河南省烟区烤烟气候特征分析与适宜性评价

李 翔，张玉婵，王 迅，韩 丹，邵惠芳，许自成，郝浩浩

（1.河南省烟草公司驻马店市公司，河南 驻马店 463000；2.河南农业大学烟草学院，郑州 450002）

烤烟是一种高经济效益作物，对生长环境敏感，受生态因素的影响较大。不同的光照、降水量和温度等气候条件对烟株的生长发育、生理代谢以及烟叶的产量和质量有显著影响，是决定烤烟种植区域布局、烟叶产质量以及风格的重要因素［1-4］。有关烟叶品质及风格与气候条件关系的研究受到广泛重视，尤其是优质烟叶的生产需要特定的气候条件［5-7］。

河南省地处中国东部、黄河中下游，属暖温带-亚热带，气候为湿润-半湿润季风气候，具有雨热同期、无霜期长、四季分明的特点，烤烟生长条件得天独厚，是中国烤烟种植大省［8］。有关气候条件对烤烟生产的影响，徐光辉等［9］分析并比较了移栽期不同的情况下，国内平顶山烟区与国外优质烟区的气候状况。刘晓迎等［10］认为河南省烟区的气候趋势能够适应其具有浓香型特色烤烟的生长需求，且表现出旺长期雨热同期日照足与伸根期和成熟期温高雨少日照足的气候优势。张燕燕等［11］用多变量聚类分析，将三门峡烟区分成了两类，同时计算并分析了国内外烟区的气候相似距离。结果表明，三门峡烟区具备优质烟区的气候条件，其海拔落差大，气候条件与国外烟区相似。孟寒冬等［12］的研究表明，气候条件对烤烟中石油醚提取物的含量影响显著，大田期最高温是上部叶片的主要影响因素，旺长期均温主要影响中、下部叶片。蔡涛［13］采用气候倾向率、趋势系数、变异系数、R/S 分析等方法分析了三门峡烤烟种植气候适宜性因子的变化特征和趋势，结果表明，三门峡各烟区气候适宜性因子多年平均值均在量化指标最优范围内，适合优质烤烟的种植。

气候条件是影响烤烟生产的主要生态因素，适宜的气候条件对于烟叶的优质生产十分重要。已有的研究大多分析了河南省烟区植烟土壤和气候条件对烤烟质量的影响，鲜见对河南省烟区整体生态条件综合评价的报道。本研究基于模糊数学原理，对河南省不同烟区的气候变化趋势和极端天气状况进行分析，并从农业气候角度对各烟区的气候适宜性进行综合评价，以期为合理利用气候资源进行优质烤烟生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域及数据来源

河南省主要烟区有豫西烟区、豫南烟区、豫西南烟区和豫中烟区。本研究使用2010—2017 年河南省4 个烟叶产区气象站的气象数据（表1），包括气温、降雨量和日照时间等。国外优质烟区气候数据参照文献［11］。

表1 各烟区气象数据的来源站点

1.2 烤烟气候适宜性评价方法

烤烟生长期分为大田期（4月21日至8月31日）、伸根期（4月21日至5月31日）、旺长期（6月1—30日）和成熟期（7 月1 日至8 月31 日）。

气候综合评价采用模糊数学隶属函数的数学模型，设有n种生态环境类型，每种生态环境有m个气候指标（m=1，… ，j），Wij和Nij分别表示第j个气候要素和第i种生态环境的权重和隶属度。其中，0≤Wij≤10，0≤Nij≤1，且满足以下条件。

各生态环境的气候适宜性指数（Climate feasibility index，CFI）可表示为以下算式。

各项权重利用主成分分析法计算，统计分析采用SPSS 21.0 和Excel 2016 统计软件进行。

1.3 气候变化特征统计方法

参照文献［14，15］，采用线性趋势、三次多项式曲线拟合来分析烤烟各生育期的各项气候要素的变化特征。

2 结果与分析

2.1 河南省烟区气候因素特点

河南省烟区气候因子与国外优质烟叶产区的比较见表2、表3，河南省烟区烟草大田期日照时间为776.50 h，低于美国，但高于国外其他优质烟区，能满足优质烟叶的生长要求；大田期均温为24.06 ℃，高于国外优质烟区；大田期降雨量为442.81 mm，低于国外优质烟叶产区。

表2 2010—2017 年河南省烟区烟草大田期主要气候指标

表3 2010—2017 年国外优质烟区主要气候指标

2.2 河南省烟区气候适宜性评价

选取烤烟伸根期均温、旺长期均温、成熟期均温、伸根期降雨量、旺长期降雨量、成熟期降雨量、大田期日照时间和大田期相对湿度8 项指标作为评价河南省烟区气候适宜性的因子。河南省各烟区烤烟气候指标值见表4。

表4 河南省各烟区烤烟气候指标（）

表4 河南省各烟区烤烟气候指标（）

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由表4 可知，河南省烟区伸根期均温在18.79～21.24 ℃，旺长期均温在23.53～25.80 ℃，成熟期均温在25.03～27.42 ℃；总体来看，豫南和豫西南的温度整体偏高。河南省烟区伸根期降雨量在80.16～105.74 mm，旺长期降雨量在62.40～123.94 mm，成熟期降雨量在237.86～296.49 mm，豫南烟区的降雨量最为充沛。与其他烟区相比，豫西南烟区的大田期日照时间最长、豫南的大田期相对湿度最高。

以模糊数学理论为基础，根据以往有关河南省烟区气候的研究及生产实际［16，17］，结合各气候指标对烤烟生长及烟叶品质影响的特点，明确各项气候因子的转折点（表5）和函数类型［18，19］，得到隶属函数类型为抛物线型。经过计算（图1），河南省CFI平均值为0.796 1，各烟区差异较小，变异系数为4.56%，其中豫西烟区最高，为0.857 0，豫西南烟区最低，为0.755 9。

图1 河南省各烟区气候适宜性指数

表5 烤烟气候指标隶属函数的拐点值及权重

2.3 河南省烟区气候变化特征分析

2.3.1 河南省烟区各生育期的均温变化特征 由图2 可知，河南省烟区烤烟伸根期、旺长期和成熟期均温平均值分别为20.37、25.19、26.62 ℃。由拟合曲线可以看出，伸根期均温和旺长期均温在2010—2012 年呈上升趋势，2012—2015 年呈下降趋势，2016 年以后又呈上升趋势；成熟期均温在2010—2012 年略有上升，2013—2015 年呈下降趋势，2015年后又呈上升趋势。成熟期均温年变化幅度最大，最高均温和最低均温差距为2.86 ℃，伸根期和旺长期分别相差2.22、2.31 ℃。

图2 河南省烟区2010—2017 年伸根期、旺长期、成熟期均温的年变化

2.3.2 河南省烟区各生育期降雨量变化特征 由图3 可知，河南省烟区伸根期、旺长期和成熟期降雨量平均值分别为93.76、81.34、267.71 mm。根据拟合曲线可知，伸根期降雨量在2010—2011 年呈下降趋势，2012—2015 年呈上升趋势，2015 年以后又有所下降；旺长期降雨量在2010—2011 年呈下降趋势，2012—2016 年总体呈上升趋势，2016 年以后又有所下降；成熟期降雨量在2010—2014 年总体呈下降趋势，2014 年后年呈缓慢上升趋势。成熟期降雨量年变化幅度最大，最大年降雨量和最小年降雨量年差距为341.38 mm，伸根期和旺长期分别相差89.69、107.90 mm。

图3 河南省烟区2010—2017 年伸根期、旺长期、成熟期降雨量的年变化

2.3.3 河南省烟区大田期日照时间和平均湿度变化特征 由图4 可知，河南省烟区烤烟大田期日照时间平均值为776.50 h。由拟合曲线可以看出，日照时间整体呈缓慢上升趋势，2014 年后上升趋势变大。日照时间最大值和最小值年相差211.92 h。

图4 河南省烟区2010—2017 年大田期日照时间的年变化

由图5 可知，河南省烟区烤烟大田期相对湿度平均值为68.21%。由拟合曲线可以看出，2010—2011 年相对湿度呈下降趋势，2012—2015 年呈上升趋势，2016 年后又呈下降趋势。相对湿度最大值和最小值相差9.14 个百分点。

图5 河南省烟区2010—2017 年大田期相对湿度的年变化

2.4 河南省烟区极端气候分析

2.4.1 极端最高温和极端最低温分析 由图6 和图7 可以看出，成熟期和旺长期的极端最高温相对更加集中，波动范围小，数值更高；伸根期的极端最低温更低。豫南烟区的极端温度表现更好，其极端最高温更低一些、极端最低温更高一些。

图6 河南省不同烟区大田期极端最高温

图7 河南省不同烟区大田期极端最低温

极端最高温方面，伸根期豫西南烟区极端最高温最高，平均值为35.06 ℃；豫西、豫南和豫中的平均值分别为34.38、34.00、34.49 ℃。旺长期豫西南烟区极端最高温最高，平均值为38.10 ℃；豫西、豫南和豫中的平均值分别为36.39、36.61、38.38 ℃。成熟期豫西南烟区极端最高温最高，平均值为38.53 ℃；豫西、豫南和豫中的平均值分别为37.77、38.14、38.00 ℃。

极端最低温方面，伸根期豫西烟区极端最低温最低，平均值为5.43 ℃；豫南、豫西南和豫中的平均值分别为8.79、7.94、6.13 ℃。旺长期豫西烟区极端最低温最低，平均值为13.07 ℃；豫南、豫西南和豫中的平均值分别为16.38、15.88、15.51 ℃。成熟期豫西烟区极端最低温最低，平均值为14.17 ℃；豫南、豫西南和豫中的平均值分别为17.35、17.01、16.08 ℃。

2.4.2 降雨量超过10 mm 日数分析 由图8 可以看出，烤烟成熟期降雨量超过10 mm 的日数最多，波动程度最大。伸根期豫南烟区降雨量超过10 mm 的日数最多，平均值为3 d；其他3 个烟区平均值均为2 d。旺长期豫南烟区降雨量超过10 mm 的日数最多，平均值为3 d；豫西和豫西南烟区平均值为2 d，豫中平均值为1 d。成熟期豫西南烟区降雨量超过10 mm 的日数最多，平均值为8 d；其他3 个烟区平均值均为7 d。

图8 河南省不同烟区大田期降雨量大于10 mm 的日数分布

3 讨论

本研究利用多元统计和模糊数学原理计算河南省烟区气候适宜性指数，其平均为0.796 1，由大到小依次为豫西、豫中、豫南和豫西南，各烟区差异较小，均为适宜烤烟气候区。

作为喜温作物，烤烟对生育期温度的需求较高，在大田期最适宜温度为24～28 ℃［20］。如果大田中后期的平均温度小于20 ℃，烤烟体内物质的转化积累将被抑制，影响其落黄成熟；温度高低与烤烟质量的好坏呈正相关，20～28 ℃范围内，平均气温升高则烤烟内在质量也会提高［21］。本研究结果可知，2010—2017 年河南省烟区在烤烟旺长期的平均气温呈缓慢的下降趋势，而伸根期与成熟期的平均气温呈缓慢的上升趋势，并均在2015 年呈短暂的下降特征。河南省各烟区大田期平均气温在20 ℃以上，能够为优质烤烟提供良好的温度条件，且与另外2 个烟区相比，豫南烟区和豫西南烟区在各生育期的均温较高。

光照度影响烤烟的生长、产量和质量，烤烟的生长需要充足的日照时长以及适宜的光照度，8～10 h是每天适宜的日照时长，500～700 h 为大田期适宜的光照时长［22］。河南省烟区大田期最低和最高值分别为500、1 000 h，适宜范围在600～800 h［23］。本研究表明，2017 年和2011 年河南省烟区大田期光照时间出现了最大值和最小值，分别为895.48、683.56 h，两者相差211.92 h，大田期日照时间变化总体呈明显上升趋势。河南省烟区大田期日照时间能够满足优质烤烟对光照时间的需要，平均值为776.50 h。

水分是烤烟产量和质量的形成基础，对烟株的生长发育有重要影响。大田期的降雨量和分布情况对烟叶的产量和品质有直接且明显的影响。河南省烟区大田期最大和最小降雨量分别为800、300 mm，适宜降雨量的范围在500～600 mm［24，25］。本研究结果表明，河南省烟区大田期总降雨量平均为442.81 mm，烟草旺长期与雨季同步，烟株需水时期与雨期相适应。河南省烟区伸根期和成熟期的降雨量总体为缓慢下降的趋势，旺长期的降雨量总体呈明显的上升趋势。与各烟区相比，豫南烟区在整个生育期的降雨量均值最高。成熟期的降雨量略少，有利于形成烟叶内的脂溶性香气物质。同样，烟叶内浓香型致香物质的合成与河南省烟区温度较高、大田后期日照时间较多的典型气候特征有关，这可能是烟叶具有“浓香型”风格的原因。

伴随着极端气候事件频发的全球变暖，将不可避免地对未来农业生产和灌溉活动产生重要影响。烤烟生长过程中，田间温度高于35 ℃的情况下，叶片内的烟碱合成量会增加，也会抑制烟草植株的生长。即使在短时间内，极端高温也将对成熟期间烟叶的产量和品质造成重要影响［23，26］。本研究表明，2010—2017 年河南省各烟区在各生育期均出现35 ℃以上的极端高温，尤其是大田后期。同时在伸根期各烟区均出现5 ℃以下的低温天气，甚至出现0 ℃以下的极端低温，容易导致早花现象的出现，对于烤烟生长很不利。日降雨量超过10 mm 的阴雨天气在成熟期出现最多，尤其是豫西南烟区，最高达到了16 d。因此，河南省烟区低温冷害易出现在伸根期，而高温、多雨等恶劣气候易出现在大田后期。

4 小结

1）河南省各烟区为最适宜或适宜烤烟气候区，各项气候指标均能满足优质烤烟生产的需要。

2）河南省烟区2010—2017 年烤烟旺长期均温总体呈下降趋势，而伸根期和成熟期均温总体呈上升趋势。

3）河南烟区2010—2017 年伸根期和成熟期降雨量总体呈下降趋势，而旺长期降雨量总体呈上升趋势。

4）河南省烟区2010—2017 年大田期日照时间整体呈明显的上升趋势，其间经历短暂下降。

5）河南省烟区伸根期应注意预防低温冷害，而大田后期应注意防涝、防高温等恶劣天气。