貴州辣椒主產(chǎn)區(qū)氣候適宜性分析

張波 楊世瓊 劉宇鵬 于飛 莫建國(guó)

(1貴州省山地環(huán)境氣候研究所 貴州貴陽(yáng)550002;2貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴州貴陽(yáng)550002)

氣候資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的主要物質(zhì)資源之一，光、熱、水等氣候要素的不同組合對(duì)農(nóng)業(yè)會(huì)產(chǎn)生不同影響，其在時(shí)間、空間上的變化不僅使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有相應(yīng)的季節(jié)性和地域性，還直接影響著農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成。氣候適宜度，是一個(gè)具有模糊概念的量化指標(biāo)，是通過(guò)模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)的方法用氣溫、降水、日照等氣候因素的數(shù)量變化反映對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的適宜性，可以用來(lái)綜合評(píng)價(jià)各氣候要素對(duì)農(nóng)作物的影響［1-5］。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞農(nóng)業(yè)氣候適宜度的相關(guān)問(wèn)題開展了一系列研究。Holzk?mper等［6］采用遺傳算法Genetic Algorithm）建立了玉米的氣候適宜度模型，評(píng)估1981—2011年瑞士玉米的氣候適宜度，表明其主要受早期和后期的亞適溫和輻射的限制，玉米對(duì)溫度變化的敏感性大于對(duì)降水量的；馬樹慶［7］引進(jìn)了作物生長(zhǎng)氣候適宜度評(píng)價(jià)模型，并在東北開展了氣候適宜性評(píng)價(jià)應(yīng)用，該模型隨后分別在小麥、玉米、棉花等作物的氣候可行性評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用；李昊宇等［8］建立華北地區(qū)冬小麥適宜度模型，并以冬小麥氣候適宜度為預(yù)報(bào)因子，建立了冬小麥發(fā)育期預(yù)報(bào)模型；趙峰等［9］運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法，通過(guò)建立旬溫度、旬光照和旬降水適宜度函數(shù)，構(gòu)建了河南省冬小麥綜合氣候適宜度模型；姚小英等［10］和姚樹然等［11］根據(jù)作物不同發(fā)育期對(duì)光照、溫度和降水的需求，分別分析了近40年甘肅省玉米和河北省棉花各個(gè)發(fā)育期光、溫、水氣候適宜度及其時(shí)空分布規(guī)律；黃淑娥等［12］通過(guò)對(duì)江西省雙季水稻生長(zhǎng)季溫、光、水的需求及當(dāng)?shù)貧夂驐l件進(jìn)行分析，建立了雙季水稻各生育期光、溫、水及氣候適宜度評(píng)價(jià)模型；朱新玉等［13］通過(guò)構(gòu)建冬小麥光照、溫度、降水及綜合氣候適宜度計(jì)算模型，探討氣候變化對(duì)冬小麥氣候適宜性的影響；張建軍等［14］采用模糊數(shù)學(xué)方法分別建立了安徽省分區(qū)域一季稻溫度、降水和日照適宜度模型，并在此基礎(chǔ)上建立了綜合反映多因子對(duì)一季稻影響的氣候適宜度模型。從研究對(duì)象來(lái)看，涉及的作物不僅有小麥［15］、玉米［16-17］和水稻［18-19］等大田作物，還有柑桔［20］、葡萄［21］等林果，茶葉［22］、烤煙［23］、油菜花［24］等特色作物。

目前關(guān)于辣椒氣候適宜度的研究少有報(bào)道。辣椒作為貴州省種植面積最大的蔬菜作物，其種植面積和加工規(guī)模均居中國(guó)第一位。近年來(lái)，在貴州省省委、省政府和各級(jí)農(nóng)業(yè)部門的強(qiáng)力推動(dòng)下，深化農(nóng)村供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，全省推進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)裂變發(fā)展，種植規(guī)模迅速擴(kuò)大、產(chǎn)業(yè)鏈條不斷完善，“小辣椒”漸成“大氣候”，產(chǎn)銷規(guī)模全國(guó)第一，已成為助農(nóng)增收的大產(chǎn)業(yè)、脫貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興的新引擎，貴州省的辣椒種植和生產(chǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的需求也日益增強(qiáng)。但受自身地形復(fù)雜和大氣環(huán)流等因素的影響，氣候多樣性、不穩(wěn)定性明顯，災(zāi)害性天氣較多，通過(guò)構(gòu)建辣椒生育期的氣候適宜度模型，實(shí)現(xiàn)氣候條件對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的實(shí)時(shí)、定量評(píng)價(jià)，及其對(duì)辣椒生產(chǎn)的適宜程度，為動(dòng)態(tài)評(píng)估辣椒氣候風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

氣象資料為貴州省20辣椒主要生產(chǎn)區(qū)氣象臺(tái)站1961—2018年逐日氣象要素，包括平均氣溫（℃）、降水量（mm）和日照時(shí)數(shù)（h）等；研究區(qū)域主要包括播州區(qū)、綏陽(yáng)、湄潭、鳳岡縣、余慶、正安、道真、務(wù)川、習(xí)水、桐梓、印江、松桃、思南、石阡、德江、金沙、黔西、大方、七星關(guān)區(qū)和納雍等辣椒主要生產(chǎn)區(qū)。

1.2 方法

1.2.1 適宜度模型構(gòu)建

1.2.1.1 溫度適宜度

某一時(shí)期內(nèi)平均氣溫對(duì)作物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育及獲得高產(chǎn)的滿足程度，由該時(shí)期作物生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度共同決定［25］，本研究擬訂的溫度適宜度模型如公式（1）（2）所示。

式中，S(t)為溫度適宜度；B為中間參數(shù)，T為平均氣溫，T1、T2和T0分別為辣椒育苗所需的下限溫度、上限溫度和最適溫度，當(dāng)T≤T1或T≥T2時(shí)，S(t)=0，當(dāng)T=T0時(shí)，S(t)=1。

1.2.1.2 降水適宜度

采用某一時(shí)段降水量與該時(shí)段降水距平百分率比值，構(gòu)建降水適宜度模型［26］，如公式（3）所示。

式中，S(p)為降水適宜度，P為區(qū)域某時(shí)段平均降水量（mm），Pa為區(qū)域某時(shí)段多年（1961—2010年）平均降水量（mm）。

1.2.1.3 日照適宜度

根據(jù)某一時(shí)段的平均日照時(shí)數(shù)和該時(shí)段的多年平均日照時(shí)數(shù)比值，構(gòu)建日照適宜度度模型［27］，如公式（4）所示。

式中，S(s)為日照適宜度，S為區(qū)域某時(shí)段的平均日照時(shí)數(shù)(h)，S0為區(qū)域某時(shí)段的多年（1961—2010年）平均日照時(shí)數(shù)(h)。

選取研究區(qū)域辣椒主要4個(gè)生育期：移栽期、大田生長(zhǎng)-始花期、開花掛果期和成熟采收期，利用氣候適宜度模型，分別計(jì)算辣椒各個(gè)生育期的氣候適宜度，辣椒不同生育期及模型中參數(shù)的取值［28］見(jiàn)表1。

1.2.1.4 氣候適宜度模型

氣候適宜度模型綜合考慮了溫度、降水和日照等多個(gè)要素對(duì)辣椒不生育期的影響，在前人研究的基礎(chǔ)上，采用幾何平均和綜合乘積的方法，建立辣椒氣候適宜度模型，如公式（5）所示。

式中，S(t,p,s)為氣候適宜度，S(t)為溫度適宜度，S(p)為降水適宜度，S(s)為日照適宜度。

1.2.2 氣候傾向率

利用氣候傾向率分析氣候適宜度的變化趨勢(shì)。用Xi表示樣本量為n的某氣象變量，用t表示Xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立Xi與t之間的一元線性回歸方程：

式中：a為回歸系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)，a和b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，以a的10倍作為每10年氣候傾向率。

1.2.3 變異系數(shù)

變異系數(shù)是數(shù)據(jù)序列的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值的比，表示數(shù)據(jù)序列的相對(duì)離散程度，無(wú)量綱，可以客觀地比較數(shù)據(jù)序列的穩(wěn)定程度。

式中：Cv為變異系數(shù)，σ為數(shù)據(jù)序列的標(biāo)準(zhǔn)差，x?為 數(shù)據(jù)序列的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜度時(shí)間變化特征

2.1.1 溫度適宜度

圖1所示為1961—2018年貴州辣椒主產(chǎn)區(qū)溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度和氣候適宜度變化特征。由溫度適宜度的年際變化特征（圖1-a）可以看出，辣椒不同生育期的溫度適宜度的波動(dòng)范圍不同，移栽期的溫度適宜度變化為0.75～0.98，平均溫度適宜度為0.93，最高值出現(xiàn)在1963年，最低值出現(xiàn)在1996年，辣椒移栽期溫度適宜度隨時(shí)間變化呈遞增趨勢(shì)，遞增幅度為0.005/10a，但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，遞增趨勢(shì)不顯著；大田生長(zhǎng)期至始花期溫度適宜度變化為0.60～0.92，平均溫度適宜度為0.76，最高值出現(xiàn)在1969年，最低值出現(xiàn)在1975年，隨時(shí)間變化呈弱遞增的變化趨勢(shì)，遞增幅度為0.003/10a；開花掛果期溫度適宜度變化為0.82～0.94，平均溫度適宜度為0.91，最高值出現(xiàn)在2014年，最低值出現(xiàn)在1976年，隨時(shí)間變化呈顯著遞增的變化趨勢(shì)，遞增幅度為0.006/10a，相關(guān)系數(shù)為0.43（p＜0.01）；成熟采收期溫度適宜度變化為0.78～0.95，平均溫度適宜度為0.88，最高值出現(xiàn)在2017年，最低值出現(xiàn)在1980年，隨時(shí)間變化呈顯著遞增的變化趨勢(shì)，遞增幅度為0.007/10a，相關(guān)系數(shù)為0.31（p＜0.05）。溫度適宜度隨著辣椒生育期的不同而變化，整體表現(xiàn)為移栽期＞開花掛果期＞成熟采收期＞大田生長(zhǎng)期至始花期，其中開花掛果期和成熟采收期的溫度適宜度隨時(shí)間變化呈顯著遞增的變化趨勢(shì)。

2.1.2 降水適宜度

由降水適宜度的年際變化特征（圖1-b）可以看出，辣椒不同生育期的降水適宜度的波動(dòng)范圍要大于溫度適宜度，移栽期的降水適宜度變化為0.41～1.00，平均降水適宜度為0.86，最高值出現(xiàn)在1980年，最低值出現(xiàn)在2011年，辣椒移栽期降水適宜度隨時(shí)間變化呈遞減的趨勢(shì)，遞減幅度為0.009/10a，未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，遞減趨勢(shì)不顯著；大田生長(zhǎng)期至始花期降水適宜度變化為0.43～1.00，平均降水適宜度為0.86，最高值出現(xiàn)在1961年，最低值出現(xiàn)在2010年，隨時(shí)間變化呈遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.01/10a；開花掛果期降水適宜度變化為0.49～1.00，平均降水適宜度為0.84，最高值出現(xiàn)在1972年，最低值出現(xiàn)在1971年，隨時(shí)間變化呈顯著遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.006/10a；成熟采收期降水適宜度變化為0.45～1.00，平均降水適宜度為0.83，最高值出現(xiàn)在1977年，最低值出現(xiàn)在1992年，隨時(shí)間變化呈遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.006/10a。辣椒是耐旱作物，在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需水分相對(duì)較少，且各生長(zhǎng)發(fā)育階段的需水量也不相同，不同生育期內(nèi)降水適宜度整體表現(xiàn)為移栽期和開花掛果期＞大田生長(zhǎng)期至始花期＞成熟采收期。

2.1.3 日照適宜度

由日照適宜度的年際變化特征（圖1-c）可以看出，移栽期的日照適宜度變化為0.52～1.00，平均溫度適宜度為0.90，最高值出現(xiàn)在1968、1969、1972、1980、1985、1988、1990、1998、2004、2005、2006、2007、2015和2018年，最低值出現(xiàn)在1975年，辣椒移栽期日照適宜度隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，遞減幅度為0.007/10a，遞減趨勢(shì)不顯著；大田生長(zhǎng)期至始花期日照適宜度變化為0.44～1.0，平均日照適宜度為0.86，最高值出現(xiàn) 在1966、1968、1969、1980、1983、1985、1988、1990、1993、1997、2007和2011年，最低值出現(xiàn)在1975年，隨時(shí)間變化呈弱遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.02/10a；開花掛果期日照適宜度變化為0.46～1.00，平均日照適宜度為0.88，最高值出現(xiàn)在1961、1963、1971、1972、1973、1978、1979、1981、1984、1988和2013年，最低值出現(xiàn)在2014年，隨時(shí)間變化呈顯著遞減趨勢(shì)，遞減幅度為0.03/10a，相關(guān)系數(shù)為0.34（p＜0.01）；成熟采收期日照適宜度變化為0.57～1.00，平均日照適宜度為0.93，最高值出現(xiàn)在1963、1966、1975、1976、1978、1981、1990、1992、2011和2013年，最低值出現(xiàn)在1993年，隨時(shí)間變化呈遞減變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.01/10a，相關(guān)系數(shù)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，遞減趨勢(shì)不顯著。不同生育期的日照適宜度整體表現(xiàn)為：成熟采收期＞移栽期＞大田生長(zhǎng)期至始花期＞開花掛果期，其中開花掛果期日照適宜度隨時(shí)間變化呈顯著遞增的變化趨勢(shì)。

2.1.4 氣候適宜度

由氣候適宜度的年際變化特征（圖1-d）可以看出，辣椒不同生育期的氣候適宜度的波動(dòng)范圍相對(duì)較小，移栽期氣候適宜度變化為0.70～0.98，平均氣候適宜度為0.88，最高值出現(xiàn)在1980年，最低值出現(xiàn)在1996年，移栽期氣候適宜度隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，遞減幅度為0.005/10a，遞減趨勢(shì)不顯著；大田生長(zhǎng)期至始花期氣候適宜度變化為0.57～0.93，平均氣候適宜度為0.82，最高值出現(xiàn)在1969年，最低值出現(xiàn)在1979年，隨時(shí)間變化呈遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.009/10a；開花掛果期氣候適宜度變化為0.66～0.97，平均氣候適宜度為0.86，最高值出現(xiàn)在1973年，最低值出現(xiàn)在2014年，隨時(shí)間變化呈顯著遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.009/10a；成熟采收期氣候適宜度變化為0.68～0.97，平均氣候適宜度為0.87，最高值出現(xiàn)在1975年，最低值出現(xiàn)在1993年，隨時(shí)間變化呈顯著遞減的變化趨勢(shì)，遞減幅度為0.004/10a。不同生育期氣候適宜度均在0.8以上，溫度、降水和日照均能滿足辣椒在不同生育適宜生長(zhǎng)的需要，具體表現(xiàn)為：移栽期＞成熟采收期＞開花掛果期＞大田生長(zhǎng)期至始花期。

2.2 變異性分析

辣椒不同生育期溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度和氣候適宜度變異性結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，對(duì)比溫度適宜度，不同生育期溫度適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長(zhǎng)期至始花期（11%）＞移栽期（5%）和成熟采收期（5%）＞開花掛果期（2%）；對(duì)比降水適宜度，不同生育期降水適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長(zhǎng)期至始花期（16%）＞開花掛果期（15%）＞移栽期（14%）＞成熟采收期（10%）；對(duì)比日照適宜度，不同生育期日照適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為成熟采收期（15%）＞開花掛果期（13%）＞移栽期（12%）和大田生長(zhǎng)期至始花期（12%）；對(duì)比氣候適宜度，不同生育期氣候適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長(zhǎng)期至始花期（10%）＞移栽期（8%）＞開花掛果期（7%）和成熟采收期（7%）。

不同生育期內(nèi)大田生長(zhǎng)期至始花期降水適宜度變異系數(shù)為16%，超過(guò)臨界值，表明大田生長(zhǎng)期至始花期降水適宜度為中等變異，其它生育期內(nèi)的各個(gè)適宜度指標(biāo)均在臨界值以下，為小變異，其中以開花掛果期的溫度適宜度變異系數(shù)最小。

表2 辣椒不同生育期溫度、降水、日照和氣候適宜度變異性分析

3 討論

為定量評(píng)價(jià)氣象條件對(duì)辣椒生產(chǎn)的適宜程度，利用貴州省辣椒主要生產(chǎn)區(qū)1961—2018年逐日氣象要素，構(gòu)建氣候適宜度模型，分析了辣椒不同生育期氣候適宜度變化特征。主要結(jié)論如下。

辣椒移栽期的單要素和氣候適宜度分別為0.93、0.90、0.86和0.88，大田生長(zhǎng)期至始花期的單要素和氣候適宜度分別為0.76、0.89、0.86和0.82，開花掛果期的單要素和氣候適宜度分別為0.91、0.88、0.84和0.86，成熟采收期的單要素和氣候適宜度分別為0.88、0.93、0.83和0.87，溫度、降水和日照均能滿足辣椒在不同生育期適宜生長(zhǎng)的需要。開花掛果期溫度適宜度和日照適宜度隨時(shí)間變化分別呈顯著遞增和遞減的變化趨勢(shì)，不同生育期氣候適宜度均在0.8以上，溫度、降水和日照均能滿足辣椒在不同生育適宜生長(zhǎng)的需要。

溫度適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長(zhǎng)期至始花期（11%）＞移栽期（5%）和成熟采收期（5%）＞開花掛果期（2%），降水適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長(zhǎng)期至始花期（16%）＞開花掛果期（15%）＞移栽期（14%）＞成熟采收期（10%），日照適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為成熟采收期（15%）＞開花掛果期（13%）＞移栽期（12%）和大田生長(zhǎng)期至始花期（12%），氣候適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長(zhǎng)期至始花期（10%）＞移栽期（8%）＞開花掛果期（7%）和成熟采收期（7%）。其中僅大田生長(zhǎng)期至始花期為中等變異，其它生育期內(nèi)的各個(gè)適宜度指標(biāo)均為小變異。

氣候適宜度模型能綜合反應(yīng)辣椒不同生育期氣候適宜度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，其精準(zhǔn)度的檢驗(yàn)需要其與辣椒氣象產(chǎn)量做相關(guān)性分析，由于缺少辣椒歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)，因此無(wú)法對(duì)模型的準(zhǔn)確率進(jìn)行驗(yàn)證。此外，辣椒品種多樣，每個(gè)品種自身差異性明顯，在實(shí)際的辣椒生產(chǎn)過(guò)程中除了受到氣候條件的影響外，還與下墊面土壤類型等有很大關(guān)系，因此構(gòu)建氣候與品種、土壤類型相結(jié)合的適宜度模型，其評(píng)價(jià)效果會(huì)更客觀，更有的科學(xué)指導(dǎo)性。