湘西州烟区气候时空变化特征研究

成志军，张黎明，姜碧琼，向剑明，田明慧，何斌彬*，姚秉富，李强

(1 湖南中烟工业有限责任公司，湖南 长沙 410014； 2 湖南省烟草公司湘西州公司，湖南 吉首 416000；3 湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

烟草是适应能力很强的作物，在60°N至40°S的不同生态条件下均可以完成其生命周期，但烟叶产量和品质对气候条件要求很高[1]。气候因素中温度、水分、光照均会影响烟叶品质。有研究认为，烤烟的最适生长温度为18～28 ℃，高温和低温对烟草的生长及品质都有一定的影响[2]；而极端气候对作物往往会造成不可逆的伤害，与常温(23.5 ℃)相比，16.5 ℃(相对低温)和30.5 ℃(高温)均会抑制烟株生长，叶片 Rubisco羧化酶活性降低，进而影响烟株的光合作用[3]。烤烟对水分的需求量表现为伸根期少，旺长期多，成熟期少的规律，通过水分调控可改善烟株的光合参数，进入旺长期后增加灌水能够提高烟叶的糖含量，降低其烟碱和氮含量[4]。

近年来，有学者对多个烟区的气候因子变化进行了研究。胡颖梅等[5]的研究显示，陕西各产区烤烟生育期间降水量年际波动较大，是烤烟种植的主要限制因素；多数产区气温适宜度呈显著升高趋势，宝鸡和咸阳产区的烤烟气候适宜性显著升高。陈颐等[6]研究发现，桂阳烟区各生育期平均气温呈上升趋势，并采用Mann-Kendall检验发现烤烟苗期、伸根期和旺长期均温都发生了突变；降水量变化趋势呈现伸根期下降、成熟期上升趋势，并且在20 世纪90 年代伸根期和成熟期出现突变点。胡雪琼等[7]利用气候模拟数据和气象台站实测数据，分析了云南烤烟种植气候适宜性分布的变化，结果显示未来气候背景下，云南烤烟种植气候适宜区分布呈北抬东扩的趋势，未来云南烤烟可种植区域将逐渐增加，并认为这主要与未来云南烟区的热量分布变化有关。

湘西是典型的中间香型烟叶原料基地，烟叶原料广受卷烟工业企业青睐。湘西地处低纬度地区，位于中亚热带湿润季风气候区，四季分明，气候类型多样，气候立体性明显，其年平均气温15.8～16.9 ℃，无霜期250～280 d，年平均降水量1 300～1 500 mm，日照时数1 220～1 400 h。近年来，我国气候发生了较大的变化，主要表现为气温上升，降水量增加[8-9]。已有研究显示，由于气候因素的变化，湖南省主要植烟区域的适宜性发生了不同程度的降低或增加[10]。因此研究湘西烟区气候的时空变化特征对湘西烟草种植及烟叶生产具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1970—2014年湘西州8个县市的月平均日平均气温、降水量、日照时数。用Excel 2019 进行统计分析，SPSS 20.0进行显著性分析，其显著水平为P<0.05。

1.2 数据分析

1.2.1 滑动平均法

滑动平均法能够减小随机起伏的测试误差，从而显示出较为平滑的变化趋势[11]，在序列分析中使用广泛。其具体过程如下：

具有n个非平稳数据的时间序列x1，x2，x3，…，xn，每m个相邻数据求一次平均值ft，通常用来表示该m个数据的中点数据或端点数据的结果，并认为此平均值减小了随机误差或消除了噪声信号。数学表达式为：

式中：2k+1=m，k=1时为3点滑动平均，k=2时为5点滑动平均。

1.2.2 气候倾向率

温度和降水气候变化可以用线性方程来表示[12]，采用最小二乘法来计算回归系数，用来表示年际气候变化速率(气候倾向率)，数学表达式如下：

式中：y(t)为气象要素值(温度或降水)；a为线性回归系数，用a×10来表示气候倾向率，其单位为℃/10 a(温度)、mm/10 a(降水)。

2 结果分析

2.1 湘西州烤烟大田期各生育阶段主要气候因子变化特征

湘西州不同地区烤烟大田期略有差异，但大致在4月下旬到9月中旬。为了将问题简化，将湘西州烟区的大田期进行统一处理，整个大田期从5月初开始至8月底结束，具体情况为5月为伸根期(30 d左右)，6月为成旺长期(30 d左右)，7～8月为成熟期(60～70 d)。

表1 湘西烟区大田生育期各阶段时间统计

1970—2014年湘西州伸根期平均气温为20.8 ℃，降水量为216.8 mm，日照时数为112.9 h；旺长期平均气温为24.2 ℃，降水量为237.7 mm，日照时数为116.1h；成熟期平均气温为26.9 ℃，降水量为353.8 mm，日照时数为382.8 h。

就湘西州各个县市来看(表2)，1970—2014年烤烟伸根期古丈县平均气温最低(20.3 ℃)，泸溪县平均气温最高(21.3 ℃)；降水量龙山县最少(206.3 mm)，吉首市最多(237.3 mm)；日照时数保靖县最小(104.2 h)，泸溪县最大(121.2 h)。旺长期古丈县、龙山县平均气温最低(23.9 ℃)，泸溪县平均气温最高(24.8 ℃)；降水量龙山县最少(223.4 mm)，吉首市最多(250.6 mm)；日照时数保靖县最小(103.9 h)，泸溪县最多(128.8 h)。成熟期龙山县平均气温最低(26.4 ℃)，泸溪县平均气温最高(27.8 ℃)；降水量泸溪县最少(306.5 mm)，龙山县最多(396.2 mm)；日照时数保靖县最小(346.0 h)，泸溪县最多(429.0 h)。湘西州烟区不同大田生育阶段不同气象因子的具体关系为伸根期平均温度古丈县<龙山县=凤凰县<保靖县<永顺县=花垣县<吉首市<泸溪县(差异显著)，降水量龙山县<花垣县<保靖县<泸溪县<永顺县<古丈县<凤凰县<吉首市(差异不显著)，日照时数保靖县<凤凰县<吉首市<永顺县<花垣县<古丈县<龙山县<泸溪县(差异不显著)。旺长期平均温度龙山县<古丈县<保靖县<凤凰县=花垣县<永顺县<吉首市<泸溪县(差异显著)，降水量龙山县<保靖县<花垣县<永顺县<凤凰县<古丈县<泸溪县<吉首市(差异不显著)，日照时数保靖县<凤凰县<花垣县<龙山县<吉首市<永顺县<古丈县<泸溪县(差异不显著)。成熟期平均温度龙山县<古丈县<保靖县=花垣县=凤凰县<永顺县<吉首市<泸溪县(差异显著)，降水量泸溪县<凤凰县<保靖县<古丈县<花垣县<吉首市<永顺县<龙山县(差异显著)，日照时数保靖县<龙山县<永顺县<花垣县<凤凰县<古丈县<吉首市<泸溪县(差异显著)。

综合来看，1970—2014年湘西州各县市平均气温、降水量、日照时数的变化规律大致为伸根期、旺长期、成熟期的平均气温不断升高，降水量先增加后减少，日照时数不断增加。另一方面，伸根期、旺长期、成熟期的降水量以及伸根期、旺长期的日照时数各县市之间差异性不显著，说明在整个烤烟大田期湘西州的降水量及日照时数状况较一致。

进一步分析1970—2014年湘西州各县市烤烟不同生育阶段的不同气象因子变异系数。结果如下(表3)：伸根期平均气温变异系数在4.49%～5.13%之间，变幅为0.64%；降水量变异系数在40.07%～59.74%，变幅为19.67%；日照时数变异系数在28.01%～32.60%，变幅为4.59%。旺长期平均气温变异系数在3.21%～3.52%，变幅为0.31%；降水量变异系数在32.96%～65.83%，变幅为32.87%；日照时数变异系数在25.52%～33.77%，变幅为8.25%。成熟期平均气温变异系数2.93%～3.19%，变幅为0.26%；降水量变异系数47.45%～58.24%，变幅为10.79%；日照时数变异系数17.49%～23.95%，变幅为6.46%。接着求出各县市不同时期、不同气象因子的变异系数的平均值，用来衡量其气候稳定性大小，均值越大表明越不稳定。综合来看，湘西州在1970—2014年各县市气候稳定程度大小关系为：伸根期龙山县>泸溪县>古丈县>花垣县>保靖县>吉首市>永顺县>凤凰县；旺长期龙山县>永顺县>古丈县>花垣县>泸溪县>吉首市>保靖县>凤凰县；成熟期花垣县>古丈县>凤凰县>龙山县>保靖县>泸溪县>吉首市>永顺县。总体来看，以生育阶段为单位，各气象因子之间的变异系数大小关系均为降水量>日照时数>平均气温，且两两之间差异性达到了极显著水平；以气象因子为单位，各生育阶段间变异系数大小关系略有差异，大致为平均气温：伸根期>旺长期>成熟期(差异性不显著)，降水量：旺长期>成熟期>伸根期(差异性不显著)，日照时数：伸根期>旺长期>成熟期，且成熟期日照时数差异性达到极显著水平。这说明在1970—2014年湘西州烤烟大田期平均气温、降水量、日照时数之间，降水量年际波动较大，而气温较为平稳。综合来看，在伸根期、旺长期、成熟期之间，旺长期各气候因子年际间的波动较大，而成熟期各气候因子较为平稳。

表2 1970—2014年湘西州烤烟各生育阶段气候变化特征

表3 1970—2014年湘西州烤烟各生育期阶段气候变化变异系数

2.2 湘西州烤烟大田期气候时空变化特征

1970—2014年湘西州烤烟大田期平均气温为24.7 ℃，降水量为808.4 mm，日照时数611.6 h。就湘西州各县市而言，1970—2014年烤烟大田期平均气温、降水量、日照时数大小关系如下(表4)：平均气温龙山县=古丈县<保靖县=凤凰县<花垣县<永顺县<吉首市<泸溪县(差异显著)；降水量泸溪县<凤凰县<保靖县<花垣县<古丈县<龙山县<永顺县<吉首市(差异不显著)；日照时数保靖县<龙山县<凤凰县<永顺县<花垣县<古丈县<吉首市<泸溪县(差异显著)。

表4 1970—2014年湘西州烤烟大田期气候特征

滑动平均法能减小随机起伏的测试误差，从而显示出较平滑的变化趋势，应用广泛。采用滑动平均法对1970—2014年湘西州烤烟大田期平均气温、降水量、日照时数进行分析，以确定其变化趋势。通过绘制湘西州各县市1970—2014年气候因子的5年滑动曲线(图略)可发现，各县市的平均气温、降水量、日照时数呈现出相似的规律：平均气温较为平稳，但有震荡上行的趋势；降水量在2006年之前变化较为平缓，而2006年之后出现急剧增加，到2009年之后又急剧减少；日照时数与平均气温相反，即有震荡下行的趋势。

为了定性地描述平均气温、降水量、日照时数的变化趋势，现引入气象学中气候倾向率的概念。温度和降水气候变化可用线性方程来表示，采用最小二乘法计算回归系数，来表示年际气候变化速率，即气候倾向率。温度和降水量的气候倾向率的单位分别为℃/10 a、mm/10 a。同时，采用同样的方法计算日照时数的气候倾向率，其单位为h/10 a。计算结果如表5所示。综合来看，1970—2014年湘西州烤烟大田期平均气温在不断上升(气候倾向率为0.10～0.20 ℃/10 a)，降水量增加(气候倾向率为59.34～311.04 mm/10 a)，日照时数减少(气候倾向率为-0.18 ～-119.06 h/10 a)。且湘西州各地区的气候倾向率大小关系为：平均气温泸溪县<永顺县<保靖县<古丈县<凤凰县<吉首市<花垣县<龙山县；降水量龙山县<古丈县<泸溪县<花垣县<保靖县<吉首市<永顺县<凤凰县；日照时数花垣县<泸溪县<凤凰县<古丈县<龙山县<永顺县<吉首市<保靖县(其中古丈县为正值)。

表5 1970—2014年湘西州烤烟大田期气候倾向率

3 讨论

就生长发育而言，烟草对气候适应能力很强，但优质烟叶的形成对气候条件要求十分苛刻，要求生育期内光、温、水、气高度耦合。本研究着重分析了1970—2014年湘西州烤烟各生育期气候状况及变化。总体上，近年来湘西州烟区气候变化十分明显。湘西州各县市生育期平均气温都在适宜范围内，且年际间变异系数较小，这与方红等研究结果一致[13]。湘西州各县市各生育期降水量均偏多，过多的降水并不利于品质的形成，如旺长期雨量过大会降低烤烟的糖碱比，不利于烟叶品质的提高[14]，而成熟期降水量增加会使烟叶的厚度变小[15]。湘西州各县市大田期的日照时数较为充足，基本在适宜范围内。

气候倾向率能反应气候因子在某地区的变化趋势，其结果可用来预测某地区相应气象因子在未来的表现情况。通过气候倾向率计算发现，湘西州烤烟大田期平均气温上升，降水量增加、日照时数减少，且各县市整体状况较一致，这与陈颐的研究结果基本一致[6]。从不同区域的变化来看，湘西州平均气温变化趋势为西北与西南地区上升较快，东部地区上升较慢；降水量西南部、东北及中部地区增加较快，西北地区及东部地区增加较慢；日照时数北部地区减小较快，而南部地区减小较慢，甚至还有增加的区域(古丈县)。

4 结论

1970—2014年湘西州各县市平均气温、降水量、日照时数的变化规律大致为伸根期、旺长期、成熟期的平均气温不断升高，降水量先增加后减少，日照时数不断增加；并且伸根期、旺长期、成熟期的降水量及伸根期、旺长期的日照时数各县市之间差异不显著。5年滑动平均结果显示，各县市的平均气温、降水量、日照时数呈现相似的规律：平均气温较平稳，但有震荡上行的趋势；降水量在2006年之前变化较为平缓，而2006年之后出现急剧增加，到2009年之后又急剧减少；日照时数表现出与平均气温相反的趋势，即有震荡下行的趋势。