近30 年桑植煙區界限溫度及生育期溫度變化特征研究

符昌武，覃 瀟，戴 曦，成志軍，彭德元，李 強

（1.湖南省煙草公司張家界市公司,湖南 張家界 427000；2.湖南中煙工業有限責任公司,湖南 長沙 41000;3.湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128）

煙草是喜溫作物，生長最低溫度為8 ℃，最高溫度為38 ℃，最適溫度為25～28 ℃[1]。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第6 次評估報告顯示，近120 年全球地表溫度上升了1.09 ℃[2]，以氣候變暖為主要特征的全球性氣候變化已是不爭的事實，極端天氣事件發生頻率明顯增加[3-5]。農業界限溫度是對農業生產有指示或臨界意義的溫度，又稱農業指標溫度[6]。該溫度的出現日期、持續日數和持續時期內積溫的多少，對一個地方的作物布局、耕作制度、品種搭配和季節安排等都具有十分重要的意義[7]。前人對煙草種植的溫度指標開展過大量研究，如陳頤等[8]研究發現，桂陽煙區各生育期平均氣溫呈上升趨勢，其中苗期和伸根期上升速率達0.863 ℃/10 a和0.596 ℃/10 a，并在20 世紀90 年代和21 世紀初期烤煙苗期、伸根期和旺長期氣溫都出現了由寒轉暖的突變。藏照陽等[9]研究發現,貴州煙區烤煙還苗至伸根期溫度變化范圍為17.2～20.6 ℃，變幅為3.4 ℃；成熟前期溫度變化范圍為23.6～25.7 ℃，變幅為2.1 ℃；成熟后期溫度變化范圍為22.2～24.6 ℃，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。李偉等[10]研究了湖南多個煙區穩定通過5、8、10 ℃等界限溫度的出現日期，結果發現界限溫度出現日期在年份間差異較大，如穩定通過10 ℃的日期，最早的年份可在3 月上旬出現，最遲的年份卻推遲至4 月下旬。區域的溫度變化，特別是煙草農業界限溫度和生育期溫度的變化仍存在不確定性，而界限溫度和生育期溫度的變化對煙草種植的時空布局和煙葉產質量有較大的影響[11-12]。桑植種煙歷史悠久，所產煙葉廣受國內卷煙企業的青睞，是利群、好貓、黃山等多個重點卷煙品牌的核心原料。因此，研究氣候變化背景下桑植煙區界限溫度和生育期溫度的變化，對合理利用當地溫熱資源，科學應對氣候變化，保障煙葉生產具有重要理論和現實意義。

本研究利用1991—2020 年桑植氣象站的逐日地面氣象資料，采用趨勢分析、突變分析等方法分析了煙草種植指標溫度的時間變化，旨在探討全球氣候變暖背景下桑植煙區溫熱指標變化特征，從而順應煙區的溫熱指標變化，合理優化桑植烤煙生產技術。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象資料由湖南省氣象局提供，包括1991—2020 年逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日日照時數和逐日平均相對濕度等。本研究中根據當地烤煙生產節令將烤煙生育期劃分為，大田期（2 月26日—4 月26 日）、伸根期（4 月27 日—5 月26 日）、旺長期（5 月27 日—6 月25 日）和成熟期（6 月26日—9 月10 日）。計算出各年份相應時段的烤煙溫熱指標和界限溫度日期，計算方法如下，界限溫度日期采用移動平均法計算，逐年伸根期平均氣溫、旺長期平均氣溫和成熟期平均氣溫，由各生育期平均氣溫計算均值后得到。

1.2 數據分析方法

1.2.1 趨勢分析 氣象要素隨時間的變化規律可用時間序列和自然序列的一元線性回歸方程來反應[7]。回歸方程如下

式中，y(t)為氣象要素的擬合值，t 為時間序列；回歸系數a 和常量b 用最小二乘法求算。回歸系數a 的絕對值反映氣候要素的變化程度，a 為負表示在氣象要素分析期內呈下降趨勢，反之為上升趨勢；以a×10 作為氣候傾向率。用方程的決定系數（R2）和p值來檢驗顯著性。

1.2.2 界限溫度初日 界限溫度初日的計算采用五日滑動平均法。初日為滑動平均溫度中穩定通過(記作≥) 某界限溫度5 d 中的第1 個日平均氣溫大于或等于該農業界限溫度的日期[13]。

1.2.3 Mann-Kendal 檢驗 Mann-Kendall 法作為一種非參數統計檢驗方法，常被用于時間序列的突變檢驗，其優點在于不需要樣本服從特定分布規律，也不受少數異常值的干擾[14]。本研究采用Mann-Kendall 法對生育期平均氣溫進行突變檢測。當曲線UF 超過信度線即表示存在明顯的變化趨勢時，如果曲線UF 和UB 的交叉點位于信度線之間，此交叉點便是突變點的開始[8]。

2 結果與分析

2.1 界限溫度變化趨勢

2.1.1 穩定通過10 ℃初日 由10 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知（圖1），整個分析期內10 ℃初日呈線性變化趨勢，分析期內10 ℃初日呈明顯提前的趨勢，線性擬合傾向率達3.50 d/10 a。10 ℃初日平均出現日期為3 月20 日，出現最早日期為2 月26日，出現年份為2013 年，最遲日期為4 月6 日，出現年份為2011 年，最早日期和最晚日期相差達39 d；各年份10 ℃初日與多年平均日期相比，30 年間有13 年的10 ℃初日比多年平均日期早。各年代80%保證率的10 ℃初日統計結果顯示，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的10℃初日分別為3 月28 日、3 月26 日和3 月20 日。由此可見，近30 年來10 ℃初日的80%保證率日期呈明顯提前的趨勢。

圖1 桑植煙區1991—2020 年氣溫穩定通過10 ℃初日年際變化

2.1.2 穩定通過13 ℃初日 由13 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知（圖2），整個分析期內13 ℃初日呈線性變化趨勢，分析期內13 ℃初日有提前的趨勢，線性擬合傾向率達2.46 d/10 a。13 ℃初日平均出現日期為4 月4 日，出現最早日期為3 月22 日，出現年份為2018 年，最遲日期為4 月29 日，出現年份為2002 年，最早日期和最晚日期相差達38 d；各年份13 ℃初日與多年平均日期相比，30 年間有16 年的13 ℃初日比多年平均日期早。近30 年80%保證率 的13 ℃初 日 為4 月16 日，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的13 ℃初日分別為4 月12 日、4 月16 日和4 月8 日。由此可見，近30 年來13 ℃初日的80%保證率日期呈提前趨勢。

圖2 桑植煙區1991—2020 年氣溫穩定通過13 ℃初日年際變化

2.1.3 穩定通過18 ℃初日 由18 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知（圖3），整個分析期內18 ℃初日呈線性變化趨勢，分析期內18 ℃初日呈推遲的趨勢，線性擬合傾向率達1.62 d/10 a。18 ℃初日平均出現日期為4 月27 日，出現最早日期為4 月7 日，出現年份為1999 年，最遲日期為5 月25 日，出現年份為2011 年，最早日期和最晚日期相差達48 d；各年份18 ℃初日與多年平均日期相比，30 年間有15 年的18 ℃初日比多年平均日期早。近30 年80%保證率的18℃初日為4 月16 日，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的18 ℃初日分別為4 月28 日、4 月30 日和5 月7 日。由此可見，近30 年來18 ℃初日的80%保證率日期呈推遲趨勢。

圖3 桑植煙區1991—2020 年氣溫穩定通過18 ℃初日年際變化

2.1.4 穩定通過28 ℃初日 由28 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知（圖4），整個分析期內28 ℃初日呈線性變化趨勢，分析期內28 ℃初日呈提前的趨勢，線性擬合傾向率達3.77 d/10 a。28 ℃初日平均出現日期為6 月24 日，出現最早日期為6 月3 日，出現年份為2002 年，最遲日期為7 月12 日，出現年份為1992 年，最早日期和最晚日期相差達39 d；近30年80%保證率的28 ℃初日為6 月30 日，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的28 ℃初日分別為7 月4 日、6 月27 日和6 月27 日。由此可見，近30 年來28 ℃初日的80%保證率日期呈提前趨勢。

圖4 桑植煙區1991—2020 年氣溫穩定通過28 ℃初日年際變化

2.2 生育期均溫變化趨勢

2.2.1 年際變化 桑植煙區近30 年各生育期的均溫演變趨勢如圖5 至圖8 所示，近30 年桑植苗期均溫為13.31 ℃，最高的年份為2018 年，達15.22 ℃，最低的年份為1996 年，為11.16 ℃，苗期均溫最高的年份和最低的年份相差4.05 ℃，變異系數為7.30%，表現為弱變異。伸根期均溫為20.60 ℃，最高的年份為1994 年，達22.84 ℃，最低的年份為2002年，為17.51 ℃，伸根期均溫最高的年份和最低的年份相差5.33 ℃，變異系數為5.63%，表現為弱變異。旺長期均溫為23.74 ℃，最高的年份為2013 年，達25.15 ℃，最低的年份為2010 年，為22.53 ℃，旺長期均溫最高的年份和最低的年份相差2.61 ℃，變異系數為2.65%，表現為弱變異。成熟期均溫為26.06 ℃，最高的年份為2013 年，達28.38 ℃，最低的年份為1993 年，為25.53 ℃，旺長期均溫最高的年份和最低的年份相差2.82 ℃，變異系數為2.81%，表現為弱變異。

圖5 桑植煙區1991—2020 年歷年苗期均溫

圖6 桑植煙區1991—2020 年歷年伸根期均溫

圖7 桑植煙區1991—2020 年歷年旺長期均溫

圖8 桑植煙區1991—2020 年歷年成熟期均溫

由各生育期均溫與時間序列擬合的趨勢線可知，整個分析期內各生育期均溫呈線性升高趨勢，但只有苗期均溫隨時間變化通過了顯著性檢驗（P<0.05），線性擬合傾向率達0.68 ℃/10 a，表明桑植苗期均溫顯著升高，而其他生育期均溫上升幅度較小。

2.2.2 各生育期均溫突變檢驗 采用Mann-Kendal法對桑植煙區歷年苗期、伸根期均溫、旺長期均溫和成熟期均溫進行突變檢驗。由圖9 可知，桑植煙區伸根期UF 一直在0 以上，在0.05 信度線內UF 與UB在1998 年出現交點，且在1999 年超過了0.05 顯著性水平閾值線。該結果表明1999 年后桑植煙區苗期平均氣溫發生突變并開始呈現明顯升高的趨勢。在0.05 信度線內桑植煙區伸根期期均溫UF 與UB交點頻繁，但UF 值一直在-1.96～+1.96 之間，說明序列未發生突變；1991 年以來UF 值一直大于0，表明自1991 年以后桑植煙區伸根期均溫一直呈上升趨勢，但未達顯著水平。在0.05 信度線內桑植煙區旺長期均溫UF 與UB 有多個交點，并于2014 年UF 值超過0.05 信度線，說明發生了一次突變；1995—2008 年UF 值一直小于0，這期間旺長期均溫存在一次下降的過程。在0.05 信度線內桑植煙區成熟期均溫UF 與UB交點頻繁，但UF 值大部分時間在-1.96～+1.96 之間，說明序列未發生突變；1991 年以來UF 值大部分年份大于0，表明自1991 年以后桑植煙區成熟期均溫一直呈上升趨勢，但未達顯著水平。

圖9 桑植烤煙生育期均溫突變檢驗

3 討論與結論

從界限溫度出現時間來看，桑植煙區穩定通過10、13 ℃初日呈提前趨勢，穩定過18 ℃初日有小幅推遲趨勢；目前桑植煙區烤煙移栽主要集中在4 月20日至5 月10 日，移栽期界限溫度出現日期的提前意味著煙區烤煙移栽有提前的空間。有研究認為，溫度高于28 ℃不利烤煙正常成熟[15]，桑植煙區溫度穩定通過28 ℃的日期有提前趨勢，發生高溫逼熟的風險將會加大。

從桑植烤煙各生育期平均氣溫變化來看，各生育期均溫均呈升高趨勢，其中育苗期均溫升高達顯著水平，將有利于培育壯苗。伸根期均溫的升高將有利于烤煙早生快發，同時降低早花風險。桑植煙區烤煙旺長期均溫上升幅度較小，各年份旺長期均溫均在適宜范圍內[16]，對于烤煙的形態建成十分有利。雖然烤煙成熟期均溫超過25 ℃的年份只有2 年，但各年成熟期均溫超過25 ℃和28 ℃的日數較多，成熟期高溫對煙葉品質的影響應受到關注。從突變檢驗結果來看，苗期均溫發生突變，呈顯著上升趨勢，其他生育期均溫呈上升趨勢，但未發生突變。

溫度是湖南煙區確定烤煙移栽期的首要因素，有研究認為溫度穩定通過18 ℃是烤煙最早最佳移栽期，穩定13 ℃是烤煙露地移栽的最早日期[1,11]，穩定通過8～10 ℃是烤煙膜上移栽的最早日期[10]。目前桑植煙區移栽期主要集中在4 月20 日—5 月10日，大體上是在氣溫穩定通過18 ℃前后，即“最早最佳移栽期”，這一移栽期可以大幅度減少早花的發生，但成熟期平均氣溫會高于25 ℃，且大概率會遇到35 ℃高溫天氣，不利于烤煙品質形成。筆者認為，在各生育期溫度上升的背景下，移栽期可以進行適當的提早，比如集中到氣溫穩定通過15 ℃日期前后進行移栽，同時繼續加強地膜覆蓋質量，同時布局抗（耐）早花品種，或可減少成熟期高溫對煙葉品質的影響，同時可以減少高溫高濕氣候條件下病害的發生率。

近30 年來，桑植煙區界限溫度和生育期溫度均發生變化，主要表現在穩定通過10、13、28 ℃初日呈明顯提前趨勢。苗期均溫、伸根期均溫、旺長期均溫和成熟期均溫均呈升高趨勢，其中苗期均溫于1999年發生突變，線性擬合傾向率達分別達0.68 ℃/10 a。基于以上變化并考慮其可能造成的影響，可在本研究的基礎上嘗試將煙草育苗期和移栽期在生產上適當提前，不僅可以充分利用早春的溫熱條件，還可以減少成熟期高溫的不利影響。