河北省蘋果水分適宜性分析

賈桂梅， 李春強(qiáng)， 劉宏舉， 高 霞

(1.保定市氣象局，河北 保定 071000； 2.河北省氣象科學(xué)研究所，石家莊 050000； 3.唐山市氣象局，河北 唐山 063000)

引 言

河北省是蘋果生產(chǎn)大省，面積和產(chǎn)量均居全國前列[1]，蘋果產(chǎn)業(yè)已成為河北省農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)河北省林業(yè)廳統(tǒng)計，2017年河北省蘋果種植面積為24.5×104hm2，產(chǎn)量達(dá)371×104t。蘋果為暖溫帶經(jīng)濟(jì)作物，農(nóng)業(yè)氣象條件直接影響蘋果的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]，其中水分條件是決定蘋果能否生長的重要因素。干旱是影響河北省蘋果生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。近年來干旱呈現(xiàn)增多加重的趨勢[3-4]。根據(jù)對河北省果園調(diào)查統(tǒng)計，蘋果每年平均灌溉3～5次。河北省面臨著水資源缺乏、地下水嚴(yán)重超采的嚴(yán)峻現(xiàn)實。根據(jù)河北省水利廳2018年發(fā)布的《2017年河北省水資源公報》，2017年河北省地表水和地下水資源總量為138.34億m3，全省總用水量為181.56億m3，水資源缺口為43.22億m3?？傆盟恐?，農(nóng)業(yè)灌溉用水量和林牧漁畜用水量占總用水量的69.4%。因此，合理節(jié)約農(nóng)業(yè)用水是保證河北省水安全的重要措施。本研究利用多年氣象資料、蘋果物候觀測資料和相關(guān)試驗資料，研究河北省蘋果生長季的水分適宜性，為蘋果產(chǎn)區(qū)種植規(guī)劃、調(diào)整，因時因地科學(xué)灌溉，實現(xiàn)節(jié)約用水具有重要意義。

針對作物需水量和水分適宜性國內(nèi)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。姚小英[5-7]等針對西北旱作區(qū)蘋果水分適宜性和變化特征進(jìn)行了研究，提出了水分適宜度模型。賈桂梅等[8]對河北省中南部太行山東麓地區(qū)蘋果生長的需水特征和水分適宜性進(jìn)行了研究。針對作物需水量的計算方法和適用性，相關(guān)學(xué)者[9-10]進(jìn)行了對比和分析。馬鳳蓮等[11]分析了冀北地區(qū)近50年來馬鈴薯的需水量和水分盈虧時空變化特征。相關(guān)專家[12-21]針對北方地區(qū)主要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行了氣候適宜性和需水特征定量分析。成林等[22]通過研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥株成穗數(shù)的變化率與氣溫和水分適宜度的相關(guān)性較好，千粒重距平與土壤水分適宜度相關(guān)性顯著。但針對河北省蘋果產(chǎn)區(qū)各生長時期水分適宜性時空分布特點的研究較少。因此，本文以河北地區(qū)蘋果產(chǎn)區(qū)為研究區(qū)域，利用水分適宜度指數(shù)對蘋果各生長時期水分適宜性時空分布特點進(jìn)行研究，為蘋果生產(chǎn)防旱減災(zāi)、科學(xué)灌溉、合理節(jié)約用水提供重要依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用氣象數(shù)據(jù)為河北省142個國家氣象站1981-2019年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括降水、日照時數(shù)、平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均風(fēng)速、水汽壓等，均來源于河北省氣象局。數(shù)據(jù)主要用于計算各氣象站的日參考作物蒸散量。

蘋果物候觀測數(shù)據(jù)來源于2000-2019年河北省蘋果各產(chǎn)區(qū)代表果園的物候觀測記錄，用于確定蘋果各生長階段平均物候期。根據(jù)蘋果各生長階段對水分的需求程度，將年度生長期(萌芽-落葉期)分為初始生長期(萌芽-開花期)、幼果期、果實膨大期、果實著色期和生長后期(果實成熟-落葉期)。根據(jù)河北省不同地區(qū)生態(tài)氣候特點和蘋果種植分布特點，將河北省蘋果產(chǎn)區(qū)劃分為冀北(張家口、承德、保定西北部)、冀東(唐山、秦皇島)、冀中(保定大部、廊坊、石家莊、滄州、衡水)、冀南(邢臺、邯鄲)四個地區(qū)。表1為各地區(qū)蘋果平均物候期。

表1 2000-2019年河北省各地區(qū)蘋果平均物候期 (日/月)

1.2 研究方法

綜合作者前期研究和前人研究成果，定義作物水分適宜度為作物生育期內(nèi)累計降水量滿足其生理需水量的程度，可用下式表達(dá)：

(1)

式中，Uj為第j個生育期作物水分適宜度，Rj為相應(yīng)時段累計降水量，Wj為相應(yīng)時段作物生理需水量，單位均為mm。水分適宜度指標(biāo)參照以往研究[4-6,14]和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)順平水果試驗站多年的試驗結(jié)果：當(dāng)Uj≥2.0時，降水超過果樹生理需水，過濕；2.0>Uj≥1.0時，降水多于果樹生理需水，極適宜；1.0>Uj≥0.7時，降水滿足果樹生理需水，適宜；0.7>Uj≥0.5時，基本適宜; 0.5>Uj≥0.4 時，不適宜;Uj<0.4時，極不適宜。

蘋果在第j個生長期的生理需水量Wj按下式計算：

(2)

式中，n為蘋果第j個生育期時段所包含的日數(shù)，i為日序數(shù)；Kc為作物系數(shù);ET0i為第j個生育期第i天的參考作物蒸散量。結(jié)合FAO(聯(lián)合國糧農(nóng)組織)推薦的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)(Kc)，參照表2，ET0i按Penman-Monteith公式計算：

表2 河北省蘋果不同生長期作物系數(shù)

(3)

式中，ET0為參考作物蒸散量(mm·d-1),Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1),Rn為太陽凈輻射(MJ·m-2),G為土壤熱通量(MJ·m-2)，γ為濕度計常數(shù)(kPa·℃-1)，T為日平均氣溫(℃)，ea為飽和水汽壓(kPa)，ed為實際水汽壓(kPa)，u2為2 m高處的風(fēng)速(m·s-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果生長期降水量時空分布

2.1.1 蘋果生長期降水量空間分布特征

作物生長所需的水分主要通過大氣降水補(bǔ)給，降水量的空間分布制約了作物的空間分布[23-26]。本文計算了1981-2019年河北省近39年蘋果各生長時期的降水量，明確了蘋果各生長時期降水量的空間分布特征，結(jié)果如圖1所示。初始生長期(萌芽—開花期)降水量為20～36 mm，平均為25 mm，東北部的承德、唐山、秦皇島降水量多，西北部、中南部大部地區(qū)降水量少；幼果期，降水量為29～64 mm，平均為40 mm，東北部的承德、秦皇島降水量多，中部地區(qū)降水量少；果實膨大期，降水量為207～471 mm，平均為333 mm，東部和中部地區(qū)降水量多，西北部地區(qū)降水量少；果實著色期，降水量為35～81 mm，平均為52 mm，整體呈由西北向東南減少的趨勢；生長后期(果實成熟-落葉期)，降水量為15～53 mm，平均為36 mm，整體呈由西北向東南增加的趨勢。從蘋果年度全生長期(萌芽-落葉期)來看，降水量為326～671 mm，平均為486 mm，東部地區(qū)和中部地區(qū)降水量多，西北部地區(qū)降水量少。對比蘋果各個生長時期的降水量，果實膨大期降水量最多，其余從多到少依次為果實著色期、幼果期、生長后期的降水量，初始生長期降水量最少。

圖1 1981-2019年河北省蘋果各生長期平均降水量的空間分布

2.1.2 蘋果生長期降水量時間分布特征

圖2為1981-2019年河北省蘋果各生長期降水量年際變化。1981 年以來，河北省蘋果年度全生長期降水量年均為293～649 mm，最多的年份是 1995年，最少的年份是1997年。初始生長期，降水量年均為3～65 mm，最高的年份是2018年，最低的年份是1988年；幼果期，降水量年均為8～76 mm，最高的年份是1998年，最低的年份是2001年；果實膨大期，降水量年均為171～518 mm，最高的年份是1996年，最低的年份是1997年；果實著色期，降水量年均為12～91 mm，最高的年份是1985年，最低的年份是1998年；生長后期，降水量年均為10～133 mm，最高的年份是2003年，最低的年份是1988年。

圖2 1981-2019年河北省蘋果各生長期降水量年際變化

從河北省蘋果各生長期降水量統(tǒng)計變量(表3)來看，幼果期和果實膨大期呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，幼果期的傾向率為-0.1852 a-1、果實膨大期的傾向率為-0.6876 a-1，果實膨大期降水量下降幅度大于幼果期的；初始生長期、果實著色期、生長后期降水量呈現(xiàn)微弱上升趨勢，傾向率分別為0.3319 a-1、0.0004 a-1、0.2965 a-1，初始生長期降水量升幅最大；年度全生長期降水量呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，傾向率為-0.2639 a-1。變異系數(shù)可以反映出各生長時期降水量的年際波動情況，從表3可知：變異系數(shù)最大的為生長后期，其次是初始生長期的變異系數(shù)，而后依次為幼果期、果實著色期、果實膨大期的變異系數(shù)，說明生長后期降水量在年際間變化最不穩(wěn)定，波動最大，相反果實膨大期降水量波動最小。

表3 1981-2019年河北省蘋果各生長期降水量統(tǒng)計變量

2.2 蘋果生長期水分適宜度時空分布及其與降水量的關(guān)系

2.2.1 蘋果生長期水分適宜度空間分布特征

本文計算了各氣象站點蘋果各生長期對應(yīng)的降水量和作物需水量，進(jìn)而明確了蘋果各生長期水分適宜度空間分布特征，結(jié)果如圖3所示。初始生長期(萌芽—開花期)，蘋果水分適宜度為0.29～0.71，平均為0.45，全省142個站點只有1個站點水分適宜，出現(xiàn)在承德市的興隆縣；28個站點為基本適宜，主要分布在東北部的承德、秦皇島、唐山和保定的淺山區(qū)；其他大部地區(qū)為不適宜或極不適宜。幼果期，水分適宜度為0.24～0.64，平均為0.35，全省無水分適宜地區(qū)， 8個站點為基本適宜，主要分布在東北部承德地區(qū)，其他地區(qū)為不適宜或極不適宜。果實膨大期，水分適宜度為0.68～1.94，平均為1.04，承德、秦皇島、唐山、廊坊、滄州、保定大部、石家莊、邯鄲西部共62個站點為極適宜，其他地區(qū)為適宜。果實著色期，水分適宜度為0.50～1.29，平均為0.77，10個站點為極適宜，95個站點為適宜，37個站點為基本適宜。生長后期(果實成熟—落葉期)，水分適宜度為0.43～1.21，平均為0.81，3個站點為極適宜，124個站點為適宜，12個站點為基本適宜，3個站點為不適宜。從蘋果年度生長期(萌芽—落葉期)來看，水分適宜度為0.54～1.39，平均為0.79，11個站點為極適宜(占總站點的8%)，105個站點為適宜(占總站點的74%)，26個站點為基本適宜(占總站點的18%)。對比蘋果各個生長時期的水分適宜度，果實膨大期的水分適宜度優(yōu)于生長后期的，生長后期的優(yōu)于果實著色期的，果實著色期的優(yōu)于初始生長期的，幼果期水分適宜度最差。

圖3 1981-2019年河北省蘋果各生長期平均水分適宜度空間分布

從水分適宜度地域分布(圖4)來看，蘋果年度全生長期(萌芽—落葉期)1981-2019年平均水分適宜度東部地區(qū)高于北部、中部地區(qū)的，南部地區(qū)的最低，水分適宜度分別為1.01、0.77、0.77、0.73，各地區(qū)均高于0.70，水分總體適宜。東部地區(qū)各生長時期水分適宜度為0.39～1.44，最高為果實膨大期，其余從高到低依次為果實著色期、生長后期、初始生長期、幼果期的水分適宜度。中部地區(qū)各生長時期水分適宜度為0.30～1.03，最高為果實膨大期，其余從高到低依次為生長后期、果實著色期、初始生長期、幼果期的水分適宜度。北部地區(qū)各生長時期水分適宜度為0.41～1.01，最高為果實膨大期，其余從高到低依次為果實著色期、生長后期、初始生長期、幼果期的水分適宜度。南部地區(qū)各生長時期水分適宜度為0.39～0.88，最高為果實膨大期，其余依次為生長后期、果實著色期、初始生長期、幼果期的水分適宜度。各地區(qū)果實膨大期水分適宜度最高，幼果期水分適宜度最低。初始生長期、幼果期水分適宜度均低于0.70，其中幼果期各地區(qū)水分適宜度均低于0.50，初始生長期除東部地區(qū)外的其他三個地區(qū)水分適宜度均低于0.50，降水不能滿足果樹生長的生理需水，水分適宜性差。東部地區(qū)在蘋果各個生長時期水分適宜度總體高于其他地區(qū)的，表現(xiàn)出較好的水分適宜性。

圖4 1981-2019年河北省各地區(qū)蘋果各生長期年平均水分適宜度

2.2.2 蘋果生長期水分適宜度時間分布特征

圖5為1981-2019年河北省蘋果各生長期水分適宜度年際變化。1981年以來，河北省蘋果年度全生長期水分適宜度年均為0.45～1.11，最高的年份是 1995年，最低的年份是1997年。39個年份中，有4年水分適宜度大于1，水分極適宜，有23個年份為適宜、11個年份為基本適宜、1個年份為不適宜，水分適宜級別以上的年份占總年份的69%。初始生長期，水分適宜度年均為0.05～1.11，最高的年份是2018年，最低的年份是1988年，有1年水分極適宜、9個年份為適宜、4個年份為基本適宜、5個年份為不適宜、20個年份為極不適宜，水分適宜級別以上的年份占總年份的26%。幼果期，水分適宜度年均為0.06～0.78，最高的年份是1998年，最低的年份是2001年，有1年水分適宜、6個年份為基本適宜、6個年份為不適宜、26個年份為極不適宜，水分適宜級別以上的年份占總年份的3%。果實膨大期，水分適宜度年均為0.48～1.81，最高的年份是1996年，最低的年份是1997年，有18個年份水分極適宜、17個年份為適宜、3個年份為基本適宜、1個年份為不適宜，水分適宜級別以上的年份占總年份的90%。果實著色期，水分適宜度年均為0.15～1.71，最高的年份是1985年，最低的年份是1998年，有11個年份水分極適宜、13個年份為適宜、4個年份為基本適宜、5個年份為不適宜、6個年份為極不適宜，水分適宜級別以上的年份占總年份的62%。生長后期，水分適宜度年均為0.19～3.02，最高的年份是2003年，最低的年份是1988年，有1年水分適宜度大于2，過濕，有8個年份為極適宜、9個年份為適宜、8個年份為基本適宜、6個年份為不適宜、7個年份為極不適宜，水分適宜級別以上的年份占總年份的46%。

圖5 1981-2019年河北省蘋果各生長期水分適宜度年際變化

從河北省蘋果各生長期水分適宜度統(tǒng)計變量(表4)來看，幼果期和果實膨大期呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，幼果期的傾向率為-0.0015 a-1、果實膨大期的傾向率為-0.0014 a-1，幼果期的水分適宜度下降速率快于果實膨大期的。初始生長期、果實著色期、生長后期水分適宜度呈現(xiàn)微弱上升趨勢，傾向率分別為0.0064 a-1、0.0023 a-1、0.0098 a-1，生長后期水分適宜度上升最快。年度全生長期水分適宜度呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，傾向率為0.0004 a-1。變異系數(shù)可以反映出各生長時期水分適宜度的年際波動情況，從表4可知，生長后期的變異系數(shù)最大，其次是初始生長期的變異系數(shù)，而后依次為果實著色期、幼果期、果實膨大期的變異系數(shù)，說明生長后期水分適宜度在年際間變化最不穩(wěn)定，波動最大，相反果實膨大期水分適宜度波動最小。

表4 1981-2019年河北省蘋果各生長期水分適宜度統(tǒng)計變量

從蘋果各生長時期水分適宜度的年代際變化(圖 6)來看，幼果期、果實膨大期水分適宜度最高的年代均是1990 s，初始生長期、果實著色期水分適宜度最高的年代均是2010 s，生長后期水分適宜度最高的年代為2000 s，年度全生長期水分適宜度最高的年代為1990 s。各個生長時期并沒有呈現(xiàn)出一致的年代際變化趨勢，但總體上除果實著色期外，1990 s較1980 s的水分適宜度高，初始生長期、果實膨大期、果實著色期2010 s較2000 s的水分適宜度高。果實著色期自20世紀(jì)90年代以來，水分適宜度以0.10/10a的速率呈現(xiàn)線性增長(R2=0.8921)，而生長后期自1980 s至2000 s以0.20/10a的速率呈現(xiàn)線性增長(R2=0.9767)，只有幼果期自20世紀(jì)90年代以來，水分適宜度以0.05/10a的速率呈現(xiàn)線性下降(R2=0.8488)。

圖6 1981-2019年河北省蘋果各生長期水分適宜度年代際變化

2.2.3 蘋果生長期水分適宜度與降水量時空分布關(guān)系

為明確蘋果各生長期水分適宜度與降水量在空間分布和時間變化上的關(guān)系，將河北省142個氣象站點近39年(1981-2019年)蘋果各生長期的水分適宜度和降水量進(jìn)行相關(guān)性分析。表5為河北省蘋果各生長期在空間尺度和時間尺度上水分適宜度與降水量的相關(guān)系數(shù)?？臻g分布上，將每個氣象站點1981-2019年的水分適宜度和降水量進(jìn)行時間平均統(tǒng)計，分析142個站點對應(yīng)的水分適宜度和降水量的相關(guān)性，可以得出，只有生長后期水分適宜度與降水量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.182，其他各生長期水分適宜度與降水量相關(guān)性不顯著。結(jié)合水分適宜度定義可以得到，蘋果在初始生長期、幼果期、果實膨大期、果實著色期，果樹生理需水量在不同地域的差異對蘋果水分適宜度影響明顯，因此降水量不是影響蘋果水分適宜度變化的顯著因子。年際變化上，將1981-2019年期間每年河北省142個站點的水分適宜度和降水量進(jìn)行空間平均統(tǒng)計，并進(jìn)行年水分適宜度和降水量的相關(guān)性分析，可以得出，各生長期水分適宜度與降水量在年際變化上均呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)，且均通過0.01的顯著水平檢驗。由此說明，水分適宜度與降水量在年際變化上呈現(xiàn)相同的變化趨勢(圖7)，即各生長期內(nèi)降水量多的年份則水分適宜度高，降水少的年份則水分適宜度低。

表5 1981-2019年河北省蘋果各生長期水分適宜度和降水量時空尺度相關(guān)系數(shù)

圖7 1981-2019年河北省蘋果各生長時期水分適宜度和降水量年際變化

3 結(jié)論與討論

河北省蘋果各生長期水分適宜度時空分布特征表現(xiàn)為：空間分布上，全省年度全生長期(萌芽—落葉期)平均水分適宜度為0.79(適宜)，東部地區(qū)水分適宜度高于北部、中部地區(qū)的，南部地區(qū)的最低。蘋果各生長期水分適宜度從高到低依次為果實膨大期、生長后期、果實著色期、初始生長期、幼果期的，初始生長期水分適宜度低于適宜級別，幼果期水分適宜度低于基本適宜級別。時間變化上，河北省1981-2019年蘋果年度全生長期水分適宜級別以上的年份占總年份的69%，初始生長期的為26%，幼果期的為3%，果實膨大期的為90%，果實著色期的為62%，生長后期的為46%；幼果期和果實膨大期水分適宜度呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，初始生長期、果實著色期、生長后期水分適宜度呈現(xiàn)微弱上升趨勢。蘋果各生長期水分適宜度與降水量在年際變化上呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

蘋果初始生長期、幼果期水分適宜性較差，降水不能滿足蘋果此時的需水要求，這將直接影響蘋果的花期、花量、坐果率和幼果期果實細(xì)胞分裂，是制約河北蘋果產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。結(jié)合河北省各地區(qū)物候期資料(表 1)，冀北地區(qū)蘋果適宜補(bǔ)灌時期為4月中旬-6月上旬，冀東地區(qū)的為4月上旬-6月初，冀中地區(qū)的為4月上旬-5月下旬，冀南地區(qū)的為3月下旬-5月下旬。灌溉時間選擇需綜合考慮當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r和降水情況，避免影響蘋果開花和授粉。

根據(jù)河北省蘋果水分適宜度時空分布特點，果實膨大期、果實著色期水分適宜性較好，可適當(dāng)減少或不進(jìn)行補(bǔ)灌，結(jié)合當(dāng)前果園果實著色期經(jīng)驗補(bǔ)灌的現(xiàn)狀，可減少果實著色期灌溉1次。生長后期多年平均水分適宜度為適宜，但年際變化差異大，需結(jié)合當(dāng)?shù)禺?dāng)年降水情況綜合考慮，同時生長后期補(bǔ)灌利于果樹安全越冬，降低冬季干旱和凍害的風(fēng)險。

蘋果各生長期水分適宜度與降水量在年際變化上呈現(xiàn)相同的變化趨勢，但在空間分布上只有生長后期呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，其他各生長期水分適宜度與降水量相關(guān)性不顯著，體現(xiàn)了果樹生理需水量在不同地域的差異對蘋果水分適宜度影響明顯，熱量條件和水分條件相互交叉影響使蘋果水分適宜性在空間分布上存在不確定性。因此，根據(jù)蘋果各生長期降水量、生理需水量、未來天氣預(yù)測，進(jìn)一步建立水分適宜度預(yù)報模型，對提高蘋果灌溉的科學(xué)性和有效性是十分必要的。