湘西州煙區(qū)氣候時(shí)空變化特征研究

成志軍，張黎明，姜碧瓊，向劍明，田明慧，何斌彬*，姚秉富，李強(qiáng)

(1 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014； 2 湖南省煙草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000；3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

煙草是適應(yīng)能力很強(qiáng)的作物，在60°N至40°S的不同生態(tài)條件下均可以完成其生命周期，但煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)對(duì)氣候條件要求很高[1]。氣候因素中溫度、水分、光照均會(huì)影響煙葉品質(zhì)。有研究認(rèn)為，烤煙的最適生長(zhǎng)溫度為18～28 ℃，高溫和低溫對(duì)煙草的生長(zhǎng)及品質(zhì)都有一定的影響[2]；而極端氣候?qū)ψ魑锿鶗?huì)造成不可逆的傷害，與常溫(23.5 ℃)相比，16.5 ℃(相對(duì)低溫)和30.5 ℃(高溫)均會(huì)抑制煙株生長(zhǎng)，葉片 Rubisco羧化酶活性降低，進(jìn)而影響煙株的光合作用[3]。烤煙對(duì)水分的需求量表現(xiàn)為伸根期少，旺長(zhǎng)期多，成熟期少的規(guī)律，通過(guò)水分調(diào)控可改善煙株的光合參數(shù)，進(jìn)入旺長(zhǎng)期后增加灌水能夠提高煙葉的糖含量，降低其煙堿和氮含量[4]。

近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)多個(gè)煙區(qū)的氣候因子變化進(jìn)行了研究。胡穎梅等[5]的研究顯示，陜西各產(chǎn)區(qū)烤煙生育期間降水量年際波動(dòng)較大，是烤煙種植的主要限制因素；多數(shù)產(chǎn)區(qū)氣溫適宜度呈顯著升高趨勢(shì)，寶雞和咸陽(yáng)產(chǎn)區(qū)的烤煙氣候適宜性顯著升高。陳頤等[6]研究發(fā)現(xiàn)，桂陽(yáng)煙區(qū)各生育期平均氣溫呈上升趨勢(shì)，并采用Mann-Kendall檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)烤煙苗期、伸根期和旺長(zhǎng)期均溫都發(fā)生了突變；降水量變化趨勢(shì)呈現(xiàn)伸根期下降、成熟期上升趨勢(shì)，并且在20 世紀(jì)90 年代伸根期和成熟期出現(xiàn)突變點(diǎn)。胡雪瓊等[7]利用氣候模擬數(shù)據(jù)和氣象臺(tái)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了云南烤煙種植氣候適宜性分布的變化，結(jié)果顯示未來(lái)氣候背景下，云南烤煙種植氣候適宜區(qū)分布呈北抬東擴(kuò)的趨勢(shì)，未來(lái)云南烤煙可種植區(qū)域?qū)⒅饾u增加，并認(rèn)為這主要與未來(lái)云南煙區(qū)的熱量分布變化有關(guān)。

湘西是典型的中間香型煙葉原料基地，煙葉原料廣受卷煙工業(yè)企業(yè)青睞。湘西地處低緯度地區(qū)，位于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候類(lèi)型多樣，氣候立體性明顯，其年平均氣溫15.8～16.9 ℃，無(wú)霜期250～280 d，年平均降水量1 300～1 500 mm，日照時(shí)數(shù)1 220～1 400 h。近年來(lái)，我國(guó)氣候發(fā)生了較大的變化，主要表現(xiàn)為氣溫上升，降水量增加[8-9]。已有研究顯示，由于氣候因素的變化，湖南省主要植煙區(qū)域的適宜性發(fā)生了不同程度的降低或增加[10]。因此研究湘西煙區(qū)氣候的時(shí)空變化特征對(duì)湘西煙草種植及煙葉生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1970—2014年湘西州8個(gè)縣市的月平均日平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)。用Excel 2019 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析，其顯著水平為P<0.05。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 滑動(dòng)平均法

滑動(dòng)平均法能夠減小隨機(jī)起伏的測(cè)試誤差，從而顯示出較為平滑的變化趨勢(shì)[11]，在序列分析中使用廣泛。其具體過(guò)程如下：

具有n個(gè)非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列x1，x2，x3，…，xn，每m個(gè)相鄰數(shù)據(jù)求一次平均值ft，通常用來(lái)表示該m個(gè)數(shù)據(jù)的中點(diǎn)數(shù)據(jù)或端點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)果，并認(rèn)為此平均值減小了隨機(jī)誤差或消除了噪聲信號(hào)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：2k+1=m，k=1時(shí)為3點(diǎn)滑動(dòng)平均，k=2時(shí)為5點(diǎn)滑動(dòng)平均。

1.2.2 氣候傾向率

溫度和降水氣候變化可以用線性方程來(lái)表示[12]，采用最小二乘法來(lái)計(jì)算回歸系數(shù)，用來(lái)表示年際氣候變化速率(氣候傾向率)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：y(t)為氣象要素值(溫度或降水)；a為線性回歸系數(shù)，用a×10來(lái)表示氣候傾向率，其單位為℃/10 a(溫度)、mm/10 a(降水)。

2 結(jié)果分析

2.1 湘西州烤煙大田期各生育階段主要?dú)夂蛞蜃幼兓卣?/h3>

湘西州不同地區(qū)烤煙大田期略有差異，但大致在4月下旬到9月中旬。為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化，將湘西州煙區(qū)的大田期進(jìn)行統(tǒng)一處理，整個(gè)大田期從5月初開(kāi)始至8月底結(jié)束，具體情況為5月為伸根期(30 d左右)，6月為成旺長(zhǎng)期(30 d左右)，7～8月為成熟期(60～70 d)。

表1 湘西煙區(qū)大田生育期各階段時(shí)間統(tǒng)計(jì)

1970—2014年湘西州伸根期平均氣溫為20.8 ℃，降水量為216.8 mm，日照時(shí)數(shù)為112.9 h；旺長(zhǎng)期平均氣溫為24.2 ℃，降水量為237.7 mm，日照時(shí)數(shù)為116.1h；成熟期平均氣溫為26.9 ℃，降水量為353.8 mm，日照時(shí)數(shù)為382.8 h。

就湘西州各個(gè)縣市來(lái)看(表2)，1970—2014年烤煙伸根期古丈縣平均氣溫最低(20.3 ℃)，瀘溪縣平均氣溫最高(21.3 ℃)；降水量龍山縣最少(206.3 mm)，吉首市最多(237.3 mm)；日照時(shí)數(shù)保靖縣最小(104.2 h)，瀘溪縣最大(121.2 h)。旺長(zhǎng)期古丈縣、龍山縣平均氣溫最低(23.9 ℃)，瀘溪縣平均氣溫最高(24.8 ℃)；降水量龍山縣最少(223.4 mm)，吉首市最多(250.6 mm)；日照時(shí)數(shù)保靖縣最小(103.9 h)，瀘溪縣最多(128.8 h)。成熟期龍山縣平均氣溫最低(26.4 ℃)，瀘溪縣平均氣溫最高(27.8 ℃)；降水量瀘溪縣最少(306.5 mm)，龍山縣最多(396.2 mm)；日照時(shí)數(shù)保靖縣最小(346.0 h)，瀘溪縣最多(429.0 h)。湘西州煙區(qū)不同大田生育階段不同氣象因子的具體關(guān)系為伸根期平均溫度古丈縣<龍山縣=鳳凰縣<保靖縣<永順縣=花垣縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)，降水量龍山縣<花垣縣<保靖縣<瀘溪縣<永順縣<古丈縣<鳳凰縣<吉首市(差異不顯著)，日照時(shí)數(shù)保靖縣<鳳凰縣<吉首市<永順縣<花垣縣<古丈縣<龍山縣<瀘溪縣(差異不顯著)。旺長(zhǎng)期平均溫度龍山縣<古丈縣<保靖縣<鳳凰縣=花垣縣<永順縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)，降水量龍山縣<保靖縣<花垣縣<永順縣<鳳凰縣<古丈縣<瀘溪縣<吉首市(差異不顯著)，日照時(shí)數(shù)保靖縣<鳳凰縣<花垣縣<龍山縣<吉首市<永順縣<古丈縣<瀘溪縣(差異不顯著)。成熟期平均溫度龍山縣<古丈縣<保靖縣=花垣縣=鳳凰縣<永順縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)，降水量瀘溪縣<鳳凰縣<保靖縣<古丈縣<花垣縣<吉首市<永順縣<龍山縣(差異顯著)，日照時(shí)數(shù)保靖縣<龍山縣<永順縣<花垣縣<鳳凰縣<古丈縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)。

綜合來(lái)看，1970—2014年湘西州各縣市平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)的變化規(guī)律大致為伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期的平均氣溫不斷升高，降水量先增加后減少，日照時(shí)數(shù)不斷增加。另一方面，伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期的降水量以及伸根期、旺長(zhǎng)期的日照時(shí)數(shù)各縣市之間差異性不顯著，說(shuō)明在整個(gè)烤煙大田期湘西州的降水量及日照時(shí)數(shù)狀況較一致。

進(jìn)一步分析1970—2014年湘西州各縣市烤煙不同生育階段的不同氣象因子變異系數(shù)。結(jié)果如下(表3)：伸根期平均氣溫變異系數(shù)在4.49%～5.13%之間，變幅為0.64%；降水量變異系數(shù)在40.07%～59.74%，變幅為19.67%；日照時(shí)數(shù)變異系數(shù)在28.01%～32.60%，變幅為4.59%。旺長(zhǎng)期平均氣溫變異系數(shù)在3.21%～3.52%，變幅為0.31%；降水量變異系數(shù)在32.96%～65.83%，變幅為32.87%；日照時(shí)數(shù)變異系數(shù)在25.52%～33.77%，變幅為8.25%。成熟期平均氣溫變異系數(shù)2.93%～3.19%，變幅為0.26%；降水量變異系數(shù)47.45%～58.24%，變幅為10.79%；日照時(shí)數(shù)變異系數(shù)17.49%～23.95%，變幅為6.46%。接著求出各縣市不同時(shí)期、不同氣象因子的變異系數(shù)的平均值，用來(lái)衡量其氣候穩(wěn)定性大小，均值越大表明越不穩(wěn)定。綜合來(lái)看，湘西州在1970—2014年各縣市氣候穩(wěn)定程度大小關(guān)系為：伸根期龍山縣>瀘溪縣>古丈縣>花垣縣>保靖縣>吉首市>永順縣>鳳凰縣；旺長(zhǎng)期龍山縣>永順縣>古丈縣>花垣縣>瀘溪縣>吉首市>保靖縣>鳳凰縣；成熟期花垣縣>古丈縣>鳳凰縣>龍山縣>保靖縣>瀘溪縣>吉首市>永順縣?？傮w來(lái)看，以生育階段為單位，各氣象因子之間的變異系數(shù)大小關(guān)系均為降水量>日照時(shí)數(shù)>平均氣溫，且兩兩之間差異性達(dá)到了極顯著水平；以氣象因子為單位，各生育階段間變異系數(shù)大小關(guān)系略有差異，大致為平均氣溫：伸根期>旺長(zhǎng)期>成熟期(差異性不顯著)，降水量：旺長(zhǎng)期>成熟期>伸根期(差異性不顯著)，日照時(shí)數(shù)：伸根期>旺長(zhǎng)期>成熟期，且成熟期日照時(shí)數(shù)差異性達(dá)到極顯著水平。這說(shuō)明在1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)之間，降水量年際波動(dòng)較大，而氣溫較為平穩(wěn)。綜合來(lái)看，在伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期之間，旺長(zhǎng)期各氣候因子年際間的波動(dòng)較大，而成熟期各氣候因子較為平穩(wěn)。

表2 1970—2014年湘西州烤煙各生育階段氣候變化特征

表3 1970—2014年湘西州烤煙各生育期階段氣候變化變異系數(shù)

2.2 湘西州烤煙大田期氣候時(shí)空變化特征

1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫為24.7 ℃，降水量為808.4 mm，日照時(shí)數(shù)611.6 h。就湘西州各縣市而言，1970—2014年烤煙大田期平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)大小關(guān)系如下(表4)：平均氣溫龍山縣=古丈縣<保靖縣=鳳凰縣<花垣縣<永順縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)；降水量瀘溪縣<鳳凰縣<保靖縣<花垣縣<古丈縣<龍山縣<永順縣<吉首市(差異不顯著)；日照時(shí)數(shù)保靖縣<龍山縣<鳳凰縣<永順縣<花垣縣<古丈縣<吉首市<瀘溪縣(差異顯著)。

表4 1970—2014年湘西州烤煙大田期氣候特征

滑動(dòng)平均法能減小隨機(jī)起伏的測(cè)試誤差，從而顯示出較平滑的變化趨勢(shì)，應(yīng)用廣泛。采用滑動(dòng)平均法對(duì)1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)進(jìn)行分析，以確定其變化趨勢(shì)。通過(guò)繪制湘西州各縣市1970—2014年氣候因子的5年滑動(dòng)曲線(圖略)可發(fā)現(xiàn)，各縣市的平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：平均氣溫較為平穩(wěn)，但有震蕩上行的趨勢(shì)；降水量在2006年之前變化較為平緩，而2006年之后出現(xiàn)急劇增加，到2009年之后又急劇減少；日照時(shí)數(shù)與平均氣溫相反，即有震蕩下行的趨勢(shì)。

為了定性地描述平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)，現(xiàn)引入氣象學(xué)中氣候傾向率的概念。溫度和降水氣候變化可用線性方程來(lái)表示，采用最小二乘法計(jì)算回歸系數(shù)，來(lái)表示年際氣候變化速率，即氣候傾向率。溫度和降水量的氣候傾向率的單位分別為℃/10 a、mm/10 a。同時(shí)，采用同樣的方法計(jì)算日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率，其單位為h/10 a。計(jì)算結(jié)果如表5所示。綜合來(lái)看，1970—2014年湘西州烤煙大田期平均氣溫在不斷上升(氣候傾向率為0.10～0.20 ℃/10 a)，降水量增加(氣候傾向率為59.34～311.04 mm/10 a)，日照時(shí)數(shù)減少(氣候傾向率為-0.18 ～-119.06 h/10 a)。且湘西州各地區(qū)的氣候傾向率大小關(guān)系為：平均氣溫瀘溪縣<永順縣<保靖縣<古丈縣<鳳凰縣<吉首市<花垣縣<龍山縣；降水量龍山縣<古丈縣<瀘溪縣<花垣縣<保靖縣<吉首市<永順縣<鳳凰縣；日照時(shí)數(shù)花垣縣<瀘溪縣<鳳凰縣<古丈縣<龍山縣<永順縣<吉首市<保靖縣(其中古丈縣為正值)。

表5 1970—2014年湘西州烤煙大田期氣候傾向率

3 討論

就生長(zhǎng)發(fā)育而言，煙草對(duì)氣候適應(yīng)能力很強(qiáng)，但優(yōu)質(zhì)煙葉的形成對(duì)氣候條件要求十分苛刻，要求生育期內(nèi)光、溫、水、氣高度耦合。本研究著重分析了1970—2014年湘西州烤煙各生育期氣候狀況及變化?？傮w上，近年來(lái)湘西州煙區(qū)氣候變化十分明顯。湘西州各縣市生育期平均氣溫都在適宜范圍內(nèi)，且年際間變異系數(shù)較小，這與方紅等研究結(jié)果一致[13]。湘西州各縣市各生育期降水量均偏多，過(guò)多的降水并不利于品質(zhì)的形成，如旺長(zhǎng)期雨量過(guò)大會(huì)降低烤煙的糖堿比，不利于煙葉品質(zhì)的提高[14]，而成熟期降水量增加會(huì)使煙葉的厚度變小[15]。湘西州各縣市大田期的日照時(shí)數(shù)較為充足，基本在適宜范圍內(nèi)。

氣候傾向率能反應(yīng)氣候因子在某地區(qū)的變化趨勢(shì)，其結(jié)果可用來(lái)預(yù)測(cè)某地區(qū)相應(yīng)氣象因子在未來(lái)的表現(xiàn)情況。通過(guò)氣候傾向率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，湘西州烤煙大田期平均氣溫上升，降水量增加、日照時(shí)數(shù)減少，且各縣市整體狀況較一致，這與陳頤的研究結(jié)果基本一致[6]。從不同區(qū)域的變化來(lái)看，湘西州平均氣溫變化趨勢(shì)為西北與西南地區(qū)上升較快，東部地區(qū)上升較慢；降水量西南部、東北及中部地區(qū)增加較快，西北地區(qū)及東部地區(qū)增加較慢；日照時(shí)數(shù)北部地區(qū)減小較快，而南部地區(qū)減小較慢，甚至還有增加的區(qū)域(古丈縣)。

4 結(jié)論

1970—2014年湘西州各縣市平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)的變化規(guī)律大致為伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期的平均氣溫不斷升高，降水量先增加后減少，日照時(shí)數(shù)不斷增加；并且伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期的降水量及伸根期、旺長(zhǎng)期的日照時(shí)數(shù)各縣市之間差異不顯著。5年滑動(dòng)平均結(jié)果顯示，各縣市的平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)相似的規(guī)律：平均氣溫較平穩(wěn)，但有震蕩上行的趨勢(shì)；降水量在2006年之前變化較為平緩，而2006年之后出現(xiàn)急劇增加，到2009年之后又急劇減少；日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)出與平均氣溫相反的趨勢(shì)，即有震蕩下行的趨勢(shì)。