劉少軍，張京紅，李偉光，陳小敏，佟金鶴

(海南省氣象科學(xué)研究所，海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203)

受氣候因素限制，中國橡膠種植面積有限，目前主要分布在海南、云南、廣東、廣西、福建等5省。由于我國適宜植膠區(qū)域緯度偏北和海拔偏高，橡膠樹整個(gè)生長周期中受到風(fēng)、寒、旱等氣候脅迫因子的威脅，發(fā)展橡膠受到自然資源的嚴(yán)格制約。國內(nèi)可供擴(kuò)大橡膠樹種植的土地資源已達(dá)極限，要在有限的自然資源條件下提高橡膠種植區(qū)的天然橡膠生產(chǎn)能力，就必須提高橡膠樹的單位面積產(chǎn)量[1]。采用遙感技術(shù)進(jìn)行單位面積上橡膠生產(chǎn)能力的監(jiān)測和評價(jià)，可為準(zhǔn)確、及時(shí)掌握橡膠產(chǎn)膠狀況提供決策依據(jù)。橡膠產(chǎn)膠能力直接影響到橡膠產(chǎn)量的高低。前人通過統(tǒng)計(jì)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、氣象預(yù)測預(yù)報(bào)、農(nóng)學(xué)預(yù)測預(yù)報(bào)、作物生長模擬方法及基于遙感和地理信息系統(tǒng)的預(yù)測預(yù)報(bào)方法等開展作物估產(chǎn)[2]。關(guān)于橡膠產(chǎn)量估產(chǎn)模型有：灰色模型[3]、線性回歸模型[4-7]、時(shí)間序列分析模型[8]、模糊數(shù)學(xué)綜合評判[9]、遙感預(yù)測模型[10]、氣候適宜預(yù)測模型等。目前，橡膠產(chǎn)膠能力的估計(jì)模型大多依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)階段，尚無成熟的估算模型[10]。關(guān)于中國橡膠主產(chǎn)區(qū)的橡膠產(chǎn)膠能力的時(shí)空分布格局研究分析尚未見報(bào)道。橡膠凈初級生產(chǎn)力(net primary production，NPP)作為橡膠在單位時(shí)間和單位面積上所產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)總量，是反映橡膠生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)的重要指標(biāo)[11]。同時(shí)，橡膠產(chǎn)量與生長季內(nèi)NPP關(guān)系密切，二者存在有效的產(chǎn)量轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，本研究嘗試?yán)眠b感數(shù)據(jù)提取NPP，通過模型計(jì)算橡膠的年產(chǎn)膠能力，分析不同橡膠種植區(qū)域范圍內(nèi)單位面積上橡膠產(chǎn)膠能力差異及產(chǎn)生差異的原因，為更好地開展橡膠估產(chǎn)、膠園的更新、品種區(qū)域配置等提供決策支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2000—2015年MODIS NPP數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)站(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17#data-product)；海南、云南、廣東的橡膠種植現(xiàn)狀圖信息來源于文獻(xiàn)[12]；中國國界、省界和縣界行政區(qū)劃圖來源于國家基礎(chǔ)地理信息網(wǎng)站提供的1∶400萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。氣象數(shù)據(jù)來源于海南省氣象信息中心和中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn)。橡膠產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于各省2000-2015年統(tǒng)計(jì)年鑒。

由于福建和廣西橡膠產(chǎn)量的總量約占全國總產(chǎn)的0.06%左右(2010年產(chǎn)量基數(shù)計(jì)算)，所以在本研究中僅考慮主產(chǎn)區(qū)海南、云南、廣東的橡膠種植范圍。

1.2 研究方法

基于衛(wèi)星遙感的中國橡膠產(chǎn)膠能力評價(jià)方法主要通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：首先根據(jù)橡膠種植現(xiàn)狀圖[12]，提取中國橡膠主產(chǎn)區(qū)橡膠分布點(diǎn)；基于橡膠NPP數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)橡膠分布區(qū)域內(nèi)每年年凈初級生產(chǎn)力總量；根據(jù)橡膠產(chǎn)膠能力模型計(jì)算不同區(qū)域橡膠產(chǎn)膠能力。

1.2.1 橡膠種植現(xiàn)狀分布點(diǎn)的提取 利用橡膠種植現(xiàn)狀圖提取中國橡膠主產(chǎn)區(qū)橡膠種植分布圖(圖1)，中國橡膠主產(chǎn)區(qū)橡膠面積：海南約4 900 km2，云南約4 913 km2，廣東約413 km2[12]。

圖1 橡膠種植分布Fig.1 Rubber plantation in China

1.2.2 橡膠年凈初級生產(chǎn)力總量 根據(jù)2000-2015年不同月的MODISNPP數(shù)據(jù)，提取各年的年凈初級生產(chǎn)力(NPP)總量。其中，每月的凈初級生產(chǎn)力的估算主要是根據(jù)MODIS遙感數(shù)據(jù)，利用光能利用率模型(CASA)提取研究區(qū)天然橡膠初級生產(chǎn)力(NPP)平均空間分布數(shù)據(jù)。該模型主要由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能轉(zhuǎn)化率(ε)2個(gè)變量確定，CASA模型NPP計(jì)算表達(dá)式為：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，APAR(x,t)和ε(x,t)分別表示遙感圖像上天然橡膠的柵格單元x在t月的光合有效輻和光能利用率[13-14]。

1.2.3 橡膠產(chǎn)膠能力模型 根據(jù)李海亮[10,15]等提出的橡膠產(chǎn)膠能力估算模型，計(jì)算每年橡膠產(chǎn)膠能力：

(2)

式中，P為天然橡膠產(chǎn)膠能力(g·m-2)，NPP為橡膠林凈初級生產(chǎn)力(gC·m-2)，Hi為橡膠樹的干物質(zhì)分配率，本研究中的干物質(zhì)分配率取值范圍21.0%～28.5%[10,15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠生產(chǎn)能力的空間分布

橡膠種植區(qū)域橡膠年產(chǎn)膠能力在(40～160)×104g·hm-2，多年平均值為100.52×104g·hm-2。從空間上可以看出(圖2)，中國主要橡膠種植區(qū)的產(chǎn)膠能力存在明顯的差異，云南橡膠的產(chǎn)膠能力整體高于海南，海南整體上高于廣東橡膠種植區(qū)。而且在年產(chǎn)膠能力數(shù)量上也存在較大差異，其中多年平均值云南為124.59×104g·hm-2，海南93.28×104g·hm-2，廣東63.07×104g·hm-2。根據(jù)產(chǎn)膠能力值判斷，云南是單產(chǎn)最高的優(yōu)質(zhì)天然橡膠生產(chǎn)基地，海南次之，廣東最低。

圖2 2000-2015年年平均產(chǎn)膠能力分布(單位：×104 g·hm-2)Fig.2 Distribution of annual potential productivity of rubber during 2000-2015

2.2 橡膠產(chǎn)膠能力的年際變化分析

從整體看中國主要橡膠產(chǎn)區(qū)2000-2015年橡膠產(chǎn)膠能力在波動中呈增加趨勢，線性增長率為0.123×104g·hm-2·a-1,增加趨勢不顯著(圖3)。橡膠產(chǎn)膠能力從2000年99.71×104g·hm-2增加到2015年101.36×104g·hm-2，其中最大值為2003年106.61×104g·hm-2，最小值為2005年93.36×104g·hm-2。

分區(qū)域來看，海南、云南、廣東年橡膠產(chǎn)膠能力年際波動不大(圖4)，海南2000-2015年橡膠產(chǎn)膠能力在波動中呈增加趨勢，線性增長率為0.24×104g·hm-2·a-1,增加趨勢不顯著，橡膠產(chǎn)膠能力從2000年87.47×104g·hm-2增加到2015年95.8×104g·hm-2，其中最大值為2007年105.72×104g·hm-2，最小值為2002年83.16×104g·hm-2。

廣東2000-2015年橡膠產(chǎn)膠能力在波動中呈增加趨勢，線性增長率為0.3×104g·hm-2·a-1,增加趨勢不顯著，橡膠產(chǎn)膠能力從2000年58.47×104g·hm-2增加到2015年64.03×104g·hm-2，其中最大值為2003年68.77×104g·hm-2，最小值為2000年58.62×104g·hm-2。

云南2000-2015年橡膠產(chǎn)膠能力在波動中呈微弱減小趨勢，線性減少率為0.07×104g·hm-2·a-1,減少趨勢不顯著，橡膠產(chǎn)膠能力從2000年130.06×104g·hm-2減少到2015年123.75×104g·hm-2，其中最大值為2011年133.67×104g·hm-2，最小值為2005年112.57×104g·hm-2。

2.3 橡膠產(chǎn)膠能力差異的原因分析

橡膠產(chǎn)膠能力的影響因素除了橡膠樹本身的生物學(xué)特性、土壤特性外，主要包括氣候波動和人類活動。由于中國橡膠種植區(qū)屬于非傳統(tǒng)種植區(qū)，植膠區(qū)緯度偏高，種植環(huán)境和原生地的差異較大。本研究主要從橡膠樹寒害、風(fēng)害及氣候適宜性角度分析產(chǎn)膠能力差異的原因。

寒害影響：當(dāng)出現(xiàn)溫度<5℃或連續(xù)低溫陰雨天氣時(shí)，橡膠樹就有可能遭到不同程度的寒害[16]。寒害已經(jīng)成為中國天然橡膠樹種植區(qū)特有和主要的氣象災(zāi)害之一[17],也是限制中國橡膠發(fā)展的主要因素[18]。根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《橡膠寒害等級(QX/T169-2012)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)指標(biāo)[19]，選擇年度極端最低氣溫、年度最大降溫幅度、年度寒害持續(xù)日數(shù)、年度輻射型積寒、年度平流型積寒、年度最長平流型低溫天氣過程的持續(xù)日數(shù)作為橡膠樹寒害的評價(jià)指標(biāo)，通過對6個(gè)致災(zāi)因子的原始值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，按照一定的權(quán)重，計(jì)算橡膠1981-2010年平均寒害指數(shù)[20]。從圖5中可以看出，廣東北部及云南的西北部分區(qū)域?qū)儆诤τ绊戄^重區(qū)域；海南、云南的景洪、勐臘等地，受到寒害影響的風(fēng)險(xiǎn)較小。

風(fēng)害影響：采用1981-2010年影響橡膠種植區(qū)范圍的臺風(fēng)次數(shù)和橡膠臺風(fēng)災(zāi)害分級標(biāo)準(zhǔn)[21]，統(tǒng)計(jì)各站發(fā)生橡膠臺風(fēng)災(zāi)害損失次數(shù)占統(tǒng)計(jì)總年份臺風(fēng)影響次數(shù)的比值作為橡膠臺風(fēng)災(zāi)害指數(shù)。橡膠臺風(fēng)災(zāi)害指數(shù)高值區(qū)分布在海南、廣東等地，易受到臺風(fēng)的影響；低值區(qū)分布在云南，受到臺風(fēng)的影響的風(fēng)險(xiǎn)較小[22-23]。

圖3 橡膠主產(chǎn)區(qū)2000-2015年年產(chǎn)膠能力變化趨勢Fig.3 Variation of annual potential productivity of rubber in China during 2000-2015

圖4 海南-云南-廣東2000-2015年年產(chǎn)膠能力變化趨勢Fig.4 Variation of annual potential productivity of rubber in Hainan-Yunnan-Guangdong during 2000-2015

圖5 橡膠綜合寒害影響指數(shù)Fig.5 Chilling injury index of rubber plantation

圖6 橡膠臺風(fēng)影響指數(shù)Fig.6 Typhoon disaster index of rubber plantation

氣候適宜性影響：溫度、降雨和太陽輻射是影響產(chǎn)膠量的主要?dú)庀笠蜃樱鼈兿嗷ビ绊懖⒁岳奂有?yīng)作用于橡膠產(chǎn)膠[24-25]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[22]橡膠氣候適宜性等級劃分的結(jié)論，氣候適宜性指數(shù)高值區(qū)主要分布在海南省的儋州、樂東、白沙、保亭，廣東的雷州半島，云南省的景洪、猛臘等地。低值主要分布于云南盈江、永德、雙江、景谷、屏邊等地，廣東的信宜、陽春、海豐、惠來等(圖7)。

圖7 橡膠氣候適宜性指數(shù)Fig.7 Climatic suitability index of rubber plantation

綜上所述，由于氣候差異以及風(fēng)、寒等自然災(zāi)害的共同影響，海南、云南、廣東天然橡膠產(chǎn)膠能力差距較大。主要原因如下：在云南，由于受臺風(fēng)影響較小，寒害影響輕、氣候適宜度高的區(qū)域，橡膠整體生產(chǎn)能力較大。目前云南已成為我國種植面積最大、產(chǎn)膠最多、單產(chǎn)最高的優(yōu)質(zhì)天然橡膠生產(chǎn)基地[1]。而在海南、廣東由于自然災(zāi)害頻繁，單位面積保存株數(shù)較少；品種結(jié)構(gòu)單一；樹齡結(jié)構(gòu)不合理，其產(chǎn)量整體低于云南橡膠產(chǎn)區(qū)。海南是氣候適宜性較好的天然橡膠生產(chǎn)基地，廣東屬于氣候適宜性基本符合橡膠樹生長所需要的環(huán)境。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

利用遙感數(shù)據(jù)從宏觀上得到了中國橡膠主產(chǎn)區(qū)2000-2015年的橡膠產(chǎn)膠能力的差異分布，并從氣象災(zāi)害和氣候適宜性角度給出了產(chǎn)生差異的原因。

從空間看，中國橡膠主產(chǎn)區(qū)橡膠產(chǎn)膠的能力分布存在明顯差異，其中云南產(chǎn)膠能力整體高于海南，海南高于廣東；從時(shí)間看,2000-2015年中國主產(chǎn)區(qū)橡膠產(chǎn)膠能力在波動中呈增加趨勢，但增加趨勢不明顯。

氣象災(zāi)害影響、氣候適宜性的共同影響導(dǎo)致不同種植區(qū)域的橡膠產(chǎn)膠能力的差異。其中云南產(chǎn)區(qū)現(xiàn)有橡膠種植區(qū)域整體條件較好，單位面積的產(chǎn)膠能力大，但橡膠寒害的影響和氣候適宜性的影響，導(dǎo)致其種植范圍的擴(kuò)大受限；在海南，氣候條件優(yōu)越，主要是橡膠風(fēng)害的影響，導(dǎo)致膠園產(chǎn)膠量受限；在廣東，主要是橡膠風(fēng)害和寒害的雙重影響，同時(shí)種植范圍受到氣候適宜性的影響，種植范圍有限。

3.2 討論

橡膠是一種重要的戰(zhàn)略物質(zhì)，天然橡膠的自給率嚴(yán)重不足，生產(chǎn)與消費(fèi)極為不對稱[26]。最大限度提高橡膠樹單位面積產(chǎn)量是緩解國內(nèi)天然橡膠供需矛盾的最有效途徑之一[1]。橡膠產(chǎn)膠能力是橡膠產(chǎn)量預(yù)估的基礎(chǔ)，因此了解橡膠產(chǎn)膠能力的分布可為橡膠種植及進(jìn)口提供科學(xué)決策。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測到的橡膠產(chǎn)膠能力差異區(qū)域，可以有針對性地開展產(chǎn)膠能力的提升工作。如，提高膠園管理水平，加快低產(chǎn)殘次膠園的更新改造，加快良種推廣速度，力爭優(yōu)勢區(qū)域內(nèi)種植面積穩(wěn)定增加，增加橡膠總產(chǎn)量。

橡膠樹產(chǎn)膠能力的高低受很多因素的制約[24-25]，如氣象因子、土壤營養(yǎng)成分、常見病蟲害、割膠制度和技術(shù)、品種和膠園管理等均會影響橡膠的產(chǎn)膠能力[27-29]。本研究僅從橡膠氣候適宜性和橡膠風(fēng)害、寒害的角度簡要分析了主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)膠能力的差異原因，需要進(jìn)一步結(jié)合土壤類型、品種、橡膠園管理等方面進(jìn)行具體分析。

由于不同橡膠品種之間產(chǎn)膠能力轉(zhuǎn)換系數(shù)存在一定的波動，導(dǎo)致產(chǎn)膠能力的結(jié)果局部可能存在一定偏差。橡膠實(shí)際產(chǎn)量一般情況下并不能達(dá)到產(chǎn)膠能力的水平，但可以作為橡膠估產(chǎn)的重要依據(jù)。同時(shí)，本研究僅從整體上說明了海南、云南、廣東產(chǎn)區(qū)的差異，但也不排除局部區(qū)域與實(shí)際情況存在一定誤差。

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