ENSO事件对山东苹果生产的影响Ⅰ: 不同年型下苹果气候资源及产量的变化研究*

崔 成, 刘 园, 刘布春, 孙彦坤, 杨 凡,3, 张晓男, 邱美娟

(1.东北农业大学资源与环境学院 哈尔滨 150036; 2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室/农业部农业环境重点实验室 北京 100081; 3.新疆农业大学食品科学与药学学院 乌鲁木齐 830000;4.天津农学院农学与资源环境学院 天津 300392)

厄尔尼诺-南方涛动(简称“ENSO”), 是全球尺度下赤道太平洋海洋-大气相互耦合作用产生的气候异常现象; 也是截至目前, 人类所观测到最大、最强的全球气候变率信号。当ENSO事件发生时, 赤道附近海温、大气环流均发生改变, 影响全球气候变化。根据海温或大气的异常变化, 将ENSO事件分为厄尔尼诺年(El Niño或暖事件)、中性年(Neutral)和拉尼娜年(La Niña或冷事件) 3种。ENSO事件通过大气环流“遥相关”的方式, 影响东亚季风环流, 甚至是中国东部沿海地区的降水和温度。山东位于中国沿海地区, 属东亚季风区, 是受气候变化影响较敏感地区之一。ENSO事件对山东气候的影响较为直接, 常引发气象灾害发生。国内许多专家研究发现, 厄尔尼诺年主要影响山东夏、冬季气温和夏、秋季降水。ENSO事件强度与山东降水量负相关显著, 区域特点明显。初军玲等分析了1961-2010年文登区降水和温度的关系, 厄尔尼诺年型下该地区降水少增温明显, 拉尼娜年型降水增多, 温度增幅不显著。大尺度ENSO事件对山东不同季节的气温和降水异常存在明显的空间差异。

山东也是中国苹果(Mill)优势产区之一, 区域气候是产区苹果产量、品质最重要的环境条件。前人的研究多集中在气候要素对山东苹果生产的影响, 如杨建莹等构建了中国北方苹果的干旱指标, 探明了苹果不同生育期发生干旱的频次及危险性。孙振生综合分析了山东烟台苹果生长的气候条件, 并给出了气象灾害防御的措施建议。王冰等分析了2016年烟台苹果不同生育期的气象条件变化及主要气象灾害对苹果生产的影响。崔修来等对山东营口苹果物候期进行了苹果农业气候及灾害风险区划。郭春香等针对山东寿光苹果的霜冻危害, 明确了其发生机理并提出相应的防御对策和补救措施。

中国作为全球最大的苹果生产国和出口国, 苹果产业的健康发展对果农增收和全面推进乡村振兴具有重要的现实意义。近年来, 随着气象和苹果生产数据的不断积累, 极端天气气候事件频发、重发背景下, 深入分析山东苹果气候资源及农业气象灾害的变化对苹果生产的影响显得尤为重要; 同时, 探讨大尺度环流气候事件对苹果影响的研究相对较少。鉴于此, 本文选定我国苹果优势产区的山东苹果为研究对象, 重点分析1991—2019年不同ENSO年型下苹果农业气候资源的时空演变规律, 评估不同ENSO年型对苹果产量的可能影响, 为防范当地农业气象灾害、保障苹果产业可持续发展提供理论参考,为防范大环流气候变化下林果灾害具有重要实践指导意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

山东位于中国华北平原的沿海地区(图1), 属温带季风性气候, 热量资源丰富, 雨热同期, 且降水多集中在夏季, 无霜期较长。此外, 山东是中国重要的农业大省之一, 以粮、棉、苹果、大棚蔬菜等农产品种植为特色。

图1 研究区域及气象站点分布图Fig. 1 Location of the study area and distribution of the meteorological stations

1.2 研究数据

本文选取山东省18个国家基准气象站的1991-2019年逐日气象数据, 包括最高气温、平均气温、最低气温、降水量、日照时数等, 数据来自中国气象局(http://www.cma.gov.cn), 具体站点分布如图1所示。同时, 收集并整理了1991—2019年山东省17个地市的苹果种植面积、产量等统计数据,数据来自山东省及各市统计年鉴。

一般情况下, 用海温的异常标准差或大气气压标准差描述一次ENSO事件的发生发展程度。因本文重点探讨不同ENSO年型对山东气候资源和苹果生产的影响, 因此选取全球有且唯一的南方涛动指数(SOI)开展研究。当SOI指数连续6个月≤-0.5,则定义为一次厄尔尼诺年; 反之, 当SOI指数连续6个月≥0.5, 则定义为一次拉尼娜年; 其余年份则定义为中性年。本文收集了1991-2019年逐月SOI指数, 数据来自于澳大利亚气象局(http://www.bom.gov.au)。具体ENSO事件分类如表1所示。

表1 1991—2019年厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件不同年型的统计[16-17]Table 1 Classification of different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events from 1991 to 2019

1.3 研究方法

苹果生长发育的适宜气候条件为: 起始生长温度为8～14 ℃, 需≥10 ℃活动积温为3000～4800 ℃·d,夏季平均气温约20～26 ℃、日温差为8～12 ℃; 年光照1700～2200 h, 适宜降水量为400～800 mm。根据山东所处地理位置, 经对比分析, 山东气候条件基本满足苹果的正常生长发育, 如管理措施恰当, 果实品质会进一步提升。因此, 本文根据山东苹果常年生长情况, 定义3月1日-10月31日为山东苹果可生长期。

气候倾向率是指某一时段内变量的变化趋势。一般采用线性方程表示, 即:

式中:是气象要素的拟合值;为时间序列;为截距;为 斜率, 即趋势变化率, 一般认为10为该要素的气候倾向率, 表示气象要素每10 a变化幅度。

气候要素变化的显著性需通过统计检验, 具体公式如下:

式中:为相关系数,为气象要素的平均值,为相应年份对应数值的平均值,为总年数,x表示第年气象要素观测值,y表示第年的年份。根据相关系数检验表, 当样本数为29, 自由度为27, 通过＜0.05显著性检验的临界值为0.367, 即||≥0.367时, 气象要素变化显著。

为了研究气象因子与苹果单产之间的关系, 需剔除历史时期生产力发展水平下的趋势产量及误差产量。具体公式如下:

式中:为实际产量,Y为趋势产量,为气象产量,为随机产量。本文根据研究时段的数据, 选取5 a滑动平均法计算山东苹果单产的趋势产量。

某指标的空间区域重心, 常通过区域内各子区域的某种属性和地理坐标来表达。和为研究区域某指标的重心坐标, (X, Y)表示第个子区的几何重心坐标值,P为该子区某指标的数量值(如产量),(,)就是该区域的某指标的的几何重心, 公式为:

某指标重心在区域的年际移动距离计算公式为:

式中:D表示从第年到第年重心移动的距离;(X, Y)与(X, Y)分别表示第年和第年的某指标重心位置经纬度; 系数取常数111.11, 表示球体坐标转化为平面坐标系数。

本文主要利用Excel和SPSS等统计软件进行统计计算和分析, 并用ArcGIS 10.8进行空间表达。

2 结果与分析

2.1 山东苹果生产概况

1991—2019年, 山东苹果种植面积、总产量及单产的空间分布和时间趋势如图2所示。由图2a-c可知, 山东东部、胶东半岛地区是山东省苹果种植的主要地区, 胶东半岛苹果种植面积占山东省苹果总种植面积约1/3, 烟台市种植面积为全省最大, 达1×10hm以上。胶东半岛的苹果总产量相对较高,年均总产量值约400万t, 占山东省苹果平均总产的59%。从苹果单产来看, 胶东半岛苹果单产最高, 达20 t·hm以上, 其中烟台、淄博地区是苹果单产的高值区, 为25～30 t·hm(图2c)。从时间趋势看, 自20世纪90年代初, 山东苹果种植面积呈上升趋势,1995年种植面积达高值, 约66×10hm², 较1991年增幅65.5%; 1996年后, 受农业生产政策的影响, 山东苹果种植面积呈下降趋势, 每年减少为1.28×10hm,年均减幅约为75.5% (图2d)。过去近30年, 山东苹果总产量波动中显著上升, 2000年前苹果总产增幅较大, 年均增幅约为98.8%, 至2002年, 苹果总产下降至5×10t, 总产量增速放缓, 年均增幅约为43.2% (图2e)。1991—2019年, 山东苹果单产呈显著上升趋势, 每年增幅为1.2 t·hm, 年增幅约为13.5%(图2f)。

图2 1991—2019年山东各市及全省苹果生产的时空分布Fig. 2 Spatial and temporal distribution of apple production in each city and whole Shandong Province during 1991—2019

从空间上看, 1991-2019年, 苹果种植面积和生产重心在波动变化中也发生了显著变化(图3)。过去近30年山东苹果种植面积(图3a)和总产量(图3b)的重心移动方向和距离基本一致, 自潍坊向东北移至青岛地区; 种植面积的重心向东北方向移动了156.41 km, 总产量重心向东北移动了142.17 km(图3d-e)。过去30年山东苹果单产重心变化略有不同(图3c), 20世纪90年代, 单产重心在潍坊地区中部, 与种植面积和总产的重心基本上一致; 随后,1991—1995年单产重心向西南方移动至潍坊西部,移动了63.56 km, 至2000年单产重心由东南向西北移动了约75.76 km, 到2019年重心由北向南移动约12.02 km至潍坊西部地区(图3f)。

图3 1991-2019年山东苹果生产重心转移路径Fig. 3 Shifting path of apple production center in Shandong Province during 1991-2019

2.2 不同ENSO年型下山东苹果可生长期农业气候资源演变规律

3种ENSO年型下, 山东苹果可生长期内光照资源的空间分布及演变趋势如图4所示。由图可知,厄尔尼诺年日照时数＞1700 h的区域明显多于中性年和拉尼娜年, 主要分布在鲁中、鲁北地区。从年际变化来看, 厄尔尼诺年大部分地区日照时数下降,鲁北、鲁南8个站点通过了95%显著性检验; 拉尼娜年鲁西地区5个站点有上升趋势, 其余地区呈减少趋势; 中性年山东半岛及鲁北有5个站点日照时数下降, 其余地区均呈上升趋势。拉尼娜年和中性年的趋势检验均未通过95%显著性检验。

图4 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东苹果可生长期内日照时数的空间演变Fig. 4 Spatial distribution and trend of sunshine hour during apple growth period in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO)years in Shandong Province during 1991-2019

1) 3-10月平均气温。不同ENSO年型山东苹果可生长期内平均气温的空间演变如图5所示。由图可知, 山东苹果生长期平均气温在18～24 ℃; 中性年平均气温20～22 ℃高值区域面积明显多于厄尔尼诺和拉尼娜年; 拉尼娜年平均气温22～24 ℃高值区域分布在东部的海阳地区。从气候倾向率来看, 3种年型下平均气温均有增加趋势, 幅度略有不同; 厄尔尼诺年, 3-10月平均气温均呈增加趋势, 除德州、济南地区, 其余地区增速均通过了95%的显著性检验; 拉尼娜年仅沂源、郯城及烟台地区平均温度略下降, 且所有站点变化幅度均不显著; 中性年, 全省平均气温呈上升趋势, 但德州、惠民、济南、郯城以及胶东半岛的烟台、威海地区增速放缓, 未通过显著性检验(图5d-f)。

图5 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东苹果可生长期内平均气温的空间演变Fig. 5 Spatial distribution and trend of average temperature during apple growth period in different El Niño-Southern Oscillation(ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

2) ≥10 ℃活动积温。不同ENSO年型, 山东苹果可生长期内≥10 ℃活动积温呈东西分布(图6a-c)。中性年4400～4700 ℃·d活动积温区域范围明显多于厄尔尼诺和拉尼娜年; 厄尔尼诺年和中性年, 4700～4900 ℃·d活动积温区域分布在济南地区; 拉尼娜年,4700～5600 ℃·d活动积温较高值区分布在胶东半岛。从气候倾向率来看(图6d-e), 3种年型下≥10 ℃活动积温呈递增趋势, 仅拉尼娜年, 德州、沂源及烟台地区有所下降。厄尔尼诺年活动积温的增加最为显著,11个站点通过了95%的显著性检验; 中性年和拉尼娜年下, 几乎所有站点皆未通过显著性检验。

图6 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东≥10 ℃活动积温的空间演变Fig. 6 Spatial distribution and trend of active accumulated temperature more than 10 ℃ in different El Niño-Southern Oscillation(ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

3) 无霜期。无霜期的长短直接影响到苹果生长发育潜在时期长短。不同ENSO年型下无霜期均在240～280 d, 255～280 d高值区出现在鲁西、鲁南沿海及胶东半岛; 拉尼娜年无霜期较厄尔尼诺年、中性年有所缩短, 210～240 d低值区在沂源附近。从年际变化上来看, 3种年型下无霜期大部分站点呈延长趋势(图7d-e)。厄尔尼诺年仅济南和日照无霜期缩短, 鲁中、鲁北8个站点通过了显著性检验; 拉尼娜年沂源无霜期呈下降趋势, 鲁北、鲁西5个站点通过了95%的显著性检验; 中性年仅德州、莘县、兖州及潍坊通过了95%显著性检验。

图7 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东省无霜期的空间演变Fig. 7 Spatial distribution and trend of frost-free period in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

4) 6-8月夏季日均温。3种年型下6-8月夏季日均温呈东西向分布(图8a-c)。由图可知, 23～25 ℃低值区均出现在胶东半岛及鲁东南地区, 拉尼娜年低值区面积较大, 向西至沂源地区; 中性年低值区较少。其他地区6-8月夏季日均温在25～27 ℃波动。从气候倾向率来看, 厄尔尼诺年德州、济南及菏泽地区年际变化呈下降趋势; 拉尼娜年仅沂源、日照、青岛及烟台地区年际变化呈下降趋势, 厄尔尼诺年和拉尼娜年的所有站点均未通过显著性检验。中性年6-8月夏季日均温年际变化均呈上升趋势, 除济南地区外, 其余站点均通过了95%显著性(图8d-e)。

图8 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东省6—8月夏季日均温的空间演变Fig. 8 Spatial distribution and trend of average temperature from June to August in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO)years in Shandong Province during 1991-2019

5) 6-8月夏季日较差。6-8月正值苹果果实膨大期, 日较差越大, 越有利于苹果果实的糖分积累。3种ENSO年型下山东6-8月日较差在5.0～11.0 ℃波动; 5.0～7.0 ℃低值区在胶东半岛东部及鲁东南。对于9.0～11.0 ℃的高值区面积而言, 厄尔尼诺年面积较大; 拉尼娜年、中性年高值区分布在鲁西、鲁中地区, 潍坊也是高值区(图9a-c)。厄尔尼诺年夏季日较差大于拉尼娜年及中性年, 夏季日气温变化显著。从气候倾向率来看, 厄尔尼诺年德州、济南、日照地区年际变化呈上升趋势, 仅潍坊、龙口通过了95%的显著性检验; 拉尼娜年, 鲁中及山东半岛的8个站点年际变化呈递增趋势, 所有站点均未通过95%显著性检验; 中性年11个站点的日较差呈增加趋势, 东营、平度通过了95%显著性检验(图9d-f)。

图9 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东6—8月日温差的空间演变Fig. 9 Spatial distribution and trend of daily temperature difference from June to August in different El Niño-Southern Oscillation(ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

1) 苹果可生长期降水量。不同年型下山东苹果可生长期内降水量由北向南递增分布(图10a-c)。降水在500 mm以下的区域厄尔尼诺年相比较拉尼娜和中性年多, 而降水＞650 mm的降水区域, 按照厄尔尼诺年、拉尼娜年和中性年顺序依次增加, 并逐渐北移; 中性年最大降水量约在900 mm, 比拉尼娜年多100 mm左右。从气候倾向率来看, 厄尔尼诺年和拉尼娜年, 东部大部分站点的降水量变化趋于减少,西部地区的降水量年际变化则呈递增趋势。3种年型下, 所有站点均未通过显著性检验。

图10 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东苹果可生长期降水量的空间演变Fig. 10 Spatial distribution and trend of precipitation during apple growth period in different El Niño-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(图11)。按照厄尔尼诺年、拉尼娜年和中性年的顺序, 低于400 mm降水量的区域依次减少, 而400～600 mm的区域依次增加, 尤其是中性年6-8月降水量较为充沛, 分布较广, 600～800 mm的高值区只有在中性年下的莒县、烟台附近。从年际变化来看, 厄尔尼诺年, 德州、鲁东及胶东半岛地区(除龙口、威海)年变化均下降; 拉尼娜年大部分地区年际变化呈递增趋势; 中性年仅莘县、菏泽、东营、潍坊、平度地区年际变化递增。3种年型下,所有站点均未通过显著性检验。

图11 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东6—8月平均降水量的空间演变Fig. 11 Spatial distribution and trend of precipitation from June to August in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

2.3 ENSO事件与气候因子的关系

过去近30年, 山东苹果可生长期内气候因子与SOI指数的相关性如表2所示。由表可知, 苹果可生长期内光照、夏季日均温和日较差与SOI指数有明显负相关关系, 降水、无霜期等要素与SOI指数呈明显正相关关系; 其中, 光照、夏季日较差及降水的相关系数通过95%的显著性检验。3种年型下, 气候要素与厄尔尼诺年和拉尼娜年SOI指数的关系与中性年的关系几乎相反。其中, 厄尔尼诺、拉尼娜年的光照、夏季均温和日温差与SOI指数的关系呈负向, 与≥10 ℃活动积温、无霜期及降水量的关系呈正向, 厄尔尼诺年下光照和活动积温等通过了显著性检验。拉尼娜年和中性年下的相关关系未通过显著检验。在光热资源中, 厄尔尼诺年的相关系数大于拉尼娜年, 而拉尼娜年降水资源大于厄尔尼诺年, 说明厄尔尼诺年对苹果生长季内热量资源影响较大, 拉尼娜年降水资源优势相对明显。总体来看,ENSO事件与山东苹果可生长季内气候资源显著相关性不明显, 山东苹果可生长期降水及夏季降水资源受到ENSO事件的正向影响, 夏季热量资源及光照资源与ENSO事件呈负向关系。

表2 1991-2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型下气候因子与南方涛动指数的关系Table 2 Correlation between climate factors during apple potential growth period and Southern Oscillation index (SOI) in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years during 1991-2019

2.4 ENSO事件与山东苹果气象单产的关系

不同ENSO年型下, 苹果生长情况也有所不同。由图12可知, 3种年型下烟台地区苹果产量为高值区。厄尔尼诺年聊城、济南、济宁、潍坊及青岛地区单产低于拉尼娜年和中性年的单产。拉尼娜年、中性年山东半岛地区单产较高, 约为20～30 t·hm; 拉尼娜年淄博地区单产量最高, 达35～46 t·hm。厄尔尼诺年, 聊城、莱芜地区平均单产8～10 t·hm。3种年型下苹果总产和单产均呈增加趋势, 厄尔尼诺年产量和单产相对较低。苹果总产量及单产在不同ENSO年型下年际变化显著, 均通过了95%的显著性检验。

图12 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东省苹果产量的时空分布Fig. 12 Spatial and temporal distribution of apple production in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

通过5年滑动平均法模拟苹果趋势产量后, 计算得到山东苹果气象产量, 3种年型下其气候产量的变化趋势如图13所示。山东气象单产的变化趋势一致, 但各地变化幅度不同。山东滨州、聊城、德州、日照地区气象产量的变幅较大, 其中德州市尤为明显, 1998-2006年变化速率最高达800%, 由此可看出, 当地气象单产受气象因子影响波动较大。

图13 1991—2019年山东及各市苹果单产变化趋势Fig. 13 Change trend of apple yield per unit area in Shandong Province and each city during 1991-2019

山东苹果气象单产与可生长期内气象因子相关性如表3所示。过去29年, 山东苹果气象单产与SOI指数存在显著正相关性; 不同ENSO年型下,SOI指数与苹果气象单产呈正向关系, 但结果未通过显著性检验, ENSO事件的发生可能会对苹果气象单产造成一定程度的影响, 但并不是重要的影响因素,也有可能是研究时段样本量有限的原因。不同ENSO年型下, 可生长期内气象因子、SOI指数与气象单产的相关性仍不显著, 光照资源、热量资源与气象单产之间呈负向关系, 对苹果气象单产可能造成减产的影响; 而降水资源大多与气象单产之间呈正向关系; 且厄尔尼诺和拉尼娜年型下的降水资源关系变化一致, 与中性年的变化关系呈相反关系。厄尔尼诺年及拉尼娜年降水条件好的情况下, 对苹果生产起到促进作用, 有增产的效果。

表3 1991—2019年及不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东省苹果气象单产与气候因子之间的关系Table 3 Correlation between apple meteorological yield and climate factors in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

由图14可知, 苹果气象单产在鲁北及山东半岛地区与光照资源与热量资源呈负相关关系, 与降水资源呈正相关关系; 山东半岛作为山东苹果的优势产区之一, 其总产及单产相对优势较高, 降水资源的增多会对苹果生产提供增益效果。不同ENSO年型下, 德州、滨州、济南、日照及烟台、威海地区的光照、热量资源与气象单产的关系通过显著性检验,德州、滨州、威海、临沂地区的降水资源与气象单产的关系通过了显著性检验, 无霜期与气象单产相关性并不显著。胶东半岛地区(烟台、威海及青岛)是山东省苹果产量高值区, 鲁西北地区(济南、聊城及德州)低于山东平均值, 处于相对劣势生产地区。由表4可知, 胶东半岛地区(烟台、威海及青岛)和鲁西北地区(聊城、济南及德州), 光照和热量资源与当地苹果气象单产呈负相关, 即光热资源增加对苹果产量有一定制约; 但中性年, 鲁西北地区光照、热量资源与苹果气象单产呈正相关, 对苹果气象产量有促进作用。中性年胶东半岛及拉尼娜年、中性年鲁西北地区的降水变化与当地苹果气象单产呈负相关; 由于拉尼娜年和中性年的降水资源相对充沛, 导致胶东半岛和鲁西北地区降水变化对苹果气象产量有一定的抑制作用。总体来看, 山东大部分地区气象因素与气象单产之间相关性并不显著, 但对苹果生产仍具有一定的指示意义。山东省德州、滨州及威海等地区受气象因子的影响较为显著, 该地区气象单产与气象因子之间存在相关性, 该地区气象资源的变化对当地苹果生产影响较为显著。

表4 不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型胶东半岛、鲁西北苹果气象产量与气象单产之间关系Table 4 Correlation between apple meteorological yield and meteorological unit yield in Jiaodong Peninsula and Northwest Shandong Province in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years

图14 1991—2019年不同厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)年型山东省各区域气象单产与气象因子相关性空间分布Fig. 14 Spatial distribution of correlation between apple meteorological yield and climate factors in different El Niño-Southern Oscillation (ENSO) years in Shandong Province during 1991-2019

3 讨论

本文基于山东省逐日气象数据、逐月SOI指数及苹果生产数据, 分析了1991-2019年不同ENSO年型下苹果可生长阶段内的光、热、水资源的变化趋势及空间分布, 探讨了不同ENSO年型对山东苹果生产的影响。

1991-2019年山东省苹果总产、单产总体呈显著上升趋势, 这主要与当地苹果栽培技术进步、优质品种选育、高效合理地利用气候资源等密切相关。而栽培面积呈先上升后下降的趋势, 这主要是受国家种植结构政策调整的影响。在这样背景下, 山东苹果种植面积重心、产量重心自潍坊地区西南向东北移动至烟台地区, 突出了胶东半岛苹果产业的绝对优势地位; 苹果单产重心由东北潍坊地区向西南方向移动, 与种植面积、总产量的移动方向相反, 说明鲁北、山东半岛地区因气候资源条件优越, 使苹果种植面积及总产量不断增加, 但苹果栽培技术、田间管理等方面尚未同步发展, 使该地区对气候资源依赖性较大, 应注重苹果生产、栽培等技术的研发、推广和使用, 从而确保苹果的优质生产, 提升苹果的品质。

1991-2019年, 山东省农业气候资源基本满足了苹果种植生产的基本条件, 苹果气候资源在波动中变化, 增减幅度略有差异。不同ENSO年型下, 山东农业气候资源空间分布具有差异性, 光照资源、热量资源呈东西向分布; 而降水资源则呈现南北向分布。由临海向内陆呈减少分布, 受地形因素影响的同时, 不同ENSO事件对山东农业气候资源年变化差异并不显著, 仅降水资源呈区域分布特点明显。分年型考虑山东农业气候资源, 发现厄尔尼诺年丰富的光照资源、热量资源以及拉尼娜年的降水资源,对苹果的着色、糖分积累以及果实膨大起促进作用。从分析结果来看, 厄尔尼诺年热量资源优于拉尼娜年和中性年, 但拉尼娜年、中性年的降水资源优越于厄尔尼诺年。在这样的气候资源分布和配置下,拉尼娜年和中性年苹果生产状况(产量、单产等)表现也优于厄尔尼诺年, 在一定程度上促进了苹果增产, 但仅考虑区域气候资源对苹果增长可能有些单一, 后续可进一步深入挖掘典型站点不同年型下苹果生产的影响。此外, 厄尔尼诺年热量偏多、降水减少趋势明显, 未来可加强对高温、干旱等相关灾害监测与防范; 而拉尼娜年下温度偏低、降水偏多,需加强对低温、洪涝(涝渍或连阴雨)等相关灾害的监测与防范。

进一步分析发现1991-2019年苹果可生长期气象因子与SOI指数无明显相关。但ENSO事件与山东苹果可生长期降水资源之间存在正向关系, 与夏季热量资源存在负向关系。马露等分析了1961-2012年山东气候变化特征与ENSO事件关系, 结果表明ENSO对山东省降水量变化的影响呈现非地带性, 且暖事件降水量减少, 而冷事件降水量增加, 这与本文研究结果一致; 但马露等从ENSO强度探讨了其与气候变化的关系, 发现ENSO强度对气温的影响不显著, 但与降水量之间的关系显著。本文未探讨ENSO强度下的气候变化关系, 但从一定程度上说明ENSO事件对山东气候资源存在较为明显的影响。王新建等分析了山东1990—2019年山东气候变化与ENSO事件的相关性, 通过分析ENSO事件强度与气象因子距平之间的关系, 发现ENSO事件与气象因子二者之间并没有显著相关性, 其分析结果与本文一致。过去近30年, 山东苹果可生长阶段内气象因子与ENSO事件无显著相关关系,ENSO事件的变化会对山东当地气候资源条件以及农业生长造成一定程度的影响, ENSO事件的发生对当地农业的生产发展仍具有指示作用; 山东独特的地理位置, 使其当地气候资源除了受到ENSO事件的影响外, 东亚季风也是不可忽视的重要因素, 仅考虑ENSO事件对其影响, 存在些许局限, 后续可进一步研究; 同时由于研究年代有限, 研究时段样本量的影响也是不可避免的。

山东大部分地区苹果气象单产变化不明显, 一方面是该地区的产量受气象因素影响有限, 另一方面是研究时段样本量或选择的气象因子对结果有一定的影响。本文分析苹果气象单产与气象因子间的相关性发现, 不同ENSO年型中, 光照、热量资源与苹果气象单产呈负相关关系, 在降水资源中, 仅中性年的降水资源与苹果气象单产呈正相关。中性年的产量、单产相比其他年型最高, 而厄尔尼诺年产量、单产则最低。充足的热量资源是满足苹果正常生长发育的必要条件, 但热量资源的多寡应与苹果生长适宜温度相适配, 否则会起到抑制作用; 降水资源同样也是。降水资源对苹果产量有较为重要的影响。在全时段、厄尔尼诺年、拉尼娜年, 降水资源对苹果产量起到了促进作用。但在中性年, 降水资源过于充沛, 远远高于苹果生长所需的降水量, 对苹果产量有阻碍作用。在山东各区域气象要素与气象单产的相关性中, 在光照资源与热量资源的鲁北、山东半岛地区多呈负向关系, 而降水资源与苹果气象单产呈正相关关系; 山东半岛作为山东苹果的优势产区之一, 其总产量及单产较高, 降水资源的增多会对苹果生产提供增益效果。对比胶东半岛与鲁西北地区, 发现仅在鲁西北地区, 中性年的光照资源、热量资源与当地气象单产呈正相关; 在降水资源中, 鲁西北地区的拉尼娜年以及中性年, 两地的苹果气象单产与降水资源呈负相关。中性年的降水资源远超于苹果正常生长所需, 过量的降水资源对当地苹果产量产生一定的抑制作用。胶东半岛地区的独特地理位置, 使其热量资源过于充沛, 对当地苹果产量产生抑制影响; 但在热量资源优越的年份, 例如厄尔尼诺年等, 降水资源相较于其他年份较少, 降水资源的增多, 成为了该年型下苹果增产的正向积极气象因素。而在鲁西北地区, 由于降水资源相较于胶东半岛地区略显匮乏, 加之当地苹果品种等因素的影响, 在中性年降水较多的年份中, 热量资源的增多对苹果产量起到积极促进作用; 而在热量资源优越的厄尔尼诺年, 降水资源成为了苹果增产增收的一个积极因素。这可能是由于两地的地理位置差异, 同时两地苹果种植品种对温度、降水条件的适宜情况有所差异造成的。山东省热量气候条件的优越以及过量的降水资源, 可能是与气象单产产生负向关系的一个因素。因此, 在气候变化背景下, 不同大尺度环流下苹果生产中仍需着重考虑热量、降水对苹果生产的影响, 尤其是温度和降水有关的旱、涝灾害对苹果生产带来的不利影响。

本文受数据记录时限的影响, 一方面未充分考虑典型站点或具体果园间的差异性, 对精细化结果仍有一定影响。另一方面, 虽考虑了SOI指标与山东农业气候资源的相关关系, 但仍可以增加沿海的海温异常等指标, 在未来研究工作中需进一步探讨。另外, 本文因数据收集有限, 未考虑苹果品种、树龄等, 忽略了不同时期苹果树体及不同生育阶段苹果果实在生长中对天气变化的适应和反馈作用, 在后续研究中需加强。

4 结论

本文以山东苹果作为研究对象, 探讨了不同ENSO年型下山东苹果可生长阶段气候资源变化及其对苹果生产的影响, 得到如下结论: 1991-2019年山东苹果种植面积总体呈减少趋势, 但总产量、单产量却明显增加; 种植面积及总产量生产重心分别向东北移动, 单产重心却向西南移动。山东热量、降水资源远超苹果生产所需, 不同ENSO年型下的山东气候资源均能满足苹果正常生长发育, 但空间上分布不均匀。厄尔尼诺年的光照资源、热量资源较为优越, 而拉尼娜年、中性年降水资源更为充沛; 优越的气候资源对苹果生产的增收增益起有利的促进作用。山东热量资源变化与苹果气象单产呈负向关系, 降水资源与苹果气象单产呈正向关系, 拉尼娜年降水资源增多促进了苹果增产, 而厄尔尼诺年则有导致苹果减产的趋向, 但影响程度略有不同。不同ENSO事件对山东气候资源变化及苹果生产均有影响。厄尔尼诺年需考虑高温与干旱等相关灾害的发生, 拉尼娜年、中性年需防范低温或雨涝灾害。