广西甘蔗气候适宜度时空特征分析

谭佳勇，丁美花，陈燕丽，李 政，孙 明，谭宗琨，谭 苏

(1河池市气象局，广西河池 547000；2广西壮族自治区气象科学研究所/广西壮族自治区生态气象和卫星遥感中心，广西南宁 530022)

0 引言

甘蔗是我国主要的制糖原料，同时也是糖业化工、纤维、能源等方面的重要原材料[1]。20世纪80年代起，我国甘蔗生产中心逐渐转移到广西[2]，作为我国最大的甘蔗种植基地，广西甘蔗种植面积、原料蔗产量及食糖产量连续多年占全国60%以上[3-4]。甘蔗产业不仅关系到当地的经济发展，还与国家食糖战略安全关系密切，2017年，国家将食糖列为与粮棉油同等重要的战略物资，在广西划定了1150万亩糖料蔗生产保护区[5]。广西蔗糖产业的稳定、可持续发展，对国家食糖战略安全、发展地区经济及乡村振兴等意义重大。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告指出，全球变暖增温速度显著，未来100年内极端高温、极端降雨事件将会增加，人类正面临显著的气候变化风险，并遭受不可逆转的损失[6-7]。农业生产受光照、气温、降水等气候条件的共同影响，是受气候变化影响最大、最直接的产业之一，气候变化将威胁全球粮食的生产和安全[8-9]。已有研究表明：气候变化背景下，广西年平均气温呈明显的上升趋势，但不同地区的增幅不一致[10]，气温的升高导致广西热量分布格局改变，热量资源总体增加[11-14]；与热量资源变化相反，广西光照资源呈显著下降趋势[15-16]，光照作为陆地植被的主要能量来源，其减少势必对作物生长产生影响；而广西水分资源虽没有明显的变化倾向，但时空分布不均，年际间波动较大[17-18]。同时在现有的气候背景下，高温、干旱、强降水等各类极端灾害天气事件强度及频次增加[19-23]，这都将给广西甘蔗产业高质量发展带来不确定性影响。学者从甘蔗气象灾害发生规律、影响甘蔗生长主要气象因子等角度开展了相关研究[24-29]。

农作物生育期内的气候适宜程度是开展气候变化研究的必要信息之一[30]。气候适宜度模型的提出为分析综合气候因子对作物生长提供了度量指标[31]。前人在作物气候适宜度模型方面也做了大量研究及应用，主要集中在气候适宜度特征分析[32-35]、适宜性区划[36-37]、产量预报[38-39]、风险评估[40-41]及模型业务应用[42]等；研究对象包含水稻、玉米、大豆、棉花等大宗粮棉作物及柑橘、龙眼、青枣等特色水果作物。在甘蔗气候适宜度研究方面，谭佳勇等[43]针对河池市的甘蔗气候适宜度变化趋势做过简单分析，鲜见其他类似研究。本文拟基于成熟的作物气候适宜度模型，以广西全区作为研究范围，引入温度、光照和可利用降水作为关键气候影响因子，开展甘蔗全生育期气候适宜度时空变化特征评价及气候变化趋势对甘蔗生长发育的影响分析，以期为合理开发和利用气候资源，促进蔗糖产业的稳定、可持续发展提供有效气象保障。

1 材料与方法

1.1 地理及气象数据来源

从国家基础地理信息中心获取广西1∶25万基础地理信息数据，包括省界和地市级行政矢量边界；从广西气象信息中心获取1970～2021年广西91个国家气象观测站逐日平均气温、降水量和日照时数等数据。

1.2 甘蔗发育期及分区

按照农业气象观测规范规定，甘蔗发育期主要分为苗期、分蘖期、茎伸长期和工艺成熟期等；根据气候特征相似和发育时段基本一致的原则，将广西划分为桂北、桂中和桂南3个蔗区(图1)，各蔗区甘蔗发育期起止日期详见表1[26,44]。

表1 广西各蔗区甘蔗发育期概况

图1 广西甘蔗分区图

1.3 数据分析及处理软件

使用Excel 2019进行数据统计分析；使用SPSS 23.0进行线性变化趋势显著性检验；使用Arcgis 10.2完成空间分布制图。

气象产量分离方法：甘蔗产量除了受到气候条件的影响之外，还受到品种改良、技术进步、土壤和田间管理水平等多重因素的影响，为分析气象因子与作物产量关系，将甘蔗产量根据式(1)进行分解：

式(1)中，Y为实际产量，t/hm2；YT为趋势产量，采用回归方法分离得出，t/hm2；Yt为气候产量，t/hm2；θ为随机产量，t/hm2。

1.4 模型计算方法

1.4.1 甘蔗温度适宜度模型

作物生长发育过程在一定温度范围内，随气温的升高适宜度呈非线性先增加后降低，高或低于特定界限温度，则不适宜作物生长；为准确地反映作物发育与温度之间的关系，根据与作物三基点温度相匹配的非线性Beta函数模型[45,53]，建立甘蔗温度适宜度模型。

式(2)和式(3)中，S(t)为甘蔗温度适宜度，t为日平均气温，t1为甘蔗各生育期下限温度，t0为甘蔗各生育期最适温度，t2为甘蔗各生育期上限温度。

结合普宗朝等[46]、欧钊荣等[47]、欧陈潇等[48]研究，计算出广西甘蔗各生育期t1、t0和t2的值，结果见表2。

表2 甘蔗各生育期下限温度(t1)、最适温度(t0)、上限温度(t2) 单位：℃

1.4.2 甘蔗日照适宜度模型

日照适宜度模型采用以自然数e为底数的指数型分段函数[49]，当日照时数小于可照时数的70%，适宜度随日照的增多呈指数型增长，当日照时数大于等于可照时数的70%时，日照适宜度为1，以此建立甘蔗日照适宜度模型。

式(4)中，S(s)为甘蔗日照适宜度；e为自然数；S为日日照时数，h；S0为最适日照时数，S0=0.7L0，L0计算公式见式(5)；参考同为C4作物的玉米，b=5.1[49]。

式(5)中，L0为可照时数，α为纬度，λ为太阳倾角。

式(6)中，K为日序，每年1月1日为1，1月2日为2，以此类推。

1.4.3 甘蔗可利用降水适宜度模型

自然降水(P)部分会以蒸发、地表径流及向深层土壤渗透等方式流失，剩余为有效降水量(PE)部分[50-51]。由于土壤具有一定的蓄水能力，对甘蔗影响具有滞后性，所以甘蔗可利用降水(R)包含2个部分：当日有效降水(PE)和前期降水中土壤蓄留的部分(PEi)。

式(7)、(8)中，PE为有效降水量，mm；P为自然降水量，mm；β为有效降水系数[52]。

式(9)中，R为甘蔗可利用降水，mm；PEi为第i日有效降水量，mm；W=1/d2，d为距离分析日期的日数，取1，2，…，k，这里k=10。

当可利用降水(R)小于作物需水量(R0)时，适宜度随R的增加而上升；当R超出R0一定比例时，会造成渍涝害从而导致降水适宜度下降；只有当R恰好满足R0的一定幅度内，适宜度最高。参考分段式降水适宜度函数建立甘蔗可利用降水适宜度模型[53]。

式(10)中，S(r)为甘蔗可利用降水适宜度，c为经验常数，这里取值c=4.0；R0为甘蔗日需水量；根据李新建等[54]的相关研究，计算广西甘蔗各生育期日需水量R0，结果见表3。

表3 甘蔗各生育期需水量

1.4.4 甘蔗综合气候适宜度模型

作物生长过程中某一气象要素低于界限值时，要素适宜度S(x)=0，此时整体气象条件不适宜其生长S(c)=0；因此，在计算综合气候适宜度S(c)时，采用温度、日照和可利用降水适宜度乘积再开立方[55-57]。

式(11)中，S(c)为综合气候适宜度，S(t)温度适宜度，S(s)日照适宜度，S(r)为可利用降水适宜度。

1.4.5 气候适宜度分级

依据某种气象条件出现越频繁，植被对其适应能力越强的气候适应性原理。将各要素全生育期气候适宜度样本由小到大排序，选取样本0～30百分位对应的数据为次适宜；30～70百分位为适宜；70以上百分位为最适宜[58](表4)。

表4 广西甘蔗各气候要素适宜度等级区间

2 结果与分析

2.1 气候适宜度模型验证

本文基于成熟的作物气候适宜度模型，开展了甘蔗全生育期气候适宜度模型的构建，为了验证模型的普适性，利用气候产量进行气候适宜度模型的分析。

以上思县为例，首先根据2010～2021年上思县各年的综合气候适宜度计算结果，按照表4划分为次适宜、适宜、最适宜3类年景。针对同一年景，将对应年份的甘蔗气候单产数据进行平均值计算，获得不同年景的气候平均单产。由表5可见，最适宜年甘蔗平均气候单产＞适宜年＞次适宜年，上述分析说明甘蔗综合气候适宜度能定量反映气象条件对甘蔗产量的影响。

表5 上思县气候适宜度与产量数据比较

2.2 全生育期气候适宜度时空变化

2.2.1 全生育期气候适宜度时间变化

广西甘蔗全生育期不同要素气候适宜度在1970～2021年间呈现不同的变化特征。如图2所示，根据式(2)、(3)计算甘蔗温度适宜度多年平均值为0.83，在0.77～0.87之间波动，以0.008/10a趋势上升，通过了0.01的显著性检验；根据式(4)～(6)计算甘蔗日照适宜度多年平均值为0.53，主要在0.45～0.57之间，下降速率为0.005/10a，通过了0.05显著性检验；根据式(7)～(10)计算甘蔗可利用降水适宜度多年平均值为0.61，年际波动最大，主要在0.51～0.68之间变化，以0.006/10a趋势降低，但未通过显著性检验。根据式(11)计算甘蔗综合气候适宜度数值在0.61～0.67之间变化，与可利用降水适宜度一致，呈不显著下降趋势。

图2 1970～2021年广西甘蔗全生育期不同要素适宜度变化

分析不同气候要素适宜度变化趋势显著性(表6)，温度适宜度通过显著性检验的站点比例最多为96.7%(88个)，其次为日照适宜度59.3%(54个)，可利用降水适宜度比例最少为18.7%(17个)，综合气候适宜度为34.1%(31个)。

表6 1970～2021年广西甘蔗全生育期不同气候要素适宜度趋势检验

广西甘蔗不同气候要素适宜度年内变化，总体均呈单峰型分布，但峰值区间存在差异(图3)。其中，温度适宜度峰值区为5月上旬～10月中旬；可利用降水适宜度峰值区为5～8月；而日照适宜度峰值区则为7～9月；由于光、温、水适宜度峰值区时段不同，因此，综合而言，广西甘蔗生长最适宜的时段为7～9月中旬。另外，除4月上旬部分时段外，温度适宜度均高于其他要素，而可利用降水适宜度在8月下旬前总体高于日照适宜度，之后低于日照适宜度。

图3 广西甘蔗不同各要素逐日平均气候适宜度变化

2.2.2 全生育期气候适宜度空间变化

广西甘蔗全生育期不同气候要素适宜度在1970～2021年间呈不同的空间分布特征。如图4所示，广西甘蔗温度适宜度总体呈南高北低的纬向分布特征，最适宜区位于广西南部及百色右江河谷地区，次适宜区主要位于广西北部；日照最适宜区主要位于广西南部沿海、百色、梧州等地；可利用降水适宜度总体分布为中部高，东、西部低，次适宜区主要广西东北部、百色右江河谷、崇左南部及南宁西部等区域，与广西干旱发生频率较高的地区大体重合[24,26]。综合气候适宜度总体上东南部最高，东北部最低，与温度、日照适宜度的纬向分布大体相似；最适宜区主要位于广西南部及右江河谷地区，气象条件最适宜甘蔗生长。

图4 1970～2021年广西甘蔗全生育期不同气候要素适宜度空间分布

2.2.3 气候适宜度变化趋势空间分布

1970～2021年广西综合气候适宜度变化趋势空间分布如图5所示：99%的区域综合气候适宜度变化趋势以降低(占比68%)-明显降低(占比31%)为主，其中，明显降低趋势主要位于桂东及桂中部分地区，而增加区域仅为沿海及西部等局部地区。

图5 广西甘蔗综合气候适宜度变化趋势空间分布

2.3 各生育期气候适宜度时空变化

2.3.1 各生育期气候适宜度趋势变化

广西甘蔗各生育期气候适宜度特征如表7所示：温度适宜度除工艺成熟期外，均呈极显著上升趋势；日照适宜度除苗期外均呈下降趋势，茎伸长期下降趋势显著；可利用降水适宜度除工艺成熟期外均呈下降趋势，分蘖期通过显著性检验。综合气候适宜度方面，苗期、工艺成熟期呈上升趋势；分蘖期、茎伸长期呈下降趋势，但仅茎伸长期通过显著性检验。

表7 1970～2021年广西甘蔗各生育期气候要素适宜度

2.3.2 各生育期气候适宜度空间变化

广西甘蔗各生育期不同气候要素适宜度空间分布如图6～9所示。

图6 苗期(a)、分蘖期(b)、茎伸长期(c)、工艺成熟期(d)温度适宜度空间分布

图7 苗期(a)、分蘖期(b)、茎伸长期(c)、工艺成熟期(d)日照适宜度空间分布

图8 苗期(a)、分蘖期(b)、茎伸长期(c)、工艺成熟期(d)可利用降水适宜度空间分布

图9 苗期(a)、分蘖期(b)、茎伸长期(c)、工艺成熟期(d)综合气候适宜度空间分布

如图6，甘蔗温度适宜度苗期最低，均为次适宜；分蘖期最适宜区位于广西南部及百色右江河谷等地；茎伸长期大部地区温度适宜度均为适宜或最适宜；工艺成熟期最适宜区主要位于广西中部，次适宜主要在广西北部。

如图7，甘蔗苗期广西受到阴雨寡照天气影响[59]，日照适宜度为次适宜；分蘖期日照最适宜区主要位于西南沿海；茎伸长期及工艺成熟期光照资源充足，广西大部地区为适宜-最适宜区，与茎伸长期相比工艺成熟期最适宜区面积有所减少。

如图8，甘蔗可利用降水适宜度苗期呈东北往西南逐渐降低，桂东受华南静止锋影响，降水充沛[60]。分蘖期广西可利用降水均为最适宜，为各生育期内最高。茎伸长期与苗期相反，可利用降水呈西南往东北逐渐降低分布，此期广西降水主要源于热带系统，对桂南影响较为明显[61]。工艺成熟期时广西汛期结束，降水不足，总体适宜度降低。

如图9，甘蔗综合气候适宜度苗期最低，绝大部分为次适宜区；分蘖期综合气候适宜度较苗期明显升高，空间分布呈南高北低；茎伸长期绝大部分地区综合气候适宜度为最适宜区，各生育期内最高；工艺成熟期与分蘖期总体相似，但适宜区面积扩大，次适宜和最适宜区减少。

3 结论与讨论

本文利用甘蔗各生长发育阶段的温度、日照和降水数据，建立广西甘蔗的气候适宜度模型，对1970～2021年广西甘蔗生育期气候适宜度时空变化进行分析评价。主要结论如下：

(1)广西甘蔗生育期内温度适宜度＞可利用降水适宜度＞日照适宜度，温度是甘蔗生长最有利的气象因子；3～6月光照资源及9～11月降水资源的不足，影响甘蔗综合气候适宜度提高；广西甘蔗综合气候适宜度呈逐年降低趋势，尤其是桂东及桂中部分地区下降趋势较为明显。

(2)广西北部部分地区因光、热资源的相对不足，甘蔗综合气候适宜度低于中南部；而降水适宜度相对不足影响崇左中部、南宁西部等光、热资源优势区甘蔗综合气候适宜度进一步提高。

(3)甘蔗苗期温度、光照资源及工艺成熟期温度和水资源变化趋势总体利于甘蔗生长；而分蘖、茎伸长期光照、水分条件变化趋势不利甘蔗生长。

(4)气温逐年升高，广西甘蔗的总体热量条件将更加充足；降水对甘蔗生长的影响具有时段性及区域性，在降水资源的减少背景下，苗期的西部及南部、茎伸长期的东北部等可利用降水次适宜区干旱风险增加；光照资源在苗期及分蘖期相对不足，且生长期内总体逐年减少，也将成为影响甘蔗产量的因素。

因此，在气候资源分布不均，各气象要素变化幅度不同情景下，应进一步分析未来气候变化对不同地区的甘蔗种植的影响程度，选择适当品种及调整种植布局；同时应加强甘蔗气象灾害致灾机理研究，建立健全甘蔗气象灾害监测预警及防灾减灾服务体系，增强应对气候变化能力，保障广西蔗糖产业高质量发展。广西降水时空不均，年际间波动较大，区域干旱风险有所增加，应有针对性的改善重点地区水利设施，加强中长期降水预测及做好水资源总体调配规划，同时培育种植耐旱品种、探索改进节水抗旱种植模式。

本研究构建了广西甘蔗气候适宜度模型，分析了不同发育期气候适宜度空间分布及动态变化，可为气候变化对甘蔗影响风险评估、甘蔗农田生态变化监测评估、种植结构调整以及有针对性地进行防灾减灾管理等提供理论依据。但在实际生产中，甘蔗除了受气候条件影响外，还与品种差异、下垫面土壤类型、农业气象灾害等因素有很大关系，需进一步研究构建气候与品种、土壤类型相结合的适宜度模型，其评价效果会更客观，更有的科学指导性。