海南岛天然橡胶产量和气候适宜度相关性研究

佟金鹤, 张卫红, 刘少军, 甘业星

海南岛天然橡胶产量和气候适宜度相关性研究

佟金鹤1, *, 张卫红2, 刘少军1, 甘业星1

1. 海南省气象科学研究所/海南省南海气象防灾减灾重点实验室, 海口 570203 2. 河北省气象科学研究所, 石家庄 050022

使用气候适宜度指数方法对海南岛橡胶树气候适宜性进行评价, 并选择去趋势互相关分析(DCCA)方法对橡胶树单产和气候适宜度进行相关性分析。结果表明: 海南岛橡胶单产在东部和西部较低, 最低值出现在文昌, 为657.30 kg·hm–2; 最高值为三亚的1376.54 kg·hm–2。海南岛中部单产的变化幅度较小, 其余地区单产均呈明显增加趋势, 线性倾向率普遍超过10 kg·hm–2·a–1。海南岛中部和东部综合适宜度水平较高, 适宜度指数超过0.70, 西部适宜度水平较低, 为0.39; 温度和光照适宜度指数空间差异小, 整体在0.80和0.70以上; 降水适宜度指数在中部和东部较高, 西部南部偏低, 数值在0.42—0.77之间; 风速适宜度在中部和南部超过0.75, 在西部和北部适宜度指数偏低, 最低达到0.18。DCCA分析结果显示, 气候适宜度与橡胶单产存在明显的长程相关关系, 降水和产量的相关性最高, 风速相关性最低; 空间上, 东部相关性较低, 西部、北部和和南部相关性稍高。

DCCA; 天然橡胶产量; 气候适宜度指数

0 前言

天然橡胶是在交通、医药、日常生活等多领域起重要作用的战略性资源, 随着经济的增长, 我国对天然橡胶的需求量节节攀升[1]。海南作为中国天然橡胶的主产区, 其橡胶生长气候适宜性偏低, 过高或过低的气温, 较大的风速等不利气象条件均在不同程度上影响了海南橡胶的高产稳产[2, 3]。橡胶树在高温、高湿、微风的环境下才能保持旺盛的生长, 为定量衡量温度、光照、降水、风速等气象因子对橡胶树生长发育、产量形成、品质指标等的适宜程度, 佟金鹤等使用气候适宜度方法评价了中国橡胶树种植区的气候条件[4], 亦有研究探讨了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[5, 6]。陈小敏等进一步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[7]。橡胶产量除受到气象因子的影响外, 还与橡胶树品种、田间管理水平、橡胶市场行情等多种因素关系密切[8], 传统的统计方法难以消除非平稳、复杂性等特征导致的伪相关现象。DCCA(Detrended Cross-Correlation Analysis)是一种基于去趋势协方差的互相关性分析方法[9], 通过系统性地滤去各阶趋势成分、消除原始序列中数据非平稳性的影响, 可以有效避免由于数据非平稳性所导致的序列之间的伪相关, 从而检测出含有噪声且叠加有多项式趋势信号的长程相关性[10, 11]。目前已逐步应用于大气环境[12, 13]、金融市场[14]、水文气象[15]、旅游气象[16]等多个领域。

目前尚未见DCCA方法在橡胶气候适宜度与产量相关关系分析中的应用。应用去趋势互相关分析(DCCA)模型探讨气候适宜度和橡胶产量的相关性, 对进一步探索气候条件对橡胶树的影响机制, 提升橡胶树防灾减灾能力, 保障我国天然橡胶生产具有重要的参考意义。

1 数据与方法

1.1 数据

选取国家气象信息中心《中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)》中海南岛1989—2010年10个测站的气温、降水、日照时数、风速等气象因子, 通过计算获得22年的气象因子适宜度及综合适宜度序列, 并将其与所在市县的橡胶单产序列进行DCCA分析。其中橡胶产量数据来自海南省统计厅。使用Matlab 函数adftest()对各市县的橡胶单产(单位面积产量, 下同)及气候适宜度序列进行ADF检验, 结果显示研究时段内各市县橡胶产量序列及适宜度序列均存在单位根, 为非平稳序列, 因此分析海南橡胶产量和气候适宜度相关性适用DCCA方法。

1.2 方法

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[4–6]。随后将逐月四个气象因子和综合气候适宜度序列分别与橡胶单产序列进行DCCA分析。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]。若t< T, 则S=0。

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)。

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。

月风速适宜度S为逐日风速适宜度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。

月综合适宜度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。

适宜度年值为各自月值的平均。

DCCA方法具体如下[10, 17]:

随后改变时间尺度, 重复进行以上步骤得到不同时间尺度下的, 若和呈现线性则其线性倾向率为DCCA标度指数。=0.5时, 表明分析的两组时间序列中不存在互相关性; 当>0.5时, 表示两组时间序列之间存在长程正相关性,<0.5则表示两组序列具有反持续性的长程互相关性, |-0.5|值越大, 相关性越强[11]。

2 结果与分析

2.1 海南岛橡胶产量分析

1989—2010年间, 海南岛18市县橡胶平均单产和单产变化趋势如下图:

如图1所示海南岛橡胶产量东部和西部较低, 文昌、东方、乐东等地橡胶单产低于800 kg·hm–2, 其中文昌的橡胶单产最低, 为657.30 kg·hm–2; 澄迈、昌江-白沙-琼中以及三亚橡胶单产较高, 普遍在1000 kg·hm–2以上, 单产最高的地区为三亚, 达到1376.54 kg·hm–2, 其次为澄迈1278.65 kg·hm–2。橡胶单产以增加为主, 仅乐东和保亭橡胶单产略有下降; 单产增加最明显的地区为琼海, 增加趋势为46.85 kg·hm–2·a–1, 其次为临高、文昌、三亚、定安等地, 增产幅度均超过30 kg·hm–2·a–1。除单产下降的乐东、保亭及增产幅度最小的万宁、东方, 研究时段产量序列均通过了α=0.05的显著性检验。

图1 海南橡胶单产(kg·hm–2)及单产变化趋势(kg·hm–2·a–1) (填色图表示橡胶单产, △表示橡胶单产变化趋势)

Figure 1 The rubber tree yields (kg·hm–2) and linear trend (kg·hm–2·a–1) in Hainan (color map indicated rubber tree yields , △ indicated their linear trends )

2.2 海南岛气候适宜度分布及变化状况

1989—2010年间, 海南岛气候适宜度分布和变化情况如图2:

海南岛温度适宜度最高, 全岛均在0.80以上, 基本呈现南高北低中部山区低于同纬度周边地区的分布形式。降水适宜度空间差异较大, 其值在0.42—0.77之间, 适宜度最高的地区是琼中-屯昌-琼海一带, 适宜度最低是西南部的三亚-东方一带。光照适宜度整体较高, 南部高于北部, 西部高于东部, 三亚和东方是光照适宜度最高的地区, 分别为0.83和0.84。风速适宜度中部较高, 北部、东部、西部适宜度均较低, 其中西部的东方风速适宜度最低, 仅为0.18。综合适宜度以中部最高, 在0.70以上, 其次为东部, 适宜度最低的地区位于海南岛的西部, 其值为0.39。由于温度和光照适宜度空间差异较小, 海南岛的综合适宜度差异主要是由降水和风速贡献。

图2 海南岛橡胶温度(1)、降水(2)、光照(3)、风速(4)及综合(5)适宜度指数分布及变化(填色图表示气候适宜度, △表示橡胶适宜度变化趋势)

Figure 2 The distribution and changement of temperature(1), precipitation(2), sunshine duration(3), wind speed(4)and comprehensive(5) suitability indexes of rubber tree in Hainan Island (color map indicated rubber tree yields , △ indicated their linear trends )

在变化方面, 温度适宜度在全岛基本呈现一致的升高趋势, 仅三亚出现下降。降水适宜度在全岛呈现一致的下降趋势, 下降最明显的地区是东方, 线性倾向率为0.003 a–1。光照适宜度以下降为主, 海南岛东部沿海地区光照适宜度下降最为明显, 仅三亚和屯昌地区出现了升高。风速适宜度在四个因子中变化幅度最大, 在海口三亚出现明显的下降, 降幅分别为–0.12和–0.08 a–1, 在五指山地区明显上升, 幅度达到0.014 a–1。综合适宜度在海口和三亚地区出现了较为明显的下降, 其他地区变化幅度较小。整体上, 海南岛气候适宜度变化幅度小, 大多未通过显著性检验。

2.3 橡胶产量与气候适宜度的去趋势互相关分析

DCCA结果显示, 橡胶单产与四个气象因子及综合适宜度的标度系数均在0.84以上, 超过0.5的阈值, 表明气候适宜度与橡胶单产存在明显的长程相关关系。图3为各测站DCCA标度系数的平均值。

如图3-1所示, 橡胶单产和降水适宜度的标度系数最高, 其次为温度和光照, 风速适宜度最低,显示橡胶单产对降水适宜度的变化最为敏感。相较之下, 风速适宜度对橡胶单产的影响稍小。空间分布上, DCCA标度系数在海南岛东部尤其是文昌地区稍低, 在西部、北部和南部较高(图3-2)。

3 讨论

橡胶树适宜生长在高温、高湿、微风、光照充足的环境, 海南岛光热条件优越、降水充分[18], 是我国最适宜种植橡胶树的区域之一。但盛夏季节过高的气温易造成胶水过快凝结; 过于频繁的降水会增加橡胶病害风险[19], 可能导致大雨冲胶、产量降低; 微风可以促进橡胶树蒸腾, 进而促进代谢活动, 同时有助于保持树皮干燥, 减轻割皮病害, 但过高的风速会吹裂嫩叶, 橡胶林中年平均风速大于3 m·s-1时, 橡胶树不能正常生长[8]。使用气候适宜度方法评价气象条件, 综合考虑了作物多个关键气象因子的最高、最低、最适气象条件, 能较充分地反映橡胶树生产实际[20, 21]。适宜度的研究结果显示海南岛温度和光照适宜度较高, 降水和风速空间差异较大, 综合适宜度以中部为最高, 西部最低。其中西部代表测站东方站位置临海, 局地风速偏高是导致该地适宜度明显偏低于周围地区的主要原因。从橡胶产量上看, 文昌—陵水一带橡胶单产较低, 可能是由于该地相对频繁的台风会导致橡胶断倒, 及其他次生病害, 可对成林产胶量造成长期影响[22], 对断倒比例高的胶林, 气候适宜度的提升不足以弥补产量损失。三亚橡胶产量为全岛最高, 主要是由于三亚地区光热条件最好, 受台风影响较少[18], 降水虽较少但可满足橡胶树生长需要[23]。通过与橡胶生产实际情况的比较分析, 认为对于海南岛, 上述气候适宜度指数方法存在对大风估计不足, 降水权重偏高的问题。去趋势互相关分析的结果显示, 橡胶气候适宜度与橡胶单产呈明显的长程正相关关系, 这与之前的研究结果一致[5–6]。气候适宜度虽不能完全解释产量的空间差异, 但气候适宜度指数的提升对产量的提升有明显的正向促进作用。

图3 海南岛橡胶单产与气候适宜度DCCA相关关系统计分析(1)及空间分布(2)

Figure 3 Statistic Analysis(1) and spatial distribution(2) of the relationship between rubber tree yield and climate suitability in Hainan Island by DCCA

4 结论

1. 海南岛橡胶单产在东部和西部较低, 最低值出现在文昌, 为657.30 kg·hm–2; 单产高值在三亚和澄迈, 分别达到1376.54和1278.65 kg·hm–2。海南岛中部单产的变化幅度较小, 其余地区单产均呈明显增加趋势, 线性倾向率普遍超过10 kg·hm–2·a–1。

2. 海南岛温度和光照适宜度水平较高, 分别在0.80和0.70以上, 空间差异较小, 基本呈现南高北低的分布形式; 降水适宜度空间差异较大, 海南岛中部和东部适宜度较高在0.70以上, 西部和南部适宜度较低, 普遍在0.60以下; 风速的区域性更加明显, 海南岛中部和南部适宜度高于0.75, 而西部和北部适宜度偏低, 最低值位于东方, 适宜度指数仅为0.18; 综合适宜度以中部最高, 在0.70以上, 其次为东部, 适宜度最低的地区位于海南岛的西部, 其值为0.39。

3. DCCA分析结果显示, 气候适宜度与橡胶单产存在明显的长程相关关系。其中, 降水和产量的相关性最高, 风速相关性最低, 温度和光照相关性相近。空间上, 海南岛东部相关性较低, 西部、北部和和南部相关性相对稍高。

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Correlation between natural rubber yield and climate suitability in Hainan Island

TONG Jinhe1, *, ZHANG Weihong2, LIU Shaojun1, GAN Yexing

1. Institute of Meteorological Science of Hainan Province / Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 2. Institute of Meteorological Science in Hebei, Shijiazhuang 050022, China

The climate suitability index method was used to evaluate the climate suitability of rubber trees in Hainan Island, and the detrending cross-correlation analysis (DCCA) method was selected to analyze the correlation between rubber tree yield and climate suitability.The results showed that rubber tree yield in Hainan Island was lower in the east and west and the lowest value was 657.30 kg·hm–2which appeared at Wenchang, and the highest value was 1376.54 kg·hm–2in Sanya. Per unit area yield in the central part of Hainan Island had a small range of change, and in other areas showed a significant increase, with linear tendency rates generally exceeding 10 kg·hm–2·a–1. The central and eastern parts of Hainan Island had a relatively high level of comprehensive suitability, with suitability indexes exceeding 0.70, and a lower suitability level of 0.39 in the west. The temperature and sunshine duration suitability indexes were generally above 0.80 and 0.70, which had small differences in spatial. Precipitation suitability was higher in the central and eastern parts, and was lower in the western and southern parts, overall range from 0.42 to 0.77. The wind speed suitability index was more than 0.75 in the central and southern parts, and was lower in the western and northern parts, with the lowest being 0.18. The results of DCCA analysis showed that there was an obvious long-range correlation between climate suitability and rubber tree yield. The correlation level between precipitation and yield was the highest, and the wind speed was the lowest. Spatially, the correlation in east was weak, and the correlation in the west, north and south was slightly stronger.

DCCA; natural rubber yield; climate suitability index

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.018

P464

A

1008-8873(2024)01-154-06

2021-08-29;

2022-01-07基金项目:国家自然科学基金(41765007); 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(1991—) , 女, 硕士, 工程师, 主要从事橡胶气象服务, E-mail: tongjinhesuns@163.com

通信作者:佟金鹤

佟金鹤, 张卫红, 刘少军, 等. 海南岛天然橡胶产量和气候适宜度相关性研究[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 154–159.

TONG Jinhe, ZHANG Weihong, LIU Shaojun, et al. Correlation between natural rubber yield and climate suitability in Hainan Island[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 154–159.