1980年以来晋北黄花菜气候适宜性评价

常 清，张 宁，李孟蔚，裴克丽，乔云红，朱 杰，杨 超，李 燕**，赵丽平**

（1.山西省气候中心，山西 太原 030006；2.山西省气象信息中心，山西 太原 030006；3.山西省气象服务中心，山西 太原 030002）

黄花菜是极具营养价值的百合科多年生草本植物［1］，具有清热、明目、安神等功效，可作为病后或产后的调补品［2］。中国是黄花菜的原产地之一，也是黄花菜种植面积最大的国家［3］。甘肃庆阳、湖南祁东、山西大同、陕西大荔是我国四大黄花菜主产区［4］，其中山西大同地区作为黄花菜的重要优势产区之一［5］，其黄花菜产业历史悠久、产品畅销国内外，被称为“中国黄花菜之乡”［6］。目前，黄花菜已成为大同地区的特色经济作物［6-7］，推动了当地的乡村振兴。国内外在黄花菜研究领域已取得一些成果，研究主要集中于黄花菜营养物质提取、生化特性作用分析［8-11］和黄花菜田间管理、配套栽培技术［12-15］及黄花菜病虫害发生特点和防治措施［16-18］。欧丽兰等［19］研究表明，黄花菜多糖具有较明显的体内抗肿瘤活性，其机制可能与多糖能够提高机体的免疫功能有关；秦喜悦等［20］总结了近年来国内外黄花菜主要活性成分的提取方法及其功能的研究，为相关产业和研究人员提供了研究思路；赵晓玲［21］通过综合评价庆阳市气候资源、种植栽培条件，提出了适宜当地的栽培方式和技术措施，为庆阳市黄花菜高产优产提出了合理、可行的建议；石亚娟等［22］从栽培地选择、整地方法、林木栽植、黄花菜栽培等方面研究分析了南宁山区退耕还林地黄花菜间作技术；周小阳［23］阐述了湖南祁东黄花菜病虫害的发生特点，进一步分析指出绿色防控模式对黄花菜主要病虫害的防治效果可达90.9%以上。此外，部分研究还分析了黄花菜生育期的气候条件和品质特征；李效珍等［24］分析了晋北黄花菜生育期内的气候特征，研究表明其生育期内气温呈上升趋势，降水、冰雹、日照时数呈减少趋势；高志慧［25］通过对比黄花菜主产区营养品质的含量发现，云州区干黄花菜的可溶性蛋白含量为各产区中最多。

虽有少量研究分析了黄花菜生育期的气候条件和营养物质成分特征，但鲜有研究将两者结合，探究气候条件与黄花菜营养物质含量的关系，分析影响黄花菜品质的关键生育期气候要素，并分别从区域尺度、时间变化角度分析各关键期气候要素的变化特征，进而对黄花菜气候适宜性进行了动态综合评价。基于此，本文通过分析影响黄花菜品质的关键生育期、关键气候因子，定量分析得到影响晋北黄花菜气候适宜性的关键气候指标和阈值，基于农业气候指标空间推算模型建立1 km×1 km的匀质地理网格单元，以年代际划分时间单元剖析了近40 a来晋北黄花菜关键生育期气候因子的时空变化特征，并对晋北地区黄花菜进行了气候适宜性动态综合评价，以期推动晋北地区黄花菜产业向更高层次、更高水平发展，从而实现农业增效、农民增收，助力乡村振兴。

1 材料与方法

1.1 研究资料

晋北位于山西省的北部，海拔为518～3092 km，属温带大陆性季风气候，冬季长且寒冷干燥，夏季短且炎热多雨，春季的气温日较差大、风沙多，秋季气候温和但短暂［26］。

黄花菜的品质资料由大同市云州区黄花菜合作协会将黄花菜烘干样品送往农业农村部农产品质量监督检验测试中心通过品质论证得到，本文选取2019—2021年云州区吉家庄乡、周士庄镇、瓜园乡和许堡乡等4个区域站黄花菜的氨基酸、蛋白质、可溶性糖、粗纤维和维生素B2作为营养物质的含量指标。

2019—2021年云州区吉家庄乡、周士庄镇、瓜园乡和许堡乡4个区域站的逐日气象资料来自山西省气象信息中心，指标包括平均气温、最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、平均风速。

1980—2010各年代际晋北28个国家站（图1）的逐日气象数据来自山西省气象信息中心，指标包括平均气温、最高气温、最低气温、降水量。因五台山海拔较高且与周围气候特征差异较大，本研究不予考虑。

图1 大同研究区概况及各研究站点分布

1.2 方法

1.2.1 相关性分析、回归分析、聚类分析、专家打分 （1）在统计学中，相关性分析是指对2个或多个具有相关性的变量进行分析，从而衡量2个或多个变量因素的相关密切程度［27］。

（2）回归分析是用于确定2个或2个以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。回归分析按照涉及的变量数目，分为一元回归和多元回归分析；按照因变量的多少，可分为简单回归分析和多重回归分析；按照自变量和因变量之间的关系类型，可分为线性回归分析和非线性回归分析［28］。

（3）聚类分析是一种将研究对象分为相对同质的群组的统计分析技术，可通过数据建模简化数据。聚类分析法包括系统聚类法、分解法、K-均值等。其中K-均值的思想是将每个样品聚集到其最近的类别的附近［29］。

（4）专家打分法是指通过征询有关专家的意见，并对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观综合多数专家的经验与主观判断，对大量难以采用技术方法进行定量分析的因素进行合理估算，经过多轮意见征询、反馈和调整后进行分析的方法［30］。

本文应用SPSS软件对2019—2021年4个区域站的营养物质含量与逐日气象观测资料统计的气候要素年平均值进行相关性分析、回归分析和K-均值聚类分析，以期找到影响黄花菜品质的关键气候因子。

1.2.2 黄花菜适宜性区划气候指标及阈值 根据晋北黄花菜的生长发育特点，将其生育期分为苗期（4月1日—5月30日）、抽薹期（6月1日—6月30日）、开花期（7月1日—7月15日）和收获期（7月16日—8月15日）等4个阶段［24,31］。

1.2.3 农业气候区划指标空间推算模型 晋北农业气候资源与其所处经纬度、坡度和坡向等地形特征具有密切关系，然而站点气象资料不能全面反映整个区域的气候资源特征。因此，利用1980—2010各年代际晋北地区28个国家站的逐日气象数据，通过多元回归相关性分析建立小网格推算模型，将气候要素分别与经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向等相结合，同时考虑地形因子，并对气候资料进行格点化［32］。各指标因子的推算公式见表1。

表1 晋北农业气候区划指标空间的推算模型

2 结果与分析

2.1 晋北黄花菜关键生育阶段气象评估指标

充分考虑大同地区黄花菜的农业生产和气候资源的分布特征，以提高种植效益为最终目的，提出了晋北黄花菜的农业气候区划指标。选取全生育期总降水量、抽薹—收获期大于5 ℃有效积温、苗期平均最低气温、收获期平均最高气温、收获期日较差等5个气候要素作为黄花菜农业气候区划因子，按照适宜、较适宜和不适宜的适宜性种植指标进行分级。晋北黄花菜农业气候区划指标及分级见表2。

表2 晋北黄花菜关键生育期气候评估指标

2.2 晋北黄花菜关键生育期关键气候要素的年代际变化

2.2.1 苗期平均最低气温 1980—2010各年代际晋北黄花菜苗期的平均最低气温为-6.5～10.5 ℃。20世纪80年代黄花菜苗期平均最低气温适宜区（5.0～7.5 ℃）主要位于大同市云州区、朔州市中东部、忻州市中南部、西部局部地区。气候变暖背景下1980—2010各年代际黄花菜苗期平均最低气温有升高的趋势，适宜区表现为北扩南缩，整体范围缩小的趋势（图2）。

图2 1980—2010各年代际晋北黄花菜苗期平均最低气温的分布

2.2.2 抽薹—收获期大于5 ℃有效积温 1980—2010各年代际晋北黄花菜抽薹—收获期大于5 ℃有效积温为250～1300 ℃。20世纪80年代黄花菜抽薹—收获期大于5 ℃有效积温适宜区（1050～1260℃）主要位于朔州市北部、忻州市中南部、西部局部地区。1980—2010各年代际黄花菜抽薹—收获期大于5 ℃有效积温适宜区范围随时间的年代际变化逐渐向北延伸，范围不断扩大，至21世纪10年代扩大至大同市中部，甚至位于北部的天镇地区（图3）。

图3 1980—2010各年代际晋北黄花菜抽薹—收获期大于5 ℃有效积温的分布

2.2.3 收获期平均最高气温 1980—2010各年代际晋北黄花菜收获期的平均最高气温为13～32℃。20世纪80年代黄花菜收获期的平均最高气温适宜区（28～34 ℃）主要位于大同市中南部、朔州市北部、忻州市中南部和西部局部地区。与抽薹—收获期大于5 ℃有效积温类似，收获期平均最高气温适宜区随时间的年代际变化向北延伸，到21世纪10年代扩大至大同市中北部地区（图4）。

图4 1980—2010各年代际晋北黄花菜收获期平均最高气温的分布

2.2.4 收获期日较差 1980—2010各年代际晋北黄花菜收获期日较差为6.5～14.0 ℃。20世纪80年代黄花菜收获期日较差的适宜区（11.5～15.5 ℃）主要位于大同市中西部、朔州市大部、忻州市西部局部和南部局部地区。20世纪90年代黄花菜收获期日较差适宜区范围明显缩小，主要位于大同市中部、朔州市西北部、南部局部及忻州市西部、南部局部地区。2000 s和2010 s这2个年代际黄花菜收获期日较差适宜区范围逐步扩大，但中心位置基本保持不变（图5）。

图5 1980—2010各年代际晋北黄花菜收获期日较差的分布

2.2.5 全生育期总降水量 1980—2010各年代际晋北黄花菜全生育期总降水量为195～450 mm。20世纪80年代黄花菜全生育期总降水量适宜区（290～375 mm）主要位于晋北西部、南部地区，适宜区范围在20世纪90年代向北扩展，21世纪00年代向南收缩，10年代又向北扩展。20世纪90年代和21世纪10年代晋北大部分地区均属于黄花菜全生育期总降水量的适宜、较适宜区（图6）。

图6 1980—2010各年代际晋北黄花菜全生育期总降水量的分布

2.3 晋北黄花菜气候适宜性年代际变化

综合上述5个关键气候因子作用，晋北黄花菜气候适宜性呈现出明显的年代际变化特征。20世纪80年代晋北黄花菜适宜区主要位于大同市区的云州区南部、阳高县北部、天镇县北部、朔州市南部一带、忻州市西部和中南部地区，20世纪90年代气候适宜区范围扩大，21世纪00年代明显缩小，仅在大同市灵丘县、忻州市代县、忻府区、定襄县等局部地区适宜种植黄花菜，21世纪10年代适宜种植区范围明显扩大，主要位于大同市区、天镇县、阳高县、云州区，朔州市区、山阴县及忻州市西部地区（图7）。

图7 1980—2010各年代际晋北黄花菜气候适宜性的分布

3 结论与讨论

3.1 结论

通过对近40 a晋北黄花菜关键生育期气候因子的时空变化特征的分析，得出影响黄花菜品质的关键气候因子包括：苗期平均最低气温、抽薹—收获期大于5 ℃有效积温、收获期平均最高气温、收获期日较差及全生育期总降水量。1980—2010各年代际晋北黄花菜苗期平均最低气温、抽薹—收获期大于5 ℃有效积温、收获期平均最高气温适宜区主要位于大同市中南部—朔州市东北部、忻州市中南部和西部局部地区，收获期日较差适宜区主要位于大同市中西部、朔州市、忻州市西部和南部地区，全生育期总降水量适宜区主要位于晋北西部、南部地区。

1980—2010各年代际晋北黄花菜苗期的平均最低气温适宜区北扩南缩，范围整体缩小，抽薹—收获期大于5 ℃有效积温、收获期平均最高气温适宜区范围北伸扩大，收获期日较差适宜区范围20世纪90年代明显缩小，21世纪00年代逐步扩大，生育期总降水量适宜区范围的变化特征为北扩—南缩—北扩。

在上述黄花菜关键气候因子的综合影响下，晋北黄花菜适宜区发生明显的年代际变化。1980—2010各年代际晋北黄花菜适宜区主要位于大同市中南部、朔州市东部、忻州市的西部以及中南部地区，适宜区范围发生变化为扩大—缩小—扩大。

3.2 讨论

本文从黄花菜品质的角度出发研究了影响晋北黄花菜适宜性的关键气候因子及适宜区范围年代际的变化特征，并对晋北黄花菜品质的气候适宜性影响进行了评价。

黄花菜品质是各关键气候因子综合作用的影响结果，只有各关键因子均适宜的区域才是黄花菜种植的适宜范围，任何一个不适宜的气候因子均会导致整个区域范围不适宜黄花菜种植。21世纪00年代全生育期总降水量适宜区的范围明显缩小［33-34］，因此降水量成为了影响晋北黄花菜适宜种植的主要制约因子。

本文基于气候条件的影响分析了晋北黄花菜的气候适宜性，并未考虑当地的土壤因素。而大同市的土壤主要为壤土和砂壤土，尤其是大同市黄花菜核心产区的火山群对该区地形地貌、土壤、水体等具有重要影响，火山爆发有利于土壤中微量元素和养分的积累，同时使土质疏松、增加土壤透气性。火山群影响下独特的生态环境对于黄花菜种植无疑是天然的优势［6］，这有利于黄花菜营养物质的积累和生产出特优品质黄花菜，在未来研究中应予以关注。

大同地区气候条件整体有利于黄花菜高营养物质的积累，适宜黄花菜高品质种植，其中云州区、大同市区及周边范围是黄花菜种植的最适宜区。未来应考虑增加该区域黄花菜的种植范围，充分利用气候条件，从而实现高效种植和高质量发展。