河南省煙區(qū)烤煙氣候特征分析與適宜性評價

李 翔，張玉嬋，王 迅，韓 丹，邵惠芳，許自成，郝浩浩

（1.河南省煙草公司駐馬店市公司，河南 駐馬店 463000；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002）

烤煙是一種高經(jīng)濟(jì)效益作物，對生長環(huán)境敏感，受生態(tài)因素的影響較大。不同的光照、降水量和溫度等氣候條件對煙株的生長發(fā)育、生理代謝以及煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量有顯著影響，是決定烤煙種植區(qū)域布局、煙葉產(chǎn)質(zhì)量以及風(fēng)格的重要因素［1-4］。有關(guān)煙葉品質(zhì)及風(fēng)格與氣候條件關(guān)系的研究受到廣泛重視，尤其是優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)需要特定的氣候條件［5-7］。

河南省地處中國東部、黃河中下游，屬暖溫帶-亞熱帶，氣候為濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候，具有雨熱同期、無霜期長、四季分明的特點(diǎn)，烤煙生長條件得天獨(dú)厚，是中國烤煙種植大?。?］。有關(guān)氣候條件對烤煙生產(chǎn)的影響，徐光輝等［9］分析并比較了移栽期不同的情況下，國內(nèi)平頂山煙區(qū)與國外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)的氣候狀況。劉曉迎等［10］認(rèn)為河南省煙區(qū)的氣候趨勢能夠適應(yīng)其具有濃香型特色烤煙的生長需求，且表現(xiàn)出旺長期雨熱同期日照足與伸根期和成熟期溫高雨少日照足的氣候優(yōu)勢。張燕燕等［11］用多變量聚類分析，將三門峽煙區(qū)分成了兩類，同時計算并分析了國內(nèi)外煙區(qū)的氣候相似距離。結(jié)果表明，三門峽煙區(qū)具備優(yōu)質(zhì)煙區(qū)的氣候條件，其海拔落差大，氣候條件與國外煙區(qū)相似。孟寒冬等［12］的研究表明，氣候條件對烤煙中石油醚提取物的含量影響顯著，大田期最高溫是上部葉片的主要影響因素，旺長期均溫主要影響中、下部葉片。蔡濤［13］采用氣候傾向率、趨勢系數(shù)、變異系數(shù)、R/S 分析等方法分析了三門峽烤煙種植氣候適宜性因子的變化特征和趨勢，結(jié)果表明，三門峽各煙區(qū)氣候適宜性因子多年平均值均在量化指標(biāo)最優(yōu)范圍內(nèi)，適合優(yōu)質(zhì)烤煙的種植。

氣候條件是影響烤煙生產(chǎn)的主要生態(tài)因素，適宜的氣候條件對于煙葉的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)十分重要。已有的研究大多分析了河南省煙區(qū)植煙土壤和氣候條件對烤煙質(zhì)量的影響，鮮見對河南省煙區(qū)整體生態(tài)條件綜合評價的報道。本研究基于模糊數(shù)學(xué)原理，對河南省不同煙區(qū)的氣候變化趨勢和極端天氣狀況進(jìn)行分析，并從農(nóng)業(yè)氣候角度對各煙區(qū)的氣候適宜性進(jìn)行綜合評價，以期為合理利用氣候資源進(jìn)行優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

河南省主要煙區(qū)有豫西煙區(qū)、豫南煙區(qū)、豫西南煙區(qū)和豫中煙區(qū)。本研究使用2010—2017 年河南省4 個煙葉產(chǎn)區(qū)氣象站的氣象數(shù)據(jù)（表1），包括氣溫、降雨量和日照時間等。國外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)氣候數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)［11］。

表1 各煙區(qū)氣象數(shù)據(jù)的來源站點(diǎn)

1.2 烤煙氣候適宜性評價方法

烤煙生長期分為大田期（4月21日至8月31日）、伸根期（4月21日至5月31日）、旺長期（6月1—30日）和成熟期（7 月1 日至8 月31 日）。

氣候綜合評價采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)有n種生態(tài)環(huán)境類型，每種生態(tài)環(huán)境有m個氣候指標(biāo)（m=1，… ，j），Wij和Nij分別表示第j個氣候要素和第i種生態(tài)環(huán)境的權(quán)重和隸屬度。其中，0≤Wij≤10，0≤Nij≤1，且滿足以下條件。

各生態(tài)環(huán)境的氣候適宜性指數(shù)（Climate feasibility index，CFI）可表示為以下算式。

各項權(quán)重利用主成分分析法計算，統(tǒng)計分析采用SPSS 21.0 和Excel 2016 統(tǒng)計軟件進(jìn)行。

1.3 氣候變化特征統(tǒng)計方法

參照文獻(xiàn)［14，15］，采用線性趨勢、三次多項式曲線擬合來分析烤煙各生育期的各項氣候要素的變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省煙區(qū)氣候因素特點(diǎn)

河南省煙區(qū)氣候因子與國外優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)的比較見表2、表3，河南省煙區(qū)煙草大田期日照時間為776.50 h，低于美國，但高于國外其他優(yōu)質(zhì)煙區(qū)，能滿足優(yōu)質(zhì)煙葉的生長要求；大田期均溫為24.06 ℃，高于國外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)；大田期降雨量為442.81 mm，低于國外優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)。

表2 2010—2017 年河南省煙區(qū)煙草大田期主要?dú)夂蛑笜?biāo)

表3 2010—2017 年國外優(yōu)質(zhì)煙區(qū)主要?dú)夂蛑笜?biāo)

2.2 河南省煙區(qū)氣候適宜性評價

選取烤煙伸根期均溫、旺長期均溫、成熟期均溫、伸根期降雨量、旺長期降雨量、成熟期降雨量、大田期日照時間和大田期相對濕度8 項指標(biāo)作為評價河南省煙區(qū)氣候適宜性的因子。河南省各煙區(qū)烤煙氣候指標(biāo)值見表4。

表4 河南省各煙區(qū)烤煙氣候指標(biāo)（）

表4 河南省各煙區(qū)烤煙氣候指標(biāo)（）

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由表4 可知，河南省煙區(qū)伸根期均溫在18.79～21.24 ℃，旺長期均溫在23.53～25.80 ℃，成熟期均溫在25.03～27.42 ℃；總體來看，豫南和豫西南的溫度整體偏高。河南省煙區(qū)伸根期降雨量在80.16～105.74 mm，旺長期降雨量在62.40～123.94 mm，成熟期降雨量在237.86～296.49 mm，豫南煙區(qū)的降雨量最為充沛。與其他煙區(qū)相比，豫西南煙區(qū)的大田期日照時間最長、豫南的大田期相對濕度最高。

以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)以往有關(guān)河南省煙區(qū)氣候的研究及生產(chǎn)實際［16，17］，結(jié)合各氣候指標(biāo)對烤煙生長及煙葉品質(zhì)影響的特點(diǎn)，明確各項氣候因子的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（表5）和函數(shù)類型［18，19］，得到隸屬函數(shù)類型為拋物線型。經(jīng)過計算（圖1），河南省CFI平均值為0.796 1，各煙區(qū)差異較小，變異系數(shù)為4.56%，其中豫西煙區(qū)最高，為0.857 0，豫西南煙區(qū)最低，為0.755 9。

圖1 河南省各煙區(qū)氣候適宜性指數(shù)

表5 烤煙氣候指標(biāo)隸屬函數(shù)的拐點(diǎn)值及權(quán)重

2.3 河南省煙區(qū)氣候變化特征分析

2.3.1 河南省煙區(qū)各生育期的均溫變化特征 由圖2 可知，河南省煙區(qū)烤煙伸根期、旺長期和成熟期均溫平均值分別為20.37、25.19、26.62 ℃。由擬合曲線可以看出，伸根期均溫和旺長期均溫在2010—2012 年呈上升趨勢，2012—2015 年呈下降趨勢，2016 年以后又呈上升趨勢；成熟期均溫在2010—2012 年略有上升，2013—2015 年呈下降趨勢，2015年后又呈上升趨勢。成熟期均溫年變化幅度最大，最高均溫和最低均溫差距為2.86 ℃，伸根期和旺長期分別相差2.22、2.31 ℃。

圖2 河南省煙區(qū)2010—2017 年伸根期、旺長期、成熟期均溫的年變化

2.3.2 河南省煙區(qū)各生育期降雨量變化特征 由圖3 可知，河南省煙區(qū)伸根期、旺長期和成熟期降雨量平均值分別為93.76、81.34、267.71 mm。根據(jù)擬合曲線可知，伸根期降雨量在2010—2011 年呈下降趨勢，2012—2015 年呈上升趨勢，2015 年以后又有所下降；旺長期降雨量在2010—2011 年呈下降趨勢，2012—2016 年總體呈上升趨勢，2016 年以后又有所下降；成熟期降雨量在2010—2014 年總體呈下降趨勢，2014 年后年呈緩慢上升趨勢。成熟期降雨量年變化幅度最大，最大年降雨量和最小年降雨量年差距為341.38 mm，伸根期和旺長期分別相差89.69、107.90 mm。

圖3 河南省煙區(qū)2010—2017 年伸根期、旺長期、成熟期降雨量的年變化

2.3.3 河南省煙區(qū)大田期日照時間和平均濕度變化特征 由圖4 可知，河南省煙區(qū)烤煙大田期日照時間平均值為776.50 h。由擬合曲線可以看出，日照時間整體呈緩慢上升趨勢，2014 年后上升趨勢變大。日照時間最大值和最小值年相差211.92 h。

圖4 河南省煙區(qū)2010—2017 年大田期日照時間的年變化

由圖5 可知，河南省煙區(qū)烤煙大田期相對濕度平均值為68.21%。由擬合曲線可以看出，2010—2011 年相對濕度呈下降趨勢，2012—2015 年呈上升趨勢，2016 年后又呈下降趨勢。相對濕度最大值和最小值相差9.14 個百分點(diǎn)。

圖5 河南省煙區(qū)2010—2017 年大田期相對濕度的年變化

2.4 河南省煙區(qū)極端氣候分析

2.4.1 極端最高溫和極端最低溫分析 由圖6 和圖7 可以看出，成熟期和旺長期的極端最高溫相對更加集中，波動范圍小，數(shù)值更高；伸根期的極端最低溫更低。豫南煙區(qū)的極端溫度表現(xiàn)更好，其極端最高溫更低一些、極端最低溫更高一些。

圖6 河南省不同煙區(qū)大田期極端最高溫

圖7 河南省不同煙區(qū)大田期極端最低溫

極端最高溫方面，伸根期豫西南煙區(qū)極端最高溫最高，平均值為35.06 ℃；豫西、豫南和豫中的平均值分別為34.38、34.00、34.49 ℃。旺長期豫西南煙區(qū)極端最高溫最高，平均值為38.10 ℃；豫西、豫南和豫中的平均值分別為36.39、36.61、38.38 ℃。成熟期豫西南煙區(qū)極端最高溫最高，平均值為38.53 ℃；豫西、豫南和豫中的平均值分別為37.77、38.14、38.00 ℃。

極端最低溫方面，伸根期豫西煙區(qū)極端最低溫最低，平均值為5.43 ℃；豫南、豫西南和豫中的平均值分別為8.79、7.94、6.13 ℃。旺長期豫西煙區(qū)極端最低溫最低，平均值為13.07 ℃；豫南、豫西南和豫中的平均值分別為16.38、15.88、15.51 ℃。成熟期豫西煙區(qū)極端最低溫最低，平均值為14.17 ℃；豫南、豫西南和豫中的平均值分別為17.35、17.01、16.08 ℃。

2.4.2 降雨量超過10 mm 日數(shù)分析 由圖8 可以看出，烤煙成熟期降雨量超過10 mm 的日數(shù)最多，波動程度最大。伸根期豫南煙區(qū)降雨量超過10 mm 的日數(shù)最多，平均值為3 d；其他3 個煙區(qū)平均值均為2 d。旺長期豫南煙區(qū)降雨量超過10 mm 的日數(shù)最多，平均值為3 d；豫西和豫西南煙區(qū)平均值為2 d，豫中平均值為1 d。成熟期豫西南煙區(qū)降雨量超過10 mm 的日數(shù)最多，平均值為8 d；其他3 個煙區(qū)平均值均為7 d。

圖8 河南省不同煙區(qū)大田期降雨量大于10 mm 的日數(shù)分布

3 討論

本研究利用多元統(tǒng)計和模糊數(shù)學(xué)原理計算河南省煙區(qū)氣候適宜性指數(shù)，其平均為0.796 1，由大到小依次為豫西、豫中、豫南和豫西南，各煙區(qū)差異較小，均為適宜烤煙氣候區(qū)。

作為喜溫作物，烤煙對生育期溫度的需求較高，在大田期最適宜溫度為24～28 ℃［20］。如果大田中后期的平均溫度小于20 ℃，烤煙體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化積累將被抑制，影響其落黃成熟；溫度高低與烤煙質(zhì)量的好壞呈正相關(guān)，20～28 ℃范圍內(nèi)，平均氣溫升高則烤煙內(nèi)在質(zhì)量也會提高［21］。本研究結(jié)果可知，2010—2017 年河南省煙區(qū)在烤煙旺長期的平均氣溫呈緩慢的下降趨勢，而伸根期與成熟期的平均氣溫呈緩慢的上升趨勢，并均在2015 年呈短暫的下降特征。河南省各煙區(qū)大田期平均氣溫在20 ℃以上，能夠為優(yōu)質(zhì)烤煙提供良好的溫度條件，且與另外2 個煙區(qū)相比，豫南煙區(qū)和豫西南煙區(qū)在各生育期的均溫較高。

光照度影響烤煙的生長、產(chǎn)量和質(zhì)量，烤煙的生長需要充足的日照時長以及適宜的光照度，8～10 h是每天適宜的日照時長，500～700 h 為大田期適宜的光照時長［22］。河南省煙區(qū)大田期最低和最高值分別為500、1 000 h，適宜范圍在600～800 h［23］。本研究表明，2017 年和2011 年河南省煙區(qū)大田期光照時間出現(xiàn)了最大值和最小值，分別為895.48、683.56 h，兩者相差211.92 h，大田期日照時間變化總體呈明顯上升趨勢。河南省煙區(qū)大田期日照時間能夠滿足優(yōu)質(zhì)烤煙對光照時間的需要，平均值為776.50 h。

水分是烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量的形成基礎(chǔ)，對煙株的生長發(fā)育有重要影響。大田期的降雨量和分布情況對煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)有直接且明顯的影響。河南省煙區(qū)大田期最大和最小降雨量分別為800、300 mm，適宜降雨量的范圍在500～600 mm［24，25］。本研究結(jié)果表明，河南省煙區(qū)大田期總降雨量平均為442.81 mm，煙草旺長期與雨季同步，煙株需水時期與雨期相適應(yīng)。河南省煙區(qū)伸根期和成熟期的降雨量總體為緩慢下降的趨勢，旺長期的降雨量總體呈明顯的上升趨勢。與各煙區(qū)相比，豫南煙區(qū)在整個生育期的降雨量均值最高。成熟期的降雨量略少，有利于形成煙葉內(nèi)的脂溶性香氣物質(zhì)。同樣，煙葉內(nèi)濃香型致香物質(zhì)的合成與河南省煙區(qū)溫度較高、大田后期日照時間較多的典型氣候特征有關(guān)，這可能是煙葉具有“濃香型”風(fēng)格的原因。

伴隨著極端氣候事件頻發(fā)的全球變暖，將不可避免地對未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉活動產(chǎn)生重要影響?？緹熒L過程中，田間溫度高于35 ℃的情況下，葉片內(nèi)的煙堿合成量會增加，也會抑制煙草植株的生長。即使在短時間內(nèi)，極端高溫也將對成熟期間煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)造成重要影響［23，26］。本研究表明，2010—2017 年河南省各煙區(qū)在各生育期均出現(xiàn)35 ℃以上的極端高溫，尤其是大田后期。同時在伸根期各煙區(qū)均出現(xiàn)5 ℃以下的低溫天氣，甚至出現(xiàn)0 ℃以下的極端低溫，容易導(dǎo)致早花現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于烤煙生長很不利。日降雨量超過10 mm 的陰雨天氣在成熟期出現(xiàn)最多，尤其是豫西南煙區(qū)，最高達(dá)到了16 d。因此，河南省煙區(qū)低溫冷害易出現(xiàn)在伸根期，而高溫、多雨等惡劣氣候易出現(xiàn)在大田后期。

4 小結(jié)

1）河南省各煙區(qū)為最適宜或適宜烤煙氣候區(qū)，各項氣候指標(biāo)均能滿足優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)的需要。

2）河南省煙區(qū)2010—2017 年烤煙旺長期均溫總體呈下降趨勢，而伸根期和成熟期均溫總體呈上升趨勢。

3）河南煙區(qū)2010—2017 年伸根期和成熟期降雨量總體呈下降趨勢，而旺長期降雨量總體呈上升趨勢。

4）河南省煙區(qū)2010—2017 年大田期日照時間整體呈明顯的上升趨勢，其間經(jīng)歷短暫下降。

5）河南省煙區(qū)伸根期應(yīng)注意預(yù)防低溫冷害，而大田后期應(yīng)注意防澇、防高溫等惡劣天氣。