中國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度分布特征研究

佟金鶴, 劉少軍, 陳小敏, 李偉光

中國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度分布特征研究

佟金鶴1, 2, *, 劉少軍1, 2, 陳小敏2, 3, 李偉光2, 3

1. 海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203 2. 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口 570203 3. 海南省氣候中心，海口 570203

選取氣溫、降水、光照、風(fēng)速四個(gè)氣象要素, 應(yīng)用氣候適宜度方法對(duì)中國(guó)橡膠樹(shù)的氣候適宜性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明: 中國(guó)橡膠樹(shù)的氣候適宜度指數(shù)均低于0.8, 平均值為0.43, 變化趨勢(shì)普遍在±0.05 (10a)-1之間, 海南島的大部分地區(qū)為橡膠樹(shù)氣候適宜區(qū), 廣東, 廣西和福建南部以及云南南部的部分地區(qū)為較適宜區(qū); 降水適宜度均值為0.43, 趨勢(shì)值為-0.08—0.09 (10a)-1, 是中國(guó)橡膠樹(shù)適宜性的主要限制因素; 溫度適宜度平均值為0.59, 趨勢(shì)值在-0.04—0.25 (10a)-1之間, 是造成氣候適宜度空間分布差異的主要因素; 光照適宜度平均值為0.70, 變化趨勢(shì)均在±0.05 (10a)-1之間, 分布和變化的空間差異最小; 風(fēng)速適宜度均值為0.71, 變化趨勢(shì)范圍為-0.34—0.28 (10a)-1, 區(qū)域性最強(qiáng)。

橡膠樹(shù); 氣候適宜度; 隸屬度

0 前言

橡膠樹(shù)原產(chǎn)于南美洲亞馬遜流域, 是典型的熱帶樹(shù)種, 其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)膠量受溫度、降水、日照、風(fēng)速等氣象條件影響明顯[1]。目前橡膠樹(shù)在我國(guó)海南、廣東、廣西、福建、云南均有種植, 其中海南和云南是主要產(chǎn)區(qū)[2]。我國(guó)橡膠種植區(qū)主要位于熱帶地區(qū)北緣, 因低溫、干旱、風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致的非正常落葉、枝條枯死、爆皮流膠、斷枝等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生, 一定程度上威脅了橡膠的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[3]。

農(nóng)作物的氣候適宜度是將溫度、光照、降水等氣象因子的數(shù)量變化定量轉(zhuǎn)化成對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成、品質(zhì)指標(biāo)等的適宜程度[4-5]。目前, 氣候適宜度研究已廣泛應(yīng)用于適宜性評(píng)價(jià)、產(chǎn)量預(yù)報(bào)、發(fā)育期預(yù)報(bào)、氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、病蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展氣象等級(jí)評(píng)估等方面[6—7]。研究的對(duì)象涵蓋了水稻、玉米、大豆、小麥、高粱、煙草、油菜、橡膠樹(shù)等多種作物, 如: 陳海生等從氣候、土壤、地形等三方面選取了17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo), 應(yīng)用層次分析、構(gòu)建隸屬度函數(shù)等方法建立了煙草生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[8]; 為準(zhǔn)確反映作物生長(zhǎng)過(guò)程中的短時(shí)災(zāi)害性天氣影響, 侯英雨等對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了修訂, 建立了春玉米生長(zhǎng)日時(shí)間尺度適宜度模型[9]。亦有研究根據(jù)歷史氣象資料或未來(lái)情景數(shù)據(jù)對(duì)氣候變化背景下作物適宜度的變化做出了總結(jié), 對(duì)未來(lái)氣候適宜度分布和變化情況進(jìn)行了預(yù)估[10-13]。在橡膠樹(shù)氣候適宜度領(lǐng)域, 劉少軍等和陳小敏等分別研究了海南島橡膠樹(shù)第一蓬葉期和割膠期的氣候適宜度分布及變化特征[14—15]。陳小敏等使用相關(guān)系數(shù)法分析了割膠期各月氣候適宜度的加權(quán)系數(shù)構(gòu)成, 建立了橡膠樹(shù)割膠期的氣候適宜度評(píng)價(jià)指標(biāo)[16]。此外, 亦有研究使用云理論、粗集理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以及主成分分析方法等實(shí)現(xiàn)了橡膠樹(shù)的適宜性區(qū)劃[17-20]。

目前中國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度研究主要集中于海南島地區(qū), 研究生育期主要為第一蓬葉和割膠期。本研究擬在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上, 使用氣候適宜度方法, 定量評(píng)價(jià)中國(guó)橡膠樹(shù)全生育期內(nèi)適宜度區(qū)域分布, 以期為橡膠樹(shù)的種植規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

根據(jù)中國(guó)熱帶作物種植業(yè)區(qū)劃, 確定中國(guó)橡膠樹(shù)種植的氣候適宜區(qū)研究范圍(圖1), 涉及云南、廣西、廣東、福建、海南五個(gè)省份, 總面積約為24.14× 104km2 [18]。1989—2018年73個(gè)測(cè)站逐日氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心《中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)》, 包括氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等要素。

圖 1 研究區(qū)范圍

Figure 1 Location of the study area

1.2 方法

首先選取對(duì)橡膠生長(zhǎng)具有重要影響的溫度、降水、光照、風(fēng)速四個(gè)主要影響因子計(jì)算逐月適宜度函數(shù)[14-16]。隨后以不同權(quán)重使用適宜度月值計(jì)算適宜度年值, 并以30年中適宜度年值的平均值表征測(cè)站的適宜度。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(jì)算方法為:

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

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(shù)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(shù)的上限和下限,為月降水日數(shù)(d)[16]。

月光照適宜度S為逐日光照適宜度S的月平均值,S計(jì)算方法為:

式中為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h),=5.1為常數(shù),S為日照百分率為55%的日照時(shí)數(shù)(h), 由測(cè)站經(jīng)緯度及日序確定[14-16]。

月風(fēng)速適宜度S為逐日光照適宜度S的月平均值,S計(jì)算方法為:

為日平均風(fēng)速(m/s),W=1.9 m/s、W=2.9 m/s分別為橡膠適宜風(fēng)速的下限和上限[14-16]。

逐月氣候適宜度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(fēng)速適宜度。

橡膠是多年生落葉喬木, 我國(guó)橡膠樹(shù)通常在每年的3、4月份生長(zhǎng)第一蓬葉, 5月第一蓬葉生長(zhǎng)完全穩(wěn)定, 6月抽第二蓬葉, 8月抽第三蓬葉, 9、10月第三蓬葉完全穩(wěn)定。11月氣溫下降, 橡膠自北向南逐漸進(jìn)入越冬期, 12月—翌年2月, 橡膠樹(shù)停割處于越冬期。因此, 第一蓬葉期(3—4月)的氣象條件對(duì)橡膠樹(shù)生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成影響最大, 其次為5—11月, 而越冬期(12月—翌年2月)氣象條件對(duì)橡膠樹(shù)生長(zhǎng)及橡膠產(chǎn)量影響相對(duì)較小。因此按照如下公式, 分別使用四個(gè)氣象因子和綜合氣候適宜度月值定義各自的適宜度年值:

式中*表示*對(duì)應(yīng)月份的適宜度。

最后以30年適宜度平均值表征研究測(cè)站的橡膠樹(shù)氣候適宜度及氣溫、降水、光照、風(fēng)速適宜度。

2 結(jié)果分析

2.1 橡膠樹(shù)氣候適宜度分布特征

使用0.2、0.4、0.6、0.8作為適宜度的閾值, 將研究區(qū)域劃分為不適宜、較不適宜、較適宜、適宜、高適宜等五個(gè)適宜性等級(jí), 結(jié)果如下:

整體來(lái)看, 我國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度均在0.8以下, 適宜區(qū)(適宜度0.8—0.6)主要位于海南島。較適宜區(qū)主要位于廣東, 廣西、福建南部以及云南南部部分地區(qū)。研究范圍中云南的大部分地區(qū)多年平均氣候適宜度<0.4, 不適合橡膠樹(shù)生長(zhǎng)。

溫度適宜度基本呈現(xiàn)自南向北遞減的緯向分布形式(圖3—1): 海南島、雷州半島南部為高適宜區(qū), 廣東、廣西南部以及云南西雙版納等區(qū)域?yàn)檩^適宜區(qū), 其余地區(qū)橡膠樹(shù)溫度適宜度較低, 在0.6以下。適宜度<0.4的較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)主要位于云南省境內(nèi)。

降水適宜度整體較低, 普遍<0.6(圖3—2)。研究區(qū)域中云南大部分地區(qū)、海南島西南部、福建和兩廣沿海地區(qū)降水適宜度均較低。海南島的大部分地區(qū)、以及位于福建、廣西、廣東的研究區(qū)域?yàn)橄鹉z樹(shù)降水較適宜區(qū)和適宜區(qū)。

圖2 橡膠樹(shù)年平均氣候適宜度

Figure 2 Average annual climate suitability of rubber trees

圖3 橡膠樹(shù)年均溫度(1)、降水(2)、光照(3)、風(fēng)速(4)適宜度

Figure 3 Average annual suitability of temperature (1) precipitation (2) sunshine duration (3) and wind speed (4) of rubber trees

橡膠樹(shù)光照適宜度整體較高, 高適宜區(qū)零星分布在海南和云南(圖3—3)。其余研究區(qū)域普遍為橡膠樹(shù)光照的適宜區(qū), 空間差異很小。

風(fēng)速的適宜度整體較高, 適宜度低值區(qū)主要位于東南沿海、云南山區(qū)、以及海南島西部地區(qū)(圖3—4)。海南島中部, 福建、廣東、廣西內(nèi)陸地區(qū)以及云南西南部為風(fēng)速高適宜區(qū)。

2.2 橡膠樹(shù)氣候適宜度空間統(tǒng)計(jì)特征

為分析中國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度的整體特征, 計(jì)算四個(gè)氣象要素及氣候適宜度在空間上的均值和標(biāo)準(zhǔn)差(表1), 并結(jié)合圖2、圖3可以看出, 我國(guó)華南地區(qū)橡膠氣候適宜度整體較低(0.43), 四個(gè)要素中降水適宜度最低(0.43), 次低為溫度適宜度(0.59), 而光照適宜度和風(fēng)速適宜度相對(duì)較高(分別為0.70和0.71)。適宜度標(biāo)準(zhǔn)差表征了該物理量在空間上的差異。結(jié)果顯示, 研究范圍內(nèi)的光照適宜度空間差異最小, 溫度和風(fēng)速適宜度的空間差異較大。

偏相關(guān)系數(shù)是在對(duì)其他變量的影響進(jìn)行控制的條件下, 衡量多個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度的指標(biāo)。為分析氣候適宜度和四個(gè)氣象要素的相關(guān)關(guān)系, 使用MATLAB中的partialcorr()函數(shù)分別計(jì)算了四個(gè)要素與氣候適宜度的偏相關(guān)系數(shù)(如表1)。結(jié)果顯示, 溫度適宜度和氣候適宜度的偏相關(guān)系數(shù)最大, 均值達(dá)到0.78, 而光照和風(fēng)速適宜度偏相關(guān)系數(shù)很小, 僅為0.12和0.09?？梢哉f(shuō)明, 氣候適宜度的空間差異主要是由溫度適宜度的差異導(dǎo)致, 降水的空間差異亦有一定影響, 但影響程度小于溫度, 而光照和風(fēng)速分布對(duì)氣候適宜度的空間差異影響很小。

2.3 橡膠樹(shù)氣候適宜度時(shí)間變化特征

計(jì)算橡膠樹(shù)適宜度在1989—2018年間年際變化線性趨勢(shì), 結(jié)果如下:

我國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度以升高為主, 整體變化較小, 線性傾向率普遍在±0.05(10a)-1之間。橡膠樹(shù)適宜度升高明顯的地區(qū)主要位于云南和福建。

圖5為橡膠樹(shù)溫度、降水、光照、風(fēng)速等四個(gè)氣象因子在研究時(shí)段內(nèi)適宜度的變化趨勢(shì)。從中可以看出溫度和風(fēng)速適宜度變化較為明顯, 光照適宜度變化較小。

表1 橡膠樹(shù)適宜度的均值、方差及相關(guān)關(guān)系

圖4 1989—2018年橡膠樹(shù)氣候適宜度變化趨勢(shì)(10a)-1

Figure 4 Trend of climate suitability of rubber trees in 1989-2018 (10a)-1

圖5 1989—2018年橡膠樹(shù)橡膠樹(shù)溫度(1)、降水(2)、光照(3)、風(fēng)速(4)適宜度變化趨勢(shì)(10a)-1

Figure 5 Suitability trends of temperature(1) precipitation(2) sunshine duration (3) and wind speed (4) of rubber trees in 1989—2018 (10a)-1

研究區(qū)域內(nèi)橡膠樹(shù)溫度適宜度變化趨勢(shì)在-0.04— 0.25 (10a)-1之間, 其中云南西南部地區(qū)升高最為明顯, 其余地區(qū)溫度適宜度變化不明顯, 趨勢(shì)值集中在±0.05 (10a)-1之間。降水適宜度變化范圍在-0.08—0.09 (10a)-1之間, 除云南北部地區(qū)外, 其余區(qū)域降水適宜度均呈增高趨勢(shì), 增高幅度較小, 普遍在0.05 (10a)-1以下。光照變化趨勢(shì)的變化范圍最小, 全區(qū)域的趨勢(shì)值均在±0.05 (10a)-1之間。風(fēng)速適宜度變化趨勢(shì)的區(qū)域性最強(qiáng), 變化區(qū)間為-0.34—0.28 (10a)-1, 降低區(qū)域主要位于廣東, 升高區(qū)域主要位于云南、廣西和海南, 其中云南地區(qū)風(fēng)速適宜度升高程度最大。

3 討論

中國(guó)天然橡膠樹(shù)種植區(qū)位于熱帶地區(qū)北緣, 相較于原生地, 其生長(zhǎng)受到溫度、降水等氣象因子的制約, 要規(guī)避不利氣候條件, 充分利用氣候資源, 實(shí)現(xiàn)天然橡膠的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn), 應(yīng)首先做好宜林地規(guī)劃。本研究選取溫度、降水、光照、風(fēng)速等四個(gè)氣象因子, 使用基于隸屬度的氣候適宜度量化方法, 對(duì)中國(guó)天然橡膠樹(shù)的氣候適宜度展開(kāi)了研究。

氣候適宜度的研究過(guò)去主要集中在水稻、玉米、小麥等大宗一年生作物上, 在天然橡膠樹(shù)等多年生木本植物中應(yīng)用較少?，F(xiàn)有橡膠樹(shù)氣候適宜度研究主要集中在海南島地區(qū), 其研究的生育期多為第一蓬葉期和割膠期等個(gè)別重要生育期。本研究在現(xiàn)有基礎(chǔ)上擴(kuò)大研究區(qū)域至中國(guó)可開(kāi)展橡膠種植的區(qū)域, 涉及云南、海南、廣東、廣西、福建五個(gè)省份, 總面積約為24.14×104km2; 同時(shí)根據(jù)橡膠樹(shù)不同生育期氣象因子影響程度對(duì)逐月氣候適宜度賦予不同的權(quán)重, 得到了可綜合評(píng)價(jià)全年氣象條件的的氣候適宜度年值, 更為全面地反映了中國(guó)天然橡膠樹(shù)的適宜度分布。在研究時(shí)段內(nèi), 橡膠樹(shù)氣候適宜度整體升高, 溫度適宜度普遍升高, 云南、海南等地風(fēng)速適宜度升高明顯, 降水適宜度普遍升高, 這與上述區(qū)域氣溫上升、風(fēng)速減弱、降水增多的氣候變化情形一致[21]。上述研究的成果可用于指導(dǎo)中國(guó)天然橡膠種植生產(chǎn)布局和品種結(jié)構(gòu)調(diào)整, 避免因追求經(jīng)濟(jì)利益而盲目擴(kuò)種造成不必要的損失。

然而, 在建立氣候適宜度指標(biāo)時(shí), 主要參考了相關(guān)文獻(xiàn), 未經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證, 未考慮不同的樹(shù)種主導(dǎo)氣候因子及其氣候閾值的差異性, 且該指標(biāo)不能充分反映臺(tái)風(fēng)等短時(shí)強(qiáng)不利氣象條件影響, 評(píng)價(jià)的指標(biāo)尚需進(jìn)一步完善。此外, 橡膠樹(shù)的生長(zhǎng)、產(chǎn)量形成除受氣象因素影響外, 很大程度上還是種植環(huán)境、田間管理、經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合影響的結(jié)果。這些均有可能導(dǎo)致適宜度評(píng)價(jià)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際的差異。

4 結(jié)論

(1) 中國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度整體水平較低, 均值為0.43, 氣候適宜度指數(shù)均<0.8, 適宜度指數(shù)0.6—0.8的適宜區(qū)主要位于海南島, 氣候適宜度指數(shù)0.4—0.6的較適宜區(qū)主要分布于廣東, 廣西和福建南部以及云南南部的部分地區(qū)。

(2) 在選取的四個(gè)氣象因子中, 橡膠樹(shù)降水和溫度適宜度最低, 平均值分別為為0.43和0.59, 是中國(guó)橡膠樹(shù)種植業(yè)發(fā)展的主要限制因素; 光照適宜度均在較適宜和適宜區(qū)間內(nèi), 空間差異最小, 均值為0.70; 風(fēng)速的平均適宜度最高為0.71, 在山區(qū)、沿海地區(qū)有明顯的低值區(qū)。

(3) 橡膠樹(shù)溫度適宜度與氣候適宜度偏相關(guān)系數(shù)為0.78, 是造成橡膠氣候適宜度空間差異的最主要因素, 其次為降水偏相關(guān)系數(shù)0.54。光照和降水對(duì)氣候適宜度空間差異的貢獻(xiàn)較小。

(4) 研究時(shí)段內(nèi)我國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度以升高為主, 變化程度較小, 普遍在±0.05 (10a)-1之間。橡膠樹(shù)適宜度升高地區(qū)主要位于云南南部和西南部。溫度適宜度普遍升高, 升高趨勢(shì)最高可達(dá)0.25 (10a)-1。降水適宜度普遍降低, 降低幅度在云南可達(dá)-0.08 (10a)-1以下。光照變化范圍最小, 全區(qū)域的線性趨勢(shì)值均在±0.05 (10a)-1之間。風(fēng)速適宜度區(qū)域性最強(qiáng), 變化區(qū)間為-0.34—0.28 (10a)-1, 降低區(qū)域主要位于廣東省境內(nèi), 升高區(qū)域主要位于云南、廣西和海南, 其中云南是風(fēng)速適宜度升高最為明顯的區(qū)域。

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Study on the variation characteristics of rubber trees climate suitability in China

TONG Jinhe1, 2,*, LIU Shaojun1, 2, LI Weiguang2, 3, CHEN Xiaomin2, 3

1.Institute of Meteorological Science of Hainan Province, Haikou 570203, China 2. Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 3. Climate Center of Hainan Province, Haikou 570203, China

Four meteorological elements (air temperature, precipitation, sunshine duration and wind speed) were selected to quantitatively evaluate the suitability of Chinese rubber trees with the method of climate suitability. The results show that the climate suitability index of rubber trees in China is generally lower than 0.8; average is 0.43 and the trend is generally between ±0.05 (10a)-1. Most of Hainan Island is suitable for rubber trees; Guangdong, Guangxi, southern Fujian and parts of southern Yunnan are relatively suitable. The mean value of precipitation suitability is 0.43, which is the main limiting factor for the suitability of Chinese rubber trees, and its trend value ranges from -0.08 to 0.09 per decade. The average of temperature suitability is 0.59, and its trend value ranges from -0.04 to 0.25 per decade, which is the main factor for the spatial distribution differences of climatic suitability. The mean value of sunshine duration suitability is 0.70, and its variation trend is between ±0.05 per decade, with the smallest spatial differences in distribution and variation. The average of wind speed suitability is 0.71, its variation trend range is -0.34-0.28 (10a)-1, and its regional character is the most evident.

rubber trees; climatic suitability; membership degree

佟金鶴, 劉少軍, 陳小敏, 等. 中國(guó)橡膠樹(shù)氣候適宜度分布特征研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(1): 162–168.

TONG Jinhe, LIU Shaojun, CHEN Xiaomin, et al. Study on the variation characteristics of rubber trees climate suitability in China[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 162–168.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.021

P464

A

1008-8873(2021)01-162-07

2020-01-10;

2020-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41765007); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41465005); 2019年海南省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)領(lǐng)域)高層次人才項(xiàng)目(2019RC359)

佟金鶴,(1990—), 女, 碩士, 工程師;主要從事橡膠氣象服務(wù)研究, E-mail: tongjinhesuns@163.com