基于氣候適宜度的橡膠樹產(chǎn)膠年景預(yù)測模型

劉少軍 佟金鶴 陳小敏 李偉光

摘? 要：為準(zhǔn)確評估不同橡膠樹種植區(qū)的年產(chǎn)膠潛力的變化，根據(jù)2000—2015年遙感和氣候數(shù)據(jù)，分別建立了橡膠產(chǎn)量氣象影響指數(shù)和橡膠樹氣候適宜性指數(shù)序列，通過統(tǒng)計(jì)分析和利用ArcGIS空間分析功能，研發(fā)了基于年綜合氣候適宜度指數(shù)的橡膠樹產(chǎn)膠年景評估模型，模型空間分辨率1 km×1 km，實(shí)現(xiàn)了橡膠樹種植區(qū)產(chǎn)膠潛力精細(xì)化評估，克服了傳統(tǒng)意義上依靠單站數(shù)據(jù)預(yù)測橡膠產(chǎn)膠年景的缺陷。結(jié)果表明：該模型實(shí)現(xiàn)了依靠氣候數(shù)據(jù)客觀、定量預(yù)測種植區(qū)橡膠樹在不同區(qū)域的年產(chǎn)膠能力變化，能從宏觀上區(qū)分不同區(qū)域的差異，為橡膠樹精細(xì)化氣象決策服務(wù)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：氣候適宜度;產(chǎn)膠潛力;預(yù)測模型;橡膠樹

中圖分類號：P49;S794.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)重要支柱產(chǎn)業(yè)，氣候因子是影響橡膠樹種植及產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[1-2]，橡膠生產(chǎn)易受氣候變化的影響，因此在中國橡膠樹主產(chǎn)區(qū)開展及時(shí)、準(zhǔn)確、動態(tài)的橡膠產(chǎn)量預(yù)報(bào)工作，對保障橡膠生產(chǎn)、進(jìn)出口貿(mào)易等具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者在作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)方面已有大量研究成果，作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)大致經(jīng)歷根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、綜合考慮作物生理生態(tài)特征的動態(tài)產(chǎn)量預(yù)報(bào)、綜合考慮光-溫-水對作物生產(chǎn)影響的氣候適宜度指數(shù)的產(chǎn)量預(yù)報(bào)等[3-4]。其中根據(jù)氣候適宜指數(shù)建立的作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型有：冬小麥氣候適宜度動態(tài)模型[5-9]、玉米產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報(bào)模型[10-11]、水稻產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報(bào)模型[12-16]、棉花產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報(bào)模型[17]、大豆產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報(bào)模型[18]等，以上模型的建立多以站點(diǎn)或市縣為單位開展作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)，不能很好滿足精細(xì)化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的需求。橡膠樹凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是橡膠樹在單位時(shí)間和單位面積上所產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)總量，橡膠產(chǎn)量與生長季內(nèi)NPP關(guān)系密切，二者存在有效的產(chǎn)量轉(zhuǎn)換關(guān)系[19]，因此橡膠樹年凈初級生產(chǎn)力變化，可以間接反映產(chǎn)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(shù)據(jù)，通過橡膠樹凈初級生產(chǎn)力建立橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)序列;通過溫度、降水、日照、風(fēng)速等數(shù)據(jù)建立橡膠樹綜合氣候適宜度指數(shù)序列;然后通過統(tǒng)計(jì)分析，建立以1 km×1 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)橡膠樹產(chǎn)膠能力年景評估模型，可根據(jù)氣候數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)評估不同橡膠樹種植區(qū)產(chǎn)量的動態(tài)變化情況，可為橡膠產(chǎn)量分析預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

中國橡膠產(chǎn)區(qū)主要分布在海南、云南、廣東、廣西、福建等5省（區(qū)），由于福建和廣西橡膠產(chǎn)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(qū)2000—2018年307個(gè)站點(diǎn)的溫度、降水要素氣候數(shù)據(jù)集來源于國家氣象信息中心（http：//data.cma.cn/）;2000—2015年MODIS NPP數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)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(xiàn)[20]。利用ArcGIS 10.2軟件的剪切功能，提取橡膠樹分布圖對應(yīng)位置上的橡膠產(chǎn)量氣象影響指數(shù)和年氣候適宜度指數(shù)。

1.2? 方法

1.2.1? 橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)? 橡膠樹產(chǎn)量與橡膠樹凈初級生產(chǎn)力關(guān)系密切，因此可以通過計(jì)算橡膠樹凈初級生產(chǎn)力的變化來間接反映橡膠產(chǎn)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(chǎn)力是現(xiàn)實(shí)狀況下橡膠樹的實(shí)際值，可將基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的橡膠樹凈初級生產(chǎn)力作為實(shí)際生產(chǎn)力[21]，即可間接代表橡膠樹實(shí)際產(chǎn)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(yīng)位置上的橡膠樹年凈初級生產(chǎn)力，通過公式（1），提取不同年份的橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)。

式中ΔYi為橡膠樹NPP增減量，即為橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)，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(shù)? 根據(jù)文獻(xiàn)[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(shí)數(shù)適宜度[公式（8）]、風(fēng)速適宜度[公式（9）]。

其中，橡膠樹溫度適宜度函數(shù)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(shí)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(shù)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(shù)適宜度。其中降水量適宜度函數(shù)為公式（6）：

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

降水日數(shù)適宜函數(shù)為公式（7）：

式中S（d）為降水日數(shù)適宜度，d1、dh為橡膠生育期內(nèi)橡膠適宜降水日數(shù)的上限和下限，d為橡膠生育期內(nèi)實(shí)際降水日數(shù)。

橡膠日照時(shí)數(shù)的適宜度函數(shù)見公式（8）：

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

橡膠樹風(fēng)速的適宜度函數(shù)見公式（9）：

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

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

其中ai表示i月的權(quán)重系數(shù)，Ri表示i月的氣候適宜度與橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，n=12。

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

式中C表示年氣候適宜度指數(shù)，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(gòu)建? 根據(jù)2001 — 2015年公式（10），選取橡膠種植區(qū)中的6個(gè)典型代表站點(diǎn)（景洪、勐臘、湛江、茂名、儋州、五指山）計(jì)算各月的氣候適宜度與橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)各月相關(guān)性數(shù)值變化不大。為便于計(jì)算和模型的建立，改取研究區(qū)中所有站點(diǎn)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(shù)。利用歷年來研究區(qū)橡膠產(chǎn)量氣象影響指數(shù)與年氣候適宜度指數(shù)建立一元線性回歸方程，建立橡膠樹產(chǎn)膠氣候年景模型（12）：

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

式中j為年份，n=15（2001—2015年）。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 橡膠產(chǎn)量氣象影響指數(shù)空間分布

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

2.2? 橡膠樹氣候適宜度指數(shù)

利用2001—2015年氣候數(shù)據(jù)分別計(jì)算研究區(qū)各站點(diǎn)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(qū)范圍內(nèi)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(qū)內(nèi)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(qū)各站點(diǎn)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(qū)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(qū)域?qū)儆谳^低區(qū)域，但年氣候適宜度平均值大于5.6。

2.3? 模型的建立

根據(jù)研究區(qū)2001—2015年橡膠產(chǎn)量氣象影響指數(shù)與年氣候適宜度指數(shù)，按照公式（12）建立橡膠樹年氣候年景模型，根據(jù)公式（13）、（14），計(jì)算得到模型系數(shù)a的范圍為–4.5～2.0;系數(shù)b的范圍為–16～21;根據(jù)橡膠樹種植區(qū)不同地點(diǎn)對應(yīng)的系數(shù)a、b和年氣候適宜度指數(shù)，可以準(zhǔn)確預(yù)估不同區(qū)域橡膠樹年產(chǎn)膠能力的變化。參考作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，以相對氣候產(chǎn)量的±10%界定增（減）產(chǎn)指標(biāo)[9]，將橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)< –10%作為橡膠產(chǎn)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(yàn)

利用2016—2018年氣候適宜度指數(shù)，用建立的模型預(yù)測橡膠樹產(chǎn)量影響指數(shù)，2016年橡膠產(chǎn)量氣候影響指數(shù)在–0.38～0.41之間，整體平均值為0.011;2017年橡膠產(chǎn)量氣候影響指數(shù)在–0.54～ 0.42之間，整體平均值為0.0045;2018年橡膠產(chǎn)量氣候影響指數(shù)在–0.50～0.32之間，整體平均值為0.0073;根據(jù)氣候影響指數(shù)平均值和氣候年景判識標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷2016—2018年整個(gè)橡膠產(chǎn)區(qū)產(chǎn)膠能力為正常氣候年景。2016—2018年橡膠種植區(qū)橡膠樹整體產(chǎn)膠能力處在不斷提高狀態(tài)，橡膠產(chǎn)量氣象影響指數(shù)增加區(qū)域略大于減少區(qū)域。以海南種植區(qū)為例，根據(jù)2017—2019年海南省統(tǒng)計(jì)年鑒，2016—2018年海南橡膠平均產(chǎn)量為0.926、0.904、0.920 t/hm2，橡膠實(shí)際產(chǎn)量變化趨勢與預(yù)測影響指數(shù)變化趨勢一致。說明建立的模型能從氣候角度客觀、準(zhǔn)確反映橡膠樹產(chǎn)量的波動情況，克服了因橡膠價(jià)格低迷、割膠積極性不高等人為因素而導(dǎo)致的橡膠產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)的偏差。

3? 討論

前人對作物產(chǎn)量年景預(yù)報(bào)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(chǎn)量年景預(yù)報(bào)模型的建立多采用不同生育期的氣候適宜性指數(shù)，針對多年生作物產(chǎn)量年景預(yù)報(bào)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(chǎn)量豐歉指數(shù)和氣候適宜度指數(shù)的關(guān)系模型研究，該方法以儋州市作為整體開展割膠期的產(chǎn)量豐歉預(yù)測，未細(xì)化到儋州市的每個(gè)橡膠種植區(qū)。目前針對整個(gè)中國橡膠種植區(qū)開展橡膠產(chǎn)量年景預(yù)測的報(bào)道并不多見。根據(jù)中國橡膠樹種植區(qū)域氣候特征和精細(xì)化氣象服務(wù)的需求，通過橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)和橡膠樹氣候適宜度指數(shù)模型，利用2000—2015年遙感數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)，通過分析不同年份橡膠產(chǎn)膠能力增減變化與年氣候適宜度相關(guān)性，建立了基于年綜合氣候適宜度指數(shù)的橡膠樹產(chǎn)膠潛力預(yù)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(xì)化產(chǎn)膠能力評估的難題，同時(shí)也為客觀、定量、動態(tài)地預(yù)測橡膠樹產(chǎn)量年景變化提供了技術(shù)支撐。

橡膠樹對溫度、降水、光照、風(fēng)速條件均有嚴(yán)格的要求。在橡膠樹生長過程中受到光、溫、水、風(fēng)等氣象要素相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響，因此建立的橡膠樹氣候適宜度指數(shù)能定量化反映氣候因子對橡膠生長的影響;根據(jù)遙感模型反演的橡膠樹年凈初級生產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)計(jì)算得到的橡膠樹產(chǎn)量氣象影響指數(shù)與橡膠樹產(chǎn)量變化有著直接的對應(yīng)關(guān)系[21]，能較好表征氣候條件對產(chǎn)量形成的綜合影響，也可以消除因價(jià)格低迷，農(nóng)戶放棄割膠所導(dǎo)致的產(chǎn)量波動的影響。因此，建立的基于氣候適宜度的產(chǎn)膠年景預(yù)測模型能綜合反映氣候條件與對橡膠樹產(chǎn)量形成的內(nèi)在關(guān)系，能有效反映不同區(qū)域橡膠樹產(chǎn)膠潛力的動態(tài)變化。

由于模型的建立只考慮了2001—2015年氣候適宜性與產(chǎn)膠能力變化的關(guān)系，下一步需要更多數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型檢驗(yàn);模型未綜合考慮生產(chǎn)管理措施及極端氣象災(zāi)害事件對橡膠產(chǎn)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(qū)面臨著臺風(fēng)、低溫、干旱等氣象災(zāi)害的影響。本研究建立的基于氣候適宜度指數(shù)橡膠樹產(chǎn)膠年景預(yù)測模型只從農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)劣來評價(jià)橡膠樹產(chǎn)膠年景，而不能體現(xiàn)氣象災(zāi)害的影響。如臺風(fēng)作為極端天氣事件對橡膠產(chǎn)量的影響是很大的，是引起模型產(chǎn)膠年景預(yù)測結(jié)果不穩(wěn)定性的主要原因，從多年臺風(fēng)影響頻次來看，該模型在云南區(qū)域適用，在海南、廣東等區(qū)域使用時(shí)，要考慮當(dāng)年臺風(fēng)災(zāi)害的影響強(qiáng)度和頻次;橡膠樹寒害、旱害也需要根據(jù)區(qū)域在橡膠產(chǎn)膠年景預(yù)測中給予考慮。因此，下一步需要從氣候資源和橡膠氣象災(zāi)害發(fā)生程度2個(gè)方面[24]，構(gòu)建橡膠樹綜合氣候適宜度指標(biāo)體系的產(chǎn)膠年景預(yù)測模型，以準(zhǔn)確地反映氣候因子和氣象災(zāi)害對橡膠產(chǎn)量的影響。

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