三門峽市烤煙種植氣候適宜性因子變化特征分析

蔡 濤

（1中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2三門峽市氣象局，河南三門峽 472000）

0 引言

烤煙是一種對環境極為敏感的經濟作物，氣候因素是影響烤煙布局及生長發育的重要因素，只有在一定的光、溫、水等氣候條件下烤煙才得以良好生長[1-3]。由于煙葉是煙株感受外界環境的主要器官之一，因而對環境變化反應十分敏感，各生育期的氣候變化必然對煙葉的外觀及感官評吸產生一定影響[4-5]。在全球氣候變暖的背景下，氣溫和降水的改變強烈影響區域的氣候狀況[6]，從而影響烤煙種植的氣候條件。氣候變化對烤煙種植的影響受到越來越多專家學者的關注。徐慶凱等[7]分析了江西省煙區近40 年的氣候特征，并與國外優質煙區氣候進行了對比分析；鄧明軍[8]等基于GIS對廣西靖西煙區烤煙種植生態適宜性進行了分析；楊志清[9]利用灰色關聯度方法分析了云南省烤煙種植氣候適宜性；程立銳等[10]詳細分析了四川省什郁市氣候因子變化對當地煙葉生產的利弊影響。目前有關三門峽烤煙氣候影響因子變化特征和氣候適宜性的研究卻鮮見報道。三門峽市地處河南省西部，屬山地丘陵地貌，山地、丘陵占總面積的90%以上，海拔高度約200～2300 m，是北亞熱帶與暖溫帶的過渡帶，兼有南北氣候特點，土壤富含有機質和磷、鉀等微量元素，適宜優質烤煙的種植。2019 年三門峽共收購煙葉2.1175×107kg，煙農售煙收入5.9億元，連續15年煙葉質量、數量穩居全省第一[11]。三門峽烤煙是中國濃香型烤煙的典型代表，煙葉內含物質豐富、氣香質好、口味醇和，有“代云煙”之稱[12]。本研究根據烤煙對氣候條件的要求，結合三門峽本地烤煙種植氣候適宜性指標，就1960—2018年三門峽烤煙主要氣候影響因子變化特征以及對烤煙種植適宜性的影響進行研究和分析，以期為適應氣候變化，合理利用氣候資源，促進烤煙種植持續穩定發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 主要氣候影響因子選取及其適宜性指標的確定

本研究參考中國第三次煙草種植區劃指標，在前人研究的基礎上[13-16]，從烤煙產量、品質、病蟲害3個方面綜合考慮，選取大田期日照時數、旺長期降水量、成熟期平均氣溫作為影響三門峽烤煙種植的主要氣候影響因子，并根據專家打分確立了各影響因子適宜性指標（見表1）。烤煙大田期日照時數表示烤煙大田期的平均光照條件，是影響烤煙產量和品質的重要氣候因子。旺長期是烤煙需水量最大的時期，占全生育期總需水量的44.0%～46.0%[17]，是改善煙葉細胞結構，促進上部葉開片的最佳時期[18]。成熟期氣溫是烤煙大田中后期影響煙葉品質形成的重要氣候因子，適宜的溫度才能保證烤煙光合作用和內在品質的形成。

表1 三門峽市烤煙氣候適宜性影響因子量化指標

使用三門峽市農業氣象觀測站2009—2018 年烤煙發育期觀測資料確定三門峽烤煙大田生長期為5月中旬—9月上旬，旺長期為7月上旬—7月下旬，成熟期為8 月中旬—9 月上旬。使用三門峽市4 個氣象觀測站（站點分布見圖1）1960—2018年逐日氣象資料并按上述時間段進行統計分析。

圖1 三門峽市氣象站點分布

1.2 分析方法

使用氣候傾向率和氣候趨勢系數法分析各影響因子過去59年變化趨勢，采用變異系數分析旺長期降水量年際變化波動特征，使用R/S分析法分析各影響因子未來的氣候變化趨勢。

氣候傾向率在氣象學中，可以用氣象要素的時間序列與自然數數列之間的相關系數，來反映要素的長期傾向性變化，可以建立y與ti之間的一元線性回歸方程(1)[19-20]。

式(1)中，y(t)為氣象要素的擬合值；t為時間序列；a為氣候傾向率，a＞0表示直線遞增，a＜0表示直線遞減，a×10表示每10年的變化率。

變化趨勢的顯著性利用時間與變量序列間的相關系數即氣候趨勢系數進行檢驗[21]，計算公式見參考文獻[15]。根據蒙特卡羅模擬方法[22]，通過信度α=0.1、0.05、0.01 顯著性檢驗所對應的相關系數臨界值分別為0.3058、0.3653、0.4430，當氣候趨勢系數絕對值大于上述臨界值時，則認為變化趨勢較顯著、顯著和十分顯著。

變異系數是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統計量，是標準差與平均數的比值，可以用于衡量數據的波動性[23]。其計算見公式(2)。

式(2)中，v為變異系數，s為數據的標準差；為數據的平均值。在本研究中，計算10 年滑動波動系數值，對比分析波動變化程度。變異系數越小，其波動程度越小；反之，變異系數越大，波動程度越大，波動程度的大小表達了降水變異的程度，可以反映出區域氣候脆弱性特征。

R/S分析法是用氣候要素時間序列計算出Hurst指數來揭示氣候要素時間序列的趨勢性[24]。具體計算方法見參考文獻[24]，在此不再贅述。對于不同的Hurst指數(h)意味著序列有不同的趨勢變化：當0.5＜h＜1.0時，表明時間序列的長期相關性特征為持續性，h值越接近1.0 持續性就越強，當0.0＜h＜0.5 時表明時間序列的長期相關性特征具有反持續性，h值越接近0.0反持續性就越強。R/S分析法的重要應用價值就在于用Hurst指數的趨勢性成分對未來氣候變化進行趨勢預測[25]。

2 結果與分析

2.1 大田期日照時數變化特征

三門峽市歷年大田期日照時數如圖2a所示，歷年平均日照時數為824.4 h，最大值為1065.8 h，出現在1997 年，最小值為535.7 h，出現在2010 年。從空間分布來看，三門峽站平均日照時數最多，為861.6 h，其后依次為靈寶842.2 h、澠池828.3 h，盧氏最少為765.6 h。使用氣候傾向率法和趨勢趨勢系數方法計算各煙區的日照變化趨勢及趨勢系數見表2。1960年以來三門峽市日照時數呈明顯的減少趨勢，減少速率為36.4 h/10 a，趨勢系數為-0.569。氣候傾向率絕對值大小為靈寶＞全市平均＞三門峽站＞澠池＞盧氏，以靈寶日照時數減少趨勢最為明顯，盧氏最小。通過計算趨勢系數可知大田期日照時數盧氏呈顯著性減少趨勢，其他3 個站點均為十分顯著性減少趨勢，整體上呈十分顯著性減少趨勢。計算各年代平均值得20世紀60、70、80、90年代和21 世紀00 年代分別為924.9 h、881.9 h、780.4 h、883.2 h 和755.6 h，2011—2018 年平均值為700.9 h，變化曲線見圖2b，自20 世紀90 年代以來日照時數呈連續下降趨勢，據表1可知2010年以前各年代平均日照時數均在適宜區間內，但2011—2018年平均值已下降至較適宜區間內。

2.2 旺長期降水量變化特征

三門峽市烤煙旺長期平均降水量變化趨勢如圖2c所示。1960—2018年間平均降水量為120.2 mm，最大值為2007 年的292.0 mm，最小值為2014 年的34.8 mm，極差為257.2 mm，降水量年際差異較大。由表2 可知三門峽各氣象站點之間降水量差異較小，以盧氏年均降水量最大，三門峽站最小。全市平均降水量以2.7 mm/10 a的速率呈逐年減少趨勢，其中澠池減少趨勢最為明顯，但所有站點的變化趨勢系數均未通過顯著性檢驗。統計各年代平均降水量（見圖2d），20世紀60、70、80、90 年代和21 世紀00 年代分別為127.4、119.7、126.1、106.2 和133.1 mm，2011—2018 年平均值為100.4 mm，20 世紀60 至80 年代距平值均為正，從20 世紀90 年代開始變化浮動較大，呈現出“負-正-負”的交替性變化特點，特別是2011年—2018年平均降水量與其他各年代相比已降至最低。

表2 三門峽市煙區氣候影響因子統計值、傾向率及趨勢系數

結合表1 可知各站點歷年平均值、全市整體平均值都在適宜區間內，旺長期降水量可以滿足烤煙正常生長發育需求，但是由于年際間降水量差異較大，歷年降水量最大值是最小值的8 倍，旱澇不均現象明顯。使用變異系數分析降水量的年際波動情況，以10年為步長計算其滑動標準差和平均值序列，得出1969—2018 年10 年滑動變異系數曲線圖（見圖2e）。變異系數變化傾向率為0.031/10 a，其趨勢系數為0.415，通過了a=0.05的顯著性水平檢驗，說明旺長期降水量不同年份波動變化顯著性增大，降水量隨時間變化的不均勻性逐年加大。

圖2 三門峽市煙區各氣候影響因子時間變化

2.3 成熟期平均氣溫變化特征

成熟期平均氣溫如圖2f 所示，歷年平均值為23.1℃，最高值為1997年的26.8℃，最低值為2003年的20.8℃，極差為6.0℃。年際變化總體上呈緩慢上升趨勢，傾向率為0.03℃/10a，趨勢系數為0.042，上升趨勢不顯著。由表2可知在4個站點中只有盧氏氣候傾向率為負值，說明近59年來盧氏烤煙成熟期平均氣溫呈下降趨勢，而其他站點的變化趨勢均與全市整體變化相一致。從年代際變化來看（見圖2g），20世紀60年代平均氣溫為23.5℃，70 年代為23.1℃，80 年代降至最低，為22.4℃，比平均值低0.8℃，20世紀90年代迅速升高至23.7℃，比平均值高0.5℃，20 世紀80—90 年代平均氣溫經歷了從負距平到正距平的大幅上升。21 世紀00 年代為22.6℃，2011—2018 年為23.6℃。總體上看從20 世紀80 年代以后氣溫上升趨勢明顯，1981—2018 年氣溫變化傾向率達0.3℃/10 a，特別是2011—2018年平均氣溫達到年代平均最高值，但目前不論是全市整體平均值還是各站點平均值都在氣候適宜性指標的適宜區間內。

2.3 氣候影響因子的未來變化趨勢

使用R/S分析法對三門峽烤煙氣候影響因子的未來變化趨勢進行分析，得出Hurst指數以及變化趨勢（見圖3），3 個氣候影響因子的擬合系數分別0.991、0.953和0.957，擬合效果顯著。

圖3 氣候影響因子的R/S分析

Hurst指數分析中0.5為持續性與反持續性的分界點。大田期日照時數的Hurst指數為0.839，存在明顯的赫斯特現象，持續性較強，說明三門峽烤煙大田期日照時數未來變化與過去變化趨勢具有較強的一致性，即呈顯著性減少趨勢。旺長期降水量的Hurst指數為0.611，雖存在赫斯特現象，但持續性較弱，其未來變化趨勢也與過去59年的變化趨勢保持一致，即有逐步減少的趨勢。成熟期平均氣溫Hurst指數為0.641，同樣大于0.5，即研究區烤煙成熟期平均氣溫未來仍將呈緩慢上升的變化趨勢。

3 討論

3.1 大田期日照時數的變化及其影響

中國氣象局《中國氣候變化監測公報（2013）》指出，1961—2013年中國平均年日照時數呈顯著減少趨勢，平均每10年減少34.1 h。劉曉迎等[26]、姬興杰等[27]的研究結果顯示河南省烤煙大田期日照時數呈顯著性減少趨勢。郭松等[28]研究結果表明豫西地區1971—2005 年烤煙大田期日照時數以25.4 h/10 a 的速率減少。本研究結果表明1960—2018 年三門峽烤煙大田期日照時數平均每10 年減少36.4 h，變化趨勢與上述的研究結果相一致，只是變化速率不同，這主要是因為研究區域和研究時段不同所造成。烤煙生長期經歷天數與同期日照為正相關關系[28]，即日照時數減少會相應的縮短烤煙大田生長期，減少干物質凈積累量。煙草是喜光植物，其質量的好壞與日照時數關系密切[26]。目前三門峽烤煙大田期日照時數雖在適宜性指標最優區間內，但2011—2018 年平均值已下降至700.9 h，已降至適宜區間內，且R/S分析結果表明這一減少趨勢在未來一段時間仍將保持較強的持續性，隨著日照時數持續減少，勢必對烤煙的產量和品質產生不利影響，從而可能導致烤煙種植適宜區面積不斷縮小。在實際生產中，如果當年日照時數明顯偏少，可采取追肥、推遲采收等措施延長烤煙大田生長期，增加烤煙干物質的積累轉化。另外，三門峽市多為山地丘陵地形，地勢高低起伏，應盡量選擇陽坡或半陽坡地種植烤煙，可以獲得更多的日照時間，有利于提高烤煙品質。

3.2 旺長期降水量的變化及其影響

降水對烤煙的影響不決定于年降水量的大小，而主要決定于雨量的分布[29]。旺長期充足的雨水有利于烤煙莖葉迅速生長，提高產量。從多年平均值看，三門峽烤煙旺長期降水量處于適宜或較適宜區間內（見表1、表2），基本可以滿足優質烤煙的生育需求，對增加土壤水分、促進煙株生長十分有利，但是從年際變化以及年代際變化看1960 年以來三門峽烤煙旺長期降水量均呈不斷減少的變化趨勢，同時表示降水量年際變化波動性的變異系數也呈顯著性增大的變化趨勢，這表明三門峽烤煙旺長期缺水干旱或漬澇的幾率在增加，不同年份旱澇不均的情況將更加明顯。這與劉國順等[30]、張志高等[31]、王新偉等[32]的研究結果相一致。周義等[33]也指出近些年降水的季節、年際變化振蕩加劇，擾亂了局部區域農業用水供需平衡，水資源短缺及其承載力將成為一個嚴峻的問題，導致烤煙種植風險加大，適宜性降低。對于三門峽地區，更應加強農田水利設施建設，盡量選擇土壤肥力較好、有穩定灌溉條件的地塊進行烤煙種植，培育耐旱耐澇的強抗逆性烤煙品種也是應對不利氣候因素影響的有效措施之一。

3.3 成熟期平均氣溫的變化及其影響

成熟期氣溫是決定煙葉香型表現的決定因素，成熟期較高的均溫是濃香型煙葉的典型特征[34-36]。三門峽烤煙成熟期氣溫不論是整體或單個氣象站點的多年平均值，都處在適宜性指標的適宜區間內（見表1、表2），說明三門峽烤煙成熟期氣溫能夠充分滿足烤煙這一階段生長發育的要求。從時間變化上看，成熟期平均氣溫呈現出先下降后上升的波動性變化，特別是從20 世紀80 年代開始平均氣溫上升速率顯著增大，達0.3℃/10 a，明顯高于中國同期0.22℃/10 a 的上升速率[37-38]。由此可見，在全球氣候變暖的背景下，中緯度附近煙區普遍表現出時間和空間上氣溫上升的變化[39-40]，在三門峽地區也有同樣的表現。姬興杰等[41]、孟寒冬等[42]研究結果指出河南省不同區域氣候資源條件在空間上雖有差異，但比較能夠滿足烤煙生長發育對適宜氣候資源的要求，未來氣候變化情景下，絕大多數溫熱要素將有顯著上升趨勢，有利于河南濃香型烤煙香氣品質的提升。三門峽成熟期平均氣溫1960 年以來一直呈上升趨勢，R/S分析結果表明未來也仍將保持上升趨勢，這一變化趨勢有利于烤煙品質的提高，氣溫高、光照足有利于烤煙葉片物質的充分轉化，特別是盧氏、靈寶海拔較高的山地氣溫偏低，氣溫上升更加有利于烤煙成熟期干物質的合成和積累。需要指出的是1960—2018 年盧氏縣烤煙成熟期平均氣溫雖呈下降趨勢，但R/S分析結果顯示未來與三門峽整體變化趨勢相一致，也呈上升趨勢。

4 結論

當前三門峽地區的氣候條件能夠滿足優質烤煙的種植，適宜的光照、溫度和降水有利于煙株的物質形成、積累和轉化。未來氣候變化趨勢對烤煙種植的影響則是利弊共存，成熟期氣溫不斷升高促進了濃香型烤煙內在品質的提升，另一方面大田期日照時數和旺長期降水量不斷減少，對烤煙產量和品質形成產生不利影響，旺長期降水量年際波動增大導致旱澇災害幾率增加。三門峽地區地形復雜，立體氣候特征突出，相關部門在制定烤煙種植規劃時應充分結合當地氣候條件以及氣候變化趨勢，合理規劃，加強煙區氣候預測分析，完善烤煙各生育期氣象監測體系，最大限度地減少氣候變化對烤煙生產帶來的不利影響。