符昌武,覃 瀟,戴 曦,成志軍,彭德元,李 強
(1.湖南省煙草公司張家界市公司,湖南 張家界 427000;2.湖南中煙工業(yè)有限責任公司,湖南 長沙 41000;3.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,湖南 長沙 410128)
煙草是喜溫作物,生長最低溫度為8 ℃,最高溫度為38 ℃,最適溫度為25~28 ℃[1]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第6 次評估報告顯示,近120 年全球地表溫度上升了1.09 ℃[2],以氣候變暖為主要特征的全球性氣候變化已是不爭的事實,極端天氣事件發(fā)生頻率明顯增加[3-5]。農(nóng)業(yè)界限溫度是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有指示或臨界意義的溫度,又稱農(nóng)業(yè)指標溫度[6]。該溫度的出現(xiàn)日期、持續(xù)日數(shù)和持續(xù)時期內(nèi)積溫的多少,對一個地方的作物布局、耕作制度、品種搭配和季節(jié)安排等都具有十分重要的意義[7]。前人對煙草種植的溫度指標開展過大量研究,如陳頤等[8]研究發(fā)現(xiàn),桂陽煙區(qū)各生育期平均氣溫呈上升趨勢,其中苗期和伸根期上升速率達0.863 ℃/10 a和0.596 ℃/10 a,并在20 世紀90 年代和21 世紀初期烤煙苗期、伸根期和旺長期氣溫都出現(xiàn)了由寒轉(zhuǎn)暖的突變。藏照陽等[9]研究發(fā)現(xiàn),貴州煙區(qū)烤煙還苗至伸根期溫度變化范圍為17.2~20.6 ℃,變幅為3.4 ℃;成熟前期溫度變化范圍為23.6~25.7 ℃,變幅為2.1 ℃;成熟后期溫度變化范圍為22.2~24.6 ℃,變幅為2.4 ℃;2013 年以來,烤煙旺長期和成熟前期平均氣溫有所升高,伸根期和成熟后期平均氣溫呈下降趨勢。李偉等[10]研究了湖南多個煙區(qū)穩(wěn)定通過5、8、10 ℃等界限溫度的出現(xiàn)日期,結(jié)果發(fā)現(xiàn)界限溫度出現(xiàn)日期在年份間差異較大,如穩(wěn)定通過10 ℃的日期,最早的年份可在3 月上旬出現(xiàn),最遲的年份卻推遲至4 月下旬。區(qū)域的溫度變化,特別是煙草農(nóng)業(yè)界限溫度和生育期溫度的變化仍存在不確定性,而界限溫度和生育期溫度的變化對煙草種植的時空布局和煙葉產(chǎn)質(zhì)量有較大的影響[11-12]。桑植種煙歷史悠久,所產(chǎn)煙葉廣受國內(nèi)卷煙企業(yè)的青睞,是利群、好貓、黃山等多個重點卷煙品牌的核心原料。因此,研究氣候變化背景下桑植煙區(qū)界限溫度和生育期溫度的變化,對合理利用當?shù)販責豳Y源,科學應(yīng)對氣候變化,保障煙葉生產(chǎn)具有重要理論和現(xiàn)實意義。
本研究利用1991—2020 年桑植氣象站的逐日地面氣象資料,采用趨勢分析、突變分析等方法分析了煙草種植指標溫度的時間變化,旨在探討全球氣候變暖背景下桑植煙區(qū)溫熱指標變化特征,從而順應(yīng)煙區(qū)的溫熱指標變化,合理優(yōu)化桑植烤煙生產(chǎn)技術(shù)。
氣象資料由湖南省氣象局提供,包括1991—2020 年逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日日照時數(shù)和逐日平均相對濕度等。本研究中根據(jù)當?shù)乜緹熒a(chǎn)節(jié)令將烤煙生育期劃分為,大田期(2 月26日—4 月26 日)、伸根期(4 月27 日—5 月26 日)、旺長期(5 月27 日—6 月25 日)和成熟期(6 月26日—9 月10 日)。計算出各年份相應(yīng)時段的烤煙溫熱指標和界限溫度日期,計算方法如下,界限溫度日期采用移動平均法計算,逐年伸根期平均氣溫、旺長期平均氣溫和成熟期平均氣溫,由各生育期平均氣溫計算均值后得到。
1.2.1 趨勢分析 氣象要素隨時間的變化規(guī)律可用時間序列和自然序列的一元線性回歸方程來反應(yīng)[7]?;貧w方程如下
式中,y(t)為氣象要素的擬合值,t 為時間序列;回歸系數(shù)a 和常量b 用最小二乘法求算。回歸系數(shù)a 的絕對值反映氣候要素的變化程度,a 為負表示在氣象要素分析期內(nèi)呈下降趨勢,反之為上升趨勢;以a×10 作為氣候傾向率。用方程的決定系數(shù)(R2)和p值來檢驗顯著性。
1.2.2 界限溫度初日 界限溫度初日的計算采用五日滑動平均法。初日為滑動平均溫度中穩(wěn)定通過(記作≥) 某界限溫度5 d 中的第1 個日平均氣溫大于或等于該農(nóng)業(yè)界限溫度的日期[13]。
1.2.3 Mann-Kendal 檢驗 Mann-Kendall 法作為一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,常被用于時間序列的突變檢驗,其優(yōu)點在于不需要樣本服從特定分布規(guī)律,也不受少數(shù)異常值的干擾[14]。本研究采用Mann-Kendall 法對生育期平均氣溫進行突變檢測。當曲線UF 超過信度線即表示存在明顯的變化趨勢時,如果曲線UF 和UB 的交叉點位于信度線之間,此交叉點便是突變點的開始[8]。
2.1.1 穩(wěn)定通過10 ℃初日 由10 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知(圖1),整個分析期內(nèi)10 ℃初日呈線性變化趨勢,分析期內(nèi)10 ℃初日呈明顯提前的趨勢,線性擬合傾向率達3.50 d/10 a。10 ℃初日平均出現(xiàn)日期為3 月20 日,出現(xiàn)最早日期為2 月26日,出現(xiàn)年份為2013 年,最遲日期為4 月6 日,出現(xiàn)年份為2011 年,最早日期和最晚日期相差達39 d;各年份10 ℃初日與多年平均日期相比,30 年間有13 年的10 ℃初日比多年平均日期早。各年代80%保證率的10 ℃初日統(tǒng)計結(jié)果顯示,1991—2000 年,2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的10℃初日分別為3 月28 日、3 月26 日和3 月20 日。由此可見,近30 年來10 ℃初日的80%保證率日期呈明顯提前的趨勢。
圖1 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過10 ℃初日年際變化
2.1.2 穩(wěn)定通過13 ℃初日 由13 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知(圖2),整個分析期內(nèi)13 ℃初日呈線性變化趨勢,分析期內(nèi)13 ℃初日有提前的趨勢,線性擬合傾向率達2.46 d/10 a。13 ℃初日平均出現(xiàn)日期為4 月4 日,出現(xiàn)最早日期為3 月22 日,出現(xiàn)年份為2018 年,最遲日期為4 月29 日,出現(xiàn)年份為2002 年,最早日期和最晚日期相差達38 d;各年份13 ℃初日與多年平均日期相比,30 年間有16 年的13 ℃初日比多年平均日期早。近30 年80%保證率 的13 ℃初 日 為4 月16 日,1991—2000 年,2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的13 ℃初日分別為4 月12 日、4 月16 日和4 月8 日。由此可見,近30 年來13 ℃初日的80%保證率日期呈提前趨勢。
圖2 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過13 ℃初日年際變化
2.1.3 穩(wěn)定通過18 ℃初日 由18 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知(圖3),整個分析期內(nèi)18 ℃初日呈線性變化趨勢,分析期內(nèi)18 ℃初日呈推遲的趨勢,線性擬合傾向率達1.62 d/10 a。18 ℃初日平均出現(xiàn)日期為4 月27 日,出現(xiàn)最早日期為4 月7 日,出現(xiàn)年份為1999 年,最遲日期為5 月25 日,出現(xiàn)年份為2011 年,最早日期和最晚日期相差達48 d;各年份18 ℃初日與多年平均日期相比,30 年間有15 年的18 ℃初日比多年平均日期早。近30 年80%保證率的18℃初日為4 月16 日,1991—2000 年,2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的18 ℃初日分別為4 月28 日、4 月30 日和5 月7 日。由此可見,近30 年來18 ℃初日的80%保證率日期呈推遲趨勢。
圖3 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過18 ℃初日年際變化
2.1.4 穩(wěn)定通過28 ℃初日 由28 ℃初日與時間序列擬合的趨勢線可知(圖4),整個分析期內(nèi)28 ℃初日呈線性變化趨勢,分析期內(nèi)28 ℃初日呈提前的趨勢,線性擬合傾向率達3.77 d/10 a。28 ℃初日平均出現(xiàn)日期為6 月24 日,出現(xiàn)最早日期為6 月3 日,出現(xiàn)年份為2002 年,最遲日期為7 月12 日,出現(xiàn)年份為1992 年,最早日期和最晚日期相差達39 d;近30年80%保證率的28 ℃初日為6 月30 日,1991—2000 年,2001—2010 年和2011—2020 年80%保證率的28 ℃初日分別為7 月4 日、6 月27 日和6 月27 日。由此可見,近30 年來28 ℃初日的80%保證率日期呈提前趨勢。
圖4 桑植煙區(qū)1991—2020 年氣溫穩(wěn)定通過28 ℃初日年際變化
2.2.1 年際變化 桑植煙區(qū)近30 年各生育期的均溫演變趨勢如圖5 至圖8 所示,近30 年桑植苗期均溫為13.31 ℃,最高的年份為2018 年,達15.22 ℃,最低的年份為1996 年,為11.16 ℃,苗期均溫最高的年份和最低的年份相差4.05 ℃,變異系數(shù)為7.30%,表現(xiàn)為弱變異。伸根期均溫為20.60 ℃,最高的年份為1994 年,達22.84 ℃,最低的年份為2002年,為17.51 ℃,伸根期均溫最高的年份和最低的年份相差5.33 ℃,變異系數(shù)為5.63%,表現(xiàn)為弱變異。旺長期均溫為23.74 ℃,最高的年份為2013 年,達25.15 ℃,最低的年份為2010 年,為22.53 ℃,旺長期均溫最高的年份和最低的年份相差2.61 ℃,變異系數(shù)為2.65%,表現(xiàn)為弱變異。成熟期均溫為26.06 ℃,最高的年份為2013 年,達28.38 ℃,最低的年份為1993 年,為25.53 ℃,旺長期均溫最高的年份和最低的年份相差2.82 ℃,變異系數(shù)為2.81%,表現(xiàn)為弱變異。
圖5 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年苗期均溫
圖6 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年伸根期均溫
圖7 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年旺長期均溫
圖8 桑植煙區(qū)1991—2020 年歷年成熟期均溫
由各生育期均溫與時間序列擬合的趨勢線可知,整個分析期內(nèi)各生育期均溫呈線性升高趨勢,但只有苗期均溫隨時間變化通過了顯著性檢驗(P<0.05),線性擬合傾向率達0.68 ℃/10 a,表明桑植苗期均溫顯著升高,而其他生育期均溫上升幅度較小。
2.2.2 各生育期均溫突變檢驗 采用Mann-Kendal法對桑植煙區(qū)歷年苗期、伸根期均溫、旺長期均溫和成熟期均溫進行突變檢驗。由圖9 可知,桑植煙區(qū)伸根期UF 一直在0 以上,在0.05 信度線內(nèi)UF 與UB在1998 年出現(xiàn)交點,且在1999 年超過了0.05 顯著性水平閾值線。該結(jié)果表明1999 年后桑植煙區(qū)苗期平均氣溫發(fā)生突變并開始呈現(xiàn)明顯升高的趨勢。在0.05 信度線內(nèi)桑植煙區(qū)伸根期期均溫UF 與UB交點頻繁,但UF 值一直在-1.96~+1.96 之間,說明序列未發(fā)生突變;1991 年以來UF 值一直大于0,表明自1991 年以后桑植煙區(qū)伸根期均溫一直呈上升趨勢,但未達顯著水平。在0.05 信度線內(nèi)桑植煙區(qū)旺長期均溫UF 與UB 有多個交點,并于2014 年UF 值超過0.05 信度線,說明發(fā)生了一次突變;1995—2008 年UF 值一直小于0,這期間旺長期均溫存在一次下降的過程。在0.05 信度線內(nèi)桑植煙區(qū)成熟期均溫UF 與UB交點頻繁,但UF 值大部分時間在-1.96~+1.96 之間,說明序列未發(fā)生突變;1991 年以來UF 值大部分年份大于0,表明自1991 年以后桑植煙區(qū)成熟期均溫一直呈上升趨勢,但未達顯著水平。
圖9 桑植烤煙生育期均溫突變檢驗
從界限溫度出現(xiàn)時間來看,桑植煙區(qū)穩(wěn)定通過10、13 ℃初日呈提前趨勢,穩(wěn)定過18 ℃初日有小幅推遲趨勢;目前桑植煙區(qū)烤煙移栽主要集中在4 月20日至5 月10 日,移栽期界限溫度出現(xiàn)日期的提前意味著煙區(qū)烤煙移栽有提前的空間。有研究認為,溫度高于28 ℃不利烤煙正常成熟[15],桑植煙區(qū)溫度穩(wěn)定通過28 ℃的日期有提前趨勢,發(fā)生高溫逼熟的風險將會加大。
從桑植烤煙各生育期平均氣溫變化來看,各生育期均溫均呈升高趨勢,其中育苗期均溫升高達顯著水平,將有利于培育壯苗。伸根期均溫的升高將有利于烤煙早生快發(fā),同時降低早花風險。桑植煙區(qū)烤煙旺長期均溫上升幅度較小,各年份旺長期均溫均在適宜范圍內(nèi)[16],對于烤煙的形態(tài)建成十分有利。雖然烤煙成熟期均溫超過25 ℃的年份只有2 年,但各年成熟期均溫超過25 ℃和28 ℃的日數(shù)較多,成熟期高溫對煙葉品質(zhì)的影響應(yīng)受到關(guān)注。從突變檢驗結(jié)果來看,苗期均溫發(fā)生突變,呈顯著上升趨勢,其他生育期均溫呈上升趨勢,但未發(fā)生突變。
溫度是湖南煙區(qū)確定烤煙移栽期的首要因素,有研究認為溫度穩(wěn)定通過18 ℃是烤煙最早最佳移栽期,穩(wěn)定13 ℃是烤煙露地移栽的最早日期[1,11],穩(wěn)定通過8~10 ℃是烤煙膜上移栽的最早日期[10]。目前桑植煙區(qū)移栽期主要集中在4 月20 日—5 月10日,大體上是在氣溫穩(wěn)定通過18 ℃前后,即“最早最佳移栽期”,這一移栽期可以大幅度減少早花的發(fā)生,但成熟期平均氣溫會高于25 ℃,且大概率會遇到35 ℃高溫天氣,不利于烤煙品質(zhì)形成。筆者認為,在各生育期溫度上升的背景下,移栽期可以進行適當?shù)奶嵩?,比如集中到氣溫穩(wěn)定通過15 ℃日期前后進行移栽,同時繼續(xù)加強地膜覆蓋質(zhì)量,同時布局抗(耐)早花品種,或可減少成熟期高溫對煙葉品質(zhì)的影響,同時可以減少高溫高濕氣候條件下病害的發(fā)生率。
近30 年來,桑植煙區(qū)界限溫度和生育期溫度均發(fā)生變化,主要表現(xiàn)在穩(wěn)定通過10、13、28 ℃初日呈明顯提前趨勢。苗期均溫、伸根期均溫、旺長期均溫和成熟期均溫均呈升高趨勢,其中苗期均溫于1999年發(fā)生突變,線性擬合傾向率達分別達0.68 ℃/10 a?;谝陨献兓⒖紤]其可能造成的影響,可在本研究的基礎(chǔ)上嘗試將煙草育苗期和移栽期在生產(chǎn)上適當提前,不僅可以充分利用早春的溫熱條件,還可以減少成熟期高溫的不利影響。