广西柑橘气候适宜度模型

刘 武，莫家尧，李 政，王建东，郑传伟，张 蕾

（1广西来宾市气象局，广西来宾546100；2广西气象科学研究所，南宁530000；3国家气象中心，北京100081）

0 引言

柑橘是世界第一大宗水果，全球有135个国家生产柑橘，中国是柑橘的原产国之一，种植面积甚广，目前全国柑橘总产量已经超过4000万t，广西、广东、四川、重庆、江西、湖北、浙江等10个省（区）是柑橘主产区。2018年广西柑橘产量超过800万t[1]，产能大量扩张背后是市场供应过量和投入成本增加导致净利润缩减，据报道广西柑橘2018—2020年已连续3年走难，可见如何合理规划、错峰种植和提高管理水平成为广西柑橘产业当下面临的严肃问题[2]。科学利用气候资源，充分发挥气候监测评估在柑橘生产中的应用，减少农药、化肥、灌溉投入，以达到节本增效、提高市场竞争力的目标，是一个值得考虑的手段。前人开展了大量作物气候适宜度模型的研究，可以大致按研究方法和对象分为2类，研究方法主要集中在气候适宜性特征分析[3-10]、开展区划应用[11-13]、开展风险评估[14-16]、产量预报[17-18]、气候对品质影响分析[19]、建立模型开展业务应用[20]等；研究对象包括玉米、水稻、棉花等；对柑橘与气候关系的研究也不少，如沈兆敏[21]一直对中国柑桔的生产分布情况、发展规划进行跟踪报导，对柑橘的生长习性、栽培技术开展了研究，金国花、马德栗、刘志雄等[22-24]开展了湖北省的气象灾害对柑橘影响研究，倪超[25]对江西的柑橘产量气候因子开展了研究。

本研究在前人使用的作物温、光、水适宜度数学模型的基础上进行改进，将柑橘的气候生长习性要求按照本地气候特征进行逐日分配，建立日尺度的广西柑橘气候适宜度评价模型，为柑橘的气候适宜度评估，监测业务应用提供一种定量化的参考模型。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

广西壮族自治区(104°28′—112°04′E，20°54′—26°24′N)地处低纬度，属亚热带季风气候区，年平均气温17.5～23.5℃，年平均降水量841.2～3387.5 mm，年日照时数1213.0～2135.2 h，气温暖和，雨水丰沛，光照充足，是全国最适宜栽培柑橘的地区之一。柑橘在广西各地均有种植，是该地种植面积最大的水果。

1.2 资料来源及处理

研究区1961—2018年气象数据来源于广西地区87个国家气象站的平均气温、最高气温、最低气温、降水量、蒸发量、日照时数等逐日数据。柑橘生长气候习性暂参照前人研究结果及经验[26]，建立柑橘适宜气温习性阈值表（表1），年需水量取1500 mm，年适宜日照时数取1350 h，考虑到作物需水量与蒸发量相关性较大，需水量的年内逐日变化规律使用蒸发量代替。利用Matlab 2018b对数据进行运算分析和绘制适宜度时空分布图，适宜度分类采用K均值聚类分析法。

表1 柑橘适宜气温习性阈值表 ℃

1.3 研究方法

1.3.1 温度适宜度 作物温度适宜度函数目前多采用与作物三基点温度相匹配的非线性beta函数[式(1)]的分段函数，beta函数较合理地描述温度从作物生长下限温度以下至上限温度以上的适宜度变化过程，即适宜度随气温由低到高变化先增加到最适宜后下降到不适宜，3个变化的临界点为作物下限温度、最适温度和上限温度。

1.3.2 可利用降水适宜度 可利用降水适宜度采用比率分段函数来描述，即可利用降水占作物需水量的比率[式(2)～(3)]，当可利用降水未达到需水量时，可利用降水占作物需水量的比率小则作物适宜度小，反之则大，当可利用降水已满足作物需水且超过一定比率时，会造成一定的渍涝害，影响作物呼吸作用而使得适宜度下降，当可利用降水恰好满足需水量时，适宜度最大。

式中，S(R)为作物可利用降水适宜度；R0作物需水量；c经验常数，这里取4.0，用以描述可利用降水超过需水量的倍数；R可利用降水量，由前k日降水量与权重系数的乘积得到[式(3)]，PRE降水量，权重w=1/da，d为距离分析日期的日数，取1,2,…,k，这里取k=50，a为经验系数，这里取1.5。

1.3.3 日照适宜度 日照适宜度函数一般采用以自然数e为底数的指数函数的分段函数，即当日照未达到最适宜状态时，作物适宜度呈指数增加，当日照达到最适宜状态时，适宜度保持最大值[式(4)]，当日照从0增加至最适宜状态，适宜度指数从0呈指数上升，直至达到最适宜状态。

式中，S(S)为适宜度，为了便于计算这里的日照只考虑日照时数，s实际日照时数；s0最适日照时数；b经验常数，这里取s0/2。

1.3.4 气候综合适宜度 作物的气候综合适宜度，为各气象要素适宜度与权重乘积的合计，因此作物的气候综合适宜度可表示为式(5)。

式中，S为某时间气候综合适宜度，WR、WS、WT可利用降水、日照和温度的权重系数，本研究将温度细分平均气温、最高气温、最低气温，这里平均分配各气象要素的权重。

1.3.5 柑橘各气象要素逐日适宜度的确定方法 为获得广西柑橘的日最适宜气温T0、日需水量R0和日最适日照时数s0，研究以广西各气象要素历年逐日变化特征作为本地气候特征曲线，将柑橘生长气温、降水和日照习性按照本地气候特征进行逐日分配，得到全年逐日的T0、R0和s0，如式(6)～(7)。

式中，Mi为某日某气象要素最适宜值；i为日序，取1,2,…,365；D为作物对温、光、水需求的订正系数，根据表1中气温最适值或年需水量、年适宜日照时数进行订正；f(x)为平均气温、最高气温、最低气温、蒸发量、日照时数的历年逐日平均回归方程。

2 结果与分析

2.1 广西各气象要素逐日变化特征

广西历年逐日平均气温回归拟合决定系数0.9896，拟合效果较理想，在1月前期拟合效果略差，从平均气温拟合曲线可见（图1），广西逐日平均气温呈单峰型，峰值出现在7月左右，所以假设其他环境均适宜的情况下，7月左右广西柑橘达到最适宜温度的峰值。

图1 历年逐日平均气温拟合曲线

广西历年逐日平均蒸发量回归拟合决定系数0.8979，拟合效果较其他要素稍差，从蒸发量拟合曲线可见（图2），蒸发量的逐日变化波动较明显，逐日平均蒸发量呈一波谷一波峰型，在1月底左右蒸发量最小，作物需水量最小，7月左右蒸发量最大，作物需水量最大。

图2 历年逐日蒸发量回归曲线

广西历年逐日日照时数回归拟合决定系数0.9191，较气温稍差，从日照时数拟合曲线可见（图3），日照时数日变化较气温大，逐日日照时数呈一波谷一波峰型，1月底—2月中旬日照最少，在7月左右日照最多。

图3 历年逐日日照时数回归曲线

2.2 适宜度模型的验证

2.2.1 典型年份逐日适宜度 使用广西柑橘气候适宜度模型计算南宁2018年柑橘逐日综合气候适宜度，将逐日适宜度进行30日滑动平均（图4），结果显示，南宁2018年柑橘逐日综合气候适宜度呈单峰型，夏季最高，冬季最低，同时存在一些阶段性的波动，这符合柑橘年内生长规律，夏季气温高生长旺盛，冬季气温低生长较弱或休眠。

图4 南宁2018年柑橘逐日综合气候适宜度曲线

2.2.2 典型气温异常时段逐日适宜度 使用广西柑橘气候适宜度模型计算桂林2008年1—2月柑橘逐日气温适宜度（图5），结果显示，1月8—11日最低气温连续偏高，且偏离常年值较大，适宜度持续下降，最低值小于0.2，12日恢复至接近常年值，适宜度随之上升，15—28日气温持续下降至0℃以下，最低为-1.5℃，适宜度随之降低至0，之后至2月4日气温升至1℃以上，适宜度随之上升，可见无论是异常高温或是低温，模型都能较好地反映气温对柑橘适宜度的影响。

图5 桂林2008年1—2月柑橘逐日气温适宜度、气温曲线

2.2.3 典型降雨异常时段逐日适宜度 使用广西柑橘气候适宜度模型计算来宾2011年6—8月柑橘逐日可利用降水适宜度（图6），结果显示，7月23日—8月5日由于前期降水较少，可利用降水持续减少，适宜度降低，8月6日出现暴雨，可利用降水超过需水量的4倍，适宜度当日有所上升但并未升至最适宜，8月7日可利用降水接近需水量，适宜度升至最大值，模型较好地描述了由干旱至暴雨过程柑橘适宜度的变化过程。

图6 来宾2011年6—8月柑橘逐日可利用降水适宜度(S)、可利用降水(R)曲线

2.3 适宜度时空分布特征

2.3.1 适宜度分类阈值 使用广西柑橘气候适宜度模型计算研究区的逐日气候适宜度指数，对逐个气象要素和综合气候适宜度指数进行分类获得分类阈值，以便适宜度分类，分为最适宜、适宜、较适宜和不适宜4类（表2）。

表2 柑橘气候适宜度分类阈值

2.3.2 广西各气象要素逐年平均适宜度时间分布 使用广西柑橘气候适宜度模型计算广西各地的平均气温、最高气温、最低气温、可利用降水、日照时数的逐年平均适宜度（图7），结果显示，广西逐年平均气温适宜度指数平均值0.907，最小值为2009年的0.884，最大值为1995年的0.937；逐年可利用降水适宜度指数平均值0.627，最小值为2009年的0.551，最大值为1997年的0.697；逐年日照适宜度指数平均值0.577，最小值为2012年的0.496，最大值为2003年的0.667；各要素适宜度指数相比，气温适宜度指数相对较高，且年际变化小，可利用降水和日照适宜度指数相对较低，且年际变化大。

图7 平均气温(Tavg)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、可利用降水(Rain)、日照(Sun)逐年平均适宜度曲线

2.3.3 广西各要素历年平均适宜度空间分布 使用广西柑橘气候适宜度模型计算广西各地的平均气温、最高气温、最低气温、可利用降水、日照时数的历年平均适宜度，并插值到0.01°×0.01°经纬网格点，结果显示：

各县的柑橘历年平均气温适宜度0.843～0.946，均属适宜区，北海市区等县（区）相对较低，西林等县相对较高，见图8(a)；各县柑橘历年平均最高气温适宜度0.767～0.935，除崇左属勉强适宜区，其他各地均属适宜区，崇左市区等适宜度相对较低，靖西等县适宜度相对较高，见图8(b)；各县柑橘历年平均最低气温适宜度指数0.712～0.951，除北海市区属勉强适宜区，其他各地均属适宜区或非常适宜区，整个广西的柑橘历年平均最低气温适宜度大体呈由北向南递减的分布形态，见图8(c)。

各县的柑橘历年平均可利用降水适宜度指数0.534～0.684，均属适宜区，整个广西的柑橘历年平均可利用降水适宜度大致呈由东北向西南递减的分布形态，永福等县适宜度相对较高，百色市区等适宜度相对较低，见图8(d)；各县柑橘历年平均日照适宜度指数0.486～0.747，均属适宜区，北海等县适宜度相对较高，罗城等县适宜度相对较低，见图8(e)；各县的柑橘历年平均综合适宜度指数0.731～0.794，崇左市区属勉强适宜区，其他各地均属适宜区，靖西等县适宜度相对较高，崇左市区等适宜度相对较低，见图8(f)。

图8 柑橘历年平均气温(a)、最高气温(b)、最低气温(c)、可利用降水(d)、日照(e)、综合(f)适宜度空间分布

3 结论与讨论

广西柑橘气候适宜度模型利用广西58年温、光、水、蒸发等6种气象要素资料，使用数学模型方法，根据气象要素的日变化特征和柑橘的气候习性，建立日尺度的柑橘气候适宜度评估模型，为柑橘日尺度的适宜度定量评估工作提供参考，较一些长时间尺度的适宜度模型更精细，避免短时间的极端天气过程被长时间尺度所平滑。

模型的逐日气象要素的拟合效果较好，决定系数均在0.89以上；各要素适宜度指标的分类方法采用通用的数据分类法，减少主观因素，划分结果显示广西大部分地区均属于柑橘种植适宜区，符合实际情况。

广西柑橘各气象要素适宜度空间分布特征受气候分布特征影响明显，平均气温、最低气温适宜度大致是北高南低，最高气温适宜度无明显经纬分布特征；可利用降水适宜度与广西年降水量空间分布相似，呈东北向西南递减的形态；日照适宜度在百色等日照较多的地区较高；综合各要素气候适宜度说明广西柑橘的热量条件充足甚至过多，而降水和日照在一些地区不足，柑橘种植选址时应更多考虑降水和日照因素。

模型结果显示柑橘气候适宜度夏季高冬季低，符合柑橘夏季生长旺盛，冬季生长微弱或休眠，同时适宜度随阶段性的极端高温、低温、干旱、暴雨等异常天气而起落，模型能较好地描述柑橘适宜度随气温、降水和日照变化。

模型利用逐日气候变化特征规律分配柑橘温、光、水的适宜性，摆脱对长期作物观测资料的依赖，值得借鉴，需注意的是该研究的目标是探索一种定量评估作物生长气候适宜度的方法，而非柑橘生长与天气变化的真实生物学关系。