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我国北方地区苹果不同干旱等级时空特征

程雪 孙爽 张镇涛 张方亮 刘志娟 王培娟 霍治国 杨晓光

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我国北方地区苹果不同干旱等级时空特征

Spatial-temporal Distribution of Apples with Different Drought Levels in Northern China

  • 摘要: 为定量评估我国北方地区苹果不同干旱等级灾害时空分布特征,以我国苹果主产地为研究区域,对前人提出的干旱指数进行等级划分,结合历史灾情资料,对划分的等级进行验证;利用验证后的干旱指数,明确1981—2016年苹果不同干旱等级时空变化特征。结果表明:划分的干旱指数等级能够较好地反映我国北方地区苹果实际干旱特征;各生育阶段甘肃省中北部、宁夏回族自治区各年代以重旱发生为主,山西省、陕西省、山东省以及河南省干旱等级随年代变化较大;重旱发生面积在果树萌动-花芽萌动和成熟-落叶生育阶段1981—2000年随年代变化逐渐增加;各生育阶段无旱和重旱高频区频率高于50%,轻旱和中旱高频区频率高于30%;1981—2016年轻旱发生范围最大,果树萌动-花芽萌动生育阶段的重旱和盛花-成熟生育阶段的中旱站次比呈显著上升趋势。研究区域西北地区干旱严重,且发生频率较高。
  • 图 1  研究区域及气象站点分布

    Fig.1  The target area with weather stations

    图 2  苹果干旱等级划分标准

    Fig.2  Grading standards for apple drought

    图 3  苹果各生育阶段不同年代各干旱等级空间分布

    Fig.3  Spatial distribution of drought at different levels in different growth stages of apples

    图 4  1981—2016年苹果各生育阶段各干旱等级发生频率空间分布

    Fig.4  Spatial distribution of drought frequencies in different growth stages of apples from 1981 to 2016

    图 5  苹果不同生育阶段各干旱等级发生站次比

    Fig.5  The ratio of drought occurring stations to all stations for different growth stages of apples

    图 6  苹果各生育阶段各干旱等级发生站次比年际变化(细实线为线性趋势)

    Fig.6  Inter-annual changes in the ratio of drought occurring stations to all stations for different growth stages of apples(the thin line denotes linear trend)

    表 1  苹果各生育阶段干旱指数等级

    Table 1.  Drought index grades for different growth stages of apples

    等级 生育阶段
    果树萌动-花芽萌动 花芽萌动-盛花 盛花-成熟 成熟-落叶
    无旱 0<D≤1.58 0<D≤1.42 0<D≤0.46 0<D≤0.92
    轻旱 1.58<D≤6.02 1.42<D≤5.65 0.46<D≤0.74 0.92<D≤2.66
    中旱 6.02<D≤17.07 5.65<D≤15.38 0.74<D≤1.05 2.66<D≤8.47
    重旱 D>17.07 D>15.38 D>1.05 D>8.47
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-03
  • 修回日期:  2020-05-09
  • 刊出日期:  2020-07-31

我国北方地区苹果不同干旱等级时空特征

  • 1. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193
  • 2. 中国气象科学研究院, 北京 100081

摘要: 为定量评估我国北方地区苹果不同干旱等级灾害时空分布特征,以我国苹果主产地为研究区域,对前人提出的干旱指数进行等级划分,结合历史灾情资料,对划分的等级进行验证;利用验证后的干旱指数,明确1981—2016年苹果不同干旱等级时空变化特征。结果表明:划分的干旱指数等级能够较好地反映我国北方地区苹果实际干旱特征;各生育阶段甘肃省中北部、宁夏回族自治区各年代以重旱发生为主,山西省、陕西省、山东省以及河南省干旱等级随年代变化较大;重旱发生面积在果树萌动-花芽萌动和成熟-落叶生育阶段1981—2000年随年代变化逐渐增加;各生育阶段无旱和重旱高频区频率高于50%,轻旱和中旱高频区频率高于30%;1981—2016年轻旱发生范围最大,果树萌动-花芽萌动生育阶段的重旱和盛花-成熟生育阶段的中旱站次比呈显著上升趋势。研究区域西北地区干旱严重,且发生频率较高。

English Abstract

    • 苹果作为大众水果之首,在我国果业生产中占有重要地位,种植面积和产量居全球前列[1-3]。目前我国苹果产业逐步由传统向现代转变,在产业转型过程中气象灾害对苹果生产的影响是亟需解决的问题之一[4]。全球气候变化背景下我国极端天气和气候事件发生频率和强度明显增加[5-8],特别是20世纪80年代以来干旱频发[9]。由于苹果产地条件所限,干旱仍是制约我国苹果发展的主要因素,明确苹果干旱发生主要时段和区域,采取有效措施确保果树正常生长和高产优质[10],而灾害时空特征研究是防御的前提和基础[11],因此明确我国北方地区苹果干旱时空分布特征,揭示苹果不同生育阶段干旱发生规律,可为苹果管理、抗旱避灾提供科学参考。

      干旱对苹果影响程度主要取决于果树不同生育阶段对干旱的敏感性、干旱强度和干旱发生持续时间[12-13],如芽期缺水造成花芽迟缓,花期缺水造成严重落花,果实膨大期缺水影响果实膨大等[10]。轻度干旱胁迫促进果树叶片成熟,持续干旱胁迫消减营养生长满足树体最低生长需要,严重干旱胁迫降低果树根系活力,使果树停止生长甚至死亡[14-17]。目前苹果干旱灾害研究多集中于生理生化以及基因、激素等方面[18-19]。在干旱指标方面,王景红等[20]基于标准化降水指数对陕西苹果不同等级气象干旱进行分析,并在考虑富士系苹果水分供需平衡条件下,构建苹果干旱指数指标[21],许彦平等[22]利用前一年9月干旱、次年花期高温干燥等因子对甘肃天水苹果以干旱为主的农业气象灾害进行分析。此外,前人对苹果干旱时空分布研究多集中在局部地区,如郭兆夏等[23]利用降水距平百分率对陕西省苹果干旱风险进行量化评估和区划,车向军等[24]研究表明甘肃陇东地区由于降水分布不均,导致苹果各生育阶段均有干旱风险。研究我国北方苹果主产地不同干旱等级时空特征的研究鲜见报道。本文在已有研究基础上,以前人提出的干旱指数为苹果干旱指标,基于干旱实际灾情资料对干旱指数进行等级划分和验证,利用验证后的干旱指数,明确我国北方地区苹果各生育阶段不同干旱等级时间演变和空间分布规律,揭示不同年代干旱发生的强度以及不同干旱等级发生的范围,为我国北方地区苹果抗旱避灾提供参考。

    • 基于程雪等[25]的研究结果,选取甘肃省、宁夏回族自治区、陕西省、山西省、河南省、山东省、辽宁省、河北省和北京市共9个省(市、自治区)为研究区域,区域内包含144个气象站点,研究区域及气象站点分布如图 1所示。

      图  1  研究区域及气象站点分布

      Figure 1.  The target area with weather stations

    • 全国苹果产量和面积资料来源于中华人民共和国农业农村部(http://zzys.agri.gov.cn),包括1981—2016年9个省(市、自治区)苹果产量和面积资料。

      1981年1月1日—2016年12月31日逐日气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn),包括日照时数、平均气压、降水量、日平均、日最高和最低气温以及平均风速。

      苹果生育期资料来源于研究区域90个市、县苹果调研资料,以种植较多的富士品种为主,包括花芽萌动期、盛花期、成熟期和落叶期,并利用ArcGIS中的反距离插值结合物候定律[26]插值到研究区域内144个气象站点中,其中苹果果树萌动期以平均温度稳定通过3℃为依据确定[27]

      苹果干旱灾情资料来源于《中国气象灾害大典》(山东卷、山西卷、辽宁卷)[28-30]中1981—2000年林果干旱灾害记录。

    • 本文选用王景红等[21]提出的干旱指数作为苹果干旱指标,不同生育阶段干旱指数是基于降水量、需水量、连续无降水日数以及生育期日数4个因子计算得到,

      (1)

      式(1)中,Di为某年某站点苹果第i个生育阶段内的干旱指数,NiLi分别为对应年份、对应站点苹果第i个生育阶段连续无降水日数和整个生育阶段日数(单位:d),CiPi分别为该年份、该站点苹果第i个生育阶段需水量和降水量(单位:mm)。

    • 采用向下累积频率法(cumulative frequency dis- tribution,CFD)对苹果不同生育阶段的干旱指数进行等级划分。向下累积频率是指变量大于某一下限值出现的次数与总次数的比值[31]

      (2)

      (3)

      式(2)和式(3)中,i=1,2,3,…,nn为变量取值范围内(介于最小值与最大值之间的取值范围)划分的等级数;gi为在第i个等级内变量发生的频数,Gi为变量在不小于该等级内的频数。

    • 苹果各生育阶段内不同干旱等级发生频率

      (4)

      式(4)中,f为某干旱等级发生的频率,a为某干旱等级发生的年份数,A为研究的总年份数。

    • 干旱站次比是指通过某一干旱等级发生的站点数占总站点数的比例,利用该指标评价苹果不同干旱等级影响空间范围

      (5)

      式(5)中,Pj为干旱站次比(单位:%),m为研究区域发生某干旱等级的站点数,M为研究区域总站点数。

    • 为了更有针对性反映苹果不同生育阶段各等级干旱发生特征,本文对前人提出的干旱指数进行干旱等级划分,并利用灾情资料进行等级验证。

    • 本文共收集到山东省、山西省和辽宁省3个省共13个市、县的苹果干旱灾害资料,分布在山东省沂源县、青岛市、海阳市、济南市、潍坊市,山西省运城市、隰县,辽宁省复县、朝阳市、大连市、庄河市、瓦房店市和锦州市。本文按照受旱程度的描述,将干旱划分为无旱(本研究的无旱特指正常年,不包括发生涝渍灾害)、轻旱、中旱以及重旱4个等级,并将收集到的《中国气象灾害大典》中记录为产量较常年减少5%以下定为无旱,将记录为受灾受旱、产量较常年减少5%~10%定为轻旱,将记录为成灾受灾严重、产量较常年减少10%~30%定为中旱,将记录为受重旱旱死成年果树、产量较常年减少30%以上定为重旱[32-35]

      基于《中国气象灾害大典》关于苹果干旱灾害记录,将苹果干旱发生地点、发生时间、受灾程度逐一反演苹果受灾区域、受灾时段及其受灾程度,同时按照划分标准进行分级,根据反演结果及等级标准各生育阶段选取无旱样本2个、轻旱样本14个、中旱样本16个、重旱样本14个,共46个样本作为研究区域内苹果干旱灾害验证样本,样本类型为受灾年份-受灾生育阶段-受灾地点-受灾程度,以1984年辽宁省朝阳市干旱样本构建为例,历史记录为1984年3月上旬到5月末朝阳发生干旱,旱死果树18万亩,反演结果为1984年-果树萌动-花芽萌动和花芽萌动-盛花生育阶段-朝阳-重旱[36]。将历史灾情反演构建的干旱等级与计算得到的干旱等级进行比较,从而确定干旱指标等级构建的合理性。

    • 本文利用王景红等[21]构建的干旱指数作为苹果干旱研究指标,由于文献中未对该指标进行等级划分,为更好反映研究区域苹果不同生育阶段干旱发生特征,本文利用向下累积频率分布图将苹果不同生育阶段干旱指数分为无旱、轻旱、中旱和重旱4个等级,并基于收集到的历史灾情资料对划分等级进行验证。利用式(2)和式(3)计算研究区域内苹果不同生育阶段干旱指数累积频率[37],结果如图 2所示。由于苹果不同生育阶段受干旱影响不同,在此针对各生育阶段进行苹果干旱指标等级划分,其中果树萌动-花芽萌动生育阶段干旱指数累积频率5%及以下为无旱,(5%,35%]为轻旱,(35%,73%]为中旱,73%以上为重旱;花芽萌动-盛花生育阶段,干旱指数累积频率5%及以下为无旱,(5%,28%]为轻旱,(28%,60%]为中旱,60%以上为重旱;盛花-成熟生育阶段干旱指数累积频率5%以下为无旱,(5%,24%]为轻旱,(24%,56%]为中旱,56%以上为重旱,对应各生育阶段干旱等级划分阈值如表 1所示。

      图  2  苹果干旱等级划分标准

      Figure 2.  Grading standards for apple drought

      表 1  苹果各生育阶段干旱指数等级

      Table 1.  Drought index grades for different growth stages of apples

      等级 生育阶段
      果树萌动-花芽萌动 花芽萌动-盛花 盛花-成熟 成熟-落叶
      无旱 0<D≤1.58 0<D≤1.42 0<D≤0.46 0<D≤0.92
      轻旱 1.58<D≤6.02 1.42<D≤5.65 0.46<D≤0.74 0.92<D≤2.66
      中旱 6.02<D≤17.07 5.65<D≤15.38 0.74<D≤1.05 2.66<D≤8.47
      重旱 D>17.07 D>15.38 D>1.05 D>8.47
    • 在前人研究基础上,基于计算得到研究区域内苹果不同生育阶段不同干旱指数等级,利用历史灾害反演的样本对计算得到的干旱等级进行验证。由于灾害大典中干旱的记录截至2000年,因此本文对干旱等级的验证年限为1981—2000年,共20年。

      在对不同生育阶段干旱等级进行验证时,将验证结果分为3大类,即完全符合、基本符合和完全不符合,其中基本符合为计算结果等级与历史灾情等级相差1个等级。验证结果表明:计算结果与历史记录完全符合的样本共24个,占全部样本的52%;计算结果与历史记录基本符合的样本共15个,占全部样本的33%,即完全符合和基本符合占总样本的85%;计算结果与历史记录完全不符合的样本共7个,占全部样本的15%。因此,本文基于干旱指数构建的北方苹果干旱等级划分标准,能够较好地反映北方地区苹果不同生育阶段实际干旱发生情况。

    • 将研究时段1981—2016年划分为1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年和2011—2016年4个年代,计算各站点苹果不同生育阶段干旱指数,根据校正后的干旱指数等级划分标准,明确我国北方地区不同年代苹果各生育阶段干旱时空分布特征(如图 3所示)。由图 3可以看到,苹果不同生育阶段干旱等级分布整体呈现由北向南逐渐减轻的趋势,其中重旱区主要分布在甘肃省中部及北部地区、宁夏回族自治区、北京市和河北省中部,中旱主要分布在山东省、山西省、陕西省北部、辽宁省西部、河北省部分地区,轻旱主要分布在辽宁省中部、陕西省中部、河南省北部,无旱区在陕西省南部、河南省南部和辽宁省东部少部分地区,不同生育阶段不同年代略有差异。

      图  3  苹果各生育阶段不同年代各干旱等级空间分布

      Figure 3.  Spatial distribution of drought at different levels in different growth stages of apples

      各年代苹果干旱等级年代变化特征明显。果树萌动-花芽萌动生育阶段,山西省中北部地区1981—2000年旱情加重,干旱等级由中旱变为重旱,之后旱情随年代变化逐渐减轻,2001—2010年变为中旱,2011—2016年又变为轻旱。花芽萌动-盛花生育阶段,山东省、山西省和陕西省北部从1981—2016年旱情逐渐减轻,1981—1990年为重旱,2001—2010年降为中旱,2011—2016年部分地区降为轻旱。成熟-落叶生育阶段,河南省1991—2010年旱情加重,特别是河南省南部1981—1990年为无旱,1991—2010年升为重旱,之后河南省各地干旱逐渐减轻,2011—2016年降为无旱和轻旱。

      以重旱变化特征为例,分析不同生育阶段各干旱等级年代变化特征发现,果树萌动-花芽萌动和成熟-落叶生育阶段重旱发生范围扩大,2001—2010年重旱发生范围最大,之后发生范围有所降低;花芽萌动-盛花和盛花-成熟生育阶段重旱发生范围在1991—2010年最大,之后发生范围减小,2011—2016年发生范围最小。

      综上所述,我国北方地区苹果不同年代干旱等级由北向南依次降低,各年代重旱区主要分布在甘肃省中部及北部地区、宁夏回族自治区、北京市和河北省中部。果树萌动-花芽萌动生育阶段在山西省中北部,花芽萌动-盛花生育阶段在山东省、山西省和陕西省北部,成熟-落叶生育阶段在河南省随年代变化干旱程度变化较大,果树萌动-花芽萌动和成熟-落叶生育阶段重旱发生范围在1981—2010年随年代变化逐渐增加,其他生育阶段在1991—2016年随年代变化逐渐降低。

    • 干旱频率表示某一时段内干旱发生的频次,本文利用式(4)计算得到研究区域内各点1981—2016年不同干旱等级发生频率,其空间分布特征如图 4所示。由图 4可以看到,各干旱等级无旱发生频率呈北低南高空间分布特征,高值区分布在河南省、陕西省南部和辽宁省东部,发生频率大于50%,为2年1遇以上,北部地区各生育阶段无旱发生频率小于25%;研究区域内各生育阶段轻旱和中旱高频区多在研究区域中部和北部,在10年3遇以上;重旱发生频率呈北高南低的分布特征,高值区分布在甘肃省北部和宁夏回族自治区北部,以及盛花-成熟生育阶段的山西省北部、陕西省北部、河北省中部,干旱发生频率大于50%,为2年1遇以上,成熟-落叶生育阶段研究区域绝大多数地区重旱发生频率小于25%。

      图  4  1981—2016年苹果各生育阶段各干旱等级发生频率空间分布

      Figure 4.  Spatial distribution of drought frequencies in different growth stages of apples from 1981 to 2016

    • 干旱发生范围(站次比)为某一区域内干旱发生站点数占该区域总站点数比例,反映干旱影响的范围,本文以苹果不同生育阶段干旱发生站次比评估苹果干旱发生的影响程度。

    • 利用式(5)计算苹果不同生育阶段各干旱等级发生的站次比如图 5所示。由图 5可以看到,盛花-成熟生育阶段重旱发生范围最大,其他生育阶段均为轻旱发生范围最大;果树萌动-花芽萌动生育阶段,以轻旱发生为主,1990年无旱发生范围最大,占研究区域总站点数的89%,中旱发生的范围最小,仅占研究区域总站点1%,2002年干旱最为严重,50%站点发生重旱;花芽萌动-盛花生育阶段,1991年无旱发生范围最大,占研究区域内总站点数的69%,重旱发生范围最小,占研究区域内总站点数的3%,2004年重旱发生范围最大,55%的站点发生重旱;盛花-成熟生育阶段,重旱发生范围较其他生育阶段大,其中1997年最大,占研究区域内总站点数的78%,无旱发生范围最小,占研究区域内总站点数的1%;成熟-落叶生育阶段,2015年无旱发生范围最大,占研究区域内总站点数的74%,重旱发生范围最小,占研究区域内总站点数的4%,1988年重旱发生范围最大,占研究区域内总站点数的60%。

      图  5  苹果不同生育阶段各干旱等级发生站次比

      Figure 5.  The ratio of drought occurring stations to all stations for different growth stages of apples

    • 研究区域内苹果各生育阶段不同干旱等级发生站次比年际变化趋势如图 6所示。由图 6可以看到,果树萌动-花芽萌动生育阶段,无旱、轻旱、中旱以及重旱发生站次比依次为4%~89%,8%~49%,1%~25%和2%~50%,无旱和轻旱发生范围总体呈下降趋势,而中旱和重旱发生范围呈上升趋势,且重旱年际间变化达到0.05显著性水平;花芽萌动-盛花生育阶段,无旱、轻旱、中旱以及重旱发生站次比依次为6%~69%,15%~50%,3%~27%和3%~55%,各干旱等级整体趋势比较平稳,除轻旱发生范围呈增加趋势外,其他等级干旱发生范围均呈降低趋势;盛花-成熟生育阶段,无旱、轻旱、中旱以及重旱发生站次比依次为1%~28%,3%~40%,11%~34%和20%~78%,无旱和重旱发生范围年际间呈下降趋势,轻旱和中旱发生范围年际间变化呈上升趋势,且中旱年际间变化趋势达到0.05显著性水平;成熟-落叶生育阶段,无旱、轻旱、中旱以及重旱发生站次比依次为6%~74%,15%~49%,7%~35和3%~60%,除无旱发生范围呈上升趋势外,其他干旱等级发生范围均呈下降趋势。

      图  6  苹果各生育阶段各干旱等级发生站次比年际变化(细实线为线性趋势)

      Figure 6.  Inter-annual changes in the ratio of drought occurring stations to all stations for different growth stages of apples(the thin line denotes linear trend)

      综上所述,1981—2016年盛花-成熟生育阶段重旱发生范围最大,其他生育阶段轻旱发生范围最大,干旱站次比年际变化表明果树萌动-花芽萌动生育阶段重旱和盛花-成熟生育阶段中旱发生范围均呈显著上升趋势。

    • 本文以我国北方苹果主产地为研究区域,利用苹果干旱灾情资料,对前人提出的苹果干旱指数进行等级划分并进行验证,基于验证后的干旱指数,分析1981—2016年北方地区苹果不同生育阶段各干旱等级时空变化特征和发生范围变化趋势,得到如下结论:

      1) 基于历史灾情资料,对研究区域内苹果不同生育阶段干旱指数进行干旱等级划分并验证,结果显示:在46个验证样本中,完全符合的样本和基本符合的样本占全部样本的85%,表明构建的干旱指数等级能较好反映北方地区苹果干旱状况。

      2) 基于验证后的干旱等级指标,发现苹果干旱等级由北向南依次递减,甘肃省中北部、宁夏回族自治区、北京市、河北省中部干旱严重;时间变化上,果树萌动-花芽萌动生育阶段山西省中北部,花芽萌动-盛花生育阶段山东省、山西省和陕西省北部,成熟-落叶生育阶段河南省干旱等级随年代变化较大;各生育阶段无旱和重旱高频区发生频率高于50%,轻旱及中旱高频区发生频率高于30%。

      3) 苹果盛花-成熟生育阶段重旱发生范围较其他生育阶段大;果树萌动-花芽萌动生育阶段的重旱以及盛花-成熟生育阶段的中旱的站次比年际间呈显著上升趋势,干旱范围扩大。

      本文苹果生育期资料是基于调研资料的平均值,采用反距离插值并结合物候定律[24]的方法插值到各气象站点,未考虑历史气候变化过程中物候期的变化。在进行干旱指数等级验证时,因收集到的历史灾情资料有限,仅对1981—2000年的干旱指数进行验证。本文结果显示:甘肃省西北部部分地区干旱发生强度和频率较大,但过去该地区苹果实际种植面积较小,对我国苹果生产影响不大,近年来随着甘肃省北部苹果种植面积加大,后期要重点加强该区域干旱特征研究。在今后工作中,将针对干旱程度较重、发生频率较大且苹果种植面积和产量均较大的地区进行更深入分析,提出具有针对性的防灾减灾策略。

参考文献 (37)

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