三門(mén)峽市烤煙種植氣候適宜性因子變化特征分析

蔡 濤

（1中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2三門(mén)峽市氣象局，河南三門(mén)峽 472000）

0 引言

烤煙是一種對(duì)環(huán)境極為敏感的經(jīng)濟(jì)作物，氣候因素是影響烤煙布局及生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，只有在一定的光、溫、水等氣候條件下烤煙才得以良好生長(zhǎng)[1-3]。由于煙葉是煙株感受外界環(huán)境的主要器官之一，因而對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)十分敏感，各生育期的氣候變化必然對(duì)煙葉的外觀及感官評(píng)吸產(chǎn)生一定影響[4-5]。在全球氣候變暖的背景下，氣溫和降水的改變強(qiáng)烈影響區(qū)域的氣候狀況[6]，從而影響烤煙種植的氣候條件。氣候變化對(duì)烤煙種植的影響受到越來(lái)越多專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注。徐慶凱等[7]分析了江西省煙區(qū)近40 年的氣候特征，并與國(guó)外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)氣候進(jìn)行了對(duì)比分析；鄧明軍[8]等基于GIS對(duì)廣西靖西煙區(qū)烤煙種植生態(tài)適宜性進(jìn)行了分析；楊志清[9]利用灰色關(guān)聯(lián)度方法分析了云南省烤煙種植氣候適宜性；程立銳等[10]詳細(xì)分析了四川省什郁市氣候因子變化對(duì)當(dāng)?shù)責(zé)熑~生產(chǎn)的利弊影響。目前有關(guān)三門(mén)峽烤煙氣候影響因子變化特征和氣候適宜性的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。三門(mén)峽市地處河南省西部，屬山地丘陵地貌，山地、丘陵占總面積的90%以上，海拔高度約200～2300 m，是北亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡帶，兼有南北氣候特點(diǎn)，土壤富含有機(jī)質(zhì)和磷、鉀等微量元素，適宜優(yōu)質(zhì)烤煙的種植。2019 年三門(mén)峽共收購(gòu)煙葉2.1175×107kg，煙農(nóng)售煙收入5.9億元，連續(xù)15年煙葉質(zhì)量、數(shù)量穩(wěn)居全省第一[11]。三門(mén)峽烤煙是中國(guó)濃香型烤煙的典型代表，煙葉內(nèi)含物質(zhì)豐富、氣香質(zhì)好、口味醇和，有“代云煙”之稱[12]。本研究根據(jù)烤煙對(duì)氣候條件的要求，結(jié)合三門(mén)峽本地烤煙種植氣候適宜性指標(biāo)，就1960—2018年三門(mén)峽烤煙主要?dú)夂蛴绊懸蜃幼兓卣饕约皩?duì)烤煙種植適宜性的影響進(jìn)行研究和分析，以期為適應(yīng)氣候變化，合理利用氣候資源，促進(jìn)烤煙種植持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要?dú)夂蛴绊懸蜃舆x取及其適宜性指標(biāo)的確定

本研究參考中國(guó)第三次煙草種植區(qū)劃指標(biāo)，在前人研究的基礎(chǔ)上[13-16]，從烤煙產(chǎn)量、品質(zhì)、病蟲(chóng)害3個(gè)方面綜合考慮，選取大田期日照時(shí)數(shù)、旺長(zhǎng)期降水量、成熟期平均氣溫作為影響三門(mén)峽烤煙種植的主要?dú)夂蛴绊懸蜃?，并根?jù)專(zhuān)家打分確立了各影響因子適宜性指標(biāo)（見(jiàn)表1）?？緹煷筇锲谌照諘r(shí)數(shù)表示烤煙大田期的平均光照條件，是影響烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的重要?dú)夂蛞蜃?。旺長(zhǎng)期是烤煙需水量最大的時(shí)期，占全生育期總需水量的44.0%～46.0%[17]，是改善煙葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)上部葉開(kāi)片的最佳時(shí)期[18]。成熟期氣溫是烤煙大田中后期影響煙葉品質(zhì)形成的重要?dú)夂蛞蜃?，適宜的溫度才能保證烤煙光合作用和內(nèi)在品質(zhì)的形成。

表1 三門(mén)峽市烤煙氣候適宜性影響因子量化指標(biāo)

使用三門(mén)峽市農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2009—2018 年烤煙發(fā)育期觀測(cè)資料確定三門(mén)峽烤煙大田生長(zhǎng)期為5月中旬—9月上旬，旺長(zhǎng)期為7月上旬—7月下旬，成熟期為8 月中旬—9 月上旬。使用三門(mén)峽市4 個(gè)氣象觀測(cè)站（站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1）1960—2018年逐日氣象資料并按上述時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 三門(mén)峽市氣象站點(diǎn)分布

1.2 分析方法

使用氣候傾向率和氣候趨勢(shì)系數(shù)法分析各影響因子過(guò)去59年變化趨勢(shì)，采用變異系數(shù)分析旺長(zhǎng)期降水量年際變化波動(dòng)特征，使用R/S分析法分析各影響因子未來(lái)的氣候變化趨勢(shì)。

氣候傾向率在氣象學(xué)中，可以用氣象要素的時(shí)間序列與自然數(shù)數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)，來(lái)反映要素的長(zhǎng)期傾向性變化，可以建立y與ti之間的一元線性回歸方程(1)[19-20]。

式(1)中，y(t)為氣象要素的擬合值；t為時(shí)間序列；a為氣候傾向率，a＞0表示直線遞增，a＜0表示直線遞減，a×10表示每10年的變化率。

變化趨勢(shì)的顯著性利用時(shí)間與變量序列間的相關(guān)系數(shù)即氣候趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)[21]，計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法[22]，通過(guò)信度α=0.1、0.05、0.01 顯著性檢驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值分別為0.3058、0.3653、0.4430，當(dāng)氣候趨勢(shì)系數(shù)絕對(duì)值大于上述臨界值時(shí)，則認(rèn)為變化趨勢(shì)較顯著、顯著和十分顯著。

變異系數(shù)是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，可以用于衡量數(shù)據(jù)的波動(dòng)性[23]。其計(jì)算見(jiàn)公式(2)。

式(2)中，v為變異系數(shù)，s為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；為數(shù)據(jù)的平均值。在本研究中，計(jì)算10 年滑動(dòng)波動(dòng)系數(shù)值，對(duì)比分析波動(dòng)變化程度。變異系數(shù)越小，其波動(dòng)程度越?。环粗?，變異系數(shù)越大，波動(dòng)程度越大，波動(dòng)程度的大小表達(dá)了降水變異的程度，可以反映出區(qū)域氣候脆弱性特征。

R/S分析法是用氣候要素時(shí)間序列計(jì)算出Hurst指數(shù)來(lái)揭示氣候要素時(shí)間序列的趨勢(shì)性[24]。具體計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[24]，在此不再贅述。對(duì)于不同的Hurst指數(shù)(h)意味著序列有不同的趨勢(shì)變化：當(dāng)0.5＜h＜1.0時(shí)，表明時(shí)間序列的長(zhǎng)期相關(guān)性特征為持續(xù)性，h值越接近1.0 持續(xù)性就越強(qiáng)，當(dāng)0.0＜h＜0.5 時(shí)表明時(shí)間序列的長(zhǎng)期相關(guān)性特征具有反持續(xù)性，h值越接近0.0反持續(xù)性就越強(qiáng)。R/S分析法的重要應(yīng)用價(jià)值就在于用Hurst指數(shù)的趨勢(shì)性成分對(duì)未來(lái)氣候變化進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田期日照時(shí)數(shù)變化特征

三門(mén)峽市歷年大田期日照時(shí)數(shù)如圖2a所示，歷年平均日照時(shí)數(shù)為824.4 h，最大值為1065.8 h，出現(xiàn)在1997 年，最小值為535.7 h，出現(xiàn)在2010 年。從空間分布來(lái)看，三門(mén)峽站平均日照時(shí)數(shù)最多，為861.6 h，其后依次為靈寶842.2 h、澠池828.3 h，盧氏最少為765.6 h。使用氣候傾向率法和趨勢(shì)趨勢(shì)系數(shù)方法計(jì)算各煙區(qū)的日照變化趨勢(shì)及趨勢(shì)系數(shù)見(jiàn)表2。1960年以來(lái)三門(mén)峽市日照時(shí)數(shù)呈明顯的減少趨勢(shì)，減少速率為36.4 h/10 a，趨勢(shì)系數(shù)為-0.569。氣候傾向率絕對(duì)值大小為靈寶＞全市平均＞三門(mén)峽站＞澠池＞盧氏，以靈寶日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)最為明顯，盧氏最小。通過(guò)計(jì)算趨勢(shì)系數(shù)可知大田期日照時(shí)數(shù)盧氏呈顯著性減少趨勢(shì)，其他3 個(gè)站點(diǎn)均為十分顯著性減少趨勢(shì)，整體上呈十分顯著性減少趨勢(shì)。計(jì)算各年代平均值得20世紀(jì)60、70、80、90年代和21 世紀(jì)00 年代分別為924.9 h、881.9 h、780.4 h、883.2 h 和755.6 h，2011—2018 年平均值為700.9 h，變化曲線見(jiàn)圖2b，自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)日照時(shí)數(shù)呈連續(xù)下降趨勢(shì)，據(jù)表1可知2010年以前各年代平均日照時(shí)數(shù)均在適宜區(qū)間內(nèi)，但2011—2018年平均值已下降至較適宜區(qū)間內(nèi)。

2.2 旺長(zhǎng)期降水量變化特征

三門(mén)峽市烤煙旺長(zhǎng)期平均降水量變化趨勢(shì)如圖2c所示。1960—2018年間平均降水量為120.2 mm，最大值為2007 年的292.0 mm，最小值為2014 年的34.8 mm，極差為257.2 mm，降水量年際差異較大。由表2 可知三門(mén)峽各氣象站點(diǎn)之間降水量差異較小，以盧氏年均降水量最大，三門(mén)峽站最小。全市平均降水量以2.7 mm/10 a的速率呈逐年減少趨勢(shì)，其中澠池減少趨勢(shì)最為明顯，但所有站點(diǎn)的變化趨勢(shì)系數(shù)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)各年代平均降水量（見(jiàn)圖2d），20世紀(jì)60、70、80、90 年代和21 世紀(jì)00 年代分別為127.4、119.7、126.1、106.2 和133.1 mm，2011—2018 年平均值為100.4 mm，20 世紀(jì)60 至80 年代距平值均為正，從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始變化浮動(dòng)較大，呈現(xiàn)出“負(fù)-正-負(fù)”的交替性變化特點(diǎn)，特別是2011年—2018年平均降水量與其他各年代相比已降至最低。

表2 三門(mén)峽市煙區(qū)氣候影響因子統(tǒng)計(jì)值、傾向率及趨勢(shì)系數(shù)

結(jié)合表1 可知各站點(diǎn)歷年平均值、全市整體平均值都在適宜區(qū)間內(nèi)，旺長(zhǎng)期降水量可以滿足烤煙正常生長(zhǎng)發(fā)育需求，但是由于年際間降水量差異較大，歷年降水量最大值是最小值的8 倍，旱澇不均現(xiàn)象明顯。使用變異系數(shù)分析降水量的年際波動(dòng)情況，以10年為步長(zhǎng)計(jì)算其滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差和平均值序列，得出1969—2018 年10 年滑動(dòng)變異系數(shù)曲線圖（見(jiàn)圖2e）。變異系數(shù)變化傾向率為0.031/10 a，其趨勢(shì)系數(shù)為0.415，通過(guò)了a=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明旺長(zhǎng)期降水量不同年份波動(dòng)變化顯著性增大，降水量隨時(shí)間變化的不均勻性逐年加大。

圖2 三門(mén)峽市煙區(qū)各氣候影響因子時(shí)間變化

2.3 成熟期平均氣溫變化特征

成熟期平均氣溫如圖2f 所示，歷年平均值為23.1℃，最高值為1997年的26.8℃，最低值為2003年的20.8℃，極差為6.0℃。年際變化總體上呈緩慢上升趨勢(shì)，傾向率為0.03℃/10a，趨勢(shì)系數(shù)為0.042，上升趨勢(shì)不顯著。由表2可知在4個(gè)站點(diǎn)中只有盧氏氣候傾向率為負(fù)值，說(shuō)明近59年來(lái)盧氏烤煙成熟期平均氣溫呈下降趨勢(shì)，而其他站點(diǎn)的變化趨勢(shì)均與全市整體變化相一致。從年代際變化來(lái)看（見(jiàn)圖2g），20世紀(jì)60年代平均氣溫為23.5℃，70 年代為23.1℃，80 年代降至最低，為22.4℃，比平均值低0.8℃，20世紀(jì)90年代迅速升高至23.7℃，比平均值高0.5℃，20 世紀(jì)80—90 年代平均氣溫經(jīng)歷了從負(fù)距平到正距平的大幅上升。21 世紀(jì)00 年代為22.6℃，2011—2018 年為23.6℃?？傮w上看從20 世紀(jì)80 年代以后氣溫上升趨勢(shì)明顯，1981—2018 年氣溫變化傾向率達(dá)0.3℃/10 a，特別是2011—2018年平均氣溫達(dá)到年代平均最高值，但目前不論是全市整體平均值還是各站點(diǎn)平均值都在氣候適宜性指標(biāo)的適宜區(qū)間內(nèi)。

2.3 氣候影響因子的未來(lái)變化趨勢(shì)

使用R/S分析法對(duì)三門(mén)峽烤煙氣候影響因子的未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，得出Hurst指數(shù)以及變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖3），3 個(gè)氣候影響因子的擬合系數(shù)分別0.991、0.953和0.957，擬合效果顯著。

圖3 氣候影響因子的R/S分析

Hurst指數(shù)分析中0.5為持續(xù)性與反持續(xù)性的分界點(diǎn)。大田期日照時(shí)數(shù)的Hurst指數(shù)為0.839，存在明顯的赫斯特現(xiàn)象，持續(xù)性較強(qiáng)，說(shuō)明三門(mén)峽烤煙大田期日照時(shí)數(shù)未來(lái)變化與過(guò)去變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的一致性，即呈顯著性減少趨勢(shì)。旺長(zhǎng)期降水量的Hurst指數(shù)為0.611，雖存在赫斯特現(xiàn)象，但持續(xù)性較弱，其未來(lái)變化趨勢(shì)也與過(guò)去59年的變化趨勢(shì)保持一致，即有逐步減少的趨勢(shì)。成熟期平均氣溫Hurst指數(shù)為0.641，同樣大于0.5，即研究區(qū)烤煙成熟期平均氣溫未來(lái)仍將呈緩慢上升的變化趨勢(shì)。

3 討論

3.1 大田期日照時(shí)數(shù)的變化及其影響

中國(guó)氣象局《中國(guó)氣候變化監(jiān)測(cè)公報(bào)（2013）》指出，1961—2013年中國(guó)平均年日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，平均每10年減少34.1 h。劉曉迎等[26]、姬興杰等[27]的研究結(jié)果顯示河南省烤煙大田期日照時(shí)數(shù)呈顯著性減少趨勢(shì)。郭松等[28]研究結(jié)果表明豫西地區(qū)1971—2005 年烤煙大田期日照時(shí)數(shù)以25.4 h/10 a 的速率減少。本研究結(jié)果表明1960—2018 年三門(mén)峽烤煙大田期日照時(shí)數(shù)平均每10 年減少36.4 h，變化趨勢(shì)與上述的研究結(jié)果相一致，只是變化速率不同，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)域和研究時(shí)段不同所造成。烤煙生長(zhǎng)期經(jīng)歷天數(shù)與同期日照為正相關(guān)關(guān)系[28]，即日照時(shí)數(shù)減少會(huì)相應(yīng)的縮短烤煙大田生長(zhǎng)期，減少干物質(zhì)凈積累量。煙草是喜光植物，其質(zhì)量的好壞與日照時(shí)數(shù)關(guān)系密切[26]。目前三門(mén)峽烤煙大田期日照時(shí)數(shù)雖在適宜性指標(biāo)最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，但2011—2018 年平均值已下降至700.9 h，已降至適宜區(qū)間內(nèi)，且R/S分析結(jié)果表明這一減少趨勢(shì)在未來(lái)一段時(shí)間仍將保持較強(qiáng)的持續(xù)性，隨著日照時(shí)數(shù)持續(xù)減少，勢(shì)必對(duì)烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不利影響，從而可能導(dǎo)致烤煙種植適宜區(qū)面積不斷縮小。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果當(dāng)年日照時(shí)數(shù)明顯偏少，可采取追肥、推遲采收等措施延長(zhǎng)烤煙大田生長(zhǎng)期，增加烤煙干物質(zhì)的積累轉(zhuǎn)化。另外，三門(mén)峽市多為山地丘陵地形，地勢(shì)高低起伏，應(yīng)盡量選擇陽(yáng)坡或半陽(yáng)坡地種植烤煙，可以獲得更多的日照時(shí)間，有利于提高烤煙品質(zhì)。

3.2 旺長(zhǎng)期降水量的變化及其影響

降水對(duì)烤煙的影響不決定于年降水量的大小，而主要決定于雨量的分布[29]。旺長(zhǎng)期充足的雨水有利于烤煙莖葉迅速生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。從多年平均值看，三門(mén)峽烤煙旺長(zhǎng)期降水量處于適宜或較適宜區(qū)間內(nèi)（見(jiàn)表1、表2），基本可以滿足優(yōu)質(zhì)烤煙的生育需求，對(duì)增加土壤水分、促進(jìn)煙株生長(zhǎng)十分有利，但是從年際變化以及年代際變化看1960 年以來(lái)三門(mén)峽烤煙旺長(zhǎng)期降水量均呈不斷減少的變化趨勢(shì)，同時(shí)表示降水量年際變化波動(dòng)性的變異系數(shù)也呈顯著性增大的變化趨勢(shì)，這表明三門(mén)峽烤煙旺長(zhǎng)期缺水干旱或漬澇的幾率在增加，不同年份旱澇不均的情況將更加明顯。這與劉國(guó)順等[30]、張志高等[31]、王新偉等[32]的研究結(jié)果相一致。周義等[33]也指出近些年降水的季節(jié)、年際變化振蕩加劇，擾亂了局部區(qū)域農(nóng)業(yè)用水供需平衡，水資源短缺及其承載力將成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，導(dǎo)致烤煙種植風(fēng)險(xiǎn)加大，適宜性降低。對(duì)于三門(mén)峽地區(qū)，更應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，盡量選擇土壤肥力較好、有穩(wěn)定灌溉條件的地塊進(jìn)行烤煙種植，培育耐旱耐澇的強(qiáng)抗逆性烤煙品種也是應(yīng)對(duì)不利氣候因素影響的有效措施之一。

3.3 成熟期平均氣溫的變化及其影響

成熟期氣溫是決定煙葉香型表現(xiàn)的決定因素，成熟期較高的均溫是濃香型煙葉的典型特征[34-36]。三門(mén)峽烤煙成熟期氣溫不論是整體或單個(gè)氣象站點(diǎn)的多年平均值，都處在適宜性指標(biāo)的適宜區(qū)間內(nèi)（見(jiàn)表1、表2），說(shuō)明三門(mén)峽烤煙成熟期氣溫能夠充分滿足烤煙這一階段生長(zhǎng)發(fā)育的要求。從時(shí)間變化上看，成熟期平均氣溫呈現(xiàn)出先下降后上升的波動(dòng)性變化，特別是從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始平均氣溫上升速率顯著增大，達(dá)0.3℃/10 a，明顯高于中國(guó)同期0.22℃/10 a 的上升速率[37-38]。由此可見(jiàn)，在全球氣候變暖的背景下，中緯度附近煙區(qū)普遍表現(xiàn)出時(shí)間和空間上氣溫上升的變化[39-40]，在三門(mén)峽地區(qū)也有同樣的表現(xiàn)。姬興杰等[41]、孟寒冬等[42]研究結(jié)果指出河南省不同區(qū)域氣候資源條件在空間上雖有差異，但比較能夠滿足烤煙生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)適宜氣候資源的要求，未來(lái)氣候變化情景下，絕大多數(shù)溫?zé)嵋貙⒂酗@著上升趨勢(shì)，有利于河南濃香型烤煙香氣品質(zhì)的提升。三門(mén)峽成熟期平均氣溫1960 年以來(lái)一直呈上升趨勢(shì)，R/S分析結(jié)果表明未來(lái)也仍將保持上升趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)有利于烤煙品質(zhì)的提高，氣溫高、光照足有利于烤煙葉片物質(zhì)的充分轉(zhuǎn)化，特別是盧氏、靈寶海拔較高的山地氣溫偏低，氣溫上升更加有利于烤煙成熟期干物質(zhì)的合成和積累。需要指出的是1960—2018 年盧氏縣烤煙成熟期平均氣溫雖呈下降趨勢(shì)，但R/S分析結(jié)果顯示未來(lái)與三門(mén)峽整體變化趨勢(shì)相一致，也呈上升趨勢(shì)。

4 結(jié)論

當(dāng)前三門(mén)峽地區(qū)的氣候條件能夠滿足優(yōu)質(zhì)烤煙的種植，適宜的光照、溫度和降水有利于煙株的物質(zhì)形成、積累和轉(zhuǎn)化。未來(lái)氣候變化趨勢(shì)對(duì)烤煙種植的影響則是利弊共存，成熟期氣溫不斷升高促進(jìn)了濃香型烤煙內(nèi)在品質(zhì)的提升，另一方面大田期日照時(shí)數(shù)和旺長(zhǎng)期降水量不斷減少，對(duì)烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)形成產(chǎn)生不利影響，旺長(zhǎng)期降水量年際波動(dòng)增大導(dǎo)致旱澇災(zāi)害幾率增加。三門(mén)峽地區(qū)地形復(fù)雜，立體氣候特征突出，相關(guān)部門(mén)在制定烤煙種植規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及氣候變化趨勢(shì)，合理規(guī)劃，加強(qiáng)煙區(qū)氣候預(yù)測(cè)分析，完善烤煙各生育期氣象監(jiān)測(cè)體系，最大限度地減少氣候變化對(duì)烤煙生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響。