陜西烤煙氣候適宜性時空變化特征及風險分析

胡穎梅，徐 磊，袁 帥，高明博，過偉民，張艷玲，王林虹，王愛國*

1.中國煙草總公司陜西省公司，西安市曲江新區雁南四路21號 710004 2.陜西中煙工業有限責任公司技術中心，陜西省寶雞市高新大道100號 721000 3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業生態環境與煙葉質量重點實驗室，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

氣候不僅影響烤煙種植的區域布局，同時還影響煙葉品質，是烤煙生長過程中最重要的環境因素。氣候因素難以人為控制和改變，只能適應氣候條件，趨利避害。烤煙氣候適宜性評價可以明確某一地區是否適宜種植烤煙以及氣候條件對于烤煙產量和品質形成的適宜程度［1]。陜西省是我國烤煙產區之一，具有明顯的層狀地貌，境內由于秦嶺對南北氣流的阻擋作用，使省內南北區域間氣候差異明顯，各烤煙產區氣候條件也不盡相同。近幾十年來全球氣候變化速度加快，其中氣溫上升明顯，國內極端氣候頻現［2-4]，影響了正常的烤煙生產［5]。氣候條件變化意味著作物的氣候適宜性也在發生變化，前人曾對全球氣候變化背景下冬小麥、橡膠、大豆、玉米和棉花等作物的氣候適宜性進行研究，并提出了相應的應對策略［6-13]，有學者也對氣候變化條件下云南烤煙種植適宜性進行了分析［14-16]，結果顯示1990年以來云南氣候變暖明顯加劇，氣溫升高對云南烤煙最適宜區主要是正面影響，烤煙可種植區域有所擴大，但在烤煙移栽期的降雨波動及極端氣候較為突出。然而氣候變化對除云南之外的其他區域烤煙氣候適宜性的影響研究則相對較少。氣候適宜性主要表征多年平均氣候因素對烤煙種植的適宜程度。由于不同地區氣候因素年度間波動情況存在差異，為綜合表征氣候適宜性及其年度波動，有學者引入了氣候風險度指標。該指標可反映氣候因素適宜性及其年際波動的綜合效應，量化評估氣候因素波動對于作物生長造成不利影響的可能性，目前已被用于小麥［17]、棉花［18-19]和烤煙［20-21]等作物，用于確定作物生產中的氣候限制因素和關鍵生育期。本試驗中利用1980—2015年陜西主產煙區27個氣象站的逐日數據資料，采用烤煙氣候適宜性評價、氣候趨勢分析、氣候風險度評價等方法，分析了陜西主要烤煙產區氣候因素及烤煙氣候適宜性的年際波動，探討了各產區烤煙種植主要限制氣候因素以及氣候因素的傾向率，并對各產區烤煙種植風險度進行了評價。旨在揭示氣候適宜性時空變化特點，明確氣候變化對于陜西烤煙種植的影響，進而指導優化烤煙種植布局。

1 材料與方法

1.1 研究區域及數據來源

陜西省主要植煙區域包括安康、寶雞、漢中、商洛、咸陽和延安等6個產區，近年植煙總面積約2萬公頃，收購量約3.75萬噸［22]。

氣象數據來源于中國氣象數據網，使用陜西6個植煙產區的27個國家級氣象站（表1）的逐日氣象數據資料，包括平均氣溫、降雨量、日照時數和相對濕度等。時間從1980—2015年，分別計算6個植煙區不同生育期的氣候因素指標、氣候適宜性指數、氣候適宜性年際波動、氣候風險度和氣候適宜性傾向率。

表1 研究區域氣象數據來源站點分布Tab.1 Distribution of meteorological stations in study areas

1.2 烤煙氣候適宜性評價

烤煙生育期劃分：大田期（4月21日—8月31日）、移栽-團棵期（4月21日—5月31日）、旺長期（6月1日—6月30日）和成熟期（7月1日—8月31日）。

參考龍懷玉等［23]建立的烤煙氣候適宜性評價模型，對各個氣候因素的適宜性進行評價，并計算適宜性指數的氣候因素、隸屬函數、氣候因素指標拐點值和權重，見表2。

隸屬函數中的拋物線形函數和S形函數的計算公式：

式中：x1、x2、x3、x4分別為各個氣候因素指標的下限值、最優下限值、最優上限值、上限值。

式中：x1、x2分別為各個氣候因素指標的下限值和上限值。

采用綜合指數法計算烤煙生育期綜合氣候適宜性指數(Climatic Suitability Index,CSI)，參考文獻［23]確定權重，各氣候因素權重見表2。CSI計算公式：

表2 烤煙氣候適宜性評價指標及其隸屬度函數拐點和權重Tab.2 Evaluation indexes of climatic suitability for flue-cured tobacco and inflection points and weights of their subordinating degree functions

式中：Ni和Wi表示第i個氣候因素的適宜性指數和權重系數。

1.3 氣候風險評估

為評價不同年份間烤煙氣候適宜性指數的波動情況，確定烤煙生長氣候限制因子和關鍵生育期，引入氣候風險度指標（R）［17]，計算公式：

式中：Rci和R分別表示第i個氣候因素風險度和氣候總風險度；Aci和A分別代表第i個氣候因素的適宜性指數和綜合氣候適宜性指數的標準偏差；Si和S分別代表第i個氣候因素的適宜性指數和綜合氣候適宜性指數的平均值。

1.4 氣候因素及其適宜性趨勢分析

氣候因素的趨勢變化采用線性回歸模型描述，即y=a+bx。其中y為氣候因素及其適宜性指數的擬合值；x為時間序列（時間序列的基本單位為年）；b為斜率，表示氣候因素的趨勢傾向，當b>0時表示氣候因素隨時間增加呈上升趨勢，當b<0時，表示氣候因素隨時間增加呈下降趨勢，b值大小反映了氣候因素上升或下降的速率，即氣候因素每年的變化量。氣候因素的傾向率常用每10年的變化幅度表示［24-25]，因此本試驗中氣候因素和氣候因素適宜性傾向率用10×b表示。

1.5 數據處理

采用MS Excel 2010對氣象數據進行分析和作圖，并計算氣候因素及其適宜性的傾向率，使用SPSS 18.0對氣候要素及其適宜性指數傾向率進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 陜西省烤煙不同生育期氣候因素及其適宜性指數的波動分析

根據陜西省27個氣象站歷史氣象數據（表1），分析6個主產區烤煙移栽-團棵期降雨量和平均氣溫及其適宜性指數年際波動情況，見圖1。從時間尺度上來看，各產區年際間降雨量波動較大，變異系數在29.0%～60.7%之間，其中延安和咸陽產區變異系數均在60%左右，寶雞、漢中和商洛產區在40.0%～50.0%之間，安康產區年際波動相對較小，變異系數為29.0%。相對于降雨量，平均氣溫波動幅度較小，變異系數在4.8%～6.0%之間。各產區不同年份平均溫度極差在3.03～4.20℃之間。從空間尺度來看，6個產區降雨量和均溫存在較明顯差異，安康和漢中移栽-團棵期降雨量和均溫分別大于110 mm和18.5℃，而延安和咸陽歷年平均降雨量低于65 mm，均溫則低于16.5℃。

各產區烤煙移栽-團棵期降雨量和均溫適宜性指數均表現出較大的年際間波動，變異系數分別在13.7%～50.4%和2.5%～23.2%之間，其中安康和漢中產區波動相對較小，年際間變異系數分別小于25.0%和7.5%，而咸陽和延安等北部產區則分別在48.0%～51.0%和23.0%～14.0%之間。漢中和安康等陜南煙區降雨量和氣溫的波動對烤煙適宜性指數的影響相對較小，而咸陽和延安等陜北產區降雨量的波動則更容易影響烤煙適宜性指數。

陜西6個產區烤煙旺長期降雨量和平均氣溫及其適宜性指數年際波動情況如圖2所示。從時間尺度上來看，旺長期降雨量依然存在較大的年際波動，變異系數在39.8%～50.6%之間，各產區間差異不大。氣溫年際波動幅度較小，變異系數在3.7%～5.2%之間。從適宜性指數來看，各產區降雨量適宜性指數存在較大的年際波動，波動范圍在0.1～1.0之間，其中安康和漢中降雨量適宜性指數年度間變異系數為37.0%和39.9%，其余產區變異系數均大于55%，其中咸陽最大，為76.6%。各產區氣溫適宜性指數年際間波動較小，安康、漢中和商洛多數年份均是1.0，寶雞、延安和咸陽旺長期氣溫適宜性逐漸升高，且波動幅度逐漸降低。

陜西6個產區烤煙成熟期降雨量和均溫及其適宜性指數的年際波動情況見圖3。成熟期降雨量和均溫年際波動幅度較旺長期有所降低，變異系數在32.3%～45.6%和3.2%～3.7%之間，各產區大部分年份成熟期降雨量在150 mm以上。降雨量適宜性指數年際間也均存在較大波動，變異系數在45.7%～75.9%之間，其中漢中和安康變異系數均大于70.0%，商洛變異系數為60.5%，寶雞、咸陽和延安產區變異系數小于50.0%。各產區氣溫適宜性指數多數年份均是1.0，僅安康和漢中個別年份小于1.0，但也均在0.75以上。年際間波動較小，變異系數均小于4.0%。

陜西6個烤煙產區大田期積溫、相對濕度和日照時數及其適宜性指數年際間波動情況見圖4。從圖4可以看出,各產區大田期10℃以上積溫和相對濕度年際間波動均不大，變異系數在5.1%～6.7%和3.3%～5.8%之間。大田期日照時數年際間存在一定的波動，年際間變異系數在9.7%～12.9%之間。烤煙大田期積溫和相對濕度適宜性指數存在一定波動，變異系數分別在13.6%～32.8%和5.3%～33.6%之間，其中漢中和安康等陜南產區波動相對較小，變異系數分別小于20%和10%，而延安和咸陽等北部產區年際波動相對較大，變異系數大于25%。大田期日照時數適宜性指數較為穩定，僅漢中、商洛和安康產區少數年份小于1，其余產區及年份均為1.0。各產區烤煙大田期積溫和相對濕度雖然波動不大，但適宜性指數卻存在較大的波動，尤其是延安和咸陽等北方煙區波動較為明顯，而日照時數雖然存在一定波動，但多數產區多數年份的日照時數適宜性指數為1.0。

綜合烤煙移栽-團棵期、旺長期、成熟期和大田期9個氣候因素的適宜性，分析了陜西主要烤煙產區1980—2015年間烤煙綜合氣候適宜性指數（圖5）變化情況。各產區綜合氣候適宜性指數年際波動幅度相差不大，變異系數在3.7%～5.3%之間，僅咸陽產區變異系數大于5.0%。不同產區的綜合氣候適宜性指數呈現出一定的梯度分布，其中安康和漢中處于第一梯隊，綜合氣候適宜性指數均值均為0.89，最低值分別為0.81和0.77；第二梯隊為商洛和寶雞產區，綜合氣候適宜性指數均值分別為0.85和0.81，最低值分別為0.78和0.74；第三梯隊為咸陽和延安產區，綜合氣候適宜性指數均值分別為0.79和0.76，最低值均為0.70。

2.2 陜西省烤煙不同生育期氣候因素的風險度分析

氣候風險度由氣候適宜性和氣候適宜性波動指標計算得出，反映了氣候因素適宜性及其年際波動的綜合效應，可量化評估氣候因素波動對于作物生長造成不利影響的可能性［18]。陜西各產區烤煙主要生育期氣候因素風險度見表3。從表3中可以發現，烤煙主要生育期中降雨量風險度較大，其中咸陽和延安旺長期降雨量風險度相對較高（>0.3），而安康、漢中和商洛成熟期降雨量風險度相對較高（>0.3），其余產區和生育期降雨量風險度均小于0.3；各產區氣溫風險度相對較小，僅延安、咸陽和寶雞移栽-團棵期氣溫風險度相對較高（>0.1）；同時大田期積溫也存在一定風險度，尤其是延安產區，大田期積溫風險度大于0.2。

表3 陜西主要產區烤煙生育期各氣候因素風險度Tab.3 Risk degrees of climatic factors for flue-cured tobacco during growth period in main planting areas of Shaanxi

2.3 陜西省烤煙氣候因素以及氣候適宜性傾向率分析

傾向率用于表征氣候因素等指標隨時間序列變化趨勢，常用10年（10 a）為基本統計單位［25-26]，采用線性趨勢分析法對資料序列進行變化趨勢分析。陜西各產區氣候因素及其適宜性傾向率見表4。從表4中可以發現，1980年以來陜西產區烤煙生育期間氣溫及積溫呈現增加的趨勢，商洛和延安產區大田生育期的日照時數顯著上升，傾向率分別為35.61 h/10 a、和46 h/10 a。綜合烤煙生育期各氣候因素的變化趨勢來看，1980年以來最大的變化是氣溫升高。氣溫適宜性指數也呈顯著變化趨勢，其中各產區移栽-團棵期和旺長期氣溫適宜性指數均呈顯著升高趨勢，安康和漢中產區成熟期氣溫呈升高趨勢，且超過了18～25℃成熟期最佳溫度區間，因此其氣溫適宜性反而呈顯著降低趨勢；陜西產區大田期大于10℃積溫普遍在1 000～2 000℃之間，尚未達到最適宜的2 000～3 500℃區間，因此隨著烤煙生育期氣溫的升高，積溫適宜性指數呈現增加趨勢。綜合各因素來看，寶雞和咸陽烤煙氣候適宜性指數呈顯著升高趨勢，其余產區變化趨勢不顯著。

表4 陜西主要產區烤煙生育期氣候因素及其適宜性指數傾向率①Tab.4 Tendency rates of climatic factors and their suitability indexes during growth period in main flue-cured tobacco planting areas of Shaanxi

3 討論

聯合國政府氣候變化專門委員會（IPCC）發布的第五次評估報告（AR5）指出，全球氣候系統變暖的事實是毋庸置疑的［27]。氣溫變暖會導致一系列氣候和生態條件的改變，如降雨時空分布格局、極端天氣頻率等，任何氣候變化都可能對農業生產帶來潛在的或顯著的影響［28]。氣溫變暖必然導致作物適宜性改變，烤煙是喜溫作物，對溫度比較敏感［29]，在多個烤煙氣候適宜性評價系統中，溫度指標都占了較大的權重［1,23]。本研究中利用陜西主要植煙產區30多年的歷史氣象數據，分析了陜西各產區烤煙氣候適宜性的變化情況及氣候風險，提出了氣候適宜性較高且年際間波動較小且適宜發展烤煙種植的區域分布。在1980—2015年間，陜西烤煙生育期氣溫平均每10年升高0.27～0.38℃，其中旺長期升高速度最快，明顯快于全球地表1951—2012年每10年平均升溫0.12℃［30]，這與高茂盛等［31]對陜西氣候資源變化趨勢研究結果基本一致。氣溫升高對烤煙氣候適宜性產生了顯著的影響，提高了移栽-團棵期和旺長期的適宜性指數，但也降低了安康和漢中等陜南產區成熟期適宜性指數，但降低幅度較小，同時提高了陜西產區烤煙生育期的積溫及烤煙生育期的積溫適宜性，可縮短烤煙大田生長時間，降低種植風險。與白玉梅等［32]對貴州烤煙種植積溫變化情況的研究結果相似。

陜西烤煙產區氣溫上升對烤煙整個生育期的降雨量尚未產生顯著影響。但從氣候風險分析結果來看，陜西產區降雨量存在較大的年際波動，烤煙種植氣候風險也主要是降雨量。在移栽-團棵期，漢中和安康等南部產區主要風險在于降雨量過多導致的適宜性指數降低，延安和咸陽等北部煙區的主要風險在于降雨量偏少導致的適宜性指數降低，其中延安和咸陽等北部煙區適宜性降低幅度及風險更大；在烤煙旺長期（6月份），氣候風險主要是降雨量偏少導致的適宜性指數下降，且延安和咸陽等北部煙區降雨量適宜性指數降低幅度更大；成熟期主要風險是降雨量偏多，其中陜南煙區風險更大。

4 結論

綜合分析1980—2015年間陜西省主產區氣候因素在烤煙生育期內的時空變化特征，結果表明：①在烤煙生育期間，陜西各產區降雨量年際波動較大，并且成為限制烤煙生長適宜性的主要因素。氣溫、日照時數年際波動相對較小，延安和咸陽等北部煙區大田期日照時數以及大田期積溫適宜性指數有一定年際波動。②陜西煙區降雨量、氣溫、積溫和相對濕度等氣候指標呈現出由北向南逐步增加的趨勢，而日照時數則呈現相反的趨勢。③安康、漢中和商洛等區域烤煙氣候綜合適宜性較高，且年際穩定性較好，適宜發展為陜西省核心烤煙種植區，但需要防范旺長期降雨量偏少以及成熟期降雨量偏多的風險。④氣候因素趨勢分析顯示，多數產區氣溫呈顯著升高趨勢，其中寶雞和咸陽烤煙綜合氣候適宜性指數顯著升高。