湘西州煙區氣候時空變化特征研究

成志軍，張黎明，姜碧瓊，向劍明，田明慧，何斌彬*，姚秉富，李強

(1 湖南中煙工業有限責任公司，湖南 長沙 410014； 2 湖南省煙草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000；3 湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128)

煙草是適應能力很強的作物，在60°N至40°S的不同生態條件下均可以完成其生命周期，但煙葉產量和品質對氣候條件要求很高[1]。氣候因素中溫度、水分、光照均會影響煙葉品質。有研究認為，烤煙的最適生長溫度為18～28 ℃，高溫和低溫對煙草的生長及品質都有一定的影響[2]；而極端氣候對作物往往會造成不可逆的傷害，與常溫(23.5 ℃)相比，16.5 ℃(相對低溫)和30.5 ℃(高溫)均會抑制煙株生長，葉片 Rubisco羧化酶活性降低，進而影響煙株的光合作用[3]。烤煙對水分的需求量表現為伸根期少，旺長期多，成熟期少的規律，通過水分調控可改善煙株的光合參數，進入旺長期后增加灌水能夠提高煙葉的糖含量，降低其煙堿和氮含量[4]。

近年來，有學者對多個煙區的氣候因子變化進行了研究。胡穎梅等[5]的研究顯示，陜西各產區烤煙生育期間降水量年際波動較大，是烤煙種植的主要限制因素；多數產區氣溫適宜度呈顯著升高趨勢，寶雞和咸陽產區的烤煙氣候適宜性顯著升高。陳頤等[6]研究發現，桂陽煙區各生育期平均氣溫呈上升趨勢，并采用Mann-Kendall檢驗發現烤煙苗期、伸根期和旺長期均溫都發生了突變；降水量變化趨勢呈現伸根期下降、成熟期上升趨勢，并且在20 世紀90 年代伸根期和成熟期出現突變點。胡雪瓊等[7]利用氣候模擬數據和氣象臺站實測數據，分析了云南烤煙種植氣候適宜性分布的變化，結果顯示未來氣候背景下，云南烤煙種植氣候適宜區分布呈北抬東擴的趨勢，未來云南烤煙可種植區域將逐漸增加，并認為這主要與未來云南煙區的熱量分布變化有關。

湘西是典型的中間香型煙葉原料基地，煙葉原料廣受卷煙工業企業青睞。湘西地處低緯度地區，位于中亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明，氣候類型多樣，氣候立體性明顯，其年平均氣溫15.8～16.9 ℃，無霜期250～280 d，年平均降水量1 300～1 500 mm，日照時數1 220～1 400 h。近年來，我國氣候發生了較大的變化，主要表現為氣溫上升，降水量增加[8-9]。已有研究顯示，由于氣候因素的變化，湖南省主要植煙區域的適宜性發生了不同程度的降低或增加[10]。因此研究湘西煙區氣候的時空變化特征對湘西煙草種植及煙葉生產具有一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1970—2014年湘西州8個縣市的月平均日平均氣溫、降水量、日照時數。用Excel 2019 進行統計分析，SPSS 20.0進行顯著性分析，其顯著水平為P<0.05。

1.2 數據分析

1.2.1 滑動平均法

滑動平均法能夠減小隨機起伏的測試誤差，從而顯示出較為平滑的變化趨勢[11]，在序列分析中使用廣泛。其具體過程如下：

具有n個非平穩數據的時間序列x1，x2，x3，…，xn，每m個相鄰數據求一次平均值ft，通常用來表示該m個數據的中點數據或端點數據的結果，并認為此平均值減小了隨機誤差或消除了噪聲信號。數學表達式為：

式中：2k+1=m，k=1時為3點滑動平均，k=2時為5點滑動平均。

1.2.2 氣候傾向率

溫度和降水氣候變化可以用線性方程來表示[12]，采用最小二乘法來計算回歸系數，用來表示年際氣候變化速率(氣候傾向率)，數學表達式如下：

式中：y(t)為氣象要素值(溫度或降水)；a為線性回歸系數，用a×10來表示氣候傾向率，其單位為℃/10 a(溫度)、mm/10 a(降水)。

2 結果分析

2.1 湘西州烤煙大田期各生育階段主要氣候因子變化特征

湘西州不同地區烤煙大田期略有差異，但大致在4月下旬到9月中旬。為了將問題簡化，將湘西州煙區的大田期進行統一處理，整個大田期從5月初開始至8月底結束，具體情況為5月為伸根期(30 d左右)，6月為成旺長期(30 d左右)，7～8月為成熟期(60～70 d)。

表1 湘西煙區大田生育期各階段時間統計

1970—2014年湘西州伸根期平均氣溫為20.8 ℃，降水量為216.8 mm，日照時數為112.9 h；旺長期平均氣溫為24.2 ℃，降水量為237.7 mm，日照時數為116.1h；成熟期平均氣溫為26.9 ℃，降水量為353.8 mm，日照時數為382.8 h。

就湘西州各個縣市來看(表2)，1970—2014年烤煙伸根期古丈縣平均氣溫最低(20.3 ℃)，瀘溪縣平均氣溫最高(21.3 ℃)；降水量龍山縣最少(206.3 mm)，吉首市最多(237.3 mm)；日照時數保靖縣最小(104.2 h)，瀘溪縣最大(121.2 h)。旺長期古丈縣、龍山縣平均氣溫最低(23.9 ℃)，瀘溪縣平均氣溫最高(24.8 ℃)；降水量龍山縣最少(223.4 mm)，吉首市最多(250.6 mm)；日照時數保靖縣最小(103.9 h)，瀘溪縣最多(128.8 h)。成熟期龍山縣平均氣溫最低(26.4 ℃)，瀘溪縣平均氣溫最高(27.8 ℃)；降水量瀘溪縣最少(306.5 mm)，龍山縣最多(396.2 mm)；日照時數保靖縣最小(346.0 h)，瀘溪縣最多(429.0 h)。湘西州煙區不同大田生育階段不同氣象因子的具體關系為伸根期平均溫度古丈縣<龍山縣=鳳凰縣<保靖縣<永順縣=花垣縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)，降水量龍山縣<花垣縣<保靖縣<瀘溪縣<永順縣<古丈縣<鳳凰縣<吉首市(差異不顯著)，日照時數保靖縣<鳳凰縣<吉首市<永順縣<花垣縣<古丈縣<龍山縣<瀘溪縣(差異不顯著)。旺長期平均溫度龍山縣<古丈縣<保靖縣<鳳凰縣=花垣縣<永順縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)，降水量龍山縣<保靖縣<花垣縣<永順縣<鳳凰縣<古丈縣<瀘溪縣<吉首市(差異不顯著)，日照時數保靖縣<鳳凰縣<花垣縣<龍山縣<吉首市<永順縣<古丈縣<瀘溪縣(差異不顯著)。成熟期平均溫度龍山縣<古丈縣<保靖縣=花垣縣=鳳凰縣<永順縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)，降水量瀘溪縣<鳳凰縣<保靖縣<古丈縣<花垣縣<吉首市<永順縣<龍山縣(差異顯著)，日照時數保靖縣<龍山縣<永順縣<花垣縣<鳳凰縣<古丈縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)。

綜合來看，1970—2014年湘西州各縣市平均氣溫、降水量、日照時數的變化規律大致為伸根期、旺長期、成熟期的平均氣溫不斷升高，降水量先增加后減少，日照時數不斷增加。另一方面，伸根期、旺長期、成熟期的降水量以及伸根期、旺長期的日照時數各縣市之間差異性不顯著，說明在整個烤煙大田期湘西州的降水量及日照時數狀況較一致。

進一步分析1970—2014年湘西州各縣市烤煙不同生育階段的不同氣象因子變異系數。結果如下(表3)：伸根期平均氣溫變異系數在4.49%～5.13%之間，變幅為0.64%；降水量變異系數在40.07%～59.74%，變幅為19.67%；日照時數變異系數在28.01%～32.60%，變幅為4.59%。旺長期平均氣溫變異系數在3.21%～3.52%，變幅為0.31%；降水量變異系數在32.96%～65.83%，變幅為32.87%；日照時數變異系數在25.52%～33.77%，變幅為8.25%。成熟期平均氣溫變異系數2.93%～3.19%，變幅為0.26%；降水量變異系數47.45%～58.24%，變幅為10.79%；日照時數變異系數17.49%～23.95%，變幅為6.46%。接著求出各縣市不同時期、不同氣象因子的變異系數的平均值，用來衡量其氣候穩定性大小，均值越大表明越不穩定。綜合來看，湘西州在1970—2014年各縣市氣候穩定程度大小關系為：伸根期龍山縣>瀘溪縣>古丈縣>花垣縣>保靖縣>吉首市>永順縣>鳳凰縣；旺長期龍山縣>永順縣>古丈縣>花垣縣>瀘溪縣>吉首市>保靖縣>鳳凰縣；成熟期花垣縣>古丈縣>鳳凰縣>龍山縣>保靖縣>瀘溪縣>吉首市>永順縣。總體來看，以生育階段為單位，各氣象因子之間的變異系數大小關系均為降水量>日照時數>平均氣溫，且兩兩之間差異性達到了極顯著水平；以氣象因子為單位，各生育階段間變異系數大小關系略有差異，大致為平均氣溫：伸根期>旺長期>成熟期(差異性不顯著)，降水量：旺長期>成熟期>伸根期(差異性不顯著)，日照時數：伸根期>旺長期>成熟期，且成熟期日照時數差異性達到極顯著水平。這說明在1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫、降水量、日照時數之間，降水量年際波動較大，而氣溫較為平穩。綜合來看，在伸根期、旺長期、成熟期之間，旺長期各氣候因子年際間的波動較大，而成熟期各氣候因子較為平穩。

表2 1970—2014年湘西州烤煙各生育階段氣候變化特征

表3 1970—2014年湘西州烤煙各生育期階段氣候變化變異系數

2.2 湘西州烤煙大田期氣候時空變化特征

1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫為24.7 ℃，降水量為808.4 mm，日照時數611.6 h。就湘西州各縣市而言，1970—2014年烤煙大田期平均氣溫、降水量、日照時數大小關系如下(表4)：平均氣溫龍山縣=古丈縣<保靖縣=鳳凰縣<花垣縣<永順縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)；降水量瀘溪縣<鳳凰縣<保靖縣<花垣縣<古丈縣<龍山縣<永順縣<吉首市(差異不顯著)；日照時數保靖縣<龍山縣<鳳凰縣<永順縣<花垣縣<古丈縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)。

表4 1970—2014年湘西州烤煙大田期氣候特征

滑動平均法能減小隨機起伏的測試誤差，從而顯示出較平滑的變化趨勢，應用廣泛。采用滑動平均法對1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫、降水量、日照時數進行分析，以確定其變化趨勢。通過繪制湘西州各縣市1970—2014年氣候因子的5年滑動曲線(圖略)可發現，各縣市的平均氣溫、降水量、日照時數呈現出相似的規律：平均氣溫較為平穩，但有震蕩上行的趨勢；降水量在2006年之前變化較為平緩，而2006年之后出現急劇增加，到2009年之后又急劇減少；日照時數與平均氣溫相反，即有震蕩下行的趨勢。

為了定性地描述平均氣溫、降水量、日照時數的變化趨勢，現引入氣象學中氣候傾向率的概念。溫度和降水氣候變化可用線性方程來表示，采用最小二乘法計算回歸系數，來表示年際氣候變化速率，即氣候傾向率。溫度和降水量的氣候傾向率的單位分別為℃/10 a、mm/10 a。同時，采用同樣的方法計算日照時數的氣候傾向率，其單位為h/10 a。計算結果如表5所示。綜合來看，1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫在不斷上升(氣候傾向率為0.10～0.20 ℃/10 a)，降水量增加(氣候傾向率為59.34～311.04 mm/10 a)，日照時數減少(氣候傾向率為-0.18 ～-119.06 h/10 a)。且湘西州各地區的氣候傾向率大小關系為：平均氣溫瀘溪縣<永順縣<保靖縣<古丈縣<鳳凰縣<吉首市<花垣縣<龍山縣；降水量龍山縣<古丈縣<瀘溪縣<花垣縣<保靖縣<吉首市<永順縣<鳳凰縣；日照時數花垣縣<瀘溪縣<鳳凰縣<古丈縣<龍山縣<永順縣<吉首市<保靖縣(其中古丈縣為正值)。

表5 1970—2014年湘西州烤煙大田期氣候傾向率

3 討論

就生長發育而言，煙草對氣候適應能力很強，但優質煙葉的形成對氣候條件要求十分苛刻，要求生育期內光、溫、水、氣高度耦合。本研究著重分析了1970—2014年湘西州烤煙各生育期氣候狀況及變化。總體上，近年來湘西州煙區氣候變化十分明顯。湘西州各縣市生育期平均氣溫都在適宜范圍內，且年際間變異系數較小，這與方紅等研究結果一致[13]。湘西州各縣市各生育期降水量均偏多，過多的降水并不利于品質的形成，如旺長期雨量過大會降低烤煙的糖堿比，不利于煙葉品質的提高[14]，而成熟期降水量增加會使煙葉的厚度變小[15]。湘西州各縣市大田期的日照時數較為充足，基本在適宜范圍內。

氣候傾向率能反應氣候因子在某地區的變化趨勢，其結果可用來預測某地區相應氣象因子在未來的表現情況。通過氣候傾向率計算發現，湘西州烤煙大田期平均氣溫上升，降水量增加、日照時數減少，且各縣市整體狀況較一致，這與陳頤的研究結果基本一致[6]。從不同區域的變化來看，湘西州平均氣溫變化趨勢為西北與西南地區上升較快，東部地區上升較慢；降水量西南部、東北及中部地區增加較快，西北地區及東部地區增加較慢；日照時數北部地區減小較快，而南部地區減小較慢，甚至還有增加的區域(古丈縣)。

4 結論

1970—2014年湘西州各縣市平均氣溫、降水量、日照時數的變化規律大致為伸根期、旺長期、成熟期的平均氣溫不斷升高，降水量先增加后減少，日照時數不斷增加；并且伸根期、旺長期、成熟期的降水量及伸根期、旺長期的日照時數各縣市之間差異不顯著。5年滑動平均結果顯示，各縣市的平均氣溫、降水量、日照時數呈現相似的規律：平均氣溫較平穩，但有震蕩上行的趨勢；降水量在2006年之前變化較為平緩，而2006年之后出現急劇增加，到2009年之后又急劇減少；日照時數表現出與平均氣溫相反的趨勢，即有震蕩下行的趨勢。