研究区域的 89.4%，其中降水适宜度为1.00～1.78的区域约占整个研究区域的一半（52.8%）。其中，辽宁东部、河南南部局部以及陕西南部局部地区降水适宜度大于1.78，约占整个区域的2.2%；甘肃河东北部局部地区、陕西北部局部地区和河北北部局部地区的降水适宜度未超过0.63，约占整个区域的3.1%。果实膨大期通常是苹果生长需水的关键期，水分条件主要影响果实膨大、内在品质、果形等，水分供应充足，可以促进果实膨大，且利于着色，但是水分过多也会影响花芽形成，还可造成新梢生长过旺。

从苹果旺盛生长期降水适宜度的变化趋势［图4（b）］看出，近47 a苹果旺盛生长期主产区降水适宜度的变化趋势不尽一致，大部区域呈减小趋势，而辽宁东北部局部、山西西北部局部、陕西北部局部和南部局部、河南大部和山东中西部等地区呈增大趋势，但只有0.7%的负值区域通过0.05的显著性检验，主要分布在甘肃局部地区。

图4 苹果旺盛生长期降水适宜度（a）及其气候倾向率［b，单位：（10 a）－1］的空间分布Fig.4 Spatial distribution of precipitation suitability（a）and its climate tendency rate（b，Unit：（10 a）－1）at vigorous growth period of apple

2.2.2 降水适宜度EOF特征向量场及时间系数

表2是苹果旺盛生长期降水适宜度前10个特征向量场对总方差的贡献率及累积贡献率。可以看出，前10个特征值的累积方差贡献率达88.46%，其中前2个特征值的累积方差贡献率为51.25%。通过North判别发现，前2个模态均通过了显著性检验，可以反映苹果旺盛生长期降水适宜度的空间变率分布结构。

表2 苹果旺盛生长期降水适宜度EOF分解的前10个特征量的方差贡献率及累积贡献率Tab.2 The contribution rate and cumulative contribution rate of the first 10 eigenvectors to total variance from EOF decomposition of precipitation suitability at vigorous growth period of apple 单位：%

从图5（a）看出，第一特征向量场全区均为正值，说明苹果旺盛生长期降水适宜度全区具有较好的一致性，且降水适宜度的振荡强度由东北、西南向中部逐渐加强，河北、山西、河南、山东4省交汇处是载荷高值区，为 0.045～0.056，这些地区在苹果旺盛生长期易出现降水适宜度异常，对当地苹果花芽分化、果实膨大等可能会造成一定影响。对应的第一时间系数变化曲线［图5（c）］显示，1971—2017年曲线总体呈不显著下降趋势，在1997、1999年和2002年出现极小值，分别为 －43.237、－26.928和－29.408，同期的平均降水适宜度分别为 0.50、0.69和 0.68，较区域多年平均降水适宜度 1.07偏小0.4～0.5左右。

从图5（b）看出，第二特征向量场呈南北反向的分型，这种空间类型占总方差的18.99%。其中，大致以36°N为界，南部地区空间向量载荷值为正值，包括甘肃南部、陕西中南部、山西南部、河北南部局部、河南和山东中南部，而北部地区的载荷值为负值，绝对值高值区位于辽宁、河北中北部和山西北部一带，说明这些区域是该分异类型降水适宜度振荡强度较大的地区。对应的第二时间系数变化曲线［图5（d）］显示，1971—2017年曲线整体呈不显著的上升趋势，反映了苹果旺盛生长期36°N以南地区降水适宜度上升、以北地区降水适宜度下降的主要特征；时间系数正值越大，其对应年份的降水适宜度越接近于EOF分解的特征场分布形态，而负值越大，其对应年份的降水适宜度越接近于特征场的反向分布形态。

图5 苹果旺盛生长期降水适宜度EOF分解的第一（a、c）、第二（b、d）特征向量（a、b）及其对应的时间系数（c、d）Fig.5 The first（a，c）and second（c，d）spatial load vectors（a，b）of precipitation suitability and corresponding time coefficients（c，d）from EOF decomposition at vigorous growth period of apple

2.3 苹果生长后期降水适宜度时空特征

2.3.1 降水适宜度的时空分布

结合苹果优势产区的地理分布，得到苹果生长后期降水适宜度的阈值为0.62～2.84，较旺盛期范围更宽。从图6（a）看出，苹果生长后期降水适宜度小于等于0.62、大于2.84的区域分别约占研究区域的0.9%、3.2%，对应分布在甘肃河东北部和河北北部局部地区、陕西南部，而甘肃大部、陕西中部、山西南部、河南大部、山东南部局部、辽宁东部等地区降水适宜度为1.00～2.84，约占研究区域的一半（51.5%），部分地区为苹果的优势产区。苹果生长后期，如果水分过多，排涝不及时，容易引起裂果或者果实病害，影响品质和产量；如果过于干旱，则会影响果实着色或造成采前落果。

苹果生长后期，近47 a降水适宜度在山西、河北、甘肃河东大部、陕西大部、河南大部、山东大部以及辽宁西部局部和东部局部地区呈增大趋势，但仅有12.0%左右的区域通过0.05的显著性检验，主要分布在河北中部和山西北部；辽宁大部、山东局部、陕西部分地区降水适宜度呈减小趋势，且约0.3%的辽宁北部区域通过0.05的显著性检验［图6（b）］。

2.3.2 降水适宜度EOF特征向量场及时间系数

苹果生长后期降水适宜度前10个特征向量值对总方差的累积贡献率达92.89%，其中前2个特征值的累积方差贡献率为66.55%（表略），且均通过North判别的显著性检验，说明其可以反映苹果生长后期降水适宜度的空间变率分布结构。

从图7（a）看出，苹果生长后期降水适宜度EOF分解的第一特征向量场呈现辽宁和河北东部局部地区与其他地区反向的空间分布特征，这种空间类型占总方差的49.51%，其中辽宁和河北东部局部地区为载荷向量负值区，其他地区均为正值，正的高值区主要位于河北南部、山西中南部、河南大部、陕西中南部、甘肃东部和山东大部，在0.035～0.05之间，说明这些区域是该分异类型中降水适宜度振动强度较大的地区，对苹果的品质和产量可能会造成一定的影响。苹果生长后期，降水适宜度第一时间系数曲线总体呈缓慢上升趋势，但未通过显著性检验［图7（c）］。其中，在1972、1998年和 2006年出现极小值，分别为 －23.089、－19.960和 －20.962，对应的平均降水适宜度分别为0.63、0.57和0.58，比区域平均值 1.19偏小 0.56～0.62；在 1975、1983、1985、2003、2005、2011年和 2014年出现极大值，分别为 36.878、30.533、39.801、35.314、40.039、33.131和33.482，对应的平均降水适宜度分别为2.37、2.19、2.25、2.19、2.33、2.16和 2.17，比区域平均值偏大0.98～1.18。

图6 苹果生长后期降水适宜度（a）及其气候倾向率［b，单位：（10 a）－1］的空间分布Fig.6 Spatial distribution of precipitation suitability（a）and its climate tendency rate（b，Unit：（10 a）－1）at later growth period of apple

图7 苹果生长后期降水适宜度EOF分解的第一（a、c）和第二（b、d）特征向量场（a、b）及其对应的时间系数（c、d）Fig.7 The first（a，c）and second（b，d）spatial load vectors（a，b）of precipitation suitability and corresponding time coefficients（c，d）from EOF decomposition at later growth period of apple

苹果生长后期降水适宜度的第二特征向量场与旺盛生长期第二特征向量场有相似的空间分布特征，大致以36°N为界，呈南北反向变化［图7（b）］，这种空间类型占总方差的17.04%。其中，以南地区的空间向量载荷值为正值，且高值区（0.020～0.036）主要位于河南、陕西南部和山东西南部地区，表明这些地区是该分异类型中降水适宜度变化较大的区域；以北地区的向量载荷值为负值，且绝对值高值区分布在河北中北部、山西北部和辽宁西部局部地区，表明这些地区是该分异类型中降水适宜度变化较大的地区。对应的第二时间系数变化曲线整体呈不显著的减小趋势，在2003、2007和2010年出现极小值，分别为 －27.377、－38.165和 －22.209［图7（d）］。

3 讨 论

大多数研究在构建降水适宜度模型时，将降水量大于需水量时的适宜度设置为1，仅考虑水分不足情况，未考虑水分过多情况［22－24］，而本文构建的降水适宜度模型可以直观地体现水分的盈亏状况，但模型中没有考虑土壤湿度情况，未将前期降水形成的底墒考虑进去，使得研究结果存在一定的误差。另外，根据逐日气象条件，利用FAO推荐的最小湿度法对苹果作物系数进行订正，得到每日作物系数，较各生育阶段的作物系数设为一个固定值估算林果水分适宜度更能体现作物系数的动态变化。然而，苹果初始生长期、标准状态下旺盛生长期和生长后期的作物系数全区相同，可能对订正结果有一定的影响。

本文基于苹果优势产区分布特征确定的各生育阶段降水适宜度阈值方法，主要是依靠自然降水满足苹果生长需求，故而这种获取各生育阶段降水适宜度阈值的方法具有一定的可行性，但若要获得准确的降水适宜度阈值，还需要通过观测试验进一步获取。

应用经验正交函数分解研究了我国苹果主产区降水适宜度的空间分布特征和时间变化规律，突出了降水适宜度的区域分布和变化，比简单的数学分析方法有一定的优势，但未深入探讨造成这种降水适宜度时空变化的深层次原因，如环流变化、地形影响等。另外，研究中没有考虑不同苹果树种、树龄需水量的差异，后续在有条件的基础上，通过观测试验做进一步的深入分析。

4 结 论

（1）通过苹果各生育阶段降水适宜度和苹果优势产区地理分布特征，得到苹果初始生长期、旺盛生长期和生长后期的降水适宜度阈值分别为0.30～1.29、0.63～1.78和 0.62～2.84。

（2）苹果初始生长期，降水适宜度呈现由北向南逐渐增加的空间分布特征，除了甘肃河东北部局部地区、陕西南部和河南南部外，大部分地区降水适宜度处在0.3～1.29阈值范围内。旺盛生长期，除了辽宁东部、河南南部局部、陕西南部局部和北部局部、甘肃河东北部局部以及河北北部局部等地区外，其他大部分地区降水适宜度处于0.63～1.78阈值范围内。生长后期，除了甘肃河东北部局部、河北北部局部和陕西南部局部等地区，其他大部分地区降水适宜度为0.62～2.84，均在阈值范围内。这些阈值范围内的降水，有利于苹果的正常生长发育。

（3）近47 a来苹果初始生长期、旺盛生长期和生长后期，主产区绝大部分区域降水适宜度变化趋势不明显，只有极小部分区域通过显著性检验，但不同生育阶段变化趋势显著的区域及范围略有不同。

（4）苹果初始生长期和旺盛生长期降水适宜度第一向量场全区几乎均为正值，这种空间类型分别占整体方差的50.53%和32.26%，说明全区降水适宜度具有较好的一致性，即同时增大或同时减小，且降水适宜度的振荡强度均从东北、西南向中部加强，中部地区易出现降水异常，对苹果的正常生长造成一定影响。生长后期，降水适宜度第一向量场上辽宁和河北东部局部地区与其他地区呈反向的空间分布特征，占总体方差的49.51%。降水适宜度第一时间系数曲线在初始生长期和生长后期呈不显著的上升趋势，而在旺盛生长期呈不显著的下降趋势。

（5）降水适宜度第二向量场，苹果初始生长期呈东西反向的空间分布特征，环渤海大部为正值区，黄土高原大部为负值区；旺盛生长期和生长后期，约以36°N为界呈南北反向（南正北负）的空间分布特征，降水适宜度振幅最大的地区主要在河南大部和陕西南部地区。降水适宜度第二时间系数曲线在初始生长期和旺盛生长期呈不显著的上升趋势，而在生长后期呈不显著的下降趋势。