氣溫日較差對甘蔗蔗糖分的影響評估

匡昭敏，歐釗榮，李 莉，陳冬宇，李 政，劉志平

(廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所/甘蔗氣象服務(wù)中心，廣西 南寧 530022)

0 引言

食糖是人民日常生活必需品和食品加工的主要添加劑及生物能源的重要原料之一[1]，屬于國家重要戰(zhàn)略物資和國際大宗貿(mào)易商品[2]。甘蔗是世界上最為重要的糖料作物之一[3]，我國甘蔗糖占食糖產(chǎn)量的85%以上[4]，由于受氣象災(zāi)害等多方面因素影響，甘蔗產(chǎn)量波動頻繁，嚴(yán)重威脅我國食糖安全。

蔗糖產(chǎn)量的增減主要由2個(gè)因素決定，一是甘蔗產(chǎn)量的高低，二是甘蔗蔗糖分的高低。目前大多數(shù)學(xué)者偏重于甘蔗產(chǎn)量形成的影響研究，如譚秦亮等[5]和李佳慧等[6]對不同品種甘蔗的產(chǎn)量研究發(fā)現(xiàn)新植甘蔗產(chǎn)量與出苗率、有效莖數(shù)呈顯著到極顯著正相關(guān)；Chaudhari Vishakha等[7]在印度古吉拉特邦的南部進(jìn)行甘蔗不同種植方式的評價(jià)中提到以120 cm行距種植能使甘蔗產(chǎn)量顯著提高；區(qū)惠平等[8]在甘蔗產(chǎn)量與磷肥施用量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)廣西蔗區(qū)推薦的適宜施磷量為P2O540.9 kg /hm2，藉此獲得較高的甘蔗產(chǎn)量和磷素利用率；Bhatt[9]發(fā)現(xiàn)通過覆蓋稻草來減少蔗田的土壤水分蒸發(fā)量可達(dá)到提高甘蔗產(chǎn)量的目的，并建議覆蓋量為4 t/hm2；Mbhamali Thulebona和Jury Mark[10]分析了非洲東南部地區(qū)甘蔗產(chǎn)量與當(dāng)?shù)貧夂虻年P(guān)系，他們認(rèn)為12月至翌年5月之前的雨熱時(shí)間關(guān)聯(lián)、太平洋厄爾尼諾擾動指數(shù)和印度洋偶極影響使甘蔗產(chǎn)量與氣候密切相關(guān)；而在蔗糖分形成影響方面的研究大多數(shù)學(xué)者從施肥對蔗糖分的影響進(jìn)行研究，如Wu等[11]經(jīng)過田間試驗(yàn)提出甘蔗最大產(chǎn)糖量的建議施肥及用水方案：N肥292 kg/hm2，K2O肥146.55 kg/hm2，P2O5肥439.5 kg/hm2，水1778.4 m3/hm2；單翔宇等[12]發(fā)現(xiàn)隨施氮量增加，蔗糖分先增加后減少，在一定氮肥用量范圍內(nèi)，施用氮肥有利于提高甘蔗含糖量，施氮量375 t/hm2下，3次施氮的效果最佳，與2次施氮相比，3次施氮更有利于提高甘蔗含糖量；梁計(jì)南等[13]發(fā)現(xiàn)，在相同施氮量下，后期重施氮肥對甘蔗后期生長有利，但前期缺氮所造成的損失，不利于甘蔗糖分積累；韋劍鋒等和陳超君等[14-15]認(rèn)為中后期施用氮肥有利于促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，同時(shí)會消耗大量碳水化合物，不利于提高蔗糖分；張偉等[16]對比分析氣象因素對甘蔗開花的影響發(fā)現(xiàn)：花芽分化前40天內(nèi)氣溫較低、濕度較高有利于甘蔗花芽分化；甘蔗孕穗期平均氣溫、平均濕度偏高有利于花穗抽出，顯著提高抽穗率；熊志強(qiáng)和劉建清[17]對甘蔗旬生長高度與氣象因子關(guān)聯(lián)度及因子篩選分析發(fā)現(xiàn)：氣溫日較差大，地面最低溫度對甘蔗生長制約最大。

氣象因素對蔗糖分形成的影響少有相關(guān)研究報(bào)道，很有必要對甘蔗蔗糖分轉(zhuǎn)化積累關(guān)鍵期影響蔗糖分高低的主要?dú)庀笠蛩剡M(jìn)行研究，以期提高蔗糖產(chǎn)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，為保障我國食糖安全以及糖企生產(chǎn)管理決策提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來源

廣西2007～2021年共15年32個(gè)廣西甘蔗主產(chǎn)縣(市、區(qū)，下同，分別為：興賓區(qū)、江州區(qū)、扶綏縣、寧明縣、龍州縣、柳城縣、大新縣、上思縣、武宣縣、宜州市、橫州市、賓陽縣、武鳴區(qū)、覃塘區(qū)、田東縣、合浦縣、柳江縣、江南區(qū)、羅城縣、靈山縣、象州縣、隆安縣、鹿寨縣、融水縣、欽南縣、平果縣、金城江區(qū)、忻城縣、欽北區(qū)、環(huán)江縣、都安縣、田陽縣)(下稱廣西甘蔗主產(chǎn)縣)地面氣象觀測站氣溫日較差、無雨日數(shù)、降雨量、日照時(shí)數(shù)等氣象資料來自廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心。所采用的地面氣象站是用32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣所在地的國家氣象站(或國家基本氣象站、基準(zhǔn)氣候站)代表。

廣西2007/08～2021/22年共15個(gè)榨季的32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣進(jìn)廠原料蔗入榨量、糖產(chǎn)量和甘蔗平均蔗糖分，資料來自廣西糖業(yè)年報(bào)。

1.2 氣象資料處理與計(jì)算

計(jì)算2007～2021年廣西32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣氣象站歷年9～11月、12月～翌年2月平均氣溫日較差(氣溫日較差指一晝夜間最高氣溫與最低氣溫的差值)、無雨日數(shù)、降雨量及日照時(shí)數(shù)。

計(jì)算2007～2021年廣西32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣氣象站歷年9～11月平均氣溫日較差≥8.5℃或≤7.5℃的出現(xiàn)百分率。計(jì)算公式如下：

其中，P為某年廣西32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣氣象站9～11月平均氣溫日較差≥8.5℃或≤7.5℃的出現(xiàn)站數(shù)百分率(%)，n為某年在廣西32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣氣象站中9～11月平均氣溫日較差≥8.5℃(或≤7.5℃)的出現(xiàn)站數(shù)，N為32，即廣西32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣。

2 近15個(gè)榨季甘蔗蔗糖分氣象影響評估

2.1 氣象因素與蔗糖分的相關(guān)性分析

據(jù)相關(guān)研究[18]，9～11月，廣西甘蔗進(jìn)入莖伸長后期至工藝成熟期，轉(zhuǎn)入糖分轉(zhuǎn)化積累關(guān)鍵期，分析研究發(fā)現(xiàn)，氣溫日較差大，日暖夜涼，干燥而晴朗無霜凍的天氣對蔗糖分積累有利。高溫潮濕天氣有利于甘蔗繼續(xù)生長，而不太利于蔗糖分的累積。12月以后廣西甘蔗集中進(jìn)入收獲壓榨期，至翌年2月底大部分完成收獲。分析廣西全區(qū)甘蔗蔗糖分、混合糖產(chǎn)率(混合糖產(chǎn)量與原料蔗入榨量之比)與9～11月、12月～翌年2月的平均氣溫、氣溫日較差、降雨量、日照時(shí)數(shù)、無雨日數(shù)等氣象因素的32個(gè)站點(diǎn)平均值相關(guān)性及顯著程度發(fā)現(xiàn)：甘蔗蔗糖分、混合糖產(chǎn)率與9～11月氣溫日較差、日照時(shí)數(shù)、無雨日數(shù)極顯著正相關(guān)(均通過0.01置信度檢驗(yàn))，與9～11月降雨量顯著負(fù)相關(guān)，與12月～翌年2月氣溫日較差、無雨日數(shù)顯著正相關(guān)(均通過0.05置信度檢驗(yàn))，見表1。故首選9～11月氣溫日較差、無雨日數(shù)開展甘蔗蔗糖分轉(zhuǎn)化積累的影響研究，輔以12月～翌年2月氣溫日較差、無雨日數(shù)分析。

表1 2007～2021年氣象因素與蔗糖分的相關(guān)性分析

2.2 氣溫日較差對蔗糖分的影響評估

2.2.1 氣溫日較差對蔗糖分的影響評估指標(biāo)

經(jīng)對2007～2021年廣西32個(gè)甘蔗主產(chǎn)縣氣象站歷年9～11月平均氣溫日較差及其相應(yīng)榨季的平均蔗糖分進(jìn)行分析研究，結(jié)果見表2、表3。表中給出了高糖榨季(榨季蔗糖分≥14.0%)和低糖榨季(榨季蔗糖分≤13.5%)的榨季蔗糖分及相應(yīng)榨季廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差≥8.5℃或≤7.5℃的出現(xiàn)百分率。由表2、表3可見，近15個(gè)榨季中共有5個(gè)為高糖榨季(榨季蔗糖分≥14%)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)表現(xiàn)為其糖分轉(zhuǎn)化積累期間(9～11月)的晝夜溫差大，蔗區(qū)9～11月的氣溫日較差多在8.5～10.1℃之間，光照偏多，降水量偏少，利于糖分轉(zhuǎn)化積累。其中的4個(gè)榨季(2007/08、2008/09、2009/10、2019/20年榨季)廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差較高，≥8.5℃的出現(xiàn)百分率均在50%以上，主產(chǎn)縣平均氣溫日較差為8.5～8.9℃，同時(shí)無雨日數(shù)較多，為66.9～73.4天(表2)。

表2 高糖榨季蔗糖分和甘蔗主產(chǎn)縣9～11月氣溫日較差情況

表3 低糖榨季蔗糖分和甘蔗主產(chǎn)縣9～11月氣溫日較差情況

其次，廣西近15個(gè)榨季中共有4個(gè)低糖榨季(榨季蔗糖分≤13.5%)，其糖分轉(zhuǎn)化積累期間(9～11月)的晝夜溫差偏小，蔗區(qū)9～11月的氣溫日較差多在6.0～7.5℃之間，降水量偏多，光照偏少，不利于糖分轉(zhuǎn)化積累。其中有3個(gè)榨季(2012/13、2015/16、2017/18年榨季)廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差較低，≤7.5℃的出現(xiàn)百分率均在50%以上，主產(chǎn)縣平均氣溫日較差為7.4～7.6℃，同時(shí)無雨日數(shù)較少，為51.9～60.2天(表3)。

在高糖和低糖榨季中各有1個(gè)榨季(2020/21、2018/19年榨季)由于集中收獲壓榨期(12月至翌年2月)天氣較反常未完全符合這個(gè)基于9～11月平均氣溫日較差的影響評估指標(biāo)。其中2020/21年榨季9～11月的氣象條件未達(dá)到高糖榨季氣象影響評估指標(biāo)，但是在12月～翌年2月的平均氣溫日較差7.7℃(＞7.5℃)、無雨日數(shù)63.7天(＞60天)均為較高水平，因此彌補(bǔ)了該榨季前期的氣象條件不足，促使其成為高糖榨季(表2)。2018/19年榨季9～11月雖然氣溫日較差略＞7.5℃(7.8℃)，但期間降雨量平均偏多17%，無雨日數(shù)僅為57天，光照偏少11%，仍較不利于糖分轉(zhuǎn)化積累(表3)。

廣西近15個(gè)榨季中，其余的6個(gè)榨季廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差大多處在7.5～8.5℃之間，對應(yīng)的榨季蔗糖分則處在13.6%～13.9%之間。

2.2.2 典型高糖和低糖榨季氣象影響分析

(1)高糖榨季：2019/20年榨季廣西蔗糖分為近50年最高值，該榨季自9月份開始廣西大部蔗區(qū)出現(xiàn)了不同程度的秋冬干旱，其中旱情較重的蔗區(qū)為南寧、柳州和貴港，其余大部蔗區(qū)為輕旱至中度干旱(圖1)，導(dǎo)致廣西入廠原料蔗總產(chǎn)量較上榨季減少16.3%，但同時(shí)由于蔗糖分轉(zhuǎn)化積累關(guān)鍵期(9～11月份)蔗區(qū)晝夜溫差大，有90%的廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差≥8.5℃，無雨日數(shù)達(dá)70天為最多，非常有利于蔗糖分的轉(zhuǎn)化積累，廣西平均蔗糖分高達(dá)14.83%，有效提高了蔗糖產(chǎn)量，從而使該榨季廣西蔗糖總產(chǎn)量較上榨季僅減產(chǎn)5.3%。

圖1 廣西2019年9～10月無雨日數(shù)分布圖

(2)低糖榨季：2015/16年榨季廣西蔗糖分為近15年最低值，該榨季蔗糖分轉(zhuǎn)化積累關(guān)鍵期(9～11月)廣西甘蔗主產(chǎn)縣大部晝夜溫差偏小，有70%的甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差≤7.5℃，且大部蔗區(qū)多陰雨天氣，主產(chǎn)縣降水量平均偏多1倍，無雨日數(shù)偏少僅為54天，光照時(shí)數(shù)偏少2～4成，總體氣象條件不利于蔗糖分轉(zhuǎn)化積累，廣西平均蔗糖分為13.21%；同時(shí)因廣西甘蔗種植面積較上年大幅度減少17.88%，廣西該榨季較上榨季入廠原料蔗總產(chǎn)量較上榨季減15.6%、蔗糖總產(chǎn)量減幅達(dá)20.1%。

(3)年變化趨勢分析：2005/06～2019/20年榨季廣西平均蔗糖分變化趨勢不明顯(圖2)，主要還是受制于各年氣象條件情況。

圖2 2005/06～2019/20年榨季廣西平均蔗糖分

3 結(jié)論與討論

(1)甘蔗蔗糖分轉(zhuǎn)化積累關(guān)鍵期(9～11月)氣溫日較差大利于蔗糖分轉(zhuǎn)化積累。在2007/08～2021/22年榨季，當(dāng)某年廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差≥8.5℃的出現(xiàn)百分率在50%以上、且此期間及此后的集中收獲壓榨期無重大災(zāi)害影響時(shí)，該榨季蔗糖分≥14%；當(dāng)某年廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差≤7.5℃的出現(xiàn)百分率在50%以上時(shí)，則該榨季蔗糖分≤13.5%；當(dāng)某年廣西甘蔗主產(chǎn)縣9～11月平均氣溫日較差多處在7.5～8.5℃之間時(shí)，其榨季蔗糖分多數(shù)處在13.6%～13.9%之間。 (2)甘蔗蔗糖分轉(zhuǎn)化積累關(guān)鍵期(9～11月)氣溫日較差是蔗糖分高低的最主要影響因子，可基于該影響因子并結(jié)合未來降雨、光照等氣象要素開展榨季甘蔗蔗糖分轉(zhuǎn)化積累影響預(yù)估和蔗糖分預(yù)報(bào)。