貴州省烤煙種植主要氣象風險因素的時空分布特征分析

藏照陽，張艷玲，王建偉，常乃杰，劉建利

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

2.中國煙葉公司，北京市廣安門外大街9號 100055

農業氣象風險是指大氣變化產生的不利氣象條件對農業生產和農作物等造成的直接和間接的損失［1-2］。我國每年因各種氣象災害造成的農作物受災面積達5×107hm2，經濟損失達2 000 多億元［3］。因此，如何準確、定量地評估氣象災害對農業生產的影響，對國家糧食安全、農業可持續發展和農業防災減害措施的制定具有重要意義。目前國內外關于農業氣象風險評估主要集中在以下3個方面：一是根據歷史氣象資料借助數理統計的方法，建立單一氣象災害風險概率模型［4-6］。二是根據自然災害致災機理，基于致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力等指標的綜合評估［7-9］。三是借助作物模型和遙感等技術，實現農業氣象災害風險的動態評估［10-12］。

近年來，關于煙草農業氣象災害風險研究主要集中在兩方面：一是評價某一區域單一災害的風險［13-14］。王秀珍等［13］采用日平均氣溫、最低氣溫和日照時數等數據，借助GIS 平臺構建了玉溪烤煙低溫冷害風險評估模型；張澤中等［14］利用1951—2017 年逐日降水數據資料，分析了貴陽市煙草生長期旱澇急轉特征。二是基于自然災害系統理論，構建氣象風險綜合評估模型［15-16］。操筠［16］選取致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力4 個因子構建恩施烤煙氣象脅迫風險模型，并利用GIS 實現恩施煙區的氣象脅迫風險區劃。貴州作為我國主要優質煙葉產區，全省地形地貌差異大，氣候變化復雜，不同產區間氣象條件差異大且面臨的災害種類多，是煙草農業生產的主要障礙因子之一［17-19］。但迄今為止，對貴州省煙葉種植所面臨的氣象風險研究較少。為此，擬通過對貴州煙葉生產過程中氣象風險指標的分析，明確不同氣象風險發生的時空分布特征，并采用聚類分析法對貴州烤煙種植氣象風險因素進行歸類，旨在為貴州省煙葉大田生產防災減災策略的制定提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象數據來自貴州64 個植煙縣的國家氣象監測站（圖1）。數據項目包括2008—2017 年4—9 月逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降雨量和日照時數等。

圖1 氣象數據收集區域Fig.1 Meteorological data collection areas

1.2 氣象風險指標

低溫、高溫、干旱等評價指標參考前人對烤煙生長發育規律及煙葉種植氣象風險因素評價的相關研究［20-25］，暴雨風險評價指標參考玉米風險評價［7］。根據貴州烤煙移栽期和烤煙生長發育進程，確定還苗-伸根期低溫、成熟期高溫、成熟后期低溫、旺長期干旱、生育期暴雨等氣象風險指標（表1）。

表1 氣象風險指標說明Tab.1 Meteorological risk indexes

1.3 數據分析方法

采用SPSS 26 和Excel 2019 完成各項指標的基本統計分析。利用ArcGIS 10.7，采用反距離加權插值法（IDW）、柵格計算等方法完成空間分布分析［18］。通過聚類分析法完成氣象風險因素歸類。聚類分析法通過特定的算法（歐氏距離、平方歐式距離、馬氏距離等）計算個案之間的距離，根據個案間距離大小將其分為若干個簇，使簇內個案盡可能具有最大的相似性，通過繪制譜系圖確定聚類個數［27］。將氣象風險指標標準化處理后，采用平方歐式距離法［28］，對貴州烤煙種植風險區進行系統聚類分析［29］。生態區劃研究一般將聚類結果劃分為4～6 類［30-31］，本研究中根據貴州烤煙種植氣象風險特征并借鑒以往研究經驗將貴州烤煙種植氣象風險劃分為6 類。

2 結果與分析

2.1 貴州煙葉大田期氣溫風險分析

2.1.1 煙草大田期氣溫時空分布

貴州省烤煙生育期（4 月下旬—9 月上旬）平均溫度在16.7～25.4 ℃之間，自西向東北呈現逐漸升高趨勢（圖2A），畢節威寧最低，銅仁沿河最高。生育期內旬均溫呈現出先增加后降低的趨勢（圖2B），4 月下旬溫度最低，為16.7 ℃；7 月下旬溫度最高，為24.8 ℃；之后溫度不斷降低，9 月上旬降至22.3 ℃。4月下旬變異系數最大為10.17%，5 月中旬—8 月下旬在4%～6.4%之間，9 月上旬又上升至6.5%。進一步對不同生育階段平均溫度年際間變化分析（圖2C）可知，烤煙還苗-伸根期（4月下旬—5 月中旬）溫度最低且年際間變化較大，極值在17.2～20.6 ℃，變幅為3.4 ℃；成熟前期（7月中旬—8 月上旬）溫度最高，極值在23.6～25.7 ℃之間，變幅為2.1 ℃；成熟后期（8 月中旬—9 月上旬）溫度有所降低，極值在22.2～24.6 ℃之間，變幅為2.4 ℃。2013 年以來，烤煙旺長期和成熟前期平均氣溫有所升高，伸根期和成熟后期平均氣溫呈下降趨勢。西部地區在還苗-伸根期和成熟后期可能遭受低溫風險，東部地區在成熟期可能遭受高溫風險。

圖2 2008—2017 年4 月下旬—9 月上旬溫度分布Fig.2 Temperature distribution from late April to early September between 2008 and 2017

2.1.2 貴州煙葉大田期氣溫風險分析

2.1.2.1 還苗-伸根期低溫

烤煙大田生長前期最適溫度為20～22 ℃，低于13 ℃容易造成烤煙早花，從而影響產質量［20］。2008—2017 年貴州煙區4 月下旬—5 月中旬日平均氣溫≤13 ℃天數的分析結果（圖3A）顯示，煙株還苗-伸根期平均氣溫≤13 ℃天數整體呈西高東低趨勢，畢節威寧低溫日數最多，多年平均為12 d，其次是六盤水水城和畢節大方，多年平均為5～8 d；貴陽開陽、修文，遵義播州區（遵義縣）、習水，畢節赫章，六盤水盤州（盤縣），黔西南普安，黔南甕安等為3～5 d，其他縣區均在1 d 以下。對風險較高3 個縣區的進一步分析結果顯示（圖3B），多數年份還苗-伸根期低溫風險天數相對穩定在4～5 d，僅2017 年畢節威寧、大方連續低溫天數明顯較高，達8～9 d。總體來看，貴州煙區還苗-伸根期低溫風險整體較低，畢節威寧、大方和六盤水水城的個別年份有一定風險。

圖3 還苗-伸根期低溫風險特征Fig.3 Characteristics of low temperature risk from shoot restoring stage to root extending stage

2.1.2.2 成熟期高溫

成熟期內溫度高于30 ℃，特別是大于35 ℃時烤煙內干物質的消耗大于積累，即使是短期的高溫，也會破壞葉綠素，不利于煙葉品質的形成［21］。對貴州煙區7 月中旬—8 月下旬日最高溫度≥35 ℃天數的年平均值分析得知（圖4A），高溫風險集中分布在貴州東北部，以銅仁沿河風險出現頻率最高，高溫風險天數高達27 d，其次是銅仁江口、思南、石阡、印江、松桃，黔東南錦屏、岑鞏為15～20 d，黔東南鎮遠、施秉，銅仁德江為10～15 d，其余區域高溫風險出現頻率相對較低。對高溫日數超過15 d 的8 個縣區進一步分析結果（圖4B）顯示，銅仁沿河、石阡、松桃，黔東南錦屏、岑鞏平均每年出現1 次持續天數5～10 d 的高溫脅迫；銅仁沿河平均每年出現1 次持續時間大于10 d 的高溫脅迫，而銅仁江口、思南、石阡、印江平均2年出現1 次。總體來看，貴州銅仁地區和黔東南錦屏、岑鞏煙葉成熟期高溫風險較高，中西部地區整體較低。

圖4 成熟期高溫風險特征Fig.4 Characteristics of high temperature risk during mature stage

2.1.2.3 成熟后期低溫

烤煙成熟期最適溫度為20～28 ℃，氣溫低于20 ℃，煙葉成熟緩慢，妨礙同化物的轉化和積累，不利于產質量的形成［19］。對8 月上旬—9 月上旬日平均氣溫≤20 ℃天數的多年均值分析（圖5A）可知，貴州多數區域烤煙成熟后期低溫風險天數在10 d 以下，僅畢節、六盤水和黔西南部分區域天數相對較多，其中畢節威寧高達40 d。對日平均氣溫≤20 ℃天數超過20 d 的3 個縣區進一步分析顯示（圖5B），畢節威寧日平均氣溫≤20 ℃最長持續天數最多，平均為27 d，六盤水水城、盤州在10 d 左右，且年際間變化較小。這說明，煙葉成熟后期畢節威寧遭受低溫風險概率最高，六盤水水城、盤州也有一定風險，其余縣區幾乎不會出現低溫風險。

圖5 成熟后期低溫風險特征Fig.5 Characteristics of low temperature risk during late mature stage

2.2 貴州煙葉大田期降雨風險分析

2.2.1 煙葉大田期降雨時空分布

貴州省各縣區烤煙生育期降雨量極值在607.5～995.1 mm 之間（圖6A），西南部和東部地區顯著多于中部地區。從時間分布特征上看，2008—2017 年貴州省植煙區降雨量總體呈上升趨勢，但年際間波動較大（圖6B）。2011 年和2013 年降雨量分別為483.8 mm 和617.0 mm，比2008—2017 年均值少37.64%和20.48%；2014 年降雨量為929.4 mm，比2008—2017 年均值多19.78%。生育期降雨量呈先增加后減少的變化趨勢（圖6C），還苗-伸根期雨量在80.0～177.2 mm 之間，均值為132.0 mm；旺長期降雨量在263.5～450.5 mm 之間，均值為343.5 mm；成熟前期雨量在46.0～287.9 mm之間，均值為163.7 mm；成熟后期雨量在45.9～240.8 mm 之間，均值為136.7 mm；還苗-伸根期和旺長期降雨量年際間差異較小，成熟期年際間差異較大，2014 年以來旺長期降雨量呈顯著增加趨勢。研究區域內煙葉不同生育期的降雨量與煙草需水規律基本吻合，但年際間差異大，在需水較多的旺長期，雨量相對較少的中部地區可能面臨干旱風險，雨量較多的西南地區和東部地區可能面臨暴雨風險。

圖6 2008—2017 年4 月下旬—9 月上旬降雨量分布Fig.6 Rainfall distribution from late April to early September between 2008 and 2017

2.2.2 貴州煙葉大田期降雨風險分析

2.2.2.1 旺長期干旱

旺長期是烤煙的需水臨界期，此時煙株生理活動旺盛，水量需求大，若水分供應不足，將會對煙葉的產量和品質的形成造成不可逆的影響［23-24］。對5 月下旬—7 月上旬最長連續無雨日數（圖7）的多年均值分析可知，貴州西部縣區大多數年份最長連續無雨日數在5 d 以下，東部縣區為5～10 d；2013 年，絕大多數縣區最長連續無雨日數為5～10 d，貴州中部地區最長連續無雨日數為10 d 以上，其中黔東南黃平最長連續無雨日數高達13 d。由此可見，除中部地區在個別年份發生干旱以外，貴州煙區煙葉旺長期干旱風險整體較低。

圖7 2008—2017 年5 月下旬—7 月上旬最長連續無雨日數Fig.7 Days of the longest consecutive period without rain from late May to early July between 2008 and 2017

2.2.2.2 大田期暴雨

對暴雨發生頻率和暴雨降雨量的分析結果（圖8A、B）顯示，暴雨主要集中在西南部和東部部分地區，其中安順普定、西秀、平壩、紫云、關嶺，黔南長順，六盤水六枝，黔西南晴隆、興義，貴陽清鎮年均暴雨日數在4～5 d，暴雨發生頻率較高；其次是黔南獨山、平塘、惠水、都勻，銅仁松桃、印江，黔東南丹寨，黔西南貞豐，畢節織金等地，暴雨天數在3～4 d。暴雨降雨量的分布顯示出相似趨勢，安順普定、平壩、紫云、關嶺，黔南長順、都勻，黔西南晴隆，畢節織金，銅仁松桃，貴陽清鎮，六盤水六枝年均暴雨降雨量均在300 mm 以上，其中六盤水六枝，貴陽清鎮高達350 mm，暴雨降雨量最大。對暴雨降雨量最大的六盤水六枝和貴陽清鎮進一步分析可知（圖8C、D），兩縣年均暴雨降雨量和暴雨日數相近，分別為350 mm 和5 d，但六盤水六枝年際間差異較小，暴雨量極值為147.8～459.2 mm，貴陽清鎮年際間差異較大，2009 年和2016 年僅發生一次暴雨，暴雨降雨量分別為63.3 mm 和62.4 mm，而2014 年和2015 年暴雨降雨量高達645.0 mm，自2014 年以來貴陽清鎮暴雨降雨量和暴雨日數均明顯增加，極端暴雨風險頻率顯著增加。

圖8 大田期暴雨風險特征Fig.8 Characteristics of heavy rain risks during field growth stages

2.3 綜合氣象風險空間分布

貴州省烤煙種植區氣象風險聚類分析見圖9。第一類包含貴州西部畢節威寧，烤煙還苗-伸根期和成熟后期低溫風險最高；第二類包含貴州西部畢節大方，六盤水水城、盤州，黔西南普安，在烤煙還苗-伸根期或成熟后期面臨一定的低溫風險；第三類包含貴州東部銅仁沿河、江口、思南、石阡、印江，黔東南錦屏、岑鞏，在烤煙成熟期面臨高溫風險；第四類包含貴州西南部安順、普定、平壩、紫云、關嶺，黔南長順、都勻，黔西南晴隆、興義，黔東南丹寨，畢節織金，貴陽清鎮，六盤水六枝，暴雨發生頻率和暴雨降雨量較高，易受暴雨風險的影響；第五類包含銅仁松桃，成熟期面臨高溫和暴雨雙重風險；第六類為貴州中部大部分縣區，烤煙生育期內各類氣象風險概率較低。

圖9 貴州省氣象風險空間分布Fig.9 Spatial distribution of meteorological risks in Guizhou Province

3 討論

本研究中發現，貴州西部煙葉大田前后期低溫、東北部成熟期高溫、西南部暴雨等是近年貴州煙葉大田期的主要氣象風險。大田前后期低溫風險主要分布在畢節部分區域，這與張艷梅等［32］對1961—2008 年貴州的研究結果相一致，說明還苗-伸根期和成熟后期低溫是制約畢節煙區優質煙葉生產的主要因子。與此同時還發現，2011 年以來貴州煙區旺長期干旱發生頻率較低，近10 年之中僅有1 年發生了嚴重干旱，主要分布在貴州中部貴陽及周邊部分縣區。這與張金鳳等［33］對1960—2011 年貴州省干旱的研究結果不完全一致，說明在全球氣候變暖的背景下［34-35］，貴州省植煙區近年降水增多，旺長期干旱發生頻率較低，對煙葉生長的威脅有所減輕。但雨量在時間和空間上變異較大，尤其自2014 年以來，貴州西南部安順及周邊縣區強降雨天氣出現頻率顯著增加，在煙葉生產中需給予更多關注。

4 結論

①對2008—2017 年貴州省氣象風險指標的分析表明，貴州煙區主要風險為還苗-伸根期低溫、成熟期高溫、成熟后期低溫和暴雨；②低溫風險主要發生在貴州西部地區，其中還苗-伸根期低溫風險主要發生在威寧、大方、水城，成熟后期低溫主要發生在威寧、水城、盤州；③高溫風險主要發生在東部銅仁和黔東南地區；④烤煙生育期內雨量充沛但年際間差異大，中部貴陽及周邊地區僅在少數年份發生干旱；⑤暴雨風險主要發生在西南部安順及周邊縣區；銅仁松桃面臨暴雨和高溫雙重風險。