黄土高原(33°—41°N,100°—114°E)位于太行山以西、日月山以东、秦岭以北、阴山以南,总面积64万km²,横跨青、甘、宁、蒙、陕、晋、豫7省,海拔800～3 000 m。黄土高原属于典型的温带大陆性季风气候,年平均温度为3.6～14.3℃,年降水量为150～750 mm,且多集中在6—9月(占全年降水量的55%～78%)。区域土壤类型主要是黄绵土以及黄绵土上发育而成的地带性土壤,如塿土和黑垆土。

本文以黄土高原29个苹果主产市为研究对象(图1),从统计年鉴上获取29个苹果主产市2005年、2010年和2015年的苹果种植面积数据; 从国家气象中心下载2005年、2010年和2015年29个主产市气象站年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数数据。

图1 研究区概况

在ArcGIS中用柱状图表示出2005年、2010年和2015年29个市苹果种植面积,用Excel计算三年苹果种植面积差值(2015年减去2010年和2010年减去2005年),用克里金插值法对29个市苹果种植密度、年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数进行空间插值,然后对2005年、2010年和2015年29个市苹果种植密度、年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数创建渔网和多值提取至点(图2),提取29个市共164个点苹果种植密度、年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数,利用SPSS进行苹果种植密度与年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数的相关分析。

普通克里金(Ordinary Kriging)是区域化变量的线性估计,它假设数据变化成正态分布,认为区域化变量Z的期望值是未知的。插值过程类似于加权滑动平均,权重值的确定来自于空间数据分析,是从变量相关性和变异性出发,在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法。

克里金方法公式统一表示为:

Z(x₀)=∑ⁿ_i=1λ_iZ(x_i)(1)

式中:Z(x₀)为未知样点的值; Z(x_i)为未知样点周围的已知样本点的值; λ_i为第i个已知样本点对未知样点的权重; n为已知样本点的个数。

2005—2015年黄土高原苹果主产区种植面积在区域尺度上变化明显(图3)。苹果种植面积在空间上呈现以咸阳和运城变为以咸阳和延安为极值的发展趋势,具体表现为:甘肃省东部、陕西省中北部和山西省西部地区的种植面积变化趋势明显; 2005年苹果种植主要集中在咸阳和运城,2010年苹果种植面积在咸阳和延安形成极值区域,2015年与2010年相比平凉、榆林、延安、咸阳和铜川苹果种植面积继续增加。从图3中可知,近10 a甘肃省东部苹果种植面积变化幅度较大,天水、平凉和庆阳苹果种植面积增加,白银苹果种植面积呈现减少的趋势,说明陇东苹果产业发展迅速。陕西省苹果种植面积除了西安以外,其他县市苹果种植面积都显著增加,空间分布格局呈现以咸阳为中心逐渐变为以咸阳和延安双中心为主,说明陕西省苹果种植逐渐向北部发展。2005年山西省运城是苹果种植的极值地区,2010年以后,苹果种植面积整体减少,其中以临汾和运城苹果种植面积变化明显,且运城苹果种植面积锐减。河南省2005—2015年苹果种植面积空间分布有向西移动的趋势,洛阳苹果种植面积明显减少,三门峡苹果种植面积增加。

图2 采样点分布图

图3 2005年、2010年和2015年黄土高原苹果主产市种植面积

图4 2005-2010年和2010-2015年黄土高原年平均苹果种植面积变化

用克里金插值法对2005年、2010年和2015年29个市苹果种植密度、年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数进行空间插值,对苹果种植密度、年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数创建渔网和多值提取至点(图2),提取29个市共164个点苹果种植密度、年平均气温、年平均降水量和年平均日照时数数据,分析得出苹果种植密度与年平均气温、年平均降水量和年日平均照时数的相关性(表1)。

气候变化可以影响苹果的各个生育期^[11-13]。研究表明,苹果种植有其最佳的气候条件(表2)^[14-19]。黄土高原地下水埋藏普遍较深,因此苹果产区的灌溉比例很低,苹果形状指数、硬度、可溶性糖和果皮花青素依赖于降水; 在年平均温度相对较高的地区,糖酸比通常较高,但果实硬度较低,这些水果不能长期保存。相反,在年平均温度低的区域,可滴定酸含量太高,这可能影响苹果口感。植物在进行光合作用时日照是一个必不可少的因素,日照的变化在苹果种植方面有很大的影响,在苹果形状指数、果皮花青素和糖酸比例方面,足够的日照时数对于确保优质苹果非常重要。日照时间不足可能影响果实着色和糖分积累; 但是大量的日照时间会降低果实形状指数。

表1 相关分析结果

表2 主要气象因素对苹果品质的影响和最适范围

2.2.3 年平均日照时数

从三年的年平均日照时数变化(图7)来看,黄土高原29个市的年平均日照时数变化明显,从东南向西北方向明显减少,尤其是山西省日照时数明显下降。由表3可知,适宜苹果种植的最佳日照时数范围在2 200～2 600 h; 结合图3和图4可知,近10 a甘肃省东部天水和平凉苹果种植面积增加; 陕西省苹果种植面积空间分布格局以咸阳为中心逐渐变为以咸阳和延安的双中心为主,榆林市的苹果种植面积显著增加,说明陕西省苹果种植逐渐向北部发展,与年平均日照时数变化趋势相反; 山西省苹果种植面积变化幅度较小,运城苹果种植面积有先减少后增加的趋势。总体来说,年平均日照时数对黄土高原西北部地区苹果种植面积的扩展有消极影响,年均日照时数与苹果种植面积之间存在显著负相关关系(p<0.05,皮尔逊系数为-0.475)(表1)。

图5 黄土高原苹果主产区2005年、2010年和2015年年平均降水量区域变化差异

图6 黄土高原苹果主产区2005年、2010年和2015年年平均气温区域变化差异

图7 黄土高原苹果主产区2005年、2010年和2015年年平均日照时数区域变化差异

根据IPCC第五次报告的预测^[1],未来全球的气温、降水和日照等气象因素都在时间和空间上的差异进一步增加。气候变化影响苹果物候期,这对苹果产业布局产生和结构调整产生影响^[20]。根据之前的研究可知,中国主要苹果产区重心逐渐向黄土高原转移。本文分析了2005年、2010年、2015年黄土高原29个苹果主产市气象因素与种植面积的关系,发现黄土高原苹果种植生产布局总体向中北部移动,具体表现为甘肃省东部(天水、平凉和庆阳)、陕西省中部(延安)和北部(榆林)、山西西部(临汾和运城)和河南西部(三门峡)。在气候方面年平均气温和年平均降水量的变化会对黄土高原苹果种植产生积极的影响,年平均日照时数减少对黄土高原南部苹果种植产生消极的影响,对中部和北部的苹果种植产生积极的影响。在近10 a中气温的变化对黄土高原苹果的种植产生积极的影响,降水量的变化会对黄土高原的苹果种植产生不利影响,这与先前的研究结果差异^[4]; 许多研究表明,日照的变化会使黄土高原苹果种植面积比重上升^[7],这与本研究结果不同。其原因可能是以前的研究尺度较大,未考虑小尺度条件下气象因素的差异。可见气候变化对黄土高原苹果产区的转移产生了重大影响。

本文在苹果种植分布格局与气象因素的研究中没有考虑极端气候,例如开花期冻害等极端气候事件以及膨胀期间的高温和低温都会直接影响苹果品质^[21-22]; 此外,苹果品质除了与气象环境因素密切相关,受土壤、水分和肥料以及种植管理的影响^[23]。由于缺乏黄土高原所有县市苹果的种植数据,只能分析2005年、2010年和2015年苹果主产区29个苹果县市的数据,时间尺度偏小; 29个市的气象数据缺少,如果将苹果生产的时空变化尺度增大,能对黄土高原苹果生产布局变化进行更为系统地研究。苹果是中国重要的经济树种之一,在面对气候变化带来的风险,苹果种植区应该采取措施来适应气候变化对黄土高原苹果种植带来的积极和消极影响,合理调整黄土高原苹果的种植生产布局。

(1)从黄土高原苹果主产区分布的变化趋势来看,黄土高原苹果种植有向中部和北部扩张的趋势,具体表现为向甘肃的东部(天水、平凉和庆阳)、陕西的中北部(延安和榆林)、山西西部(临汾和运城)和河南西部(三门峡)移动。

(2)气候变化对苹果生产布局的影响程度有所不同,年平均降水量和年平均气温的变化对苹果种植产生积极的影响,年日照时数的变化对黄土高原南部苹果种植产生消极的影响,对中部和北部的苹果种植产生积极的影响。

气候变化中各个气象因子的变化对黄土高原苹果种植成产布局产生的影响不尽相同,在进行苹果产业布局和规划时应当考虑气候变化的影响,以实现区域苹果产业的可持续发展。