气候变化背景下贵州烤烟生长季气候适宜度评价分析

曾晓珊，张 波，孙思思，陈中云，陈 芳，古书鸿

（贵州省山地环境气候研究所，贵州省山地气候与资源重点实验室，贵阳 550002）

烤烟作为贵州重要经济作物，是农民增收致富的主要产业之一，在全面乡村振兴中起到了重要作用。2020 年贵州烤烟种植面积和总产均列全国第二位[1]，是全国重点产地之一。烤烟对生态环境变化极为敏感，适宜的气候条件是烤烟增产丰收、优质高产的重要影响因素[2-4]。在气候变化背景下[5-8]，贵州烤烟生长发育受到影响，进而影响烤烟生产和农民的收入水平。因此，对气候变化背景下贵州省烤烟生长季气候适宜性进行分析有助于促进烤烟产业的持续稳定发展。

气候变化对作物生长气候适宜度影响的研究成果日趋丰富，以往研究多集中在大田粮食作物[9-11]和特色林果[12]上，对于经济作物烤烟生长气候适宜性的研究相对较少。由于不同区域气候条件对烤烟的影响大不相同，前人建立了黔江[13]、曲靖[14]和百色[15]的烤烟气候适宜性评价指标，分析了渝东[16]、文山[17]和陕西[18]的烤烟气候适宜性的变化特征，刘琰琰等[19]结合产量丰歉指数建立的攀西地区烤烟大田生长期气候适宜性评价指标，提高了气候适宜指数模型的准确性，但目前尚无贵州烤烟气候适宜度的相关研究。此外，移栽期是影响烤烟农艺性和化学成分的主要因素之一[20-21]，本文将分析气候变化背景下贵州烤烟适宜移栽期的变化特征，通过烤烟生长发育所需的气象条件建立各生育期温度、日照和降水适宜度函数，构建贵州烤烟生长季综合气候适宜度模型，分析1960—2020 年贵州烤烟气候适宜度的空间分布和变化特征，以期为科学应对气候变化提供理论依据，促进烤烟生产提质增效，助力乡村振兴。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象观测资料来源于贵州省气象大数据平台，由于各台站建站时间不一致，考虑到缺测及台站迁徙所导致的观测资料不完整性，剔除数据缺测较多的站点，选取贵州省1961—2020 年83 个气象观测站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速、日照时数和地面0 cm 平均温度等气象观测资料，气象站点分布如图1 所示。

图1 研究区域及气象站点分布Fig. 1 Distribution of study area and meteorological station

1.2 烤烟生育期确定

根据贵州省烤烟实际生产情况和前人研究结果[22]，选取日平均气温稳定通过13 ℃和地表0 cm平均温度大于等于10 ℃作为移栽期热量指标，根据近60 a 历史观测气象数据，确定烤烟适宜移栽期，同时将烤烟生长季（移栽至成熟采收）120 d，划分为：伸根期（还苗到团棵）30 d、旺长期（团棵到现蕾）30 d、成熟期（现蕾到采收）60 d，以此计算各生育期的温度适宜度、降水适宜度、日照适宜度和生长季气候适宜度。

为了便于统计，选取日序列计算烤烟适宜移栽期，即1 月1 日为序列1，1 月2 日为序列2，…，以此类推。

1.3 温度适宜度

根据烤烟不同生育期对温度的需求，建立温度条件的隶属函数

式中，S(t)为温度适宜度；B为中间参数，T为平均气温，T1、T2和T0分别为烤烟生育期所需的下限温度、上限温度和最适温度，指标参考杨霏云等编著的《实用农业气象指标》[23]，并结合云贵地区的烤烟周年气象服务方案中的生长指标进行修正，如表1 所示。当T≤T1或T≥T2时，S(t)=0，当T=T0时，S(t)=1。

表1 烤烟不同生育期三基点温度和作物系数Table1 Three fundamental point temperature and crop coefficient of flue-cured tobacco at different growth stages

1.4 降水适宜度

烤烟不同生育期对水分的要求不同，综合研究区的实际情况和烤烟的降水量/需水量指标，建立降水适宜度模型，公式如下：

式中，Pi(r)为烤烟第i生育期的降水适宜度；ri为烤烟第i生育期累积降水量（mm）；ETci为烤烟第i生育期需水量（mm）；Kci为烤烟第i生育期作物系数，ET0i为该生育期参考作物蒸散量（ mm ）， 采用粮农组织（ FAO ） 推荐的Penman-Monteith 公式计算，如公式（5）所示，

式中，ET0为潜在蒸散量（mm/d）；Δ 为饱和水汽压-温度曲线斜率（kpa/℃）；Rn为作物表面的净辐射[MJ/（m2·d）]；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）]；T为2 m 处的日平均气温（℃）；r为干湿表常数（kpa/℃）；es为饱和水汽压（kpa）；ea为实际水汽压（kpa）；u2为2 m 处的风速（m/s）。烤烟作物系数参考高晓丽[24]的研究结果并根据贵州当地气候条件对烤烟生育期作物系数进行修正，即：

式中，Kc为烤烟不同生育期订正后的作物系数；Kc（Tab）为烤烟不同生育期标准条件时的作物系数，如表1 所示；U2为2 m 高度处的日平均风速（m/s）；RHmin为日最低相对湿度的平均值；h为作物的平均高度（m）。

1.5 日照适宜度

以可日照时数的45%作为参考，构建烤烟日照适宜度模型，公式如下：

式中，Si（s）为烤烟第i生育期的日照适宜度；Si为日照时数；S0i为可照时数的45%。

1.6 气候适宜度

气候适宜度是综合考虑了温度、降水和日照等多个要素对烤烟不同生育期的影响，采用几何平均和综合乘积的方法，建立烤烟气候适宜度模型，

式中，Fi（t,p,s）为烤烟第i生育期的气候适宜度，Si（t）、Pi（r）、Si（s）分别为烤烟第i生育期的温度、降水和日照适宜度。

1.7 生长季气候适宜度

烤烟生长季气候适宜度是由烤烟不同生育期的气候适宜度模型与其权重的乘积计算得出，计算公式如下：

式中，Wi为烤烟不同生育期权重系数，由信息熵权法和专家决策法确定。

1.8 空间分析方法

将烤烟不同生育期气候适宜度与台站地理信息（经度、纬度和海拔高度）建立推算模型，用各站点的实测值与推算值做算术运算得到残差值，利用ArcGIS 软件中的空间分析功能，用反距离权重插值法对其残差部分进行空间内插，将残差结果与推算结果进行叠加，并用自然断点法进行分级，得到烤烟生长季气候适宜度空间分布图。

2 结 果

2.1 适宜移栽期空间分布和变化特征

由图2a 可知，1961—2020 年贵州烤烟适宜移栽期空间分布差异显著，日序在101～120 之间的地区分布广泛，说明在4 月中下旬时贵州大部植烟区热量条件可以移栽烤烟，是烤烟适宜的集中移栽期。由图2a 和图3 可知，1961—2020 年烤烟适宜移栽期总体趋势是提前的，速率为0.947 d/10 a，其中2011—2020 年烤烟适宜移栽期明显提前，较2001—2010 年提前了6 d。由图2b-2c 可知，与1961—1990 年相比，1991—2020 年贵州约有85.7%区域烤烟适宜移栽期提前，以东部变化最明显（提前6 d 及以上），其次是中北部和中西部地区（提前3～5 d）。

图2 烤烟适宜移栽期空间分布和变化特征Fig. 2 Spatial distribution and variation characteristics of suitable transplanting period of flue-cured tobacco

图3 烤烟适宜移栽期的时间变化曲线图Fig. 3 Time variation curve of suitable transplanting period of flue-cured tobacco

2.2 气候适宜度空间分布及变化特征

2.2.1 伸根期气候适宜度 图4a 表明，1961—2020年贵州烤烟伸根期气候适宜度呈西南高东北低分布，约63.5%区域适宜度在0.60 以上，主要位于中部以西大部、中北部和南部地区，高值区位于西南部。由图4b-c 和表2 可知，与1961—1990 年相比，1991—2020 年烤烟伸根期平均气温升高0.4 ℃，降水量和日照减少，约88.0%区域的适宜度增加，适宜度在0.60 以上的区域面积增加约6.9%。

表2 两个气候年代烤烟伸根期气象条件对比Table 2 Comparison of meteorological conditions during the root elongation period of flue-cured tobacco between 1961—1990 and 1991—2020

图4 烤烟伸根期气候适宜度空间分布及变化特征Fig. 4 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during the root elongation period

2.2.2 旺长期气候适宜度 图5a 表明，1961—2020年贵州约94.5%区域旺长期气候适宜度在0.60 以上，西部和中部等地适宜度在低于0.65，然后逐步向北、向南和向东递增，高值区位于西南部和西北部等低海拔地区。由图5b-5c 和表3 可知，与1961—1990年相比，1991—2020 年烤烟旺长期平均气温升高0.1 ℃，降水量增多，日照减少，约96.2%区域旺长期气候适宜度是下降的，在0.65 以上的区域面积减少约38.1%。

表3 两个气候年代烤烟旺长期气象条件对比Table 3 Comparison of meteorological conditions during the vigorous growth period of flue-cured tobacco between 1961—1990 and 1991—2020

图5 烤烟旺长期气候适宜度空间分布及变化特征Fig. 5 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during the vigorous growth period

2.2.3 成熟期气候适宜度 图6a 表明，1961—2020年贵州成熟期气候适宜度呈南低北高分布，中部以北大部地区成熟期气候适宜度在0.77 以上，中部以南在0.69～0.77 之间。由图6b-6c 和表4 可知，与1961—1990 年相比，1991—2020 年烤烟成熟期平均气温升高0.3 ℃，日照时数减少了45.1 h，适宜度在0.77 以上的区域面积减少约77.1%。

表4 两个气候年代烤烟成熟期气象条件对比Table 4 Comparison of meteorological conditions during the mature period of flue-cured tobacco between 1961—1990 and 1991—2020

图6 烤烟成熟期气候适宜度空间分布及变化特征Fig. 6 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during the mature period

2.2.4 生长季气候适宜度 由信息熵权法和专家决策法确定烤烟伸根期、旺长期和成熟期的权重分别为0.2、0.4 和0.4，由此计算得出烤烟生长季气候适宜度。图7a 表明，1961—1990 年约99.8%区域烤烟生长季气候适宜度在0.63 以上，西南部、西北部等高值区适宜度在0.70 以上。由图7b-7c 可知，与1961—1990 年相比，1991—2020 年贵州生长季气候适宜度下降明显，生长季气候适宜度高值区（适宜度＞0.7）面积减少约55.7%。

图7 烤烟生长季气候适宜度空间分布及变化特征Fig. 7 Spatial distribution and variation characteristics of climate suitability of flue-cured tobacco during growing season

3 讨 论

适宜的移栽期是烤烟增产提质的前提条件，本研究表明4 月中下旬是贵州烤烟适宜的集中移栽期，这与生产实际是相符的[25]：贵州大多数烟区在4 月底基本完成移栽。贵州西部烟区烤烟成熟期易受低温威胁，移栽过晚不利于烟叶正常发育落黄成熟和品质形成[26-28]。本研究发现在气候变暖背景下，近60 a 贵州大部植烟区温度升高，适宜移栽期不同程度提前，以2011—2020 年适宜移栽期提前最明显，对减轻西部烟区烤烟后期的低温威胁有积极影响。

本研究表明贵州大部植烟区烤烟不同生育时期的气候适宜度在0.5～0.8 之间，且成熟期＞旺长期>伸根期，可以看出温度、降水和日照均能满足烤烟在不同生育期适宜生长的需要。烤烟生长后期的气象条件是影响烤烟品质最主要的因子[29]，成熟期气候适宜度高是贵州生产优质烤烟的主要原因之一。但在气候变化背景下，贵州烤烟成熟期气候适宜度下降明显，使得烤烟产量和品质的不稳定性增强。与1961—1990 年比，1991—2020 年贵州烤烟不同生育时期日照时数均呈减少趋势，尤以成熟期减少最为明显；1991—2020 年成熟期降水量虽略有增加但时空分布不均，近几年贵州东北部烟区成熟期高温干旱灾害频发。结合张超等[30]的研究结果来看，日照时数的减少和高温干旱发生几率的增高可能是贵州烤烟生长后期气候适宜度下降的主要原因，具体情况还需要进一步开展研究。此外，本研究只利用历史气象资料建立适宜度模型，烤烟的生长发育还受土壤、病虫害、管理措施等因素影响，因此在今后的研究中，有必要构建多要素的适宜度模型和利用未来气候变化数据，对贵州烤烟适宜度进行深入研究。

4 结 论

结果表明，贵州大部植烟区温度、降水和日照均能满足烤烟在不同生育期生长的需要，其中，成熟期气候适宜度相较其他生育期是最高的。但在气候变化背景下烤烟成熟期、旺长期的适宜度下降，使得贵州烤烟产量和品质的不稳定性增强。