贵州省烤烟种植主要气象风险因素的时空分布特征分析

藏照阳，张艳玲，王建伟，常乃杰，刘建利

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

2.中国烟叶公司，北京市广安门外大街9号 100055

农业气象风险是指大气变化产生的不利气象条件对农业生产和农作物等造成的直接和间接的损失［1-2］。我国每年因各种气象灾害造成的农作物受灾面积达5×107hm2，经济损失达2 000 多亿元［3］。因此，如何准确、定量地评估气象灾害对农业生产的影响，对国家粮食安全、农业可持续发展和农业防灾减害措施的制定具有重要意义。目前国内外关于农业气象风险评估主要集中在以下3个方面：一是根据历史气象资料借助数理统计的方法，建立单一气象灾害风险概率模型［4-6］。二是根据自然灾害致灾机理，基于致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力等指标的综合评估［7-9］。三是借助作物模型和遥感等技术，实现农业气象灾害风险的动态评估［10-12］。

近年来，关于烟草农业气象灾害风险研究主要集中在两方面：一是评价某一区域单一灾害的风险［13-14］。王秀珍等［13］采用日平均气温、最低气温和日照时数等数据，借助GIS 平台构建了玉溪烤烟低温冷害风险评估模型；张泽中等［14］利用1951—2017 年逐日降水数据资料，分析了贵阳市烟草生长期旱涝急转特征。二是基于自然灾害系统理论，构建气象风险综合评估模型［15-16］。操筠［16］选取致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力4 个因子构建恩施烤烟气象胁迫风险模型，并利用GIS 实现恩施烟区的气象胁迫风险区划。贵州作为我国主要优质烟叶产区，全省地形地貌差异大，气候变化复杂，不同产区间气象条件差异大且面临的灾害种类多，是烟草农业生产的主要障碍因子之一［17-19］。但迄今为止，对贵州省烟叶种植所面临的气象风险研究较少。为此，拟通过对贵州烟叶生产过程中气象风险指标的分析，明确不同气象风险发生的时空分布特征，并采用聚类分析法对贵州烤烟种植气象风险因素进行归类，旨在为贵州省烟叶大田生产防灾减灾策略的制定提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象数据来自贵州64 个植烟县的国家气象监测站（图1）。数据项目包括2008—2017 年4—9 月逐日平均气温、最高气温、最低气温、降雨量和日照时数等。

图1 气象数据收集区域Fig.1 Meteorological data collection areas

1.2 气象风险指标

低温、高温、干旱等评价指标参考前人对烤烟生长发育规律及烟叶种植气象风险因素评价的相关研究［20-25］，暴雨风险评价指标参考玉米风险评价［7］。根据贵州烤烟移栽期和烤烟生长发育进程，确定还苗-伸根期低温、成熟期高温、成熟后期低温、旺长期干旱、生育期暴雨等气象风险指标（表1）。

表1 气象风险指标说明Tab.1 Meteorological risk indexes

1.3 数据分析方法

采用SPSS 26 和Excel 2019 完成各项指标的基本统计分析。利用ArcGIS 10.7，采用反距离加权插值法（IDW）、栅格计算等方法完成空间分布分析［18］。通过聚类分析法完成气象风险因素归类。聚类分析法通过特定的算法（欧氏距离、平方欧式距离、马氏距离等）计算个案之间的距离，根据个案间距离大小将其分为若干个簇，使簇内个案尽可能具有最大的相似性，通过绘制谱系图确定聚类个数［27］。将气象风险指标标准化处理后，采用平方欧式距离法［28］，对贵州烤烟种植风险区进行系统聚类分析［29］。生态区划研究一般将聚类结果划分为4～6 类［30-31］，本研究中根据贵州烤烟种植气象风险特征并借鉴以往研究经验将贵州烤烟种植气象风险划分为6 类。

2 结果与分析

2.1 贵州烟叶大田期气温风险分析

2.1.1 烟草大田期气温时空分布

贵州省烤烟生育期（4 月下旬—9 月上旬）平均温度在16.7～25.4 ℃之间，自西向东北呈现逐渐升高趋势（图2A），毕节威宁最低，铜仁沿河最高。生育期内旬均温呈现出先增加后降低的趋势（图2B），4 月下旬温度最低，为16.7 ℃；7 月下旬温度最高，为24.8 ℃；之后温度不断降低，9 月上旬降至22.3 ℃。4月下旬变异系数最大为10.17%，5 月中旬—8 月下旬在4%～6.4%之间，9 月上旬又上升至6.5%。进一步对不同生育阶段平均温度年际间变化分析（图2C）可知，烤烟还苗-伸根期（4月下旬—5 月中旬）温度最低且年际间变化较大，极值在17.2～20.6 ℃，变幅为3.4 ℃；成熟前期（7月中旬—8 月上旬）温度最高，极值在23.6～25.7 ℃之间，变幅为2.1 ℃；成熟后期（8 月中旬—9 月上旬）温度有所降低，极值在22.2～24.6 ℃之间，变幅为2.4 ℃。2013 年以来，烤烟旺长期和成熟前期平均气温有所升高，伸根期和成熟后期平均气温呈下降趋势。西部地区在还苗-伸根期和成熟后期可能遭受低温风险，东部地区在成熟期可能遭受高温风险。

图2 2008—2017 年4 月下旬—9 月上旬温度分布Fig.2 Temperature distribution from late April to early September between 2008 and 2017

2.1.2 贵州烟叶大田期气温风险分析

2.1.2.1 还苗-伸根期低温

烤烟大田生长前期最适温度为20～22 ℃，低于13 ℃容易造成烤烟早花，从而影响产质量［20］。2008—2017 年贵州烟区4 月下旬—5 月中旬日平均气温≤13 ℃天数的分析结果（图3A）显示，烟株还苗-伸根期平均气温≤13 ℃天数整体呈西高东低趋势，毕节威宁低温日数最多，多年平均为12 d，其次是六盘水水城和毕节大方，多年平均为5～8 d；贵阳开阳、修文，遵义播州区（遵义县）、习水，毕节赫章，六盘水盘州（盘县），黔西南普安，黔南瓮安等为3～5 d，其他县区均在1 d 以下。对风险较高3 个县区的进一步分析结果显示（图3B），多数年份还苗-伸根期低温风险天数相对稳定在4～5 d，仅2017 年毕节威宁、大方连续低温天数明显较高，达8～9 d。总体来看，贵州烟区还苗-伸根期低温风险整体较低，毕节威宁、大方和六盘水水城的个别年份有一定风险。

图3 还苗-伸根期低温风险特征Fig.3 Characteristics of low temperature risk from shoot restoring stage to root extending stage

2.1.2.2 成熟期高温

成熟期内温度高于30 ℃，特别是大于35 ℃时烤烟内干物质的消耗大于积累，即使是短期的高温，也会破坏叶绿素，不利于烟叶品质的形成［21］。对贵州烟区7 月中旬—8 月下旬日最高温度≥35 ℃天数的年平均值分析得知（图4A），高温风险集中分布在贵州东北部，以铜仁沿河风险出现频率最高，高温风险天数高达27 d，其次是铜仁江口、思南、石阡、印江、松桃，黔东南锦屏、岑巩为15～20 d，黔东南镇远、施秉，铜仁德江为10～15 d，其余区域高温风险出现频率相对较低。对高温日数超过15 d 的8 个县区进一步分析结果（图4B）显示，铜仁沿河、石阡、松桃，黔东南锦屏、岑巩平均每年出现1 次持续天数5～10 d 的高温胁迫；铜仁沿河平均每年出现1 次持续时间大于10 d 的高温胁迫，而铜仁江口、思南、石阡、印江平均2年出现1 次。总体来看，贵州铜仁地区和黔东南锦屏、岑巩烟叶成熟期高温风险较高，中西部地区整体较低。

图4 成熟期高温风险特征Fig.4 Characteristics of high temperature risk during mature stage

2.1.2.3 成熟后期低温

烤烟成熟期最适温度为20～28 ℃，气温低于20 ℃，烟叶成熟缓慢，妨碍同化物的转化和积累，不利于产质量的形成［19］。对8 月上旬—9 月上旬日平均气温≤20 ℃天数的多年均值分析（图5A）可知，贵州多数区域烤烟成熟后期低温风险天数在10 d 以下，仅毕节、六盘水和黔西南部分区域天数相对较多，其中毕节威宁高达40 d。对日平均气温≤20 ℃天数超过20 d 的3 个县区进一步分析显示（图5B），毕节威宁日平均气温≤20 ℃最长持续天数最多，平均为27 d，六盘水水城、盘州在10 d 左右，且年际间变化较小。这说明，烟叶成熟后期毕节威宁遭受低温风险概率最高，六盘水水城、盘州也有一定风险，其余县区几乎不会出现低温风险。

图5 成熟后期低温风险特征Fig.5 Characteristics of low temperature risk during late mature stage

2.2 贵州烟叶大田期降雨风险分析

2.2.1 烟叶大田期降雨时空分布

贵州省各县区烤烟生育期降雨量极值在607.5～995.1 mm 之间（图6A），西南部和东部地区显著多于中部地区。从时间分布特征上看，2008—2017 年贵州省植烟区降雨量总体呈上升趋势，但年际间波动较大（图6B）。2011 年和2013 年降雨量分别为483.8 mm 和617.0 mm，比2008—2017 年均值少37.64%和20.48%；2014 年降雨量为929.4 mm，比2008—2017 年均值多19.78%。生育期降雨量呈先增加后减少的变化趋势（图6C），还苗-伸根期雨量在80.0～177.2 mm 之间，均值为132.0 mm；旺长期降雨量在263.5～450.5 mm 之间，均值为343.5 mm；成熟前期雨量在46.0～287.9 mm之间，均值为163.7 mm；成熟后期雨量在45.9～240.8 mm 之间，均值为136.7 mm；还苗-伸根期和旺长期降雨量年际间差异较小，成熟期年际间差异较大，2014 年以来旺长期降雨量呈显著增加趋势。研究区域内烟叶不同生育期的降雨量与烟草需水规律基本吻合，但年际间差异大，在需水较多的旺长期，雨量相对较少的中部地区可能面临干旱风险，雨量较多的西南地区和东部地区可能面临暴雨风险。

图6 2008—2017 年4 月下旬—9 月上旬降雨量分布Fig.6 Rainfall distribution from late April to early September between 2008 and 2017

2.2.2 贵州烟叶大田期降雨风险分析

2.2.2.1 旺长期干旱

旺长期是烤烟的需水临界期，此时烟株生理活动旺盛，水量需求大，若水分供应不足，将会对烟叶的产量和品质的形成造成不可逆的影响［23-24］。对5 月下旬—7 月上旬最长连续无雨日数（图7）的多年均值分析可知，贵州西部县区大多数年份最长连续无雨日数在5 d 以下，东部县区为5～10 d；2013 年，绝大多数县区最长连续无雨日数为5～10 d，贵州中部地区最长连续无雨日数为10 d 以上，其中黔东南黄平最长连续无雨日数高达13 d。由此可见，除中部地区在个别年份发生干旱以外，贵州烟区烟叶旺长期干旱风险整体较低。

图7 2008—2017 年5 月下旬—7 月上旬最长连续无雨日数Fig.7 Days of the longest consecutive period without rain from late May to early July between 2008 and 2017

2.2.2.2 大田期暴雨

对暴雨发生频率和暴雨降雨量的分析结果（图8A、B）显示，暴雨主要集中在西南部和东部部分地区，其中安顺普定、西秀、平坝、紫云、关岭，黔南长顺，六盘水六枝，黔西南晴隆、兴义，贵阳清镇年均暴雨日数在4～5 d，暴雨发生频率较高；其次是黔南独山、平塘、惠水、都匀，铜仁松桃、印江，黔东南丹寨，黔西南贞丰，毕节织金等地，暴雨天数在3～4 d。暴雨降雨量的分布显示出相似趋势，安顺普定、平坝、紫云、关岭，黔南长顺、都匀，黔西南晴隆，毕节织金，铜仁松桃，贵阳清镇，六盘水六枝年均暴雨降雨量均在300 mm 以上，其中六盘水六枝，贵阳清镇高达350 mm，暴雨降雨量最大。对暴雨降雨量最大的六盘水六枝和贵阳清镇进一步分析可知（图8C、D），两县年均暴雨降雨量和暴雨日数相近，分别为350 mm 和5 d，但六盘水六枝年际间差异较小，暴雨量极值为147.8～459.2 mm，贵阳清镇年际间差异较大，2009 年和2016 年仅发生一次暴雨，暴雨降雨量分别为63.3 mm 和62.4 mm，而2014 年和2015 年暴雨降雨量高达645.0 mm，自2014 年以来贵阳清镇暴雨降雨量和暴雨日数均明显增加，极端暴雨风险频率显著增加。

图8 大田期暴雨风险特征Fig.8 Characteristics of heavy rain risks during field growth stages

2.3 综合气象风险空间分布

贵州省烤烟种植区气象风险聚类分析见图9。第一类包含贵州西部毕节威宁，烤烟还苗-伸根期和成熟后期低温风险最高；第二类包含贵州西部毕节大方，六盘水水城、盘州，黔西南普安，在烤烟还苗-伸根期或成熟后期面临一定的低温风险；第三类包含贵州东部铜仁沿河、江口、思南、石阡、印江，黔东南锦屏、岑巩，在烤烟成熟期面临高温风险；第四类包含贵州西南部安顺、普定、平坝、紫云、关岭，黔南长顺、都匀，黔西南晴隆、兴义，黔东南丹寨，毕节织金，贵阳清镇，六盘水六枝，暴雨发生频率和暴雨降雨量较高，易受暴雨风险的影响；第五类包含铜仁松桃，成熟期面临高温和暴雨双重风险；第六类为贵州中部大部分县区，烤烟生育期内各类气象风险概率较低。

图9 贵州省气象风险空间分布Fig.9 Spatial distribution of meteorological risks in Guizhou Province

3 讨论

本研究中发现，贵州西部烟叶大田前后期低温、东北部成熟期高温、西南部暴雨等是近年贵州烟叶大田期的主要气象风险。大田前后期低温风险主要分布在毕节部分区域，这与张艳梅等［32］对1961—2008 年贵州的研究结果相一致，说明还苗-伸根期和成熟后期低温是制约毕节烟区优质烟叶生产的主要因子。与此同时还发现，2011 年以来贵州烟区旺长期干旱发生频率较低，近10 年之中仅有1 年发生了严重干旱，主要分布在贵州中部贵阳及周边部分县区。这与张金凤等［33］对1960—2011 年贵州省干旱的研究结果不完全一致，说明在全球气候变暖的背景下［34-35］，贵州省植烟区近年降水增多，旺长期干旱发生频率较低，对烟叶生长的威胁有所减轻。但雨量在时间和空间上变异较大，尤其自2014 年以来，贵州西南部安顺及周边县区强降雨天气出现频率显著增加，在烟叶生产中需给予更多关注。

4 结论

①对2008—2017 年贵州省气象风险指标的分析表明，贵州烟区主要风险为还苗-伸根期低温、成熟期高温、成熟后期低温和暴雨；②低温风险主要发生在贵州西部地区，其中还苗-伸根期低温风险主要发生在威宁、大方、水城，成熟后期低温主要发生在威宁、水城、盘州；③高温风险主要发生在东部铜仁和黔东南地区；④烤烟生育期内雨量充沛但年际间差异大，中部贵阳及周边地区仅在少数年份发生干旱；⑤暴雨风险主要发生在西南部安顺及周边县区；铜仁松桃面临暴雨和高温双重风险。