气候变化对新疆苹果种植气候适宜性的影响*

张山清，普宗朝，李新建，吉春容

(1.新疆维吾尔自治区农业气象台(新疆兴农网信息中心)，乌鲁木齐 830002； 2.新疆乌鲁木齐市气象局，乌鲁木齐 830001)

0 引言

以气候变暖为主要特征的全球变化已成为不争的事实[1]。气候变暖使中国大部分地区热量资源增多，农业气候带北移，作物生长季延长[2]，进而对农业种植制度、作物布局及农作物品种熟性产生重要影响，但气候变化及其对农业的影响具有明显的区域差异[3-4]。

中国是世界第一大苹果生产国，光、热、水等气候条件是决定苹果适宜种植区，影响苹果产量高低、品质优劣的主要环境因素[5-8]。近年来有关气候变暖背景下中国苹果种植气候适宜性及品质变化的研究受到有关学者的关注。屈振江等[5]认为，富士苹果的气候适宜区主要在中国黄土高原、环渤海湾和黄河古道，其中，黄土高原区气候适宜度最高。魏钦平等[6]研究发现，渤海湾地区是富士、乔纳金苹果的优质栽培气候区，西南高地局部是新红星苹果的最适生态区。余优森等[7]研究证实，西北黄土高原、西秦岭山地、川西北和川西南山地以及甘新等苹果产地为中国苹果品质最优区。白秀广等[8]指出，气候变暖对黄土高原苹果种植有利，但对渤海地区将产生不利影响。

新疆位于中国西北边陲，地处欧亚大陆腹地，光照充足，热量丰富，降水稀少，空气干燥，气温日较差大，属典型的温带大陆性干旱气候区，许多地区气候条件适于苹果生长发育，其中，以阿克苏地区、伊犁河谷为代表的苹果主产区所生产的苹果，产量高、品质优、色泽鲜艳、风味浓郁，深受国内外消费者的青睐[9-10]。作为新疆特色林果产业发展的重要组成部分，近年苹果生产发展迅速， 2015年全疆苹果种植面积4.608万hm2，总产6.8486亿kg。由于新疆地域辽阔，地形复杂，气候多样，各地气候条件对苹果种植的适宜程度也有很大差异。近年，新疆苹果种植业快速发展的同时，部分地区出现了忽视气候条件的适宜性而盲目扩大种植面积，或种植区域不合理，导致苹果遭受越冬冻害、高温热害等农业气象灾害的风险增加，产量低而不稳，品质下降，严重影响了苹果生产的经济、社会效益[9-11]。

新疆日照充足，光照条件能够满足苹果生长发育的需求； 虽降水稀少，但苹果对水分条件的需求可通过灌溉得到有效保障。因此，在光、热、水等各项气候条件中热量是决定新疆苹果种植气候适宜性的主要因素[9-10]。近年，一些学者对新疆气候变化的研究表明，在全球变暖背景下，过去的50多年新疆气候总体呈显著变暖趋势[12]，农业热量资源增多[13-14]，对新疆特色林果的种植总体较有利[15]，并有学者就气候变化对红枣、哈密瓜、酿酒葡萄等特色瓜果种植气候适宜性的影响进行了初步研究[16-18]，但有关气候变化对新疆苹果种植影响的研究目前还鲜有报道。文章拟在对1961—2015年影响新疆苹果生产的主要气候因素时空变化进行分析的基础上，根据苹果的生物学特性及其对气候条件的要求，结合有关苹果种植气候适宜性判别指标[5， 9]，就近55年新疆气候变化对苹果种植气候适宜性的影响进行研究和分析，以期为适应气候变化，充分发挥新疆种植苹果有利的农业气候条件，规避不利气象灾害的影响，科学制定新疆苹果发展规划，促进苹果生产的持续稳定发展提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用新疆境内102个资料序列较长的气象站1961—2015年逐日平均气温、最低气温资料，以及各站地理坐标和新疆地理信息数据，研究分析影响新疆苹果生产的主要气候因素的时空变化规律，并探讨其对苹果种植气候适宜性的影响。研究区域和所选气象站点见图1。各站气象数据、地理坐标和新疆1： 50000地理信息数据由新疆气象信息中心提供。

1.2 苹果种植气候适宜性指标因子的确定

1.2.1 新疆苹果生产与气候条件的关系

(1)温度

苹果性喜温凉半干旱气候，温度决定苹果的分布区域，并对苹果生长发育的各种生理活动、生化反应产生重要影响[9]。春季日平均气温稳定升至3℃时苹果地上部分开始活动， 8℃左右开始生长， 9～12℃叶芽萌动。花期的适宜温度为18℃左右，温度过高、过低对花粉发芽和花粉管伸长均有不利影响。苹果花芽分化、果实发育成熟期的夏、秋季(6—9月)温度对产量形成和品质优劣有很大影响，一般该期间平均气温20～26℃较为适宜，温度过高，果实着色不良，风味、口感不佳，果型和耐贮性变差。果实成熟过程中，昼夜温差大，有利于营养物质的积累。

前人研究表明[9]，苹果适宜栽培的温度条件是，年平均气温8～14℃，夏季(6—8月)平均气温18～24℃。由于新疆冬季寒冷，越冬期冻害是北疆大部、天山山区等地制约苹果栽培的主要气象灾害。冬季处于生理休眠状态的苹果直立越冬的温度界限是最冷月平均气温不低于-12℃，当极端最低气温低于-30℃即发生冻害，-35℃以下即可冻死。苹果冻害不仅与冬季极端最低气温有关，与冬季低温持续时间也有密切关系，日最低气温低于-20℃的日数超过24d，苹果将遭受较严重的冻害[9，11]。另外，吐鲁番、哈密盆地(以下简称吐哈盆地)以及塔里木盆地中、东部夏季炎热，最高气温多在42℃以上，苹果易发生日灼或遭受高温热害，苹果产量低、品质差[9]。

(2)光照

苹果是喜光树种，光照充足则枝叶健壮繁茂，树体生理活动强，花芽分化率高，结果多，着色好，品质佳。一般年日照时数2 200～2 800h、日照百分率50%～60%适宜苹果生长[9]。新疆年日照时数2 500～3 500h，苹果生长期(4—10月)日照百分率为60%～70%，均高于苹果生育期对光照条件的要求。

(3)水分

苹果对水分条件要求较高，一般年降水量500～800mm才可满足苹果生长发育对水分条件的需求。新疆虽降水稀少，大部分地区年降水量不足200mm，但山区较丰沛的降水和高山冰川积雪融水所汇集的河川径流和地下水，为苹果灌溉提供了有效保障[9-10]。

1.2.2 苹果种植气候适宜性判别因子

根据上述分析并参考《新疆农业气候资源及区划》[9]有关研究成果，确定新疆苹果种植气候适宜性判别因子及其等级划分标准见表1。

1.3 各指标气候要素时空变化分析方法

分别用线性倾向率、累积距平以及t检验[19]对1961—2015年新疆年平均气温、日最低气温≤-20℃日数、6—8月平均气温、1月平均气温的变化趋势、突变特征进行分析和检测。采用混合插值法(宏观地理因子的三维二次趋势面模拟与反距离加权残差订正相结合)对各指标气候要素进行500 m×500 m栅格点的空间插值模拟[12-14]。

表1 新疆苹果种植气候适宜性指标因子及其等级划分标准

指标因子适宜次适宜不适宜年平均气温/℃8.0～14.06.0～7.9, 14.1～16.0≤5.9,>16.0日最低气温≤-20℃的日数(d)≤2021～30>30夏季(6—8月)平均气温(℃)18.0～24.015.0～17.9, 24.1～26.0≤14.9,>26.0最冷月(1月)平均气温(℃)≥-12.0-12.1～-18.0≤-18.1

1.4 苹果种植气候适宜性区划方法

按照表1的等级划分标准，统计新疆102个气象站1961—2015年逐年平均气温、日最低气温≤-20℃日数、6—8月平均气温、1月平均气温4项指标因子不同等级出现的频率，组成单因子模糊矩阵R：

(1)

式(1)中，xi、yi、zi、qi(i=1， 2， 3)分别表示年平均气温、日最低气温≤-20℃日数、6—8月平均气温和1月平均气温在适宜、次适宜、不适宜范围内出现的频率。

根据所选各气候因子对苹果生产影响的程度，给出权重。据文献[9]，确定年平均气温、日最低气温≤-20℃日数、6—8月平均气温和1月平均气温的权重a1、a2、a3和a4分别为0.2、0.2、0.3和0.3，以A表示：

(2)

因此，可得综合评判式[9]：

B=A·R

(3)

模糊综合评判级值的划分应能够反映各气候因子对苹果生长发育的综合适宜程度，根据文献[9]，给出新疆苹果种植气候适宜性区划指标见表2。

表2 新疆苹果种植气候适宜性区划指标

分区名称适宜程度比例(%)不适宜程度比例(%)农业意义适宜种植区>70<10苹果种植的农业气候条件优良,果实产量高、品质佳; 苹果树直立越冬安全性较高次适宜种植区35～7010～35苹果种植的农业气候条件中等,果实产量和品质低于适宜种植区; 需采取适当保护措施才能确保苹果树直立越冬的安全性不适宜种植区≤35≥35热量条件难以满足苹果生长发育的要求; 冬季严寒,苹果树难以安全越冬

将利用式(1)～(3)计算出的全疆各站综合适宜度评判值，在ArcGis10.0平台上对其栅格化插值模拟，并进行分级、叠加处理，即可获得综合考虑各指标气候要素的新疆苹果种植气候适宜性区划。

2 各指标气候要素变化趋势和突变特征

2.1 年平均气温

1961—2015年，新疆年平均气温总体以0.305℃/(10年)的倾向率呈极显著(P=0.001)的升高趋势(图2)， 55年来升高了1.7℃。累积距平和t检验表明(表3)，近55年新疆年平均气温于1997年发生了突变，突变后较突变前全疆平均气温升高了1.1℃。

图2 1961—2015年新疆年平均气温变化 图3 1961—2015年新疆日最低气温≤-20℃日数变化

表3 新疆苹果种植气候适宜性指标因子突变点信度检验

气候要素检测点n1n2|t0|年平均气温(℃)199736197.7209***日最低气温≤-20℃的日数(d)198524314.6402***夏季(6—8月)平均气温(℃)199736197.1382***最冷月(1月)平均气温(℃)197918372.4074* n1、n2分别为检测点前后气候要素序列的样本数。*、***分别表示通过α=0.05和α=0.001的显著性检验

2.2 日最低气温≤-20℃的日数

1961—2015年，新疆日最低气温≤-20℃的日数总体以-1.987d/(10年)的倾向率呈极显著(P=0.001)减少趋势(图3)， 55年来减少了10.9d。累积距平和t检验表明(表3)，近55年新疆日最低气温≤-20℃的日数于1985年发生了突变，突变后较突变前全疆平均日最低气温≤-20℃日数减少了7.4d。

2.3 夏季(6—8月)平均气温

1961—2015年，新疆6—8月平均气温总体以0.210℃/(10年)的倾向率呈极显著(P=0.001)升高趋势(图4)， 55年来升高了1.2℃。累积距平和t检验表明(表3)，近55年新疆6—8月平均气温于1997年发生了突变，突变后较突变前全疆平均6—8月平均气温升高了0.8℃。

图4 1961—2015年新疆夏季(6—8月)平均气温变化 图5 1961—2015年新疆1月平均气温变化

2.4 (1月)平均气温

1961—2015年，新疆1月平均气温总体以0.242℃/(10年)的倾向率呈显著(P=0.05)升高趋势(图5)， 55年来升高了1.3℃。累积距平和t检验表明(表3)，近55年新疆1月平均气温于1979年发生了突变，突变后较突变前全疆平均1月平均气温升高了1.3℃。

上述分析表明，近55年新疆年平均气温、夏季(6—8月)平均气温和最冷月(1月)平均气温显著升高，冬季日最低气温≤-20℃日数显著减少，并且上述各气候要素均发生了突变，但突变点各异，其中体现冬季寒冷程度的日最低气温≤-20℃日数和1月平均气温发生突变较早(分别为1985年1979年)，年平均气温和6—8月平均气温较晚(为1997年)，其原因主要是，新疆气候变暖具有明显的季节不均衡性，其中，冬季变暖速率和变暖幅度高于其他各季的缘故[11]。

3 各指标气候要素空间分布及其变化

为便于分析，也为了体现各指标气候要素的变化对苹果种植气候适宜性的综合影响，该文以发生突变最迟的年平均气温、6—8月平均气温的突变点1997年为时间节点，分析1997年前(1961—1996年)、后(1997—2015年)各要素空间分布的差异。

3.1 年平均气温

新疆年平均气温空间分布呈现南疆高，北疆低； 平原和盆地高，山区低的格局(图6)。按照对苹果种植适宜性划分的年平均气温的等级标准(表1)， 1997年前，年平均气温14.1～16.0℃的区域仅在吐鲁番盆地腹地有少量出现； 塔里木盆地自北向南海拔1 500～2 200m以下，吐哈盆地海拔1200m以下，准噶尔盆地西南缘局部以及伊犁河谷平原地带为8.1～14.0℃； 北疆沿天山大部、伊犁河谷丘陵地带以及塔里木盆地、吐哈盆地周边低山、丘陵地带6.1～8.0℃； 北疆北部，阿尔泰山、天山山区以及昆仑山中高山带年平均气温低于6.0℃(图6a)。1997年后较其之前，各等级年平均气温温度带的海拔上限均不同程度地抬升，北疆抬升了150～200m，南疆抬升100～150m，受其影响，吐鲁番盆地年平均气温14.1～16.0℃的区域略有扩大； 南、北疆8.1～14.0℃的区域也有所扩大，其中北疆扩大较为明显； 年平均气温6.1～8.0℃以及低于6.0℃的区域有所减小(图6b)。

3.2 日最低气温≤-20℃的日数

新疆日最低气温≤-20℃日数空间分布呈现南疆少，北疆多； 平原和盆地少，山区多的格局(图7)。按照对苹果种植不同适宜性划分的日最低气温≤-20℃日数的等级标准(表1)， 1997年前，南疆和东疆除山区外的绝大部分地区以及北疆伊犁河谷日最低气温≤-20℃日数少于20d； 日最低气温≤-20℃日数21—30d的区域较小，仅在塔里木盆地、吐哈盆地周边低山丘陵地带，伊犁河谷低山带，塔额盆地，北疆沿天山中东部等局部区域有少量分布； 北疆大部，阿尔泰山、天山和昆仑山区在30d以上(图7a)。

1997年后较其之前，南疆日最低气温≤-20℃日数的空间分布格局无明显变化，只是少于20d的区域略有增大，而21—30d以及30d以上的区域向高海拔方向略有抬升并压缩。北疆变化较大，具体表现为，日最低气温≤-20℃日数少于20d的区域略有增大， 21—30d的区域明显增大，而日最低气温≤-20℃日数30d以上的区域则明显减小(图7b)。

3.3 夏季(6—8月)平均气温

新疆夏季平均气温空间分布总体呈现平原和盆地高，山区低的格局(图8)。1997年前，夏季平均气温高于26.0℃的区域主要分布在吐哈盆地中部、塔里木盆地东北部罗布泊地区，北疆仅在克拉玛依以及淖毛湖、三塘湖山间盆地有零星出现； 塔里木盆地大部、北疆沿天山中西部山前低平原以及吐哈盆地周边洪积平原地带为24.1～26.0℃； 北疆大部、伊犁河谷、塔里木盆地和吐哈盆地周边丘陵地带为18.1～24.0℃； 阿尔泰山、天山以及昆仑山低山带15.1～18.0℃，中高山带低于15.0℃(图8a)。

1997年后较其之前，各级夏季平均气温带的海拔上限均不同程度地抬升，其中北疆抬升100～150m，南疆抬升60～100m，受其影响，吐哈盆地、塔里木盆地东北部夏季平均气温高于26.0℃的区域明显扩大，另在准噶尔盆地西南缘也有一定规模的出现； 24.1～26.0℃的区域在北疆有所扩大，而南疆变化不明显； 18.1～24.0℃、15.1～18.0℃和低于15.0℃的区域在南、北疆均向高海拔、高纬度方向略呈抬升、压缩之势(图8b)。

3.4 1月平均气温

新疆1月平均气温空间分布总体呈现南疆高，北疆低； 平原和盆地高，高山带低的特点(图9)。1997年前，南疆、东疆以及伊犁河谷大部1月平均气温高于-12.0℃，另外，北疆塔额盆地1月平均气温也在-12.0℃以上； 北疆大部，天山、昆仑山中低山带为-17.9～-12.0℃； 北疆东北部、阿尔泰山区以及天山、昆仑山高山带低于-18.0℃(图9a)。

1997年后较其之前，各等级1月平均气温的海拔上限均不同程度地抬升，北疆抬升了200～250m，南疆抬升150～200m，受其影响， 1月平均气温高于-12.0℃的区域有所扩大； -17.9～-12.0℃和低于-18.0℃的区域有所减小(图9b)。

4 苹果种植气候适宜性的变化及其分区评述

将根据表1～2以及式(1)～(3)计算获取的全疆102个气象站点1997年前、后年平均气温、日最低气温≤-20℃日数、6—8月平均气温、1月平均气温等影响苹果种植的4项指标因子的综合适宜性评判结果，在ArcGis10.0平台上进行栅格化叠加处理，获得了综合考虑各指标气候要素变化的1997年前、后新疆苹果种植气候适宜性区划(图10)。

4.1 适宜种植区

1997年前新疆苹果适宜种植区主要在南疆的阿克苏地区、和田地区大部，喀什地区东部，巴音郭楞蒙古自治州西部，克孜勒苏柯尔克孜自治州西南部以及北疆伊犁河谷海拔1 400m以下的河谷平原地带，另在南疆焉耆盆地和哈密盆地也有零星分布(图10a)，面积0.334 910亿hm2，占新疆总面积的20.1%。1997年后较其之前，南疆苹果适宜种植区除焉耆盆地有所扩大、克孜勒苏柯尔克孜自治州变化不大外，其余各地均明显减小，主要分布区域压缩到了阿克苏地区中西部、和田地区北部、喀什地区东北部的范围内。而同期北疆的苹果适宜种植区略有扩大，表现为，除伊犁河谷略有扩大外，另在塔额盆地、北疆沿天山低山丘陵等冬季逆温带也有少量出现(图10b)。受上述变化的共同影响， 1997年后苹果适宜种植区面积降至0.127 011亿hm2，较1997年前减小了0.207 899亿hm2，减小12.5个百分点(表4)。

图6 1961—1996年(a)和1997—2015年(b)新疆年平均气温空间分布

图7 1961—1996年(a)和1997—2015年(b)新疆日最低气温≤-20℃日数空间分布

图8 1961—1996年(a)和1997—2015年(b)新疆夏季平均气温空间分布

图9 1961—1996年(a)和1997—2015年(b)新疆1月平均气温空间分布

图10 1961—1996年(a)和1997—2015年(b)新疆苹果种植气候适宜性区划

苹果适宜种植区气候温和，绝大多数年份年平均气温在4.0～14.0℃、6—8月平均气温18.0～24.0℃、1月平均气温-12.0℃以上、6—8月平均气温18.0～24.0℃、日最低气温≤-20℃的日数在20天以下，综合气候条件的适宜比例在70%以上，不适宜比例低于10%，夏季高温天气少，冬季气温较高，苹果树遭受越冬冻害和高温热害的风险低，加之光照充足，气温日较差大，对苹果生长发育、产量形成以及果实品质的提高均有利，因此，是新疆苹果种植最理想的发展区域。

1997年后较其之前南疆苹果适宜种植区大幅压缩的气候成因主要是，原先夏季温度条件适宜的南疆南部地区，因气候变暖、温度升高，夏季温度超出了其适宜范围而变成了次适宜区； 北疆则受气候变暖之利，部分地区苹果越冬冻害的风险降低，由次适宜区变成了适宜区。

表4 1997年前后新疆苹果种植不同气候适宜区面积的变化

1961—1996年1997—2015年1997年前后变化量面积(万hm2)占比百分率(%)面积(万hm2)占比百分率(%)面积(万hm2)占比百分率(%)适宜种植区3 349.1020.1 1 270.117.6 -2 078.99-12.5 次适宜种植区5 566.6633.4 8 319.5550.0 2 752.8916.6 不适宜种植区7 733.2446.4 7 059.3542.4 -673.89-4.0 合计16 649.00100.0 16 649.01100.0 00.0

4.2 次适宜种植区

1997年前新疆苹果次适宜种植区主要在南疆的塔里木盆地周边山前倾斜平原及低山丘陵地带，东疆的吐哈盆地大部以及北疆准噶尔盆地周边低山丘陵和洪积平原地带(图10a)，面积5 566.66万hm2，占新疆总面积的33.4%(表4)。1997年后较其之前，苹果次适宜种植区在南、北疆均明显扩大(图10b)，其面积增至8 319.55万hm2，较1997年前增大了2 752.89万hm2、16.6个百分点。

次适宜种植区气候条件对苹果种植的适宜程度总体逊于适宜区，综合气候条件适宜比例为35%～70%、不适宜比例10%～35%。但各地影响苹果种植气候适宜性的因素不同，南疆主要是年平均气温和夏季平均气温高于适宜种植区，多数年份分别在14.1～16.0℃和24.1～26.0℃，气温偏高对苹果优质高产具有一定不利影响。北疆则是由于冬季气温低，次适宜种植区1月平均气温多在-12.1～-18.0℃，日最低气温≤-20℃的日数21～30d，苹果树直立越冬具有一定的冻害风险。

1997年后较其之前，新疆苹果种植气候次适宜区扩大的成因各地也有所不同。南疆主要是，第一，夏季气温升高，导致原先塔里木盆地南部的适宜区变成了次适宜区； 第二，气候变暖使次适宜区海拔上限抬升，面积扩大。北疆则是由于气候变暖，苹果越冬冻害的风险降低，部分地区由原先的不适宜区变成了次适宜区。

4.3 不适宜种植区

北疆准噶尔盆地大部以及阿尔泰山、天山和昆仑山中高山带冬季严寒， 1月平均气温多在-18.0℃以下，日最低气温≤-20℃的日数在30d以上，苹果树难以安全越冬，即使采取覆盖等冬季防冻措施，由于该区大部分区域年平均气温低于6.0℃、夏季(6—8月)平均气温低于15.0℃，也难以满足苹果生长发育和产量形成对热量条件的基本需求，综合气候条件的适宜比例低于35%，而不适宜比例高于35%。因此是苹果的不适宜种植区(图10)。1997年前其面积为7 733.24万hm2，占新疆总面积的46.4%， 1997年后降至7 059.35万hm2，缩小了673.89万hm2，缩小4.0个百分点(表4)。

1997年后较其之前新疆苹果不适宜种植区缩小的原因是，气候变暖使次适宜种植区向高海拔、高纬度方向抬升、扩大，不适宜种植区被压缩之故。

5 结论与讨论

(1)近55年，影响新疆苹果种植的主要气候要素年平均气温、6—8月平均气温和1月平均气温均显著升高，冬季日最低气温≤-20℃日数显著减少，并且上述各要素分别于1979年、1985年和1997年发生了突变。

(2)年平均气温、6—8月平均气温和1月平均气温的空间分布总体呈现南疆高，北疆低； 平原和盆地高，山区低的特点。日最低气温≤-20℃日数空间分布呈现南疆少，北疆多； 平原和盆地少，山区多的格局。

(3)受气候变暖的影响， 1997年后较其之前，新疆苹果适宜种植区明显减小； 次适宜种植区明显扩大，不适宜种植区有所减小。

(4)气候变暖对新疆苹果种植既有利也有弊，但总体弊大于利。有利的方面主要是，气候变暖使以前因热量条件不足或越冬冻害风险较大不宜种植苹果的北疆部分地区以及天山、昆仑山低海拔区域成为苹果的次适宜种植区，因而苹果可种植区(含适宜和次适宜种植区)增大，不宜种植区减小。不利的方面是，对热量资源本已十分丰富的吐哈盆地以及塔里木盆地部分地区而言，气候变暖使苹果果实主要生长期的夏季气温升高并超出其生长发育的适宜范围，导致适宜种植区缩小。因此，各地须根据当地气候特点及其变化情况，调整苹果发展规划和种植区域，并针对制约苹果种植的不利气候条件，采取趋利避害的技术措施，科学应对，促进苹果生产的持续稳定发展。

需要指出的是，苹果种植区域的确定不仅受以热量条件为主的气候因素的影响[20]，同时还与市场状况、种植技术、土壤和灌溉条件等因素密不可分[8-9]，因此，在该研究工作的基础上，统筹考虑自然、社会和经济因素的综合影响，制定更加符合实际的新疆苹果种植区划和发展规划，是今后有关新疆苹果种植业发展的主要研究工作之一。