基于多源融合LAPS格點資料的瀘州烤煙氣候適宜性種植區(qū)劃

何興潼，羅再潛，賴自力，雷 曉，李曉勇，黃忠華，王 翔*

（1.瀘州市氣象局，四川瀘州 646000；2.瀘州市敘永縣氣象局，四川瀘州 646000；3.四川省煙草公司瀘州市公司，四川瀘州 646000）

烤煙（煙葉），一年生草本，茄科，高1 m 左右，原產(chǎn)南美洲。由于其適應(yīng)性強(qiáng)，不論山區(qū)、平原或丘陵地區(qū)均能種植。自引入我國后，很多省市均有種植[1]。近年來，我國烤煙種植業(yè)重心區(qū)位變化趨向西南煙區(qū)。

瀘州市位于長江上游、四川盆地南部，地處川滇黔三省交界處，是四川盆地與云貴高原過渡地帶，分布著山地、丘陵等不同地貌，地勢呈北低南高，海拔落差可達(dá)1 500 m。瀘州市下轄三區(qū)四縣，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨熱同季，無霜期長，光照適宜，非常適宜烤煙種植，北部地區(qū)（江陽區(qū)、龍馬潭區(qū)、納溪區(qū)、瀘縣、合江縣）以丘陵地形為主，南部地區(qū)（敘永縣、古藺縣）以高山地形為主。

瀘州從20 世紀(jì)90 年代初開始種植烤煙。隨著產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，烤煙逐漸成為瀘州市重要經(jīng)濟(jì)作物，對瀘州市發(fā)展有重要支撐作用。其中古藺縣、敘永縣南部等適宜種植烤煙的地區(qū)，常年種植面積約1.33 萬hm2，年均收購煙葉2 500 萬kg，已成為古藺、敘永兩縣財政增效、煙農(nóng)增收的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一。對助力貧困山區(qū)人民脫貧致富、鄉(xiāng)村振興及促進(jìn)地區(qū)社會穩(wěn)定和發(fā)展發(fā)揮重要作用[2]。但每年烤煙生育期由高溫干旱、陰雨寡照等不利氣象條件造成的損失約為20%，已成為制約瀘州烤煙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。

瀘州市現(xiàn)共有198個氣象自動觀測站，其中敘永、古藺主要烤煙區(qū)內(nèi)共有21個區(qū)域自動氣象觀測站，自2008 年逐步開始觀測，觀測要素多為雨量、氣溫。由于受敘永、古藺山區(qū)地形影響，氣候要素時空差異大，因此利用現(xiàn)有區(qū)域自動氣象觀測資料開展研究時，存在氣象資料時間序列長短不一、與烤煙種植區(qū)實況氣象數(shù)據(jù)可能存在差異等問題。

隨著社會對精細(xì)化氣象產(chǎn)品需求的不斷提升，中國氣象局公共服務(wù)中心以LAPS 系統(tǒng)[3]為基礎(chǔ)進(jìn)行本地化，通過調(diào)整權(quán)重等參數(shù)，使得分析場與觀測實況非常接近[4]，最終研發(fā)出一套基本覆蓋全國、基于實際地形、接近實際觀測的全國3 km×3 km 地面多要素客觀分析產(chǎn)品[5]，在氣象服務(wù)中發(fā)揮了顯著的社會效益。

基于此，本文利用烤煙種植區(qū)內(nèi)現(xiàn)有21個氣象觀測站資料，以及LAPS 多源實況格點資料，以期在全球變暖的大背景下[6]，分析得到瀘州烤煙區(qū)的氣候適宜種植區(qū)劃，做到趨利避害，提高煙葉產(chǎn)量，保障烤煙產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概述及數(shù)據(jù)來源

古藺、敘永兩縣地處川南邊緣，與云南、貴州接壤，境內(nèi)以山地為主，屬盆周山區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展欠發(fā)達(dá)[7]。敘永南部、古藺作為瀘州主要烤煙種植區(qū)，主要烤煙種植品種為云煙87，蜜甜香型，截至2020年共有20 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道（敘永9 個，古藺11 個），總種植面積1.26 萬hm2（古藺0.63 萬hm2、敘永0.63 萬hm2），海拔為538～1 319 m。

本研究所用數(shù)據(jù)分為2部分：1）敘永縣、古藺縣內(nèi)21個氣象觀測站2009—2020年日降水、平均2 m 氣溫資料（本文平均氣溫均代指2 m 平均氣溫）來源于瀘州市氣象局；2）中國氣象局LAPS（3 km×3 km）2009—2020 年日降水、平均2 m 氣溫多源實況融合格點資料（下文簡稱LAPS 格點數(shù)據(jù)）來源于中國氣象局，本文研究區(qū)分布如圖1所示。

圖1 瀘州烤煙種植區(qū)分布圖

1.2 研究方法

依據(jù)瀘州烤煙種植生育期研究和調(diào)查，將敘永、古藺烤煙種植區(qū)大田生育期（4—9 月）大致劃分為：團(tuán)棵期（4月上旬至5月中旬）、旺長期（5月下旬至6月下旬）、成熟期（7上旬至9月下旬）。

將各烤煙種植區(qū)的氣溫、降水觀測日資料和LAPS 日資料均處理為旬資料，選取均方根誤差（RMSE）、平均誤差（ME）對LAPS 資料進(jìn)行差異檢驗評估，方法如下：

均方根誤差（RMSE）：反映了該區(qū)域內(nèi)誤差幅度的平均狀況，表示隨機(jī)誤差，計算公式為：

平均誤差（ME）：表征當(dāng)站點觀測平均值高于格點融合產(chǎn)品的時，平均誤差大于0，反之小于0。計算公式為[8]：

式（1）、式（2）中，Xi為旬平均氣溫、旬累計降水的觀測值，Yi為旬平均氣溫、旬累計降水的LAPS格點值。

活動積溫（K1）以及有效積溫（K2）計算公式分別如下：

其中Ti為第i 日平均溫度，T0定為0 ℃，T1定為10 ℃，n為生育期天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 觀測資料與LAPS差異性檢驗

本節(jié)選取烤煙生長發(fā)育受外界氣溫、降水等因素影響最大且最為關(guān)鍵的大田生育期進(jìn)行差異檢驗，其中部分區(qū)域站受建站時間限制，起始觀測時間段不盡相同，故將各站點的LAPS 數(shù)據(jù)的時間序列長度與觀測時間序列長度保持一致，將烤煙種植區(qū)內(nèi)各站點日觀測資料與LAPS 格點融合日數(shù)據(jù)均處理為旬資料，再應(yīng)用式（1）、式（2）進(jìn)行誤差、均方根誤差計算，結(jié)果見表1。

表1 瀘州烤煙種植點實況資料與LAPS檢驗結(jié)果（2009—2020年）

從各種植烤煙點大田生育期的旬累計降水、旬平均氣溫的觀測資料與LAPS 資料的誤差和均方根誤差結(jié)果來看，總體相差不大，旬累計降水的LAPS 資料較觀測資料平均偏高0.3 mm，其中敘永水潦站點的誤差最大，偏高2.1 mm，其余站點誤差均小于1.0 mm；旬降水的均方根誤差總體平均為2.2 mm，敘永水潦站點較大為5.2 mm，其余站點為2.0 mm 左右，反映出水潦站點部分時段的LAPS 降水?dāng)?shù)據(jù)較觀測數(shù)據(jù)偏差幅度明顯高于其余站點。

旬平均氣溫的LAPS 數(shù)據(jù)較觀測數(shù)據(jù)平均偏低0.3 ℃，其中敘永合樂、古藺觀文站點的誤差較大，分別偏低3.3 ℃、1.9 ℃，其余站點均小于1.0 ℃；其均方根誤差結(jié)果也顯示總體平均為1.3 ℃，偏差幅度較大的有合樂、后山、丹桂，其均方根誤差可達(dá)2 ℃以上，其余站點1 ℃左右。

LAPS 格點融合數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)的差異性檢驗結(jié)果表明，旬累計降水、旬平均氣溫總體偏差不大，基本與觀測資料較為符合，其平均誤差分別為-0.3 mm、0.3 ℃，僅水潦、營山、合樂、觀文等站點誤差相對較大；此外，旬累計降水與旬平均氣溫的平均誤差絕對值雖相近，但從均方根誤差的結(jié)果可看出，旬累計降水的總體誤差和偏差幅度卻大于旬平均氣溫，反映了LAPS 格點融合數(shù)據(jù)較觀測數(shù)據(jù)在瀘州烤煙種植區(qū)內(nèi)的旬平均氣溫比旬累計降水更接近實際且偏差幅度更小。

2.2 氣象要素年際變化

利用LAPS 格點數(shù)據(jù)將種植烤煙區(qū)作為整體，對2009—2020 年大田生育期的累計降水、平均氣溫、活動積溫、有效積溫的年際變化進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 大田烤煙生育期各氣象要素年變化（2009—2020年）及上等煙比例

從各氣象要素的年際平均可知，大田生育期的累計降水、平均氣溫、活動積溫、有效積溫的年平均值分別為661.3 mm、21.1 ℃、3 787.6 ℃、1 981.7 ℃，滿足烤煙生育發(fā)育所需降水及光熱條件，較為適宜烤煙種植。

再從各氣象要素變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/平均值）計算結(jié)果可知，累計降水最大為0.201，其次為有效積溫（0.045），活動積溫和平均氣溫最小，均為0.023，反映出降水量的年變化最為明顯，特別是2010、2011年的累計降水較平均值偏低220.9 mm、262.9 mm，而2014年、2020年則偏高180.9 mm、177.1 mm，年際變化幅度為26.8%～39.7%；而2013 年的平均氣溫、活動積溫、有效積溫與其均值相差（年變化幅度）最大，分別為0.9 ℃（4.1%）、147.0 ℃（3.9%）、156.8 ℃（7.9%），也反映出烤煙種植區(qū)的累計降水年波動幅度明顯高于平均氣溫等要素，光熱條件較降水條件年際變化穩(wěn)定。

此外，各氣象要素在2009—2014 年波動變化明顯，但從2015年開始，氣溫和降水均呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢，也呈現(xiàn)出瀘州烤煙種植區(qū)在全球變暖的大背景下，具有降水、氣溫均上升的特點。而相關(guān)烤煙品質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，2011 年、2013 年的上等煙比例分別為32.6%、33.6%較歷年平均（47.2%）偏低15%左右，降水偏少、氣溫偏高均不利于烤煙品質(zhì)的提升，如海拔較低的山腳河谷地帶的烤煙種植區(qū)，但對海拔相對較高的高山頂種植區(qū)有改善品質(zhì)的作用。

2.3 適宜烤煙種植氣候區(qū)劃

基于LAPS 數(shù)據(jù)對各烤煙種植區(qū)的2009—2020 年大田生育期進(jìn)行旬平均氣溫、旬累計降水、旬活動積溫、旬有效積溫的分類計算。并按照團(tuán)棵期、旺長期、成熟期、大田生育期分類統(tǒng)計，具體結(jié)果見表3。

表3 烤煙種植區(qū)不同生育期下各氣象要素對比（2009—2020年）

烤煙作為喜溫植物，從所需的熱量條件來看，晝夜溫差大，有利于煙草的生長發(fā)育，但對煙葉的品質(zhì)來說，成熟期溫差小反而有利。移栽后的團(tuán)棵期最適宜平均氣溫為16～18 ℃，如果氣溫低于13 ℃持續(xù)7 d以上，將導(dǎo)致早花現(xiàn)象；旺長期最適宜平均氣溫為19～22 ℃，成熟期最適宜平均氣溫為22～25 ℃且至少持續(xù)30 d 以上。烤煙大田生育期活動積溫要大于3 000 ℃，適宜區(qū)、最適宜區(qū)分別要求活動積溫在3 300 ℃、3 800 ℃以上，而有效積溫為1 800～2 300 ℃。如果活動積溫達(dá)不到烤煙正常生長發(fā)育所需時，烤煙為滿足自己所需要的熱量總和，會自發(fā)地將生育期延長，進(jìn)而直接影響煙草的產(chǎn)量與品質(zhì)[10]。

從烤煙生長發(fā)育所需的水分條件來看，烤煙對水分的需求特點一般為“少—多—少”特點，即前期移栽至團(tuán)棵期，煙苗較小，生長發(fā)育相對慢，需水量較少，月降雨量為60～80 mm；到了中期的旺長期，烤煙各組織根系發(fā)育完善，生長旺盛，也是烤煙需水最大的時間段，月降雨量以120～170 mm 為優(yōu)；最后的成熟期，月降雨量為100～130 mm 即可滿足烤煙的成熟落黃，抑制其部分代謝作用，從而協(xié)調(diào)煙葉的化學(xué)成分配比，對烤煙品質(zhì)提升有很大幫助[9]。

此外，海拔也一定程度上決定了烤煙生長的品質(zhì)，如果烤煙種植區(qū)海拔低于550 m或者高于1 400 m，由于溫度的和地形的原因，海拔過低使得平壩地區(qū)高濕，病蟲害易發(fā)生，造成煙草品質(zhì)低下，產(chǎn)量較低；而海拔過高，又面臨人工種植強(qiáng)度過大的問題，不利管理，一旦遭遇旱災(zāi)，補(bǔ)救措施難以開展。瀘州地區(qū)適宜種植烤煙的海拔為550～1 400 m，最適宜烤煙種植的海拔主要為700～1 300 m。

綜上所述，依據(jù)烤煙各生育期最適宜生長的氣象指標(biāo)，并結(jié)合瀘州市烤煙種植區(qū)的種植情況，將現(xiàn)有烤煙種植區(qū)分為優(yōu)質(zhì)區(qū)、適宜區(qū)和次適宜區(qū)，結(jié)果如下。

2.3.1 優(yōu)質(zhì)區(qū)

烤煙的優(yōu)質(zhì)區(qū)有著很嚴(yán)格的指標(biāo)，依據(jù)各生育期的不同，降水量、溫度及積溫均要滿足并適宜其生長發(fā)育需求（見上文），同時不能太高或太低，否則生長緩慢且影響烤煙品質(zhì)；同時海拔為700～1 300 m，受種植區(qū)所處山地的影響，優(yōu)質(zhì)烤煙區(qū)分布比較分散。

優(yōu)質(zhì)區(qū)的主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)為敘永縣觀興、枧槽及古藺縣雙沙、皇華、石寶、大寨、德耀、馬嘶、箭竹、丹桂、茅溪等中山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本區(qū)的烤煙自然生長條件較好，栽種、收割時間整齊，栽種歷史較長，種植和烘烤經(jīng)驗也比較充分，為瀘州市優(yōu)質(zhì)烤煙的生產(chǎn)基地和重點發(fā)展地區(qū)，已經(jīng)作出了古藺優(yōu)質(zhì)煙草區(qū)“煙水”工程預(yù)案。

2.3.2 適宜區(qū)

此區(qū)域種植區(qū)的海拔也較為適宜（550～1 400 m），但由于個別氣象因子無法達(dá)到某生育期最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)，如降水量明顯偏多或偏少，溫度、積溫亦這樣，即大多數(shù)氣象要素都達(dá)到優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，但因為一個或少數(shù)幾個要素達(dá)不到最優(yōu)，從而影響了烤煙最終品質(zhì)和產(chǎn)量。

適宜區(qū)的主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)為敘永縣摩尼、分水、水潦、麻城、后山，以及古藺縣觀文、龍山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)雖然受個別氣象要素的影響，但總體烤煙品質(zhì)和產(chǎn)量還是較高的，農(nóng)戶在氣候正常年份種植烤煙是創(chuàng)收的，也是一個極具發(fā)展?jié)摿Φ目緹煼N植區(qū)域，可以通過人工影響的方式來達(dá)到優(yōu)質(zhì)優(yōu)產(chǎn)，如先進(jìn)種植技術(shù)、修建排灌工程等。

2.3.3 次適宜區(qū)

此區(qū)的氣候條件與適宜區(qū)相比，相差并不很大，影響其品質(zhì)及產(chǎn)量的最主要因素是地形，種植區(qū)的海拔低于550 m 或者高于1 400 m。平壩地區(qū)易積水，而高山地區(qū)又干旱，這對煙草生長極為不利。但煙草在此區(qū)還是能形成產(chǎn)量，但平壩地區(qū)遇洪澇或高山地區(qū)遇干旱年份，將會嚴(yán)重影響產(chǎn)量，造成農(nóng)戶虧本。

此區(qū)包括敘永縣合樂、赤水和古藺縣金蘭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平谷和高山頂區(qū)以及優(yōu)質(zhì)區(qū)山頂或山腳。此區(qū)取得豐收的關(guān)鍵為保障烤煙適宜需水，可修建排灌工程。

最后，利用ArcGIS10.0 對瀘州市適宜烤煙種植氣候區(qū)劃的結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀘州市適宜烤煙種植區(qū)劃

3 結(jié)論與討論

本文通過對瀘州各烤煙種植區(qū)2009—2020 年的LAPS 氣溫、降水格點值與監(jiān)測值做了分析對比，并基于LAPS 格點值對各烤煙種植區(qū)做了年際變化趨勢分析和氣候適宜性種植區(qū)劃，主要結(jié)論如下：1）旬累計降水、旬平均氣溫的LAPS 格點值與觀測值總體偏差不大，其平均誤差分別為0.3 mm、-0.3 ℃，其中旬累計降水的總體誤差和偏差幅度略大于旬平均氣溫。2）現(xiàn)有烤煙種植區(qū)大田生育期內(nèi)的降水及光熱條件較為滿足烤煙生育發(fā)育所需，但從2015 年開始，氣溫和降水均呈現(xiàn)出上升趨勢，而降水偏少、氣溫偏高均不利于烤煙品質(zhì)的提升。3）基于LAPS 格點數(shù)據(jù)并結(jié)合瀘州烤煙種植區(qū)情況，將瀘州現(xiàn)有烤煙種植區(qū)做了適宜氣候分區(qū)，優(yōu)質(zhì)區(qū)為敘永縣觀興、枧槽和古藺縣雙沙、皇華、石寶、大寨、德耀、馬嘶、箭竹、丹桂、茅溪等中海拔山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；適宜區(qū)為敘永縣摩尼、分水、水潦、麻城、后山和古藺縣觀文、龍山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；次適宜區(qū)為敘永縣合樂、赤水和古藺縣金蘭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

已有研究表明，全球氣候變暖不僅僅伴隨氣溫的上升，還會導(dǎo)致降水量的下降[11]，也會改變烤煙各生育期時段如烤煙的移栽、收割等，優(yōu)質(zhì)烤煙種植海拔[12]。此外，烤煙品質(zhì)對氣溫、降水變化較為敏感，從全球變暖的大趨勢來看，預(yù)計未來可能會對海拔較低的山腳河谷地帶的烤煙種植區(qū)產(chǎn)生品質(zhì)下降的不利影響，但對海拔相對較高的高山頂種植區(qū)有改善品質(zhì)的作用。