廣西甘蔗氣候適宜度時空特征分析

譚佳勇，丁美花，陳燕麗，李 政，孫 明，譚宗琨，譚 蘇

(1河池市氣象局，廣西河池 547000；2廣西壯族自治區氣象科學研究所/廣西壯族自治區生態氣象和衛星遙感中心，廣西南寧 530022)

0 引言

甘蔗是我國主要的制糖原料，同時也是糖業化工、纖維、能源等方面的重要原材料[1]。20世紀80年代起，我國甘蔗生產中心逐漸轉移到廣西[2]，作為我國最大的甘蔗種植基地，廣西甘蔗種植面積、原料蔗產量及食糖產量連續多年占全國60%以上[3-4]。甘蔗產業不僅關系到當地的經濟發展，還與國家食糖戰略安全關系密切，2017年，國家將食糖列為與糧棉油同等重要的戰略物資，在廣西劃定了1150萬畝糖料蔗生產保護區[5]。廣西蔗糖產業的穩定、可持續發展，對國家食糖戰略安全、發展地區經濟及鄉村振興等意義重大。

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告指出，全球變暖增溫速度顯著，未來100年內極端高溫、極端降雨事件將會增加，人類正面臨顯著的氣候變化風險，并遭受不可逆轉的損失[6-7]。農業生產受光照、氣溫、降水等氣候條件的共同影響，是受氣候變化影響最大、最直接的產業之一，氣候變化將威脅全球糧食的生產和安全[8-9]。已有研究表明：氣候變化背景下，廣西年平均氣溫呈明顯的上升趨勢，但不同地區的增幅不一致[10]，氣溫的升高導致廣西熱量分布格局改變，熱量資源總體增加[11-14]；與熱量資源變化相反，廣西光照資源呈顯著下降趨勢[15-16]，光照作為陸地植被的主要能量來源，其減少勢必對作物生長產生影響；而廣西水分資源雖沒有明顯的變化傾向，但時空分布不均，年際間波動較大[17-18]。同時在現有的氣候背景下，高溫、干旱、強降水等各類極端災害天氣事件強度及頻次增加[19-23]，這都將給廣西甘蔗產業高質量發展帶來不確定性影響。學者從甘蔗氣象災害發生規律、影響甘蔗生長主要氣象因子等角度開展了相關研究[24-29]。

農作物生育期內的氣候適宜程度是開展氣候變化研究的必要信息之一[30]。氣候適宜度模型的提出為分析綜合氣候因子對作物生長提供了度量指標[31]。前人在作物氣候適宜度模型方面也做了大量研究及應用，主要集中在氣候適宜度特征分析[32-35]、適宜性區劃[36-37]、產量預報[38-39]、風險評估[40-41]及模型業務應用[42]等；研究對象包含水稻、玉米、大豆、棉花等大宗糧棉作物及柑橘、龍眼、青棗等特色水果作物。在甘蔗氣候適宜度研究方面，譚佳勇等[43]針對河池市的甘蔗氣候適宜度變化趨勢做過簡單分析，鮮見其他類似研究。本文擬基于成熟的作物氣候適宜度模型，以廣西全區作為研究范圍，引入溫度、光照和可利用降水作為關鍵氣候影響因子，開展甘蔗全生育期氣候適宜度時空變化特征評價及氣候變化趨勢對甘蔗生長發育的影響分析，以期為合理開發和利用氣候資源，促進蔗糖產業的穩定、可持續發展提供有效氣象保障。

1 材料與方法

1.1 地理及氣象數據來源

從國家基礎地理信息中心獲取廣西1∶25萬基礎地理信息數據，包括省界和地市級行政矢量邊界；從廣西氣象信息中心獲取1970～2021年廣西91個國家氣象觀測站逐日平均氣溫、降水量和日照時數等數據。

1.2 甘蔗發育期及分區

按照農業氣象觀測規范規定，甘蔗發育期主要分為苗期、分蘗期、莖伸長期和工藝成熟期等；根據氣候特征相似和發育時段基本一致的原則，將廣西劃分為桂北、桂中和桂南3個蔗區(圖1)，各蔗區甘蔗發育期起止日期詳見表1[26,44]。

表1 廣西各蔗區甘蔗發育期概況

圖1 廣西甘蔗分區圖

1.3 數據分析及處理軟件

使用Excel 2019進行數據統計分析；使用SPSS 23.0進行線性變化趨勢顯著性檢驗；使用Arcgis 10.2完成空間分布制圖。

氣象產量分離方法：甘蔗產量除了受到氣候條件的影響之外，還受到品種改良、技術進步、土壤和田間管理水平等多重因素的影響，為分析氣象因子與作物產量關系，將甘蔗產量根據式(1)進行分解：

式(1)中，Y為實際產量，t/hm2；YT為趨勢產量，采用回歸方法分離得出，t/hm2；Yt為氣候產量，t/hm2；θ為隨機產量，t/hm2。

1.4 模型計算方法

1.4.1 甘蔗溫度適宜度模型

作物生長發育過程在一定溫度范圍內，隨氣溫的升高適宜度呈非線性先增加后降低，高或低于特定界限溫度，則不適宜作物生長；為準確地反映作物發育與溫度之間的關系，根據與作物三基點溫度相匹配的非線性Beta函數模型[45,53]，建立甘蔗溫度適宜度模型。

式(2)和式(3)中，S(t)為甘蔗溫度適宜度，t為日平均氣溫，t1為甘蔗各生育期下限溫度，t0為甘蔗各生育期最適溫度，t2為甘蔗各生育期上限溫度。

結合普宗朝等[46]、歐釗榮等[47]、歐陳瀟等[48]研究，計算出廣西甘蔗各生育期t1、t0和t2的值，結果見表2。

表2 甘蔗各生育期下限溫度(t1)、最適溫度(t0)、上限溫度(t2) 單位：℃

1.4.2 甘蔗日照適宜度模型

日照適宜度模型采用以自然數e為底數的指數型分段函數[49]，當日照時數小于可照時數的70%，適宜度隨日照的增多呈指數型增長，當日照時數大于等于可照時數的70%時，日照適宜度為1，以此建立甘蔗日照適宜度模型。

式(4)中，S(s)為甘蔗日照適宜度；e為自然數；S為日日照時數，h；S0為最適日照時數，S0=0.7L0，L0計算公式見式(5)；參考同為C4作物的玉米，b=5.1[49]。

式(5)中，L0為可照時數，α為緯度，λ為太陽傾角。

式(6)中，K為日序，每年1月1日為1，1月2日為2，以此類推。

1.4.3 甘蔗可利用降水適宜度模型

自然降水(P)部分會以蒸發、地表徑流及向深層土壤滲透等方式流失，剩余為有效降水量(PE)部分[50-51]。由于土壤具有一定的蓄水能力，對甘蔗影響具有滯后性，所以甘蔗可利用降水(R)包含2個部分：當日有效降水(PE)和前期降水中土壤蓄留的部分(PEi)。

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

式(9)中，R為甘蔗可利用降水，mm；PEi為第i日有效降水量，mm；W=1/d2，d為距離分析日期的日數，取1，2，…，k，這里k=10。

當可利用降水(R)小于作物需水量(R0)時，適宜度隨R的增加而上升；當R超出R0一定比例時，會造成漬澇害從而導致降水適宜度下降；只有當R恰好滿足R0的一定幅度內，適宜度最高。參考分段式降水適宜度函數建立甘蔗可利用降水適宜度模型[53]。

式(10)中，S(r)為甘蔗可利用降水適宜度，c為經驗常數，這里取值c=4.0；R0為甘蔗日需水量；根據李新建等[54]的相關研究，計算廣西甘蔗各生育期日需水量R0，結果見表3。

表3 甘蔗各生育期需水量

1.4.4 甘蔗綜合氣候適宜度模型

作物生長過程中某一氣象要素低于界限值時，要素適宜度S(x)=0，此時整體氣象條件不適宜其生長S(c)=0；因此，在計算綜合氣候適宜度S(c)時，采用溫度、日照和可利用降水適宜度乘積再開立方[55-57]。

式(11)中，S(c)為綜合氣候適宜度，S(t)溫度適宜度，S(s)日照適宜度，S(r)為可利用降水適宜度。

1.4.5 氣候適宜度分級

依據某種氣象條件出現越頻繁，植被對其適應能力越強的氣候適應性原理。將各要素全生育期氣候適宜度樣本由小到大排序，選取樣本0～30百分位對應的數據為次適宜；30～70百分位為適宜；70以上百分位為最適宜[58](表4)。

表4 廣西甘蔗各氣候要素適宜度等級區間

2 結果與分析

2.1 氣候適宜度模型驗證

本文基于成熟的作物氣候適宜度模型，開展了甘蔗全生育期氣候適宜度模型的構建，為了驗證模型的普適性，利用氣候產量進行氣候適宜度模型的分析。

以上思縣為例，首先根據2010～2021年上思縣各年的綜合氣候適宜度計算結果，按照表4劃分為次適宜、適宜、最適宜3類年景。針對同一年景，將對應年份的甘蔗氣候單產數據進行平均值計算，獲得不同年景的氣候平均單產。由表5可見，最適宜年甘蔗平均氣候單產＞適宜年＞次適宜年，上述分析說明甘蔗綜合氣候適宜度能定量反映氣象條件對甘蔗產量的影響。

表5 上思縣氣候適宜度與產量數據比較

2.2 全生育期氣候適宜度時空變化

2.2.1 全生育期氣候適宜度時間變化

廣西甘蔗全生育期不同要素氣候適宜度在1970～2021年間呈現不同的變化特征。如圖2所示，根據式(2)、(3)計算甘蔗溫度適宜度多年平均值為0.83，在0.77～0.87之間波動，以0.008/10a趨勢上升，通過了0.01的顯著性檢驗；根據式(4)～(6)計算甘蔗日照適宜度多年平均值為0.53，主要在0.45～0.57之間，下降速率為0.005/10a，通過了0.05顯著性檢驗；根據式(7)～(10)計算甘蔗可利用降水適宜度多年平均值為0.61，年際波動最大，主要在0.51～0.68之間變化，以0.006/10a趨勢降低，但未通過顯著性檢驗。根據式(11)計算甘蔗綜合氣候適宜度數值在0.61～0.67之間變化，與可利用降水適宜度一致，呈不顯著下降趨勢。

圖2 1970～2021年廣西甘蔗全生育期不同要素適宜度變化

分析不同氣候要素適宜度變化趨勢顯著性(表6)，溫度適宜度通過顯著性檢驗的站點比例最多為96.7%(88個)，其次為日照適宜度59.3%(54個)，可利用降水適宜度比例最少為18.7%(17個)，綜合氣候適宜度為34.1%(31個)。

表6 1970～2021年廣西甘蔗全生育期不同氣候要素適宜度趨勢檢驗

廣西甘蔗不同氣候要素適宜度年內變化，總體均呈單峰型分布，但峰值區間存在差異(圖3)。其中，溫度適宜度峰值區為5月上旬～10月中旬；可利用降水適宜度峰值區為5～8月；而日照適宜度峰值區則為7～9月；由于光、溫、水適宜度峰值區時段不同，因此，綜合而言，廣西甘蔗生長最適宜的時段為7～9月中旬。另外，除4月上旬部分時段外，溫度適宜度均高于其他要素，而可利用降水適宜度在8月下旬前總體高于日照適宜度，之后低于日照適宜度。

圖3 廣西甘蔗不同各要素逐日平均氣候適宜度變化

2.2.2 全生育期氣候適宜度空間變化

廣西甘蔗全生育期不同氣候要素適宜度在1970～2021年間呈不同的空間分布特征。如圖4所示，廣西甘蔗溫度適宜度總體呈南高北低的緯向分布特征，最適宜區位于廣西南部及百色右江河谷地區，次適宜區主要位于廣西北部；日照最適宜區主要位于廣西南部沿海、百色、梧州等地；可利用降水適宜度總體分布為中部高，東、西部低，次適宜區主要廣西東北部、百色右江河谷、崇左南部及南寧西部等區域，與廣西干旱發生頻率較高的地區大體重合[24,26]。綜合氣候適宜度總體上東南部最高，東北部最低，與溫度、日照適宜度的緯向分布大體相似；最適宜區主要位于廣西南部及右江河谷地區，氣象條件最適宜甘蔗生長。

圖4 1970～2021年廣西甘蔗全生育期不同氣候要素適宜度空間分布

2.2.3 氣候適宜度變化趨勢空間分布

1970～2021年廣西綜合氣候適宜度變化趨勢空間分布如圖5所示：99%的區域綜合氣候適宜度變化趨勢以降低(占比68%)-明顯降低(占比31%)為主，其中，明顯降低趨勢主要位于桂東及桂中部分地區，而增加區域僅為沿海及西部等局部地區。

圖5 廣西甘蔗綜合氣候適宜度變化趨勢空間分布

2.3 各生育期氣候適宜度時空變化

2.3.1 各生育期氣候適宜度趨勢變化

廣西甘蔗各生育期氣候適宜度特征如表7所示：溫度適宜度除工藝成熟期外，均呈極顯著上升趨勢；日照適宜度除苗期外均呈下降趨勢，莖伸長期下降趨勢顯著；可利用降水適宜度除工藝成熟期外均呈下降趨勢，分蘗期通過顯著性檢驗。綜合氣候適宜度方面，苗期、工藝成熟期呈上升趨勢；分蘗期、莖伸長期呈下降趨勢，但僅莖伸長期通過顯著性檢驗。

表7 1970～2021年廣西甘蔗各生育期氣候要素適宜度

2.3.2 各生育期氣候適宜度空間變化

廣西甘蔗各生育期不同氣候要素適宜度空間分布如圖6～9所示。

圖6 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)溫度適宜度空間分布

圖7 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)日照適宜度空間分布

圖8 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)可利用降水適宜度空間分布

圖9 苗期(a)、分蘗期(b)、莖伸長期(c)、工藝成熟期(d)綜合氣候適宜度空間分布

如圖6，甘蔗溫度適宜度苗期最低，均為次適宜；分蘗期最適宜區位于廣西南部及百色右江河谷等地；莖伸長期大部地區溫度適宜度均為適宜或最適宜；工藝成熟期最適宜區主要位于廣西中部，次適宜主要在廣西北部。

如圖7，甘蔗苗期廣西受到陰雨寡照天氣影響[59]，日照適宜度為次適宜；分蘗期日照最適宜區主要位于西南沿海；莖伸長期及工藝成熟期光照資源充足，廣西大部地區為適宜-最適宜區，與莖伸長期相比工藝成熟期最適宜區面積有所減少。

如圖8，甘蔗可利用降水適宜度苗期呈東北往西南逐漸降低，桂東受華南靜止鋒影響，降水充沛[60]。分蘗期廣西可利用降水均為最適宜，為各生育期內最高。莖伸長期與苗期相反，可利用降水呈西南往東北逐漸降低分布，此期廣西降水主要源于熱帶系統，對桂南影響較為明顯[61]。工藝成熟期時廣西汛期結束，降水不足，總體適宜度降低。

如圖9，甘蔗綜合氣候適宜度苗期最低，絕大部分為次適宜區；分蘗期綜合氣候適宜度較苗期明顯升高，空間分布呈南高北低；莖伸長期絕大部分地區綜合氣候適宜度為最適宜區，各生育期內最高；工藝成熟期與分蘗期總體相似，但適宜區面積擴大，次適宜和最適宜區減少。

3 結論與討論

本文利用甘蔗各生長發育階段的溫度、日照和降水數據，建立廣西甘蔗的氣候適宜度模型，對1970～2021年廣西甘蔗生育期氣候適宜度時空變化進行分析評價。主要結論如下：

(1)廣西甘蔗生育期內溫度適宜度＞可利用降水適宜度＞日照適宜度，溫度是甘蔗生長最有利的氣象因子；3～6月光照資源及9～11月降水資源的不足，影響甘蔗綜合氣候適宜度提高；廣西甘蔗綜合氣候適宜度呈逐年降低趨勢，尤其是桂東及桂中部分地區下降趨勢較為明顯。

(2)廣西北部部分地區因光、熱資源的相對不足，甘蔗綜合氣候適宜度低于中南部；而降水適宜度相對不足影響崇左中部、南寧西部等光、熱資源優勢區甘蔗綜合氣候適宜度進一步提高。

(3)甘蔗苗期溫度、光照資源及工藝成熟期溫度和水資源變化趨勢總體利于甘蔗生長；而分蘗、莖伸長期光照、水分條件變化趨勢不利甘蔗生長。

(4)氣溫逐年升高，廣西甘蔗的總體熱量條件將更加充足；降水對甘蔗生長的影響具有時段性及區域性，在降水資源的減少背景下，苗期的西部及南部、莖伸長期的東北部等可利用降水次適宜區干旱風險增加；光照資源在苗期及分蘗期相對不足，且生長期內總體逐年減少，也將成為影響甘蔗產量的因素。

因此，在氣候資源分布不均，各氣象要素變化幅度不同情景下，應進一步分析未來氣候變化對不同地區的甘蔗種植的影響程度，選擇適當品種及調整種植布局；同時應加強甘蔗氣象災害致災機理研究，建立健全甘蔗氣象災害監測預警及防災減災服務體系，增強應對氣候變化能力，保障廣西蔗糖產業高質量發展。廣西降水時空不均，年際間波動較大，區域干旱風險有所增加，應有針對性的改善重點地區水利設施，加強中長期降水預測及做好水資源總體調配規劃，同時培育種植耐旱品種、探索改進節水抗旱種植模式。

本研究構建了廣西甘蔗氣候適宜度模型，分析了不同發育期氣候適宜度空間分布及動態變化，可為氣候變化對甘蔗影響風險評估、甘蔗農田生態變化監測評估、種植結構調整以及有針對性地進行防災減災管理等提供理論依據。但在實際生產中，甘蔗除了受氣候條件影響外，還與品種差異、下墊面土壤類型、農業氣象災害等因素有很大關系，需進一步研究構建氣候與品種、土壤類型相結合的適宜度模型，其評價效果會更客觀，更有的科學指導性。