中國富士蘋果種植氣候適宜區(qū)的年代際變化

屈振江,周廣勝

1 陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái), 西安 710015 2 中國氣象科學(xué)研究院, 北京 100081

中國富士蘋果種植氣候適宜區(qū)的年代際變化

屈振江1,周廣勝2,*

1 陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái), 西安 710015 2 中國氣象科學(xué)研究院, 北京 100081

蘋果是中國種植面積最大的水果,分析氣候變化背景下其種植氣候適宜區(qū)的年代際變化,可為合理利用氣候資源、科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考?；谥袊髟缘母皇刻O果地理分布信息和1961—2010年中國區(qū)域2084個(gè)氣象臺(tái)站資料,利用最大熵模型(MaxEnt)和ArcGIS軟件,通過構(gòu)建富士蘋果種植分布與氣候因子的關(guān)系模型,分析1961—2010年中國富士蘋果種植分布的年代際變化特征及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)。結(jié)果表明,氣候變化導(dǎo)致中國富士蘋果種植分布的氣候界限和氣候適宜區(qū)明顯北移,其中氣候適宜區(qū)范圍伴有西擴(kuò)趨勢(shì)。富士蘋果種植的各氣候適宜區(qū)分布年代際變化特征明顯,適宜氣候種植面積顯著增加,特別是1990s變化最為突出,2010s氣候種植適宜面積較1960s增加36%。但高氣候適宜區(qū)面積則呈年代際波動(dòng),2010s雖略高于1960s,但較1970s—1980s減少25%。富士蘋果種植適宜區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)最為敏感的地區(qū)主要分布在遼寧南部、魯南、蘇北、豫東南、黃土高原西北部和川陜接壤區(qū)。除熱量條件外,年日照時(shí)數(shù)對(duì)富士蘋果種植的氣候適宜區(qū)面積影響顯著,氣候資源變化有助于富士蘋果種植的氣候適宜范圍增加,但不利于高氣候適宜區(qū)的穩(wěn)定。

氣候變化;富士蘋果;適宜區(qū);年代際

作物種植分布受氣候條件的制約[1],政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告(AR5)指出,1880—2012年全球平均地表溫度大約上升了0.85℃,1983—2012年可能是過去1400a中最暖的30a[2]。已有的觀測(cè)事實(shí)表明,中國范圍的增溫速率高于全球且具有明顯的區(qū)域和季節(jié)特征[3],從而使得已有利用氣候背景劃分的自然區(qū)域界限產(chǎn)生了不同程度的變化[4],將顯著影響作物的種植分布。年代際是氣候變化研究中重要的時(shí)間尺度,它既迭加了長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上的擾動(dòng),又是年際變率的重要背景[5- 6],基于年代際尺度評(píng)估作物種植分布的變化有助于深化氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響的認(rèn)識(shí),并可服務(wù)于作物種植規(guī)劃。

目前,關(guān)于作物種植分布對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究主要集中在小麥、玉米、水稻等[7- 8]大宗糧食作物,Sharma[9]和Fujisawa[10]針對(duì)氣候變化對(duì)蘋果的生育期及產(chǎn)量的影響進(jìn)行過研究?，F(xiàn)有的研究認(rèn)為氣候變化對(duì)作物的種植界限、生育進(jìn)程、產(chǎn)量及災(zāi)害性因子均有較大影響,但不同作物及在不同區(qū)域的影響差異明顯。蘋果是中國栽培規(guī)模最大的水果,約占水果總產(chǎn)的25%,是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,主栽品種以富士為主,占70%以上[11],其種植布局的變化與全球蘋果市場(chǎng)和種植地農(nóng)民的收入關(guān)系密切。李星敏[12]、郭海英[13]、劉敬強(qiáng)[14]等分別研究了陜西、甘肅、新疆等主產(chǎn)地蘋果物候期、氣候資源及主要?dú)庀鬄?zāi)害的時(shí)空變化特征,白秀廣[15]分析了氣候變化對(duì)中國蘋果主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量的影響,但已有研究均未涉及蘋果種植適宜區(qū)分布對(duì)氣候變化的響應(yīng)。隨著全球氣候變暖,作物種植界限不同程度北移、生長(zhǎng)季延長(zhǎng),種植分布及品種也有較大的變化,特別是夏季區(qū)域氣候的年代際變化特征增強(qiáng)[16],從而將對(duì)蘋果的產(chǎn)量和品質(zhì)形成產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但是,面向全國范圍的蘋果氣候適宜性劃分自20世紀(jì)80年代后就沒有更為全面的研究,同時(shí)蘋果種植品種復(fù)雜,不同品種種植的氣候適宜性差異較大,針對(duì)蘋果主栽品種,從全國尺度和年際變率來評(píng)估氣候變化對(duì)其種植分布的影響尚未見報(bào)道。

在研究全球變化背景下作物分布和氣候的關(guān)系中,物種分布模型作為一種重要工具被廣泛應(yīng)用[17]。其中,最大熵(MaxEnt)模型可在已知較少樣本點(diǎn)和對(duì)應(yīng)環(huán)境變量的基礎(chǔ)上對(duì)物種潛在分布的概率大小做出估計(jì),在眾多生態(tài)位模型中具有較好的性能表現(xiàn)和操作性[18- 20]。Duan[21]、He[22]和Sun[23]等分別利用最大熵模型對(duì)中國區(qū)域的水稻、玉米和冬小麥等作物種植分布的年代際變化進(jìn)行了研究,取得了較好的模擬效果。本研究試圖以中國主栽的富士蘋果為研究對(duì)象,基于地理分布信息和1961—2010年中國區(qū)域2084個(gè)氣象臺(tái)站資料,利用最大熵模型和ArcGIS軟件,構(gòu)建富士蘋果種植分布與氣候因子的關(guān)系模型,從區(qū)域尺度和年尺度篩選影響富士蘋果分布的主導(dǎo)氣候因子,分析1961—2010年中國富士蘋果種植分布的年代際變化特征及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性,以期為優(yōu)化蘋果種植布局及科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究資料

1.1.1 地理分布數(shù)據(jù)

富士蘋果地理分布數(shù)據(jù)主要來自中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒、國家蘋果產(chǎn)業(yè)體系共享數(shù)據(jù)庫、中國蘋果優(yōu)勢(shì)區(qū)域布局規(guī)劃(2008—2015)及各地年鑒統(tǒng)計(jì)資料。通過統(tǒng)計(jì)年鑒獲取有蘋果產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)信息的25個(gè)省區(qū)約500個(gè)縣級(jí)分布信息,對(duì)年鑒分品種統(tǒng)計(jì)中蘋果種植面積較少或富士品種種植比例低于10%的內(nèi)蒙、吉林、黑龍江、上海、福建、湖北、西藏等地分布資料予以剔除。通過查閱文獻(xiàn),并對(duì)照產(chǎn)業(yè)體系共享數(shù)據(jù)庫提取的180個(gè)蘋果生產(chǎn)重點(diǎn)縣區(qū)的種植詳細(xì)資料進(jìn)行了品種區(qū)分,重點(diǎn)對(duì)種植面積較大但品種較為復(fù)雜的遼寧、新疆、河北、甘肅和四川省的分布資料進(jìn)行了篩選甄別,依據(jù)是資料或文獻(xiàn)中明確有富士品種的種植信息,共提取以縣域?yàn)閱挝坏母皇刻O果種植分布數(shù)據(jù)203個(gè)。

1.1.2 氣象資料

圖1 研究區(qū)域、氣象臺(tái)站及富士蘋果的地理分布 Fig.1 Study region and geographical distribution of the weather stations and the counties with Fuji apple plantation in China

氣象資料來源于國家氣象信息中心最新制作的“中國國家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”,包括中國區(qū)域1961—2010年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量和相對(duì)濕度數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集制作中已進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制,其中氣溫、降水和相對(duì)濕度等要素均進(jìn)行了均一化處理。通過對(duì)各類數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)的連續(xù)性及完整性檢驗(yàn),共提取2084個(gè)站點(diǎn)資料,其中1961—1970年共1939站、1971—1990年共2073站,1991—2010年共2084站。從分布來看,站點(diǎn)密度基本能夠體現(xiàn)氣候的區(qū)域性差異,而資料較為稀疏的區(qū)域基本在青藏高原地區(qū)。參考已有氣候要素空間插值方法[24- 25],基于ArcGIS9.3和中國區(qū)域的DEM數(shù)據(jù),分別對(duì)氣溫、日照時(shí)數(shù)采用多元回歸插值,降水、相對(duì)濕度采用樣條函數(shù)插值的方法,將氣象要素插值到10km×10km網(wǎng)格作為背景數(shù)據(jù)。

研究區(qū)域、所用氣象站點(diǎn)及富士蘋果的地理分布見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1 最大熵模型

最大熵模型是基于有限的已知信息對(duì)未知分布進(jìn)行無偏推斷的一種數(shù)學(xué)方法[18]。該理論認(rèn)為在已知條件下,熵最大的事物最可能接近它的真實(shí)狀態(tài),通過計(jì)算作物環(huán)境系統(tǒng)最大熵時(shí)的狀態(tài)參數(shù)確定作物和環(huán)境之間的關(guān)系,從符合條件的分布中選擇熵最大的分布作為最優(yōu)分布,同時(shí)輸出存在概率,可通過存在概率的大小對(duì)作物分布的適宜程度進(jìn)行定量的分區(qū)評(píng)價(jià)。研究用于模擬富士蘋果種植年代際分布的模型是最大熵(MaxEnt)模型3.3.3k版[18- 20]。該模型通過輸入作物分布的地理信息和預(yù)測(cè)區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù),可以輸出預(yù)測(cè)地區(qū)物種分布的概率P,根據(jù)概率的大小判斷作物在某個(gè)區(qū)域存在的可能性大小。參考 IPCC 報(bào)告中關(guān)于評(píng)估可能性的劃分標(biāo)準(zhǔn)[26],將種植區(qū)及氣候適宜性按如下標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)：P<0.05 為不適宜區(qū),0.05≤P<0.33為次適宜區(qū),0.33≤P<0.66為適宜區(qū),P≥0.66 為高適宜區(qū)。

1.2.2 模擬精度檢驗(yàn)

模型的適用性及模擬的精度可以采用輸出的受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve,ROC)的下面積(area under curve,AUC)來評(píng)價(jià)。AUC的取值范圍為[0,1],越接近1說明環(huán)境變量與預(yù)測(cè)作物地理分布之間的相關(guān)性越大,即模型預(yù)測(cè)的結(jié)果越準(zhǔn)確。其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為：0.50—0.60(失敗)、0.60—0.70(較差)、0.70—0.80(一般)、0.80—0.90(好)、0.90—1.0(非常好)。

1.2.3 主導(dǎo)因子選取

通過對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié),篩選影響富士蘋果種植分布及品質(zhì)形成的潛在氣候影響因子,將各因子1981—2010年的30年氣候背景數(shù)據(jù)組合作為環(huán)境因子與富士蘋果種植的地理分布數(shù)據(jù)輸入到最大熵模型,通過精度檢驗(yàn),提取AUC值最大的因子組合提取為主導(dǎo)因子組合。以1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年劃分時(shí)間段,分別代表20世紀(jì)60年代(1960s)、70年代(1970s)、80年代(1980s)、90年代(1990s)和21世紀(jì)前10年(2000s)。以1981—2010年的30年氣候數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù),將按照年代際劃分統(tǒng)計(jì)的氣候數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),模擬各年代富士蘋果在中國區(qū)域分布的概率,按照適宜度劃分標(biāo)準(zhǔn),在ArcGIS中對(duì)各適宜區(qū)的年代際變化及適宜度變化敏感區(qū)進(jìn)行分析。

根據(jù)已有研究成果,結(jié)合自然植被區(qū)劃[27],篩選出最冷月平均氣溫、年平均溫度、4—10月平均溫度、溫量指數(shù)、≥10℃積溫、年降水量、夏季平均相對(duì)濕度、氣溫年較差、夏季日較差、年日照時(shí)數(shù)、夏季平均溫度、夏季平均最低溫度、夏季平均最高溫度等13個(gè)有明確生物學(xué)意義可能會(huì)影響富士蘋果種植分布和品質(zhì)形成的潛在影響因子[28],計(jì)算獲取1981—2010年各潛在影響因子的年均值。其中,年平均氣溫和年較差作為反映區(qū)域年總熱量資源及其變幅,最冷月平均氣溫反映果樹是否能夠正常越冬及休眠,降水反映維持果樹生長(zhǎng)和冠層平衡的水分需求。生長(zhǎng)季(4—10月)的平均氣溫、≥10℃積溫及溫量指數(shù)均反映主要生長(zhǎng)季的長(zhǎng)短即能否保證果實(shí)正常成熟,年日照時(shí)數(shù)、夏季的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣溫日較差和空氣相對(duì)濕度用來反映富士蘋果品質(zhì)形成的基本氣象條件保證。在建模前對(duì)變量分類進(jìn)行相關(guān)分析,將各因子組合構(gòu)成環(huán)境變量層與地理分布數(shù)據(jù)輸入模型進(jìn)行計(jì)算,通過隨機(jī)取樣設(shè)置總數(shù)據(jù)集的75%作為訓(xùn)練子集用于訓(xùn)練模型,25%作為驗(yàn)證子集,構(gòu)建富士蘋果種植分布與氣候因子關(guān)系模型。對(duì)比確定AUC值最大的8個(gè)主導(dǎo)因子組合為：年日照時(shí)數(shù)、年降水量、夏季平均氣溫日較差、年平均氣溫、最冷月平均氣溫、≥10℃積溫、夏季平均空氣相對(duì)濕度和夏季平均氣溫(表1)。8個(gè)主導(dǎo)因子中5個(gè)與溫度有關(guān),表明富士蘋果的生長(zhǎng)及品質(zhì)形成對(duì)溫度有較高的要求,在年尺度上無論生長(zhǎng)季或者休眠期的溫度都會(huì)對(duì)落葉果樹產(chǎn)生影響,其中最冷月平均溫度的置換重要性較高,過低則不能安全越冬,過高會(huì)導(dǎo)致果樹不能正常休眠,直接影響其生理存在。日照時(shí)數(shù)除影響果樹的花芽分化和枝葉生長(zhǎng)外,也是蘋果著色及糖度累積的重要保證,對(duì)品質(zhì)影響顯著。蘋果喜冷涼干燥氣候,對(duì)空氣濕度和降水要求嚴(yán)格,尤其是在花芽分化時(shí)期和果實(shí)成熟期間,濕度過大會(huì)對(duì)果實(shí)的膨大及果實(shí)硬度有較為明顯的影響。

模型計(jì)算訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的AUC值分別為0.960和0.930,表面最大熵模型的適用性及模擬結(jié)果的精度達(dá)到了“非常好”的程度。同時(shí),所選主導(dǎo)因子對(duì)富士蘋果種植分布模擬結(jié)果的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了99.9%,表明利用以上8個(gè)主導(dǎo)因子與地理分布所建的模型可以用于中國富士蘋果種植的氣候適宜分布模擬。

表1 影響中國富士蘋果種植分布的主導(dǎo)氣候因子

2 結(jié)果分析

2.1 氣候適宜分布的年代際變化

圖2 中國富士蘋果種植氣候適宜區(qū)的年代際變化Fig.2 Decadal dynamics of Fuji apple climate suitable cultivation distribution in China

利用最大熵模型模擬分析1961—2010年富士蘋果種植的不同氣候適宜區(qū)年代際變化(圖2)。1961—2010年氣候的年代際變化導(dǎo)致富士蘋果在中國種植分布的界限呈明顯的北移趨勢(shì),特別是1990s變化最為明顯,與中國區(qū)域的氣溫變化趨勢(shì)基本一致[49],1980s中期前氣溫始終在較小的范圍內(nèi)上下波動(dòng),之后增溫趨勢(shì)開始明顯,到1990s增溫最強(qiáng)。到2010s,富士蘋果種植的北界(遼寧和內(nèi)蒙)和南界(豫南、皖北和蘇北)分別較1960s向北移動(dòng)了2和1左右;氣候適宜種植范圍的界限北移更為明顯且伴有西擴(kuò)趨勢(shì),特別是黃土高原西北部的氣候適宜區(qū)西移北擴(kuò)均達(dá)到了2左右,而西南種植區(qū)的云貴川氣候適宜區(qū)也有擴(kuò)大趨勢(shì);各氣候適宜區(qū)的地帶分布和面積的年代際變化較為顯著,次氣候適宜和氣候適宜以上范圍增加明顯,而高氣候適宜區(qū)的分布年代際波動(dòng)較大。

從氣候適宜區(qū)面積的年代際變化看(表2),次適宜面積和適宜以上合計(jì)面積均隨年代際明顯增加,到2000s次適宜面積增加了20%,適宜以上合計(jì)面積增加36%,占國土面積的8075×103km2,而高適宜面積則呈先遞增后遞減再遞增的動(dòng)態(tài)變化,其中1970s高適宜區(qū)面積最高達(dá)1632×103km2,而后開始遞減,到1990s達(dá)到最低,隨后略有增加,但2000s與1970s相比高適宜區(qū)面積減少了近25%。

表2 中國富士蘋果種植適宜面積的年代際變化

從相鄰年代際的交替變化看,與1960s相比,1970s富士蘋果種植的次適宜區(qū)略有北移,其中河南、安徽和蘇北等省的次適宜區(qū)南界北移較為明顯,遼寧省的次適宜區(qū)則北移至長(zhǎng)白山沿線,云貴高地的次適宜區(qū)略有增加,次適宜區(qū)面積較1960s增加了約32×103km2。適宜區(qū)的面積及分布都沒有發(fā)生較為明顯的變化,而高適宜區(qū)的分布則變化顯著,其中河北省的高適宜區(qū)由沿太行山脈向環(huán)京津區(qū)延伸,關(guān)中高適區(qū)連片面積擴(kuò)大并西擴(kuò)至隴東,平?jīng)龅貐^(qū)的適宜度明顯增加,同時(shí)晉陜?cè)ト〗唤鐓^(qū)出現(xiàn)了大面積的氣候高適宜區(qū),1970s富士蘋果種植的氣候高適宜區(qū)面積增加最為顯著且達(dá)到各年代際最高,占到了國土面積1632×103km2,較1960s增加了44%,而適宜以上合計(jì)面積較1960s也遞增約10%。

1980s與1970s比較,次適宜區(qū)在川北、豫東南和蘇北的南界繼續(xù)北移,但種植分布的北界除陜蒙交界地帶稍有北移外其余地區(qū)均無較為明顯的變化,同時(shí)南疆的次適宜區(qū)面積有所增加。而適宜區(qū)則發(fā)生了明顯的整體北移,其中遼寧、河北、陜西及甘肅等省的適宜區(qū)北移明顯,特別是遼寧省的適宜區(qū)面積增加最為顯著,適宜南界的河南中部適宜區(qū)北移1,陜南、魯南的適宜區(qū)面積也有所減少。除河北省的太行山麓外,其余高適宜區(qū)都發(fā)生了變化,特別是黃土高原區(qū)和豫西北的高適宜區(qū)萎縮嚴(yán)重,隴東的高適宜區(qū)基本消失,而河北省的高適宜區(qū)則繼續(xù)向環(huán)渤海灣延伸,山東省的高適宜區(qū)面積明顯增加。與1970s相比,適宜以上合計(jì)面積增加了約7%,但其中高適宜的面積則有所減少,種植分布的面積沒有發(fā)生較為明顯的變化。

相較于1980s,1990s次適宜區(qū)整體北移且趨勢(shì)較為明顯,其中種植北界的遼寧省北部北移2到達(dá)內(nèi)蒙東南部,種植南界的蘇北和安徽北部北移近1,云南高地的分布區(qū)明顯萎縮。但氣候適宜區(qū)除以上區(qū)域隨次適宜的變化發(fā)生北移外,在西北地區(qū)卻分別向西和向南擴(kuò)展,其中寧夏西北部和隴東的適宜區(qū)面積增加明顯,同時(shí)晉陜?cè)ゼ瓣兡系倪m宜區(qū)分布也向南有所擴(kuò)大。高適宜區(qū)的分布也發(fā)生了較為明顯的變化,環(huán)渤海灣區(qū)域的高適宜區(qū)基本消失,河北省的高適宜區(qū)基本沿太行山麓分布,黃土高原區(qū)的高適宜區(qū)向西擴(kuò)展至隴東且高適宜區(qū)的集中連片面積擴(kuò)大,晉中和豫西北的高適宜區(qū)面積也有所增加?？傮w而言,與1980s相比氣候適宜區(qū)的面積增加最為明顯,達(dá)到了22%,所以雖然高適宜區(qū)的面積繼續(xù)減少,但適宜以上合計(jì)面積依然增加了14%。

2000s延續(xù)了1990s的變化趨勢(shì),次適宜區(qū)北界的遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部繼續(xù)北抬至吉林省境內(nèi),而南界基本北移至蘇皖魯三省交界地帶,河南省境內(nèi)的種植界限北移至駐馬店以北,黃土高原種植區(qū)略向西北移動(dòng)。相比于次適宜區(qū),適宜區(qū)范圍的北移則更為明顯,與1990s相比整體北移近1左右,同時(shí)處于黃土高原適宜區(qū)明顯向西北擴(kuò)展。高適宜區(qū)的分布沒有發(fā)生較為明顯的變化,關(guān)中高適宜區(qū)分布整體向北有所抬升。與1990s比較,適宜區(qū)及高適宜區(qū)的面積均有小幅增加,但增幅并不明顯。

2.2 種植氣候適宜分布對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)

將相鄰兩個(gè)年代氣候條件下的適宜區(qū)分布相比較,提取年代際之間富士蘋果種植氣候適宜性區(qū)域的變化,可分析種植氣候適宜分布對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)域(圖3)。

圖3 富士蘋果種植氣候適宜區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)Fig.3 Sensitive region of Fuji apple climate suitable cultivation distribution in China

結(jié)合圖2,1970s較1960s與1980s較1970s的氣候適宜區(qū)分布發(fā)生變化的區(qū)域面積相當(dāng),約占到國土面積的5%,年代際之間的適宜區(qū)面積變化大致相當(dāng)且更加明顯,約占國土面積7%左右,蘋果種植氣候適宜區(qū)發(fā)生較為明顯變化在1990s,這與中國區(qū)域氣候變化的基本特點(diǎn)和趨勢(shì)吻合[50]。其中,適宜區(qū)分布面積減少最明顯的年代是1990—2010s,約占國土面積2730×103km2,其次是1970—1980s。適宜區(qū)分布面積增加最為明顯的是1980—1990s,約占國土面積的4179×103km2,其次是1990—2000s。而適宜區(qū)分布面積增加或減少最不明顯的均是1960—1970s,與這兩個(gè)年代際的氣候變化趨勢(shì)較緩有關(guān)。

從區(qū)域分布看,適宜區(qū)分布面積轉(zhuǎn)換交替最為集中的區(qū)域主要在遼寧南部、豫東南、魯南、蘇北、黃土高原西北部和川陜接壤區(qū)。其中,種植北界區(qū)域的氣候適宜區(qū)分布面積有所提高而南界的氣候適宜區(qū)分布面積基本以降低為主。在主產(chǎn)區(qū)中,氣候適宜區(qū)分布面積變化敏感的區(qū)域主要集中在環(huán)渤海灣的魯南及河北環(huán)京津一線,變化交替出現(xiàn)。而在黃土高原的西北部、南疆的阿克蘇及云貴川交界地區(qū),氣候適宜區(qū)有逐年代際提高的趨勢(shì)。

2.3 氣候因子與各適宜區(qū)年代際變化的關(guān)系

表3給出了主導(dǎo)氣候因子與各氣候適宜區(qū)面積的相關(guān)性。最冷月平均氣溫、年平均氣溫和≥10℃積溫等表征熱量條件的氣候因子對(duì)次適宜區(qū)分布的面積顯著正相關(guān),表明熱量條件在限制作物生理存在分布的決定性作用。而最冷月平均氣溫、年平均氣溫和日照時(shí)數(shù)等光熱組合因子對(duì)氣候適宜范圍的面積及適宜以上合計(jì)面積相關(guān)性明顯,表明在生理存在前提下日照條件對(duì)富士蘋果種植適宜性的影響顯著。同時(shí),所有主導(dǎo)因子與高適宜區(qū)面積的相關(guān)性均未通過顯著性檢驗(yàn),表明單個(gè)氣候因子對(duì)高適宜區(qū)的影響有限,達(dá)到較高氣候適宜度需要光熱水等氣候條件的合理匹配。而降水因子及影響蘋果品質(zhì)形成的夏季氣候因子與適宜范圍面積的相關(guān)均未通過顯著檢驗(yàn),可能與全國平均降水量的年際變化不太明顯有關(guān)[51],同時(shí)也表明對(duì)品質(zhì)影響較為顯著的夏季氣候因子之間的關(guān)系較為復(fù)雜,且需在生理適宜存在的基礎(chǔ)下有適宜的匹配組合。

表3 中國富士蘋果種植氣候適宜面積的年代際變化與主導(dǎo)氣候因子的關(guān)系

*P< 0.05;**P< 0.01

3 討論

物種分布機(jī)理的研究認(rèn)為,植物的地理分布取決于其能夠忍受的最低溫度、完成生活史所需的生長(zhǎng)季長(zhǎng)度和熱量供應(yīng)及用于植物冠層形成和維持的水分供應(yīng)[27],即主要是水熱資源的供應(yīng)。但不同作物對(duì)環(huán)境因子的要求存在差異,作為經(jīng)濟(jì)作物種植的蘋果,除生理滿足外,產(chǎn)量和品質(zhì)是種植中必須要考慮的因素[52],現(xiàn)有的地理分布也是在人類種植選擇的基礎(chǔ)上形成的。因此,本研究中引入了對(duì)產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)形成關(guān)系較為密切的氣候因子。研究表明,除溫?zé)嵋蜃油?年日照時(shí)數(shù)對(duì)富士蘋果種植分布的貢獻(xiàn)率較大,特別是對(duì)適宜范圍的分布面積相關(guān)性極其顯著。區(qū)別于已有研究認(rèn)為年尺度中水熱資源對(duì)分布的決定作用,年際變化中對(duì)富士蘋果種植分布影響最大的是光熱資源的供應(yīng),這也與所選研究區(qū)域和時(shí)段中這兩種氣候因子的年際及空間分布的變化較大有關(guān)。通過對(duì)富士蘋果種植分布的模擬結(jié)果與中國大蘋果主產(chǎn)區(qū)域1980s—2000s分省區(qū)產(chǎn)量布局的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,模擬分析的結(jié)果是基本合理和可信的。

種植氣候適宜度分布的年代際變化歸因于氣候資源的變化及匹配,通過對(duì)中國區(qū)域光、熱、水資源的年際及年代際變化分析,1961—2010年中國區(qū)域熱量和光照資源的年代際變化特征明顯(圖4)。溫度是限制作物分布的重要因子,其中最冷月的溫度過低影響果樹安全越冬,已有研究中也作為蘋果種植北界的指標(biāo)[53],而越冬期溫度過高果樹則不能正常休眠,影響種植的南界,同時(shí)積溫作為生長(zhǎng)季長(zhǎng)度和熱量供應(yīng)的重要表征,既要保證果實(shí)正常成熟但過高又會(huì)影響發(fā)育進(jìn)程和果實(shí)品質(zhì)[47],因此,溫度年代際及區(qū)域變化對(duì)種植的分布和適宜界限均有顯著影響。溫度相關(guān)的氣候因子變化從1990s開始趨勢(shì)加劇同時(shí)帶有明顯的區(qū)域特征,其中中高緯度地區(qū)的響應(yīng)最為敏感[49],特別是東北、西北地區(qū)東部及華北,本研究給出的種植界限變化及氣候敏感區(qū)與溫度的變化特征基本吻合,種植分布區(qū)整體北移,同時(shí)適宜區(qū)帶有西擴(kuò)趨勢(shì),中高緯度地區(qū)氣候適宜的交替變化也最為明顯。而日照時(shí)數(shù)對(duì)于果樹的花芽分化、產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響[29]。從年際變化看,中國區(qū)域的日照時(shí)數(shù)近年來減少明顯,特別是華北、華東及新疆部分地區(qū),日照對(duì)于適宜以上范圍的面積相關(guān)性極高,本研究結(jié)果也顯示適宜及以上范圍的地帶分布變化體現(xiàn)了日照變化的區(qū)域性差異。夏季氣候因子中日較差是影響果實(shí)品質(zhì)形成的重要因子[29],與全球日較差呈現(xiàn)下降趨勢(shì)一致,中國區(qū)域夏季氣溫日較差從1970s開始有所迅速下降到2000s趨于平緩,同時(shí)表現(xiàn)出中高緯度減小幅度較大的特點(diǎn),夏季日較差的變化對(duì)種植分布影響有限,但對(duì)果實(shí)品質(zhì)應(yīng)有不利的影響。雖然全國平均降水量沒有發(fā)生明顯的年代際波動(dòng),但區(qū)域的年代際變化特征較為顯著,西部地區(qū)降水增加而環(huán)渤海灣地區(qū)的降水減少明顯[51],降水的區(qū)域性變化在其它光熱因子的適宜條件下對(duì)分布的高適宜區(qū)產(chǎn)生影響,應(yīng)是環(huán)渤海灣地區(qū)和黃土高原西北部蘋果種植高適宜區(qū)交替變化的重要原因。

圖4 中國區(qū)域主要?dú)夂蛞蜃拥哪甏H變化Fig.4 Decadal dynamics of dominant climate factors in China

從氣候適宜度的空間變化來看,氣候變化對(duì)富士蘋果種植及適宜區(qū)分布有較好的正效應(yīng),特別是在東北南部和黃土高原西北部,而對(duì)高適宜區(qū)的影響則有較大的不確定性。同時(shí),種植分布的變化一方面受到大氣環(huán)境的制約,另一方面受到人類活動(dòng)、政策因素及品種更新等的影響[54]。本研究?jī)H從氣候變化背景下富士蘋果的氣候適宜性方面討論其種植分布的變化,而氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較為復(fù)雜,極端天氣氣候事件對(duì)種植適宜的影響風(fēng)險(xiǎn)、氣候適宜性與其它生產(chǎn)環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)在未來應(yīng)做進(jìn)一步的深入研究和討論。

4 結(jié)論

(1)利用最大熵模型構(gòu)建的富士蘋果種植分布與氣候因子的關(guān)系模型模擬的準(zhǔn)確性達(dá)到“非常好”水平,影響富士蘋果種植氣候適宜區(qū)分布的主導(dǎo)氣候因子包括年日照時(shí)數(shù)、年降水量、夏季平均氣溫日較差、年平均氣溫、最冷月平均氣溫、≥10℃積溫、夏季平均空氣相對(duì)濕度和夏季平均氣溫,8個(gè)主導(dǎo)因子對(duì)富士蘋果種植分布模擬結(jié)果的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了99.9%,表明利用主導(dǎo)因子與地理分布所建的模型可以用于中國富士蘋果種植的氣候適宜分布模擬。

(2)氣候變化導(dǎo)致富士蘋果種植分布的氣候界限和適宜區(qū)明顯北移,其中適宜區(qū)范圍伴有西擴(kuò)趨勢(shì)。各適宜區(qū)分布的年代際變化特征明顯,適宜以上面積顯著增加,到2010s適宜面積較1960s增加約26%。但高適宜區(qū)面積則呈現(xiàn)年代際波動(dòng),2010s較1970s—1980s減少明顯。富士蘋果種植適宜度對(duì)氣候變化響應(yīng)最為敏感的地區(qū)主要在遼寧南部、豫東南、魯南、蘇北、黃土高原西北部和川陜接壤區(qū)。

(3)影響富士蘋果氣候適宜區(qū)分布年代際變化的主要?dú)夂蛞蜃邮枪鉄豳Y源的供應(yīng),而降水和夏季氣候因子的區(qū)域性變化對(duì)高適宜區(qū)的分布有潛在影響?？傮w上,氣候變化對(duì)富士蘋果種植的適宜范圍有正效應(yīng),但對(duì)高適宜種植區(qū)的影響有較大的不確定性。同時(shí),日照時(shí)數(shù)的減少和夏季氣溫日較差的降低趨勢(shì)是中國富士蘋果品質(zhì)提升過程應(yīng)該關(guān)注的氣象問題。

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Dynamics of decadal changes in the distribution of cultivation regions with climate suitable for the Fuji apple in China

QU Zhenjiang1,ZHOU Guangsheng2,*

1ShaanxiMeteorologicalServiceStationforEconomicCrops,Xi′an710015,China2ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China

Apple has larger planting area than any other fruit in China. Analyzing the decadal changes in the distribution of cultivation areas with climate suitable for apple under the background of climate change can provide a reference for the rational use of climate resources and adaptation to climate change. In this paper, we established a model by examining the relationship between Fuji apple cultivation distribution and climate, based on meteorological data from 1961 to 2010 at 2084 meteorological stations and the geographic planting distribution of Fuji apple in China together with the maximum entropy (MaxEnt) model and the ArcGIS spatial analysis technique. The decadal change characteristics of the distribution of Fuji apple cultivation areas in China from 1961 to 2010 and areas sensitive to climate change were explored using the model. The results showed that climate change has led to the northward movement of planting boundaries and areas with climate suitable for Fuji apple, with westward expansion of the areas with suitable climate. There was an obvious decadal change in areas with climate suitable for the cultivation of Fuji apple and this area increased significantly, especially in the 1990s. The cultivation area with suitable climate was 36% higher in the 2010s than in the 1960s; however, the optimum cultivation area fluctuated with decadal change. The optimum cultivation area in the 2010s was slightly higher than that in the 1960s, but was 25% lower than those in the 1970s—1980s. The most climate change-sensitive cultivation area of Fuji apple was principally found in southern Liaoning, southern Shandong, and northern Jiangsu, and on the southeastern Henan northwestern Loess Plateau and the contiguous area of the Sichuan-Shaanxi province. Annual sunshine hours and thermal conditions had significant effects on the areas with climate suitable for the cultivation of Fuji apple. Overall, climate change can act to increase the area suitable for cultivation of Fuji apple, but can adversely affect the stability of the optimum cultivation area.

climate change;Fuji apple;climate suitable area; inter decadal

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目 (2010CB951300); 中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目(CMAGJ2015M60); 中國氣象局氣候變化專項(xiàng)(CCSF201621)

2015- 11- 07;

2016- 04- 25

10.5846/stxb201511072257

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gszhou@cams.cma.gov.cn

屈振江,周廣勝.中國富士蘋果種植氣候適宜區(qū)的年代際變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(23):7551- 7561.

Qu Z J,Zhou G S.Dynamics of decadal changes in the distribution of cultivation regions with climate suitable for the Fuji apple in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(23):7551- 7561.