廣西甘蔗氣候適宜度時(shí)空特征分析

譚佳勇，丁美花，陳燕麗，李 政，孫 明，譚宗琨，譚 蘇

(1河池市氣象局，廣西河池 547000；2廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所/廣西壯族自治區(qū)生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，廣西南寧 530022)

0 引言

甘蔗是我國主要的制糖原料，同時(shí)也是糖業(yè)化工、纖維、能源等方面的重要原材料[1]。20世紀(jì)80年代起，我國甘蔗生產(chǎn)中心逐漸轉(zhuǎn)移到廣西[2]，作為我國最大的甘蔗種植基地，廣西甘蔗種植面積、原料蔗產(chǎn)量及食糖產(chǎn)量連續(xù)多年占全國60%以上[3-4]。甘蔗產(chǎn)業(yè)不僅關(guān)系到當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，還與國家食糖戰(zhàn)略安全關(guān)系密切，2017年，國家將食糖列為與糧棉油同等重要的戰(zhàn)略物資，在廣西劃定了1150萬畝糖料蔗生產(chǎn)保護(hù)區(qū)[5]。廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展，對國家食糖戰(zhàn)略安全、發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)及鄉(xiāng)村振興等意義重大。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報(bào)告指出，全球變暖增溫速度顯著，未來100年內(nèi)極端高溫、極端降雨事件將會增加，人類正面臨顯著的氣候變化風(fēng)險(xiǎn)，并遭受不可逆轉(zhuǎn)的損失[6-7]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受光照、氣溫、降水等氣候條件的共同影響，是受氣候變化影響最大、最直接的產(chǎn)業(yè)之一，氣候變化將威脅全球糧食的生產(chǎn)和安全[8-9]。已有研究表明：氣候變化背景下，廣西年平均氣溫呈明顯的上升趨勢，但不同地區(qū)的增幅不一致[10]，氣溫的升高導(dǎo)致廣西熱量分布格局改變，熱量資源總體增加[11-14]；與熱量資源變化相反，廣西光照資源呈顯著下降趨勢[15-16]，光照作為陸地植被的主要能量來源，其減少勢必對作物生長產(chǎn)生影響；而廣西水分資源雖沒有明顯的變化傾向，但時(shí)空分布不均，年際間波動較大[17-18]。同時(shí)在現(xiàn)有的氣候背景下，高溫、干旱、強(qiáng)降水等各類極端災(zāi)害天氣事件強(qiáng)度及頻次增加[19-23]，這都將給廣西甘蔗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來不確定性影響。學(xué)者從甘蔗氣象災(zāi)害發(fā)生規(guī)律、影響甘蔗生長主要?dú)庀笠蜃拥冉嵌乳_展了相關(guān)研究[24-29]。

農(nóng)作物生育期內(nèi)的氣候適宜程度是開展氣候變化研究的必要信息之一[30]。氣候適宜度模型的提出為分析綜合氣候因子對作物生長提供了度量指標(biāo)[31]。前人在作物氣候適宜度模型方面也做了大量研究及應(yīng)用，主要集中在氣候適宜度特征分析[32-35]、適宜性區(qū)劃[36-37]、產(chǎn)量預(yù)報(bào)[38-39]、風(fēng)險(xiǎn)評估[40-41]及模型業(yè)務(wù)應(yīng)用[42]等；研究對象包含水稻、玉米、大豆、棉花等大宗糧棉作物及柑橘、龍眼、青棗等特色水果作物。在甘蔗氣候適宜度研究方面，譚佳勇等[43]針對河池市的甘蔗氣候適宜度變化趨勢做過簡單分析，鮮見其他類似研究。本文擬基于成熟的作物氣候適宜度模型，以廣西全區(qū)作為研究范圍，引入溫度、光照和可利用降水作為關(guān)鍵氣候影響因子，開展甘蔗全生育期氣候適宜度時(shí)空變化特征評價(jià)及氣候變化趨勢對甘蔗生長發(fā)育的影響分析，以期為合理開發(fā)和利用氣候資源，促進(jìn)蔗糖產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展提供有效氣象保障。

1 材料與方法

1.1 地理及氣象數(shù)據(jù)來源

從國家基礎(chǔ)地理信息中心獲取廣西1∶25萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括省界和地市級行政矢量邊界；從廣西氣象信息中心獲取1970～2021年廣西91個(gè)國家氣象觀測站逐日平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)。

1.2 甘蔗發(fā)育期及分區(qū)

按照農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范規(guī)定，甘蔗發(fā)育期主要分為苗期、分蘗期、莖伸長期和工藝成熟期等；根據(jù)氣候特征相似和發(fā)育時(shí)段基本一致的原則，將廣西劃分為桂北、桂中和桂南3個(gè)蔗區(qū)(圖1)，各蔗區(qū)甘蔗發(fā)育期起止日期詳見表1[26,44]。

表1 廣西各蔗區(qū)甘蔗發(fā)育期概況

圖1 廣西甘蔗分區(qū)圖

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理軟件

使用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；使用SPSS 23.0進(jìn)行線性變化趨勢顯著性檢驗(yàn)；使用Arcgis 10.2完成空間分布制圖。

氣象產(chǎn)量分離方法：甘蔗產(chǎn)量除了受到氣候條件的影響之外，還受到品種改良、技術(shù)進(jìn)步、土壤和田間管理水平等多重因素的影響，為分析氣象因子與作物產(chǎn)量關(guān)系，將甘蔗產(chǎn)量根據(jù)式(1)進(jìn)行分解：

式(1)中，Y為實(shí)際產(chǎn)量，t/hm2；YT為趨勢產(chǎn)量，采用回歸方法分離得出，t/hm2；Yt為氣候產(chǎn)量，t/hm2；θ為隨機(jī)產(chǎn)量，t/hm2。

1.4 模型計(jì)算方法

1.4.1 甘蔗溫度適宜度模型

作物生長發(fā)育過程在一定溫度范圍內(nèi)，隨氣溫的升高適宜度呈非線性先增加后降低，高或低于特定界限溫度，則不適宜作物生長；為準(zhǔn)確地反映作物發(fā)育與溫度之間的關(guān)系，根據(jù)與作物三基點(diǎn)溫度相匹配的非線性Beta函數(shù)模型[45,53]，建立甘蔗溫度適宜度模型。

式(2)和式(3)中，S(t)為甘蔗溫度適宜度，t為日平均氣溫，t1為甘蔗各生育期下限溫度，t0為甘蔗各生育期最適溫度，t2為甘蔗各生育期上限溫度。

結(jié)合普宗朝等[46]、歐釗榮等[47]、歐陳瀟等[48]研究，計(jì)算出廣西甘蔗各生育期t1、t0和t2的值，結(jié)果見表2。

表2 甘蔗各生育期下限溫度(t1)、最適溫度(t0)、上限溫度(t2) 單位：℃

1.4.2 甘蔗日照適宜度模型

日照適宜度模型采用以自然數(shù)e為底數(shù)的指數(shù)型分段函數(shù)[49]，當(dāng)日照時(shí)數(shù)小于可照時(shí)數(shù)的70%，適宜度隨日照的增多呈指數(shù)型增長，當(dāng)日照時(shí)數(shù)大于等于可照時(shí)數(shù)的70%時(shí)，日照適宜度為1，以此建立甘蔗日照適宜度模型。

式(4)中，S(s)為甘蔗日照適宜度；e為自然數(shù)；S為日日照時(shí)數(shù)，h；S0為最適日照時(shí)數(shù)，S0=0.7L0，L0計(jì)算公式見式(5)；參考同為C4作物的玉米，b=5.1[49]。

式(5)中，L0為可照時(shí)數(shù)，α為緯度，λ為太陽傾角。

式(6)中，K為日序，每年1月1日為1，1月2日為2，以此類推。

1.4.3 甘蔗可利用降水適宜度模型

自然降水(P)部分會以蒸發(fā)、地表徑流及向深層土壤滲透等方式流失，剩余為有效降水量(PE)部分[50-51]。由于土壤具有一定的蓄水能力，對甘蔗影響具有滯后性，所以甘蔗可利用降水(R)包含2個(gè)部分：當(dāng)日有效降水(PE)和前期降水中土壤蓄留的部分(PEi)。

式(7)、(8)中，PE為有效降水量，mm；P為自然降水量，mm；β為有效降水系數(shù)[52]。

式(9)中，R為甘蔗可利用降水，mm；PEi為第i日有效降水量，mm；W=1/d2，d為距離分析日期的日數(shù)，取1，2，…，k，這里k=10。

當(dāng)可利用降水(R)小于作物需水量(R0)時(shí)，適宜度隨R的增加而上升；當(dāng)R超出R0一定比例時(shí)，會造成漬澇害從而導(dǎo)致降水適宜度下降；只有當(dāng)R恰好滿足R0的一定幅度內(nèi)，適宜度最高。參考分段式降水適宜度函數(shù)建立甘蔗可利用降水適宜度模型[53]。

式(10)中，S(r)為甘蔗可利用降水適宜度，c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這里取值c=4.0；R0為甘蔗日需水量；根據(jù)李新建等[54]的相關(guān)研究，計(jì)算廣西甘蔗各生育期日需水量R0，結(jié)果見表3。

表3 甘蔗各生育期需水量

1.4.4 甘蔗綜合氣候適宜度模型

作物生長過程中某一氣象要素低于界限值時(shí)，要素適宜度S(x)=0，此時(shí)整體氣象條件不適宜其生長S(c)=0；因此，在計(jì)算綜合氣候適宜度S(c)時(shí)，采用溫度、日照和可利用降水適宜度乘積再開立方[55-57]。

式(11)中，S(c)為綜合氣候適宜度，S(t)溫度適宜度，S(s)日照適宜度，S(r)為可利用降水適宜度。

1.4.5 氣候適宜度分級

依據(jù)某種氣象條件出現(xiàn)越頻繁，植被對其適應(yīng)能力越強(qiáng)的氣候適應(yīng)性原理。將各要素全生育期氣候適宜度樣本由小到大排序，選取樣本0～30百分位對應(yīng)的數(shù)據(jù)為次適宜；30～70百分位為適宜；70以上百分位為最適宜[58](表4)。

表4 廣西甘蔗各氣候要素適宜度等級區(qū)間

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候適宜度模型驗(yàn)證

本文基于成熟的作物氣候適宜度模型，開展了甘蔗全生育期氣候適宜度模型的構(gòu)建，為了驗(yàn)證模型的普適性，利用氣候產(chǎn)量進(jìn)行氣候適宜度模型的分析。

以上思縣為例，首先根據(jù)2010～2021年上思縣各年的綜合氣候適宜度計(jì)算結(jié)果，按照表4劃分為次適宜、適宜、最適宜3類年景。針對同一年景，將對應(yīng)年份的甘蔗氣候單產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，獲得不同年景的氣候平均單產(chǎn)。由表5可見，最適宜年甘蔗平均氣候單產(chǎn)＞適宜年＞次適宜年，上述分析說明甘蔗綜合氣候適宜度能定量反映氣象條件對甘蔗產(chǎn)量的影響。

表5 上思縣氣候適宜度與產(chǎn)量數(shù)據(jù)比較

2.2 全生育期氣候適宜度時(shí)空變化

2.2.1 全生育期氣候適宜度時(shí)間變化

廣西甘蔗全生育期不同要素氣候適宜度在1970～2021年間呈現(xiàn)不同的變化特征。如圖2所示，根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算甘蔗溫度適宜度多年平均值為0.83，在0.77～0.87之間波動，以0.008/10a趨勢上升，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；根據(jù)式(4)～(6)計(jì)算甘蔗日照適宜度多年平均值為0.53，主要在0.45～0.57之間，下降速率為0.005/10a，通過了0.05顯著性檢驗(yàn)；根據(jù)式(7)～(10)計(jì)算甘蔗可利用降水適宜度多年平均值為0.61，年際波動最大，主要在0.51～0.68之間變化，以0.006/10a趨勢降低，但未通過顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)式(11)計(jì)算甘蔗綜合氣候適宜度數(shù)值在0.61～0.67之間變化，與可利用降水適宜度一致，呈不顯著下降趨勢。

圖2 1970～2021年廣西甘蔗全生育期不同要素適宜度變化

分析不同氣候要素適宜度變化趨勢顯著性(表6)，溫度適宜度通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)比例最多為96.7%(88個(gè))，其次為日照適宜度59.3%(54個(gè))，可利用降水適宜度比例最少為18.7%(17個(gè))，綜合氣候適宜度為34.1%(31個(gè))。

表6 1970～2021年廣西甘蔗全生育期不同氣候要素適宜度趨勢檢驗(yàn)

廣西甘蔗不同氣候要素適宜度年內(nèi)變化，總體均呈單峰型分布，但峰值區(qū)間存在差異(圖3)。其中，溫度適宜度峰值區(qū)為5月上旬～10月中旬；可利用降水適宜度峰值區(qū)為5～8月；而日照適宜度峰值區(qū)則為7～9月；由于光、溫、水適宜度峰值區(qū)時(shí)段不同，因此，綜合而言，廣西甘蔗生長最適宜的時(shí)段為7～9月中旬。另外，除4月上旬部分時(shí)段外，溫度適宜度均高于其他要素，而可利用降水適宜度在8月下旬前總體高于日照適宜度，之后低于日照適宜度。

圖3 廣西甘蔗不同各要素逐日平均氣候適宜度變化

2.2.2 全生育期氣候適宜度空間變化

廣西甘蔗全生育期不同氣候要素適宜度在1970～2021年間呈不同的空間分布特征。如圖4所示，廣西甘蔗溫度適宜度總體呈南高北低的緯向分布特征，最適宜區(qū)位于廣西南部及百色右江河谷地區(qū)，次適宜區(qū)主要位于廣西北部；日照最適宜區(qū)主要位于廣西南部沿海、百色、梧州等地；可利用降水適宜度總體分布為中部高，東、西部低，次適宜區(qū)主要廣西東北部、百色右江河谷、崇左南部及南寧西部等區(qū)域，與廣西干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)大體重合[24,26]。綜合氣候適宜度總體上東南部最高，東北部最低，與溫度、日照適宜度的緯向分布大體相似；最適宜區(qū)主要位于廣西南部及右江河谷地區(qū)，氣象條件最適宜甘蔗生長。

圖4 1970～2021年廣西甘蔗全生育期不同氣候要素適宜度空間分布

2.2.3 氣候適宜度變化趨勢空間分布

1970～2021年廣西綜合氣候適宜度變化趨勢空間分布如圖5所示：99%的區(qū)域綜合氣候適宜度變化趨勢以降低(占比68%)-明顯降低(占比31%)為主，其中，明顯降低趨勢主要位于桂東及桂中部分地區(qū)，而增加區(qū)域僅為沿海及西部等局部地區(qū)。

圖5 廣西甘蔗綜合氣候適宜度變化趨勢空間分布

2.3 各生育期氣候適宜度時(shí)空變化

2.3.1 各生育期氣候適宜度趨勢變化

廣西甘蔗各生育期氣候適宜度特征如表7所示：溫度適宜度除工藝成熟期外，均呈極顯著上升趨勢；日照適宜度除苗期外均呈下降趨勢，莖伸長期下降趨勢顯著；可利用降水適宜度除工藝成熟期外均呈下降趨勢，分蘗期通過顯著性檢驗(yàn)。綜合氣候適宜度方面，苗期、工藝成熟期呈上升趨勢；分蘗期、莖伸長期呈下降趨勢，但僅莖伸長期通過顯著性檢驗(yàn)。

表7 1970～2021年廣西甘蔗各生育期氣候要素適宜度

2.3.2 各生育期氣候適宜度空間變化

廣西甘蔗各生育期不同氣候要素適宜度空間分布如圖6～9所示。

圖6 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)溫度適宜度空間分布

圖7 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)日照適宜度空間分布

圖8 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)可利用降水適宜度空間分布

圖9 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)綜合氣候適宜度空間分布

如圖6，甘蔗溫度適宜度苗期最低，均為次適宜；分蘗期最適宜區(qū)位于廣西南部及百色右江河谷等地；莖伸長期大部地區(qū)溫度適宜度均為適宜或最適宜；工藝成熟期最適宜區(qū)主要位于廣西中部，次適宜主要在廣西北部。

如圖7，甘蔗苗期廣西受到陰雨寡照天氣影響[59]，日照適宜度為次適宜；分蘗期日照最適宜區(qū)主要位于西南沿海；莖伸長期及工藝成熟期光照資源充足，廣西大部地區(qū)為適宜-最適宜區(qū)，與莖伸長期相比工藝成熟期最適宜區(qū)面積有所減少。

如圖8，甘蔗可利用降水適宜度苗期呈東北往西南逐漸降低，桂東受華南靜止鋒影響，降水充沛[60]。分蘗期廣西可利用降水均為最適宜，為各生育期內(nèi)最高。莖伸長期與苗期相反，可利用降水呈西南往東北逐漸降低分布，此期廣西降水主要源于熱帶系統(tǒng)，對桂南影響較為明顯[61]。工藝成熟期時(shí)廣西汛期結(jié)束，降水不足，總體適宜度降低。

如圖9，甘蔗綜合氣候適宜度苗期最低，絕大部分為次適宜區(qū)；分蘗期綜合氣候適宜度較苗期明顯升高，空間分布呈南高北低；莖伸長期絕大部分地區(qū)綜合氣候適宜度為最適宜區(qū)，各生育期內(nèi)最高；工藝成熟期與分蘗期總體相似，但適宜區(qū)面積擴(kuò)大，次適宜和最適宜區(qū)減少。

3 結(jié)論與討論

本文利用甘蔗各生長發(fā)育階段的溫度、日照和降水?dāng)?shù)據(jù)，建立廣西甘蔗的氣候適宜度模型，對1970～2021年廣西甘蔗生育期氣候適宜度時(shí)空變化進(jìn)行分析評價(jià)。主要結(jié)論如下：

(1)廣西甘蔗生育期內(nèi)溫度適宜度＞可利用降水適宜度＞日照適宜度，溫度是甘蔗生長最有利的氣象因子；3～6月光照資源及9～11月降水資源的不足，影響甘蔗綜合氣候適宜度提高；廣西甘蔗綜合氣候適宜度呈逐年降低趨勢，尤其是桂東及桂中部分地區(qū)下降趨勢較為明顯。

(2)廣西北部部分地區(qū)因光、熱資源的相對不足，甘蔗綜合氣候適宜度低于中南部；而降水適宜度相對不足影響崇左中部、南寧西部等光、熱資源優(yōu)勢區(qū)甘蔗綜合氣候適宜度進(jìn)一步提高。

(3)甘蔗苗期溫度、光照資源及工藝成熟期溫度和水資源變化趨勢總體利于甘蔗生長；而分蘗、莖伸長期光照、水分條件變化趨勢不利甘蔗生長。

(4)氣溫逐年升高，廣西甘蔗的總體熱量條件將更加充足；降水對甘蔗生長的影響具有時(shí)段性及區(qū)域性，在降水資源的減少背景下，苗期的西部及南部、莖伸長期的東北部等可利用降水次適宜區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)增加；光照資源在苗期及分蘗期相對不足，且生長期內(nèi)總體逐年減少，也將成為影響甘蔗產(chǎn)量的因素。

因此，在氣候資源分布不均，各氣象要素變化幅度不同情景下，應(yīng)進(jìn)一步分析未來氣候變化對不同地區(qū)的甘蔗種植的影響程度，選擇適當(dāng)品種及調(diào)整種植布局；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)甘蔗氣象災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理研究，建立健全甘蔗氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)體系，增強(qiáng)應(yīng)對氣候變化能力，保障廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。廣西降水時(shí)空不均，年際間波動較大，區(qū)域干旱風(fēng)險(xiǎn)有所增加，應(yīng)有針對性的改善重點(diǎn)地區(qū)水利設(shè)施，加強(qiáng)中長期降水預(yù)測及做好水資源總體調(diào)配規(guī)劃，同時(shí)培育種植耐旱品種、探索改進(jìn)節(jié)水抗旱種植模式。

本研究構(gòu)建了廣西甘蔗氣候適宜度模型，分析了不同發(fā)育期氣候適宜度空間分布及動態(tài)變化，可為氣候變化對甘蔗影響風(fēng)險(xiǎn)評估、甘蔗農(nóng)田生態(tài)變化監(jiān)測評估、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及有針對性地進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)管理等提供理論依據(jù)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，甘蔗除了受氣候條件影響外，還與品種差異、下墊面土壤類型、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等因素有很大關(guān)系，需進(jìn)一步研究構(gòu)建氣候與品種、土壤類型相結(jié)合的適宜度模型，其評價(jià)效果會更客觀，更有的科學(xué)指導(dǎo)性。