ENSO事件對(duì)山東蘋果生產(chǎn)的影響Ⅰ: 不同年型下蘋果氣候資源及產(chǎn)量的變化研究*

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(guó)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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)(簡(jiǎn)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(cè)到最大、最強(qiáng)的全球氣候變率信號(hào)。當(dāng)ENSO事件發(fā)生時(shí), 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(guò)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(guó)東部沿海地區(qū)的降水和溫度。山東位于中國(guó)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(duì)山東氣候的影響較為直接, 常引發(fā)氣象災(zāi)害發(fā)生。國(guó)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(qiáng)度與山東降水量負(fù)相關(guān)顯著, 區(qū)域特點(diǎn)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(duì)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(guó)蘋果(Mill)優(yōu)勢(shì)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(duì)山東蘋果生產(chǎn)的影響, 如楊建瑩等構(gòu)建了中國(guó)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(xiǎn)性。孫振生綜合分析了山東煙臺(tái)蘋果生長(zhǎng)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(tái)蘋果不同生育期的氣象條件變化及主要?dú)庀鬄?zāi)害對(duì)蘋果生產(chǎn)的影響。崔修來(lái)等對(duì)山東營(yíng)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(xiǎn)區(qū)劃。郭春香等針對(duì)山東壽光蘋果的霜凍危害, 明確了其發(fā)生機(jī)理并提出相應(yīng)的防御對(duì)策和補(bǔ)救措施。

中國(guó)作為全球最大的蘋果生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó), 蘋果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對(duì)果農(nóng)增收和全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái), 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(duì)蘋果生產(chǎn)的影響顯得尤為重要; 同時(shí), 探討大尺度環(huán)流氣候事件對(duì)蘋果影響的研究相對(duì)較少。鑒于此, 本文選定我國(guó)蘋果優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)的山東蘋果為研究對(duì)象, 重點(diǎn)分析1991—2019年不同ENSO年型下蘋果農(nóng)業(yè)氣候資源的時(shí)空演變規(guī)律, 評(píng)估不同ENSO年型對(duì)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(shí)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(guó)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(wú)霜期較長(zhǎng)。此外, 山東是中國(guó)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(diǎn)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(gè)國(guó)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(shí)數(shù)等, 數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局(http://www.cma.gov.cn), 具體站點(diǎn)分布如圖1所示。同時(shí), 收集并整理了1991—2019年山東省17個(gè)地市的蘋果種植面積、產(chǎn)量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)自山東省及各市統(tǒng)計(jì)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(diǎn)探討不同ENSO年型對(duì)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(dòng)指數(shù)(SOI)開展研究。當(dāng)SOI指數(shù)連續(xù)6個(gè)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(gè)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(lái)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(dòng)(ENSO)事件不同年型的統(tǒng)計(jì)[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(zhǎng)發(fā)育的適宜氣候條件為: 起始生長(zhǎng)溫度為8～14 ℃, 需≥10 ℃活動(dòng)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(duì)比分析, 山東氣候條件基本滿足蘋果的正常生長(zhǎng)發(fā)育, 如管理措施恰當(dāng), 果實(shí)品質(zhì)會(huì)進(jìn)一步提升。因此, 本文根據(jù)山東蘋果常年生長(zhǎng)情況, 定義3月1日-10月31日為山東蘋果可生長(zhǎng)期。

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

式中:是氣象要素的擬合值;為時(shí)間序列;為截距;為 斜率, 即趨勢(shì)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(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn), 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(duì)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(cè)值,y表示第年的年份。根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表, 當(dāng)樣本數(shù)為29, 自由度為27, 通過(guò)＜0.05顯著性檢驗(yàn)的臨界值為0.367, 即||≥0.367時(shí), 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(shí)期生產(chǎn)力發(fā)展水平下的趨勢(shì)產(chǎn)量及誤差產(chǎn)量。具體公式如下:

式中:為實(shí)際產(chǎn)量,Y為趨勢(shì)產(chǎn)量,為氣象產(chǎn)量,為隨機(jī)產(chǎn)量。本文根據(jù)研究時(shí)段的數(shù)據(jù), 選取5 a滑動(dòng)平均法計(jì)算山東蘋果單產(chǎn)的趨勢(shì)產(chǎn)量。

某指標(biāo)的空間區(qū)域重心, 常通過(guò)區(qū)域內(nèi)各子區(qū)域的某種屬性和地理坐標(biāo)來(lái)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(gè)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(dòng)距離計(jì)算公式為:

式中:D表示從第年到第年重心移動(dòng)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(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)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(shí)間趨勢(shì)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(tái)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(duì)較高,年均總產(chǎn)量值約400萬(wàn)t, 占山東省蘋果平均總產(chǎn)的59%。從蘋果單產(chǎn)來(lái)看, 膠東半島蘋果單產(chǎn)最高, 達(dá)20 t·hm以上, 其中煙臺(tái)、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(shí)間趨勢(shì)看, 自20世紀(jì)90年代初, 山東蘋果種植面積呈上升趨勢(shì),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(shì), 每年減少為1.28×10hm,年均減幅約為75.5% (圖2d)。過(guò)去近30年, 山東蘋果總產(chǎn)量波動(dòng)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(shì), 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(shí)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(dòng)變化中也發(fā)生了顯著變化(圖3)。過(guò)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(dòng)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(dòng)了156.41 km, 總產(chǎn)量重心向東北移動(dòng)了142.17 km(圖3d-e)。過(guò)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(dòng)至濰坊西部,移動(dòng)了63.56 km, 至2000年單產(chǎn)重心由東南向西北移動(dòng)了約75.76 km, 到2019年重心由北向南移動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)期內(nèi)光照資源的空間分布及演變趨勢(shì)如圖4所示。由圖可知,厄爾尼諾年日照時(shí)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(lái)看, 厄爾尼諾年大部分地區(qū)日照時(shí)數(shù)下降,魯北、魯南8個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn); 拉尼娜年魯西地區(qū)5個(gè)站點(diǎn)有上升趨勢(shì), 其余地區(qū)呈減少趨勢(shì); 中性年山東半島及魯北有5個(gè)站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)下降, 其余地區(qū)均呈上升趨勢(shì)。拉尼娜年和中性年的趨勢(shì)檢驗(yàn)均未通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)年型山東蘋果可生長(zhǎng)期內(nèi)日照時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)地區(qū)。從氣候傾向率來(lái)看, 3種年型下平均氣溫均有增加趨勢(shì), 幅度略有不同; 厄爾尼諾年, 3-10月平均氣溫均呈增加趨勢(shì), 除德州、濟(jì)南地區(qū), 其余地區(qū)增速均通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn); 拉尼娜年僅沂源、郯城及煙臺(tái)地區(qū)平均溫度略下降, 且所有站點(diǎn)變化幅度均不顯著; 中性年, 全省平均氣溫呈上升趨勢(shì), 但德州、惠民、濟(jì)南、郯城以及膠東半島的煙臺(tái)、威海地區(qū)增速放緩, 未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(圖5d-f)。

圖5 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)年型山東蘋果可生長(zhǎng)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(dòng)積溫。不同ENSO年型, 山東蘋果可生長(zhǎng)期內(nèi)≥10 ℃活動(dòng)積溫呈東西分布(圖6a-c)。中性年4400～4700 ℃·d活動(dòng)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(dòng)積溫區(qū)域分布在濟(jì)南地區(qū); 拉尼娜年,4700～5600 ℃·d活動(dòng)積溫較高值區(qū)分布在膠東半島。從氣候傾向率來(lái)看(圖6d-e), 3種年型下≥10 ℃活動(dòng)積溫呈遞增趨勢(shì), 僅拉尼娜年, 德州、沂源及煙臺(tái)地區(qū)有所下降。厄爾尼諾年活動(dòng)積溫的增加最為顯著,11個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn); 中性年和拉尼娜年下, 幾乎所有站點(diǎn)皆未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖6 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)年型山東≥10 ℃活動(dòng)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(wú)霜期。無(wú)霜期的長(zhǎng)短直接影響到蘋果生長(zhǎng)發(fā)育潛在時(shí)期長(zhǎng)短。不同ENSO年型下無(wú)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(wú)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(lái)看, 3種年型下無(wú)霜期大部分站點(diǎn)呈延長(zhǎng)趨勢(shì)(圖7d-e)。厄爾尼諾年僅濟(jì)南和日照無(wú)霜期縮短, 魯中、魯北8個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn); 拉尼娜年沂源無(wú)霜期呈下降趨勢(shì), 魯北、魯西5個(gè)站點(diǎn)通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn); 中性年僅德州、莘縣、兗州及濰坊通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn)。

圖7 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)年型山東省無(wú)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(dòng)。從氣候傾向率來(lái)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(shì); 拉尼娜年僅沂源、日照、青島及煙臺(tái)地區(qū)年際變化呈下降趨勢(shì), 厄爾尼諾年和拉尼娜年的所有站點(diǎn)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。中性年6-8月夏季日均溫年際變化均呈上升趨勢(shì), 除濟(jì)南地區(qū)外, 其余站點(diǎn)均通過(guò)了95%顯著性(圖8d-e)。

圖8 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(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(shí)膨大期, 日較差越大, 越有利于蘋果果實(shí)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(dòng); 5.0～7.0 ℃低值區(qū)在膠東半島東部及魯東南。對(duì)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(lái)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(shì), 僅濰坊、龍口通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn); 拉尼娜年, 魯中及山東半島的8個(gè)站點(diǎn)年際變化呈遞增趨勢(shì), 所有站點(diǎn)均未通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn); 中性年11個(gè)站點(diǎn)的日較差呈增加趨勢(shì), 東營(yíng)、平度通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn)(圖9d-f)。

圖9 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(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(zhǎng)期降水量。不同年型下山東蘋果可生長(zhǎng)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(lái)看, 厄爾尼諾年和拉尼娜年, 東部大部分站點(diǎn)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(shì)。3種年型下, 所有站點(diǎn)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖10 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)年型山東蘋果可生長(zhǎng)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(tái)附近。從年際變化來(lái)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(shì); 中性年僅莘縣、菏澤、東營(yíng)、濰坊、平度地區(qū)年際變化遞增。3種年型下,所有站點(diǎn)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖11 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(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(guò)去近30年, 山東蘋果可生長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。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(dòng)積溫、無(wú)霜期及降水量的關(guān)系呈正向, 厄爾尼諾年下光照和活動(dòng)積溫等通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。拉尼娜年和中性年下的相關(guān)關(guān)系未通過(guò)顯著檢驗(yàn)。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(shuō)明厄爾尼諾年對(duì)蘋果生長(zhǎng)季內(nèi)熱量資源影響較大, 拉尼娜年降水資源優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯?？傮w來(lái)看,ENSO事件與山東蘋果可生長(zhǎng)季內(nèi)氣候資源顯著相關(guān)性不明顯, 山東蘋果可生長(zhǎng)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(dòng)(ENSO)年型下氣候因子與南方濤動(dòng)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(zhǎng)情況也有所不同。由圖12可知, 3種年型下煙臺(tái)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(shì), 厄爾尼諾年產(chǎn)量和單產(chǎn)相對(duì)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(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。

圖12 1991—2019年不同厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)年型山東省蘋果產(chǎn)量的時(shí)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(guò)5年滑動(dòng)平均法模擬蘋果趨勢(shì)產(chǎn)量后, 計(jì)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(shì)如圖13所示。山東氣象單產(chǎn)的變化趨勢(shì)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(dòng)較大。

圖13 1991—2019年山東及各市蘋果單產(chǎn)變化趨勢(shì)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(zhǎng)期內(nèi)氣象因子相關(guān)性如表3所示。過(guò)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(guò)顯著性檢驗(yàn), ENSO事件的發(fā)生可能會(huì)對(duì)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(shí)段樣本量有限的原因。不同ENSO年型下, 可生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(dòng)(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(shì)產(chǎn)區(qū)之一, 其總產(chǎn)及單產(chǎn)相對(duì)優(yōu)勢(shì)較高, 降水資源的增多會(huì)對(duì)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(tái)、威海地區(qū)的光照、熱量資源與氣象單產(chǎn)的關(guān)系通過(guò)顯著性檢驗(yàn),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(guò)了顯著性檢驗(yàn), 無(wú)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(tái)、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(duì)劣勢(shì)生產(chǎn)地區(qū)。由表4可知, 膠東半島地區(qū)(煙臺(tái)、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(duì)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(duì)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(duì)充沛, 導(dǎo)致膠東半島和魯西北地區(qū)降水變化對(duì)蘋果氣象產(chǎn)量有一定的抑制作用?？傮w來(lái)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(duì)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(duì)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(dòng)(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(dòng)(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(zhǎng)階段內(nèi)的光、熱、水資源的變化趨勢(shì)及空間分布, 探討了不同ENSO年型對(duì)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(shì), 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(shì), 這主要是受國(guó)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(dòng)至煙臺(tái)地區(qū), 突出了膠東半島蘋果產(chǎn)業(yè)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位; 蘋果單產(chǎn)重心由東北濰坊地區(qū)向西南方向移動(dòng), 與種植面積、總產(chǎn)量的移動(dòng)方向相反, 說(shuō)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(duì)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(dòng)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(shí), 不同ENSO事件對(duì)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(diǎn)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(duì)蘋果的著色、糖分積累以及果實(shí)膨大起促進(jìn)作用。從分析結(jié)果來(lái)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(duì)蘋果增長(zhǎng)可能有些單一, 后續(xù)可進(jìn)一步深入挖掘典型站點(diǎn)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(shì)明顯, 未來(lái)可加強(qiáng)對(duì)高溫、干旱等相關(guān)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防范; 而拉尼娜年下溫度偏低、降水偏多,需加強(qiáng)對(duì)低溫、洪澇(澇漬或連陰雨)等相關(guān)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與防范。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)1991-2019年蘋果可生長(zhǎng)期氣象因子與SOI指數(shù)無(wú)明顯相關(guān)。但ENSO事件與山東蘋果可生長(zhǎng)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(duì)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(qiáng)度探討了其與氣候變化的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)ENSO強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度下的氣候變化關(guān)系, 但從一定程度上說(shuō)明ENSO事件對(duì)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(guò)分析ENSO事件強(qiáng)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(méi)有顯著相關(guān)性, 其分析結(jié)果與本文一致。過(guò)去近30年, 山東蘋果可生長(zhǎng)階段內(nèi)氣象因子與ENSO事件無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,ENSO事件的變化會(huì)對(duì)山東當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源條件以及農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)造成一定程度的影響, ENSO事件的發(fā)生對(duì)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(dú)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(duì)其影響, 存在些許局限, 后續(xù)可進(jìn)一步研究; 同時(shí)由于研究年代有限, 研究時(shí)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(shí)段樣本量或選擇的氣象因子對(duì)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(zhǎng)發(fā)育的必要條件, 但熱量資源的多寡應(yīng)與蘋果生長(zhǎng)適宜溫度相適配, 否則會(huì)起到抑制作用; 降水資源同樣也是。降水資源對(duì)蘋果產(chǎn)量有較為重要的影響。在全時(shí)段、厄爾尼諾年、拉尼娜年, 降水資源對(duì)蘋果產(chǎn)量起到了促進(jìn)作用。但在中性年, 降水資源過(guò)于充沛, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蘋果生長(zhǎng)所需的降水量, 對(duì)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(shì)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(huì)對(duì)蘋果生產(chǎn)提供增益效果。對(duì)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(zhǎng)所需, 過(guò)量的降水資源對(duì)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(dú)特地理位置, 使其熱量資源過(guò)于充沛, 對(duì)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(duì)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(gè)積極因素。這可能是由于兩地的地理位置差異, 同時(shí)兩地蘋果種植品種對(duì)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(guò)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(gè)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(duì)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(duì)蘋果生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響。

本文受數(shù)據(jù)記錄時(shí)限的影響, 一方面未充分考慮典型站點(diǎn)或具體果園間的差異性, 對(duì)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(lái)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(shí)期蘋果樹體及不同生育階段蘋果果實(shí)在生長(zhǎng)中對(duì)天氣變化的適應(yīng)和反饋?zhàn)饔? 在后續(xù)研究中需加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文以山東蘋果作為研究對(duì)象, 探討了不同ENSO年型下山東蘋果可生長(zhǎng)階段氣候資源變化及其對(duì)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(shì), 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(dòng), 單產(chǎn)重心卻向西南移動(dòng)。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(zhǎng)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(duì)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(duì)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。