海南島天然橡膠產量和氣候適宜度相關性研究

佟金鶴, 張衛紅, 劉少軍, 甘業星

海南島天然橡膠產量和氣候適宜度相關性研究

佟金鶴1, *, 張衛紅2, 劉少軍1, 甘業星1

1. 海南省氣象科學研究所/海南省南海氣象防災減災重點實驗室, 海口 570203 2. 河北省氣象科學研究所, 石家莊 050022

使用氣候適宜度指數方法對海南島橡膠樹氣候適宜性進行評價, 并選擇去趨勢互相關分析(DCCA)方法對橡膠樹單產和氣候適宜度進行相關性分析。結果表明: 海南島橡膠單產在東部和西部較低, 最低值出現在文昌, 為657.30 kg·hm–2; 最高值為三亞的1376.54 kg·hm–2。海南島中部單產的變化幅度較小, 其余地區單產均呈明顯增加趨勢, 線性傾向率普遍超過10 kg·hm–2·a–1。海南島中部和東部綜合適宜度水平較高, 適宜度指數超過0.70, 西部適宜度水平較低, 為0.39; 溫度和光照適宜度指數空間差異小, 整體在0.80和0.70以上; 降水適宜度指數在中部和東部較高, 西部南部偏低, 數值在0.42—0.77之間; 風速適宜度在中部和南部超過0.75, 在西部和北部適宜度指數偏低, 最低達到0.18。DCCA分析結果顯示, 氣候適宜度與橡膠單產存在明顯的長程相關關系, 降水和產量的相關性最高, 風速相關性最低; 空間上, 東部相關性較低, 西部、北部和和南部相關性稍高。

DCCA; 天然橡膠產量; 氣候適宜度指數

0 前言

天然橡膠是在交通、醫藥、日常生活等多領域起重要作用的戰略性資源, 隨著經濟的增長, 我國對天然橡膠的需求量節節攀升[1]。海南作為中國天然橡膠的主產區, 其橡膠生長氣候適宜性偏低, 過高或過低的氣溫, 較大的風速等不利氣象條件均在不同程度上影響了海南橡膠的高產穩產[2, 3]。橡膠樹在高溫、高濕、微風的環境下才能保持旺盛的生長, 為定量衡量溫度、光照、降水、風速等氣象因子對橡膠樹生長發育、產量形成、品質指標等的適宜程度, 佟金鶴等使用氣候適宜度方法評價了中國橡膠樹種植區的氣候條件[4], 亦有研究探討了橡膠樹第一蓬葉期和割膠期的氣候適宜度分布及變化特征[5, 6]。陳小敏等進一步使用相關系數法分析了割膠期各月氣候適宜度的加權系數構成, 建立了橡膠樹割膠期的氣候適宜度評價指標[7]。橡膠產量除受到氣象因子的影響外, 還與橡膠樹品種、田間管理水平、橡膠市場行情等多種因素關系密切[8], 傳統的統計方法難以消除非平穩、復雜性等特征導致的偽相關現象。DCCA(Detrended Cross-Correlation Analysis)是一種基于去趨勢協方差的互相關性分析方法[9], 通過系統性地濾去各階趨勢成分、消除原始序列中數據非平穩性的影響, 可以有效避免由于數據非平穩性所導致的序列之間的偽相關, 從而檢測出含有噪聲且疊加有多項式趨勢信號的長程相關性[10, 11]。目前已逐步應用于大氣環境[12, 13]、金融市場[14]、水文氣象[15]、旅游氣象[16]等多個領域。

目前尚未見DCCA方法在橡膠氣候適宜度與產量相關關系分析中的應用。應用去趨勢互相關分析(DCCA)模型探討氣候適宜度和橡膠產量的相關性, 對進一步探索氣候條件對橡膠樹的影響機制, 提升橡膠樹防災減災能力, 保障我國天然橡膠生產具有重要的參考意義。

1 數據與方法

1.1 數據

選取國家氣象信息中心《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集(V3.0)》中海南島1989—2010年10個測站的氣溫、降水、日照時數、風速等氣象因子, 通過計算獲得22年的氣象因子適宜度及綜合適宜度序列, 并將其與所在市縣的橡膠單產序列進行DCCA分析。其中橡膠產量數據來自海南省統計廳。使用Matlab 函數adftest()對各市縣的橡膠單產(單位面積產量, 下同)及氣候適宜度序列進行ADF檢驗, 結果顯示研究時段內各市縣橡膠產量序列及適宜度序列均存在單位根, 為非平穩序列, 因此分析海南橡膠產量和氣候適宜度相關性適用DCCA方法。

1.2 方法

選取對橡膠生長具有重要影響的溫度、降水、光照、風速四個主要影響因子計算逐月適宜度函數[4–6]。隨后將逐月四個氣象因子和綜合氣候適宜度序列分別與橡膠單產序列進行DCCA分析。具體方法如下:

月溫度適宜度S為逐日氣溫適宜度S的月平均值,S計算方法為:

其中:為平均氣溫(℃),T=15 ℃、T=39 ℃、T= 26 ℃ 分別為橡膠生長的最低溫度、最高溫度和最適溫度[14]。若t< T, 則S=0。

月降水適宜度S:

式中,S表示月降水量適宜度, 而 S為月降水日數適宜度。R=150 mm為月適宜降水量,為月降水量(mm)。d=10 d、d=16 d為橡膠月降水適宜日數的上限和下限,為月降水日數(d)。

月光照適宜度S為逐日光照適宜度S的月平均值,S計算方法為:

式中為實際日照時數(h),=5.1為常數,S為日照百分率為55%的日照時數(h), 由測站經緯度及日序確定。

月風速適宜度S為逐日風速適宜度S的月平均值,S計算方法為:

為日平均風速(m/s),W=1.9 m/s、W=2.9 m/s分別為橡膠適宜風速的下限和上限。

月綜合適宜度S定義為:

式中,S、S、S、S分別為月溫度適宜度、月降水適宜度、月光照適宜度和月風速適宜度。

適宜度年值為各自月值的平均。

DCCA方法具體如下[10, 17]:

隨后改變時間尺度, 重復進行以上步驟得到不同時間尺度下的, 若和呈現線性則其線性傾向率為DCCA標度指數。=0.5時, 表明分析的兩組時間序列中不存在互相關性; 當>0.5時, 表示兩組時間序列之間存在長程正相關性,<0.5則表示兩組序列具有反持續性的長程互相關性, |-0.5|值越大, 相關性越強[11]。

2 結果與分析

2.1 海南島橡膠產量分析

1989—2010年間, 海南島18市縣橡膠平均單產和單產變化趨勢如下圖:

如圖1所示海南島橡膠產量東部和西部較低, 文昌、東方、樂東等地橡膠單產低于800 kg·hm–2, 其中文昌的橡膠單產最低, 為657.30 kg·hm–2; 澄邁、昌江-白沙-瓊中以及三亞橡膠單產較高, 普遍在1000 kg·hm–2以上, 單產最高的地區為三亞, 達到1376.54 kg·hm–2, 其次為澄邁1278.65 kg·hm–2。橡膠單產以增加為主, 僅樂東和保亭橡膠單產略有下降; 單產增加最明顯的地區為瓊海, 增加趨勢為46.85 kg·hm–2·a–1, 其次為臨高、文昌、三亞、定安等地, 增產幅度均超過30 kg·hm–2·a–1。除單產下降的樂東、保亭及增產幅度最小的萬寧、東方, 研究時段產量序列均通過了α=0.05的顯著性檢驗。

圖1 海南橡膠單產(kg·hm–2)及單產變化趨勢(kg·hm–2·a–1) (填色圖表示橡膠單產, △表示橡膠單產變化趨勢)

Figure 1 The rubber tree yields (kg·hm–2) and linear trend (kg·hm–2·a–1) in Hainan (color map indicated rubber tree yields , △ indicated their linear trends )

2.2 海南島氣候適宜度分布及變化狀況

1989—2010年間, 海南島氣候適宜度分布和變化情況如圖2:

海南島溫度適宜度最高, 全島均在0.80以上, 基本呈現南高北低中部山區低于同緯度周邊地區的分布形式。降水適宜度空間差異較大, 其值在0.42—0.77之間, 適宜度最高的地區是瓊中-屯昌-瓊海一帶, 適宜度最低是西南部的三亞-東方一帶。光照適宜度整體較高, 南部高于北部, 西部高于東部, 三亞和東方是光照適宜度最高的地區, 分別為0.83和0.84。風速適宜度中部較高, 北部、東部、西部適宜度均較低, 其中西部的東方風速適宜度最低, 僅為0.18。綜合適宜度以中部最高, 在0.70以上, 其次為東部, 適宜度最低的地區位于海南島的西部, 其值為0.39。由于溫度和光照適宜度空間差異較小, 海南島的綜合適宜度差異主要是由降水和風速貢獻。

圖2 海南島橡膠溫度(1)、降水(2)、光照(3)、風速(4)及綜合(5)適宜度指數分布及變化(填色圖表示氣候適宜度, △表示橡膠適宜度變化趨勢)

Figure 2 The distribution and changement of temperature(1), precipitation(2), sunshine duration(3), wind speed(4)and comprehensive(5) suitability indexes of rubber tree in Hainan Island (color map indicated rubber tree yields , △ indicated their linear trends )

在變化方面, 溫度適宜度在全島基本呈現一致的升高趨勢, 僅三亞出現下降。降水適宜度在全島呈現一致的下降趨勢, 下降最明顯的地區是東方, 線性傾向率為0.003 a–1。光照適宜度以下降為主, 海南島東部沿海地區光照適宜度下降最為明顯, 僅三亞和屯昌地區出現了升高。風速適宜度在四個因子中變化幅度最大, 在海口三亞出現明顯的下降, 降幅分別為–0.12和–0.08 a–1, 在五指山地區明顯上升, 幅度達到0.014 a–1。綜合適宜度在海口和三亞地區出現了較為明顯的下降, 其他地區變化幅度較小。整體上, 海南島氣候適宜度變化幅度小, 大多未通過顯著性檢驗。

2.3 橡膠產量與氣候適宜度的去趨勢互相關分析

DCCA結果顯示, 橡膠單產與四個氣象因子及綜合適宜度的標度系數均在0.84以上, 超過0.5的閾值, 表明氣候適宜度與橡膠單產存在明顯的長程相關關系。圖3為各測站DCCA標度系數的平均值。

如圖3-1所示, 橡膠單產和降水適宜度的標度系數最高, 其次為溫度和光照, 風速適宜度最低,顯示橡膠單產對降水適宜度的變化最為敏感。相較之下, 風速適宜度對橡膠單產的影響稍小。空間分布上, DCCA標度系數在海南島東部尤其是文昌地區稍低, 在西部、北部和南部較高(圖3-2)。

3 討論

橡膠樹適宜生長在高溫、高濕、微風、光照充足的環境, 海南島光熱條件優越、降水充分[18], 是我國最適宜種植橡膠樹的區域之一。但盛夏季節過高的氣溫易造成膠水過快凝結; 過于頻繁的降水會增加橡膠病害風險[19], 可能導致大雨沖膠、產量降低; 微風可以促進橡膠樹蒸騰, 進而促進代謝活動, 同時有助于保持樹皮干燥, 減輕割皮病害, 但過高的風速會吹裂嫩葉, 橡膠林中年平均風速大于3 m·s-1時, 橡膠樹不能正常生長[8]。使用氣候適宜度方法評價氣象條件, 綜合考慮了作物多個關鍵氣象因子的最高、最低、最適氣象條件, 能較充分地反映橡膠樹生產實際[20, 21]。適宜度的研究結果顯示海南島溫度和光照適宜度較高, 降水和風速空間差異較大, 綜合適宜度以中部為最高, 西部最低。其中西部代表測站東方站位置臨海, 局地風速偏高是導致該地適宜度明顯偏低于周圍地區的主要原因。從橡膠產量上看, 文昌—陵水一帶橡膠單產較低, 可能是由于該地相對頻繁的臺風會導致橡膠斷倒, 及其他次生病害, 可對成林產膠量造成長期影響[22], 對斷倒比例高的膠林, 氣候適宜度的提升不足以彌補產量損失。三亞橡膠產量為全島最高, 主要是由于三亞地區光熱條件最好, 受臺風影響較少[18], 降水雖較少但可滿足橡膠樹生長需要[23]。通過與橡膠生產實際情況的比較分析, 認為對于海南島, 上述氣候適宜度指數方法存在對大風估計不足, 降水權重偏高的問題。去趨勢互相關分析的結果顯示, 橡膠氣候適宜度與橡膠單產呈明顯的長程正相關關系, 這與之前的研究結果一致[5–6]。氣候適宜度雖不能完全解釋產量的空間差異, 但氣候適宜度指數的提升對產量的提升有明顯的正向促進作用。

圖3 海南島橡膠單產與氣候適宜度DCCA相關關系統計分析(1)及空間分布(2)

Figure 3 Statistic Analysis(1) and spatial distribution(2) of the relationship between rubber tree yield and climate suitability in Hainan Island by DCCA

4 結論

1. 海南島橡膠單產在東部和西部較低, 最低值出現在文昌, 為657.30 kg·hm–2; 單產高值在三亞和澄邁, 分別達到1376.54和1278.65 kg·hm–2。海南島中部單產的變化幅度較小, 其余地區單產均呈明顯增加趨勢, 線性傾向率普遍超過10 kg·hm–2·a–1。

2. 海南島溫度和光照適宜度水平較高, 分別在0.80和0.70以上, 空間差異較小, 基本呈現南高北低的分布形式; 降水適宜度空間差異較大, 海南島中部和東部適宜度較高在0.70以上, 西部和南部適宜度較低, 普遍在0.60以下; 風速的區域性更加明顯, 海南島中部和南部適宜度高于0.75, 而西部和北部適宜度偏低, 最低值位于東方, 適宜度指數僅為0.18; 綜合適宜度以中部最高, 在0.70以上, 其次為東部, 適宜度最低的地區位于海南島的西部, 其值為0.39。

3. DCCA分析結果顯示, 氣候適宜度與橡膠單產存在明顯的長程相關關系。其中, 降水和產量的相關性最高, 風速相關性最低, 溫度和光照相關性相近。空間上, 海南島東部相關性較低, 西部、北部和和南部相關性相對稍高。

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Correlation between natural rubber yield and climate suitability in Hainan Island

TONG Jinhe1, *, ZHANG Weihong2, LIU Shaojun1, GAN Yexing

1. Institute of Meteorological Science of Hainan Province / Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 2. Institute of Meteorological Science in Hebei, Shijiazhuang 050022, China

The climate suitability index method was used to evaluate the climate suitability of rubber trees in Hainan Island, and the detrending cross-correlation analysis (DCCA) method was selected to analyze the correlation between rubber tree yield and climate suitability.The results showed that rubber tree yield in Hainan Island was lower in the east and west and the lowest value was 657.30 kg·hm–2which appeared at Wenchang, and the highest value was 1376.54 kg·hm–2in Sanya. Per unit area yield in the central part of Hainan Island had a small range of change, and in other areas showed a significant increase, with linear tendency rates generally exceeding 10 kg·hm–2·a–1. The central and eastern parts of Hainan Island had a relatively high level of comprehensive suitability, with suitability indexes exceeding 0.70, and a lower suitability level of 0.39 in the west. The temperature and sunshine duration suitability indexes were generally above 0.80 and 0.70, which had small differences in spatial. Precipitation suitability was higher in the central and eastern parts, and was lower in the western and southern parts, overall range from 0.42 to 0.77. The wind speed suitability index was more than 0.75 in the central and southern parts, and was lower in the western and northern parts, with the lowest being 0.18. The results of DCCA analysis showed that there was an obvious long-range correlation between climate suitability and rubber tree yield. The correlation level between precipitation and yield was the highest, and the wind speed was the lowest. Spatially, the correlation in east was weak, and the correlation in the west, north and south was slightly stronger.

DCCA; natural rubber yield; climate suitability index

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.018

P464

A

1008-8873(2024)01-154-06

2021-08-29;

2022-01-07基金項目:國家自然科學基金(41765007); 海南省基礎與應用基礎研究計劃(自然科學領域)高層次人才項目(2019RC359)

佟金鶴(1991—) , 女, 碩士, 工程師, 主要從事橡膠氣象服務, E-mail: tongjinhesuns@163.com

通信作者:佟金鶴

佟金鶴, 張衛紅, 劉少軍, 等. 海南島天然橡膠產量和氣候適宜度相關性研究[J]. 生態科學, 2024, 43(1): 154–159.

TONG Jinhe, ZHANG Weihong, LIU Shaojun, et al. Correlation between natural rubber yield and climate suitability in Hainan Island[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 154–159.