氣候變化背景下貴州烤煙生長季氣候適宜度評價分析

曾曉珊，張 波，孫思思，陳中云，陳 芳，古書鴻

（貴州省山地環境氣候研究所，貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽 550002）

烤煙作為貴州重要經濟作物，是農民增收致富的主要產業之一，在全面鄉村振興中起到了重要作用。2020 年貴州烤煙種植面積和總產均列全國第二位[1]，是全國重點產地之一。烤煙對生態環境變化極為敏感，適宜的氣候條件是烤煙增產豐收、優質高產的重要影響因素[2-4]。在氣候變化背景下[5-8]，貴州烤煙生長發育受到影響，進而影響烤煙生產和農民的收入水平。因此，對氣候變化背景下貴州省烤煙生長季氣候適宜性進行分析有助于促進烤煙產業的持續穩定發展。

氣候變化對作物生長氣候適宜度影響的研究成果日趨豐富，以往研究多集中在大田糧食作物[9-11]和特色林果[12]上，對于經濟作物烤煙生長氣候適宜性的研究相對較少。由于不同區域氣候條件對烤煙的影響大不相同，前人建立了黔江[13]、曲靖[14]和百色[15]的烤煙氣候適宜性評價指標，分析了渝東[16]、文山[17]和陜西[18]的烤煙氣候適宜性的變化特征，劉琰琰等[19]結合產量豐歉指數建立的攀西地區烤煙大田生長期氣候適宜性評價指標，提高了氣候適宜指數模型的準確性，但目前尚無貴州烤煙氣候適宜度的相關研究。此外，移栽期是影響烤煙農藝性和化學成分的主要因素之一[20-21]，本文將分析氣候變化背景下貴州烤煙適宜移栽期的變化特征，通過烤煙生長發育所需的氣象條件建立各生育期溫度、日照和降水適宜度函數，構建貴州烤煙生長季綜合氣候適宜度模型，分析1960—2020 年貴州烤煙氣候適宜度的空間分布和變化特征，以期為科學應對氣候變化提供理論依據，促進烤煙生產提質增效，助力鄉村振興。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象觀測資料來源于貴州省氣象大數據平臺，由于各臺站建站時間不一致，考慮到缺測及臺站遷徙所導致的觀測資料不完整性，剔除數據缺測較多的站點，選取貴州省1961—2020 年83 個氣象觀測站的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速、日照時數和地面0 cm 平均溫度等氣象觀測資料，氣象站點分布如圖1 所示。

圖1 研究區域及氣象站點分布Fig. 1 Distribution of study area and meteorological station

1.2 烤煙生育期確定

根據貴州省烤煙實際生產情況和前人研究結果[22]，選取日平均氣溫穩定通過13 ℃和地表0 cm平均溫度大于等于10 ℃作為移栽期熱量指標，根據近60 a 歷史觀測氣象數據，確定烤煙適宜移栽期，同時將烤煙生長季（移栽至成熟采收）120 d，劃分為：伸根期（還苗到團棵）30 d、旺長期（團棵到現蕾）30 d、成熟期（現蕾到采收）60 d，以此計算各生育期的溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度和生長季氣候適宜度。

為了便于統計，選取日序列計算烤煙適宜移栽期，即1 月1 日為序列1，1 月2 日為序列2，…，以此類推。

1.3 溫度適宜度

根據烤煙不同生育期對溫度的需求，建立溫度條件的隸屬函數

式中，S(t)為溫度適宜度；B為中間參數，T為平均氣溫，T1、T2和T0分別為烤煙生育期所需的下限溫度、上限溫度和最適溫度，指標參考楊霏云等編著的《實用農業氣象指標》[23]，并結合云貴地區的烤煙周年氣象服務方案中的生長指標進行修正，如表1 所示。當T≤T1或T≥T2時，S(t)=0，當T=T0時，S(t)=1。

表1 烤煙不同生育期三基點溫度和作物系數Table1 Three fundamental point temperature and crop coefficient of flue-cured tobacco at different growth stages

1.4 降水適宜度

烤煙不同生育期對水分的要求不同，綜合研究區的實際情況和烤煙的降水量/需水量指標，建立降水適宜度模型，公式如下：

式中，Pi(r)為烤煙第i生育期的降水適宜度；ri為烤煙第i生育期累積降水量（mm）；ETci為烤煙第i生育期需水量（mm）；Kci為烤煙第i生育期作物系數，ET0i為該生育期參考作物蒸散量（ mm ）， 采用糧農組織（ FAO ） 推薦的Penman-Monteith 公式計算，如公式（5）所示，

式中，ET0為潛在蒸散量（mm/d）；Δ 為飽和水汽壓-溫度曲線斜率（kpa/℃）；Rn為作物表面的凈輻射[MJ/（m2·d）]；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）]；T為2 m 處的日平均氣溫（℃）；r為干濕表常數（kpa/℃）；es為飽和水汽壓（kpa）；ea為實際水汽壓（kpa）；u2為2 m 處的風速（m/s）。烤煙作物系數參考高曉麗[24]的研究結果并根據貴州當地氣候條件對烤煙生育期作物系數進行修正，即：

式中，Kc為烤煙不同生育期訂正后的作物系數；Kc（Tab）為烤煙不同生育期標準條件時的作物系數，如表1 所示；U2為2 m 高度處的日平均風速（m/s）；RHmin為日最低相對濕度的平均值；h為作物的平均高度（m）。

1.5 日照適宜度

以可日照時數的45%作為參考，構建烤煙日照適宜度模型，公式如下：

式中，Si（s）為烤煙第i生育期的日照適宜度；Si為日照時數；S0i為可照時數的45%。

1.6 氣候適宜度

氣候適宜度是綜合考慮了溫度、降水和日照等多個要素對烤煙不同生育期的影響，采用幾何平均和綜合乘積的方法，建立烤煙氣候適宜度模型，

式中，Fi（t,p,s）為烤煙第i生育期的氣候適宜度，Si（t）、Pi（r）、Si（s）分別為烤煙第i生育期的溫度、降水和日照適宜度。

1.7 生長季氣候適宜度

烤煙生長季氣候適宜度是由烤煙不同生育期的氣候適宜度模型與其權重的乘積計算得出，計算公式如下：

式中，Wi為烤煙不同生育期權重系數，由信息熵權法和專家決策法確定。

1.8 空間分析方法

將烤煙不同生育期氣候適宜度與臺站地理信息（經度、緯度和海拔高度）建立推算模型，用各站點的實測值與推算值做算術運算得到殘差值，利用ArcGIS 軟件中的空間分析功能，用反距離權重插值法對其殘差部分進行空間內插，將殘差結果與推算結果進行疊加，并用自然斷點法進行分級，得到烤煙生長季氣候適宜度空間分布圖。

2 結 果

2.1 適宜移栽期空間分布和變化特征

由圖2a 可知，1961—2020 年貴州烤煙適宜移栽期空間分布差異顯著，日序在101～120 之間的地區分布廣泛，說明在4 月中下旬時貴州大部植煙區熱量條件可以移栽烤煙，是烤煙適宜的集中移栽期。由圖2a 和圖3 可知，1961—2020 年烤煙適宜移栽期總體趨勢是提前的，速率為0.947 d/10 a，其中2011—2020 年烤煙適宜移栽期明顯提前，較2001—2010 年提前了6 d。由圖2b-2c 可知，與1961—1990 年相比，1991—2020 年貴州約有85.7%區域烤煙適宜移栽期提前，以東部變化最明顯（提前6 d 及以上），其次是中北部和中西部地區（提前3～5 d）。

圖2 烤煙適宜移栽期空間分布和變化特征Fig. 2 Spatial distribution and variation characteristics of suitable transplanting period of flue-cured tobacco

圖3 烤煙適宜移栽期的時間變化曲線圖Fig. 3 Time variation curve of suitable transplanting period of flue-cured tobacco

2.2 氣候適宜度空間分布及變化特征

2.2.1 伸根期氣候適宜度 圖4a 表明，1961—2020年貴州烤煙伸根期氣候適宜度呈西南高東北低分布，約63.5%區域適宜度在0.60 以上，主要位于中部以西大部、中北部和南部地區，高值區位于西南部。由圖4b-c 和表2 可知，與1961—1990 年相比，1991—2020 年烤煙伸根期平均氣溫升高0.4 ℃，降水量和日照減少，約88.0%區域的適宜度增加，適宜度在0.60 以上的區域面積增加約6.9%。

表2 兩個氣候年代烤煙伸根期氣象條件對比Table 2 Comparison of meteorological conditions during the root elongation period of flue-cured tobacco between 1961—1990 and 1991—2020

圖4 烤煙伸根期氣候適宜度空間分布及變化特征Fig. 4 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during the root elongation period

2.2.2 旺長期氣候適宜度 圖5a 表明，1961—2020年貴州約94.5%區域旺長期氣候適宜度在0.60 以上，西部和中部等地適宜度在低于0.65，然后逐步向北、向南和向東遞增，高值區位于西南部和西北部等低海拔地區。由圖5b-5c 和表3 可知，與1961—1990年相比，1991—2020 年烤煙旺長期平均氣溫升高0.1 ℃，降水量增多，日照減少，約96.2%區域旺長期氣候適宜度是下降的，在0.65 以上的區域面積減少約38.1%。

表3 兩個氣候年代烤煙旺長期氣象條件對比Table 3 Comparison of meteorological conditions during the vigorous growth period of flue-cured tobacco between 1961—1990 and 1991—2020

圖5 烤煙旺長期氣候適宜度空間分布及變化特征Fig. 5 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during the vigorous growth period

2.2.3 成熟期氣候適宜度 圖6a 表明，1961—2020年貴州成熟期氣候適宜度呈南低北高分布，中部以北大部地區成熟期氣候適宜度在0.77 以上，中部以南在0.69～0.77 之間。由圖6b-6c 和表4 可知，與1961—1990 年相比，1991—2020 年烤煙成熟期平均氣溫升高0.3 ℃，日照時數減少了45.1 h，適宜度在0.77 以上的區域面積減少約77.1%。

表4 兩個氣候年代烤煙成熟期氣象條件對比Table 4 Comparison of meteorological conditions during the mature period of flue-cured tobacco between 1961—1990 and 1991—2020

圖6 烤煙成熟期氣候適宜度空間分布及變化特征Fig. 6 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during the mature period

2.2.4 生長季氣候適宜度 由信息熵權法和專家決策法確定烤煙伸根期、旺長期和成熟期的權重分別為0.2、0.4 和0.4，由此計算得出烤煙生長季氣候適宜度。圖7a 表明，1961—1990 年約99.8%區域烤煙生長季氣候適宜度在0.63 以上，西南部、西北部等高值區適宜度在0.70 以上。由圖7b-7c 可知，與1961—1990 年相比，1991—2020 年貴州生長季氣候適宜度下降明顯，生長季氣候適宜度高值區（適宜度＞0.7）面積減少約55.7%。

圖7 烤煙生長季氣候適宜度空間分布及變化特征Fig. 7 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during growing season

3 討 論

適宜的移栽期是烤煙增產提質的前提條件，本研究表明4 月中下旬是貴州烤煙適宜的集中移栽期，這與生產實際是相符的[25]：貴州大多數煙區在4 月底基本完成移栽。貴州西部煙區烤煙成熟期易受低溫威脅，移栽過晚不利于煙葉正常發育落黃成熟和品質形成[26-28]。本研究發現在氣候變暖背景下，近60 a 貴州大部植煙區溫度升高，適宜移栽期不同程度提前，以2011—2020 年適宜移栽期提前最明顯，對減輕西部煙區烤煙后期的低溫威脅有積極影響。

本研究表明貴州大部植煙區烤煙不同生育時期的氣候適宜度在0.5～0.8 之間，且成熟期＞旺長期>伸根期，可以看出溫度、降水和日照均能滿足烤煙在不同生育期適宜生長的需要。烤煙生長后期的氣象條件是影響烤煙品質最主要的因子[29]，成熟期氣候適宜度高是貴州生產優質烤煙的主要原因之一。但在氣候變化背景下，貴州烤煙成熟期氣候適宜度下降明顯，使得烤煙產量和品質的不穩定性增強。與1961—1990 年比，1991—2020 年貴州烤煙不同生育時期日照時數均呈減少趨勢，尤以成熟期減少最為明顯；1991—2020 年成熟期降水量雖略有增加但時空分布不均，近幾年貴州東北部煙區成熟期高溫干旱災害頻發。結合張超等[30]的研究結果來看，日照時數的減少和高溫干旱發生幾率的增高可能是貴州烤煙生長后期氣候適宜度下降的主要原因，具體情況還需要進一步開展研究。此外，本研究只利用歷史氣象資料建立適宜度模型，烤煙的生長發育還受土壤、病蟲害、管理措施等因素影響，因此在今后的研究中，有必要構建多要素的適宜度模型和利用未來氣候變化數據，對貴州烤煙適宜度進行深入研究。

4 結 論

結果表明，貴州大部植煙區溫度、降水和日照均能滿足烤煙在不同生育期生長的需要，其中，成熟期氣候適宜度相較其他生育期是最高的。但在氣候變化背景下烤煙成熟期、旺長期的適宜度下降，使得貴州烤煙產量和品質的不穩定性增強。