1971 －2011年福建省烤煙移栽期低溫氣候變化特征

馬治國(guó)，張春桂，李文勇，陳 惠，徐宗煥，陳家金

(1.福建省氣象科學(xué)研究所;2.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州350001)

在全球變暖的背景下，我國(guó)日平均氣溫、極端氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，升溫主要分布在冬季，以低溫的變化趨勢(shì)最為明顯［1－5］。氣候變化嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使作物和果樹(shù)生育期提前，并影響到產(chǎn)量和質(zhì)量［6－7］。近年，對(duì)烤煙低溫寒害的研究較少，且主要集中在對(duì)烤煙生育期、農(nóng)藝性狀等影響以及生態(tài)適應(yīng)性等方面，對(duì)于低溫氣候變化的研究鮮有報(bào)道。招啟柏等［8］用人工氣候箱人為控制溫度研究低溫對(duì)烤煙成花的影響，認(rèn)為6 葉期左右可能是烤煙對(duì)低溫較敏感的時(shí)期。沈少君等［9］研究了低溫脅迫對(duì)烤煙生長(zhǎng)和產(chǎn)質(zhì)量的影響，得出煙苗受凍后剪除心葉處理各生育期比對(duì)照推遲，農(nóng)藝性狀較差，產(chǎn)量降低。金磊等［10］分析了花芽分化對(duì)苗期低溫的敏感性，認(rèn)為經(jīng)低溫誘導(dǎo)的煙株生長(zhǎng)進(jìn)程被推遲。謝遠(yuǎn)玉等［11］通過(guò)對(duì)贛南5 地點(diǎn)烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的觀測(cè)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)氣象資料分析了氣候因子的影響效果，指出由于易受春寒影響，宜實(shí)施保護(hù)性栽培或選擇適宜的移栽期。

福建省烤煙主要分布在西北部的內(nèi)陸地區(qū)，是農(nóng)業(yè)收入的重要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。該區(qū)2 －3月份是受低溫陰雨災(zāi)害天氣影響最大、最頻繁的區(qū)域，幾乎每年都會(huì)對(duì)烤煙、蔬菜、早稻等作物的生長(zhǎng)發(fā)育造成極大危害?？緹熞圃云诘牡蜏仡A(yù)警評(píng)估可以有效避開(kāi)災(zāi)害天氣，提高烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)收入。本文分析烤煙移栽期的低溫氣候變化趨勢(shì)特征，以期為開(kāi)展低溫寒害預(yù)警評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于1971 －2011年福建省南平、三明和龍巖3 個(gè)地區(qū)28 個(gè)氣象站的日平均氣溫值，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)福建省氣象局質(zhì)量審核，并修正了異常數(shù)據(jù)，保證了其準(zhǔn)確性。福建省烤煙主要移栽期為2月下旬到3月中旬，以旬為基本的時(shí)間尺度，分成2月下旬和3月上旬、中旬3 個(gè)時(shí)間段進(jìn)行移栽期低溫變化趨勢(shì)特征分析。

1.2 研究方法

1.2.1 ＜13 ℃負(fù)積溫和低溫日數(shù)的計(jì)算 烤煙移栽期＜13 ℃的低溫積累到3 d 以上會(huì)產(chǎn)生早花等危害［12］，影響其產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，烤煙移栽期的低溫危害評(píng)估需要考慮低于臨界氣溫的大小及低溫的持續(xù)時(shí)間。本研究根據(jù)日平均氣溫分析了＜13 ℃負(fù)積溫和低溫日數(shù)2 個(gè)氣象變量?？緹熞圃云冢?3 ℃負(fù)積溫計(jì)算公式如下。

式中，D 為＜13 ℃負(fù)積溫/℃;i 為日平均氣溫/℃。

低溫日數(shù)是指日平均氣溫＜13 ℃的天數(shù)，每旬的低溫日數(shù)指此旬出現(xiàn)的低溫日數(shù)之和。

1.2.2 變化趨勢(shì)分析及檢驗(yàn) 利用最小二乘法擬合一元線(xiàn)性方程:y=at+b。其中，a、b 為回歸系數(shù)，y 為分析變量，t 為時(shí)間。在引入氣候傾向率指標(biāo)后，分析低溫變量的氣候變化趨勢(shì)。

式中，yi是低溫變量第i年的值，回歸系數(shù)a 表示該氣候變量每10年的變化。其中，a 值的正或負(fù)反映了上升或下降趨勢(shì)，其大小表示上升或下降的幅度。根據(jù)相關(guān)系數(shù)(R)對(duì)氣候變量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.2.3 多項(xiàng)式擬合方法 用Cubic 函數(shù)形式表示氣候要素與時(shí)間t 的非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系［13］。

式中，a、b、c、d 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，用最小二乘法利用實(shí)際資料計(jì)算得出。通過(guò)多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線(xiàn)可以很好地反映長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化特征。根據(jù)Cubic 的階段性極值定性地分析要素變化的轉(zhuǎn)型特征，其中極小值為要素值由下降轉(zhuǎn)為上升的時(shí)間點(diǎn)，反之則由上升轉(zhuǎn)為下降的時(shí)間點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)日平均氣溫，結(jié)合烤煙移栽期的生長(zhǎng)發(fā)育臨界氣溫，分析低溫對(duì)烤煙移栽期的影響，并以代表低溫的負(fù)積溫和低溫日數(shù)為變量，進(jìn)一步分析1971 －2011年福建省烤煙移栽期低溫氣候變化趨勢(shì)特征。

2.1日平均氣溫對(duì)移栽期的影響

1971 －2011年福建省烤煙區(qū)移栽期平均氣溫見(jiàn)表1。由表1 可知，烤煙移栽期，南平、三明和龍巖3個(gè)地區(qū)的日平均氣溫從北到南呈逐漸上升的趨勢(shì)，這主要是受地理緯度的影響而出現(xiàn)的規(guī)律性變化。從氣溫指標(biāo)來(lái)看，福建省烤煙的最佳移栽期從南向北逐漸推移，其中龍巖地區(qū)最早達(dá)到最佳移栽期，而南平最晚。從3 個(gè)地區(qū)的多年平均氣溫來(lái)看，僅龍巖地區(qū)整個(gè)移栽期都能滿(mǎn)足烤煙移栽的臨界氣溫條件，每旬的平均氣溫均＞13 ℃，從而進(jìn)入最佳移栽期;而三明地區(qū)2月下旬的平均氣溫僅11.66 ℃，低于臨界氣溫，3月上旬后才達(dá)到臨界氣溫;南平地區(qū)2月下旬和3月上旬的平均氣溫僅11.00、11.70 ℃，均低于烤煙移栽的臨界水平，僅3月中旬能夠達(dá)到臨界氣溫。

表1 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)移栽期平均氣溫Table 1 Average air temperature of the flue-cured tobacco transplant period in Fujian area from 1971 to 2011 ℃

在烤煙移栽期，南平、三明和龍巖地區(qū)年平均氣溫各旬變化趨勢(shì)一致，氣溫從2月下旬開(kāi)始逐步回升，代表適合煙苗生長(zhǎng)發(fā)育的熱量條件也隨之變好(表1)。因而會(huì)造成2月下旬移栽的煙苗，盡管熱量條件不是很理想，但隨著時(shí)間推移，氣溫升高后，會(huì)安全渡過(guò)危險(xiǎn)期的假象。其實(shí)，對(duì)氣象資料的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，3月上旬也會(huì)出現(xiàn)低溫寒害，尤其是經(jīng)過(guò)2月升溫后，再次劇烈降溫，對(duì)煙苗的影響更大。

北方冷空氣南下帶來(lái)的寒潮首先影響北部地區(qū)。因此，以處于福建省北部的南平地區(qū)為例，討論3月上旬氣溫比2月下旬更低的氣候特征。1971 －2011年南平地區(qū)部分年份2月下旬與3月上旬、中旬平均氣溫變化見(jiàn)表2，表中均為南平地區(qū)2月下旬光溫條件較好的年份。由表2 可知，2月下旬光溫條件適宜煙苗移栽和生長(zhǎng)發(fā)育，但3月上旬遭遇最大5 －6 ℃的降溫災(zāi)害天氣，使得氣溫迅速降低，低于烤煙生長(zhǎng)臨界氣溫值，從而產(chǎn)生一段不利于煙苗生長(zhǎng)的時(shí)間段，影響烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量。統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)生這類(lèi)降溫過(guò)程的年數(shù)占總數(shù)的41.5%，可見(jiàn)此類(lèi)災(zāi)害發(fā)生較頻繁，應(yīng)該在氣象服務(wù)中引起關(guān)注。

表2 1971 －2011年南平地區(qū)部分年份2月下旬與3月上旬、中旬平均氣溫比較Table 2 Average air temperature in late February and early March in Nanping from 1971 to 2011 ℃

2.2 負(fù)積溫變化趨勢(shì)

福建省烤煙＜13 ℃負(fù)積溫變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1 可知，經(jīng)過(guò)6 次多項(xiàng)式擬合，2月下旬負(fù)積溫呈單谷變化趨勢(shì)。1991年左右，變化趨勢(shì)由下降轉(zhuǎn)為上升，表示熱量條件趨于變好。1971 －1991年，基本呈單邊下降趨勢(shì)，尤其是1977 －1990年下降趨勢(shì)更為明顯，其旬負(fù)積溫減少的線(xiàn)性趨勢(shì)為:y = －1.5689x －18.64，即趨勢(shì)系數(shù)每10年－15.68 ℃;R=0.48，通過(guò)了信度水平為0.10 的顯著性檢驗(yàn)。1991年后，旬負(fù)積溫開(kāi)始上升，其增加趨勢(shì)為:y=1.7212x－38.891，氣候趨勢(shì)系數(shù)每10年17.21 ℃;R=0.51，通過(guò)了信度水平為0.02 的顯著性檢驗(yàn)。2月下旬多年負(fù)積溫平均值為－25.22 ℃，最大值出現(xiàn)在2002年，為－0.71℃，最小值出現(xiàn)在1996年，僅－74.17 ℃，最高和最低負(fù)積溫的極差值為73.46 ℃(表3)。

3月上旬的負(fù)積溫變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，主要分成4 個(gè)階段，形成雙峰變化趨勢(shì)(圖1)。1971 －1975年(上升階段)—1976 －1988年(下降階段)—1989 －2002年(上升階段)—2003 －2011年(下降階段)。其線(xiàn)性趨勢(shì)分別為:y=4.249x－31.95，y= －2.203x－11.531，y=1.5502x－31.172，y= －0.025x －29.257，氣候趨勢(shì)系數(shù)分別為:每10年42.49、－22.03、15.50 和－0.25 ℃，顯著性檢驗(yàn)水平分別為:0.10、0.05、0.01和未通過(guò)?？梢?jiàn)，3月上旬負(fù)積溫以1989 －2002年的上升階段最為顯著，其次是1976 －1988年的下降階段。3月上旬多年負(fù)積溫平均值為－24.01 ℃，最大值出現(xiàn)在1980年，為－2.72 ℃，最小值出現(xiàn)在1988年，僅－62.87 ℃，極差值為60.15 ℃(表3)。

圖1 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)＜13 ℃負(fù)積溫變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of negative accumulated temperature ＜13 ℃in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011

由圖1 得知，隨著氣溫的逐漸升高，3月下旬福建煙區(qū)氣溫進(jìn)入了平穩(wěn)發(fā)展期，旬負(fù)積溫以震蕩為主，經(jīng)過(guò)線(xiàn)性趨勢(shì)分析:y=0.0954x－16.371，呈現(xiàn)略微升高的趨勢(shì)，但未通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)。3月下旬多年負(fù)積溫平均值為－14.37 ℃，最大值出現(xiàn)在1980年，為－0.00 ℃，最小值出現(xiàn)在1988年，僅－52.13 ℃，極值差相對(duì)于前兩旬較小，為52.13 ℃(表3)。

表3 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)＜13 ℃負(fù)積溫極值差Table 3 Extreme value of negative accumulated temperature ＜13 ℃in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011 ℃

烤煙移栽期的負(fù)積溫受3月上旬的影響最大，與其變化趨勢(shì)幾乎一致，40年來(lái)呈現(xiàn)出升—降—升—降的雙峰變化規(guī)律。時(shí)間段分別為1971 －1976年、1977 －1988年、1989 －2002年、2003 －2011年。其氣候趨勢(shì)系數(shù)分別為:每10年12.89、－54.31、40.90 和－13.58 ℃，顯著性檢驗(yàn)水平分別為:未通過(guò)、0.05、0.20和0.50?？梢?jiàn)，3月上旬的旬負(fù)積溫變化趨勢(shì)以1977 －1988年的下降過(guò)程最為顯著?？緹熞圃云诙嗄曦?fù)積溫平均值為－63.60 ℃，最大值出現(xiàn)在1980年，為－10.51 ℃，最小值出現(xiàn)在1988年，為－138.99℃，極值差相對(duì)于前兩旬也較小，為128.48 ℃(表3)。

2.3 低溫日數(shù)變化趨勢(shì)

福建省烤煙區(qū)2月下旬、3月上旬和中旬及移栽期＜13 ℃低溫日數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2 可知，2月下旬＜13 ℃低溫日數(shù)呈單峰趨勢(shì)，與旬負(fù)積溫相反，但發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)間點(diǎn)略有不同。1971 －1988年，旬低溫日數(shù)單邊上升，線(xiàn)性趨勢(shì)為:y= 0.2125x+4.309，氣候趨勢(shì)系數(shù)每10年2.23 d;R=0.58，通過(guò)0.01 顯著性水平檢驗(yàn)，且非常顯著。1989 －2011年，旬低溫日數(shù)逐漸減少，這與20 世紀(jì)80年代后全球變暖的大趨勢(shì)相一致［1］，線(xiàn)性趨勢(shì)為:y= －0.1742x+7.056，趨勢(shì)系數(shù)每10年－1.74 d;R =0.48，通過(guò)0.02 顯著性水平檢驗(yàn)。2月下旬多年低溫日數(shù)平均值為5.56 d，最大值出現(xiàn)在1996年，為9.00 d，最小值出現(xiàn)在2002年，為0.70 d，極值差為8.30 d(表4)。

由圖2 可知，3月上旬＜13 ℃低溫日數(shù)變化分為4 個(gè)階段，呈現(xiàn)雙谷變化趨勢(shì)，與旬負(fù)積溫相反，但發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)間點(diǎn)略有不同，分別為下降階段(1971 －1977年)、上升階段(1978 －1990年)、下降階段(1991 －1999年)、上升階段(2000 －2011年)。其線(xiàn)性回歸方程分別為:y = －0.1929x +6.0143，y =0.2407x+5.0879，y = －0.3927x +8.8439，y =0.2657x +4.1343，氣候趨勢(shì)系數(shù)分別為:每10年－1.93、2.41、－3.93、2.66 d;分別通過(guò)0.50、0.10、0.02 和0.05 顯著性水平檢驗(yàn)。3月上旬低溫日數(shù)在1991 －1999年下降趨勢(shì)最顯著，其次是2000 －2011年的上升階段。3月上旬多年低溫日數(shù)平均值為6.34 d，最大值出現(xiàn)在1988年，為10.00 d，最小值出現(xiàn)在1980年，為2.30 d，極值差為7.70 d(表4)。

3月中旬由于氣溫升高，穩(wěn)定性強(qiáng)，故而旬低溫日數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，但仍受全球變暖大背景的影響，40年來(lái)呈現(xiàn)略有降低的趨勢(shì)(圖2)。3月中旬多年低溫日數(shù)平均值為5.12 d，最大值出現(xiàn)在1985年，為10.00 d，最小值出現(xiàn)在2002年，為1.00 d，極值差為9.00 d(表4)。

由圖2 可知，移栽期的低溫日數(shù)變化趨勢(shì)受2月下旬走勢(shì)的影響，呈單峰變化，但后期受3月上旬的影響，低溫日數(shù)有所回升。整個(gè)變化趨勢(shì)可分為上升階段(1971 －1988年)、下降階段(1989 －2002年)和上升階段(2003 －2011年)3 個(gè)時(shí)期，其線(xiàn)性回歸方程分別為:y =0.3773x +14.52，y = －0.4641x +22.92，y=0.7212x+10.55，氣候趨勢(shì)系數(shù)分別為:每10年3.77、－4.64、7.21 d;分別通過(guò)0.05、0.02 和0.20 顯著水平檢測(cè)。移栽期低溫日數(shù)變化趨勢(shì)在1971 －1988年上升階段最為顯著，其次是1989 －2002年的下降階段。移栽期年低溫日數(shù)平均值為17.03 d，最大值出現(xiàn)在1985年，為25.50 d，最小值出現(xiàn)在2002年，為5.20 d，極值差為20.30 d(表4)。

圖2 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)＜13 ℃低溫日數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 The change trend of cold days ＜13 ℃in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011

表4 1971 －2011年福建省烤煙區(qū)移栽期＜13 ℃低溫日數(shù)極值差Table 4 Extreme value of cold days ＜13 ℃in transplanting period in Fujian flue-cured tobacco area from 1971 to 2011 d

3 小結(jié)與討論

通過(guò)對(duì)1971 －2011年日平均氣溫、＜13 ℃負(fù)積溫和低溫日數(shù)的分析，得出福建省烤煙區(qū)移栽期的低溫變化特征:(1)日平均氣溫?？緹熞圃云冢緹焻^(qū)日平均氣溫分布呈現(xiàn)從北到南逐漸上升，年平均氣溫從2月下旬開(kāi)始逐步上升。但3月上旬仍會(huì)出現(xiàn)低溫寒害，尤其是經(jīng)過(guò)2月升溫后，再次劇烈降溫，對(duì)煙苗產(chǎn)生更大影響。(2)＜13 ℃負(fù)積溫。2月下旬呈單谷變化趨勢(shì)，3月上旬呈雙峰變化趨勢(shì)，3月下旬以震蕩為主，并呈現(xiàn)略微升高的趨勢(shì);烤煙移栽期的負(fù)積溫受3月上旬負(fù)積溫的影響最大，與其變化趨勢(shì)幾乎一致，40年來(lái)呈現(xiàn)升—降—升—降的雙峰變化規(guī)律。(3)＜13 ℃低溫日數(shù)。2月下旬低溫日數(shù)呈單峰趨勢(shì)，3月上旬呈雙谷趨勢(shì)，3月中旬沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，但略有降低;移栽期的低溫日數(shù)變化趨勢(shì)受2月下旬走勢(shì)的影響，形成單峰走勢(shì)結(jié)構(gòu)，但后期受3月上旬的影響，低溫日數(shù)有所回升。(4)對(duì)稱(chēng)性。＜13℃旬負(fù)積溫和旬低溫日數(shù)2 個(gè)變量之間在2月下旬、3月上旬及整個(gè)移栽期都呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性，負(fù)積溫與低溫日數(shù)的變化趨勢(shì)成反比相對(duì)應(yīng)，只是發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)間點(diǎn)略有不同。

影響烤煙生長(zhǎng)的環(huán)境因素中，氣象條件是重要因子之一［14－17］。對(duì)福建省烤煙的氣象條件研究，應(yīng)收集烤煙的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，建立低溫寒害與烤煙減產(chǎn)率之間的關(guān)系，劃分低溫災(zāi)害等級(jí)，進(jìn)一步分析低溫寒害對(duì)烤煙的影響，如有條件可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究低溫對(duì)烤煙品質(zhì)形成的影響。本文僅利用氣象站的氣溫?cái)?shù)據(jù)，從時(shí)間角度分析了近40年來(lái)的氣候變化特征。福建省內(nèi)陸山區(qū)地形復(fù)雜，可利用遙感(RS)和地理信息(GIS)等技術(shù)建立低溫與經(jīng)緯度、海拔高度等地理因素的模型研究低溫的空間分布規(guī)律等，達(dá)到烤煙移栽期低溫的空間精細(xì)化預(yù)警的要求。

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