基于聚类分析的胶东半岛苹果种植气候区划

王冰 伯玥 姜如茵

摘要：为优化胶东半岛苹果种植布局，为胶东半岛苹果种植区气候适宜性区划做好基础，以1959—2015年胶东半岛苹果种植区各气象观测站逐日气象观测数据为基础，以与苹果产量、品质形成密切相关的5月相对湿度、5月平均气温、7月相对湿度、7月平均气温、8月降水量、9月日照时数、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃积温等8个关键气候因子作为区划指标，采用系统聚类和两维图论聚类分析方法对该地苹果适宜种植区重新进行了区划。将胶东半岛苹果种植的生态条件划分为4区。根据划分的4个种植区，胶东半岛24个苹果种植区中的14地属于适宜种植区，7地属于一般适宜种植区。划分结果能够比较客观地反映各栽培区内的相似性和区间的差异性，与目前胶东半岛苹果种植的分布和生产现状比较一致。各地可在种植区划的基础上，结合生产管理方式和地方能力，综合考虑优化苹果种植布局。

关键词：苹果种植区;气候因子;聚类分析;氣候区划

中图分类号： S162.2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）07-0134-04

胶东半岛地形地貌以丘陵山地为主，热量充足，秋季长，光照充足，年平均气温在12 ℃左右，年平均降水量为790 mm左右，无霜期200 d以上，是我国苹果中、晚熟品种的最大商品生产区之一，其苹果种植面积和产量约占全国的1/10。该产区果业科研技术能力较强，果农技术水平较高，且交通便利，铁路、航运线路较发达，出口条件优越。但是，在拥有优质位势资源的同时，包括冬春夏干旱、花期冻害、冰雹、秋季连阴雨等气象要素的变化、气象灾害的发生都对当地苹果等果品产量和品质有着不同程度的影响。如2015—2017年上半年的连续干旱和2017年夏季的强降水，在胶东半岛出现旱涝急转，严重影响了苹果的产量和品质。加强对胶东半岛苹果种植气候区划的研究，对加强苹果种植业对气候变化导致的气象灾害的防御能力，更好地为种植业生产服务有着极为重要的指导意义。目前关于苹果的气候区划研究较多，张磊等利用宁夏23个地面气象台站30年（1981—2010年）的气象观测资料，制定了宁夏晚熟高酸苹果的气候区划指标及区划原则[1]。李倩等利用辽宁52个气象站点1981—2010年气候资料和台站地理信息，采用GIS技术对辽宁省红富士苹果开展了气候区划[2]。何可杰等利用GIS技术，在实现区划指标空间化基础上，完成了陕西省宝鸡市苹果气候适宜性区划[3]。这些研究主要集中在黄土高原苹果种植区和环渤海种植区北部的辽宁省，目前关于山东省苹果种植的气候区划研究较少，特别是环渤海种植区胶东半岛地区的气候区划更是鲜见报道。本研究采用不同聚类分析方法，对胶东半岛影响苹果品质的8个关键气候因子进行分析，并结合各地生产管理能力，对胶东半岛苹果种植区开展气候区划。研究结果可为生产管理部门合理化规划苹果产业提供参考，对提高当地苹果产量品质也有较强的意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

根据胶东半岛苹果主栽品种，结合前人研究成果，选取影响果实大小、硬度、果形指数、可溶性固形物、糖度、糖酸比的5月相对湿度、5月平均气温、7月相对湿度、7月平均气温、8月降水量、9月日照时数、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃积温等8个关键气候因子[4-12]，然后选取胶东半岛24个区、市的气象观测站（图1）1959—2013年近55年的8个气候因子的数据集。其中，部分气象观测台站建站时间较短，将其建站前的数据使用克里金插值法[13-14]处理得出。

1.2 研究方法

本研究采用DPS 17.05数据处理系统对数据进行处理分析。

聚类分析是将物理或抽象对象的集合划分为由类似的对象组成的多个类别的分析过程。其目标就是在相似的基础上收集数据来分类。其方法较多，本研究选用系统聚类和两维图论聚类法进行分析。

系统聚类事先不用知道分类对象的分类结构，而只需要一批地理数据;然后选好分类统计量，并按一定的方法步骤进行计算;最后可以自然、客观地得到完整的分类系统[15]。其步骤如下：首先根据样本找出能度量这些数据相似程度的统计量;然后以统计量作为划分类型的依据，把一些相似程度大的变量先聚合为一类，把相似程度小的变量聚合为另一类，直到所有的变量聚合完毕，最后根据各类之间的远近关系，逐步画成1张完整的分类系统图，又称谱系图。其相似程度由距离或者相似系数定义，类别合并的准则是使得类间差异最大，而类内差异最小。两维图论聚类分析则主要考虑样本的空间连接性和内部相似性，分区时采用加权连通图表示[16-17]。使用聚类分析时，须要对样本距离进行无量纲化处理，研究样本间亲疏程度的指标有相似系数和距离。常用距离和变换方法包括：闵科夫斯基距离（根据参数不同又分为曼哈顿距离、欧氏距离和契比雪夫距离）、兰氏距离、马氏距离、斜交空间距离[18-19]以及中心化变换、标准化变换、对数变换等[20-22]。

2 结果与分析

2.1 胶东半岛苹果种植区气候区划指标

选取5月相对湿度、5月平均气温、7月相对湿度、7月平均气温、8月降水量、9月日照时数、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃积温等影响果实大小、硬度、果形指数、可溶性固形物、糖度、糖酸比的8个关键气候因子作为胶东半岛苹果种植气候区划指标，并进行分级（表1）。

2.2 气候区划结果

使用DPS数据处理系统对胶东半岛24个区、市近55年的8个气候因子进行聚类分析，方法包括系统聚类和两维图论聚类分析。

2.2.1 系统聚类 系统聚类的数据转换方式使用中心化转换，聚类距离使用欧氏距离，聚类方法使用最短距离法（a）、重心法（b）、可变类平均法（c）和中间距离法（d）进行分析，结果见表2、图2。

结合图2系统聚类对比来看，c和d的样本次序一致性较好，均将24个样本分成了4类，第1个类包括7个样本（9，14，15，18，19，20，23）;第2类包括7个样本（1，8，10，12，16，17，21）;第3类包括7个样本（3，4，7，11，13，22）;第4类包括3个样本（2，5，6）。即墨、烟台、福山、蓬莱、招远、栖霞和莱州7地为第1类，威海、崂山、胶州、平度、莱阳、龙口和牟平7地为第2类，文登、乳山、青岛、胶南、莱西、海阳和开发区7地为第3类，荣成、石岛和成山头3地为第4类。

2.2.2 两维图论聚类 将24个气象观测站的经纬度和相关气象因子运用软件进行处理。将2种聚类结果对比发现，两维图论聚类结果与系统聚类的分类结果能较好地相吻合，系统聚类中的分类见图3。

2.2.3 分区结果 对影响胶东半岛苹果产量、质量的8个气象因子进行聚类分析，结合指标特征和气候特点，将胶东半岛苹果种植区划分为最适宜、较适宜、一般适宜和不适宜4个区。

2.2.3.1 最适宜栽培区 该区主要分布在胶东半岛中部，包括中部的栖霞、招远、莱州，以及偏北的福山、蓬莱和偏南的即墨7地。5月平均相对湿度为56%～61%，7月平均相对湿度为77%～80%，5月平均气温为17.5～18.4 ℃，7月平均气温为24.7～25.7 ℃，8月降水量为141～198 mm，9月日照时数为218～249 h，9—10月降水量为89～112 mm，4—8月 ≥10 ℃ 活动积温为2 973～3 260 ℃。该区丘陵山地较多，牙山、艾山、罗山等地海拔较高，形成的局地小气候，昼夜温差大，有利于净光合效率的提高、糖分的积累、果实上色和品质的提高;降水分布适中，既保证了树体营养积累充分，又保证了采摘后的存儲、运输，是胶东半岛最大的苹果生产区。

2.2.3.2 较适宜栽培区 该区主要分布在胶东半岛东南至东北沿线，包括威海、崂山、胶州、平度、莱阳、龙口和牟平7地。5月平均相对湿度为61%～67%，7月平均相对湿度为79%～84%，5月平均气温为17.3～18.1 ℃，7月平均气温为24.3～25.7 ℃，8月降水量为133～189 mm，9月日照时数为211～230 h，9—10月降水量为89～128 mm，4—8月≥10 ℃活动积温为2 914～3 112 ℃。该区气候条件整体接近于最适宜栽培区，但湿度较大，易于孳生病虫害，日照时间略短，不利于果实上色，采摘期降水偏多，不利于储存和运输。

2.2.3.3 一般适宜栽培区 该区包括文登、乳山、青岛、胶南、莱西、海阳和开发区7地。5月平均相对湿度为64%～73%，7月平均相对湿度为82%～88%，5月平均气温为 16.3～17.9 ℃， 7月平均气温为23.9～25.3 ℃， 8月降水量为131～216 mm，9月日照时数为210～245 h，9—10月降水量为83～132 mm，4—8月≥10 ℃活动积温为2 833～3 025 ℃。该区湿度较大，积温较少，树体病害逐渐加重，果实品质下降。

2.2.3.4 不适宜栽培区 该区主要分布在威海东部的荣成、成山头、石岛3地，地理位置接近。5月平均相对湿度位 70%～77%，7月平均相对湿度为88%～94%，5月平均气温为13.7～16.2 ℃，7月平均气温为21.4～24 ℃，8月降水量为 158～204 mm，9月日照时数为228～235 h，9—10月降水量为 122～142 mm，4—8月≥10 ℃活动积温为2 417～2 798 ℃。该区水资源都比较丰富，但阴雨时间多，光照相对不足，果实着色相对较差。而且采摘期降水明显偏多，生长期积温明显偏少，不利于优质果的形成。

3 讨论与结论

本研究选择与苹果产量、品质形成密切相关的5月相对湿度、5月平均气温、7月相对湿度、7月平均气温、8月降水量、9月日照时数、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃积温等8个关键气候因子作为区划指标，结合苹果生长发育指标，利用聚类分析方法，将胶东半岛苹果种植的生态条件划分为4个区。划分结果能够比较客观地反映各栽培区内的相似性和区间的差异性，与目前胶东半岛苹果种植的分布和生产现状比较一致。

即墨、烟台、福山、蓬莱、招远、栖霞和莱州7地为苹果最适宜栽培区，威海、崂山、胶州、平度、莱阳、龙口和牟平7地为苹果较适宜栽培区，文登、乳山、青岛、胶南、莱西、海阳和开发区7地为苹果一般适宜栽培区，荣成、石岛和成山头3地为苹果不适宜栽培区。本研究从气候适宜性方面来分析划分苹果种植区划，实际上各地苹果种植还要考虑当地土壤、地形、栽培条件和管理水平及地方政府的推广力度、交通便利条件等综合因素，因地制宜开展栽培。

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