我国中北亚热带优质烤烟烟区气候相似性分析

鞠英芹 陈正洪 马德栗 袁 芳* 刘 军 曾 琦 方 怡

1)(中国气象局气象干部培训学院湖北分院，武汉 430074)2)(湖北省气象服务中心，武汉 430074)3)(武汉区域气候中心，武汉 430074)

引 言

气候相似原理是由德国学者迈尔为使农业充分利用气候资源而创立的，是指将植物从一个地区移植到另一地区，需严格按照地区的气候条件相似性进行。它不仅能科学指导农业生物引种，而且在技术引进、农业结构调整、气候区划和农业气候区划发展等方面起重要作用[1-6]。

烟草是适应性很强的经济作物。优质烟区的分布有很大的区域地域性，主产区主要集中在30°S～45°N。我国是世界烟草种植第一大国，种植面积达1.3×106hm2，约占全球的42%[7]。烟区分布广泛，其中以亚热带烟区居多。我国亚热带地区具有冬温夏热、四季分明、降水丰沛的特点，季节时间分配较均匀，适合种植水稻、茶叶、油菜、烟草等多种作物。该地区的自然条件与烟草类型分布、生长发育、栽培措施、烟叶产量、产品品质关系密切，尤其是气候因子对烤烟品质的影响较为明显。通过不同烟区之间气候因子的相似性分析，判断烤烟的适应性、推断烤烟品质与风格特色、预测烤烟的化学成分、精细区划烤烟的种植区域，已成为重要研究方向[8-14]。

近年人们针对河南三门峡、河南平顶山、湖南湘西州、湖北烟区、陕西白河烟区、贵州黔西南等地区与国外优质烟区进行了气候相似性分析。徐光辉等[9]评价了平顶山烟区烤烟种植的气候适生性，并对不同移栽期的气候条件与国外烟区进行相似性分析，为烤烟生产选择适宜移栽期、发挥浓香型特色优质烤烟优势奠定基础。张燕燕等[15]运用气候相似性分析进行三门峡市优质烤烟区域划分，为精准种植提供科学依据。邵惠芳等[16]通过定量估算气候适生性指数(CFI)合理评价三门峡烤烟气候适生性，并与国外优质烟区进行气候相似性分析，为充分利用自然资源提供参考依据。李震等[17]分析了黔西南气候特征及与国外优质烤区的差异，得出大田期的月平均气温是主要影响因子。

目前气候相似性分析常采用计算欧氏距离的方法，对揭示任意两地之间气候相似程度具有可靠性，能较为全面、综合地反映多时段、多要素的相似程度。邓小华等[10]、邵惠芳等[16]、许自成等[18]运用欧氏距离计算得到两地气候相似性，但未考虑不同气候因子对烤烟生长发育的权重影响。张燕燕等[15]运用多维空间相似距离进行分析，运用标准差权重法进行权重处理，但未考虑气候因子之间的相关性。李丽纯等[19]运用模糊相似优先比方法分析时，采用层次分析方法赋权重，但受主观影响较大。

判断优质烟叶生产的气候条件，传统方法是与国外优质烟区进行气候因子比较[10，20]，而所研究区域的烟草品种在本地选育、本地生长并适应多年，形成独有的风格，与国外优质烟区的烟草生育期及生育指标差别大，不具有可比性。湖北省作为中北亚热带烟叶的重要产区，主要有清江源和金神农两大品牌，研究其与周边烟区的气候相似性，并根据气候因子的差异性探究烟叶生长发育的气象规律，对烟叶生产具有重要指导意义。因此，本文拟采用最新的发育期划分方法，结合最新的烟草品种，通过实地调查和收集整理得到中北亚热带优质烤烟烟区的关键发育期指标，统计分析1991—2020年大田期及各发育期(伸根期、旺长期、成熟期)的气温、日照时数、降水量等主要气候因子，并将湖北省两大烟区与周边烟区各发育期气候因子特征进行比较，依据气候相似原理，采用改进的欧氏距离和聚类分析两种方法对综合气候因子指标开展相似性分析，从中找到与湖北省两大烟区气候因子特征最相近的烟区，为不同区域间借鉴生产经验、提高烟叶品质、优化烤烟种植布局和开发特色优质烟叶提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 站点选取

根据前期研究，结合全国烤烟烟叶香型风格区划[8，21]、烟田的生态考评[22]及实地考察，依据产地环境、地理条件、烟叶化学特征、香型风格、土传病害、土壤地力等主要方面，得到我国中北亚热带优质生态烟区，共12个。选取的地区及代表城市见表1，其分布见图1。

图1 我国中北亚热带烟区国家级气象站分布

表1 我国中北亚热带烟区站点选取

本文插图中所涉及的中国省界基于审图号为GS(2019)1822号标准地图制作，底图无修改。

1.2 数据来源

我国中北亚热带烟区(包括安徽、湖南、陕西、四川、河南及湖北省的主要烟区)180个国家级气象站的逐日气象数据(1991—2020年)来源于中国气象局。数据经过严格质量控制，整理得到烟草大田期以及各发育期(伸根期、旺长期、成熟期)的降水量(单位：mm)、平均气温(单位：℃)、最高气温(单位：℃)、最低气温(单位：℃)、气温日较差(单位：℃)、日照时数(单位：h)、日照百分率(单位：%)、相对湿度(单位：%)，共32个气候因子。另外，选取大田期日平均气温大于等于20℃的持续日数(单位：d)、大田期日平均气温大于等于10℃积温(单位：℃)，最终得到34个气候因子。

1.3 优质烟叶的气候判断指标

优质烟叶生长发育需要在一定的光、温、水等气候条件下才能顺利进行。优质烤烟在大田期要求日平均气温达到20℃以上，持续日数达70 d以上，大于等于10℃积温大于2600℃·d[7,23-24]，空气相对湿度为70%～80%，日照时数达到600 h以上，日照百分率约为40%[25]。

1.4 指标权重的确定

指标权重的确定可分为主观赋权法和客观赋权法两大类，主观赋权法有专家打分法和层次分析法等，在根据属性本身含义确定权重方面具有优势，但受人为因素影响较大，客观性较差。客观赋权法有秩和比法、灰色关联法、主成分法、熵权法和标准差权重法等，充分考虑了指标之间的相关关系[26-28]。考虑到气候因子之间存在一定的相关关系，运用主成分分析方法求取指标权重，即以主成分的方差贡献率为权重[18，29]。具体步骤如下：

①对原始数据(我国中北亚热带烟区180个国家级气象站34个气候因子30年平均统计值)进行标准化处理，得到标准化数据矩阵。

②根据标准化数据矩阵建立协方差矩阵R。

③根据协方差矩阵R求出特征值、主成分贡献率和累计方差贡献率，确定主成分数量。将特征值要求大于1且累计贡献率达80%以上的特征值λ1，λ2，…，λp所对应的1，2，…，p(p≤m)，其中，整数p为主成分数量，m为气候因子数量，m=34。

④根据③，求取指标在不同主成分线性组合中的系数和主成分的方差贡献率。

⑤根据综合模型中指标系数进行归一化得出指标权重。

1.5 气候相似分析方法

设有样本X，

(1)

式(1)中，n为样本量，即我国中北亚热带烤烟烟区数量，n=12。每个个体均可看作m维空间的1个点。运用欧氏距离进行气候相似性分析充分考虑了各时段、各因子的相似程度[30]。欧式距离越小，相似程度越高；反之，欧式距离越大，相似程度越低。考虑到各气候因子影响不同，也为了降低各气候因子的数量级，采用改进的欧式距离公式：

(2)

式(2)中，d′ij是i地和j地两地之间改进的欧氏距离，其中，i，j分别为任意两个烤烟烟区；k表示任意气候因子(k=1,2,…,m)；x′ik和x′jk分别为i地和j地第k个气候因子30年平均统计值的标准化值[23，31]；wk为利用主成分分析方法求取的第k个因子的权重系数[29]。

1.6 聚类分析

聚类分析是研究多要素的客观分类方法，使用最多的方法是系统聚类法[32-33]，该方法将n个样本各自作为类，规定样本之间的距离(或相似系数)和类与类之间的距离(或相似系数)，根据距离(或相似系数)选择最相似的一对并成一个新类，计算新类与其他类的距离(或相似系数)，再将距离最近(或相似系数最小)的两类合并，依次下去，直至所有样本并成一类或各类之间的距离(或相似系数)大于给定阈值。本文将我国中北亚热带12个不同烟区影响烤烟生长发育的光、温、水等34个气候因子30年平均统计值进行标准化处理，采用欧氏距离计算12个烟区之间的样本间距离，选用组平均法计算类间距离，将距离最近(或相似系数最小)的两类进行合并，直至所有烟区并成一类，运用SPSS 22.0数据处理系统进行计算。

2 我国中北亚热带优质烤烟烟区气候相似性分析

2.1 我国中北亚热带烟区的发育期划分

按照烟草行业标准YC/T 142—2010《烟草农艺性状调查测量方法》调查记录大田期(从移栽到烟叶采收完毕)，大田期划分为伸根期、旺长期、成熟期。湖北省烟区大田期数据通过实地调查和观测确定，其他烟区数据通过文献收集整理得到[9，34-41](表2)。数据显示：我国中北亚热带烟区的大田期平均约为120 d，最低为110 d，位于皖东南烟区，最高是140 d，位于川西南烟区；伸根期约为30～40 d，旺长期约为20～50 d，成熟期约为40～80 d。大田期最早开始时间是3月下旬(湘南)，最迟是5月中旬(豫西)；最早结束时间是7月中旬(皖东南)，最迟是9月下旬(鄂西南)。

表2 我国中北亚热带烟区的大田期及各发育期时间表

2.2 我国中北亚热带烟区烟叶的气候因子特征

根据2.1节的发育期时间，统计分析1991—2020年我国中北亚热带烟区烟草大田期以及各发育期(伸根期、旺长期、成熟期)的主要气候因子特征。

2.2.1 大田期各气候因子分析

影响烟叶生长发育的气候因素很多，主要依据优质烟叶生产的气候判断指标，分析中北亚热带烟区大田期主要的气候因子变化规律(表3)。

表3 不同烟区大田期气候因子统计值

烟草是喜温作物，在10～35℃的范围内均能生长，低于17℃光合速率受阻，高于35℃烟柱生长受抑制[7，42]。大田期平均气温在20～26℃条件下有利于烟叶品质的形成，促进光合作用及代谢。我国中北亚热带烟区大田期的平均气温为21.9℃(皖东南)～25.6℃(湘中)，平均最高气温为27.4℃(皖东南)～30.6℃(豫中)，平均最低气温为17.7℃(皖东南)～22.1℃(湘中)，满足优质烟叶生长的温度条件。相比其他烟区，鄂西北和鄂西南烟区的大田期平均气温适中，平均最高气温和平均最低气温中等，热量适宜，有利于烟叶生长。

气温日较差是影响大田期烟叶生长的因素之一，日较差大有利于同化物质向根、茎等器官运输，对烟叶的生长发育有利[3]。大田期的气温日较差为7.9℃(湘南)～10.5℃(陕南)。鄂西北烟区的气温日较差中等，为10.3℃；鄂西南烟区的气温日较差相对偏高，为9.5℃，均有利于优质烟叶生长。

积温亦是烟叶生长发育和稳定高产的重要条件。大田期大于等于10℃的积温为2429.4℃·d(皖东南)～3507.4℃·d(湘西)，除皖东南烟区，其他烟区均超过2600℃·d，满足优质烟叶生长的积温条件。其中，鄂西北和鄂西南烟区大田期大于等于10℃积温相对中等，分别为3278.3℃·d和3322.1℃·d。

大田期大于等于20℃的持续日数为47 d(皖东南)～99 d(湘西)，除陕南、湘南、川西南、皖东南烟区，其他烟区均超过70 d，有利于优质烟叶生长。

相对湿度是影响烟叶正常生长发育所需环境因素之一，适宜的相对湿度(70%～80%)对提高烤烟品质有重要意义。大田期平均相对湿度为70%(豫南)～79%(豫西)，有利于优质烟叶生长。鄂西北和鄂西南烟区相对湿度适中，略高于平均值(76%)。

光照条件对烟叶生长发育和新陈代谢均有较大影响。对生产优质烟叶而言，和煦而充足的光照较为有利。在一定范围内，日照时间长可以增加有机物质的合成。大田期的日照时数为543.8 h(皖东南)～813.4 h(豫南)，除川东南、湘南和皖东南烟区，其他烟区均超过600 h，满足优质烟叶的日照条件。大田期的日照百分率为33%(湘南)～44%(豫中、豫西)，除川东南和湘南烟区日照百分率低于35%，其余烟区均在40%左右，满足优质烟叶的日照条件。鄂西北和鄂西南烟区日照时数适量，日照百分率适中。通过以上分析得知，我国中北亚热带烟区中的鄂西南、鄂西北、豫西、豫南、豫中、湘西和湘中烟区大田期气候因子统计值均满足优质烟叶的生长发育，基本具备了生产优质烟叶的气候条件。

2.2.2 不同烟区各发育期的气候因子分析

2.2.2.1 平均气温

烟叶不同发育期的温度要求是前期低、后期高。由不同烟区各发育期平均气温(图2a)可知，各烟区成熟期均满足烟叶生长的最适宜温度条件，有利于优质烟叶生长。伸根期的平均气温为16.3℃(皖东南)～22.8℃(川西南)，旺长期的平均气温为20.6℃(皖东南)～26.9℃(豫中)，成熟期的平均气温为22.6℃(川西南)～28.7℃(湘中)。除川西南外，伸根期的平均气温均低于旺长期、成熟期；豫西、豫南、陕南、川西南烟区旺长期平均气温高于成熟期，而在鄂西北和鄂西南烟区随着发育期变化，温度呈增加趋势。

2.2.2.2 相对湿度

由各烟区不同发育期的相对湿度统计值(图2b)可知，伸根期的相对湿度为58%(川西南)～81%(湘南)，旺长期的相对湿度为73%(豫中)～82%(湘西)，成熟期的相对湿度为75%(湘中)～82%(豫中)。皖东南、鄂西北、湘西、湘中、川西南、川东南、和豫中烤烟烟区的相对湿度随发育期变化呈先增后减趋势，在旺长期达到最大值，而豫南、陕南、豫西、鄂西南随发育期变化呈增加趋势，湘南则相反。

2.2.2.3 降水量

烟叶在大田生长期的降水量及分布特征直接影响烤烟的产量与品质。不同发育期的降水量要求是前期低、中期高、成熟后期低。由各烟区不同发育期降水量(图2c)可知，伸根期的降水量为85.1 mm(豫西)～237.7 mm(湘中)，旺长期的降水量为97.9 mm(皖东南)～291.7 mm(川西南)，成熟期的降水量为130.5 mm(豫西)～500.1 mm(皖东南)。除皖东南和川东南外，其他烟区的伸根期相比旺长期和成熟期，降水量最低。除豫南和豫西烟区外，随着发育期变化降水量呈增加趋势，到成熟期降水量达到最大。研究表明：将成熟期分为成熟前期、成熟中期和成熟后期更有利于研究烟叶的生长发育与气候因子之间的关系，后期将继续开展研究。

2.2.2.4 日照时数

由各烟区不同发育期日照时数的统计值(图2d)可知，伸根期日照时数为84.5 h(湘南)～288.6 h(豫西)，旺长期的日照时数为102.3 h(皖东南)～306.9 h(豫西)，成熟期的日照时数为217.9 h(豫西)～453.2 h(湘西)。除豫西、豫中烟区，其他烟区各发育期的日照时数随发育期变化呈先降低后增加趋势。

图2 不同烟区各发育期气候因子变化(a)平均气温,(b)相对湿度,(c)降水量,(d)日照时数

2.3 我国中北亚热带烟区的气候相似性分析

2.3.1 气候因子的权重分析

运用主成分分析方法得到34个气候因子的权重(表略)，不同气候因子的权重系数为0.024～0.032，其中旺长期最高气温权重系数最大，为0.032，最低是成熟期20：00—次日20：00(北京时，下同)降水量和大田期20：00—次日20：00降水量，权重系数均为0.024。

2.3.2 基于改进的欧氏距离相似性分析

鉴于烤烟种植南北界限、海拔高度、品质等因素，结合我国中北亚热带地区烤烟种植情况，确定相似度的判断规则：01.3为不相似。

运用改进的欧氏距离方法，将湖北省两大烟区分别与周边其他烟区进行气候相似性分析，结果(图3和表4)表明：鄂西北烟区与陕南烟区的欧式距离为0.67，为高度相似；与豫南、豫中烟区的欧式距离为0.7～1.0，为中度相似；与豫西、川东南、湘西、川西南的欧式距离为1.0～1.3，为低度相似；与皖东南、湘南和湘中烟区的欧氏距离大于1.3，为不相似。鄂西南烟区与湘西和川东南烟区的欧式距离分别为0.69和0.70，为高度相似；与陕南、豫南、湘中、湘南、川西南和豫中烟区的欧氏距离为1.0～1.3，为低度相似；与皖东南和豫西烟区的欧氏距离大于1.3，为不相似。

图3 我国中北亚热带优质烤烟烟区气候相似距离分布(a)鄂西北烟区，(b)鄂西南烟区

表4 我国中北亚热带优质烤烟烟区气候相似距离

2.3.3 我国中北亚热带烟区的气候因子聚类分析

运用SPSS统计软件中的系统聚类方法，以影响烟叶生长发育的主要气候条件作为聚类变量，对我国中北亚热带烟区进行聚类分析(图4)。由图4可知，若将12个烟区分成两大类，则一类是皖东南和湘南烟区，其他烟区组成一类。若分成三大类，则一类是皖东南和湘南烟区，这两个烟区平均气温偏低，日照时数偏少，相对湿度偏低，大田期大于等于10℃积温偏低，降水量偏低，气候条件适宜烟叶的生长，但均未满足生产优质烟叶的气候环境；一类是鄂西南、湘西、川东南和湘中烟区，这4个烟区平均气温偏高，日照时数相对适中，相对湿度较为适宜，大田期大于等于10℃积温中等，除湘西烟区降水量偏多外，其余烟区较为适中，烤烟在这4个烟区广泛种植，具有明显的生产优质烤烟的气候优势；一类是豫南、豫中、豫西、鄂西南、陕南和川西南，这6个烟区平均气温较为中等，大田期大于等于10℃积温相对适宜，相对湿度较为适宜，降水量偏少，日照时数偏高，适宜烤烟的生长发育。其中鄂西南、湘西和川东南烟区最为接近，鄂西北和陕南烟区也最为接近。

图4 我国中北亚热带烟区聚类分析

综上所述，不论是用改进的欧式距离方法还是聚类分析方法，均得出一致结论，即鄂西北与陕南烟区的气候因子较为接近，鄂西南与湘西、川东南烟区的气候因子最为接近。

3 结论与讨论

运用气候相似原理对我国中北亚热带优质烤烟烟区大田期及各发育期(伸根期、旺长期、成熟期)的气候因子进行相似性分析，得到如下结论：

1)根据影响优质烟叶生长发育的大田期气候因子，分析我国中北亚热带烟区(共12个)的气候因子可知，鄂西南、鄂西北、豫西、豫南、豫中、湘西、湘中烟区大田期的气温、降水、日照等气候因子统计值均满足优质烟叶生长的气候条件，具备生产优质烟叶的气候条件。

2)分析影响我国中北亚热带烤烟的各发育期(伸根期、旺长期和成熟期)的气温、降水、相对湿度、日照等气候因子变化可知，平均气温、相对湿度、日照时数、日照百分率的不同发育期差值伸根期最大，旺长期次之，成熟期最小;降水量的不同发育期差值成熟期最大，旺长期次之，伸根期最小。鄂西北和鄂西南烟区相比于其他烟区，不同发育期各气候因子中等，较为适宜，满足优质烟叶的生长发育条件。

3)运用改进的欧氏距离和聚类分析方法分析 中北亚热带优质烤烟烟区的气候相似性可知，鄂西北烟区与陕南烟区的气候因子具有较高相似性，鄂西南烟区与湘西烟区、川东南烟区的气候因子也具有较高的相似性。

农业生产与气象条件关系密切[43-46]，针对烤烟而言，不同气候条件下烟叶的生长发育以及烟叶的产量、品质有明显差异，反映了关键发育期的气候差异性以及如何充分利用当地气候条件，避免或减少在烤烟生产过程中，不利的气候因子造成烟叶产量和品质的损失。如中北亚热带不同烤烟烟区成熟期的降水量差异大，豫西烟区偏低，可能存在某些年偏旱现象，需采取合理的灌溉措施，减轻干旱带来的不利影响；而其他部分烟区，成熟期处于华西秋雨期，偏涝的概率明显偏大，一旦发生连阴雨或涝灾对烟草生产不利，需及时排涝。而鄂西北和鄂西南烟区相比其他烟区各发育期气候因子条件中等，较为适宜，应对气象防灾减灾的压力较小，满足优质烟叶的生长发育，达到适产优质的目的。

影响烟叶生长发育的气候指标中不同气候因子作用不同，需要对各气候因子进行权重处理，由于气候因子之间存在一定的相关关系，本文运用主成分分析方法求取指标权重，其优势是简化方差和协方差的结构以降维，即在一定约束条件下，将代表各原始变量的各坐标通过旋转得到一组具有某种良好方差性质的新变量，从中选取前几个变量代替原变量，增强了科学性和实用性，但仅能得到有限的主成分权重，无法获得各个独立指标的客观权重。因此，针对气候因子的指标权重方法的选择仍具有一定局限性，后期也将围绕各气候因子的权重开展深入研究。

改进的欧式距离和聚类方法是气候相似性分析较为常用的两种方法。改进的欧氏距离方法能结合不同气候因子的权重，将各时段、各气候因子进行相似性分析，但未考虑不同气候因子之间的相关性；聚类分析方法将参与聚类的样本(或变量)视为一类，根据两类之间的距离或相似性，逐步合并直到合并为一个大类，能考虑不同气候因子的相关关系，表现形式直观、简单明了，然而样本量较大时运算量也较大。