陕西烤烟气候适宜性时空变化特征及风险分析

胡颖梅，徐 磊，袁 帅，高明博，过伟民，张艳玲，王林虹，王爱国*

1.中国烟草总公司陕西省公司，西安市曲江新区雁南四路21号 710004 2.陕西中烟工业有限责任公司技术中心，陕西省宝鸡市高新大道100号 721000 3.中国烟草总公司郑州烟草研究院烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

气候不仅影响烤烟种植的区域布局，同时还影响烟叶品质，是烤烟生长过程中最重要的环境因素。气候因素难以人为控制和改变，只能适应气候条件，趋利避害。烤烟气候适宜性评价可以明确某一地区是否适宜种植烤烟以及气候条件对于烤烟产量和品质形成的适宜程度［1]。陕西省是我国烤烟产区之一，具有明显的层状地貌，境内由于秦岭对南北气流的阻挡作用，使省内南北区域间气候差异明显，各烤烟产区气候条件也不尽相同。近几十年来全球气候变化速度加快，其中气温上升明显，国内极端气候频现［2-4]，影响了正常的烤烟生产［5]。气候条件变化意味着作物的气候适宜性也在发生变化，前人曾对全球气候变化背景下冬小麦、橡胶、大豆、玉米和棉花等作物的气候适宜性进行研究，并提出了相应的应对策略［6-13]，有学者也对气候变化条件下云南烤烟种植适宜性进行了分析［14-16]，结果显示1990年以来云南气候变暖明显加剧，气温升高对云南烤烟最适宜区主要是正面影响，烤烟可种植区域有所扩大，但在烤烟移栽期的降雨波动及极端气候较为突出。然而气候变化对除云南之外的其他区域烤烟气候适宜性的影响研究则相对较少。气候适宜性主要表征多年平均气候因素对烤烟种植的适宜程度。由于不同地区气候因素年度间波动情况存在差异，为综合表征气候适宜性及其年度波动，有学者引入了气候风险度指标。该指标可反映气候因素适宜性及其年际波动的综合效应，量化评估气候因素波动对于作物生长造成不利影响的可能性，目前已被用于小麦［17]、棉花［18-19]和烤烟［20-21]等作物，用于确定作物生产中的气候限制因素和关键生育期。本试验中利用1980—2015年陕西主产烟区27个气象站的逐日数据资料，采用烤烟气候适宜性评价、气候趋势分析、气候风险度评价等方法，分析了陕西主要烤烟产区气候因素及烤烟气候适宜性的年际波动，探讨了各产区烤烟种植主要限制气候因素以及气候因素的倾向率，并对各产区烤烟种植风险度进行了评价。旨在揭示气候适宜性时空变化特点，明确气候变化对于陕西烤烟种植的影响，进而指导优化烤烟种植布局。

1 材料与方法

1.1 研究区域及数据来源

陕西省主要植烟区域包括安康、宝鸡、汉中、商洛、咸阳和延安等6个产区，近年植烟总面积约2万公顷，收购量约3.75万吨［22]。

气象数据来源于中国气象数据网，使用陕西6个植烟产区的27个国家级气象站（表1）的逐日气象数据资料，包括平均气温、降雨量、日照时数和相对湿度等。时间从1980—2015年，分别计算6个植烟区不同生育期的气候因素指标、气候适宜性指数、气候适宜性年际波动、气候风险度和气候适宜性倾向率。

表1 研究区域气象数据来源站点分布Tab.1 Distribution of meteorological stations in study areas

1.2 烤烟气候适宜性评价

烤烟生育期划分：大田期（4月21日—8月31日）、移栽-团棵期（4月21日—5月31日）、旺长期（6月1日—6月30日）和成熟期（7月1日—8月31日）。

参考龙怀玉等［23]建立的烤烟气候适宜性评价模型，对各个气候因素的适宜性进行评价，并计算适宜性指数的气候因素、隶属函数、气候因素指标拐点值和权重，见表2。

隶属函数中的抛物线形函数和S形函数的计算公式：

式中：x1、x2、x3、x4分别为各个气候因素指标的下限值、最优下限值、最优上限值、上限值。

式中：x1、x2分别为各个气候因素指标的下限值和上限值。

采用综合指数法计算烤烟生育期综合气候适宜性指数(Climatic Suitability Index,CSI)，参考文献［23]确定权重，各气候因素权重见表2。CSI计算公式：

表2 烤烟气候适宜性评价指标及其隶属度函数拐点和权重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个气候因素的适宜性指数和权重系数。

1.3 气候风险评估

为评价不同年份间烤烟气候适宜性指数的波动情况，确定烤烟生长气候限制因子和关键生育期，引入气候风险度指标（R）［17]，计算公式：

式中：Rci和R分别表示第i个气候因素风险度和气候总风险度；Aci和A分别代表第i个气候因素的适宜性指数和综合气候适宜性指数的标准偏差；Si和S分别代表第i个气候因素的适宜性指数和综合气候适宜性指数的平均值。

1.4 气候因素及其适宜性趋势分析

气候因素的趋势变化采用线性回归模型描述，即y=a+bx。其中y为气候因素及其适宜性指数的拟合值；x为时间序列（时间序列的基本单位为年）；b为斜率，表示气候因素的趋势倾向，当b>0时表示气候因素随时间增加呈上升趋势，当b<0时，表示气候因素随时间增加呈下降趋势，b值大小反映了气候因素上升或下降的速率，即气候因素每年的变化量。气候因素的倾向率常用每10年的变化幅度表示［24-25]，因此本试验中气候因素和气候因素适宜性倾向率用10×b表示。

1.5 数据处理

采用MS Excel 2010对气象数据进行分析和作图，并计算气候因素及其适宜性的倾向率，使用SPSS 18.0对气候要素及其适宜性指数倾向率进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 陕西省烤烟不同生育期气候因素及其适宜性指数的波动分析

根据陕西省27个气象站历史气象数据（表1），分析6个主产区烤烟移栽-团棵期降雨量和平均气温及其适宜性指数年际波动情况，见图1。从时间尺度上来看，各产区年际间降雨量波动较大，变异系数在29.0%～60.7%之间，其中延安和咸阳产区变异系数均在60%左右，宝鸡、汉中和商洛产区在40.0%～50.0%之间，安康产区年际波动相对较小，变异系数为29.0%。相对于降雨量，平均气温波动幅度较小，变异系数在4.8%～6.0%之间。各产区不同年份平均温度极差在3.03～4.20℃之间。从空间尺度来看，6个产区降雨量和均温存在较明显差异，安康和汉中移栽-团棵期降雨量和均温分别大于110 mm和18.5℃，而延安和咸阳历年平均降雨量低于65 mm，均温则低于16.5℃。

各产区烤烟移栽-团棵期降雨量和均温适宜性指数均表现出较大的年际间波动，变异系数分别在13.7%～50.4%和2.5%～23.2%之间，其中安康和汉中产区波动相对较小，年际间变异系数分别小于25.0%和7.5%，而咸阳和延安等北部产区则分别在48.0%～51.0%和23.0%～14.0%之间。汉中和安康等陕南烟区降雨量和气温的波动对烤烟适宜性指数的影响相对较小，而咸阳和延安等陕北产区降雨量的波动则更容易影响烤烟适宜性指数。

陕西6个产区烤烟旺长期降雨量和平均气温及其适宜性指数年际波动情况如图2所示。从时间尺度上来看，旺长期降雨量依然存在较大的年际波动，变异系数在39.8%～50.6%之间，各产区间差异不大。气温年际波动幅度较小，变异系数在3.7%～5.2%之间。从适宜性指数来看，各产区降雨量适宜性指数存在较大的年际波动，波动范围在0.1～1.0之间，其中安康和汉中降雨量适宜性指数年度间变异系数为37.0%和39.9%，其余产区变异系数均大于55%，其中咸阳最大，为76.6%。各产区气温适宜性指数年际间波动较小，安康、汉中和商洛多数年份均是1.0，宝鸡、延安和咸阳旺长期气温适宜性逐渐升高，且波动幅度逐渐降低。

陕西6个产区烤烟成熟期降雨量和均温及其适宜性指数的年际波动情况见图3。成熟期降雨量和均温年际波动幅度较旺长期有所降低，变异系数在32.3%～45.6%和3.2%～3.7%之间，各产区大部分年份成熟期降雨量在150 mm以上。降雨量适宜性指数年际间也均存在较大波动，变异系数在45.7%～75.9%之间，其中汉中和安康变异系数均大于70.0%，商洛变异系数为60.5%，宝鸡、咸阳和延安产区变异系数小于50.0%。各产区气温适宜性指数多数年份均是1.0，仅安康和汉中个别年份小于1.0，但也均在0.75以上。年际间波动较小，变异系数均小于4.0%。

陕西6个烤烟产区大田期积温、相对湿度和日照时数及其适宜性指数年际间波动情况见图4。从图4可以看出,各产区大田期10℃以上积温和相对湿度年际间波动均不大，变异系数在5.1%～6.7%和3.3%～5.8%之间。大田期日照时数年际间存在一定的波动，年际间变异系数在9.7%～12.9%之间。烤烟大田期积温和相对湿度适宜性指数存在一定波动，变异系数分别在13.6%～32.8%和5.3%～33.6%之间，其中汉中和安康等陕南产区波动相对较小，变异系数分别小于20%和10%，而延安和咸阳等北部产区年际波动相对较大，变异系数大于25%。大田期日照时数适宜性指数较为稳定，仅汉中、商洛和安康产区少数年份小于1，其余产区及年份均为1.0。各产区烤烟大田期积温和相对湿度虽然波动不大，但适宜性指数却存在较大的波动，尤其是延安和咸阳等北方烟区波动较为明显，而日照时数虽然存在一定波动，但多数产区多数年份的日照时数适宜性指数为1.0。

综合烤烟移栽-团棵期、旺长期、成熟期和大田期9个气候因素的适宜性，分析了陕西主要烤烟产区1980—2015年间烤烟综合气候适宜性指数（图5）变化情况。各产区综合气候适宜性指数年际波动幅度相差不大，变异系数在3.7%～5.3%之间，仅咸阳产区变异系数大于5.0%。不同产区的综合气候适宜性指数呈现出一定的梯度分布，其中安康和汉中处于第一梯队，综合气候适宜性指数均值均为0.89，最低值分别为0.81和0.77；第二梯队为商洛和宝鸡产区，综合气候适宜性指数均值分别为0.85和0.81，最低值分别为0.78和0.74；第三梯队为咸阳和延安产区，综合气候适宜性指数均值分别为0.79和0.76，最低值均为0.70。

2.2 陕西省烤烟不同生育期气候因素的风险度分析

气候风险度由气候适宜性和气候适宜性波动指标计算得出，反映了气候因素适宜性及其年际波动的综合效应，可量化评估气候因素波动对于作物生长造成不利影响的可能性［18]。陕西各产区烤烟主要生育期气候因素风险度见表3。从表3中可以发现，烤烟主要生育期中降雨量风险度较大，其中咸阳和延安旺长期降雨量风险度相对较高（>0.3），而安康、汉中和商洛成熟期降雨量风险度相对较高（>0.3），其余产区和生育期降雨量风险度均小于0.3；各产区气温风险度相对较小，仅延安、咸阳和宝鸡移栽-团棵期气温风险度相对较高（>0.1）；同时大田期积温也存在一定风险度，尤其是延安产区，大田期积温风险度大于0.2。

表3 陕西主要产区烤烟生育期各气候因素风险度Tab.3 Risk degrees of climatic factors for flue-cured tobacco during growth period in main planting areas of Shaanxi

2.3 陕西省烤烟气候因素以及气候适宜性倾向率分析

倾向率用于表征气候因素等指标随时间序列变化趋势，常用10年（10 a）为基本统计单位［25-26]，采用线性趋势分析法对资料序列进行变化趋势分析。陕西各产区气候因素及其适宜性倾向率见表4。从表4中可以发现，1980年以来陕西产区烤烟生育期间气温及积温呈现增加的趋势，商洛和延安产区大田生育期的日照时数显著上升，倾向率分别为35.61 h/10 a、和46 h/10 a。综合烤烟生育期各气候因素的变化趋势来看，1980年以来最大的变化是气温升高。气温适宜性指数也呈显著变化趋势，其中各产区移栽-团棵期和旺长期气温适宜性指数均呈显著升高趋势，安康和汉中产区成熟期气温呈升高趋势，且超过了18～25℃成熟期最佳温度区间，因此其气温适宜性反而呈显著降低趋势；陕西产区大田期大于10℃积温普遍在1 000～2 000℃之间，尚未达到最适宜的2 000～3 500℃区间，因此随着烤烟生育期气温的升高，积温适宜性指数呈现增加趋势。综合各因素来看，宝鸡和咸阳烤烟气候适宜性指数呈显著升高趋势，其余产区变化趋势不显著。

表4 陕西主要产区烤烟生育期气候因素及其适宜性指数倾向率①Tab.4 Tendency rates of climatic factors and their suitability indexes during growth period in main flue-cured tobacco planting areas of Shaanxi

3 讨论

联合国政府气候变化专门委员会（IPCC）发布的第五次评估报告（AR5）指出，全球气候系统变暖的事实是毋庸置疑的［27]。气温变暖会导致一系列气候和生态条件的改变，如降雨时空分布格局、极端天气频率等，任何气候变化都可能对农业生产带来潜在的或显著的影响［28]。气温变暖必然导致作物适宜性改变，烤烟是喜温作物，对温度比较敏感［29]，在多个烤烟气候适宜性评价系统中，温度指标都占了较大的权重［1,23]。本研究中利用陕西主要植烟产区30多年的历史气象数据，分析了陕西各产区烤烟气候适宜性的变化情况及气候风险，提出了气候适宜性较高且年际间波动较小且适宜发展烤烟种植的区域分布。在1980—2015年间，陕西烤烟生育期气温平均每10年升高0.27～0.38℃，其中旺长期升高速度最快，明显快于全球地表1951—2012年每10年平均升温0.12℃［30]，这与高茂盛等［31]对陕西气候资源变化趋势研究结果基本一致。气温升高对烤烟气候适宜性产生了显著的影响，提高了移栽-团棵期和旺长期的适宜性指数，但也降低了安康和汉中等陕南产区成熟期适宜性指数，但降低幅度较小，同时提高了陕西产区烤烟生育期的积温及烤烟生育期的积温适宜性，可缩短烤烟大田生长时间，降低种植风险。与白玉梅等［32]对贵州烤烟种植积温变化情况的研究结果相似。

陕西烤烟产区气温上升对烤烟整个生育期的降雨量尚未产生显著影响。但从气候风险分析结果来看，陕西产区降雨量存在较大的年际波动，烤烟种植气候风险也主要是降雨量。在移栽-团棵期，汉中和安康等南部产区主要风险在于降雨量过多导致的适宜性指数降低，延安和咸阳等北部烟区的主要风险在于降雨量偏少导致的适宜性指数降低，其中延安和咸阳等北部烟区适宜性降低幅度及风险更大；在烤烟旺长期（6月份），气候风险主要是降雨量偏少导致的适宜性指数下降，且延安和咸阳等北部烟区降雨量适宜性指数降低幅度更大；成熟期主要风险是降雨量偏多，其中陕南烟区风险更大。

4 结论

综合分析1980—2015年间陕西省主产区气候因素在烤烟生育期内的时空变化特征，结果表明：①在烤烟生育期间，陕西各产区降雨量年际波动较大，并且成为限制烤烟生长适宜性的主要因素。气温、日照时数年际波动相对较小，延安和咸阳等北部烟区大田期日照时数以及大田期积温适宜性指数有一定年际波动。②陕西烟区降雨量、气温、积温和相对湿度等气候指标呈现出由北向南逐步增加的趋势，而日照时数则呈现相反的趋势。③安康、汉中和商洛等区域烤烟气候综合适宜性较高，且年际稳定性较好，适宜发展为陕西省核心烤烟种植区，但需要防范旺长期降雨量偏少以及成熟期降雨量偏多的风险。④气候因素趋势分析显示，多数产区气温呈显著升高趋势，其中宝鸡和咸阳烤烟综合气候适宜性指数显著升高。