中國橡膠樹氣候適宜度分布特征研究

佟金鶴, 劉少軍, 陳小敏, 李偉光

中國橡膠樹氣候適宜度分布特征研究

佟金鶴1, 2, *, 劉少軍1, 2, 陳小敏2, 3, 李偉光2, 3

1. 海南省氣象科學研究所，?？?570203 2. 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，?？?570203 3. 海南省氣候中心，?？?570203

選取氣溫、降水、光照、風速四個氣象要素, 應用氣候適宜度方法對中國橡膠樹的氣候適宜性進行定量評價。結果表明: 中國橡膠樹的氣候適宜度指數均低于0.8, 平均值為0.43, 變化趨勢普遍在±0.05 (10a)-1之間, 海南島的大部分地區為橡膠樹氣候適宜區, 廣東, 廣西和福建南部以及云南南部的部分地區為較適宜區; 降水適宜度均值為0.43, 趨勢值為-0.08—0.09 (10a)-1, 是中國橡膠樹適宜性的主要限制因素; 溫度適宜度平均值為0.59, 趨勢值在-0.04—0.25 (10a)-1之間, 是造成氣候適宜度空間分布差異的主要因素; 光照適宜度平均值為0.70, 變化趨勢均在±0.05 (10a)-1之間, 分布和變化的空間差異最小; 風速適宜度均值為0.71, 變化趨勢范圍為-0.34—0.28 (10a)-1, 區域性最強。

橡膠樹; 氣候適宜度; 隸屬度

0 前言

橡膠樹原產于南美洲亞馬遜流域, 是典型的熱帶樹種, 其生長發育和產膠量受溫度、降水、日照、風速等氣象條件影響明顯[1]。目前橡膠樹在我國海南、廣東、廣西、福建、云南均有種植, 其中海南和云南是主要產區[2]。我國橡膠種植區主要位于熱帶地區北緣, 因低溫、干旱、風災導致的非正常落葉、枝條枯死、爆皮流膠、斷枝等現象時有發生, 一定程度上威脅了橡膠的高產穩產[3]。

農作物的氣候適宜度是將溫度、光照、降水等氣象因子的數量變化定量轉化成對作物生長發育、產量形成、品質指標等的適宜程度[4-5]。目前, 氣候適宜度研究已廣泛應用于適宜性評價、產量預報、發育期預報、氣候風險評估、病蟲害發生發展氣象等級評估等方面[6—7]。研究的對象涵蓋了水稻、玉米、大豆、小麥、高粱、煙草、油菜、橡膠樹等多種作物, 如: 陳海生等從氣候、土壤、地形等三方面選取了17個評價指標, 應用層次分析、構建隸屬度函數等方法建立了煙草生態適宜性評價指標體系[8]; 為準確反映作物生長過程中的短時災害性天氣影響, 侯英雨等對相關參數進行了修訂, 建立了春玉米生長日時間尺度適宜度模型[9]。亦有研究根據歷史氣象資料或未來情景數據對氣候變化背景下作物適宜度的變化做出了總結, 對未來氣候適宜度分布和變化情況進行了預估[10-13]。在橡膠樹氣候適宜度領域, 劉少軍等和陳小敏等分別研究了海南島橡膠樹第一蓬葉期和割膠期的氣候適宜度分布及變化特征[14—15]。陳小敏等使用相關系數法分析了割膠期各月氣候適宜度的加權系數構成, 建立了橡膠樹割膠期的氣候適宜度評價指標[16]。此外, 亦有研究使用云理論、粗集理論、模糊神經網絡理論以及主成分分析方法等實現了橡膠樹的適宜性區劃[17-20]。

目前中國橡膠樹氣候適宜度研究主要集中于海南島地區, 研究生育期主要為第一蓬葉和割膠期。本研究擬在現有研究基礎上, 使用氣候適宜度方法, 定量評價中國橡膠樹全生育期內適宜度區域分布, 以期為橡膠樹的種植規劃、防災減災提供參考依據。

1 數據和方法

1.1 數據

根據中國熱帶作物種植業區劃, 確定中國橡膠樹種植的氣候適宜區研究范圍(圖1), 涉及云南、廣西、廣東、福建、海南五個省份, 總面積約為24.14× 104km2 [18]。1989—2018年73個測站逐日氣象數據來源于國家氣象信息中心《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集(V3.0)》, 包括氣溫、降水、日照時數、風速等要素。

圖 1 研究區范圍

Figure 1 Location of the study area

1.2 方法

首先選取對橡膠生長具有重要影響的溫度、降水、光照、風速四個主要影響因子計算逐月適宜度函數[14-16]。隨后以不同權重使用適宜度月值計算適宜度年值, 并以30年中適宜度年值的平均值表征測站的適宜度。具體方法如下:

月溫度適宜度S為逐日氣溫適宜度S的月平均值,S計算方法為:

其中:為平均氣溫(℃),T=15 ℃、T=39 ℃、T=26 ℃ 分別為橡膠生長的最低溫度、最高溫度和最適溫度[14]。

月降水適宜度S:

式中,S表示月降水量適宜度, 而 S為月降水日數適宜度。R=150 mm為月適宜降水量,為月降水量(mm)。d=10 d、d=16 d為橡膠月降水適宜日數的上限和下限,為月降水日數(d)[16]。

月光照適宜度S為逐日光照適宜度S的月平均值,S計算方法為:

式中為實際日照時數(h),=5.1為常數,S為日照百分率為55%的日照時數(h), 由測站經緯度及日序確定[14-16]。

月風速適宜度S為逐日光照適宜度S的月平均值,S計算方法為:

為日平均風速(m/s),W=1.9 m/s、W=2.9 m/s分別為橡膠適宜風速的下限和上限[14-16]。

逐月氣候適宜度S定義為:

式中,S、S、S、S分別為月溫度適宜度、月降水適宜度、月光照適宜度和月風速適宜度。

橡膠是多年生落葉喬木, 我國橡膠樹通常在每年的3、4月份生長第一蓬葉, 5月第一蓬葉生長完全穩定, 6月抽第二蓬葉, 8月抽第三蓬葉, 9、10月第三蓬葉完全穩定。11月氣溫下降, 橡膠自北向南逐漸進入越冬期, 12月—翌年2月, 橡膠樹停割處于越冬期。因此, 第一蓬葉期(3—4月)的氣象條件對橡膠樹生長及產量形成影響最大, 其次為5—11月, 而越冬期(12月—翌年2月)氣象條件對橡膠樹生長及橡膠產量影響相對較小。因此按照如下公式, 分別使用四個氣象因子和綜合氣候適宜度月值定義各自的適宜度年值:

式中*表示*對應月份的適宜度。

最后以30年適宜度平均值表征研究測站的橡膠樹氣候適宜度及氣溫、降水、光照、風速適宜度。

2 結果分析

2.1 橡膠樹氣候適宜度分布特征

使用0.2、0.4、0.6、0.8作為適宜度的閾值, 將研究區域劃分為不適宜、較不適宜、較適宜、適宜、高適宜等五個適宜性等級, 結果如下:

整體來看, 我國橡膠樹氣候適宜度均在0.8以下, 適宜區(適宜度0.8—0.6)主要位于海南島。較適宜區主要位于廣東, 廣西、福建南部以及云南南部部分地區。研究范圍中云南的大部分地區多年平均氣候適宜度<0.4, 不適合橡膠樹生長。

溫度適宜度基本呈現自南向北遞減的緯向分布形式(圖3—1): 海南島、雷州半島南部為高適宜區, 廣東、廣西南部以及云南西雙版納等區域為較適宜區, 其余地區橡膠樹溫度適宜度較低, 在0.6以下。適宜度<0.4的較不適宜區和不適宜區主要位于云南省境內。

降水適宜度整體較低, 普遍<0.6(圖3—2)。研究區域中云南大部分地區、海南島西南部、福建和兩廣沿海地區降水適宜度均較低。海南島的大部分地區、以及位于福建、廣西、廣東的研究區域為橡膠樹降水較適宜區和適宜區。

圖2 橡膠樹年平均氣候適宜度

Figure 2 Average annual climate suitability of rubber trees

圖3 橡膠樹年均溫度(1)、降水(2)、光照(3)、風速(4)適宜度

Figure 3 Average annual suitability of temperature (1) precipitation (2) sunshine duration (3) and wind speed (4) of rubber trees

橡膠樹光照適宜度整體較高, 高適宜區零星分布在海南和云南(圖3—3)。其余研究區域普遍為橡膠樹光照的適宜區, 空間差異很小。

風速的適宜度整體較高, 適宜度低值區主要位于東南沿海、云南山區、以及海南島西部地區(圖3—4)。海南島中部, 福建、廣東、廣西內陸地區以及云南西南部為風速高適宜區。

2.2 橡膠樹氣候適宜度空間統計特征

為分析中國橡膠樹氣候適宜度的整體特征, 計算四個氣象要素及氣候適宜度在空間上的均值和標準差(表1), 并結合圖2、圖3可以看出, 我國華南地區橡膠氣候適宜度整體較低(0.43), 四個要素中降水適宜度最低(0.43), 次低為溫度適宜度(0.59), 而光照適宜度和風速適宜度相對較高(分別為0.70和0.71)。適宜度標準差表征了該物理量在空間上的差異。結果顯示, 研究范圍內的光照適宜度空間差異最小, 溫度和風速適宜度的空間差異較大。

偏相關系數是在對其他變量的影響進行控制的條件下, 衡量多個變量之間的線性相關程度的指標。為分析氣候適宜度和四個氣象要素的相關關系, 使用MATLAB中的partialcorr()函數分別計算了四個要素與氣候適宜度的偏相關系數(如表1)。結果顯示, 溫度適宜度和氣候適宜度的偏相關系數最大, 均值達到0.78, 而光照和風速適宜度偏相關系數很小, 僅為0.12和0.09。可以說明, 氣候適宜度的空間差異主要是由溫度適宜度的差異導致, 降水的空間差異亦有一定影響, 但影響程度小于溫度, 而光照和風速分布對氣候適宜度的空間差異影響很小。

2.3 橡膠樹氣候適宜度時間變化特征

計算橡膠樹適宜度在1989—2018年間年際變化線性趨勢, 結果如下:

我國橡膠樹氣候適宜度以升高為主, 整體變化較小, 線性傾向率普遍在±0.05(10a)-1之間。橡膠樹適宜度升高明顯的地區主要位于云南和福建。

圖5為橡膠樹溫度、降水、光照、風速等四個氣象因子在研究時段內適宜度的變化趨勢。從中可以看出溫度和風速適宜度變化較為明顯, 光照適宜度變化較小。

表1 橡膠樹適宜度的均值、方差及相關關系

圖4 1989—2018年橡膠樹氣候適宜度變化趨勢(10a)-1

Figure 4 Trend of climate suitability of rubber trees in 1989-2018 (10a)-1

圖5 1989—2018年橡膠樹橡膠樹溫度(1)、降水(2)、光照(3)、風速(4)適宜度變化趨勢(10a)-1

Figure 5 Suitability trends of temperature(1) precipitation(2) sunshine duration (3) and wind speed (4) of rubber trees in 1989—2018 (10a)-1

研究區域內橡膠樹溫度適宜度變化趨勢在-0.04— 0.25 (10a)-1之間, 其中云南西南部地區升高最為明顯, 其余地區溫度適宜度變化不明顯, 趨勢值集中在±0.05 (10a)-1之間。降水適宜度變化范圍在-0.08—0.09 (10a)-1之間, 除云南北部地區外, 其余區域降水適宜度均呈增高趨勢, 增高幅度較小, 普遍在0.05 (10a)-1以下。光照變化趨勢的變化范圍最小, 全區域的趨勢值均在±0.05 (10a)-1之間。風速適宜度變化趨勢的區域性最強, 變化區間為-0.34—0.28 (10a)-1, 降低區域主要位于廣東, 升高區域主要位于云南、廣西和海南, 其中云南地區風速適宜度升高程度最大。

3 討論

中國天然橡膠樹種植區位于熱帶地區北緣, 相較于原生地, 其生長受到溫度、降水等氣象因子的制約, 要規避不利氣候條件, 充分利用氣候資源, 實現天然橡膠的高產穩產, 應首先做好宜林地規劃。本研究選取溫度、降水、光照、風速等四個氣象因子, 使用基于隸屬度的氣候適宜度量化方法, 對中國天然橡膠樹的氣候適宜度展開了研究。

氣候適宜度的研究過去主要集中在水稻、玉米、小麥等大宗一年生作物上, 在天然橡膠樹等多年生木本植物中應用較少?，F有橡膠樹氣候適宜度研究主要集中在海南島地區, 其研究的生育期多為第一蓬葉期和割膠期等個別重要生育期。本研究在現有基礎上擴大研究區域至中國可開展橡膠種植的區域, 涉及云南、海南、廣東、廣西、福建五個省份, 總面積約為24.14×104km2; 同時根據橡膠樹不同生育期氣象因子影響程度對逐月氣候適宜度賦予不同的權重, 得到了可綜合評價全年氣象條件的的氣候適宜度年值, 更為全面地反映了中國天然橡膠樹的適宜度分布。在研究時段內, 橡膠樹氣候適宜度整體升高, 溫度適宜度普遍升高, 云南、海南等地風速適宜度升高明顯, 降水適宜度普遍升高, 這與上述區域氣溫上升、風速減弱、降水增多的氣候變化情形一致[21]。上述研究的成果可用于指導中國天然橡膠種植生產布局和品種結構調整, 避免因追求經濟利益而盲目擴種造成不必要的損失。

然而, 在建立氣候適宜度指標時, 主要參考了相關文獻, 未經試驗觀測數據驗證, 未考慮不同的樹種主導氣候因子及其氣候閾值的差異性, 且該指標不能充分反映臺風等短時強不利氣象條件影響, 評價的指標尚需進一步完善。此外, 橡膠樹的生長、產量形成除受氣象因素影響外, 很大程度上還是種植環境、田間管理、經濟效益等因素綜合影響的結果。這些均有可能導致適宜度評價結果與生產實際的差異。

4 結論

(1) 中國橡膠樹氣候適宜度整體水平較低, 均值為0.43, 氣候適宜度指數均<0.8, 適宜度指數0.6—0.8的適宜區主要位于海南島, 氣候適宜度指數0.4—0.6的較適宜區主要分布于廣東, 廣西和福建南部以及云南南部的部分地區。

(2) 在選取的四個氣象因子中, 橡膠樹降水和溫度適宜度最低, 平均值分別為為0.43和0.59, 是中國橡膠樹種植業發展的主要限制因素; 光照適宜度均在較適宜和適宜區間內, 空間差異最小, 均值為0.70; 風速的平均適宜度最高為0.71, 在山區、沿海地區有明顯的低值區。

(3) 橡膠樹溫度適宜度與氣候適宜度偏相關系數為0.78, 是造成橡膠氣候適宜度空間差異的最主要因素, 其次為降水偏相關系數0.54。光照和降水對氣候適宜度空間差異的貢獻較小。

(4) 研究時段內我國橡膠樹氣候適宜度以升高為主, 變化程度較小, 普遍在±0.05 (10a)-1之間。橡膠樹適宜度升高地區主要位于云南南部和西南部。溫度適宜度普遍升高, 升高趨勢最高可達0.25 (10a)-1。降水適宜度普遍降低, 降低幅度在云南可達-0.08 (10a)-1以下。光照變化范圍最小, 全區域的線性趨勢值均在±0.05 (10a)-1之間。風速適宜度區域性最強, 變化區間為-0.34—0.28 (10a)-1, 降低區域主要位于廣東省境內, 升高區域主要位于云南、廣西和海南, 其中云南是風速適宜度升高最為明顯的區域。

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Study on the variation characteristics of rubber trees climate suitability in China

TONG Jinhe1, 2,*, LIU Shaojun1, 2, LI Weiguang2, 3, CHEN Xiaomin2, 3

1.Institute of Meteorological Science of Hainan Province, Haikou 570203, China 2. Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 3. Climate Center of Hainan Province, Haikou 570203, China

Four meteorological elements (air temperature, precipitation, sunshine duration and wind speed) were selected to quantitatively evaluate the suitability of Chinese rubber trees with the method of climate suitability. The results show that the climate suitability index of rubber trees in China is generally lower than 0.8; average is 0.43 and the trend is generally between ±0.05 (10a)-1. Most of Hainan Island is suitable for rubber trees; Guangdong, Guangxi, southern Fujian and parts of southern Yunnan are relatively suitable. The mean value of precipitation suitability is 0.43, which is the main limiting factor for the suitability of Chinese rubber trees, and its trend value ranges from -0.08 to 0.09 per decade. The average of temperature suitability is 0.59, and its trend value ranges from -0.04 to 0.25 per decade, which is the main factor for the spatial distribution differences of climatic suitability. The mean value of sunshine duration suitability is 0.70, and its variation trend is between ±0.05 per decade, with the smallest spatial differences in distribution and variation. The average of wind speed suitability is 0.71, its variation trend range is -0.34-0.28 (10a)-1, and its regional character is the most evident.

rubber trees; climatic suitability; membership degree

佟金鶴, 劉少軍, 陳小敏, 等. 中國橡膠樹氣候適宜度分布特征研究[J]. 生態科學, 2021, 40(1): 162–168.

TONG Jinhe, LIU Shaojun, CHEN Xiaomin, et al. Study on the variation characteristics of rubber trees climate suitability in China[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 162–168.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.021

P464

A

1008-8873(2021)01-162-07

2020-01-10;

2020-04-02

國家自然科學基金項目(41765007); 國家自然科學基金項目(41465005); 2019年海南省基礎與應用基礎研究計劃(自然科學領域)高層次人才項目(2019RC359)

佟金鶴,(1990—), 女, 碩士, 工程師;主要從事橡膠氣象服務研究, E-mail: tongjinhesuns@163.com