谭 琨，査思含，霍 伟，胡起源，张威仪，孙丹峰，伦 飞

（中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193）

苹果是世界四大水果之一，中国已成为世界苹果生产和消费第一大国。水分供需不平衡已成为限制苹果产业发展的关键因素之一，并可能造成土壤深层干化等问题，阻碍了苹果产业的可持续发展[1-3]。随着我国苹果产业布局的不断调整，苹果生产及其需水量情况发生了巨大的改变。与此同时，我国人均水资源量仅占全球平均水平的25%，是全球严重缺水的国家之一[4]。因此，研究我国苹果生产及其需水量时空演变特征，对促进我国苹果产业可持续发展和缓解区域水资源压力，具有重要意义与价值。

近年来，国内外学者对棉花、大豆、水稻、小麦和玉米等农作物种植的时空演变特征[5-8]，开展了一定的研究。例如，马春玥等[9]分析了我国棉花生产的时空动态变化表明，棉花种植面积主要经历了5个阶段，其产量和单产呈上升趋势；
刘珍环等[10]研究了中国县域近30年水稻、小麦、玉米和大豆等粮食作物种植结构时空变化情况，并指出我国粮食作物已经由以水稻为主，转变为水稻、小麦和玉米共存的格局。此外，随着水足迹概念的提出，研究农作物生产的水资源需求已成为学术界热点之一。例如，Zhuo等[11]对中国各地作物生产和消费的绿水和蓝水足迹进行了研究，并指出作物产量的提高有助于减少全国人均作物耗水量；
吴普特等[12]对我国西部6省10种主要作物生产的水资源需求总量进行了评价，并探讨了实体水—虚拟水耦合流动过程；
卓拉等[13]量化了2000—2014年黄河流域作物生产的单位水足迹，并分析了实体水—虚拟水耦合流动的时空演变规律及其驱动力情况。

随着人们逐渐认识到水果对健康的重要性，水果的需求量越来越大，尤其是具有丰富营养价值的苹果，因此，国内外学者针对苹果种植、产业发展、生产潜力评价、生产布局、出口贸易等方面开展了一定的研究[14-16]。例如，王彩峰等[17]分析了1978—2015年山东省苹果种植面积的时空演变特征；
常倩等和孟子恒等[18,19]分别研究了2000年以来我国的苹果产业发展趋势和苹果产业集聚对苹果产业经济增长的影响；
刘园等[20]以西南冷凉高地云南昭通为例，开展了苹果气候生产潜力评价；
刘天军等、张聪颖等和张强强等[21-23]对苹果主产区生产布局变迁及影响因素、苹果生产区域变迁和生产集中化水平的演进趋势进行了研究；
苏珊珊等[24]研究了1992—2017年全球的苹果贸易网络结构特征及中国地位变迁。尽管国内外学者们对苹果生产时空演变特征开展了一定的研究，但针对国家尺度上苹果生产时空演变特征的研究相对较少，也缺少探讨苹果种植的资源环境压力情况。

与其他农作物相比，苹果生产的需水量相对较高，大面积种植果园在一定程度上会对当地水资源产生影响[25]，尤其是苹果种植规模的无序扩张和集约化强度的增加，会进一步加大当地水资源压力[26,27]。与此同时，水资源又是限制苹果单产增加和质量提高的一个重要因素[28]。因此，通过研究我国苹果种植水资源需求的演变特征，能够为苹果种植水资源管理和效率提高提供建议，从而更好地实现苹果产业提质增效和当地水资源的可持续利用。

综上所述，基于1980—2018年全国及各省苹果生产（面积、产量、单产）和苹果生产单位水足迹数据，文章从全国、苹果主产区和省域3个尺度，对我国苹果生产时空演变特征进行了深入研究，并分析了其水资源需求情况，以期为苹果生产布局优化调整、产业可持续发展和苹果生产水资源管理策略制定提供参考。

1.1 研究区概况与数据来源

该文根据国家现代苹果产业体系苹果区划方案，以省级行政单元为边界，将中国苹果生产区划分为五大产区[22]（图1），共包括23个省（市、自治区）：渤海湾产区（山东、河北、辽宁、天津、北京）、黄土高原产区（陕西、甘肃、山西、宁夏、青海）、黄河故道产区（河南、安徽、江苏）、西南冷凉高地产区（四川、云南、贵州、西藏）和特色产区（内蒙古、黑龙江、吉林、湖北、重庆、新疆）。

图1 中国苹果产区空间分布

该文选取的1980—2018年苹果种植面积、产量和单产数据来源于1980—2018年《中国农村统计年鉴》和我国各地的统计年鉴；
1980—2009年中国各省苹果生产单位水足迹来源于water footprint network的卓拉等[11]的研究成果（https://waterfootprint.org/en/）。前人对全国不同地区苹果生产水足迹研究到2009年[11]，且分析1980—2009年的各地单位水足迹变化情况可知，随着我国苹果生产技术的提高，其单位水足迹在2000年后基本处于相对稳定的状态，因此，该文以2009年的各地单位水足迹作为其2010—2018年的单位水足迹。

1.2 研究方法

1.2.1 苹果生产单位水足迹

作物生产水足迹包括蓝水足迹和绿水足迹，分别是指作物生产对灌溉水和降水的实际消耗量，其能够有效表达蓝水与绿水相互制约与影响[13,29]。因此，该文的苹果生产单位水足迹为单位蓝水足迹和单位绿水足迹之和。卓拉等[11,13]以5弧分栅格为空间计算单元，运用联合国粮农组织（FAO）开发的作物水分生产力模型AquaCrop，区分灌溉和雨养条件，计算作物每日蓝、绿水腾发量及作物单产，以省尺度统计数据分别对各省所属栅格点综合加权单产水平进行校核，从而获得各作物全国不同地区的逐年生产水足迹，其中包括苹果生产的不同年份的全国各地的单位蓝水足迹和绿水足迹，计算公式为：

式（1）中，Si和Si-1为第i天和第i-1天土壤含水量，mm；
Ri为第i天降水量，mm；
Ii为第i天灌溉量，mm；
Gi为地下水毛细上升量，mm；
Ei为第i天蒸发量，mm；
Oi为第i天地表径流量，mm；
Di为第i天深层渗透量，mm。

式（2）（3）中，Sg[i]和Sb[i]为第i天土壤的绿水和蓝水量，mm；
Sg[i-1]和Sb[i-1]为第i-1天土壤的绿水和蓝水量，mm；
S[i-1]为第i-1天土壤的总含水量。

式（4）（5）中，n为灌溉方式（地面灌、喷灌、微灌）；
UWFg和UWFb为苹果生产的单位绿水足迹和蓝水足迹，m3/t；
Eg,n[i]和Eb,n[i]为n灌溉方式的第i天的绿水和蓝水蒸发量，mm；
UPn为n灌溉方式的苹果单产，t/hm2；
wn为n灌溉方式的灌溉面积比重。

1.2.2 苹果生产水资源需求量

该文的苹果生产需水量根据苹果生产的单位水足迹（包括单位蓝水足迹和绿水足迹）和产量获得，全国、苹果主产区和省域3个尺度不同年份的水资源需求量均根据其具体的苹果生产的单位水足迹和产量进行核算。因此，苹果生产水资源需求量计算公式为：

式（6）中，WPapple为苹果生产需水量（亿m3）；
AY为逐年苹果产量（万t）。

2.1 中国苹果生产分析

中国苹果种植面积在1980—2018年里大致经历了稳定发展（1980—1985年）、快速增长（1985—1996年）、迅速下降（1996—2004年）、缓慢增长（2004—2015年）、略有下降（2015—2018年）5个阶段（图2）。尽管1980—2018年我国苹果种植面积变化较大，但随着生产技术的提高，其单位面积产量不断提高，这使得我国苹果总产量呈不断增加趋势。具体而言：稳定发展阶段（I）：中国苹果产量、单产和种植面积均略有增加，但增加并不明显，这一时期以粮食生产为主，且苹果生产水平较低。快速增长阶段（II）：苹果生产需要一定的挂果期，这使得我国苹果总产量增长略滞后于其种植面积的增加；
在1991年之前，尽管苹果单产略有减少，但由于种植面积的增加，使得苹果产量略有增加；
而1991年之后，我国苹果单位产量不断提高，且我国苹果种植面积不断增加，使得我国苹果产量在这段时期增加了大约3倍。迅速下降阶段（III）：由于苹果生产发展迅速（阶段II），苹果产量供过于求，与此同时，这一期间粮食安全政策的实施及政策的滞后效应[21]，使得这一时期我国苹果种植面积减少，但由于我国苹果生产投入的增加与技术管理水平的提高，使得其单位面积产量增加了38.73%，这使得我国苹果产量持续增加。缓慢增长阶段（IV）：这一时期，我国苹果种植面积、单产和总产量均有所增加，且苹果产量增加速率远高于其种植面积的增加，这表明我国苹果单产的增加贡献值已远超其种植面积的增加。略有下降阶段（V）：在这一时期，我国苹果种植面积有所减少，而单位产量则略有波动，使得我国苹果总产量略有下降，这与我国苹果产业布局调整和苹果园更新有关。

图2 1980—2018年中国苹果面积、产量和单产变化

2.2 中国苹果生产需水量分析

1980—2018年随着管理技术与水资源利用效率的提升，我国苹果生产的单位水足迹呈明显下降趋势，而我国苹果产量不断增加，这使得我国苹果生产需水量总体呈“先增加后减少”的“倒U型”趋势（图3）。稳定发展阶段（I）：我国苹果产量略有增加，但其单位水足迹有所降低，这使得我国苹果生产的需水量整体有所下降。快速增长阶段（II）：我国苹果生产的单位水足迹呈下降趋势，但苹果产量先略有增加后快速上升，这使得苹果需水量虽总体上升，但呈现出一定的波动性；
1985—1989年苹果产量略有增加，但苹果生产的单位水足迹快速上升，这使得我国苹果需水量迅速上升，大约增加了2倍左右；
1989—1991年，苹果产量基本不变，但单位水足迹迅速下降，使得我国苹果需水量快速下降；
而1991年之后，苹果生产的单位水足迹下降，但苹果产量迅速增加，这使得我国苹果生产需水量进一步增加，且需水量在1994年时达到最大值（276.39亿m3）。迅速下降阶段（III）：这一时期，我国苹果产量虽有所增加，但单位水足迹下降明显，使得我国苹果生产的需水量持续下降，其年均下降率为4.33%。缓慢增长阶段（IV）：在这一时期，我国苹果生产的单位水足迹有所下降，但苹果产量持续增加，这使得我国苹果生产需水量略有增加，大约增加了24.77亿m3。略有下降阶段（V）：我国苹果产量及单位生产水足迹都略有下降，使得我国苹果生产的需水量呈下降趋势，这与我国苹果种植生产技术、灌溉方式及水平和水资源利用效率的提高有一定的关系。

图3 1980—2018年中国苹果生产水足迹及需水量

2.3 苹果主产区尺度的苹果生产时空动态变化特征

1980—2018年我国五大苹果产区的苹果种植面积、单产和产量发生了一定变化，且呈现出不同的变化趋势（图4）。具体而言：1980—2018年渤海湾产区苹果种植面积呈“先增加后减少”的趋势，但其产量呈不断增加的趋势，由于其他产区苹果种植的增加，使得其所占比重明显下降，2018年渤海湾产区苹果面积和产量分别占全国的27.00%和36.11%。由于其适宜的种植条件以及退耕还林草、种植结构调整、区域经济发展等战略，黄土高原产区的苹果种植面积不断增加，2004年黄土高原产区已经成为我国苹果种植面积最大的产区，2018年占全国总面积的52.01%；
然而，黄土高原产区相对较差的自然资源条件，使得其单产远低于渤海湾产区，使得其产量在2018年时占全国总产量的43.21%。黄河故道产区拥有相对丰富的资源条件，近年来随着生产技术的提高，使得苹果单产增加较快，2018年达到了28.11 t/hm2，大约为西南冷凉产区的2.5倍。近年来，随着西南冷凉高地产区生产条件的改善、大力发展高原特色农业产业和乡村振兴战略的实施，使得其近年来苹果种植面积不断增加，其种植面积由1980年的2.89万hm2增加到11.65万hm2，但其生产条件仍相对较差，单产相对较低，如何更好地优化果园种植技术和管理方式，提高苹果单产水平，是当地苹果产业发展急需解决的关键问题之一。与此同时，由于特色产区优质的果品、生产水平的提高和农业经济发展战略导向，且苹果市场价格和经济效益较高，我国特色产区种植面积增加，其产量也不断增加，2018年产量达到了197.70万t，尽管其产量仍远低于渤海湾产区和黄土高原产区，但其未来具有较大的发展潜力。

图4 1980—2018年中国苹果产区苹果面积、产量和单产

2.4 省份尺度的苹果生产时空动态变化特征

1980—2018年我国各地的苹果种植面积、单产和产量发生了很大变化，且空间差异存在较大的显著，这与当地的社会经济发展、种植管理水平、自然资源条件有着密切的联系（图5、6、7）。具体而言：陕西省相对适宜苹果种植的气候条件、苹果产业高质量发展战略的推动和良好的经济效益，这使得其种植面积不断增加，2003年已经成为我国苹果种植面积最大的省份，2018年种植面积占全国总面积的30.83%；
然而，由于资源条件和管理水平的相对较差，陕西省的苹果单产相对较低，使得其2018年产量占全国的25.71%。山东省是我国重要的苹果生产基地，其种植面积呈现“先增加后减少”的趋势，到2018年占全国总面积的13.31%，而其较高的单产水平，使得山东省苹果总产量达到了952.2万t，仅次于陕西省（1 008.7万t）。此外，渤海湾产区的辽宁和河北、黄土高原产区的甘肃和山西、黄河故道产区的河南、西南冷凉高地产区的云南、特色产区的新疆的苹果种植面积和产量也相对较大；
尤其是特色产区的新疆和西南冷凉高地产区的云南、四川，近几年苹果种植面积迅速增加，且单产水平不断提高，已成为我国重要的苹果生产基地，这主要与其独特的气候条件、区域产业及经济发展战略和乡村振兴战略的实施有关。此外，青海、西藏、湖北、重庆和贵州的苹果面积相对较少，单产也相对低，其苹果产业呈现不断萎缩的趋势。

图5 1980—2018年中国苹果面积空间变化

图6 1980—2018年中国苹果产量空间变化

图7 1980—2018年中国苹果单产空间变化

2.5 苹果生产需水量时空演变特征

1980—2018年中国各地的苹果生产需水量空间差异很大，但需水量较大的主要集中在山东、河北、辽宁、陕西、甘肃、山西和河南等7个苹果主产省，共占全国总需水量的90%以上（表1、2）。1980—2018年我国渤海湾产区苹果单位水足迹呈明显下降趋势，但仍高于其他苹果主产区的单位生产水足迹；
尽管渤海湾产区苹果生产的需水量比重不断下降，但高于其他产区，2018年仍占全国总需水量的49.53%，其中辽宁、山东和河北苹果生产的需水量均超过了24亿m3。尽管黄土高原产区的单位水足迹相对较低，但其果园种植面积的不断扩大和产量的不断提高，使得这一区域的苹果生产需水量由1980年的3.87亿m3增加到2018年的52.85亿m3，占全国总生产需水量的32.18%，其中陕西和山西的用水量相对较大，这与其气候干旱、灌溉方式不科学和水资源利用率低有关。黄河故道产区苹果单位水足迹呈下降趋势，但其苹果产量不断增加，这使得黄河故道产区的苹果生产需水量呈“先增加后下降”的趋势，到2018年时达到了21.04亿m3，其中河南苹果需水量最大，占黄河故道产区的91.31%，主要是河南苹果产量大、气候干旱和农业用水效率低。西南冷凉高地产区苹果单位水足迹最小，但其近年来种植面积和产量迅速增加，这使得西南冷凉高地产区苹果生产需水量呈不断增加的趋势，2018年苹果生产需水量达到了2.44亿m3，其中云南和四川均已超过了1亿m3，这还与其地形地貌（喀斯特岩溶）、灌溉技术和果园管理水平有一定的关系。特色产区苹果生产单位水足迹明显减少，但由于新疆近年来大力发展苹果产业，其苹果产量不断上升，这使得特色产区苹果生产需水量由1980年的2.21亿m3增加到2018年的6.56亿m3，其中新疆所占比重最大，在2018年达到了61.33%；
作为特色产区最重要的苹果生产地，新疆水资源相对短缺，如何更好地实现区域水资源高效利用与苹果产业不断发展，已经成为当地苹果产业发展急需解决的关键问题。

表1 1980—2018年中国苹果生产需水量变化 亿m³

表2 1980—2018年中国苹果生产单位水足迹及其需水量比重 m³/t、%

3.1 结论

基于1980—2018年我国苹果生产和单位水足迹数据，该文从全国、苹果主产区和省域3个尺度，对我国苹果生产及其需水量进行时空演变特征研究，主要结论如下。

（1）中国苹果生产发展经历了稳定发展、快速增长、迅速下降、缓慢增长、略有下降等5个阶段，但随着生产技术的提高，其单位面积产量不断提高，这使得我国苹果总产量呈不断增加趋势，我国苹果生产水平得到优化提升。

（2）中国苹果生产的单位水足迹总体呈下降趋势，但全国苹果生产需水量呈现出“先增加后减少”的“倒U型”趋势。

（3）我国五大苹果产区的苹果种植面积、单产和产量均发生了明显变化，且各区域之间存在明显的差异，其中黄土高原产区已经取代渤海湾产区，成为我国苹果种植和生产最重要的产区，而近几年来，西南冷凉高地和特色产区苹果种植和产量迅速增加。

（4）中国各地的苹果生产需水量空间差异很大，但山东、河北、辽宁、陕西、甘肃、山西和河南等7个苹果主产省已占全国总需水量的91.60%。尽管渤海湾产区苹果生产需水量比重下降明显，但仍占全国苹果生产需水量的一半左右；
随着黄土高原苹果产业地不断发展，其需水量不断增加，而其他3个产区的苹果生产需水量则相对较少。

3.2 讨论

经过近40年的变化发展，我国苹果生产得到了迅速发展，然而在气候变化和水资源日益短缺的严峻形势下，厘清中国苹果生产及其需水量的时空演变特征，对于提高苹果产业发展、优化苹果产业布局、提高资源利用效率、缓解当地资源环境压力具有重大的实际意义。因此，该文梳理划分了我国苹果生产发展的5个阶段，这与果园合理水分管理提供依据[25,30]，也能为其他水果品种产业发展提供借鉴作用。然而，该文由于数据资料等方面的原因，缺少探讨与气候条件的分析，也缺少从空间栅格尺度上进行分析；
此外，苹果生产及需水量的演变是自然、社会经济和环境生态共同耦合作用的结果，在未来的研究中需要从多个视角，并运用系统科学方法进行定性和定量的综合研究。

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