廣西柑橘氣候適宜度模型

劉 武，莫家堯，李 政，王建東，鄭傳偉，張 蕾

（1廣西來賓市氣象局，廣西來賓546100；2廣西氣象科學(xué)研究所，南寧530000；3國家氣象中心，北京100081）

0 引言

柑橘是世界第一大宗水果，全球有135個國家生產(chǎn)柑橘，中國是柑橘的原產(chǎn)國之一，種植面積甚廣，目前全國柑橘總產(chǎn)量已經(jīng)超過4000萬t，廣西、廣東、四川、重慶、江西、湖北、浙江等10個?。▍^(qū)）是柑橘主產(chǎn)區(qū)。2018年廣西柑橘產(chǎn)量超過800萬t[1]，產(chǎn)能大量擴(kuò)張背后是市場供應(yīng)過量和投入成本增加導(dǎo)致凈利潤縮減，據(jù)報道廣西柑橘2018—2020年已連續(xù)3年走難，可見如何合理規(guī)劃、錯峰種植和提高管理水平成為廣西柑橘產(chǎn)業(yè)當(dāng)下面臨的嚴(yán)肅問題[2]?？茖W(xué)利用氣候資源，充分發(fā)揮氣候監(jiān)測評估在柑橘生產(chǎn)中的應(yīng)用，減少農(nóng)藥、化肥、灌溉投入，以達(dá)到節(jié)本增效、提高市場競爭力的目標(biāo)，是一個值得考慮的手段。前人開展了大量作物氣候適宜度模型的研究，可以大致按研究方法和對象分為2類，研究方法主要集中在氣候適宜性特征分析[3-10]、開展區(qū)劃應(yīng)用[11-13]、開展風(fēng)險評估[14-16]、產(chǎn)量預(yù)報[17-18]、氣候?qū)ζ焚|(zhì)影響分析[19]、建立模型開展業(yè)務(wù)應(yīng)用[20]等；研究對象包括玉米、水稻、棉花等；對柑橘與氣候關(guān)系的研究也不少，如沈兆敏[21]一直對中國柑桔的生產(chǎn)分布情況、發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行跟蹤報導(dǎo)，對柑橘的生長習(xí)性、栽培技術(shù)開展了研究，金國花、馬德栗、劉志雄等[22-24]開展了湖北省的氣象災(zāi)害對柑橘影響研究，倪超[25]對江西的柑橘產(chǎn)量氣候因子開展了研究。

本研究在前人使用的作物溫、光、水適宜度數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將柑橘的氣候生長習(xí)性要求按照本地氣候特征進(jìn)行逐日分配，建立日尺度的廣西柑橘氣候適宜度評價模型，為柑橘的氣候適宜度評估，監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用提供一種定量化的參考模型。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

廣西壯族自治區(qū)(104°28′—112°04′E，20°54′—26°24′N)地處低緯度，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫17.5～23.5℃，年平均降水量841.2～3387.5 mm，年日照時數(shù)1213.0～2135.2 h，氣溫暖和，雨水豐沛，光照充足，是全國最適宜栽培柑橘的地區(qū)之一。柑橘在廣西各地均有種植，是該地種植面積最大的水果。

1.2 資料來源及處理

研究區(qū)1961—2018年氣象數(shù)據(jù)來源于廣西地區(qū)87個國家氣象站的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、蒸發(fā)量、日照時數(shù)等逐日數(shù)據(jù)。柑橘生長氣候習(xí)性暫參照前人研究結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)[26]，建立柑橘適宜氣溫習(xí)性閾值表（表1），年需水量取1500 mm，年適宜日照時數(shù)取1350 h，考慮到作物需水量與蒸發(fā)量相關(guān)性較大，需水量的年內(nèi)逐日變化規(guī)律使用蒸發(fā)量代替。利用Matlab 2018b對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析和繪制適宜度時空分布圖，適宜度分類采用K均值聚類分析法。

表1 柑橘適宜氣溫習(xí)性閾值表 ℃

1.3 研究方法

1.3.1 溫度適宜度 作物溫度適宜度函數(shù)目前多采用與作物三基點(diǎn)溫度相匹配的非線性beta函數(shù)[式(1)]的分段函數(shù)，beta函數(shù)較合理地描述溫度從作物生長下限溫度以下至上限溫度以上的適宜度變化過程，即適宜度隨氣溫由低到高變化先增加到最適宜后下降到不適宜，3個變化的臨界點(diǎn)為作物下限溫度、最適溫度和上限溫度。

1.3.2 可利用降水適宜度 可利用降水適宜度采用比率分段函數(shù)來描述，即可利用降水占作物需水量的比率[式(2)～(3)]，當(dāng)可利用降水未達(dá)到需水量時，可利用降水占作物需水量的比率小則作物適宜度小，反之則大，當(dāng)可利用降水已滿足作物需水且超過一定比率時，會造成一定的漬澇害，影響作物呼吸作用而使得適宜度下降，當(dāng)可利用降水恰好滿足需水量時，適宜度最大。

式中，S(R)為作物可利用降水適宜度；R0作物需水量；c經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這里取4.0，用以描述可利用降水超過需水量的倍數(shù)；R可利用降水量，由前k日降水量與權(quán)重系數(shù)的乘積得到[式(3)]，PRE降水量，權(quán)重w=1/da，d為距離分析日期的日數(shù)，取1,2,…,k，這里取k=50，a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這里取1.5。

1.3.3 日照適宜度 日照適宜度函數(shù)一般采用以自然數(shù)e為底數(shù)的指數(shù)函數(shù)的分段函數(shù)，即當(dāng)日照未達(dá)到最適宜狀態(tài)時，作物適宜度呈指數(shù)增加，當(dāng)日照達(dá)到最適宜狀態(tài)時，適宜度保持最大值[式(4)]，當(dāng)日照從0增加至最適宜狀態(tài)，適宜度指數(shù)從0呈指數(shù)上升，直至達(dá)到最適宜狀態(tài)。

式中，S(S)為適宜度，為了便于計(jì)算這里的日照只考慮日照時數(shù)，s實(shí)際日照時數(shù)；s0最適日照時數(shù)；b經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這里取s0/2。

1.3.4 氣候綜合適宜度 作物的氣候綜合適宜度，為各氣象要素適宜度與權(quán)重乘積的合計(jì)，因此作物的氣候綜合適宜度可表示為式(5)。

式中，S為某時間氣候綜合適宜度，WR、WS、WT可利用降水、日照和溫度的權(quán)重系數(shù)，本研究將溫度細(xì)分平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫，這里平均分配各氣象要素的權(quán)重。

1.3.5 柑橘各氣象要素逐日適宜度的確定方法 為獲得廣西柑橘的日最適宜氣溫T0、日需水量R0和日最適日照時數(shù)s0，研究以廣西各氣象要素歷年逐日變化特征作為本地氣候特征曲線，將柑橘生長氣溫、降水和日照習(xí)性按照本地氣候特征進(jìn)行逐日分配，得到全年逐日的T0、R0和s0，如式(6)～(7)。

式中，Mi為某日某氣象要素最適宜值；i為日序，取1,2,…,365；D為作物對溫、光、水需求的訂正系數(shù)，根據(jù)表1中氣溫最適值或年需水量、年適宜日照時數(shù)進(jìn)行訂正；f(x)為平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、蒸發(fā)量、日照時數(shù)的歷年逐日平均回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西各氣象要素逐日變化特征

廣西歷年逐日平均氣溫回歸擬合決定系數(shù)0.9896，擬合效果較理想，在1月前期擬合效果略差，從平均氣溫擬合曲線可見（圖1），廣西逐日平均氣溫呈單峰型，峰值出現(xiàn)在7月左右，所以假設(shè)其他環(huán)境均適宜的情況下，7月左右廣西柑橘達(dá)到最適宜溫度的峰值。

圖1 歷年逐日平均氣溫擬合曲線

廣西歷年逐日平均蒸發(fā)量回歸擬合決定系數(shù)0.8979，擬合效果較其他要素稍差，從蒸發(fā)量擬合曲線可見（圖2），蒸發(fā)量的逐日變化波動較明顯，逐日平均蒸發(fā)量呈一波谷一波峰型，在1月底左右蒸發(fā)量最小，作物需水量最小，7月左右蒸發(fā)量最大，作物需水量最大。

圖2 歷年逐日蒸發(fā)量回歸曲線

廣西歷年逐日日照時數(shù)回歸擬合決定系數(shù)0.9191，較氣溫稍差，從日照時數(shù)擬合曲線可見（圖3），日照時數(shù)日變化較氣溫大，逐日日照時數(shù)呈一波谷一波峰型，1月底—2月中旬日照最少，在7月左右日照最多。

圖3 歷年逐日日照時數(shù)回歸曲線

2.2 適宜度模型的驗(yàn)證

2.2.1 典型年份逐日適宜度 使用廣西柑橘氣候適宜度模型計(jì)算南寧2018年柑橘逐日綜合氣候適宜度，將逐日適宜度進(jìn)行30日滑動平均（圖4），結(jié)果顯示，南寧2018年柑橘逐日綜合氣候適宜度呈單峰型，夏季最高，冬季最低，同時存在一些階段性的波動，這符合柑橘年內(nèi)生長規(guī)律，夏季氣溫高生長旺盛，冬季氣溫低生長較弱或休眠。

圖4 南寧2018年柑橘逐日綜合氣候適宜度曲線

2.2.2 典型氣溫異常時段逐日適宜度 使用廣西柑橘氣候適宜度模型計(jì)算桂林2008年1—2月柑橘逐日氣溫適宜度（圖5），結(jié)果顯示，1月8—11日最低氣溫連續(xù)偏高，且偏離常年值較大，適宜度持續(xù)下降，最低值小于0.2，12日恢復(fù)至接近常年值，適宜度隨之上升，15—28日氣溫持續(xù)下降至0℃以下，最低為-1.5℃，適宜度隨之降低至0，之后至2月4日氣溫升至1℃以上，適宜度隨之上升，可見無論是異常高溫或是低溫，模型都能較好地反映氣溫對柑橘適宜度的影響。

圖5 桂林2008年1—2月柑橘逐日氣溫適宜度、氣溫曲線

2.2.3 典型降雨異常時段逐日適宜度 使用廣西柑橘氣候適宜度模型計(jì)算來賓2011年6—8月柑橘逐日可利用降水適宜度（圖6），結(jié)果顯示，7月23日—8月5日由于前期降水較少，可利用降水持續(xù)減少，適宜度降低，8月6日出現(xiàn)暴雨，可利用降水超過需水量的4倍，適宜度當(dāng)日有所上升但并未升至最適宜，8月7日可利用降水接近需水量，適宜度升至最大值，模型較好地描述了由干旱至暴雨過程柑橘適宜度的變化過程。

圖6 來賓2011年6—8月柑橘逐日可利用降水適宜度(S)、可利用降水(R)曲線

2.3 適宜度時空分布特征

2.3.1 適宜度分類閾值 使用廣西柑橘氣候適宜度模型計(jì)算研究區(qū)的逐日氣候適宜度指數(shù)，對逐個氣象要素和綜合氣候適宜度指數(shù)進(jìn)行分類獲得分類閾值，以便適宜度分類，分為最適宜、適宜、較適宜和不適宜4類（表2）。

表2 柑橘氣候適宜度分類閾值

2.3.2 廣西各氣象要素逐年平均適宜度時間分布 使用廣西柑橘氣候適宜度模型計(jì)算廣西各地的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、可利用降水、日照時數(shù)的逐年平均適宜度（圖7），結(jié)果顯示，廣西逐年平均氣溫適宜度指數(shù)平均值0.907，最小值為2009年的0.884，最大值為1995年的0.937；逐年可利用降水適宜度指數(shù)平均值0.627，最小值為2009年的0.551，最大值為1997年的0.697；逐年日照適宜度指數(shù)平均值0.577，最小值為2012年的0.496，最大值為2003年的0.667；各要素適宜度指數(shù)相比，氣溫適宜度指數(shù)相對較高，且年際變化小，可利用降水和日照適宜度指數(shù)相對較低，且年際變化大。

圖7 平均氣溫(Tavg)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、可利用降水(Rain)、日照(Sun)逐年平均適宜度曲線

2.3.3 廣西各要素歷年平均適宜度空間分布 使用廣西柑橘氣候適宜度模型計(jì)算廣西各地的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、可利用降水、日照時數(shù)的歷年平均適宜度，并插值到0.01°×0.01°經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)，結(jié)果顯示：

各縣的柑橘歷年平均氣溫適宜度0.843～0.946，均屬適宜區(qū)，北海市區(qū)等縣（區(qū)）相對較低，西林等縣相對較高，見圖8(a)；各縣柑橘歷年平均最高氣溫適宜度0.767～0.935，除崇左屬勉強(qiáng)適宜區(qū)，其他各地均屬適宜區(qū)，崇左市區(qū)等適宜度相對較低，靖西等縣適宜度相對較高，見圖8(b)；各縣柑橘歷年平均最低氣溫適宜度指數(shù)0.712～0.951，除北海市區(qū)屬勉強(qiáng)適宜區(qū)，其他各地均屬適宜區(qū)或非常適宜區(qū)，整個廣西的柑橘歷年平均最低氣溫適宜度大體呈由北向南遞減的分布形態(tài)，見圖8(c)。

各縣的柑橘歷年平均可利用降水適宜度指數(shù)0.534～0.684，均屬適宜區(qū)，整個廣西的柑橘歷年平均可利用降水適宜度大致呈由東北向西南遞減的分布形態(tài)，永福等縣適宜度相對較高，百色市區(qū)等適宜度相對較低，見圖8(d)；各縣柑橘歷年平均日照適宜度指數(shù)0.486～0.747，均屬適宜區(qū)，北海等縣適宜度相對較高，羅城等縣適宜度相對較低，見圖8(e)；各縣的柑橘歷年平均綜合適宜度指數(shù)0.731～0.794，崇左市區(qū)屬勉強(qiáng)適宜區(qū)，其他各地均屬適宜區(qū)，靖西等縣適宜度相對較高，崇左市區(qū)等適宜度相對較低，見圖8(f)。

圖8 柑橘歷年平均氣溫(a)、最高氣溫(b)、最低氣溫(c)、可利用降水(d)、日照(e)、綜合(f)適宜度空間分布

3 結(jié)論與討論

廣西柑橘氣候適宜度模型利用廣西58年溫、光、水、蒸發(fā)等6種氣象要素資料，使用數(shù)學(xué)模型方法，根據(jù)氣象要素的日變化特征和柑橘的氣候習(xí)性，建立日尺度的柑橘氣候適宜度評估模型，為柑橘日尺度的適宜度定量評估工作提供參考，較一些長時間尺度的適宜度模型更精細(xì)，避免短時間的極端天氣過程被長時間尺度所平滑。

模型的逐日氣象要素的擬合效果較好，決定系數(shù)均在0.89以上；各要素適宜度指標(biāo)的分類方法采用通用的數(shù)據(jù)分類法，減少主觀因素，劃分結(jié)果顯示廣西大部分地區(qū)均屬于柑橘種植適宜區(qū)，符合實(shí)際情況。

廣西柑橘各氣象要素適宜度空間分布特征受氣候分布特征影響明顯，平均氣溫、最低氣溫適宜度大致是北高南低，最高氣溫適宜度無明顯經(jīng)緯分布特征；可利用降水適宜度與廣西年降水量空間分布相似，呈東北向西南遞減的形態(tài)；日照適宜度在百色等日照較多的地區(qū)較高；綜合各要素氣候適宜度說明廣西柑橘的熱量條件充足甚至過多，而降水和日照在一些地區(qū)不足，柑橘種植選址時應(yīng)更多考慮降水和日照因素。

模型結(jié)果顯示柑橘氣候適宜度夏季高冬季低，符合柑橘夏季生長旺盛，冬季生長微弱或休眠，同時適宜度隨階段性的極端高溫、低溫、干旱、暴雨等異常天氣而起落，模型能較好地描述柑橘適宜度隨氣溫、降水和日照變化。

模型利用逐日氣候變化特征規(guī)律分配柑橘溫、光、水的適宜性，擺脫對長期作物觀測資料的依賴，值得借鑒，需注意的是該研究的目標(biāo)是探索一種定量評估作物生長氣候適宜度的方法，而非柑橘生長與天氣變化的真實(shí)生物學(xué)關(guān)系。