胡穎梅，徐 磊，袁 帥，高明博，過偉民，張艷玲，王林虹，王愛國*

1.中國煙草總公司陜西省公司，西安市曲江新區(qū)雁南四路21號 710004 2.陜西中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，陜西省寶雞市高新大道100號 721000 3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點實驗室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

氣候不僅影響烤煙種植的區(qū)域布局，同時還影響煙葉品質(zhì)，是烤煙生長過程中最重要的環(huán)境因素。氣候因素難以人為控制和改變，只能適應氣候條件，趨利避害。烤煙氣候適宜性評價可以明確某一地區(qū)是否適宜種植烤煙以及氣候條件對于烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)形成的適宜程度［1]。陜西省是我國烤煙產(chǎn)區(qū)之一，具有明顯的層狀地貌，境內(nèi)由于秦嶺對南北氣流的阻擋作用，使省內(nèi)南北區(qū)域間氣候差異明顯，各烤煙產(chǎn)區(qū)氣候條件也不盡相同。近幾十年來全球氣候變化速度加快，其中氣溫上升明顯，國內(nèi)極端氣候頻現(xiàn)［2-4]，影響了正常的烤煙生產(chǎn)［5]。氣候條件變化意味著作物的氣候適宜性也在發(fā)生變化，前人曾對全球氣候變化背景下冬小麥、橡膠、大豆、玉米和棉花等作物的氣候適宜性進行研究，并提出了相應的應對策略［6-13]，有學者也對氣候變化條件下云南烤煙種植適宜性進行了分析［14-16]，結(jié)果顯示1990年以來云南氣候變暖明顯加劇，氣溫升高對云南烤煙最適宜區(qū)主要是正面影響，烤煙可種植區(qū)域有所擴大，但在烤煙移栽期的降雨波動及極端氣候較為突出。然而氣候變化對除云南之外的其他區(qū)域烤煙氣候適宜性的影響研究則相對較少。氣候適宜性主要表征多年平均氣候因素對烤煙種植的適宜程度。由于不同地區(qū)氣候因素年度間波動情況存在差異，為綜合表征氣候適宜性及其年度波動，有學者引入了氣候風險度指標。該指標可反映氣候因素適宜性及其年際波動的綜合效應，量化評估氣候因素波動對于作物生長造成不利影響的可能性，目前已被用于小麥［17]、棉花［18-19]和烤煙［20-21]等作物，用于確定作物生產(chǎn)中的氣候限制因素和關(guān)鍵生育期。本試驗中利用1980—2015年陜西主產(chǎn)煙區(qū)27個氣象站的逐日數(shù)據(jù)資料，采用烤煙氣候適宜性評價、氣候趨勢分析、氣候風險度評價等方法，分析了陜西主要烤煙產(chǎn)區(qū)氣候因素及烤煙氣候適宜性的年際波動，探討了各產(chǎn)區(qū)烤煙種植主要限制氣候因素以及氣候因素的傾向率，并對各產(chǎn)區(qū)烤煙種植風險度進行了評價。旨在揭示氣候適宜性時空變化特點，明確氣候變化對于陜西烤煙種植的影響，進而指導優(yōu)化烤煙種植布局。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

陜西省主要植煙區(qū)域包括安康、寶雞、漢中、商洛、咸陽和延安等6個產(chǎn)區(qū)，近年植煙總面積約2萬公頃，收購量約3.75萬噸［22]。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，使用陜西6個植煙產(chǎn)區(qū)的27個國家級氣象站（表1）的逐日氣象數(shù)據(jù)資料，包括平均氣溫、降雨量、日照時數(shù)和相對濕度等。時間從1980—2015年，分別計算6個植煙區(qū)不同生育期的氣候因素指標、氣候適宜性指數(shù)、氣候適宜性年際波動、氣候風險度和氣候適宜性傾向率。

表1 研究區(qū)域氣象數(shù)據(jù)來源站點分布Tab.1 Distribution of meteorological stations in study areas

1.2 烤煙氣候適宜性評價

烤煙生育期劃分：大田期（4月21日—8月31日）、移栽-團棵期（4月21日—5月31日）、旺長期（6月1日—6月30日）和成熟期（7月1日—8月31日）。

參考龍懷玉等［23]建立的烤煙氣候適宜性評價模型，對各個氣候因素的適宜性進行評價，并計算適宜性指數(shù)的氣候因素、隸屬函數(shù)、氣候因素指標拐點值和權(quán)重，見表2。

隸屬函數(shù)中的拋物線形函數(shù)和S形函數(shù)的計算公式：

式中：x1、x2、x3、x4分別為各個氣候因素指標的下限值、最優(yōu)下限值、最優(yōu)上限值、上限值。

式中：x1、x2分別為各個氣候因素指標的下限值和上限值。

采用綜合指數(shù)法計算烤煙生育期綜合氣候適宜性指數(shù)(Climatic Suitability Index,CSI)，參考文獻［23]確定權(quán)重，各氣候因素權(quán)重見表2。CSI計算公式：

表2 烤煙氣候適宜性評價指標及其隸屬度函數(shù)拐點和權(quán)重Tab.2 Evaluation indexes of climatic suitability for flue-cured tobacco and inflection points and weights of their subordinating degree functions

式中：Ni和Wi表示第i個氣候因素的適宜性指數(shù)和權(quán)重系數(shù)。

1.3 氣候風險評估

為評價不同年份間烤煙氣候適宜性指數(shù)的波動情況，確定烤煙生長氣候限制因子和關(guān)鍵生育期，引入氣候風險度指標（R）［17]，計算公式：

式中：Rci和R分別表示第i個氣候因素風險度和氣候總風險度；Aci和A分別代表第i個氣候因素的適宜性指數(shù)和綜合氣候適宜性指數(shù)的標準偏差；Si和S分別代表第i個氣候因素的適宜性指數(shù)和綜合氣候適宜性指數(shù)的平均值。

1.4 氣候因素及其適宜性趨勢分析

氣候因素的趨勢變化采用線性回歸模型描述，即y=a+bx。其中y為氣候因素及其適宜性指數(shù)的擬合值；x為時間序列（時間序列的基本單位為年）；b為斜率，表示氣候因素的趨勢傾向，當b>0時表示氣候因素隨時間增加呈上升趨勢，當b<0時，表示氣候因素隨時間增加呈下降趨勢，b值大小反映了氣候因素上升或下降的速率，即氣候因素每年的變化量。氣候因素的傾向率常用每10年的變化幅度表示［24-25]，因此本試驗中氣候因素和氣候因素適宜性傾向率用10×b表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用MS Excel 2010對氣象數(shù)據(jù)進行分析和作圖，并計算氣候因素及其適宜性的傾向率，使用SPSS 18.0對氣候要素及其適宜性指數(shù)傾向率進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜西省烤煙不同生育期氣候因素及其適宜性指數(shù)的波動分析

根據(jù)陜西省27個氣象站歷史氣象數(shù)據(jù)（表1），分析6個主產(chǎn)區(qū)烤煙移栽-團棵期降雨量和平均氣溫及其適宜性指數(shù)年際波動情況，見圖1。從時間尺度上來看，各產(chǎn)區(qū)年際間降雨量波動較大，變異系數(shù)在29.0%～60.7%之間，其中延安和咸陽產(chǎn)區(qū)變異系數(shù)均在60%左右，寶雞、漢中和商洛產(chǎn)區(qū)在40.0%～50.0%之間，安康產(chǎn)區(qū)年際波動相對較小，變異系數(shù)為29.0%。相對于降雨量，平均氣溫波動幅度較小，變異系數(shù)在4.8%～6.0%之間。各產(chǎn)區(qū)不同年份平均溫度極差在3.03～4.20℃之間。從空間尺度來看，6個產(chǎn)區(qū)降雨量和均溫存在較明顯差異，安康和漢中移栽-團棵期降雨量和均溫分別大于110 mm和18.5℃，而延安和咸陽歷年平均降雨量低于65 mm，均溫則低于16.5℃。

各產(chǎn)區(qū)烤煙移栽-團棵期降雨量和均溫適宜性指數(shù)均表現(xiàn)出較大的年際間波動，變異系數(shù)分別在13.7%～50.4%和2.5%～23.2%之間，其中安康和漢中產(chǎn)區(qū)波動相對較小，年際間變異系數(shù)分別小于25.0%和7.5%，而咸陽和延安等北部產(chǎn)區(qū)則分別在48.0%～51.0%和23.0%～14.0%之間。漢中和安康等陜南煙區(qū)降雨量和氣溫的波動對烤煙適宜性指數(shù)的影響相對較小，而咸陽和延安等陜北產(chǎn)區(qū)降雨量的波動則更容易影響烤煙適宜性指數(shù)。

陜西6個產(chǎn)區(qū)烤煙旺長期降雨量和平均氣溫及其適宜性指數(shù)年際波動情況如圖2所示。從時間尺度上來看，旺長期降雨量依然存在較大的年際波動，變異系數(shù)在39.8%～50.6%之間，各產(chǎn)區(qū)間差異不大。氣溫年際波動幅度較小，變異系數(shù)在3.7%～5.2%之間。從適宜性指數(shù)來看，各產(chǎn)區(qū)降雨量適宜性指數(shù)存在較大的年際波動，波動范圍在0.1～1.0之間，其中安康和漢中降雨量適宜性指數(shù)年度間變異系數(shù)為37.0%和39.9%，其余產(chǎn)區(qū)變異系數(shù)均大于55%，其中咸陽最大，為76.6%。各產(chǎn)區(qū)氣溫適宜性指數(shù)年際間波動較小，安康、漢中和商洛多數(shù)年份均是1.0，寶雞、延安和咸陽旺長期氣溫適宜性逐漸升高，且波動幅度逐漸降低。

陜西6個產(chǎn)區(qū)烤煙成熟期降雨量和均溫及其適宜性指數(shù)的年際波動情況見圖3。成熟期降雨量和均溫年際波動幅度較旺長期有所降低，變異系數(shù)在32.3%～45.6%和3.2%～3.7%之間，各產(chǎn)區(qū)大部分年份成熟期降雨量在150 mm以上。降雨量適宜性指數(shù)年際間也均存在較大波動，變異系數(shù)在45.7%～75.9%之間，其中漢中和安康變異系數(shù)均大于70.0%，商洛變異系數(shù)為60.5%，寶雞、咸陽和延安產(chǎn)區(qū)變異系數(shù)小于50.0%。各產(chǎn)區(qū)氣溫適宜性指數(shù)多數(shù)年份均是1.0，僅安康和漢中個別年份小于1.0，但也均在0.75以上。年際間波動較小，變異系數(shù)均小于4.0%。

陜西6個烤煙產(chǎn)區(qū)大田期積溫、相對濕度和日照時數(shù)及其適宜性指數(shù)年際間波動情況見圖4。從圖4可以看出,各產(chǎn)區(qū)大田期10℃以上積溫和相對濕度年際間波動均不大，變異系數(shù)在5.1%～6.7%和3.3%～5.8%之間。大田期日照時數(shù)年際間存在一定的波動，年際間變異系數(shù)在9.7%～12.9%之間。烤煙大田期積溫和相對濕度適宜性指數(shù)存在一定波動，變異系數(shù)分別在13.6%～32.8%和5.3%～33.6%之間，其中漢中和安康等陜南產(chǎn)區(qū)波動相對較小，變異系數(shù)分別小于20%和10%，而延安和咸陽等北部產(chǎn)區(qū)年際波動相對較大，變異系數(shù)大于25%。大田期日照時數(shù)適宜性指數(shù)較為穩(wěn)定，僅漢中、商洛和安康產(chǎn)區(qū)少數(shù)年份小于1，其余產(chǎn)區(qū)及年份均為1.0。各產(chǎn)區(qū)烤煙大田期積溫和相對濕度雖然波動不大，但適宜性指數(shù)卻存在較大的波動，尤其是延安和咸陽等北方煙區(qū)波動較為明顯，而日照時數(shù)雖然存在一定波動，但多數(shù)產(chǎn)區(qū)多數(shù)年份的日照時數(shù)適宜性指數(shù)為1.0。

綜合烤煙移栽-團棵期、旺長期、成熟期和大田期9個氣候因素的適宜性，分析了陜西主要烤煙產(chǎn)區(qū)1980—2015年間烤煙綜合氣候適宜性指數(shù)（圖5）變化情況。各產(chǎn)區(qū)綜合氣候適宜性指數(shù)年際波動幅度相差不大，變異系數(shù)在3.7%～5.3%之間，僅咸陽產(chǎn)區(qū)變異系數(shù)大于5.0%。不同產(chǎn)區(qū)的綜合氣候適宜性指數(shù)呈現(xiàn)出一定的梯度分布，其中安康和漢中處于第一梯隊，綜合氣候適宜性指數(shù)均值均為0.89，最低值分別為0.81和0.77；第二梯隊為商洛和寶雞產(chǎn)區(qū)，綜合氣候適宜性指數(shù)均值分別為0.85和0.81，最低值分別為0.78和0.74；第三梯隊為咸陽和延安產(chǎn)區(qū)，綜合氣候適宜性指數(shù)均值分別為0.79和0.76，最低值均為0.70。

2.2 陜西省烤煙不同生育期氣候因素的風險度分析

氣候風險度由氣候適宜性和氣候適宜性波動指標計算得出，反映了氣候因素適宜性及其年際波動的綜合效應，可量化評估氣候因素波動對于作物生長造成不利影響的可能性［18]。陜西各產(chǎn)區(qū)烤煙主要生育期氣候因素風險度見表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，烤煙主要生育期中降雨量風險度較大，其中咸陽和延安旺長期降雨量風險度相對較高（>0.3），而安康、漢中和商洛成熟期降雨量風險度相對較高（>0.3），其余產(chǎn)區(qū)和生育期降雨量風險度均小于0.3；各產(chǎn)區(qū)氣溫風險度相對較小，僅延安、咸陽和寶雞移栽-團棵期氣溫風險度相對較高（>0.1）；同時大田期積溫也存在一定風險度，尤其是延安產(chǎn)區(qū)，大田期積溫風險度大于0.2。

表3 陜西主要產(chǎn)區(qū)烤煙生育期各氣候因素風險度Tab.3 Risk degrees of climatic factors for flue-cured tobacco during growth period in main planting areas of Shaanxi

2.3 陜西省烤煙氣候因素以及氣候適宜性傾向率分析

傾向率用于表征氣候因素等指標隨時間序列變化趨勢，常用10年（10 a）為基本統(tǒng)計單位［25-26]，采用線性趨勢分析法對資料序列進行變化趨勢分析。陜西各產(chǎn)區(qū)氣候因素及其適宜性傾向率見表4。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，1980年以來陜西產(chǎn)區(qū)烤煙生育期間氣溫及積溫呈現(xiàn)增加的趨勢，商洛和延安產(chǎn)區(qū)大田生育期的日照時數(shù)顯著上升，傾向率分別為35.61 h/10 a、和46 h/10 a。綜合烤煙生育期各氣候因素的變化趨勢來看，1980年以來最大的變化是氣溫升高。氣溫適宜性指數(shù)也呈顯著變化趨勢，其中各產(chǎn)區(qū)移栽-團棵期和旺長期氣溫適宜性指數(shù)均呈顯著升高趨勢，安康和漢中產(chǎn)區(qū)成熟期氣溫呈升高趨勢，且超過了18～25℃成熟期最佳溫度區(qū)間，因此其氣溫適宜性反而呈顯著降低趨勢；陜西產(chǎn)區(qū)大田期大于10℃積溫普遍在1 000～2 000℃之間，尚未達到最適宜的2 000～3 500℃區(qū)間，因此隨著烤煙生育期氣溫的升高，積溫適宜性指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。綜合各因素來看，寶雞和咸陽烤煙氣候適宜性指數(shù)呈顯著升高趨勢，其余產(chǎn)區(qū)變化趨勢不顯著。

表4 陜西主要產(chǎn)區(qū)烤煙生育期氣候因素及其適宜性指數(shù)傾向率①Tab.4 Tendency rates of climatic factors and their suitability indexes during growth period in main flue-cured tobacco planting areas of Shaanxi

3 討論

聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的第五次評估報告（AR5）指出，全球氣候系統(tǒng)變暖的事實是毋庸置疑的［27]。氣溫變暖會導致一系列氣候和生態(tài)條件的改變，如降雨時空分布格局、極端天氣頻率等，任何氣候變化都可能對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來潛在的或顯著的影響［28]。氣溫變暖必然導致作物適宜性改變，烤煙是喜溫作物，對溫度比較敏感［29]，在多個烤煙氣候適宜性評價系統(tǒng)中，溫度指標都占了較大的權(quán)重［1,23]。本研究中利用陜西主要植煙產(chǎn)區(qū)30多年的歷史氣象數(shù)據(jù)，分析了陜西各產(chǎn)區(qū)烤煙氣候適宜性的變化情況及氣候風險，提出了氣候適宜性較高且年際間波動較小且適宜發(fā)展烤煙種植的區(qū)域分布。在1980—2015年間，陜西烤煙生育期氣溫平均每10年升高0.27～0.38℃，其中旺長期升高速度最快，明顯快于全球地表1951—2012年每10年平均升溫0.12℃［30]，這與高茂盛等［31]對陜西氣候資源變化趨勢研究結(jié)果基本一致。氣溫升高對烤煙氣候適宜性產(chǎn)生了顯著的影響，提高了移栽-團棵期和旺長期的適宜性指數(shù)，但也降低了安康和漢中等陜南產(chǎn)區(qū)成熟期適宜性指數(shù)，但降低幅度較小，同時提高了陜西產(chǎn)區(qū)烤煙生育期的積溫及烤煙生育期的積溫適宜性，可縮短烤煙大田生長時間，降低種植風險。與白玉梅等［32]對貴州烤煙種植積溫變化情況的研究結(jié)果相似。

陜西烤煙產(chǎn)區(qū)氣溫上升對烤煙整個生育期的降雨量尚未產(chǎn)生顯著影響。但從氣候風險分析結(jié)果來看，陜西產(chǎn)區(qū)降雨量存在較大的年際波動，烤煙種植氣候風險也主要是降雨量。在移栽-團棵期，漢中和安康等南部產(chǎn)區(qū)主要風險在于降雨量過多導致的適宜性指數(shù)降低，延安和咸陽等北部煙區(qū)的主要風險在于降雨量偏少導致的適宜性指數(shù)降低，其中延安和咸陽等北部煙區(qū)適宜性降低幅度及風險更大；在烤煙旺長期（6月份），氣候風險主要是降雨量偏少導致的適宜性指數(shù)下降，且延安和咸陽等北部煙區(qū)降雨量適宜性指數(shù)降低幅度更大；成熟期主要風險是降雨量偏多，其中陜南煙區(qū)風險更大。

4 結(jié)論

綜合分析1980—2015年間陜西省主產(chǎn)區(qū)氣候因素在烤煙生育期內(nèi)的時空變化特征，結(jié)果表明：①在烤煙生育期間，陜西各產(chǎn)區(qū)降雨量年際波動較大，并且成為限制烤煙生長適宜性的主要因素。氣溫、日照時數(shù)年際波動相對較小，延安和咸陽等北部煙區(qū)大田期日照時數(shù)以及大田期積溫適宜性指數(shù)有一定年際波動。②陜西煙區(qū)降雨量、氣溫、積溫和相對濕度等氣候指標呈現(xiàn)出由北向南逐步增加的趨勢，而日照時數(shù)則呈現(xiàn)相反的趨勢。③安康、漢中和商洛等區(qū)域烤煙氣候綜合適宜性較高，且年際穩(wěn)定性較好，適宜發(fā)展為陜西省核心烤煙種植區(qū)，但需要防范旺長期降雨量偏少以及成熟期降雨量偏多的風險。④氣候因素趨勢分析顯示，多數(shù)產(chǎn)區(qū)氣溫呈顯著升高趨勢，其中寶雞和咸陽烤煙綜合氣候適宜性指數(shù)顯著升高。