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.山西省氣象服務中心，山西 太原 030002）

黃花菜是極具營養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，可作為病后或產后的調補品［2］。中國是黃花菜的原產地之一，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區［4］，其中山西大同地區作為黃花菜的重要優勢產區之一［5］，其黃花菜產業歷史悠久、產品暢銷國內外，被稱為“中國黃花菜之鄉”［6］。目前，黃花菜已成為大同地區的特色經濟作物［6-7］，推動了當地的鄉村振興。國內外在黃花菜研究領域已取得一些成果，研究主要集中于黃花菜營養物質提取、生化特性作用分析［8-11］和黃花菜田間管理、配套栽培技術［12-15］及黃花菜病蟲害發生特點和防治措施［16-18］。歐麗蘭等［19］研究表明，黃花菜多糖具有較明顯的體內抗腫瘤活性，其機制可能與多糖能夠提高機體的免疫功能有關；秦喜悅等［20］總結了近年來國內外黃花菜主要活性成分的提取方法及其功能的研究，為相關產業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，提出了適宜當地的栽培方式和技術措施，為慶陽市黃花菜高產優產提出了合理、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退耕還林地黃花菜間作技術；周小陽［23］闡述了湖南祁東黃花菜病蟲害的發生特點，進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特征；李效珍等［24］分析了晉北黃花菜生育期內的氣候特征，研究表明其生育期內氣溫呈上升趨勢，降水、冰雹、日照時數呈減少趨勢；高志慧［25］通過對比黃花菜主產區營養品質的含量發現，云州區干黃花菜的可溶性蛋白含量為各產區中最多。

雖有少量研究分析了黃花菜生育期的氣候條件和營養物質成分特征，但鮮有研究將兩者結合，探究氣候條件與黃花菜營養物質含量的關系，分析影響黃花菜品質的關鍵生育期氣候要素，并分別從區域尺度、時間變化角度分析各關鍵期氣候要素的變化特征，進而對黃花菜氣候適宜性進行了動態綜合評價。基于此，本文通過分析影響黃花菜品質的關鍵生育期、關鍵氣候因子，定量分析得到影響晉北黃花菜氣候適宜性的關鍵氣候指標和閾值，基于農業氣候指標空間推算模型建立1 km×1 km的勻質地理網格單元，以年代際劃分時間單元剖析了近40 a來晉北黃花菜關鍵生育期氣候因子的時空變化特征，并對晉北地區黃花菜進行了氣候適宜性動態綜合評價，以期推動晉北地區黃花菜產業向更高層次、更高水平發展，從而實現農業增效、農民增收，助力鄉村振興。

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、風沙多，秋季氣候溫和但短暫［26］。

黃花菜的品質資料由大同市云州區黃花菜合作協會將黃花菜烘干樣品送往農業農村部農產品質量監督檢驗測試中心通過品質論證得到，本文選取2019—2021年云州區吉家莊鄉、周士莊鎮、瓜園鄉和許堡鄉等4個區域站黃花菜的氨基酸、蛋白質、可溶性糖、粗纖維和維生素B2作為營養物質的含量指標。

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

1980—2010各年代際晉北28個國家站（圖1）的逐日氣象數據來自山西省氣象信息中心，指標包括平均氣溫、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 大同研究區概況及各研究站點分布

1.2 方法

1.2.1 相關性分析、回歸分析、聚類分析、專家打分 （1）在統計學中，相關性分析是指對2個或多個具有相關性的變量進行分析，從而衡量2個或多個變量因素的相關密切程度［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系的一種統計分析方法。回歸分析按照涉及的變量數目，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的群組的統計分析技術，可通過數據建模簡化數據。聚類分析法包括系統聚類法、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專家的意見，并對專家意見進行統計、處理、分析和歸納，客觀綜合多數專家的經驗與主觀判斷，對大量難以采用技術方法進行定量分析的因素進行合理估算，經過多輪意見征詢、反饋和調整后進行分析的方法［30］。

本文應用SPSS軟件對2019—2021年4個區域站的營養物質含量與逐日氣象觀測資料統計的氣候要素年平均值進行相關性分析、回歸分析和K-均值聚類分析，以期找到影響黃花菜品質的關鍵氣候因子。

1.2.2 黃花菜適宜性區劃氣候指標及閾值 根據晉北黃花菜的生長發育特點，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 農業氣候區劃指標空間推算模型 晉北農業氣候資源與其所處經緯度、坡度和坡向等地形特征具有密切關系，然而站點氣象資料不能全面反映整個區域的氣候資源特征。因此，利用1980—2010各年代際晉北地區28個國家站的逐日氣象數據，通過多元回歸相關性分析建立小網格推算模型，將氣候要素分別與經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等相結合，同時考慮地形因子，并對氣候資料進行格點化［32］。各指標因子的推算公式見表1。

表1 晉北農業氣候區劃指標空間的推算模型

2 結果與分析

2.1 晉北黃花菜關鍵生育階段氣象評估指標

充分考慮大同地區黃花菜的農業生產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業氣候區劃指標。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業氣候區劃因子，按照適宜、較適宜和不適宜的適宜性種植指標進行分級。晉北黃花菜農業氣候區劃指標及分級見表2。

表2 晉北黃花菜關鍵生育期氣候評估指標

2.2 晉北黃花菜關鍵生育期關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80年代黃花菜苗期平均最低氣溫適宜區（5.0～7.5 ℃）主要位于大同市云州區、朔州市中東部、忻州市中南部、西部局部地區。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，適宜區表現為北擴南縮，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80年代黃花菜抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫適宜區（1050～1260℃）主要位于朔州市北部、忻州市中南部、西部局部地區。1980—2010各年代際黃花菜抽薹—收獲期大于5 ℃有效積溫適宜區范圍隨時間的年代際變化逐漸向北延伸，范圍不斷擴大，至21世紀10年代擴大至大同市中部，甚至位于北部的天鎮地區（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80年代黃花菜收獲期的平均最高氣溫適宜區（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。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隨時間的年代際變化向北延伸，到21世紀10年代擴大至大同市中北部地區（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80年代黃花菜收獲期日較差的適宜區（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。20世紀90年代黃花菜收獲期日較差適宜區范圍明顯縮小，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。2000 s和2010 s這2個年代際黃花菜收獲期日較差適宜區范圍逐步擴大，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80年代黃花菜全生育期總降水量適宜區（290～375 mm）主要位于晉北西部、南部地區，適宜區范圍在20世紀90年代向北擴展，21世紀00年代向南收縮，10年代又向北擴展。20世紀90年代和21世紀10年代晉北大部分地區均屬于黃花菜全生育期總降水量的適宜、較適宜區（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個關鍵氣候因子作用，晉北黃花菜氣候適宜性呈現出明顯的年代際變化特征。20世紀80年代晉北黃花菜適宜區主要位于大同市區的云州區南部、陽高縣北部、天鎮縣北部、朔州市南部一帶、忻州市西部和中南部地區，20世紀90年代氣候適宜區范圍擴大，21世紀00年代明顯縮小，僅在大同市靈丘縣、忻州市代縣、忻府區、定襄縣等局部地區適宜種植黃花菜，21世紀10年代適宜種植區范圍明顯擴大，主要位于大同市區、天鎮縣、陽高縣、云州區，朔州市區、山陰縣及忻州市西部地區（圖7）。

圖7 1980—2010各年代際晉北黃花菜氣候適宜性的分布

3 結論與討論

3.1 結論

通過對近40 a晉北黃花菜關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的關鍵氣候因子包括：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，收獲期日較差適宜區主要位于大同市中西部、朔州市、忻州市西部和南部地區，全生育期總降水量適宜區主要位于晉北西部、南部地區。

1980—2010各年代際晉北黃花菜苗期的平均最低氣溫適宜區北擴南縮，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范圍北伸擴大，收獲期日較差適宜區范圍20世紀90年代明顯縮小，21世紀00年代逐步擴大，生育期總降水量適宜區范圍的變化特征為北擴—南縮—北擴。

在上述黃花菜關鍵氣候因子的綜合影響下，晉北黃花菜適宜區發生明顯的年代際變化。1980—2010各年代際晉北黃花菜適宜區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，適宜區范圍發生變化為擴大—縮小—擴大。

3.2 討論

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

黃花菜品質是各關鍵氣候因子綜合作用的影響結果，只有各關鍵因子均適宜的區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致整個區域范圍不適宜黃花菜種植。21世紀00年代全生育期總降水量適宜區的范圍明顯縮小［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，并未考慮當地的土壤因素。而大同市的土壤主要為壤土和砂壤土，尤其是大同市黃花菜核心產區的火山群對該區地形地貌、土壤、水體等具有重要影響，火山爆發有利于土壤中微量元素和養分的積累，同時使土質疏松、增加土壤透氣性。火山群影響下獨特的生態環境對于黃花菜種植無疑是天然的優勢［6］，這有利于黃花菜營養物質的積累和生產出特優品質黃花菜，在未來研究中應予以關注。

大同地區氣候條件整體有利于黃花菜高營養物質的積累，適宜黃花菜高品質種植，其中云州區、大同市區及周邊范圍是黃花菜種植的最適宜區。未來應考慮增加該區域黃花菜的種植范圍，充分利用氣候條件，從而實現高效種植和高質量發展。