基于聚類分析的膠東半島蘋果種植氣候區(qū)劃

王冰 伯玥 姜如茵

摘要：為優(yōu)化膠東半島蘋果種植布局，為膠東半島蘋果種植區(qū)氣候適宜性區(qū)劃做好基礎(chǔ)，以1959—2015年膠東半島蘋果種植區(qū)各氣象觀測(cè)站逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以與蘋果產(chǎn)量、品質(zhì)形成密切相關(guān)的5月相對(duì)濕度、5月平均氣溫、7月相對(duì)濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時(shí)數(shù)、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等8個(gè)關(guān)鍵氣候因子作為區(qū)劃指標(biāo)，采用系統(tǒng)聚類和兩維圖論聚類分析方法對(duì)該地蘋果適宜種植區(qū)重新進(jìn)行了區(qū)劃。將膠東半島蘋果種植的生態(tài)條件劃分為4區(qū)。根據(jù)劃分的4個(gè)種植區(qū)，膠東半島24個(gè)蘋果種植區(qū)中的14地屬于適宜種植區(qū)，7地屬于一般適宜種植區(qū)。劃分結(jié)果能夠比較客觀地反映各栽培區(qū)內(nèi)的相似性和區(qū)間的差異性，與目前膠東半島蘋果種植的分布和生產(chǎn)現(xiàn)狀比較一致。各地可在種植區(qū)劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)管理方式和地方能力，綜合考慮優(yōu)化蘋果種植布局。

關(guān)鍵詞：蘋果種植區(qū);氣候因子;聚類分析;氣候區(qū)劃

中圖分類號(hào)： S162.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）07-0134-04

膠東半島地形地貌以丘陵山地為主，熱量充足，秋季長(zhǎng)，光照充足，年平均氣溫在12 ℃左右，年平均降水量為790 mm左右，無霜期200 d以上，是我國(guó)蘋果中、晚熟品種的最大商品生產(chǎn)區(qū)之一，其蘋果種植面積和產(chǎn)量約占全國(guó)的1/10。該產(chǎn)區(qū)果業(yè)科研技術(shù)能力較強(qiáng)，果農(nóng)技術(shù)水平較高，且交通便利，鐵路、航運(yùn)線路較發(fā)達(dá)，出口條件優(yōu)越。但是，在擁有優(yōu)質(zhì)位勢(shì)資源的同時(shí)，包括冬春夏干旱、花期凍害、冰雹、秋季連陰雨等氣象要素的變化、氣象災(zāi)害的發(fā)生都對(duì)當(dāng)?shù)靥O果等果品產(chǎn)量和品質(zhì)有著不同程度的影響。如2015—2017年上半年的連續(xù)干旱和2017年夏季的強(qiáng)降水，在膠東半島出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了蘋果的產(chǎn)量和品質(zhì)。加強(qiáng)對(duì)膠東半島蘋果種植氣候區(qū)劃的研究，對(duì)加強(qiáng)蘋果種植業(yè)對(duì)氣候變化導(dǎo)致的氣象災(zāi)害的防御能力，更好地為種植業(yè)生產(chǎn)服務(wù)有著極為重要的指導(dǎo)意義。目前關(guān)于蘋果的氣候區(qū)劃研究較多，張磊等利用寧夏23個(gè)地面氣象臺(tái)站30年（1981—2010年）的氣象觀測(cè)資料，制定了寧夏晚熟高酸蘋果的氣候區(qū)劃指標(biāo)及區(qū)劃原則[1]。李倩等利用遼寧52個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2010年氣候資料和臺(tái)站地理信息，采用GIS技術(shù)對(duì)遼寧省紅富士蘋果開展了氣候區(qū)劃[2]。何可杰等利用GIS技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)區(qū)劃指標(biāo)空間化基礎(chǔ)上，完成了陜西省寶雞市蘋果氣候適宜性區(qū)劃[3]。這些研究主要集中在黃土高原蘋果種植區(qū)和環(huán)渤海種植區(qū)北部的遼寧省，目前關(guān)于山東省蘋果種植的氣候區(qū)劃研究較少，特別是環(huán)渤海種植區(qū)膠東半島地區(qū)的氣候區(qū)劃更是鮮見報(bào)道。本研究采用不同聚類分析方法，對(duì)膠東半島影響蘋果品質(zhì)的8個(gè)關(guān)鍵氣候因子進(jìn)行分析，并結(jié)合各地生產(chǎn)管理能力，對(duì)膠東半島蘋果種植區(qū)開展氣候區(qū)劃。研究結(jié)果可為生產(chǎn)管理部門合理化規(guī)劃蘋果產(chǎn)業(yè)提供參考，對(duì)提高當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)量品質(zhì)也有較強(qiáng)的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

根據(jù)膠東半島蘋果主栽品種，結(jié)合前人研究成果，選取影響果實(shí)大小、硬度、果形指數(shù)、可溶性固形物、糖度、糖酸比的5月相對(duì)濕度、5月平均氣溫、7月相對(duì)濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時(shí)數(shù)、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等8個(gè)關(guān)鍵氣候因子[4-12]，然后選取膠東半島24個(gè)區(qū)、市的氣象觀測(cè)站（圖1）1959—2013年近55年的8個(gè)氣候因子的數(shù)據(jù)集。其中，部分氣象觀測(cè)臺(tái)站建站時(shí)間較短，將其建站前的數(shù)據(jù)使用克里金插值法[13-14]處理得出。

1.2 研究方法

本研究采用DPS 17.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

聚類分析是將物理或抽象對(duì)象的集合劃分為由類似的對(duì)象組成的多個(gè)類別的分析過程。其目標(biāo)就是在相似的基礎(chǔ)上收集數(shù)據(jù)來分類。其方法較多，本研究選用系統(tǒng)聚類和兩維圖論聚類法進(jìn)行分析。

系統(tǒng)聚類事先不用知道分類對(duì)象的分類結(jié)構(gòu)，而只需要一批地理數(shù)據(jù);然后選好分類統(tǒng)計(jì)量，并按一定的方法步驟進(jìn)行計(jì)算;最后可以自然、客觀地得到完整的分類系統(tǒng)[15]。其步驟如下：首先根據(jù)樣本找出能度量這些數(shù)據(jù)相似程度的統(tǒng)計(jì)量;然后以統(tǒng)計(jì)量作為劃分類型的依據(jù)，把一些相似程度大的變量先聚合為一類，把相似程度小的變量聚合為另一類，直到所有的變量聚合完畢，最后根據(jù)各類之間的遠(yuǎn)近關(guān)系，逐步畫成1張完整的分類系統(tǒng)圖，又稱譜系圖。其相似程度由距離或者相似系數(shù)定義，類別合并的準(zhǔn)則是使得類間差異最大，而類內(nèi)差異最小。兩維圖論聚類分析則主要考慮樣本的空間連接性和內(nèi)部相似性，分區(qū)時(shí)采用加權(quán)連通圖表示[16-17]。使用聚類分析時(shí)，須要對(duì)樣本距離進(jìn)行無量綱化處理，研究樣本間親疏程度的指標(biāo)有相似系數(shù)和距離。常用距離和變換方法包括：閔科夫斯基距離（根據(jù)參數(shù)不同又分為曼哈頓距離、歐氏距離和契比雪夫距離）、蘭氏距離、馬氏距離、斜交空間距離[18-19]以及中心化變換、標(biāo)準(zhǔn)化變換、對(duì)數(shù)變換等[20-22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠東半島蘋果種植區(qū)氣候區(qū)劃指標(biāo)

選取5月相對(duì)濕度、5月平均氣溫、7月相對(duì)濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時(shí)數(shù)、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等影響果實(shí)大小、硬度、果形指數(shù)、可溶性固形物、糖度、糖酸比的8個(gè)關(guān)鍵氣候因子作為膠東半島蘋果種植氣候區(qū)劃指標(biāo)，并進(jìn)行分級(jí)（表1）。

2.2 氣候區(qū)劃結(jié)果

使用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)膠東半島24個(gè)區(qū)、市近55年的8個(gè)氣候因子進(jìn)行聚類分析，方法包括系統(tǒng)聚類和兩維圖論聚類分析。

2.2.1 系統(tǒng)聚類 系統(tǒng)聚類的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式使用中心化轉(zhuǎn)換，聚類距離使用歐氏距離，聚類方法使用最短距離法（a）、重心法（b）、可變類平均法（c）和中間距離法（d）進(jìn)行分析，結(jié)果見表2、圖2。

結(jié)合圖2系統(tǒng)聚類對(duì)比來看，c和d的樣本次序一致性較好，均將24個(gè)樣本分成了4類，第1個(gè)類包括7個(gè)樣本（9，14，15，18，19，20，23）;第2類包括7個(gè)樣本（1，8，10，12，16，17，21）;第3類包括7個(gè)樣本（3，4，7，11，13，22）;第4類包括3個(gè)樣本（2，5，6）。即墨、煙臺(tái)、福山、蓬萊、招遠(yuǎn)、棲霞和萊州7地為第1類，威海、嶗山、膠州、平度、萊陽、龍口和牟平7地為第2類，文登、乳山、青島、膠南、萊西、海陽和開發(fā)區(qū)7地為第3類，榮成、石島和成山頭3地為第4類。

2.2.2 兩維圖論聚類 將24個(gè)氣象觀測(cè)站的經(jīng)緯度和相關(guān)氣象因子運(yùn)用軟件進(jìn)行處理。將2種聚類結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩維圖論聚類結(jié)果與系統(tǒng)聚類的分類結(jié)果能較好地相吻合，系統(tǒng)聚類中的分類見圖3。

2.2.3 分區(qū)結(jié)果 對(duì)影響膠東半島蘋果產(chǎn)量、質(zhì)量的8個(gè)氣象因子進(jìn)行聚類分析，結(jié)合指標(biāo)特征和氣候特點(diǎn)，將膠東半島蘋果種植區(qū)劃分為最適宜、較適宜、一般適宜和不適宜4個(gè)區(qū)。

2.2.3.1 最適宜栽培區(qū) 該區(qū)主要分布在膠東半島中部，包括中部的棲霞、招遠(yuǎn)、萊州，以及偏北的福山、蓬萊和偏南的即墨7地。5月平均相對(duì)濕度為56%～61%，7月平均相對(duì)濕度為77%～80%，5月平均氣溫為17.5～18.4 ℃，7月平均氣溫為24.7～25.7 ℃，8月降水量為141～198 mm，9月日照時(shí)數(shù)為218～249 h，9—10月降水量為89～112 mm，4—8月 ≥10 ℃ 活動(dòng)積溫為2 973～3 260 ℃。該區(qū)丘陵山地較多，牙山、艾山、羅山等地海拔較高，形成的局地小氣候，晝夜溫差大，有利于凈光合效率的提高、糖分的積累、果實(shí)上色和品質(zhì)的提高;降水分布適中，既保證了樹體營(yíng)養(yǎng)積累充分，又保證了采摘后的存儲(chǔ)、運(yùn)輸，是膠東半島最大的蘋果生產(chǎn)區(qū)。

2.2.3.2 較適宜栽培區(qū) 該區(qū)主要分布在膠東半島東南至東北沿線，包括威海、嶗山、膠州、平度、萊陽、龍口和牟平7地。5月平均相對(duì)濕度為61%～67%，7月平均相對(duì)濕度為79%～84%，5月平均氣溫為17.3～18.1 ℃，7月平均氣溫為24.3～25.7 ℃，8月降水量為133～189 mm，9月日照時(shí)數(shù)為211～230 h，9—10月降水量為89～128 mm，4—8月≥10 ℃活動(dòng)積溫為2 914～3 112 ℃。該區(qū)氣候條件整體接近于最適宜栽培區(qū)，但濕度較大，易于孳生病蟲害，日照時(shí)間略短，不利于果實(shí)上色，采摘期降水偏多，不利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

2.2.3.3 一般適宜栽培區(qū) 該區(qū)包括文登、乳山、青島、膠南、萊西、海陽和開發(fā)區(qū)7地。5月平均相對(duì)濕度為64%～73%，7月平均相對(duì)濕度為82%～88%，5月平均氣溫為 16.3～17.9 ℃， 7月平均氣溫為23.9～25.3 ℃， 8月降水量為131～216 mm，9月日照時(shí)數(shù)為210～245 h，9—10月降水量為83～132 mm，4—8月≥10 ℃活動(dòng)積溫為2 833～3 025 ℃。該區(qū)濕度較大，積溫較少，樹體病害逐漸加重，果實(shí)品質(zhì)下降。

2.2.3.4 不適宜栽培區(qū) 該區(qū)主要分布在威海東部的榮成、成山頭、石島3地，地理位置接近。5月平均相對(duì)濕度位 70%～77%，7月平均相對(duì)濕度為88%～94%，5月平均氣溫為13.7～16.2 ℃，7月平均氣溫為21.4～24 ℃，8月降水量為 158～204 mm，9月日照時(shí)數(shù)為228～235 h，9—10月降水量為 122～142 mm，4—8月≥10 ℃活動(dòng)積溫為2 417～2 798 ℃。該區(qū)水資源都比較豐富，但陰雨時(shí)間多，光照相對(duì)不足，果實(shí)著色相對(duì)較差。而且采摘期降水明顯偏多，生長(zhǎng)期積溫明顯偏少，不利于優(yōu)質(zhì)果的形成。

3 討論與結(jié)論

本研究選擇與蘋果產(chǎn)量、品質(zhì)形成密切相關(guān)的5月相對(duì)濕度、5月平均氣溫、7月相對(duì)濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時(shí)數(shù)、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等8個(gè)關(guān)鍵氣候因子作為區(qū)劃指標(biāo)，結(jié)合蘋果生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)，利用聚類分析方法，將膠東半島蘋果種植的生態(tài)條件劃分為4個(gè)區(qū)。劃分結(jié)果能夠比較客觀地反映各栽培區(qū)內(nèi)的相似性和區(qū)間的差異性，與目前膠東半島蘋果種植的分布和生產(chǎn)現(xiàn)狀比較一致。

即墨、煙臺(tái)、福山、蓬萊、招遠(yuǎn)、棲霞和萊州7地為蘋果最適宜栽培區(qū)，威海、嶗山、膠州、平度、萊陽、龍口和牟平7地為蘋果較適宜栽培區(qū)，文登、乳山、青島、膠南、萊西、海陽和開發(fā)區(qū)7地為蘋果一般適宜栽培區(qū)，榮成、石島和成山頭3地為蘋果不適宜栽培區(qū)。本研究從氣候適宜性方面來分析劃分蘋果種植區(qū)劃，實(shí)際上各地蘋果種植還要考慮當(dāng)?shù)赝寥?、地形、栽培條件和管理水平及地方政府的推廣力度、交通便利條件等綜合因素，因地制宜開展栽培。

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