1980年以來晉北黃花菜氣候適宜性評價

常 清，張 寧，李孟蔚，裴克麗，喬云紅，朱 杰，楊 超，李 燕**，趙麗平**

（1.山西省氣候中心，山西 太原 030006；2.山西省氣象信息中心，山西 太原 030006；3.山西省氣象服務(wù)中心，山西 太原 030002）

黃花菜是極具營養(yǎng)價值的百合科多年生草本植物［1］，具有清熱、明目、安神等功效，可作為病后或產(chǎn)后的調(diào)補(bǔ)品［2］。中國是黃花菜的原產(chǎn)地之一，也是黃花菜種植面積最大的國家［3］。甘肅慶陽、湖南祁東、山西大同、陜西大荔是我國四大黃花菜主產(chǎn)區(qū)［4］，其中山西大同地區(qū)作為黃花菜的重要優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)之一［5］，其黃花菜產(chǎn)業(yè)歷史悠久、產(chǎn)品暢銷國內(nèi)外，被稱為“中國黃花菜之鄉(xiāng)”［6］。目前，黃花菜已成為大同地區(qū)的特色經(jīng)濟(jì)作物［6-7］，推動了當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)村振興。國內(nèi)外在黃花菜研究領(lǐng)域已取得一些成果，研究主要集中于黃花菜營養(yǎng)物質(zhì)提取、生化特性作用分析［8-11］和黃花菜田間管理、配套栽培技術(shù)［12-15］及黃花菜病蟲害發(fā)生特點和防治措施［16-18］。歐麗蘭等［19］研究表明，黃花菜多糖具有較明顯的體內(nèi)抗腫瘤活性，其機(jī)制可能與多糖能夠提高機(jī)體的免疫功能有關(guān)；秦喜悅等［20］總結(jié)了近年來國內(nèi)外黃花菜主要活性成分的提取方法及其功能的研究，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)和研究人員提供了研究思路；趙曉玲［21］通過綜合評價慶陽市氣候資源、種植栽培條件，提出了適宜當(dāng)?shù)氐脑耘喾绞胶图夹g(shù)措施，為慶陽市黃花菜高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)提出了合理、可行的建議；石亞娟等［22］從栽培地選擇、整地方法、林木栽植、黃花菜栽培等方面研究分析了南寧山區(qū)退耕還林地黃花菜間作技術(shù)；周小陽［23］闡述了湖南祁東黃花菜病蟲害的發(fā)生特點，進(jìn)一步分析指出綠色防控模式對黃花菜主要病蟲害的防治效果可達(dá)90.9%以上。此外，部分研究還分析了黃花菜生育期的氣候條件和品質(zhì)特征；李效珍等［24］分析了晉北黃花菜生育期內(nèi)的氣候特征，研究表明其生育期內(nèi)氣溫呈上升趨勢，降水、冰雹、日照時數(shù)呈減少趨勢；高志慧［25］通過對比黃花菜主產(chǎn)區(qū)營養(yǎng)品質(zhì)的含量發(fā)現(xiàn)，云州區(qū)干黃花菜的可溶性蛋白含量為各產(chǎn)區(qū)中最多。

雖有少量研究分析了黃花菜生育期的氣候條件和營養(yǎng)物質(zhì)成分特征，但鮮有研究將兩者結(jié)合，探究氣候條件與黃花菜營養(yǎng)物質(zhì)含量的關(guān)系，分析影響黃花菜品質(zhì)的關(guān)鍵生育期氣候要素，并分別從區(qū)域尺度、時間變化角度分析各關(guān)鍵期氣候要素的變化特征，進(jìn)而對黃花菜氣候適宜性進(jìn)行了動態(tài)綜合評價?；诖耍疚耐ㄟ^分析影響黃花菜品質(zhì)的關(guān)鍵生育期、關(guān)鍵氣候因子，定量分析得到影響晉北黃花菜氣候適宜性的關(guān)鍵氣候指標(biāo)和閾值，基于農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)空間推算模型建立1 km×1 km的勻質(zhì)地理網(wǎng)格單元，以年代際劃分時間單元剖析了近40 a來晉北黃花菜關(guān)鍵生育期氣候因子的時空變化特征，并對晉北地區(qū)黃花菜進(jìn)行了氣候適宜性動態(tài)綜合評價，以期推動晉北地區(qū)黃花菜產(chǎn)業(yè)向更高層次、更高水平發(fā)展，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收，助力鄉(xiāng)村振興。

1 材料與方法

1.1 研究資料

晉北位于山西省的北部，海拔為518～3092 km，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季長且寒冷干燥，夏季短且炎熱多雨，春季的氣溫日較差大、風(fēng)沙多，秋季氣候溫和但短暫［26］。

黃花菜的品質(zhì)資料由大同市云州區(qū)黃花菜合作協(xié)會將黃花菜烘干樣品送往農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心通過品質(zhì)論證得到，本文選取2019—2021年云州區(qū)吉家莊鄉(xiāng)、周士莊鎮(zhèn)、瓜園鄉(xiāng)和許堡鄉(xiāng)等4個區(qū)域站黃花菜的氨基酸、蛋白質(zhì)、可溶性糖、粗纖維和維生素B2作為營養(yǎng)物質(zhì)的含量指標(biāo)。

2019—2021年云州區(qū)吉家莊鄉(xiāng)、周士莊鎮(zhèn)、瓜園鄉(xiāng)和許堡鄉(xiāng)4個區(qū)域站的逐日氣象資料來自山西省氣象信息中心，指標(biāo)包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、平均風(fēng)速。

1980—2010各年代際晉北28個國家站（圖1）的逐日氣象數(shù)據(jù)來自山西省氣象信息中心，指標(biāo)包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量。因五臺山海拔較高且與周圍氣候特征差異較大，本研究不予考慮。

圖1 大同研究區(qū)概況及各研究站點分布

1.2 方法

1.2.1 相關(guān)性分析、回歸分析、聚類分析、專家打分 （1）在統(tǒng)計學(xué)中，相關(guān)性分析是指對2個或多個具有相關(guān)性的變量進(jìn)行分析，從而衡量2個或多個變量因素的相關(guān)密切程度［27］。

（2）回歸分析是用于確定2個或2個以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法?；貧w分析按照涉及的變量數(shù)目，分為一元回歸和多元回歸分析；按照因變量的多少，可分為簡單回歸分析和多重回歸分析；按照自變量和因變量之間的關(guān)系類型，可分為線性回歸分析和非線性回歸分析［28］。

（3）聚類分析是一種將研究對象分為相對同質(zhì)的群組的統(tǒng)計分析技術(shù)，可通過數(shù)據(jù)建模簡化數(shù)據(jù)。聚類分析法包括系統(tǒng)聚類法、分解法、K-均值等。其中K-均值的思想是將每個樣品聚集到其最近的類別的附近［29］。

（4）專家打分法是指通過征詢有關(guān)專家的意見，并對專家意見進(jìn)行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，客觀綜合多數(shù)專家的經(jīng)驗與主觀判斷，對大量難以采用技術(shù)方法進(jìn)行定量分析的因素進(jìn)行合理估算，經(jīng)過多輪意見征詢、反饋和調(diào)整后進(jìn)行分析的方法［30］。

本文應(yīng)用SPSS軟件對2019—2021年4個區(qū)域站的營養(yǎng)物質(zhì)含量與逐日氣象觀測資料統(tǒng)計的氣候要素年平均值進(jìn)行相關(guān)性分析、回歸分析和K-均值聚類分析，以期找到影響黃花菜品質(zhì)的關(guān)鍵氣候因子。

1.2.2 黃花菜適宜性區(qū)劃氣候指標(biāo)及閾值 根據(jù)晉北黃花菜的生長發(fā)育特點，將其生育期分為苗期（4月1日—5月30日）、抽薹期（6月1日—6月30日）、開花期（7月1日—7月15日）和收獲期（7月16日—8月15日）等4個階段［24,31］。

1.2.3 農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)空間推算模型 晉北農(nóng)業(yè)氣候資源與其所處經(jīng)緯度、坡度和坡向等地形特征具有密切關(guān)系，然而站點氣象資料不能全面反映整個區(qū)域的氣候資源特征。因此，利用1980—2010各年代際晉北地區(qū)28個國家站的逐日氣象數(shù)據(jù)，通過多元回歸相關(guān)性分析建立小網(wǎng)格推算模型，將氣候要素分別與經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等相結(jié)合，同時考慮地形因子，并對氣候資料進(jìn)行格點化［32］。各指標(biāo)因子的推算公式見表1。

表1 晉北農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)空間的推算模型

2 結(jié)果與分析

2.1 晉北黃花菜關(guān)鍵生育階段氣象評估指標(biāo)

充分考慮大同地區(qū)黃花菜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣候資源的分布特征，以提高種植效益為最終目的，提出了晉北黃花菜的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)。選取全生育期總降水量、抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫、苗期平均最低氣溫、收獲期平均最高氣溫、收獲期日較差等5個氣候要素作為黃花菜農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃因子，按照適宜、較適宜和不適宜的適宜性種植指標(biāo)進(jìn)行分級。晉北黃花菜農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)及分級見表2。

表2 晉北黃花菜關(guān)鍵生育期氣候評估指標(biāo)

2.2 晉北黃花菜關(guān)鍵生育期關(guān)鍵氣候要素的年代際變化

2.2.1 苗期平均最低氣溫 1980—2010各年代際晉北黃花菜苗期的平均最低氣溫為-6.5～10.5 ℃。20世紀(jì)80年代黃花菜苗期平均最低氣溫適宜區(qū)（5.0～7.5 ℃）主要位于大同市云州區(qū)、朔州市中東部、忻州市中南部、西部局部地區(qū)。氣候變暖背景下1980—2010各年代際黃花菜苗期平均最低氣溫有升高的趨勢，適宜區(qū)表現(xiàn)為北擴(kuò)南縮，整體范圍縮小的趨勢（圖2）。

圖2 1980—2010各年代際晉北黃花菜苗期平均最低氣溫的分布

2.2.2 抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫 1980—2010各年代際晉北黃花菜抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫為250～1300 ℃。20世紀(jì)80年代黃花菜抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫適宜區(qū)（1050～1260℃）主要位于朔州市北部、忻州市中南部、西部局部地區(qū)。1980—2010各年代際黃花菜抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫適宜區(qū)范圍隨時間的年代際變化逐漸向北延伸，范圍不斷擴(kuò)大，至21世紀(jì)10年代擴(kuò)大至大同市中部，甚至位于北部的天鎮(zhèn)地區(qū)（圖3）。

圖3 1980—2010各年代際晉北黃花菜抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫的分布

2.2.3 收獲期平均最高氣溫 1980—2010各年代際晉北黃花菜收獲期的平均最高氣溫為13～32℃。20世紀(jì)80年代黃花菜收獲期的平均最高氣溫適宜區(qū)（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區(qū)。與抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫類似，收獲期平均最高氣溫適宜區(qū)隨時間的年代際變化向北延伸，到21世紀(jì)10年代擴(kuò)大至大同市中北部地區(qū)（圖4）。

圖4 1980—2010各年代際晉北黃花菜收獲期平均最高氣溫的分布

2.2.4 收獲期日較差 1980—2010各年代際晉北黃花菜收獲期日較差為6.5～14.0 ℃。20世紀(jì)80年代黃花菜收獲期日較差的適宜區(qū)（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區(qū)。20世紀(jì)90年代黃花菜收獲期日較差適宜區(qū)范圍明顯縮小，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、南部局部地區(qū)。2000 s和2010 s這2個年代際黃花菜收獲期日較差適宜區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，但中心位置基本保持不變（圖5）。

圖5 1980—2010各年代際晉北黃花菜收獲期日較差的分布

2.2.5 全生育期總降水量 1980—2010各年代際晉北黃花菜全生育期總降水量為195～450 mm。20世紀(jì)80年代黃花菜全生育期總降水量適宜區(qū)（290～375 mm）主要位于晉北西部、南部地區(qū)，適宜區(qū)范圍在20世紀(jì)90年代向北擴(kuò)展，21世紀(jì)00年代向南收縮，10年代又向北擴(kuò)展。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)10年代晉北大部分地區(qū)均屬于黃花菜全生育期總降水量的適宜、較適宜區(qū)（圖6）。

圖6 1980—2010各年代際晉北黃花菜全生育期總降水量的分布

2.3 晉北黃花菜氣候適宜性年代際變化

綜合上述5個關(guān)鍵氣候因子作用，晉北黃花菜氣候適宜性呈現(xiàn)出明顯的年代際變化特征。20世紀(jì)80年代晉北黃花菜適宜區(qū)主要位于大同市區(qū)的云州區(qū)南部、陽高縣北部、天鎮(zhèn)縣北部、朔州市南部一帶、忻州市西部和中南部地區(qū)，20世紀(jì)90年代氣候適宜區(qū)范圍擴(kuò)大，21世紀(jì)00年代明顯縮小，僅在大同市靈丘縣、忻州市代縣、忻府區(qū)、定襄縣等局部地區(qū)適宜種植黃花菜，21世紀(jì)10年代適宜種植區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，主要位于大同市區(qū)、天鎮(zhèn)縣、陽高縣、云州區(qū)，朔州市區(qū)、山陰縣及忻州市西部地區(qū)（圖7）。

圖7 1980—2010各年代際晉北黃花菜氣候適宜性的分布

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過對近40 a晉北黃花菜關(guān)鍵生育期氣候因子的時空變化特征的分析，得出影響黃花菜品質(zhì)的關(guān)鍵氣候因子包括：苗期平均最低氣溫、抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫、收獲期平均最高氣溫、收獲期日較差及全生育期總降水量。1980—2010各年代際晉北黃花菜苗期平均最低氣溫、抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫、收獲期平均最高氣溫適宜區(qū)主要位于大同市中南部—朔州市東北部、忻州市中南部和西部局部地區(qū)，收獲期日較差適宜區(qū)主要位于大同市中西部、朔州市、忻州市西部和南部地區(qū)，全生育期總降水量適宜區(qū)主要位于晉北西部、南部地區(qū)。

1980—2010各年代際晉北黃花菜苗期的平均最低氣溫適宜區(qū)北擴(kuò)南縮，范圍整體縮小，抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫、收獲期平均最高氣溫適宜區(qū)范圍北伸擴(kuò)大，收獲期日較差適宜區(qū)范圍20世紀(jì)90年代明顯縮小，21世紀(jì)00年代逐步擴(kuò)大，生育期總降水量適宜區(qū)范圍的變化特征為北擴(kuò)—南縮—北擴(kuò)。

在上述黃花菜關(guān)鍵氣候因子的綜合影響下，晉北黃花菜適宜區(qū)發(fā)生明顯的年代際變化。1980—2010各年代際晉北黃花菜適宜區(qū)主要位于大同市中南部、朔州市東部、忻州市的西部以及中南部地區(qū)，適宜區(qū)范圍發(fā)生變化為擴(kuò)大—縮小—擴(kuò)大。

3.2 討論

本文從黃花菜品質(zhì)的角度出發(fā)研究了影響晉北黃花菜適宜性的關(guān)鍵氣候因子及適宜區(qū)范圍年代際的變化特征，并對晉北黃花菜品質(zhì)的氣候適宜性影響進(jìn)行了評價。

黃花菜品質(zhì)是各關(guān)鍵氣候因子綜合作用的影響結(jié)果，只有各關(guān)鍵因子均適宜的區(qū)域才是黃花菜種植的適宜范圍，任何一個不適宜的氣候因子均會導(dǎo)致整個區(qū)域范圍不適宜黃花菜種植。21世紀(jì)00年代全生育期總降水量適宜區(qū)的范圍明顯縮小［33-34］，因此降水量成為了影響晉北黃花菜適宜種植的主要制約因子。

本文基于氣候條件的影響分析了晉北黃花菜的氣候適宜性，并未考慮當(dāng)?shù)氐耐寥酪蛩亍６笸械耐寥乐饕獮槿劳梁蜕叭劳?，尤其是大同市黃花菜核心產(chǎn)區(qū)的火山群對該區(qū)地形地貌、土壤、水體等具有重要影響，火山爆發(fā)有利于土壤中微量元素和養(yǎng)分的積累，同時使土質(zhì)疏松、增加土壤透氣性?；鹕饺河绊懴陋毺氐纳鷳B(tài)環(huán)境對于黃花菜種植無疑是天然的優(yōu)勢［6］，這有利于黃花菜營養(yǎng)物質(zhì)的積累和生產(chǎn)出特優(yōu)品質(zhì)黃花菜，在未來研究中應(yīng)予以關(guān)注。

大同地區(qū)氣候條件整體有利于黃花菜高營養(yǎng)物質(zhì)的積累，適宜黃花菜高品質(zhì)種植，其中云州區(qū)、大同市區(qū)及周邊范圍是黃花菜種植的最適宜區(qū)。未來應(yīng)考慮增加該區(qū)域黃花菜的種植范圍，充分利用氣候條件，從而實現(xiàn)高效種植和高質(zhì)量發(fā)展。