中国橡胶树气候适宜度分布特征研究

佟金鹤, 刘少军, 陈小敏, 李伟光

中国橡胶树气候适宜度分布特征研究

佟金鹤1, 2, *, 刘少军1, 2, 陈小敏2, 3, 李伟光2, 3

1. 海南省气象科学研究所，海口 570203 2. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203 3. 海南省气候中心，海口 570203

选取气温、降水、光照、风速四个气象要素, 应用气候适宜度方法对中国橡胶树的气候适宜性进行定量评价。结果表明: 中国橡胶树的气候适宜度指数均低于0.8, 平均值为0.43, 变化趋势普遍在±0.05 (10a)-1之间, 海南岛的大部分地区为橡胶树气候适宜区, 广东, 广西和福建南部以及云南南部的部分地区为较适宜区; 降水适宜度均值为0.43, 趋势值为-0.08—0.09 (10a)-1, 是中国橡胶树适宜性的主要限制因素; 温度适宜度平均值为0.59, 趋势值在-0.04—0.25 (10a)-1之间, 是造成气候适宜度空间分布差异的主要因素; 光照适宜度平均值为0.70, 变化趋势均在±0.05 (10a)-1之间, 分布和变化的空间差异最小; 风速适宜度均值为0.71, 变化趋势范围为-0.34—0.28 (10a)-1, 区域性最强。

橡胶树; 气候适宜度; 隶属度

0 前言

橡胶树原产于南美洲亚马逊流域, 是典型的热带树种, 其生长发育和产胶量受温度、降水、日照、风速等气象条件影响明显[1]。目前橡胶树在我国海南、广东、广西、福建、云南均有种植, 其中海南和云南是主要产区[2]。我国橡胶种植区主要位于热带地区北缘, 因低温、干旱、风灾导致的非正常落叶、枝条枯死、爆皮流胶、断枝等现象时有发生, 一定程度上威胁了橡胶的高产稳产[3]。

农作物的气候适宜度是将温度、光照、降水等气象因子的数量变化定量转化成对作物生长发育、产量形成、品质指标等的适宜程度[4-5]。目前, 气候适宜度研究已广泛应用于适宜性评价、产量预报、发育期预报、气候风险评估、病虫害发生发展气象等级评估等方面[6—7]。研究的对象涵盖了水稻、玉米、大豆、小麦、高粱、烟草、油菜、橡胶树等多种作物, 如: 陈海生等从气候、土壤、地形等三方面选取了17个评价指标, 应用层次分析、构建隶属度函数等方法建立了烟草生态适宜性评价指标体系[8]; 为准确反映作物生长过程中的短时灾害性天气影响, 侯英雨等对相关参数进行了修订, 建立了春玉米生长日时间尺度适宜度模型[9]。亦有研究根据历史气象资料或未来情景数据对气候变化背景下作物适宜度的变化做出了总结, 对未来气候适宜度分布和变化情况进行了预估[10-13]。在橡胶树气候适宜度领域, 刘少军等和陈小敏等分别研究了海南岛橡胶树第一蓬叶期和割胶期的气候适宜度分布及变化特征[14—15]。陈小敏等使用相关系数法分析了割胶期各月气候适宜度的加权系数构成, 建立了橡胶树割胶期的气候适宜度评价指标[16]。此外, 亦有研究使用云理论、粗集理论、模糊神经网络理论以及主成分分析方法等实现了橡胶树的适宜性区划[17-20]。

目前中国橡胶树气候适宜度研究主要集中于海南岛地区, 研究生育期主要为第一蓬叶和割胶期。本研究拟在现有研究基础上, 使用气候适宜度方法, 定量评价中国橡胶树全生育期内适宜度区域分布, 以期为橡胶树的种植规划、防灾减灾提供参考依据。

1 数据和方法

1.1 数据

根据中国热带作物种植业区划, 确定中国橡胶树种植的气候适宜区研究范围(图1), 涉及云南、广西、广东、福建、海南五个省份, 总面积约为24.14× 104km2 [18]。1989—2018年73个测站逐日气象数据来源于国家气象信息中心《中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)》, 包括气温、降水、日照时数、风速等要素。

图 1 研究区范围

Figure 1 Location of the study area

1.2 方法

首先选取对橡胶生长具有重要影响的温度、降水、光照、风速四个主要影响因子计算逐月适宜度函数[14-16]。随后以不同权重使用适宜度月值计算适宜度年值, 并以30年中适宜度年值的平均值表征测站的适宜度。具体方法如下:

月温度适宜度S为逐日气温适宜度S的月平均值,S计算方法为:

其中:为平均气温(℃),T=15 ℃、T=39 ℃、T=26 ℃ 分别为橡胶生长的最低温度、最高温度和最适温度[14]。

月降水适宜度S:

式中,S表示月降水量适宜度, 而 S为月降水日数适宜度。R=150 mm为月适宜降水量,为月降水量(mm)。d=10 d、d=16 d为橡胶月降水适宜日数的上限和下限,为月降水日数(d)[16]。

月光照适宜度S为逐日光照适宜度S的月平均值,S计算方法为:

式中为实际日照时数(h),=5.1为常数,S为日照百分率为55%的日照时数(h), 由测站经纬度及日序确定[14-16]。

月风速适宜度S为逐日光照适宜度S的月平均值,S计算方法为:

为日平均风速(m/s),W=1.9 m/s、W=2.9 m/s分别为橡胶适宜风速的下限和上限[14-16]。

逐月气候适宜度S定义为:

式中,S、S、S、S分别为月温度适宜度、月降水适宜度、月光照适宜度和月风速适宜度。

橡胶是多年生落叶乔木, 我国橡胶树通常在每年的3、4月份生长第一蓬叶, 5月第一蓬叶生长完全稳定, 6月抽第二蓬叶, 8月抽第三蓬叶, 9、10月第三蓬叶完全稳定。11月气温下降, 橡胶自北向南逐渐进入越冬期, 12月—翌年2月, 橡胶树停割处于越冬期。因此, 第一蓬叶期(3—4月)的气象条件对橡胶树生长及产量形成影响最大, 其次为5—11月, 而越冬期(12月—翌年2月)气象条件对橡胶树生长及橡胶产量影响相对较小。因此按照如下公式, 分别使用四个气象因子和综合气候适宜度月值定义各自的适宜度年值:

式中*表示*对应月份的适宜度。

最后以30年适宜度平均值表征研究测站的橡胶树气候适宜度及气温、降水、光照、风速适宜度。

2 结果分析

2.1 橡胶树气候适宜度分布特征

使用0.2、0.4、0.6、0.8作为适宜度的阈值, 将研究区域划分为不适宜、较不适宜、较适宜、适宜、高适宜等五个适宜性等级, 结果如下:

整体来看, 我国橡胶树气候适宜度均在0.8以下, 适宜区(适宜度0.8—0.6)主要位于海南岛。较适宜区主要位于广东, 广西、福建南部以及云南南部部分地区。研究范围中云南的大部分地区多年平均气候适宜度<0.4, 不适合橡胶树生长。

温度适宜度基本呈现自南向北递减的纬向分布形式(图3—1): 海南岛、雷州半岛南部为高适宜区, 广东、广西南部以及云南西双版纳等区域为较适宜区, 其余地区橡胶树温度适宜度较低, 在0.6以下。适宜度<0.4的较不适宜区和不适宜区主要位于云南省境内。

降水适宜度整体较低, 普遍<0.6(图3—2)。研究区域中云南大部分地区、海南岛西南部、福建和两广沿海地区降水适宜度均较低。海南岛的大部分地区、以及位于福建、广西、广东的研究区域为橡胶树降水较适宜区和适宜区。

图2 橡胶树年平均气候适宜度

Figure 2 Average annual climate suitability of rubber trees

图3 橡胶树年均温度(1)、降水(2)、光照(3)、风速(4)适宜度

Figure 3 Average annual suitability of temperature (1) precipitation (2) sunshine duration (3) and wind speed (4) of rubber trees

橡胶树光照适宜度整体较高, 高适宜区零星分布在海南和云南(图3—3)。其余研究区域普遍为橡胶树光照的适宜区, 空间差异很小。

风速的适宜度整体较高, 适宜度低值区主要位于东南沿海、云南山区、以及海南岛西部地区(图3—4)。海南岛中部, 福建、广东、广西内陆地区以及云南西南部为风速高适宜区。

2.2 橡胶树气候适宜度空间统计特征

为分析中国橡胶树气候适宜度的整体特征, 计算四个气象要素及气候适宜度在空间上的均值和标准差(表1), 并结合图2、图3可以看出, 我国华南地区橡胶气候适宜度整体较低(0.43), 四个要素中降水适宜度最低(0.43), 次低为温度适宜度(0.59), 而光照适宜度和风速适宜度相对较高(分别为0.70和0.71)。适宜度标准差表征了该物理量在空间上的差异。结果显示, 研究范围内的光照适宜度空间差异最小, 温度和风速适宜度的空间差异较大。

偏相关系数是在对其他变量的影响进行控制的条件下, 衡量多个变量之间的线性相关程度的指标。为分析气候适宜度和四个气象要素的相关关系, 使用MATLAB中的partialcorr()函数分别计算了四个要素与气候适宜度的偏相关系数(如表1)。结果显示, 温度适宜度和气候适宜度的偏相关系数最大, 均值达到0.78, 而光照和风速适宜度偏相关系数很小, 仅为0.12和0.09。可以说明, 气候适宜度的空间差异主要是由温度适宜度的差异导致, 降水的空间差异亦有一定影响, 但影响程度小于温度, 而光照和风速分布对气候适宜度的空间差异影响很小。

2.3 橡胶树气候适宜度时间变化特征

计算橡胶树适宜度在1989—2018年间年际变化线性趋势, 结果如下:

我国橡胶树气候适宜度以升高为主, 整体变化较小, 线性倾向率普遍在±0.05(10a)-1之间。橡胶树适宜度升高明显的地区主要位于云南和福建。

图5为橡胶树温度、降水、光照、风速等四个气象因子在研究时段内适宜度的变化趋势。从中可以看出温度和风速适宜度变化较为明显, 光照适宜度变化较小。

表1 橡胶树适宜度的均值、方差及相关关系

图4 1989—2018年橡胶树气候适宜度变化趋势(10a)-1

Figure 4 Trend of climate suitability of rubber trees in 1989-2018 (10a)-1

图5 1989—2018年橡胶树橡胶树温度(1)、降水(2)、光照(3)、风速(4)适宜度变化趋势(10a)-1

Figure 5 Suitability trends of temperature(1) precipitation(2) sunshine duration (3) and wind speed (4) of rubber trees in 1989—2018 (10a)-1

研究区域内橡胶树温度适宜度变化趋势在-0.04— 0.25 (10a)-1之间, 其中云南西南部地区升高最为明显, 其余地区温度适宜度变化不明显, 趋势值集中在±0.05 (10a)-1之间。降水适宜度变化范围在-0.08—0.09 (10a)-1之间, 除云南北部地区外, 其余区域降水适宜度均呈增高趋势, 增高幅度较小, 普遍在0.05 (10a)-1以下。光照变化趋势的变化范围最小, 全区域的趋势值均在±0.05 (10a)-1之间。风速适宜度变化趋势的区域性最强, 变化区间为-0.34—0.28 (10a)-1, 降低区域主要位于广东, 升高区域主要位于云南、广西和海南, 其中云南地区风速适宜度升高程度最大。

3 讨论

中国天然橡胶树种植区位于热带地区北缘, 相较于原生地, 其生长受到温度、降水等气象因子的制约, 要规避不利气候条件, 充分利用气候资源, 实现天然橡胶的高产稳产, 应首先做好宜林地规划。本研究选取温度、降水、光照、风速等四个气象因子, 使用基于隶属度的气候适宜度量化方法, 对中国天然橡胶树的气候适宜度展开了研究。

气候适宜度的研究过去主要集中在水稻、玉米、小麦等大宗一年生作物上, 在天然橡胶树等多年生木本植物中应用较少。现有橡胶树气候适宜度研究主要集中在海南岛地区, 其研究的生育期多为第一蓬叶期和割胶期等个别重要生育期。本研究在现有基础上扩大研究区域至中国可开展橡胶种植的区域, 涉及云南、海南、广东、广西、福建五个省份, 总面积约为24.14×104km2; 同时根据橡胶树不同生育期气象因子影响程度对逐月气候适宜度赋予不同的权重, 得到了可综合评价全年气象条件的的气候适宜度年值, 更为全面地反映了中国天然橡胶树的适宜度分布。在研究时段内, 橡胶树气候适宜度整体升高, 温度适宜度普遍升高, 云南、海南等地风速适宜度升高明显, 降水适宜度普遍升高, 这与上述区域气温上升、风速减弱、降水增多的气候变化情形一致[21]。上述研究的成果可用于指导中国天然橡胶种植生产布局和品种结构调整, 避免因追求经济利益而盲目扩种造成不必要的损失。

然而, 在建立气候适宜度指标时, 主要参考了相关文献, 未经试验观测数据验证, 未考虑不同的树种主导气候因子及其气候阈值的差异性, 且该指标不能充分反映台风等短时强不利气象条件影响, 评价的指标尚需进一步完善。此外, 橡胶树的生长、产量形成除受气象因素影响外, 很大程度上还是种植环境、田间管理、经济效益等因素综合影响的结果。这些均有可能导致适宜度评价结果与生产实际的差异。

4 结论

(1) 中国橡胶树气候适宜度整体水平较低, 均值为0.43, 气候适宜度指数均<0.8, 适宜度指数0.6—0.8的适宜区主要位于海南岛, 气候适宜度指数0.4—0.6的较适宜区主要分布于广东, 广西和福建南部以及云南南部的部分地区。

(2) 在选取的四个气象因子中, 橡胶树降水和温度适宜度最低, 平均值分别为为0.43和0.59, 是中国橡胶树种植业发展的主要限制因素; 光照适宜度均在较适宜和适宜区间内, 空间差异最小, 均值为0.70; 风速的平均适宜度最高为0.71, 在山区、沿海地区有明显的低值区。

(3) 橡胶树温度适宜度与气候适宜度偏相关系数为0.78, 是造成橡胶气候适宜度空间差异的最主要因素, 其次为降水偏相关系数0.54。光照和降水对气候适宜度空间差异的贡献较小。

(4) 研究时段内我国橡胶树气候适宜度以升高为主, 变化程度较小, 普遍在±0.05 (10a)-1之间。橡胶树适宜度升高地区主要位于云南南部和西南部。温度适宜度普遍升高, 升高趋势最高可达0.25 (10a)-1。降水适宜度普遍降低, 降低幅度在云南可达-0.08 (10a)-1以下。光照变化范围最小, 全区域的线性趋势值均在±0.05 (10a)-1之间。风速适宜度区域性最强, 变化区间为-0.34—0.28 (10a)-1, 降低区域主要位于广东省境内, 升高区域主要位于云南、广西和海南, 其中云南是风速适宜度升高最为明显的区域。

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Study on the variation characteristics of rubber trees climate suitability in China

TONG Jinhe1, 2,*, LIU Shaojun1, 2, LI Weiguang2, 3, CHEN Xiaomin2, 3

1.Institute of Meteorological Science of Hainan Province, Haikou 570203, China 2. Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 3. Climate Center of Hainan Province, Haikou 570203, China

Four meteorological elements (air temperature, precipitation, sunshine duration and wind speed) were selected to quantitatively evaluate the suitability of Chinese rubber trees with the method of climate suitability. The results show that the climate suitability index of rubber trees in China is generally lower than 0.8; average is 0.43 and the trend is generally between ±0.05 (10a)-1. Most of Hainan Island is suitable for rubber trees; Guangdong, Guangxi, southern Fujian and parts of southern Yunnan are relatively suitable. The mean value of precipitation suitability is 0.43, which is the main limiting factor for the suitability of Chinese rubber trees, and its trend value ranges from -0.08 to 0.09 per decade. The average of temperature suitability is 0.59, and its trend value ranges from -0.04 to 0.25 per decade, which is the main factor for the spatial distribution differences of climatic suitability. The mean value of sunshine duration suitability is 0.70, and its variation trend is between ±0.05 per decade, with the smallest spatial differences in distribution and variation. The average of wind speed suitability is 0.71, its variation trend range is -0.34-0.28 (10a)-1, and its regional character is the most evident.

rubber trees; climatic suitability; membership degree

佟金鹤, 刘少军, 陈小敏, 等. 中国橡胶树气候适宜度分布特征研究[J]. 生态科学, 2021, 40(1): 162–168.

TONG Jinhe, LIU Shaojun, CHEN Xiaomin, et al. Study on the variation characteristics of rubber trees climate suitability in China[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 162–168.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.021

P464

A

1008-8873(2021)01-162-07

2020-01-10;

2020-04-02

国家自然科学基金项目(41765007); 国家自然科学基金项目(41465005); 2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC359)

佟金鹤,(1990—), 女, 硕士, 工程师;主要从事橡胶气象服务研究, E-mail: tongjinhesuns@163.com