三门峡市烤烟种植气候适宜性因子变化特征分析

蔡 涛

（1中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2三门峡市气象局，河南三门峡 472000）

0 引言

烤烟是一种对环境极为敏感的经济作物，气候因素是影响烤烟布局及生长发育的重要因素，只有在一定的光、温、水等气候条件下烤烟才得以良好生长[1-3]。由于烟叶是烟株感受外界环境的主要器官之一，因而对环境变化反应十分敏感，各生育期的气候变化必然对烟叶的外观及感官评吸产生一定影响[4-5]。在全球气候变暖的背景下，气温和降水的改变强烈影响区域的气候状况[6]，从而影响烤烟种植的气候条件。气候变化对烤烟种植的影响受到越来越多专家学者的关注。徐庆凯等[7]分析了江西省烟区近40 年的气候特征，并与国外优质烟区气候进行了对比分析；邓明军[8]等基于GIS对广西靖西烟区烤烟种植生态适宜性进行了分析；杨志清[9]利用灰色关联度方法分析了云南省烤烟种植气候适宜性；程立锐等[10]详细分析了四川省什郁市气候因子变化对当地烟叶生产的利弊影响。目前有关三门峡烤烟气候影响因子变化特征和气候适宜性的研究却鲜见报道。三门峡市地处河南省西部，属山地丘陵地貌，山地、丘陵占总面积的90%以上，海拔高度约200～2300 m，是北亚热带与暖温带的过渡带，兼有南北气候特点，土壤富含有机质和磷、钾等微量元素，适宜优质烤烟的种植。2019 年三门峡共收购烟叶2.1175×107kg，烟农售烟收入5.9亿元，连续15年烟叶质量、数量稳居全省第一[11]。三门峡烤烟是中国浓香型烤烟的典型代表，烟叶内含物质丰富、气香质好、口味醇和，有“代云烟”之称[12]。本研究根据烤烟对气候条件的要求，结合三门峡本地烤烟种植气候适宜性指标，就1960—2018年三门峡烤烟主要气候影响因子变化特征以及对烤烟种植适宜性的影响进行研究和分析，以期为适应气候变化，合理利用气候资源，促进烤烟种植持续稳定发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 主要气候影响因子选取及其适宜性指标的确定

本研究参考中国第三次烟草种植区划指标，在前人研究的基础上[13-16]，从烤烟产量、品质、病虫害3个方面综合考虑，选取大田期日照时数、旺长期降水量、成熟期平均气温作为影响三门峡烤烟种植的主要气候影响因子，并根据专家打分确立了各影响因子适宜性指标（见表1）。烤烟大田期日照时数表示烤烟大田期的平均光照条件，是影响烤烟产量和品质的重要气候因子。旺长期是烤烟需水量最大的时期，占全生育期总需水量的44.0%～46.0%[17]，是改善烟叶细胞结构，促进上部叶开片的最佳时期[18]。成熟期气温是烤烟大田中后期影响烟叶品质形成的重要气候因子，适宜的温度才能保证烤烟光合作用和内在品质的形成。

表1 三门峡市烤烟气候适宜性影响因子量化指标

使用三门峡市农业气象观测站2009—2018 年烤烟发育期观测资料确定三门峡烤烟大田生长期为5月中旬—9月上旬，旺长期为7月上旬—7月下旬，成熟期为8 月中旬—9 月上旬。使用三门峡市4 个气象观测站（站点分布见图1）1960—2018年逐日气象资料并按上述时间段进行统计分析。

图1 三门峡市气象站点分布

1.2 分析方法

使用气候倾向率和气候趋势系数法分析各影响因子过去59年变化趋势，采用变异系数分析旺长期降水量年际变化波动特征，使用R/S分析法分析各影响因子未来的气候变化趋势。

气候倾向率在气象学中，可以用气象要素的时间序列与自然数数列之间的相关系数，来反映要素的长期倾向性变化，可以建立y与ti之间的一元线性回归方程(1)[19-20]。

式(1)中，y(t)为气象要素的拟合值；t为时间序列；a为气候倾向率，a＞0表示直线递增，a＜0表示直线递减，a×10表示每10年的变化率。

变化趋势的显著性利用时间与变量序列间的相关系数即气候趋势系数进行检验[21]，计算公式见参考文献[15]。根据蒙特卡罗模拟方法[22]，通过信度α=0.1、0.05、0.01 显著性检验所对应的相关系数临界值分别为0.3058、0.3653、0.4430，当气候趋势系数绝对值大于上述临界值时，则认为变化趋势较显著、显著和十分显著。

变异系数是衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量，是标准差与平均数的比值，可以用于衡量数据的波动性[23]。其计算见公式(2)。

式(2)中，v为变异系数，s为数据的标准差；为数据的平均值。在本研究中，计算10 年滑动波动系数值，对比分析波动变化程度。变异系数越小，其波动程度越小；反之，变异系数越大，波动程度越大，波动程度的大小表达了降水变异的程度，可以反映出区域气候脆弱性特征。

R/S分析法是用气候要素时间序列计算出Hurst指数来揭示气候要素时间序列的趋势性[24]。具体计算方法见参考文献[24]，在此不再赘述。对于不同的Hurst指数(h)意味着序列有不同的趋势变化：当0.5＜h＜1.0时，表明时间序列的长期相关性特征为持续性，h值越接近1.0 持续性就越强，当0.0＜h＜0.5 时表明时间序列的长期相关性特征具有反持续性，h值越接近0.0反持续性就越强。R/S分析法的重要应用价值就在于用Hurst指数的趋势性成分对未来气候变化进行趋势预测[25]。

2 结果与分析

2.1 大田期日照时数变化特征

三门峡市历年大田期日照时数如图2a所示，历年平均日照时数为824.4 h，最大值为1065.8 h，出现在1997 年，最小值为535.7 h，出现在2010 年。从空间分布来看，三门峡站平均日照时数最多，为861.6 h，其后依次为灵宝842.2 h、渑池828.3 h，卢氏最少为765.6 h。使用气候倾向率法和趋势趋势系数方法计算各烟区的日照变化趋势及趋势系数见表2。1960年以来三门峡市日照时数呈明显的减少趋势，减少速率为36.4 h/10 a，趋势系数为-0.569。气候倾向率绝对值大小为灵宝＞全市平均＞三门峡站＞渑池＞卢氏，以灵宝日照时数减少趋势最为明显，卢氏最小。通过计算趋势系数可知大田期日照时数卢氏呈显著性减少趋势，其他3 个站点均为十分显著性减少趋势，整体上呈十分显著性减少趋势。计算各年代平均值得20世纪60、70、80、90年代和21 世纪00 年代分别为924.9 h、881.9 h、780.4 h、883.2 h 和755.6 h，2011—2018 年平均值为700.9 h，变化曲线见图2b，自20 世纪90 年代以来日照时数呈连续下降趋势，据表1可知2010年以前各年代平均日照时数均在适宜区间内，但2011—2018年平均值已下降至较适宜区间内。

2.2 旺长期降水量变化特征

三门峡市烤烟旺长期平均降水量变化趋势如图2c所示。1960—2018年间平均降水量为120.2 mm，最大值为2007 年的292.0 mm，最小值为2014 年的34.8 mm，极差为257.2 mm，降水量年际差异较大。由表2 可知三门峡各气象站点之间降水量差异较小，以卢氏年均降水量最大，三门峡站最小。全市平均降水量以2.7 mm/10 a的速率呈逐年减少趋势，其中渑池减少趋势最为明显，但所有站点的变化趋势系数均未通过显著性检验。统计各年代平均降水量（见图2d），20世纪60、70、80、90 年代和21 世纪00 年代分别为127.4、119.7、126.1、106.2 和133.1 mm，2011—2018 年平均值为100.4 mm，20 世纪60 至80 年代距平值均为正，从20 世纪90 年代开始变化浮动较大，呈现出“负-正-负”的交替性变化特点，特别是2011年—2018年平均降水量与其他各年代相比已降至最低。

表2 三门峡市烟区气候影响因子统计值、倾向率及趋势系数

结合表1 可知各站点历年平均值、全市整体平均值都在适宜区间内，旺长期降水量可以满足烤烟正常生长发育需求，但是由于年际间降水量差异较大，历年降水量最大值是最小值的8 倍，旱涝不均现象明显。使用变异系数分析降水量的年际波动情况，以10年为步长计算其滑动标准差和平均值序列，得出1969—2018 年10 年滑动变异系数曲线图（见图2e）。变异系数变化倾向率为0.031/10 a，其趋势系数为0.415，通过了a=0.05的显著性水平检验，说明旺长期降水量不同年份波动变化显著性增大，降水量随时间变化的不均匀性逐年加大。

图2 三门峡市烟区各气候影响因子时间变化

2.3 成熟期平均气温变化特征

成熟期平均气温如图2f 所示，历年平均值为23.1℃，最高值为1997年的26.8℃，最低值为2003年的20.8℃，极差为6.0℃。年际变化总体上呈缓慢上升趋势，倾向率为0.03℃/10a，趋势系数为0.042，上升趋势不显著。由表2可知在4个站点中只有卢氏气候倾向率为负值，说明近59年来卢氏烤烟成熟期平均气温呈下降趋势，而其他站点的变化趋势均与全市整体变化相一致。从年代际变化来看（见图2g），20世纪60年代平均气温为23.5℃，70 年代为23.1℃，80 年代降至最低，为22.4℃，比平均值低0.8℃，20世纪90年代迅速升高至23.7℃，比平均值高0.5℃，20 世纪80—90 年代平均气温经历了从负距平到正距平的大幅上升。21 世纪00 年代为22.6℃，2011—2018 年为23.6℃。总体上看从20 世纪80 年代以后气温上升趋势明显，1981—2018 年气温变化倾向率达0.3℃/10 a，特别是2011—2018年平均气温达到年代平均最高值，但目前不论是全市整体平均值还是各站点平均值都在气候适宜性指标的适宜区间内。

2.3 气候影响因子的未来变化趋势

使用R/S分析法对三门峡烤烟气候影响因子的未来变化趋势进行分析，得出Hurst指数以及变化趋势（见图3），3 个气候影响因子的拟合系数分别0.991、0.953和0.957，拟合效果显著。

图3 气候影响因子的R/S分析

Hurst指数分析中0.5为持续性与反持续性的分界点。大田期日照时数的Hurst指数为0.839，存在明显的赫斯特现象，持续性较强，说明三门峡烤烟大田期日照时数未来变化与过去变化趋势具有较强的一致性，即呈显著性减少趋势。旺长期降水量的Hurst指数为0.611，虽存在赫斯特现象，但持续性较弱，其未来变化趋势也与过去59年的变化趋势保持一致，即有逐步减少的趋势。成熟期平均气温Hurst指数为0.641，同样大于0.5，即研究区烤烟成熟期平均气温未来仍将呈缓慢上升的变化趋势。

3 讨论

3.1 大田期日照时数的变化及其影响

中国气象局《中国气候变化监测公报（2013）》指出，1961—2013年中国平均年日照时数呈显著减少趋势，平均每10年减少34.1 h。刘晓迎等[26]、姬兴杰等[27]的研究结果显示河南省烤烟大田期日照时数呈显著性减少趋势。郭松等[28]研究结果表明豫西地区1971—2005 年烤烟大田期日照时数以25.4 h/10 a 的速率减少。本研究结果表明1960—2018 年三门峡烤烟大田期日照时数平均每10 年减少36.4 h，变化趋势与上述的研究结果相一致，只是变化速率不同，这主要是因为研究区域和研究时段不同所造成。烤烟生长期经历天数与同期日照为正相关关系[28]，即日照时数减少会相应的缩短烤烟大田生长期，减少干物质净积累量。烟草是喜光植物，其质量的好坏与日照时数关系密切[26]。目前三门峡烤烟大田期日照时数虽在适宜性指标最优区间内，但2011—2018 年平均值已下降至700.9 h，已降至适宜区间内，且R/S分析结果表明这一减少趋势在未来一段时间仍将保持较强的持续性，随着日照时数持续减少，势必对烤烟的产量和品质产生不利影响，从而可能导致烤烟种植适宜区面积不断缩小。在实际生产中，如果当年日照时数明显偏少，可采取追肥、推迟采收等措施延长烤烟大田生长期，增加烤烟干物质的积累转化。另外，三门峡市多为山地丘陵地形，地势高低起伏，应尽量选择阳坡或半阳坡地种植烤烟，可以获得更多的日照时间，有利于提高烤烟品质。

3.2 旺长期降水量的变化及其影响

降水对烤烟的影响不决定于年降水量的大小，而主要决定于雨量的分布[29]。旺长期充足的雨水有利于烤烟茎叶迅速生长，提高产量。从多年平均值看，三门峡烤烟旺长期降水量处于适宜或较适宜区间内（见表1、表2），基本可以满足优质烤烟的生育需求，对增加土壤水分、促进烟株生长十分有利，但是从年际变化以及年代际变化看1960 年以来三门峡烤烟旺长期降水量均呈不断减少的变化趋势，同时表示降水量年际变化波动性的变异系数也呈显著性增大的变化趋势，这表明三门峡烤烟旺长期缺水干旱或渍涝的几率在增加，不同年份旱涝不均的情况将更加明显。这与刘国顺等[30]、张志高等[31]、王新伟等[32]的研究结果相一致。周义等[33]也指出近些年降水的季节、年际变化振荡加剧，扰乱了局部区域农业用水供需平衡，水资源短缺及其承载力将成为一个严峻的问题，导致烤烟种植风险加大，适宜性降低。对于三门峡地区，更应加强农田水利设施建设，尽量选择土壤肥力较好、有稳定灌溉条件的地块进行烤烟种植，培育耐旱耐涝的强抗逆性烤烟品种也是应对不利气候因素影响的有效措施之一。

3.3 成熟期平均气温的变化及其影响

成熟期气温是决定烟叶香型表现的决定因素，成熟期较高的均温是浓香型烟叶的典型特征[34-36]。三门峡烤烟成熟期气温不论是整体或单个气象站点的多年平均值，都处在适宜性指标的适宜区间内（见表1、表2），说明三门峡烤烟成熟期气温能够充分满足烤烟这一阶段生长发育的要求。从时间变化上看，成熟期平均气温呈现出先下降后上升的波动性变化，特别是从20 世纪80 年代开始平均气温上升速率显著增大，达0.3℃/10 a，明显高于中国同期0.22℃/10 a 的上升速率[37-38]。由此可见，在全球气候变暖的背景下，中纬度附近烟区普遍表现出时间和空间上气温上升的变化[39-40]，在三门峡地区也有同样的表现。姬兴杰等[41]、孟寒冬等[42]研究结果指出河南省不同区域气候资源条件在空间上虽有差异，但比较能够满足烤烟生长发育对适宜气候资源的要求，未来气候变化情景下，绝大多数温热要素将有显著上升趋势，有利于河南浓香型烤烟香气品质的提升。三门峡成熟期平均气温1960 年以来一直呈上升趋势，R/S分析结果表明未来也仍将保持上升趋势，这一变化趋势有利于烤烟品质的提高，气温高、光照足有利于烤烟叶片物质的充分转化，特别是卢氏、灵宝海拔较高的山地气温偏低，气温上升更加有利于烤烟成熟期干物质的合成和积累。需要指出的是1960—2018 年卢氏县烤烟成熟期平均气温虽呈下降趋势，但R/S分析结果显示未来与三门峡整体变化趋势相一致，也呈上升趋势。

4 结论

当前三门峡地区的气候条件能够满足优质烤烟的种植，适宜的光照、温度和降水有利于烟株的物质形成、积累和转化。未来气候变化趋势对烤烟种植的影响则是利弊共存，成熟期气温不断升高促进了浓香型烤烟内在品质的提升，另一方面大田期日照时数和旺长期降水量不断减少，对烤烟产量和品质形成产生不利影响，旺长期降水量年际波动增大导致旱涝灾害几率增加。三门峡地区地形复杂，立体气候特征突出，相关部门在制定烤烟种植规划时应充分结合当地气候条件以及气候变化趋势，合理规划，加强烟区气候预测分析，完善烤烟各生育期气象监测体系，最大限度地减少气候变化对烤烟生产带来的不利影响。