河北省苹果水分适宜性分析

贾桂梅， 李春强， 刘宏举， 高 霞

(1.保定市气象局，河北 保定 071000； 2.河北省气象科学研究所，石家庄 050000； 3.唐山市气象局，河北 唐山 063000)

引 言

河北省是苹果生产大省，面积和产量均居全国前列[1]，苹果产业已成为河北省农业支柱产业之一。据河北省林业厅统计，2017年河北省苹果种植面积为24.5×104hm2，产量达371×104t。苹果为暖温带经济作物，农业气象条件直接影响苹果的产量和品质[2]，其中水分条件是决定苹果能否生长的重要因素。干旱是影响河北省苹果生产的主要农业气象灾害之一。近年来干旱呈现增多加重的趋势[3-4]。根据对河北省果园调查统计，苹果每年平均灌溉3～5次。河北省面临着水资源缺乏、地下水严重超采的严峻现实。根据河北省水利厅2018年发布的《2017年河北省水资源公报》，2017年河北省地表水和地下水资源总量为138.34亿m3，全省总用水量为181.56亿m3，水资源缺口为43.22亿m3。总用水量中，农业灌溉用水量和林牧渔畜用水量占总用水量的69.4%。因此，合理节约农业用水是保证河北省水安全的重要措施。本研究利用多年气象资料、苹果物候观测资料和相关试验资料，研究河北省苹果生长季的水分适宜性，为苹果产区种植规划、调整，因时因地科学灌溉，实现节约用水具有重要意义。

针对作物需水量和水分适宜性国内相关学者进行了大量研究。姚小英[5-7]等针对西北旱作区苹果水分适宜性和变化特征进行了研究，提出了水分适宜度模型。贾桂梅等[8]对河北省中南部太行山东麓地区苹果生长的需水特征和水分适宜性进行了研究。针对作物需水量的计算方法和适用性，相关学者[9-10]进行了对比和分析。马凤莲等[11]分析了冀北地区近50年来马铃薯的需水量和水分盈亏时空变化特征。相关专家[12-21]针对北方地区主要粮食作物和经济作物进行了气候适宜性和需水特征定量分析。成林等[22]通过研究发现，冬小麦株成穗数的变化率与气温和水分适宜度的相关性较好，千粒重距平与土壤水分适宜度相关性显著。但针对河北省苹果产区各生长时期水分适宜性时空分布特点的研究较少。因此，本文以河北地区苹果产区为研究区域，利用水分适宜度指数对苹果各生长时期水分适宜性时空分布特点进行研究，为苹果生产防旱减灾、科学灌溉、合理节约用水提供重要依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文所用气象数据为河北省142个国家气象站1981-2019年逐日气象数据，包括降水、日照时数、平均温度、最高温度、最低温度、平均风速、水汽压等，均来源于河北省气象局。数据主要用于计算各气象站的日参考作物蒸散量。

苹果物候观测数据来源于2000-2019年河北省苹果各产区代表果园的物候观测记录，用于确定苹果各生长阶段平均物候期。根据苹果各生长阶段对水分的需求程度，将年度生长期(萌芽-落叶期)分为初始生长期(萌芽-开花期)、幼果期、果实膨大期、果实着色期和生长后期(果实成熟-落叶期)。根据河北省不同地区生态气候特点和苹果种植分布特点，将河北省苹果产区划分为冀北(张家口、承德、保定西北部)、冀东(唐山、秦皇岛)、冀中(保定大部、廊坊、石家庄、沧州、衡水)、冀南(邢台、邯郸)四个地区。表1为各地区苹果平均物候期。

表1 2000-2019年河北省各地区苹果平均物候期 (日/月)

1.2 研究方法

综合作者前期研究和前人研究成果，定义作物水分适宜度为作物生育期内累计降水量满足其生理需水量的程度，可用下式表达：

(1)

式中，Uj为第j个生育期作物水分适宜度，Rj为相应时段累计降水量，Wj为相应时段作物生理需水量，单位均为mm。水分适宜度指标参照以往研究[4-6,14]和河北农业大学顺平水果试验站多年的试验结果：当Uj≥2.0时，降水超过果树生理需水，过湿；2.0>Uj≥1.0时，降水多于果树生理需水，极适宜；1.0>Uj≥0.7时，降水满足果树生理需水，适宜；0.7>Uj≥0.5时，基本适宜; 0.5>Uj≥0.4 时，不适宜;Uj<0.4时，极不适宜。

苹果在第j个生长期的生理需水量Wj按下式计算：

(2)

式中，n为苹果第j个生育期时段所包含的日数，i为日序数；Kc为作物系数;ET0i为第j个生育期第i天的参考作物蒸散量。结合FAO(联合国粮农组织)推荐的标准作物系数(Kc)，参照表2，ET0i按Penman-Monteith公式计算：

表2 河北省苹果不同生长期作物系数

(3)

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm·d-1),Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率(kPa·℃-1),Rn为太阳净辐射(MJ·m-2),G为土壤热通量(MJ·m-2)，γ为湿度计常数(kPa·℃-1)，T为日平均气温(℃)，ea为饱和水汽压(kPa)，ed为实际水汽压(kPa)，u2为2 m高处的风速(m·s-1)。

2 结果与分析

2.1 苹果生长期降水量时空分布

2.1.1 苹果生长期降水量空间分布特征

作物生长所需的水分主要通过大气降水补给，降水量的空间分布制约了作物的空间分布[23-26]。本文计算了1981-2019年河北省近39年苹果各生长时期的降水量，明确了苹果各生长时期降水量的空间分布特征，结果如图1所示。初始生长期(萌芽—开花期)降水量为20～36 mm，平均为25 mm，东北部的承德、唐山、秦皇岛降水量多，西北部、中南部大部地区降水量少；幼果期，降水量为29～64 mm，平均为40 mm，东北部的承德、秦皇岛降水量多，中部地区降水量少；果实膨大期，降水量为207～471 mm，平均为333 mm，东部和中部地区降水量多，西北部地区降水量少；果实着色期，降水量为35～81 mm，平均为52 mm，整体呈由西北向东南减少的趋势；生长后期(果实成熟-落叶期)，降水量为15～53 mm，平均为36 mm，整体呈由西北向东南增加的趋势。从苹果年度全生长期(萌芽-落叶期)来看，降水量为326～671 mm，平均为486 mm，东部地区和中部地区降水量多，西北部地区降水量少。对比苹果各个生长时期的降水量，果实膨大期降水量最多，其余从多到少依次为果实着色期、幼果期、生长后期的降水量，初始生长期降水量最少。

图1 1981-2019年河北省苹果各生长期平均降水量的空间分布

2.1.2 苹果生长期降水量时间分布特征

图2为1981-2019年河北省苹果各生长期降水量年际变化。1981 年以来，河北省苹果年度全生长期降水量年均为293～649 mm，最多的年份是 1995年，最少的年份是1997年。初始生长期，降水量年均为3～65 mm，最高的年份是2018年，最低的年份是1988年；幼果期，降水量年均为8～76 mm，最高的年份是1998年，最低的年份是2001年；果实膨大期，降水量年均为171～518 mm，最高的年份是1996年，最低的年份是1997年；果实着色期，降水量年均为12～91 mm，最高的年份是1985年，最低的年份是1998年；生长后期，降水量年均为10～133 mm，最高的年份是2003年，最低的年份是1988年。

图2 1981-2019年河北省苹果各生长期降水量年际变化

从河北省苹果各生长期降水量统计变量(表3)来看，幼果期和果实膨大期呈现微弱的下降趋势，幼果期的倾向率为-0.1852 a-1、果实膨大期的倾向率为-0.6876 a-1，果实膨大期降水量下降幅度大于幼果期的；初始生长期、果实着色期、生长后期降水量呈现微弱上升趋势，倾向率分别为0.3319 a-1、0.0004 a-1、0.2965 a-1，初始生长期降水量升幅最大；年度全生长期降水量呈现微弱的下降趋势，倾向率为-0.2639 a-1。变异系数可以反映出各生长时期降水量的年际波动情况，从表3可知：变异系数最大的为生长后期，其次是初始生长期的变异系数，而后依次为幼果期、果实着色期、果实膨大期的变异系数，说明生长后期降水量在年际间变化最不稳定，波动最大，相反果实膨大期降水量波动最小。

表3 1981-2019年河北省苹果各生长期降水量统计变量

2.2 苹果生长期水分适宜度时空分布及其与降水量的关系

2.2.1 苹果生长期水分适宜度空间分布特征

本文计算了各气象站点苹果各生长期对应的降水量和作物需水量，进而明确了苹果各生长期水分适宜度空间分布特征，结果如图3所示。初始生长期(萌芽—开花期)，苹果水分适宜度为0.29～0.71，平均为0.45，全省142个站点只有1个站点水分适宜，出现在承德市的兴隆县；28个站点为基本适宜，主要分布在东北部的承德、秦皇岛、唐山和保定的浅山区；其他大部地区为不适宜或极不适宜。幼果期，水分适宜度为0.24～0.64，平均为0.35，全省无水分适宜地区， 8个站点为基本适宜，主要分布在东北部承德地区，其他地区为不适宜或极不适宜。果实膨大期，水分适宜度为0.68～1.94，平均为1.04，承德、秦皇岛、唐山、廊坊、沧州、保定大部、石家庄、邯郸西部共62个站点为极适宜，其他地区为适宜。果实着色期，水分适宜度为0.50～1.29，平均为0.77，10个站点为极适宜，95个站点为适宜，37个站点为基本适宜。生长后期(果实成熟—落叶期)，水分适宜度为0.43～1.21，平均为0.81，3个站点为极适宜，124个站点为适宜，12个站点为基本适宜，3个站点为不适宜。从苹果年度生长期(萌芽—落叶期)来看，水分适宜度为0.54～1.39，平均为0.79，11个站点为极适宜(占总站点的8%)，105个站点为适宜(占总站点的74%)，26个站点为基本适宜(占总站点的18%)。对比苹果各个生长时期的水分适宜度，果实膨大期的水分适宜度优于生长后期的，生长后期的优于果实着色期的，果实着色期的优于初始生长期的，幼果期水分适宜度最差。

图3 1981-2019年河北省苹果各生长期平均水分适宜度空间分布

从水分适宜度地域分布(图4)来看，苹果年度全生长期(萌芽—落叶期)1981-2019年平均水分适宜度东部地区高于北部、中部地区的，南部地区的最低，水分适宜度分别为1.01、0.77、0.77、0.73，各地区均高于0.70，水分总体适宜。东部地区各生长时期水分适宜度为0.39～1.44，最高为果实膨大期，其余从高到低依次为果实着色期、生长后期、初始生长期、幼果期的水分适宜度。中部地区各生长时期水分适宜度为0.30～1.03，最高为果实膨大期，其余从高到低依次为生长后期、果实着色期、初始生长期、幼果期的水分适宜度。北部地区各生长时期水分适宜度为0.41～1.01，最高为果实膨大期，其余从高到低依次为果实着色期、生长后期、初始生长期、幼果期的水分适宜度。南部地区各生长时期水分适宜度为0.39～0.88，最高为果实膨大期，其余依次为生长后期、果实着色期、初始生长期、幼果期的水分适宜度。各地区果实膨大期水分适宜度最高，幼果期水分适宜度最低。初始生长期、幼果期水分适宜度均低于0.70，其中幼果期各地区水分适宜度均低于0.50，初始生长期除东部地区外的其他三个地区水分适宜度均低于0.50，降水不能满足果树生长的生理需水，水分适宜性差。东部地区在苹果各个生长时期水分适宜度总体高于其他地区的，表现出较好的水分适宜性。

图4 1981-2019年河北省各地区苹果各生长期年平均水分适宜度

2.2.2 苹果生长期水分适宜度时间分布特征

图5为1981-2019年河北省苹果各生长期水分适宜度年际变化。1981年以来，河北省苹果年度全生长期水分适宜度年均为0.45～1.11，最高的年份是 1995年，最低的年份是1997年。39个年份中，有4年水分适宜度大于1，水分极适宜，有23个年份为适宜、11个年份为基本适宜、1个年份为不适宜，水分适宜级别以上的年份占总年份的69%。初始生长期，水分适宜度年均为0.05～1.11，最高的年份是2018年，最低的年份是1988年，有1年水分极适宜、9个年份为适宜、4个年份为基本适宜、5个年份为不适宜、20个年份为极不适宜，水分适宜级别以上的年份占总年份的26%。幼果期，水分适宜度年均为0.06～0.78，最高的年份是1998年，最低的年份是2001年，有1年水分适宜、6个年份为基本适宜、6个年份为不适宜、26个年份为极不适宜，水分适宜级别以上的年份占总年份的3%。果实膨大期，水分适宜度年均为0.48～1.81，最高的年份是1996年，最低的年份是1997年，有18个年份水分极适宜、17个年份为适宜、3个年份为基本适宜、1个年份为不适宜，水分适宜级别以上的年份占总年份的90%。果实着色期，水分适宜度年均为0.15～1.71，最高的年份是1985年，最低的年份是1998年，有11个年份水分极适宜、13个年份为适宜、4个年份为基本适宜、5个年份为不适宜、6个年份为极不适宜，水分适宜级别以上的年份占总年份的62%。生长后期，水分适宜度年均为0.19～3.02，最高的年份是2003年，最低的年份是1988年，有1年水分适宜度大于2，过湿，有8个年份为极适宜、9个年份为适宜、8个年份为基本适宜、6个年份为不适宜、7个年份为极不适宜，水分适宜级别以上的年份占总年份的46%。

图5 1981-2019年河北省苹果各生长期水分适宜度年际变化

从河北省苹果各生长期水分适宜度统计变量(表4)来看，幼果期和果实膨大期呈现微弱的下降趋势，幼果期的倾向率为-0.0015 a-1、果实膨大期的倾向率为-0.0014 a-1，幼果期的水分适宜度下降速率快于果实膨大期的。初始生长期、果实着色期、生长后期水分适宜度呈现微弱上升趋势，倾向率分别为0.0064 a-1、0.0023 a-1、0.0098 a-1，生长后期水分适宜度上升最快。年度全生长期水分适宜度呈现微弱的上升趋势，倾向率为0.0004 a-1。变异系数可以反映出各生长时期水分适宜度的年际波动情况，从表4可知，生长后期的变异系数最大，其次是初始生长期的变异系数，而后依次为果实着色期、幼果期、果实膨大期的变异系数，说明生长后期水分适宜度在年际间变化最不稳定，波动最大，相反果实膨大期水分适宜度波动最小。

表4 1981-2019年河北省苹果各生长期水分适宜度统计变量

从苹果各生长时期水分适宜度的年代际变化(图 6)来看，幼果期、果实膨大期水分适宜度最高的年代均是1990 s，初始生长期、果实着色期水分适宜度最高的年代均是2010 s，生长后期水分适宜度最高的年代为2000 s，年度全生长期水分适宜度最高的年代为1990 s。各个生长时期并没有呈现出一致的年代际变化趋势，但总体上除果实着色期外，1990 s较1980 s的水分适宜度高，初始生长期、果实膨大期、果实着色期2010 s较2000 s的水分适宜度高。果实着色期自20世纪90年代以来，水分适宜度以0.10/10a的速率呈现线性增长(R2=0.8921)，而生长后期自1980 s至2000 s以0.20/10a的速率呈现线性增长(R2=0.9767)，只有幼果期自20世纪90年代以来，水分适宜度以0.05/10a的速率呈现线性下降(R2=0.8488)。

图6 1981-2019年河北省苹果各生长期水分适宜度年代际变化

2.2.3 苹果生长期水分适宜度与降水量时空分布关系

为明确苹果各生长期水分适宜度与降水量在空间分布和时间变化上的关系，将河北省142个气象站点近39年(1981-2019年)苹果各生长期的水分适宜度和降水量进行相关性分析。表5为河北省苹果各生长期在空间尺度和时间尺度上水分适宜度与降水量的相关系数。空间分布上，将每个气象站点1981-2019年的水分适宜度和降水量进行时间平均统计，分析142个站点对应的水分适宜度和降水量的相关性，可以得出，只有生长后期水分适宜度与降水量呈现显著的正相关，相关系数为0.182，其他各生长期水分适宜度与降水量相关性不显著。结合水分适宜度定义可以得到，苹果在初始生长期、幼果期、果实膨大期、果实着色期，果树生理需水量在不同地域的差异对苹果水分适宜度影响明显，因此降水量不是影响苹果水分适宜度变化的显著因子。年际变化上，将1981-2019年期间每年河北省142个站点的水分适宜度和降水量进行空间平均统计，并进行年水分适宜度和降水量的相关性分析，可以得出，各生长期水分适宜度与降水量在年际变化上均呈现显著性正相关，且均通过0.01的显著水平检验。由此说明，水分适宜度与降水量在年际变化上呈现相同的变化趋势(图7)，即各生长期内降水量多的年份则水分适宜度高，降水少的年份则水分适宜度低。

表5 1981-2019年河北省苹果各生长期水分适宜度和降水量时空尺度相关系数

图7 1981-2019年河北省苹果各生长时期水分适宜度和降水量年际变化

3 结论与讨论

河北省苹果各生长期水分适宜度时空分布特征表现为：空间分布上，全省年度全生长期(萌芽—落叶期)平均水分适宜度为0.79(适宜)，东部地区水分适宜度高于北部、中部地区的，南部地区的最低。苹果各生长期水分适宜度从高到低依次为果实膨大期、生长后期、果实着色期、初始生长期、幼果期的，初始生长期水分适宜度低于适宜级别，幼果期水分适宜度低于基本适宜级别。时间变化上，河北省1981-2019年苹果年度全生长期水分适宜级别以上的年份占总年份的69%，初始生长期的为26%，幼果期的为3%，果实膨大期的为90%，果实着色期的为62%，生长后期的为46%；幼果期和果实膨大期水分适宜度呈现微弱的下降趋势，初始生长期、果实着色期、生长后期水分适宜度呈现微弱上升趋势。苹果各生长期水分适宜度与降水量在年际变化上呈现相同的变化趋势。

苹果初始生长期、幼果期水分适宜性较差，降水不能满足苹果此时的需水要求，这将直接影响苹果的花期、花量、坐果率和幼果期果实细胞分裂，是制约河北苹果产量和质量的关键因素。结合河北省各地区物候期资料(表 1)，冀北地区苹果适宜补灌时期为4月中旬-6月上旬，冀东地区的为4月上旬-6月初，冀中地区的为4月上旬-5月下旬，冀南地区的为3月下旬-5月下旬。灌溉时间选择需综合考虑当地的天气情况和降水情况，避免影响苹果开花和授粉。

根据河北省苹果水分适宜度时空分布特点，果实膨大期、果实着色期水分适宜性较好，可适当减少或不进行补灌，结合当前果园果实着色期经验补灌的现状，可减少果实着色期灌溉1次。生长后期多年平均水分适宜度为适宜，但年际变化差异大，需结合当地当年降水情况综合考虑，同时生长后期补灌利于果树安全越冬，降低冬季干旱和冻害的风险。

苹果各生长期水分适宜度与降水量在年际变化上呈现相同的变化趋势，但在空间分布上只有生长后期呈现显著的正相关，其他各生长期水分适宜度与降水量相关性不显著，体现了果树生理需水量在不同地域的差异对苹果水分适宜度影响明显，热量条件和水分条件相互交叉影响使苹果水分适宜性在空间分布上存在不确定性。因此，根据苹果各生长期降水量、生理需水量、未来天气预测，进一步建立水分适宜度预报模型，对提高苹果灌溉的科学性和有效性是十分必要的。