廣西甘蔗生育期內(nèi)氣候資源空間特征及對(duì)氣候變化的響應(yīng)

摘要：利用1961—2020年廣西91個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站逐日氣象數(shù)據(jù)，對(duì)甘蔗（Saccharum officinarum L.）苗期（P1）、分蘗期（P2）、莖伸長(zhǎng)期（P3）和工藝成熟期（P4）氣候資源空間分布特征進(jìn)行分析，同時(shí)采用線性趨勢(shì)分析方法探討甘蔗生育期內(nèi)氣候資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明，在空間分布上，平均氣溫在苗期西高東低，在莖伸長(zhǎng)期和工藝成熟期南高北低；日照時(shí)數(shù)在苗期西高東低，在莖伸長(zhǎng)期東高西低，在分蘗期和工藝成熟期南高北低；降水量在苗期和分蘗期東、東北高西南低，在莖伸長(zhǎng)期西、西南高東北低，在工藝成熟期桂中地區(qū)高、其他區(qū)域低。氣候變化背景下，甘蔗生育期內(nèi)平均氣溫顯著上升，在桂北甘蔗工藝成熟期上升最快；日照時(shí)數(shù)顯著下降，在莖伸長(zhǎng)期時(shí)最明顯；降水量在桂東北甘蔗分蘗期呈部分顯著上升趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：甘蔗（Saccharum officinarum L.）；氣候資源；氣候變化；廣西

中圖分類號(hào)：S162" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）06-0039-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.008 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Spatial characteristics of climate resources during the growth period of sugarcane and their response to climate change in Guangxi

HUANG Wei1， WU Xuan-ke1， LAI Xi-liu1， LIU Lei1， WEI Jian-feng2

（1. Liuzhou Meteorological Bureau/Liuzhou Agrometeorological Experimental Station， Liuzhou" 545001， Guangxi， China；

2. School of Food and Chemical Engineering， Liuzhou Institute of Technology，Liuzhou" 545005，Guangxi， China）

Abstract： Using daily meteorological data from 91 national meteorological observation stations in Guangxi from 1961 to 2020， the spatial distribution characteristics of climate resources during sugarcane seedling stage （P1）， tillering stage （P2）， stem elongation period （P3）， and process maturity stage （P4） were analyzed. Linear trend analysis was used to explore the response of climate resources to climate change during the sugarcane growth period. The results indicated that in terms of spatial distribution， the average temperature was higher in the west and lower in the east during the seedling stage， and higher in the south and lower in the north during the stem elongation period and process maturity stage； the sunshine hours were higher in the west and lower in the east during the seedling stage， higher in the east and lower in the west during the stem elongation stage， and higher in the south and lower in the north during the tillering stage and process maturity stage； the precipitation was higher in the east and northeast， and low in the southwest during the seedling and tillering stages， higher in the west and southwest， and lower in the northeast during the stem elongation stage， and higher in the central Guangxi region during the mature stage. Under the background of climate change， the average temperature during the sugarcane its growth period had significantly increased， with the fastest increase occurring during the mature stage of sugarcane production in northern Guangxi. The number of sunshine hours significantly decreased， with the most significant decrease occurring during the stem elongation stage； the precipitation showed a significant upward trend during the tillering period of sugarcane in northeastern Guangxi.

Key words： sugarcane（Saccharum officinarum L.）； climate resource； climate change； Guangxi

甘蔗（Saccharum officinarum L.）是制糖業(yè)的主要原料，同時(shí)還是纖維、糖業(yè)化工、能源方面的重要原材料。甘蔗喜溫、喜光，廣泛種植于中國(guó)福建省、臺(tái)灣省、廣東省、海南省、廣西壯族自治區(qū)、四川省、云南省等南方熱帶亞熱帶地區(qū)，其中，廣西甘蔗種植面積占全國(guó)甘蔗總種植面積的60%左右，是中國(guó)最大的甘蔗種植省份。廣西甘蔗種植區(qū)域橫跨熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，生育期差異較大，桂南蔗區(qū)在3月上旬開始出苗，11月初即進(jìn)入工藝成熟期，而桂北地區(qū)普遍在11月下旬才工藝成熟。

在氣候變化背景下，作物生育期內(nèi)的氣候資源已發(fā)生顯著變化，但不同地區(qū)差異較大，如針對(duì)水稻的研究，石延英等［1］以水稻主要生育期為時(shí)間尺度得出中國(guó)東北三省稻區(qū)熱量資源和日照時(shí)數(shù)明顯增加，但降水量減少。王學(xué)林等［2］、李建等［3］和高濤濤［4］基于水稻安全生產(chǎn)期得出長(zhǎng)江中下游雙季稻稻區(qū)和中國(guó)早稻主產(chǎn)區(qū)熱量資源和降水量及降水強(qiáng)度增加明顯，但日照時(shí)數(shù)減少。李祎君等［5］發(fā)現(xiàn)華南雙季稻區(qū)熱量顯著增加，但降水量有明顯季節(jié)性變化，主要表現(xiàn)為春秋降水量減少而冬夏增加。針對(duì)玉米方面的研究，淮賀舉等［6］、張麗敏等［7］基于農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站點(diǎn)的物候期觀測(cè)記錄得出東北地區(qū)春玉米生育期內(nèi)日平均氣溫總體呈增加趨勢(shì)，但降水量變化不顯著，張玉芳等［8］得出四川省玉米全生育期和各生育階段熱量資源大多呈升高趨勢(shì)，但日照差和總輻射量呈減少趨勢(shì)，岳偉等［9］采用氣候傾向率、回歸分析等方法得出安徽省夏玉米太陽總輻射量呈顯著減少趨勢(shì)，但生長(zhǎng)季內(nèi)≥10 ℃積溫和降水量變化趨勢(shì)不顯著。此外，關(guān)于小麥［10-12］、油菜［13，14］、花生［15，16］等糧油作物生育期內(nèi)氣候資源的研究也有大量報(bào)道?？偟膩碚f，糧油作物生育期內(nèi)熱量資源基本都呈顯著增加趨勢(shì)，但降水量、日照時(shí)數(shù)、輻射量等的變化趨勢(shì)不同地區(qū)差別較大。廣西地處中國(guó)地勢(shì)第二階梯中的云貴高原東南邊緣，屬亞熱帶季風(fēng)氣候和熱帶季風(fēng)氣候，氣候資源豐富。受全球氣候變暖影響，廣西氣候資源已發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為高海拔、高緯度地區(qū)明顯增溫［17，18］，日照時(shí)數(shù)顯著下降［19］，降水量空間分布不均，時(shí)序上以非均勻性多尺度的周期變化為主［20，21］。關(guān)于廣西氣候資源的研究已有報(bào)道，大多研究以年、季、月為時(shí)間尺度，針對(duì)廣西作物生育期時(shí)間尺度的研究較少。因此，本研究利用1961—2020年廣西91個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站逐日氣象資料，結(jié)合廣西蔗區(qū)不同生育期情況，以生育階段為時(shí)間尺度，分析甘蔗不同生育階段內(nèi)氣候資源的空間分布情況及對(duì)當(dāng)前氣候變化的響應(yīng)，旨在為廣西甘蔗充分利用氣候資源、提升應(yīng)對(duì)氣候變化能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 地理與氣象數(shù)據(jù)

從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心獲取廣西1∶250 000基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。從廣西壯族自治區(qū)氣象局獲取1961—2020年廣西91個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站逐日氣象資料，包括平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等，氣象觀測(cè)站空間分布如圖1所示。

1.2 甘蔗生育期劃分

參考陳燕麗等［22］的研究方法，將廣西蔗區(qū)分為桂北、桂中和桂南3個(gè)種植區(qū)，甘蔗生育期分為苗期（P1）、分蘗期（P2）、莖伸長(zhǎng)期（P3）和工藝成熟期（P4）4個(gè)階段，各蔗區(qū)生育期的時(shí)間如表1所示。

1.3 空間制圖和趨勢(shì)分析方法

空間制圖均在ArcGIS 10.3平臺(tái)進(jìn)行，采用WGS84地理坐標(biāo)系，空間插值方法采用反距離權(quán)重插值法（IDW），采用直線回歸方法分析廣西甘蔗生育期溫、光、水線性變化趨勢(shì)［23］，并采用0.05顯著水平對(duì)趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗生育期內(nèi)氣候資源空間分布特征

2.1.1 甘蔗生育期內(nèi)平均氣溫的空間分布特征 圖2為1961—2020年廣西甘蔗4個(gè)生育階段平均氣溫的空間分布情況。從圖2a可知，P1時(shí)平均氣溫為17.5～22.2 ℃，空間差異明顯，桂西地區(qū)平均氣溫最高，為20.9～22.2 ℃，桂南地區(qū)、桂東地區(qū)次之，桂中地區(qū)和桂北地區(qū)的平均氣溫相對(duì)較低；從圖2b可知，P2時(shí)平均氣溫為22.1～27.3 ℃，空間上從桂北地區(qū)向桂南地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，其中，南寧市中部以南地區(qū)平均氣溫為26.4～27.3 ℃，以河池市、柳州市、桂林市為主的桂中、桂北大部地區(qū)平均氣溫均低于25.7 ℃；從圖2c和圖2d可知，P3和P4時(shí)平均氣溫的空間格局基本一致，均為從桂北地區(qū)向桂南地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，P3時(shí)廣西中部、南部大部地區(qū)的平均氣溫均為25.5～27.8 ℃，P4時(shí)桂北地區(qū)氣溫較桂南地區(qū)明顯偏低，大部地區(qū)的平均氣溫均低于15.8 ℃，而桂南地區(qū)的平均氣溫仍維持在20.1～23.2 ℃。

2.1.2 甘蔗生育期內(nèi)日照的空間分布特征 圖3為1961—2020年廣西甘蔗4個(gè)生育階段日照時(shí)數(shù)的空間分布情況。從圖3a可知，P1時(shí)日照時(shí)數(shù)為111.6～345.8 h，空間差異明顯，空間上從桂東地區(qū)向桂西地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，百色市隆林各族自治縣、西林縣日照時(shí)數(shù)較多，達(dá)300.0～345.8 h，桂中地區(qū)、桂東地區(qū)日照時(shí)數(shù)較少，為116.6～208.3 h；從圖3b可知，P2時(shí)日照時(shí)數(shù)為90.7～314.3 h，空間上從桂北地區(qū)向桂南地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，其中，崇左市和欽州市南部、防城港市日照時(shí)數(shù)較多，達(dá)217.1～314.3 h，以河池市、柳州市、桂林市和賀州市為主的桂中地區(qū)、桂北地區(qū)日照時(shí)數(shù)較少，為90.7～137.2 h；從圖3c可知，P3時(shí)日照時(shí)數(shù)為612.7～1 074.2 h，空間上從桂西北地區(qū)向桂東南地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，其中，梧州市、玉林市、來賓市象州縣和武宣縣、欽州市南部日照時(shí)數(shù)較多，達(dá)902.4～1 074.2 h，河池市天峨縣和南丹縣、百色市樂業(yè)縣和那坡縣、來賓市金秀縣日照時(shí)數(shù)較少，為612.7～721.3 h；從圖3d可知，P4時(shí)日照時(shí)數(shù)為26.1～68.6 h，空間上從桂北地區(qū)向桂南地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，防城港市、玉林市、欽州市、北海市日照時(shí)數(shù)較多，達(dá)54.9～68.6 h，百色市、河池市、柳州市和桂林市的北部地區(qū)日照時(shí)數(shù)較少，為26.1～35.6 h。

2.1.3 甘蔗生育期內(nèi)降水量的空間分布特征 圖4為1961—2020年廣西甘蔗4個(gè)生育階段降水量的空間分布情況。從圖4a可知，P1時(shí)降水量在49.3～320.3 mm，空間差異明顯，從桂西南地區(qū)向桂東北地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，其中，桂林市和賀州市北部的降水量最大，達(dá)212.0～320.3 mm，該地區(qū)甘蔗苗期水分較充足，而崇左市、百色市、防城港市和南寧市西南地區(qū)的降水量相對(duì)欠缺，為49.3～103.5 mm；從圖4b可知，P2時(shí)的降水量為92.3～238.2 mm，降水中心較P1時(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)移，降水量為186.8～238.2 mm的地區(qū)分布在桂林市中部、賀州市西部、貴港市、玉林市和防城港市，降水量為92.3～131.8 mm的地區(qū)主要分布在崇左市和百色市中部和西部地區(qū)；從圖4c可知，P3時(shí)降水量為286.3～931.8 mm，空間差異明顯，從桂東北地區(qū)向桂南地區(qū)呈遞增趨勢(shì)，其中，降水中心主要分布在防城港市和欽州市，降水量為694.0～931.8 mm；從圖4d可知，P4時(shí)降水量整體偏少，降水量?jī)H為3.7～19.4 mm，其中，降水量達(dá)13.6～19.4 mm的地區(qū)僅分布在桂中地區(qū)、防城港市沿海地區(qū)。

2.2 甘蔗生育期內(nèi)氣候資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)

2.2.1 甘蔗生育期內(nèi)平均氣溫的氣候傾向率 圖5為1961—2020年廣西甘蔗4個(gè)生育階段平均氣溫的氣候傾向率。從圖5a可知，P1時(shí)平均氣溫顯著上升的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的61.4%，主要分布在桂中地區(qū)、桂東北地區(qū)和防城港市、北海市沿海地區(qū)，氣候傾向率為0.11～0.60 ℃/10 a，桂東北地區(qū)氣候傾向率較大，為0.21～0.60 ℃/10 a；從圖5b可知，P2時(shí)平均氣溫顯著上升的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的40.7%，主要分布在桂西地區(qū)和桂南地區(qū)，氣候傾向率在0.11～0.30 ℃/10 a，防城港市平均氣溫上升速率最快；從圖5c可知，P3時(shí)平均氣溫顯著上升的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的73.8%，各地市均有分布，氣候傾向率為0.01～0.40 ℃/10 a，防城港市上升速率最快；從圖5d可知，P4時(shí)平均氣溫顯著上升的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的35.2%，主要分布在桂北地區(qū)，氣候傾向率為0.21～0.60 ℃/10 a，上升速率相對(duì)較快，大部分站點(diǎn)上升速率超過0.31 ℃/10 a。

2.2.2 甘蔗生育期內(nèi)日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率 圖6為1961—2020年廣西甘蔗4個(gè)生育階段日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率。從圖6a可知，P1時(shí)日照時(shí)數(shù)顯著上升的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的4.4%，主要分布在桂林市，氣候傾向率為0～20.0 h/10 a，日照時(shí)數(shù)顯著下降的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的13.2%，氣候傾向率為-20.0～-0.1 h/10 a；從圖6b可知，P2時(shí)日照時(shí)數(shù)顯著下降的站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的29.7%，各地市均有分布，氣候傾向率為-20.0～-0.1 h/10 a；從圖6c可知，P3時(shí)日照時(shí)數(shù)顯著下降站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的60.4%，各地市均有分布，氣候傾向率為-50.0～-20.1 h/10 a；從圖6d可知，P4時(shí)日照時(shí)數(shù)僅在桂林市靈川縣、玉林市呈顯著下降趨勢(shì)，且氣候傾向率大于-10.1 h/10 a。

2.2.3 甘蔗生育期內(nèi)降水量的氣候傾向率 圖7為1961—2020年廣西甘蔗4個(gè)生育階段降水量的氣候傾向率。從圖7可知，降水量有顯著變化的時(shí)期為P1和P2，但顯著變化的站點(diǎn)占比較少，多數(shù)站點(diǎn)的降水量未表現(xiàn)出顯著變化趨勢(shì)，其中，P1時(shí)顯著變化站點(diǎn)僅3個(gè)，占站點(diǎn)總數(shù)的3.3%，均呈顯著下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-20.0～-0.0 mm/10 a；P2時(shí)顯著變化站點(diǎn)數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的23.1%，均呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.1～30.0 mm /10 a，主要分布在桂林市、柳州市和河池市；P3時(shí)潿洲島降水量呈顯著上升趨勢(shì)，但其他地區(qū)的降水量均無顯著變化；P4時(shí)全區(qū)降水量變化不顯著。總的來說降水量趨勢(shì)變化并不明顯。

3 討論

廣西地處中國(guó)地勢(shì)第二階梯中的云貴高原東南邊緣，甘蔗種植從南至北橫跨熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，由于氣候條件的不同，廣西常被劃分為多個(gè)不同的蔗區(qū)。陳燕麗等［22］在甘蔗生育期將廣西劃分為桂北、桂中和桂南蔗區(qū)，覃紋等［24］將廣西劃分為桂東北、桂中、桂東南、北部灣沿海、桂西南、桂西北蔗區(qū)以及部分非蔗區(qū)。也有學(xué)者從氣候生態(tài)方面對(duì)廣西進(jìn)行劃分，蘇永秀等［25］根據(jù)甘蔗生產(chǎn)對(duì)氣候條件的要求，以日平均氣溫穩(wěn)定通過20 ℃期間的活動(dòng)積溫、日平均氣溫≥25 ℃的連續(xù)天數(shù)、年平均氣溫、冬季極端最低氣溫和降水量5個(gè)氣候因子為區(qū)劃指標(biāo)，將廣西從北至南依次劃分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜度和不適宜區(qū)，張躍彬等［26］根據(jù)廣西年平均氣溫高、降水量豐富，但日照時(shí)數(shù)少、降水量大于蒸發(fā)量、相對(duì)濕度大的特點(diǎn)，將廣西劃為亞熱帶濕潤(rùn)少光照蔗區(qū)和亞熱帶濕潤(rùn)低蒸發(fā)蔗區(qū)。本研究重在揭示各蔗區(qū)在不同生育階段的氣候資源情況，為甘蔗氣候生態(tài)區(qū)劃分、充分利用氣候資源及種植布局的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

在氣候資源氣候變化方面，本研究得出甘蔗生育期內(nèi)平均氣溫顯著上升，日照時(shí)數(shù)顯著下降，降水量變化不明顯，與廖雪萍等［27］得出的廣西熱量資源呈增加趨勢(shì)、光照資源呈減少趨勢(shì)、水分資源變化趨勢(shì)不明顯的結(jié)論基本一致。在當(dāng)前氣候變化背景下，廣西年平均氣溫顯著上升，高海拔、高緯度的桂北地區(qū)年平均氣溫上升速率較快［18］，本研究P1、P4時(shí)平均氣溫的變化趨勢(shì)及地域分布也有類似規(guī)律。此外，廣西降水量空間分布不均，時(shí)序上以非均勻性多尺度的周期變化為主，線性變化趨勢(shì)仍不明確［20，21］，本研究中蔗區(qū)的降水中心隨生育階段演變較快，年際變化趨勢(shì)也不明顯，與目前關(guān)于廣西降水量的特征研究較吻合。

廣西雖然是中國(guó)第一大甘蔗生產(chǎn)基地，但長(zhǎng)期以來甘蔗平均單產(chǎn)水平并不高，不僅低于廣東甚至還低于云南［28］。因此，應(yīng)充分挖掘廣西甘蔗的氣候生產(chǎn)潛力，優(yōu)化種植布局，同時(shí)，積極應(yīng)對(duì)氣候變化帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，完善甘蔗生產(chǎn)氣象災(zāi)害預(yù)警機(jī)制，做好甘蔗精細(xì)化氣象服務(wù)，減少低溫霜凍、干旱等帶來的經(jīng)濟(jì)損失，保障甘蔗生產(chǎn)的順利進(jìn)行。此外，還可通過優(yōu)化甘蔗種植品種，大力推廣高產(chǎn)高含糖量的新品種，加大對(duì)甘蔗主產(chǎn)區(qū)農(nóng)地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和農(nóng)械工具補(bǔ)貼，加快廣西甘蔗“雙高”基地建設(shè)，進(jìn)一步提高甘蔗經(jīng)濟(jì)效益和單產(chǎn)水平。

4 結(jié)論

廣西甘蔗生育期內(nèi)氣候資源空間差異明顯，平均氣溫、日照時(shí)數(shù)以南北差異為主，降水量空間分布隨生育期演變較快。氣候變化下，廣西蔗區(qū)平均氣溫上升，日照時(shí)數(shù)下降，降水量變化不明顯。研究成果旨在為廣西甘蔗充分利用氣候資源、提升應(yīng)對(duì)氣候變化能力提供科學(xué)依據(jù)。

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收稿日期：2022-04-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31860593）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020GXNSFAA159028；2020GXNSFAA297015；2018GXNSFAA281001）；柳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020PAAA0602）

作者簡(jiǎn)介：黃 維（1991-），男（壯族），廣西永福人，工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究，（電話）18579406855（電子信箱）827643506@qq.com；通信作者，吳炫柯（1979-），男（侗族），廣西三江人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究，（電話）13978097077（電子信箱）378892370@qq.com。