基于聚類分析的膠東半島蘋果種植氣候區劃

王冰 伯玥 姜如茵

摘要：為優化膠東半島蘋果種植布局，為膠東半島蘋果種植區氣候適宜性區劃做好基礎，以1959—2015年膠東半島蘋果種植區各氣象觀測站逐日氣象觀測數據為基礎，以與蘋果產量、品質形成密切相關的5月相對濕度、5月平均氣溫、7月相對濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時數、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等8個關鍵氣候因子作為區劃指標，采用系統聚類和兩維圖論聚類分析方法對該地蘋果適宜種植區重新進行了區劃。將膠東半島蘋果種植的生態條件劃分為4區。根據劃分的4個種植區，膠東半島24個蘋果種植區中的14地屬于適宜種植區，7地屬于一般適宜種植區。劃分結果能夠比較客觀地反映各栽培區內的相似性和區間的差異性，與目前膠東半島蘋果種植的分布和生產現狀比較一致。各地可在種植區劃的基礎上，結合生產管理方式和地方能力，綜合考慮優化蘋果種植布局。

關鍵詞：蘋果種植區;氣候因子;聚類分析;氣候區劃

中圖分類號： S162.2 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0134-04

膠東半島地形地貌以丘陵山地為主，熱量充足，秋季長，光照充足，年平均氣溫在12 ℃左右，年平均降水量為790 mm左右，無霜期200 d以上，是我國蘋果中、晚熟品種的最大商品生產區之一，其蘋果種植面積和產量約占全國的1/10。該產區果業科研技術能力較強，果農技術水平較高，且交通便利，鐵路、航運線路較發達，出口條件優越。但是，在擁有優質位勢資源的同時，包括冬春夏干旱、花期凍害、冰雹、秋季連陰雨等氣象要素的變化、氣象災害的發生都對當地蘋果等果品產量和品質有著不同程度的影響。如2015—2017年上半年的連續干旱和2017年夏季的強降水，在膠東半島出現旱澇急轉，嚴重影響了蘋果的產量和品質。加強對膠東半島蘋果種植氣候區劃的研究，對加強蘋果種植業對氣候變化導致的氣象災害的防御能力，更好地為種植業生產服務有著極為重要的指導意義。目前關于蘋果的氣候區劃研究較多，張磊等利用寧夏23個地面氣象臺站30年（1981—2010年）的氣象觀測資料，制定了寧夏晚熟高酸蘋果的氣候區劃指標及區劃原則[1]。李倩等利用遼寧52個氣象站點1981—2010年氣候資料和臺站地理信息，采用GIS技術對遼寧省紅富士蘋果開展了氣候區劃[2]。何可杰等利用GIS技術，在實現區劃指標空間化基礎上，完成了陜西省寶雞市蘋果氣候適宜性區劃[3]。這些研究主要集中在黃土高原蘋果種植區和環渤海種植區北部的遼寧省，目前關于山東省蘋果種植的氣候區劃研究較少，特別是環渤海種植區膠東半島地區的氣候區劃更是鮮見報道。本研究采用不同聚類分析方法，對膠東半島影響蘋果品質的8個關鍵氣候因子進行分析，并結合各地生產管理能力，對膠東半島蘋果種植區開展氣候區劃。研究結果可為生產管理部門合理化規劃蘋果產業提供參考，對提高當地蘋果產量品質也有較強的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

根據膠東半島蘋果主栽品種，結合前人研究成果，選取影響果實大小、硬度、果形指數、可溶性固形物、糖度、糖酸比的5月相對濕度、5月平均氣溫、7月相對濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時數、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等8個關鍵氣候因子[4-12]，然后選取膠東半島24個區、市的氣象觀測站（圖1）1959—2013年近55年的8個氣候因子的數據集。其中，部分氣象觀測臺站建站時間較短，將其建站前的數據使用克里金插值法[13-14]處理得出。

1.2 研究方法

本研究采用DPS 17.05數據處理系統對數據進行處理分析。

聚類分析是將物理或抽象對象的集合劃分為由類似的對象組成的多個類別的分析過程。其目標就是在相似的基礎上收集數據來分類。其方法較多，本研究選用系統聚類和兩維圖論聚類法進行分析。

系統聚類事先不用知道分類對象的分類結構，而只需要一批地理數據;然后選好分類統計量，并按一定的方法步驟進行計算;最后可以自然、客觀地得到完整的分類系統[15]。其步驟如下：首先根據樣本找出能度量這些數據相似程度的統計量;然后以統計量作為劃分類型的依據，把一些相似程度大的變量先聚合為一類，把相似程度小的變量聚合為另一類，直到所有的變量聚合完畢，最后根據各類之間的遠近關系，逐步畫成1張完整的分類系統圖，又稱譜系圖。其相似程度由距離或者相似系數定義，類別合并的準則是使得類間差異最大，而類內差異最小。兩維圖論聚類分析則主要考慮樣本的空間連接性和內部相似性，分區時采用加權連通圖表示[16-17]。使用聚類分析時，須要對樣本距離進行無量綱化處理，研究樣本間親疏程度的指標有相似系數和距離。常用距離和變換方法包括：閔科夫斯基距離（根據參數不同又分為曼哈頓距離、歐氏距離和契比雪夫距離）、蘭氏距離、馬氏距離、斜交空間距離[18-19]以及中心化變換、標準化變換、對數變換等[20-22]。

2 結果與分析

2.1 膠東半島蘋果種植區氣候區劃指標

選取5月相對濕度、5月平均氣溫、7月相對濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時數、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等影響果實大小、硬度、果形指數、可溶性固形物、糖度、糖酸比的8個關鍵氣候因子作為膠東半島蘋果種植氣候區劃指標，并進行分級（表1）。

2.2 氣候區劃結果

使用DPS數據處理系統對膠東半島24個區、市近55年的8個氣候因子進行聚類分析，方法包括系統聚類和兩維圖論聚類分析。

2.2.1 系統聚類 系統聚類的數據轉換方式使用中心化轉換，聚類距離使用歐氏距離，聚類方法使用最短距離法（a）、重心法（b）、可變類平均法（c）和中間距離法（d）進行分析，結果見表2、圖2。

結合圖2系統聚類對比來看，c和d的樣本次序一致性較好，均將24個樣本分成了4類，第1個類包括7個樣本（9，14，15，18，19，20，23）;第2類包括7個樣本（1，8，10，12，16，17，21）;第3類包括7個樣本（3，4，7，11，13，22）;第4類包括3個樣本（2，5，6）。即墨、煙臺、福山、蓬萊、招遠、棲霞和萊州7地為第1類，威海、嶗山、膠州、平度、萊陽、龍口和牟平7地為第2類，文登、乳山、青島、膠南、萊西、海陽和開發區7地為第3類，榮成、石島和成山頭3地為第4類。

2.2.2 兩維圖論聚類 將24個氣象觀測站的經緯度和相關氣象因子運用軟件進行處理。將2種聚類結果對比發現，兩維圖論聚類結果與系統聚類的分類結果能較好地相吻合，系統聚類中的分類見圖3。

2.2.3 分區結果 對影響膠東半島蘋果產量、質量的8個氣象因子進行聚類分析，結合指標特征和氣候特點，將膠東半島蘋果種植區劃分為最適宜、較適宜、一般適宜和不適宜4個區。

2.2.3.1 最適宜栽培區 該區主要分布在膠東半島中部，包括中部的棲霞、招遠、萊州，以及偏北的福山、蓬萊和偏南的即墨7地。5月平均相對濕度為56%～61%，7月平均相對濕度為77%～80%，5月平均氣溫為17.5～18.4 ℃，7月平均氣溫為24.7～25.7 ℃，8月降水量為141～198 mm，9月日照時數為218～249 h，9—10月降水量為89～112 mm，4—8月 ≥10 ℃ 活動積溫為2 973～3 260 ℃。該區丘陵山地較多，牙山、艾山、羅山等地海拔較高，形成的局地小氣候，晝夜溫差大，有利于凈光合效率的提高、糖分的積累、果實上色和品質的提高;降水分布適中，既保證了樹體營養積累充分，又保證了采摘后的存儲、運輸，是膠東半島最大的蘋果生產區。

2.2.3.2 較適宜栽培區 該區主要分布在膠東半島東南至東北沿線，包括威海、嶗山、膠州、平度、萊陽、龍口和牟平7地。5月平均相對濕度為61%～67%，7月平均相對濕度為79%～84%，5月平均氣溫為17.3～18.1 ℃，7月平均氣溫為24.3～25.7 ℃，8月降水量為133～189 mm，9月日照時數為211～230 h，9—10月降水量為89～128 mm，4—8月≥10 ℃活動積溫為2 914～3 112 ℃。該區氣候條件整體接近于最適宜栽培區，但濕度較大，易于孳生病蟲害，日照時間略短，不利于果實上色，采摘期降水偏多，不利于儲存和運輸。

2.2.3.3 一般適宜栽培區 該區包括文登、乳山、青島、膠南、萊西、海陽和開發區7地。5月平均相對濕度為64%～73%，7月平均相對濕度為82%～88%，5月平均氣溫為 16.3～17.9 ℃， 7月平均氣溫為23.9～25.3 ℃， 8月降水量為131～216 mm，9月日照時數為210～245 h，9—10月降水量為83～132 mm，4—8月≥10 ℃活動積溫為2 833～3 025 ℃。該區濕度較大，積溫較少，樹體病害逐漸加重，果實品質下降。

2.2.3.4 不適宜栽培區 該區主要分布在威海東部的榮成、成山頭、石島3地，地理位置接近。5月平均相對濕度位 70%～77%，7月平均相對濕度為88%～94%，5月平均氣溫為13.7～16.2 ℃，7月平均氣溫為21.4～24 ℃，8月降水量為 158～204 mm，9月日照時數為228～235 h，9—10月降水量為 122～142 mm，4—8月≥10 ℃活動積溫為2 417～2 798 ℃。該區水資源都比較豐富，但陰雨時間多，光照相對不足，果實著色相對較差。而且采摘期降水明顯偏多，生長期積溫明顯偏少，不利于優質果的形成。

3 討論與結論

本研究選擇與蘋果產量、品質形成密切相關的5月相對濕度、5月平均氣溫、7月相對濕度、7月平均氣溫、8月降水量、9月日照時數、9—10月降水量、4—8月≥10 ℃積溫等8個關鍵氣候因子作為區劃指標，結合蘋果生長發育指標，利用聚類分析方法，將膠東半島蘋果種植的生態條件劃分為4個區。劃分結果能夠比較客觀地反映各栽培區內的相似性和區間的差異性，與目前膠東半島蘋果種植的分布和生產現狀比較一致。

即墨、煙臺、福山、蓬萊、招遠、棲霞和萊州7地為蘋果最適宜栽培區，威海、嶗山、膠州、平度、萊陽、龍口和牟平7地為蘋果較適宜栽培區，文登、乳山、青島、膠南、萊西、海陽和開發區7地為蘋果一般適宜栽培區，榮成、石島和成山頭3地為蘋果不適宜栽培區。本研究從氣候適宜性方面來分析劃分蘋果種植區劃，實際上各地蘋果種植還要考慮當地土壤、地形、栽培條件和管理水平及地方政府的推廣力度、交通便利條件等綜合因素，因地制宜開展栽培。

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