基于氣候適宜度的橡膠樹產膠年景預測模型

劉少軍 佟金鶴 陳小敏 李偉光

摘? 要：為準確評估不同橡膠樹種植區的年產膠潛力的變化，根據2000—2015年遙感和氣候數據，分別建立了橡膠產量氣象影響指數和橡膠樹氣候適宜性指數序列，通過統計分析和利用ArcGIS空間分析功能，研發了基于年綜合氣候適宜度指數的橡膠樹產膠年景評估模型，模型空間分辨率1 km×1 km，實現了橡膠樹種植區產膠潛力精細化評估，克服了傳統意義上依靠單站數據預測橡膠產膠年景的缺陷。結果表明：該模型實現了依靠氣候數據客觀、定量預測種植區橡膠樹在不同區域的年產膠能力變化，能從宏觀上區分不同區域的差異，為橡膠樹精細化氣象決策服務提供技術支撐。

關鍵詞：氣候適宜度;產膠潛力;預測模型;橡膠樹

中圖分類號：P49;S794.1? ? ? 文獻標識碼：A

Prediction Model of Annual Rubber Potential Productivity Based on Climatic Suitability

LIU Shaojun， TONG Jinhe， CHEN Xiaomin， LI Weiguang

Hainan Institute of Meteorological Science / Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province， Haikou， Hainan 570203， China

Abstract： In order to accurately evaluate the change of rubber potential productivity in the rubber tree planting areas， the meteorological impact index of rubber production and rubber tree climatic suitability index were established respectively based on the remote sensing and climate data from 2000 to 2015. Prediction model of annual rubber potential productivity based on climatic suitability was developed by the statistical analysis and ArcGIS spatial analysis function， the spatial resolution of the model was 1 km × 1 km， which realized the refined evaluation of rubber potential productivity， and overcome the defect of relying on single station data to predict rubber productivity. The results showed that the model can objectively and quantitatively predict the rubber production capacity in different regions based on climate data， and can distinguish the differences in study regions from a macro perspective， which can provide the rubber refinement meteorological decision-making service.

Keywords： climatic suitability; potential productivity; prediction model; Hevea brasiliensis

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.04.035

天然橡膠是我國熱帶地區重要支柱產業，氣候因子是影響橡膠樹種植及產量的關鍵因素之一[1-2]，橡膠生產易受氣候變化的影響，因此在中國橡膠樹主產區開展及時、準確、動態的橡膠產量預報工作，對保障橡膠生產、進出口貿易等具有重要意義。國內外學者在作物產量預報方面已有大量研究成果，作物產量預報大致經歷根據氣象數據和產量進行數理統計預報、綜合考慮作物生理生態特征的動態產量預報、綜合考慮光-溫-水對作物生產影響的氣候適宜度指數的產量預報等[3-4]。其中根據氣候適宜指數建立的作物產量預報模型有：冬小麥氣候適宜度動態模型[5-9]、玉米產量動態預報模型[10-11]、水稻產量動態預報模型[12-16]、棉花產量動態預報模型[17]、大豆產量動態預報模型[18]等，以上模型的建立多以站點或市縣為單位開展作物產量預報，不能很好滿足精細化農業氣象服務的需求。橡膠樹凈初級生產力（net primary productivity，NPP）是橡膠樹在單位時間和單位面積上所產生的有機干物質總量，橡膠產量與生長季內NPP關系密切，二者存在有效的產量轉換關系[19]，因此橡膠樹年凈初級生產力變化，可以間接反映產量的變化。本研究利用ArcGIS 10.2軟件，利用2000—2015年遙感和氣候數據，通過橡膠樹凈初級生產力建立橡膠樹產量氣象影響指數序列;通過溫度、降水、日照、風速等數據建立橡膠樹綜合氣候適宜度指數序列;然后通過統計分析，建立以1 km×1 km網格數據為基礎橡膠樹產膠能力年景評估模型，可根據氣候數據準確及時評估不同橡膠樹種植區產量的動態變化情況，可為橡膠產量分析預測提供科學依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料

中國橡膠產區主要分布在海南、云南、廣東、廣西、福建等5省（區），由于福建和廣西橡膠產量的總量較少，在本研究中僅考慮海南、云南、廣東的橡膠樹種植范圍。研究區2000—2018年307個站點的溫度、降水要素氣候數據集來源于國家氣象信息中心（http：//data.cma.cn/）;2000—2015年MODIS NPP數據來源于網站（http：//www.ntsg. umt.edu/project/mod17#data-product）;中國橡膠樹種植分布北界來自文獻[20]。利用ArcGIS 10.2軟件的剪切功能，提取橡膠樹分布圖對應位置上的橡膠產量氣象影響指數和年氣候適宜度指數。

1.2? 方法

1.2.1? 橡膠樹產量氣象影響指數? 橡膠樹產量與橡膠樹凈初級生產力關系密切，因此可以通過計算橡膠樹凈初級生產力的變化來間接反映橡膠產量的變化。利用遙感光能利用率模型反演的橡膠樹凈初級生產力是現實狀況下橡膠樹的實際值，可將基于衛星數據反演的橡膠樹凈初級生產力作為實際生產力[21]，即可間接代表橡膠樹實際產膠能力。利用ArcGIS 10.2軟件的剪切功能，提取橡膠樹分布圖對應位置上的橡膠樹年凈初級生產力，通過公式（1），提取不同年份的橡膠樹產量氣象影響指數。

式中ΔYi為橡膠樹NPP增減量，即為橡膠樹產量氣象影響指數，i表示第i年，i–1表示第i年的上一年。

1.2.2? 橡膠樹氣候適宜度指數? 根據文獻[22]建立橡膠樹生長期綜合氣候適宜度模型（2）：

式中S（T， p， s， w）為橡膠樹氣候適宜度，S（T）、S（p）、S（s）、S（w）分別為溫度適宜度[公式（3）]、降水適宜度[公式（5）]、日照時數適宜度[公式（8）]、風速適宜度[公式（9）]。

其中，橡膠樹溫度適宜度函數為公式（3）：

式中T表示溫度，T1、T2、T0分別為橡膠樹生長的最低溫度、最高溫度和最適宜溫度;S（T）表示溫度為T時的溫度適宜度，B表示最高溫度和最適宜溫度的差值與最適宜溫度和最低溫度差值之比。

橡膠樹的降水適宜度函數為公式（5）：

式中S（p）表示降水適宜度，S（r）為橡膠樹的降水量適宜度，S（d）為橡膠樹的降水日數適宜度。其中降水量適宜度函數為公式（6）：

式中S（r）為降水量適宜度，R1為生育期內橡膠適宜降水量，R為生育期內的實際降水量。

降水日數適宜函數為公式（7）：

式中S（d）為降水日數適宜度，d1、dh為橡膠生育期內橡膠適宜降水日數的上限和下限，d為橡膠生育期內實際降水日數。

橡膠日照時數的適宜度函數見公式（8）：

式中S（s）為日照時數適宜度，S為實際日照時數，S0為日照百分率為55%的日照時數，b為常數。

橡膠樹風速的適宜度函數見公式（9）：

式中S（w）為橡膠樹在不同時期的風速適宜度，W為實際風速，W1、Wh為橡膠生長期內適宜風速的上限和下限。

1.2.3? 月權重系數確定? 參考邱美娟等[3]的研究，分別計算逐月的氣候適宜度與橡膠樹年產量氣象影響指數的相關系數，然后取絕對值計算每月的權重系數[公式（10）]：

其中ai表示i月的權重系數，Ri表示i月的氣候適宜度與橡膠樹產量氣象影響指數的相關系數，n=12。

1.2.4? 橡膠樹年氣候適宜度指數? 將橡膠樹的氣候適宜度按月進行加權平均構成年氣候適宜度指數[公式（11）]：

式中C表示年氣候適宜度指數，Si為第i月的氣候適宜度。

1.2.5? 橡膠樹年氣候年景模型的構建? 根據2001 — 2015年公式（10），選取橡膠種植區中的6個典型代表站點（景洪、勐臘、湛江、茂名、儋州、五指山）計算各月的氣候適宜度與橡膠樹產量氣象影響指數的相關系數，發現各月相關性數值變化不大。為便于計算和模型的建立，改取研究區中所有站點各月的氣候適宜度累加求和形成橡膠樹年氣候適宜度指數。利用歷年來研究區橡膠產量氣象影響指數與年氣候適宜度指數建立一元線性回歸方程，建立橡膠樹產膠氣候年景模型（12）：

式中ΔY為橡膠樹產量氣象影響指數，a為回歸系數，b為回歸常數。系數a、b的計算見公式（13）、（14）：

式中j為年份，n=15（2001—2015年）。

2? 結果與分析

2.1? 橡膠產量氣象影響指數空間分布

根據2000—2015年遙感NPP數據，并按照公式（1）計算得到研究區2001—2015年橡膠樹產量氣象影響指數序列。選取2001、2005、2010、2015年的橡膠樹產量氣候影響指數進行分析，可以得到各年的橡膠樹產量氣候影響指數均有明顯的變化。如2001年橡膠產量氣候影響指數在–0.40～0.30之間，整體平均值為–0.047;2005年橡膠產量氣候影響指數在–0.33～0.29之間，整體平均值為–0.07;2010年橡膠產量氣候影響指數在–0.40～0.26之間，整體平均值為–0.06;2015年橡膠產量氣候影響指數在–0.40～0.36之間，整體平均值為0.0017。建立的橡膠樹產量氣候影響指數序列能間接反映橡膠樹產量的波動。從2001— 2015年平均橡膠產量氣候影響指數來看，其值在–0.03～0.07之間，研究區整體平均值為0.0092，海南和廣東的年平均橡膠產量氣象影響指數高于云南橡膠種植。

2.2? 橡膠樹氣候適宜度指數

利用2001—2015年氣候數據分別計算研究區各站點橡膠樹年氣候適宜度，利用ArcGIS 10.2軟件和橡膠種植分布，提取橡膠樹種植區范圍內氣候適宜度年平均值變化。由圖1可見，由于受氣候變化影響，不同年份研究區內橡膠樹年氣候適宜度有明顯差異，橡膠樹年氣候適宜度最大值的范圍為9.12～10.00;最小值范圍為4.28～5.82;年氣候適宜度平均值在7.41～8.15之間。從橡膠種植區各站點多年平均氣候適宜度的空間分布看，橡膠樹年平均氣候適宜度范圍在5.60～9.40之間，年平均氣候適宜度高的區域主要分布在海南的東南部和云南的景洪、勐臘等地;其他區域屬于較低區域，但年氣候適宜度平均值大于5.6。

2.3? 模型的建立

根據研究區2001—2015年橡膠產量氣象影響指數與年氣候適宜度指數，按照公式（12）建立橡膠樹年氣候年景模型，根據公式（13）、（14），計算得到模型系數a的范圍為–4.5～2.0;系數b的范圍為–16～21;根據橡膠樹種植區不同地點對應的系數a、b和年氣候適宜度指數，可以準確預估不同區域橡膠樹年產膠能力的變化。參考作物產量預報標準，以相對氣候產量的±10%界定增（減）產指標[9]，將橡膠樹產量氣象影響指數< –10%作為橡膠產膠能力氣候偏差年景，>10%作為偏好年景，–10%～10%為正常氣候年景。

2.4? 模型檢驗

利用2016—2018年氣候適宜度指數，用建立的模型預測橡膠樹產量影響指數，2016年橡膠產量氣候影響指數在–0.38～0.41之間，整體平均值為0.011;2017年橡膠產量氣候影響指數在–0.54～ 0.42之間，整體平均值為0.0045;2018年橡膠產量氣候影響指數在–0.50～0.32之間，整體平均值為0.0073;根據氣候影響指數平均值和氣候年景判識標準，可以判斷2016—2018年整個橡膠產區產膠能力為正常氣候年景。2016—2018年橡膠種植區橡膠樹整體產膠能力處在不斷提高狀態，橡膠產量氣象影響指數增加區域略大于減少區域。以海南種植區為例，根據2017—2019年海南省統計年鑒，2016—2018年海南橡膠平均產量為0.926、0.904、0.920 t/hm2，橡膠實際產量變化趨勢與預測影響指數變化趨勢一致。說明建立的模型能從氣候角度客觀、準確反映橡膠樹產量的波動情況，克服了因橡膠價格低迷、割膠積極性不高等人為因素而導致的橡膠產量統計的偏差。

3? 討論

前人對作物產量年景預報模型的研究多集中在一年生的大宗作物，如冬小麥[5-9]、玉米[10-11]、水稻[12-16]、棉花[17]、大豆[18]等，而且作物產量年景預報模型的建立多采用不同生育期的氣候適宜性指數，針對多年生作物產量年景預報的模型并不多見。在橡膠樹方面僅見陳小敏等[23]以海南儋州為例開展各月產量豐歉指數和氣候適宜度指數的關系模型研究，該方法以儋州市作為整體開展割膠期的產量豐歉預測，未細化到儋州市的每個橡膠種植區。目前針對整個中國橡膠種植區開展橡膠產量年景預測的報道并不多見。根據中國橡膠樹種植區域氣候特征和精細化氣象服務的需求，通過橡膠樹產量氣象影響指數和橡膠樹氣候適宜度指數模型，利用2000—2015年遙感數據和氣候數據，通過分析不同年份橡膠產膠能力增減變化與年氣候適宜度相關性，建立了基于年綜合氣候適宜度指數的橡膠樹產膠潛力預測模型，模型空間分辨率1 km×1 km，較好解決了開展橡膠樹精細化產膠能力評估的難題，同時也為客觀、定量、動態地預測橡膠樹產量年景變化提供了技術支撐。

橡膠樹對溫度、降水、光照、風速條件均有嚴格的要求。在橡膠樹生長過程中受到光、溫、水、風等氣象要素相互關聯、相互制約、相互影響，因此建立的橡膠樹氣候適宜度指數能定量化反映氣候因子對橡膠生長的影響;根據遙感模型反演的橡膠樹年凈初級生產力（NPP）數據計算得到的橡膠樹產量氣象影響指數與橡膠樹產量變化有著直接的對應關系[21]，能較好表征氣候條件對產量形成的綜合影響，也可以消除因價格低迷，農戶放棄割膠所導致的產量波動的影響。因此，建立的基于氣候適宜度的產膠年景預測模型能綜合反映氣候條件與對橡膠樹產量形成的內在關系，能有效反映不同區域橡膠樹產膠潛力的動態變化。

由于模型的建立只考慮了2001—2015年氣候適宜性與產膠能力變化的關系，下一步需要更多數據來進行模型檢驗;模型未綜合考慮生產管理措施及極端氣象災害事件對橡膠產膠能力的影響，需要在今后工作中對模型不斷更新和完善。值得一提的是，中國橡膠種植區面臨著臺風、低溫、干旱等氣象災害的影響。本研究建立的基于氣候適宜度指數橡膠樹產膠年景預測模型只從農業氣候資源優劣來評價橡膠樹產膠年景，而不能體現氣象災害的影響。如臺風作為極端天氣事件對橡膠產量的影響是很大的，是引起模型產膠年景預測結果不穩定性的主要原因，從多年臺風影響頻次來看，該模型在云南區域適用，在海南、廣東等區域使用時，要考慮當年臺風災害的影響強度和頻次;橡膠樹寒害、旱害也需要根據區域在橡膠產膠年景預測中給予考慮。因此，下一步需要從氣候資源和橡膠氣象災害發生程度2個方面[24]，構建橡膠樹綜合氣候適宜度指標體系的產膠年景預測模型，以準確地反映氣候因子和氣象災害對橡膠產量的影響。

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責任編輯：沈德發