近30 年桑植煙區(qū)界限溫度及生育期溫度變化特征研究

符昌武，覃 瀟，戴 曦，成志軍，彭德元，李 強(qiáng)

（1.湖南省煙草公司張家界市公司,湖南 張家界 427000；2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 41000;3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

煙草是喜溫作物，生長(zhǎng)最低溫度為8 ℃，最高溫度為38 ℃，最適溫度為25～28 ℃[1]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第6 次評(píng)估報(bào)告顯示，近120 年全球地表溫度上升了1.09 ℃[2]，以氣候變暖為主要特征的全球性氣候變化已是不爭(zhēng)的事實(shí)，極端天氣事件發(fā)生頻率明顯增加[3-5]。農(nóng)業(yè)界限溫度是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有指示或臨界意義的溫度，又稱農(nóng)業(yè)指標(biāo)溫度[6]。該溫度的出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)和持續(xù)時(shí)期內(nèi)積溫的多少，對(duì)一個(gè)地方的作物布局、耕作制度、品種搭配和季節(jié)安排等都具有十分重要的意義[7]。前人對(duì)煙草種植的溫度指標(biāo)開(kāi)展過(guò)大量研究，如陳頤等[8]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)，其中苗期和伸根期上升速率達(dá)0.863 ℃/10 a和0.596 ℃/10 a，并在20 世紀(jì)90 年代和21 世紀(jì)初期烤煙苗期、伸根期和旺長(zhǎng)期氣溫都出現(xiàn)了由寒轉(zhuǎn)暖的突變。藏照陽(yáng)等[9]研究發(fā)現(xiàn),貴州煙區(qū)烤煙還苗至伸根期溫度變化范圍為17.2～20.6 ℃，變幅為3.4 ℃；成熟前期溫度變化范圍為23.6～25.7 ℃，變幅為2.1 ℃；成熟后期溫度變化范圍為22.2～24.6 ℃，變幅為2.4 ℃；2013 年以來(lái)，烤煙旺長(zhǎng)期和成熟前期平均氣溫有所升高，伸根期和成熟后期平均氣溫呈下降趨勢(shì)。李偉等[10]研究了湖南多個(gè)煙區(qū)穩(wěn)定通過(guò)5、8、10 ℃等界限溫度的出現(xiàn)日期，結(jié)果發(fā)現(xiàn)界限溫度出現(xiàn)日期在年份間差異較大，如穩(wěn)定通過(guò)10 ℃的日期，最早的年份可在3 月上旬出現(xiàn)，最遲的年份卻推遲至4 月下旬。區(qū)域的溫度變化，特別是煙草農(nóng)業(yè)界限溫度和生育期溫度的變化仍存在不確定性，而界限溫度和生育期溫度的變化對(duì)煙草種植的時(shí)空布局和煙葉產(chǎn)質(zhì)量有較大的影響[11-12]。桑植種煙歷史悠久，所產(chǎn)煙葉廣受國(guó)內(nèi)卷煙企業(yè)的青睞，是利群、好貓、黃山等多個(gè)重點(diǎn)卷煙品牌的核心原料。因此，研究氣候變化背景下桑植煙區(qū)界限溫度和生育期溫度的變化，對(duì)合理利用當(dāng)?shù)販責(zé)豳Y源，科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化，保障煙葉生產(chǎn)具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究利用1991—2020 年桑植氣象站的逐日地面氣象資料，采用趨勢(shì)分析、突變分析等方法分析了煙草種植指標(biāo)溫度的時(shí)間變化，旨在探討全球氣候變暖背景下桑植煙區(qū)溫?zé)嶂笜?biāo)變化特征，從而順應(yīng)煙區(qū)的溫?zé)嶂笜?biāo)變化，合理優(yōu)化桑植烤煙生產(chǎn)技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象資料由湖南省氣象局提供，包括1991—2020 年逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日日照時(shí)數(shù)和逐日平均相對(duì)濕度等。本研究中根據(jù)當(dāng)?shù)乜緹熒a(chǎn)節(jié)令將烤煙生育期劃分為，大田期（2 月26日—4 月26 日）、伸根期（4 月27 日—5 月26 日）、旺長(zhǎng)期（5 月27 日—6 月25 日）和成熟期（6 月26日—9 月10 日）。計(jì)算出各年份相應(yīng)時(shí)段的烤煙溫?zé)嶂笜?biāo)和界限溫度日期，計(jì)算方法如下，界限溫度日期采用移動(dòng)平均法計(jì)算，逐年伸根期平均氣溫、旺長(zhǎng)期平均氣溫和成熟期平均氣溫，由各生育期平均氣溫計(jì)算均值后得到。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

1.2.1 趨勢(shì)分析 氣象要素隨時(shí)間的變化規(guī)律可用時(shí)間序列和自然序列的一元線性回歸方程來(lái)反應(yīng)[7]?；貧w方程如下

式中，y(t)為氣象要素的擬合值，t 為時(shí)間序列；回歸系數(shù)a 和常量b 用最小二乘法求算。回歸系數(shù)a 的絕對(duì)值反映氣候要素的變化程度，a 為負(fù)表示在氣象要素分析期內(nèi)呈下降趨勢(shì)，反之為上升趨勢(shì)；以a×10 作為氣候傾向率。用方程的決定系數(shù)（R2）和p值來(lái)檢驗(yàn)顯著性。

1.2.2 界限溫度初日 界限溫度初日的計(jì)算采用五日滑動(dòng)平均法。初日為滑動(dòng)平均溫度中穩(wěn)定通過(guò)(記作≥) 某界限溫度5 d 中的第1 個(gè)日平均氣溫大于或等于該農(nóng)業(yè)界限溫度的日期[13]。

1.2.3 Mann-Kendal 檢驗(yàn) Mann-Kendall 法作為一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，常被用于時(shí)間序列的突變檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本服從特定分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的干擾[14]。本研究采用Mann-Kendall 法對(duì)生育期平均氣溫進(jìn)行突變檢測(cè)。當(dāng)曲線UF 超過(guò)信度線即表示存在明顯的變化趨勢(shì)時(shí)，如果曲線UF 和UB 的交叉點(diǎn)位于信度線之間，此交叉點(diǎn)便是突變點(diǎn)的開(kāi)始[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 界限溫度變化趨勢(shì)

2.1.1 穩(wěn)定通過(guò)10 ℃初日 由10 ℃初日與時(shí)間序列擬合的趨勢(shì)線可知（圖1），整個(gè)分析期內(nèi)10 ℃初日呈線性變化趨勢(shì)，分析期內(nèi)10 ℃初日呈明顯提前的趨勢(shì)，線性擬合傾向率達(dá)3.50 d/10 a。10 ℃初日平均出現(xiàn)日期為3 月20 日，出現(xiàn)最早日期為2 月26日，出現(xiàn)年份為2013 年，最遲日期為4 月6 日，出現(xiàn)年份為2011 年，最早日期和最晚日期相差達(dá)39 d；各年份10 ℃初日與多年平均日期相比，30 年間有13 年的10 ℃初日比多年平均日期早。各年代80%保證率的10 ℃初日統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的10℃初日分別為3 月28 日、3 月26 日和3 月20 日。由此可見(jiàn)，近30 年來(lái)10 ℃初日的80%保證率日期呈明顯提前的趨勢(shì)。

圖1 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過(guò)10 ℃初日年際變化

2.1.2 穩(wěn)定通過(guò)13 ℃初日 由13 ℃初日與時(shí)間序列擬合的趨勢(shì)線可知（圖2），整個(gè)分析期內(nèi)13 ℃初日呈線性變化趨勢(shì)，分析期內(nèi)13 ℃初日有提前的趨勢(shì)，線性擬合傾向率達(dá)2.46 d/10 a。13 ℃初日平均出現(xiàn)日期為4 月4 日，出現(xiàn)最早日期為3 月22 日，出現(xiàn)年份為2018 年，最遲日期為4 月29 日，出現(xiàn)年份為2002 年，最早日期和最晚日期相差達(dá)38 d；各年份13 ℃初日與多年平均日期相比，30 年間有16 年的13 ℃初日比多年平均日期早。近30 年80%保證率 的13 ℃初 日 為4 月16 日，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的13 ℃初日分別為4 月12 日、4 月16 日和4 月8 日。由此可見(jiàn)，近30 年來(lái)13 ℃初日的80%保證率日期呈提前趨勢(shì)。

圖2 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過(guò)13 ℃初日年際變化

2.1.3 穩(wěn)定通過(guò)18 ℃初日 由18 ℃初日與時(shí)間序列擬合的趨勢(shì)線可知（圖3），整個(gè)分析期內(nèi)18 ℃初日呈線性變化趨勢(shì)，分析期內(nèi)18 ℃初日呈推遲的趨勢(shì)，線性擬合傾向率達(dá)1.62 d/10 a。18 ℃初日平均出現(xiàn)日期為4 月27 日，出現(xiàn)最早日期為4 月7 日，出現(xiàn)年份為1999 年，最遲日期為5 月25 日，出現(xiàn)年份為2011 年，最早日期和最晚日期相差達(dá)48 d；各年份18 ℃初日與多年平均日期相比，30 年間有15 年的18 ℃初日比多年平均日期早。近30 年80%保證率的18℃初日為4 月16 日，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的18 ℃初日分別為4 月28 日、4 月30 日和5 月7 日。由此可見(jiàn)，近30 年來(lái)18 ℃初日的80%保證率日期呈推遲趨勢(shì)。

圖3 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過(guò)18 ℃初日年際變化

2.1.4 穩(wěn)定通過(guò)28 ℃初日 由28 ℃初日與時(shí)間序列擬合的趨勢(shì)線可知（圖4），整個(gè)分析期內(nèi)28 ℃初日呈線性變化趨勢(shì)，分析期內(nèi)28 ℃初日呈提前的趨勢(shì)，線性擬合傾向率達(dá)3.77 d/10 a。28 ℃初日平均出現(xiàn)日期為6 月24 日，出現(xiàn)最早日期為6 月3 日，出現(xiàn)年份為2002 年，最遲日期為7 月12 日，出現(xiàn)年份為1992 年，最早日期和最晚日期相差達(dá)39 d；近30年80%保證率的28 ℃初日為6 月30 日，1991—2000 年，2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的28 ℃初日分別為7 月4 日、6 月27 日和6 月27 日。由此可見(jiàn)，近30 年來(lái)28 ℃初日的80%保證率日期呈提前趨勢(shì)。

圖4 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過(guò)28 ℃初日年際變化

2.2 生育期均溫變化趨勢(shì)

2.2.1 年際變化 桑植煙區(qū)近30 年各生育期的均溫演變趨勢(shì)如圖5 至圖8 所示，近30 年桑植苗期均溫為13.31 ℃，最高的年份為2018 年，達(dá)15.22 ℃，最低的年份為1996 年，為11.16 ℃，苗期均溫最高的年份和最低的年份相差4.05 ℃，變異系數(shù)為7.30%，表現(xiàn)為弱變異。伸根期均溫為20.60 ℃，最高的年份為1994 年，達(dá)22.84 ℃，最低的年份為2002年，為17.51 ℃，伸根期均溫最高的年份和最低的年份相差5.33 ℃，變異系數(shù)為5.63%，表現(xiàn)為弱變異。旺長(zhǎng)期均溫為23.74 ℃，最高的年份為2013 年，達(dá)25.15 ℃，最低的年份為2010 年，為22.53 ℃，旺長(zhǎng)期均溫最高的年份和最低的年份相差2.61 ℃，變異系數(shù)為2.65%，表現(xiàn)為弱變異。成熟期均溫為26.06 ℃，最高的年份為2013 年，達(dá)28.38 ℃，最低的年份為1993 年，為25.53 ℃，旺長(zhǎng)期均溫最高的年份和最低的年份相差2.82 ℃，變異系數(shù)為2.81%，表現(xiàn)為弱變異。

圖5 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年苗期均溫

圖6 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年伸根期均溫

圖7 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年旺長(zhǎng)期均溫

圖8 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年成熟期均溫

由各生育期均溫與時(shí)間序列擬合的趨勢(shì)線可知，整個(gè)分析期內(nèi)各生育期均溫呈線性升高趨勢(shì)，但只有苗期均溫隨時(shí)間變化通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），線性擬合傾向率達(dá)0.68 ℃/10 a，表明桑植苗期均溫顯著升高，而其他生育期均溫上升幅度較小。

2.2.2 各生育期均溫突變檢驗(yàn) 采用Mann-Kendal法對(duì)桑植煙區(qū)歷年苗期、伸根期均溫、旺長(zhǎng)期均溫和成熟期均溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)。由圖9 可知，桑植煙區(qū)伸根期UF 一直在0 以上，在0.05 信度線內(nèi)UF 與UB在1998 年出現(xiàn)交點(diǎn)，且在1999 年超過(guò)了0.05 顯著性水平閾值線。該結(jié)果表明1999 年后桑植煙區(qū)苗期平均氣溫發(fā)生突變并開(kāi)始呈現(xiàn)明顯升高的趨勢(shì)。在0.05 信度線內(nèi)桑植煙區(qū)伸根期期均溫UF 與UB交點(diǎn)頻繁，但UF 值一直在-1.96～+1.96 之間，說(shuō)明序列未發(fā)生突變；1991 年以來(lái)UF 值一直大于0，表明自1991 年以后桑植煙區(qū)伸根期均溫一直呈上升趨勢(shì)，但未達(dá)顯著水平。在0.05 信度線內(nèi)桑植煙區(qū)旺長(zhǎng)期均溫UF 與UB 有多個(gè)交點(diǎn)，并于2014 年UF 值超過(guò)0.05 信度線，說(shuō)明發(fā)生了一次突變；1995—2008 年UF 值一直小于0，這期間旺長(zhǎng)期均溫存在一次下降的過(guò)程。在0.05 信度線內(nèi)桑植煙區(qū)成熟期均溫UF 與UB交點(diǎn)頻繁，但UF 值大部分時(shí)間在-1.96～+1.96 之間，說(shuō)明序列未發(fā)生突變；1991 年以來(lái)UF 值大部分年份大于0，表明自1991 年以后桑植煙區(qū)成熟期均溫一直呈上升趨勢(shì)，但未達(dá)顯著水平。

圖9 桑植烤煙生育期均溫突變檢驗(yàn)

3 討論與結(jié)論

從界限溫度出現(xiàn)時(shí)間來(lái)看，桑植煙區(qū)穩(wěn)定通過(guò)10、13 ℃初日呈提前趨勢(shì)，穩(wěn)定過(guò)18 ℃初日有小幅推遲趨勢(shì)；目前桑植煙區(qū)烤煙移栽主要集中在4 月20日至5 月10 日，移栽期界限溫度出現(xiàn)日期的提前意味著煙區(qū)烤煙移栽有提前的空間。有研究認(rèn)為，溫度高于28 ℃不利烤煙正常成熟[15]，桑植煙區(qū)溫度穩(wěn)定通過(guò)28 ℃的日期有提前趨勢(shì)，發(fā)生高溫逼熟的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)加大。

從桑植烤煙各生育期平均氣溫變化來(lái)看，各生育期均溫均呈升高趨勢(shì)，其中育苗期均溫升高達(dá)顯著水平，將有利于培育壯苗。伸根期均溫的升高將有利于烤煙早生快發(fā)，同時(shí)降低早花風(fēng)險(xiǎn)。桑植煙區(qū)烤煙旺長(zhǎng)期均溫上升幅度較小，各年份旺長(zhǎng)期均溫均在適宜范圍內(nèi)[16]，對(duì)于烤煙的形態(tài)建成十分有利。雖然烤煙成熟期均溫超過(guò)25 ℃的年份只有2 年，但各年成熟期均溫超過(guò)25 ℃和28 ℃的日數(shù)較多，成熟期高溫對(duì)煙葉品質(zhì)的影響應(yīng)受到關(guān)注。從突變檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，苗期均溫發(fā)生突變，呈顯著上升趨勢(shì)，其他生育期均溫呈上升趨勢(shì)，但未發(fā)生突變。

溫度是湖南煙區(qū)確定烤煙移栽期的首要因素，有研究認(rèn)為溫度穩(wěn)定通過(guò)18 ℃是烤煙最早最佳移栽期，穩(wěn)定13 ℃是烤煙露地移栽的最早日期[1,11]，穩(wěn)定通過(guò)8～10 ℃是烤煙膜上移栽的最早日期[10]。目前桑植煙區(qū)移栽期主要集中在4 月20 日—5 月10日，大體上是在氣溫穩(wěn)定通過(guò)18 ℃前后，即“最早最佳移栽期”，這一移栽期可以大幅度減少早花的發(fā)生，但成熟期平均氣溫會(huì)高于25 ℃，且大概率會(huì)遇到35 ℃高溫天氣，不利于烤煙品質(zhì)形成。筆者認(rèn)為，在各生育期溫度上升的背景下，移栽期可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶嵩?，比如集中到氣溫穩(wěn)定通過(guò)15 ℃日期前后進(jìn)行移栽，同時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)地膜覆蓋質(zhì)量，同時(shí)布局抗（耐）早花品種，或可減少成熟期高溫對(duì)煙葉品質(zhì)的影響，同時(shí)可以減少高溫高濕氣候條件下病害的發(fā)生率。

近30 年來(lái)，桑植煙區(qū)界限溫度和生育期溫度均發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在穩(wěn)定通過(guò)10、13、28 ℃初日呈明顯提前趨勢(shì)。苗期均溫、伸根期均溫、旺長(zhǎng)期均溫和成熟期均溫均呈升高趨勢(shì)，其中苗期均溫于1999年發(fā)生突變，線性擬合傾向率達(dá)分別達(dá)0.68 ℃/10 a?；谝陨献兓⒖紤]其可能造成的影響，可在本研究的基礎(chǔ)上嘗試將煙草育苗期和移栽期在生產(chǎn)上適當(dāng)提前，不僅可以充分利用早春的溫?zé)釛l件，還可以減少成熟期高溫的不利影響。