基于气象小网格数据推算烤烟最适生长季

刘思华, 张明发, 何 娜, 范雨娴, 李 晶, 张 胜*

(1.湖南省气象科学研究所, 湖南 长沙 410118; 2.气象防灾减灾湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410118;3.湘西自治州烟草公司,湖南 吉首 416000; 4.湖南省嘉禾县气象局, 湖南 郴州 424500; 5.湖南省益阳市气象局,湖南 益阳 413000)

0 引言

【研究意义】烤烟的生长发育[1]、品质风格[2]受气象因子[3]影响明显。海拔对同一种植区同一时段内的气象条件具有决定性作用,如在标准大气压下,海拔升高100 m,气温下降约0.6 ℃。同时,在实际生产中,烟农多于4月下旬移栽烤烟,并不因烟田海拔高度不同而调整移栽期。因此,分析海拔对烤烟生长的影响,进而推算烤烟的最适生长季对提高烤烟产质量和指导农户科学种植具有现实意义。【前人研究进展】烤烟生长受温度、降雨、种植制度、品种特性和烟草病害等影响[4-6]。杨亚等[7-11]研究表明,烤烟大田生育期所处的温度、降水和光照等气象因子不同,会引起烟株生长期间光合特性和干物质积累变化,进而导致烟叶的产质量存在差异。因此,烤烟移栽不宜太早,宜在日平均气温稳定(12～13 ℃)进行[12-13]。彭耀东等[14-15]研究提出,烤烟移栽过早易出现早花、叶数减少等问题。反之,移栽也不宜太晚,需根据种植制度,兼顾后茬作物的生长季,从而提高土地利用效率;另一方面,烤烟采收不宜太早,当日平均气温≥20 ℃的日数大于70 d时,采收的烟叶品质更优;反之,采收也不宜太晚,热量条件有限的烟田采收太晚易受成熟后期低温影响导致烤烟品质降低[16-18],而热量条件充足的烟田在烟叶生长后期,35 ℃以上高温及强光照射不利于其干物质积累[19]和品质形成[20],且烟草轮作区的烤烟采收太晚还会影响后茬作物的生长发育[21]。谷然[22]研究表明,新疆农业热量资源具有平原和盆地多、山区少的特征;邱正明等[23]研究发现,在湖北西南山区,5 ℃、10 ℃、15 ℃初日随海拔每升高100 m分别推迟2.4 d、2.8 d、3.6 d,终日分别提前2.3 d、2.7 d、3.2 d;李梦洁等[24-25]对浙江和福建的山地热量资源进行模拟均表明,海拔高度是20 ℃初日和终日的主要影响因素。【研究切入点】分析烤烟最适生长季需在海拔跨度较大、地区跨度适中的烤烟主产区进行。当地区太大时,地区气候差异对烤烟的生长影响会大于海拔;地区太小时,受局地小气候影响明显,不能很好地探究其受海拔影响的变化特征。湖南省湘西土家族苗族自治州是山地特色优质烟叶的重要产区,海拔100～1 200 m的地区均有烤烟种植[26-28]。由于低海拔和海拔较高地区的植烟单元气候差异较大[29],烤烟的最适生长季随海拔变化也较大[30-33],是适宜分析不同海拔烤烟最适生长季的选区。因此,有必要开展不同海拔对烤烟生长的影响研究,从而推算出烤烟最适生长季。【拟解决的关键问题】以湖南省湘西土家族苗族自治州海拔跨度较大的烤烟主产区为研究区,基于500 m×500 m的小网格气象数据,研究不同海拔地区种植烤烟的最佳移栽期、最晚采收末期和最适生长季,以期为山地特色烟叶产区充分挖掘气候资源及科学生产优质烟叶提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于湖南省西部偏北,系湘鄂渝黔四省市交界之地,地处武陵山区腹地,州境内地形起伏大、高低悬殊(图1)。湘西土家族苗族自治州(简称湘西州)是山地特色优质烟叶的重要产区,烟叶外观质量具有柔软,较鲜亮,身份较好,油分较多,色泽较正,光泽较强,色泽均匀,色差小的特点。所辖8个县(市)均种植烤烟,境内海拔差异较大,导致不同烟区烤烟的产质量存在差异。其中,海拔最低在凤凰阿拉营(约100 mm),海拔最高在龙山大安(约1 200 mm)。

图1 湘西州的地理位置和海拔分布

1.2 数据获取

烤烟试验跨4个海拔、4个县市、2个品种、5个播期,能较好地代表湘西州各植烟单元不同气象条件下的生长季长度。试验数据来源于烤烟分期播种试验,包括烤烟生育期、产质量和田间小气候的温度、光照、降水数据。经分析,同一海拔不同移栽期烤烟平均生育期长度为123～135 d,大田生育期长度随海拔高度的变化特征不明显,烤烟移栽期至采收末期约需130 d。依据廖玉芳等[34-35]的方法,利用MRG插值得到500 m×500 m分辨率下湖南省的气象小网格数据,通过裁取得到湘西州61 849个网格点1961—2020年的逐日平均温度。用小型气象站观测数据对500 m×500 m小网格推算的日平均气温数据进行相关系数、误差的综合评估分析,相关系数达0.99,均方根误差和平均绝对误差极小,均≤1.4 ℃。

1.3 方法

1.3.1 界限温度 烤烟移栽日期根据《中国农业气象学》[13]选择保证率80%稳定通过12 ℃初日、13 ℃初日为安全移栽日期,因烤烟品种不同,界限温度略有变化。烤烟采收末期选择保证率80%稳定通过17 ℃终日、20 ℃终日为最适采收末期。其中,稳定通过采用五日滑动平均法确定[36]。

1.3.2 逐海拔特征 逐海拔变化特征需对各网格点分层。湘西州海拔77～1 666 m,其中,在海拔1 200 m以下均有烤烟种植,共计61 849个网格点,各海拔网格点数相差较大,网格点较多的海拔层,界限温度特征更加稳定,网格点较少的海拔层,界限温度特征变幅较大。通过计算界限温度得到所有网格点60年中保证率80%的12 ℃初日、13 ℃初日和17 ℃终日、20 ℃终日。为精准分析不同海拔高度界限温度变化,以海拔50 m为起点,每间距50 m为1层,将50～1 200 m共分为24层,逐层统计该层所有格点的平均海拔、格点个数以及小网格推算的界限温度日期平均数、中位数、离群值。

1.3.3 气候变化趋势 界限温度的气候变化趋势用气候倾向率表示。气候倾向率由最小二乘法的线性倾向率计算,通过t检验对Pearson相关系数进行显著性检验,对不能通过0.05显著性检验的情况不予详细分析。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019和QGIS对试验数据进行统计分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 移栽期界限温度特征

结合图2和表1可知,湘西州绝大部分海拔600 m以下的植烟单元在4月15日前稳定通过12 ℃,中高海拔600～1 200 m的植烟单元在4月26日前稳定通过12 ℃。从各网格点稳定通过12 ℃初日随海拔变化箱式图看,海拔550～900 m、1 000～1 100 m的初日分布相对集中,异常值较少;从线性拟合线看,12 ℃初日时间随海拔升高而推迟,线性拟合优度为0.989 5,表明湘西州各植烟单元,平均每升高100 m,12 ℃初日推迟1.7 d。因此,建议湘西州烤烟移栽界限温度适用于12 ℃的品种随海拔平均每升高100 m移栽期可推迟1～2 d,其中,低海拔地区适宜在4月上半月,中高海拔地区适宜在4月下半月。

图2 湘西州12 ℃初日的空间分布和初日随海拔的变化趋势

结合图3和表2可知,湘西州绝大部分海拔500 m以下的植烟单元在4月中旬稳定通过13 ℃,中高海拔500～1 200 m植烟单元在4月下旬或5月初稳定通过13 ℃。从各网格点稳定通过13 ℃初日随海拔变化箱式图看,海拔450～600 m、800～1 200 m的初日分布相对集中,异常值较少;从线性拟合线看,13 ℃初日随海拔升高而推迟,线性拟合优度为0.996 6,表明湘西州各植烟单元,平均每升高100 m,13 ℃初日推迟1.8 d。因此,建议湘西州烤烟移栽界限温度适用于13 ℃的品种移栽期随海拔平均每升高100 m可推迟1～2 d,低海拔地区适宜在4月中旬,中高海拔地区适宜在4月下旬至5月初。

表2 湘西州13 ℃初日的主要海拔及区域分布

图3 湘西州13 ℃初日的空间分布和初日随海拔的变化趋势

对比图2和图3的12 ℃和13 ℃初日随海拔变化趋势得出,湘西州各植烟单元稳定通过12 ℃初日和13 ℃初日随海拔推迟的速度基本一致,表现为海拔每升高100 m推迟1.7～1.8 d。其中,同一海拔13 ℃初日较12 ℃初日推迟约5.6 d,即某海拔13 ℃初日通常与300 m以下的12 ℃初日是同一天。因此,对于移栽界限温度相同的烤烟品种,在不同海拔高度种植需按海拔差推迟相应日数。对于移栽界限温度不同或抗低温能力差异显著的烤烟品种,可先移栽抗低温能力强的品种,抗低温能力弱的再推迟5～6 d移栽;或在海拔相差约300 m的2个田块同一天移栽烤烟,将抗低温能力强的品种移栽在海拔较高的田块,抗低温能力弱的品种移栽在海拔较低的田块。

2.2 采收期界限温度特征

由图4和表3可知,湘西州吉首、泸溪等低海拔地区(450 m以下)的17 ℃终日为10月初,大部分中高海拔植烟单元(450～1 200 m)为9月上旬末至中下旬。从各网格点稳定通过17 ℃终日随海拔变化箱式图看,海拔250～400 m、600～850 m、900～1 100 m的终日分布相对集中,异常值较少;从线性拟合线看,17 ℃终日随海拔升高而提前,线性拟合优度为0.972 3,表明湘西州各植烟单元平均每升高100 m,17 ℃终日提前2.8 d。对比移栽期初日可知,采收期终日随海拔提前的速度较初日推迟的速度快,不同海拔种植烤烟的大田安全生育期长度变化大。其中,中高海拔地区(450～1 200 m)需在9月气温大幅下降前完成烤烟采收,高海地区尽可能在9月上旬末至中旬完成采收。

表3 湘西州17 ℃终日的主要海拔及区域分布

由图5和表4可知,吉首、泸溪等低海拔植烟单元(350 m以下)的20 ℃终日为9月中旬,大部分中海拔植烟单元(350～750 m)为9月上旬,中高海拔植烟单元(750～1 200 m)为8月中下旬。从各网格点稳定通过20 ℃终日随海拔变化箱式图看,20 ℃终日随海拔变化具有明显的分段特征,其中,海拔550 m以下的地区平均每升高100 m终日提前3.2 d,550～1 200 m的地区平均每升高100 m终日提前5.5 d;从线性拟合线看,各植烟单元平均每升高100 m,20 ℃终日提前4.0 d,其中,同一海拔20 ℃终日较17 ℃终日平均推迟约20.6 d。因此,中高海拔地区不可盲目追求成熟后期20 ℃以上日数对烟叶品质的改善效应,应以安全成熟采收为先。

表4 湘西州20 ℃终日的主要海拔及区域分布

图5 湘西州20 ℃终日的空间分布和终日随海拔的变化趋势

2.3 最适生长季

从图6看出,12 ℃初日推算采收末期与20 ℃终日的交点在750～800 m,代表烤烟种植由生长季富余转向紧张,两季轮作转向一季种植的海拔。且海拔比相交点更高的地区难以在20 ℃终日前完成烤烟采收,烤烟采收后气温逐渐下降,不宜种植后茬作物。12 ℃初日推算采收末期与17 ℃终日的交点约在1 200 m处,代表烤烟种植由适宜转向不适宜海拔。且海拔比相交点更高的地区难以在17 ℃终日前完成烤烟采收,烤烟成熟后期面临较大低温风险。

图6 湘西州不同海拔17 ℃终日、20 ℃终日与12 ℃、13 ℃初日推算的采收末期

结合表5、表6和图7看出,在泸溪、吉首及其他低海拔地区(300 m以下),移栽期初日与采收期终日间的日数均大于130 d。移栽期界限温度不同时,大部分适宜移栽期初日与采收期终日有39～50 d或20～36 d的富余,生长季充足,热量资源不是限制因子。因此,300 m以下的低海拔地区应重点考虑挖掘气候资源,发展优质烟叶。在8月中旬后期烤烟采收完毕后可安排后茬作物。

表5 湘西州不同海拔关键界限温度日期分布

表6 湘西州主要植烟生态区的最适生长季

图7 湘西州不同海拔地区烤烟的大田最适生长季

较低海拔地区(300～500 m)如泸溪、吉首、凤凰东部、保靖中部、永顺西南部等地,移栽期初日与采收期终日间的日数大于130 d。移栽期界限温度不同时,大部分适宜移栽期初日与采收期终日有31～45 d和11～24 d的富余,生长季较充足。因此,300～500 m的地区也可种植两季作物,但建议安排蔬菜、绿肥等生长季长度适中的后茬作物。烤烟移栽期应尽量提前,但不能早于4月中旬前期(12 ℃初日)和4月中旬后期(13 ℃初日)。在8月下旬后期烤烟基本采收完毕后安排后茬作物。

中等海拔地区(500～800 m)如凤凰中西部、花垣大部、永顺东部、龙山等地,移栽期初日与采收期终日间的日数大部分略大于130 d,海拔750～800 m的地区13 ℃初日至20 ℃终日略小于130 d。其中,移栽期初日与17 ℃终日间有18～40 d的富余,12 ℃初日与20 ℃终日间有不超过19 d的富余,种植1季烤烟生长季充足,种植2季作物略紧张。因此,在中等海拔地区应重点考虑挖掘气候资源,提高优质烟叶比例,根据实际年景适当安排后茬作物。烤烟移栽期应适当提前,以增加烟叶成熟后期20 ℃以上的日数,提高烟叶品质。建议最适生长季为4月中旬后期(12 ℃初日)和4月下旬前期(13 ℃初日)至8月下旬,采收不宜晚于9月上旬。

中高海拔地区(800～1 000 m)如凤凰西北、花垣南部、永顺东南、龙山中北部等地,移栽期初日与采收期17 ℃终日间的日数大于130 d,有5～25 d的富余;与20 ℃终日间的日数少于130 d,缺少日数不超过19 d,热量资源可以安全种植1季烤烟。因此,中高海拔地区应在确保安全种植前提下,提高烟叶品质。建议增加以12 ℃为移栽期界限温度的烤烟品种比例,在4月下旬前期(12 ℃初日)和4月下旬后期(13 ℃初日)温度达需求时即可移栽,在8月底、9月初气温逐渐下降时适时完成采收。

较高海拔地区(1 000～1 200 m)如永顺东南、龙山中北部等地,移栽期12 ℃初日与采收期17 ℃终日间的日数大于130 d,有4～13 d富余;13 ℃初日与17 ℃终日间隔约130 d,移栽期初日与采收期20 ℃终日间的日数远小于130 d,生长季较为紧张。因此,在较高海拔地区应重点考虑烤烟安全种植,建议选用以12 ℃为移栽期界限温度的烤烟品种为主,在4月下旬中期(12 ℃初日)移栽,9月上旬后期(17 ℃终日)完成采收,避免后期低温对烤烟品质的不利影响。

2.4 界限温度的气候变化趋势

根据60年(1961—2020年)的历史数据,推算80%保证率下的最佳生长季为一个气候平均值,但实际生产中,由于受气象条件年际变化、年代际变化和气候变化等影响,每年的天气情况、界限温度初日、终日可能存在较大波动,应结合气候变化规律及当年实际天气情况在烤烟移栽时进行适当修正。

逐格点分析12 ℃、13 ℃初日和17 ℃、20 ℃终日在60年间及6个年代间的气候倾向率,并进行显著性检验。从表7看出,12 ℃初日所有格点年际间和年代际间的气候倾向率均为负值,即移栽期均有不同程度提前。但通过显著性检验的格点不多、海拔分布不均匀,年际间气候倾向率仅24.46%的格点通过0.05及以上显著性检验(n-2=58),年代际间仅17.51%的格点通过(n-2=4)。海拔800～900 m的分层(50 m为一层)格点中65.00%以上通过0.05及以上显著性检验,但海拔600～700 m的格点中通过0.05显著性检验的比例小于6.00%。13 ℃初日的年际间和年代际间气候倾向率通过0.05及以上显著性检验的均为负值,即移栽期显著提前。年际间气候倾向率有74.31%的格点通过0.05及以上显著性检验,年代际间有10.31%的格点通过。海拔50～800 m的分层格点中有58.00%以上通过0.05及以上显著性检验,但海拔850～1 000 m的格点中通过0.05显著性检验的比例小于10.00%。17 ℃和20 ℃终日年际间和年代际间气候倾向率有正有负,但通过0.05显著性检验的气候倾向率均为正值,即移栽期显著推迟,但所占比均不超过4.00%。

表7 湘西州各格点气候倾向率的显著性检验

对比各界限温度初日和终日的气候变化特征可知,农业气象界限温度指标与气象上日平均气温的气候变化特征不同,但方向一致,农业气象温度指标能通过显著性检验的格点、特征通常与气候变暖的趋势一致,即初日提前、终日推迟;不同的农业气象界限温度指标气候变化特征不一致,初日较终日的气候变化趋势更显著,终日未表现出大面积的气候变化趋势,且不同界限温度初日的气候变化趋势不完全一致。13 ℃初日在74.3%格点上有显著提前趋势,12 ℃初日的比例仅为24.5%;农业气象界限温度指标在不同海拔地区的气候变化趋势不一致,如通过显著性检验比例较多的13 ℃初日,海拔800 m以下的格点具有显著提前的气候变化趋势,海拔800 m以上的格点变化趋势不明显。

3 讨论

南方中高海拔山地烤烟的移栽期多基于国家气象站的数据安排生产,但国家级气象站通常建在低海拔地区,实际生产中,中高海拔地区缺少长期的气象观测数据。李波等[26]通过自动气象站推算气候特征值,获取更精细尺度的烤烟最适生长季。本研究用60年小网格温度数据,分析中高海拔烤烟的最适生长季,为保留同一海拔在不同区域的温度特征,逐网格(共61 849个网格点)计算了烤烟移栽期和采收期界限温度及最适生长季,如湘西州永顺县松柏和花垣县麻栗场,海拔差9 m,但采收期界限温度17 ℃终日并不同,是由于永顺县较花垣县纬度偏北、海拔偏低所产生差异。袁小康等[37]研究表明,湘西中海拔地区烤烟的最佳移栽期为4月12日,与本研究结论一致。总体看,逐网格的推算能为湘西州各地区提供精细到500 m×500 m 80%保证率的最适生长季推算结论,可较好地兼顾湘西州各烤烟种植区的小气候特征。

12 ℃初日推算采收末期与20 ℃终日的交点约在海拔800 m处,对800 m以下的地区进行最适生长季的推算有利于充分挖掘气候资源生产优质烟叶,如低海拔地区(300 m以下)可结合生产实际,将烤烟移栽期适当提前,但不能早于4月上旬后期(12 ℃初日)和4月中旬中期(13 ℃初日),合理安排玉米、油菜等后茬作物,增加土地综合利用效率,提高烟农收益;较低海拔地区(300～500 m)通过轮作因地制宜地发展生育期较短的秋冬作物,可改良土壤,同时提高烟农收益。12 ℃初日推算采收末期与17 ℃终日的交点约在1 200 m处,与湘西州实际生产中烤烟种植的最高海拔1 200 m一致,对800～1 200 m的地区进行最适生长季的推算有利于烤烟安全生产,降低后期低温返青的风险。对比移栽期初日可知,采收期终日随海拔提前的速度较初日推迟的速度更快,不同海拔种植烤烟的大田安全生育期长度变化大。因此,烤烟最适采收末期需综合考虑界限温度终日日期、大田安全生育期长度及种植制度等,与高真真等[38]的研究结论一致。

海拔不同、指标不同,农业气象界限温度指标的变化趋势与显著性不同,但同一界限温度指标逐海拔变化特征显著。据此,可分析具有显著气候变化特征的界限温度指标,利用其与其他不具备显著气候变化特征的界限温度、农业气象等指标之间的关系,推导其他指标的数值;或分析界限温度在某一海拔的气候变化特征,利用不同海拔间界限温度初日和终日的关系,推导逐海拔初日和终日的数值。

4 结论

烤烟移栽期和采收期界限温度随海拔升高呈明显的线性变化特征,线性拟合优度较高。海拔平均每升高100 m,移栽期稳定通过12 ℃、13 ℃初日分别推迟1.7 d、1.8 d,采收期稳定通过17 ℃、20 ℃终日分别提前2.8 d、4.0 d。在相同海拔的植烟单元,13 ℃初日较12 ℃初日推迟约5.6 d,20 ℃终日较17℃终日推迟约20.6 d。海拔300 m以下的烟田宜在4月上旬后期(12 ℃初日)至4月中旬中期(13 ℃初日)移栽,在8月中旬后期采收完毕;海拔300～500 m的烟田宜在4月中旬前期至4月中旬后期移栽,在8月下旬后期采收完毕;海拔500～800 m的烟田宜在4月中旬后期至4月下旬前期移栽,在9月上旬前采收完毕;海拔800～1 200 m的烟田宜在4月下旬前期至4月下旬后期移栽,在9月中旬中期采收完毕。界限温度13 ℃初日在大部分地区和12 ℃初日在少部分地区烤烟移栽期具有显著提前的气候变化特征,17 ℃和20 ℃终日在绝大部分地区烤烟移栽期不具有显著变化的气候趋势。因此,在气候变暖与初日提前综合作用背景下,湘西州各海拔地区热量资源增加,为提高气候资源利用率,顺应气候变化规律,建议当地结合烤烟生产实际将移栽期适当提前。