云南彝豆3号蚕豆种植的气候适宜性划分

Regionalization of Climate Suitability for Broad Bean Cultivation in Yi-Dou No. 3, Yunnan

摘要: 云南蚕豆种植发展潜力大，为细化气候因子对秋播蚕豆种植的影响，基于海拔高度，秋播蚕豆生育期气温、降水、日照、阴雨日数、有霜日数、霜最冷时段气温，用主成分分析法和作物生长气候适宜度计算，分别做彝豆3号蚕豆新品种在云南种植的气候适宜性划分。结果表明：彝豆3号蚕豆种植的最适宜气候区主要分布在云南哀牢山以东、以北的滇中昆明西北部、楚雄、玉溪、曲靖、昭通低海拔地带及向西偏北延伸到大理、丽江和保山、怒江的局部区域，向东南延伸到文山、红河北部区域，全生育期平均气温13.3℃，产量形成期平均气温10.7℃，最冷时段平均气温9.3℃，主生育期降水174 mm、日照1208 h；适宜区主要分布在昆明大部，大理北部，丽江西北部，昭通南部及云南哀牢山西南侧的狭长地带；次适宜区主要分布在哀牢山以南以西除滇南、滇东南河谷地带以外的广大区域和昭通的河谷地带和大理、丽江、曲靖北部，迪庆南部和昭通的高海拔地带；不适宜区主要分布在滇西北的迪庆高寒低温干燥和滇南、滇西南低热河谷的高温、高湿区域。

Abstract: Yunnan has a great potential for the development of broad bean cultivation. In order to refine the impact of climate factors on autumn sown broad bean cultivation, based on altitude, temperature, precipitation, sunshine, number of rainy days, number of frost days, and temperature in the coldest frost period during the growth period of autumn sown broad bean, the principal component analysis method and the calculation of climate suitability of crop planting were used to classify the climatic suitability of the new broad bean variety Yidou 3 cultivation in Yunnan. The results show that: The most suitable climate zones for Yi-Dou No. 3 broad bean planting are mainly distributed in the northwest of Kunming, Chuxiong, Yuxi, Qujing and Zhaotong in central Yunnan to the east and north of Ailao Mountain, and extend to Dali, Lijiang, Baoshan and Nujiang in the west and north, and extend to Wenshan and the north of Honghe in the southeast. The average temperature of the whole growth period was 13.3˚C, the average temperature of the yield formation period was 10.7˚C, the average temperature of the coldest period was 9.3˚C, the precipitation was 174 mm and the sunshine was 1208 h during the main growth period. The suitable areas are mainly distributed in the north of Ailao Mountain except the valley zone of south Yunnan and southeast Yunnan, the valley zone of Zhaotong, the north of Dali, Lijiang, Qujing, the south of Diqing and the high altitude zone of Zhaotong. The unsuitable areas are mainly distributed in the Diqing cold and low temperature dry area in northwest Yunnan and the high temperature and high humidity area in the low heat valley of south Yunnan and southwest Yunnan.

1. 引言

蚕豆(Viciafaba L.)，别名胡豆、佛豆、罗汉豆、大豆等，属豌豆族、野豌豆属，属于高蛋白、低脂肪、富淀粉的豆科作物，可作为粮食、蔬菜、副食、饲料、绿肥兼养地作物种植，传入我国有2100多年 [1] 。在蚕豆产区，蚕豆混合大米等可作为营养丰富的主食，能补充粮食作物中所匮乏的蛋白质和维生素，鲜蚕豆是中国传统佳肴，干蚕豆耐贮藏 [2] [3] 。蚕豆在云南栽培历史悠久，2019年云南省蚕豆种植面积266733.33 hm²，占全国32.5%，面积和总产量均居全国第一位 [4] [5] 。彝豆3号蚕豆是楚雄州农科院以天杂30为母本，大姚白花豆为父本杂交后，经系谱单株选育而成的粮菜兼用型秋播中早熟型蚕豆新品种，该品种具有商品性好、品质优良、高抗病性和高产优势，全生育期约180 d，鲜食青荚生育期约110 d；花历期长，株高约114 cm，平均单株有效枝2.7个，单株平均实荚12.2荚，单荚粒数1.85粒，鲜荚长9.2 cm宽2.2 cm；鲜籽粒浅绿色，百粒重321.8 g左右；干籽粒白皮、白脐，种皮破裂率为零，百粒重约143 g，每667 m²产鲜荚1000~1300 kg (干籽粒200~260 kg) [6] ，2016年12月通过云南省农作物品种审定委员会审定，审定编号：滇审蚕豆2016007号，2018年通过国家农业农村部非主要农作物品种登记，适宜在云南省海拔1400~2200 m的蚕豆种植区种植 [4] [5] ，2016~2021年在云南省大理州、保山市、曲靖市等地累计推广种植面积达228,000 hm²。随着人们对蚕豆鲜食菜用性和保健作用认知的提升，彝豆3号在云南的广大山区、半山区推广种植潜力巨大，而气候影响是绕不开的制约因素。云南冬春温暖，滇中及以南的大部地区播蚕豆全生育期内光照充足，热量和降水适中，是传统的秋播蚕豆种植最适宜气候区 [1] [5] ，低温霜冻，局部干旱是影响秋播蚕豆产量和质量波动的主要气象灾害，极端气候影响、特别是关键生育期间的气温和降雨量及其分布是影响云南秋播蚕豆种植和产量、质量形成的主要因子 [6] [7] ，而迄今用于指导云南蚕豆种植适宜性的指导性区划多限于对海拔高度影响的经验认知，涉及多气候因子对秋播蚕豆种植气候适宜性综合影响的区划研究尚未见报道。鉴于此，本研究项目以彝豆3号新品种在云南推广实验种植结论指标为依据，采用不同生育期间的气温、降雨量、降雨日数、霜日数、日照时数等气候影响因子与蚕豆种植的气候指标作相关性(主成分)分析和主生长期热量的气候适宜度计算为依据，客观划分云南秋播蚕豆种植的气候适宜性分区，为云南秋播蚕豆生产提供理论支撑。

2. 研究区概况

云南省地处中国西南边陲低纬高原地带，介于北纬21˚8'32''~29˚15'8''，东经97˚31'39''~106˚11'47''之间，面积39.4万km²，高原山地面积占94%，宽谷盆地仅占6%，东西部地貌形态差异极大，西部山川纵横，山谷相间，东部波状的山原又称滇中高原或云南高原，哀牢山呈西北–东南走向横亘于云南中部，成就了东西两侧明显的气候分界线 [8] 。受季风气候和地理因的素影响，云南气候干湿分明、雨热同季、立体性强，气温年较差小、日较差大，降水主要集中于雨季，冬春季温暖少雨、光照充足，以干旱、寒潮、低温霜冻为主的极端天气气候事件和气象灾害频繁发生。受自然和经济的限制，云南绝大部分山区、半山区水利基础设施建设滞后，水利条件尚不能满足冬春农业生产用水的基本需求，秋播蚕豆全生育期间主要以雨养农业为主，广大山区、半山区除自然降水外，基本无水利灌溉条件，冬春干旱、强寒潮(低温、霜冻)、降雪天气是造成秋播蚕豆产量和质量波动的主要气象灾害 [1] [2] 。

3. 材料和方法

3.1. 研究试验资料来源

气候资料来源于云南省125个县气象站多年各旬、月的平均降雨量、降雨日数，霜日数，气温和日照时数的统计及自主研发的楚雄州气候资源管理、咨询与评价系统查询。

3.2. 种植气候生态因子的选取

因受季风气候、地理的影响，云南绝大多数蚕豆种植区一般在10月10日左右播种，11月中下旬现蕾，11月下旬至12月下旬始花至开花，12月至次年2月上旬开花至末花，2月中下至3月下旬成熟，全生育期180~200 d左右 [4] 。蚕豆生育期间的气温、降雨日数、降水量和日照时数的时间、空间分布是影响云南蚕豆生长发育的关键，是蚕豆产量形成的决定性因子 [4] [5] 。本试验中，选取了与云南彝豆3号蚕豆生长适应性关系密切的11个气候因子作为区划指标(见表1)。全生育期、产量形成期和最冷时段气温，主生育期有霜日数，海拔高度，全生育期日照时数，决定着蚕豆从出苗到成熟各生育阶段的热量供给及光合效应；全生育期降水量、蒸发量、绝对湿度，产量形成期降雨日数，主生育期降水量，决定着蚕豆从出苗到成熟各生育阶段的水分供给。其中最冷时段和产量形成期气温影响着蚕豆花荚有效成果率，是产质量形成的关键，全生育期降水量，主生育期降水量、降水日数，决定蚕豆苗期和中后期的水分供给的差别及蚕豆各生育期供给，是蚕豆有效出苗数和产量形成的重要影响因子 [5] [8] 。冬春日照条件是云南蚕豆种植的气候优势，2、3、4月的日照时数是蚕豆生长发育的必要条件，受季风槽和昆明静止锋天气影响，滇西北和滇东北冬春阴天日数多，日照少是推广蚕豆种植的阻碍因素。

Table 1. Climatic influencing factors and code name of Yi bean No. 3 broad bean during its growth period

表1. 彝豆3号蚕豆主生育期气候影响因子及代号

3.3. 区划方法和原理

3.3.1. 基于地理气候因子影响的主成分分析

利用气候统计学中的主成分分析和作物生育期气候适宜度计算分析法 [8] [9] ，利用SPSS软件以云南省彝豆3号蚕豆生长时段的综合气候评价指数为研究对象，入选因子中前m个主成分组成的矩阵Y_mn反映了“集中”原矩阵X_pn中的因子信息 [10] [11] 。对矩阵X_{11 * 125}进行主成分分析，用方差最大法进行正交旋转，使成分负载向0和1两极分化。计算主成分分值采用回归法。方法步骤是：第一，对原始数据进行标准化处理，以消除量纲不同的影响(得到标准变量)；第二，将云南125站的11个气候影响因子的标准变量组成一个P = 11、N = 125的矩阵X_pn，求标准变量的相关矩阵R；第三，求相关矩阵R的多个特征值、特征向量及相应主成分对方差的贡献率；第四，根据贡献率确定主成分指标因子的个数(表2)；第五，针对每个主成分指标因子与标准变量线性组合关系的表达式，以权重较大的多个标准变量(对应表1中的影响因子)来综合解释主成分指标因子的物理意义 [12] ，见表3；计算了全部代表点的各个主成分因子值和综合得分值(即综合气候评价指数值) Z [11] [12] 后，建立Z值与地理纬度、经度和海拔高度之间的线性关系，最后区划成果，在arcgis平台上对Y值做IDW (Inverse distance weighted)插值，输出分析结果图(见图1)。Z，Y值计算表达式如下式：(其中Z₁、Z₂、Z₃分别为矩阵R的前3个主成分)

$Y=2466.944951-16.09883188\lambda -20.3396162\delta -0.126101734\beta$ ； (1)

$Z=0.49857Z_1+0.30151Z_2+0.12159Z_3$ ； (2)

$Z_1=-0.39158x_1-0.0982x_2+0.409942x_3+\cdots -0.0316x_{10}+0.063199x_{11}$ ； (3)

$Z_2=0.137816x_1-0.49746x_2+0.129582x_3+\cdots +0.518871x_{10}-0.13837x_{11}$ ； (4)

$Z_3=-0.0467x_1+0.121942x_2+0.104645x_3+\cdots -0.06659x_{10}+0.814677x_{11}$ 。 (5)

Table 2. Xpn covariance matrix eigenvalue and variance and variance contribution rate

表2. X_pn协方差矩阵特征值及方差和方差贡献率

表2中的荷载率绝对值的大小表达了各原始因子变量与主成分因子的相关程度，荷载率绝对值越大的原始因子，与其主成分的相关性越好，越能显现出该原始因子对主成分的影响效应。一般当|荷载率| ≥ 0.6时，认为该气候因子与主成分的相关程度足够大 [9] [12] 。在主成分Y_{20 × 125}中的前3个特征向量的累积方差已达92.167%，即使用前3个主成分因子就可以解释125站12个气候因子变量的总方差，故只需计算3个主成分因子的得分值。

Table 3. Eigen vectors of the correlation matrix

表3. 样本相关矩阵的特征向量(V_mp矩阵)

表3中第1主成分表达式中荷载率较大的气候因子变量依次是X₇，X₃，X₆，X₁，X₉，X₈共6个影响因子，它们反映了云南彝豆3号蚕豆全生育期的热量条件，其中X₇，X₃，X₆分别代表全生育期气温、最冷时段气温和产量形成期气温，X₇代表海拔高度与热的关系，X₉，X₈分别代表蚕豆生育期湿度和霜日数变化与热量的关系，因子荷载率为正，说明该影响因子对彝豆3号蚕豆生长发育的影响呈正相关，因子荷载率为负，说明该影响因子对彝豆3号蚕豆生长发育的影响呈负相关，分析结论验证了在云南除低热河谷地带外，热量是彝豆3号蚕豆种植适宜性判定的第一影响因子，与云南蚕豆种植实践高度吻合；第2主成分中荷载率较大的影响因子依次是X₁₀和X₂共2个影响因子，分别反映发云南彝豆3号蚕豆全生育期光、日照和降雨日数影响效应，日照时数影响因子的荷载率为正，日照时间长说明在云南彝豆3号蚕豆全生育期光照充，降雨日数因子荷载率为负，说明雨日多光照条件差与云南彝豆3号蚕豆生长发育呈负相关，蚕豆生育期间降雨日数多，有利于蚕豆锈病等多发生，不利于蚕豆生长和产量质量形成，与云南彝豆3号蚕豆生长发育对气候环境条件的要求和云南种植实验区试验结论一致 [6] [7] 。第3个主成分中荷载率较大的影响因子依次是X₅和X₁₁这2个因子分别代表云南彝豆3号蚕豆全生育期间和主要生育期间的降水合计量，两个影响因子的荷载率均为正，说明这两个影响因子对云南彝豆3号蚕豆生长发育和产量质量形成呈正贡献，即在云南省，彝豆3号蚕豆生长发育和产量、质量形成与全生育期降水量的多少呈正相关，结论与季风气候影响下的云南冬春干旱少雨，冬春作物种植发展潜力受制于冬春降水量，与云南彝豆3号蚕豆种植实验成果结论和蚕豆种植生产经验相吻合 [6] [7] 。

3.3.2. 基于热量因子影响的生长适宜度计算分析

热量是作物生长的基本条件，作物生长的气候适宜度计算被已被广泛应用于作物种植的精细化气候区划中 [9] [11] 。采用Beta函数计算温度适宜度，能反映作物生长与温度的关系，公式如下 [13] [14] ：

$F\left(t\right)=\frac{\left(t-t_l\right){\left(t_h-t\right)}^B}{\left(t_0-t_l\right){\left(t_h-t_0\right)}^B}$ ； (6)

$B=\frac{\left(t_h-t_0\right)}{\left(t_0-t_l\right)}$ (7)

式(6)中F(t)为蚕豆产量形成关键期温度适宜度，t、t_l、t_h、t₀分别为蚕豆产量形成关键期平均温度、下限温度、上限温度和适宜温度(单位：℃)。

根据2015、2016年彝豆3号新品牌种在云南楚雄、保山、大理、曲靖四地推广种植实验结论，结合云南优质蚕豆传统种植区实验指标 [1] [4] [13] ，计算了云南126个县彝豆3号蚕豆新品种产量、质量形成关键生育期(2~3月)热量生长适宜度进行区划。

Table 4. Temperature of Yi bean No. 3 broad bean new variety in the experimental area from 2015 to 2016 (Unit: ˚C)

表4. 彝豆3号蚕豆新品种2015~2016年实验区气温(单位：℃)

4. 区划结果分析

4.1. 基于综合气候因子影响的主成分分区

根据主成分分析回归合成因子综合计算得分Z值，再将Z值与经度、纬度和海拔高度建立回归关系计算，得出计算值Y，将Y值在arcgis平台上进行IDW插值，得出南省125个县市彝豆3号蚕豆品种种植的综合气候适宜性分区，并参考云南两蚕豆传统种植区生态气候特征及彝豆3号新品种实验区生态气候条件 [4] [8] [13] ，最终划分为7个类型种植气候区，图1(a)。

最适宜区：江川，丘北，玉溪，永仁，宜良，禄丰，砚山，个旧，东川，永善，西畴，华宁，巍山，彝良，贡山，易门，弥渡，广南；全生育期平均气温13.3℃，产量形成期平均气温10.7℃，最冷时段平均气温9.3℃，主生育期降水174 mm、日照1208 h。该区是云南优质秋播蚕豆传统种植区。

温凉适宜区：昆明，洱源，呈贡，大姚，晋宁，禄劝，祥云，大理，姚安，安宁，牟定，武定，双柏，泸西，南华，大关，富民，楚雄，石林，澄江，通海，罗平；全生育期平均气温12.3℃，产量形成期平均气温9.7℃，最冷时段平均气温8.4℃，主生育期降水122 mm、日照1385 h。该区是云南秋播蚕豆传统种植区，主生育期降水122 mm、日照1385 h。

温暖适宜区：弥勒，峨山，云龙，漾濞，绿春，华坪，永平，宾川，马关，保山，新平，文山，昌宁，盐津，屏边，石屏，南涧，腾冲，蒙自，巧家，绥江，凤庆；全生育期平均气温14.2℃，产量形成期平均气温11.7℃，最冷时段平均气温10.3℃，主生育期降水171 mm、日照1297 h。该区是云南秋播蚕豆传统种植区。

冷次适宜区：宣威，鲁甸，宁蒗，丽江，镇雄，太华山，维西，马龙，曲靖，兰坪，鹤庆，永胜，富源，沾益，嵩明，寻甸，陆良，威信，师宗；全生育期平均气温10.0℃，产量形成期平均气温7.4℃，最冷时段平均气温6.1℃，主生育期降水140 mm、日照1228 h。该区局部低海拔地带是云南秋播蚕豆传统种植区。

热次适宜区：元谋，建水，永德，麻栗坡，临沧，施甸，金平，福贡，龙陵，墨江，开远，富宁，景东，云县，镇沅，红河，思茅，江城，沧源，泸水，宁洱，耿马，双江，梁河；全生育期平均气温16.0℃，产量形成期平均气温13.6℃，最冷时段平均气温12.3℃，主生育期降水221 mm、日照1323 h。该区局部高海拔地带是云南秋播蚕豆传统种植区。

冷不适宜区：德钦，香格里拉，剑川，昭通，会泽；全生育期平均气温6.0℃，产量形成期平均气温3.5℃，最冷时段平均气温2.2℃，主生育期降水110 mm、日照1323 h。该区寒冷是云南秋播蚕豆非传统种植区。

热不适宜区：景谷，镇康，勐海，西盟，潞西，澜沧，陇川，盈江，孟连，元江，瑞丽，元阳，勐腊，景洪，河口；全生育期平均气温18.2℃，产量形成期平均气温15.8℃，最冷时段平均气温14.5℃，主生育期降水201 mm、日照1351 h。该区气候炎热是云南秋播蚕豆非传统种植区。

4.2. 基于热量因子影响的作物生长气候适宜度分区

Beta函数，基于热量因素计算彝豆3号蚕豆生长适宜度F，将计算值F在arcgis平台上进行IDW插值，得出南省125个县市彝豆3号蚕豆品种种植的综合气候适宜性分区，并参考云南两蚕豆传统种植区生态气候特征及彝豆3号新品种实验区生态气候条件 [5] [8] [13] ，最终划分为4个类型种植气候区，图1(b)。

最适宜区：该区主要分布在云南省的滇中及周边1550~1700 m及滇中以南的部分中低海拔地带和滇北河谷地带，域内各生育期温差和蒸发量差为云南全省最小，全生育期平均气温差1.5℃，产量形成期平均气温差1.7℃，最冷时段平均气温差1.8℃，主生育期降水168 mm、日照1335 h是云南传统的优质秋播蚕豆种植区。

适宜区：该区主要沿哀牢山南北两侧分布，海拔约1700~1900 m，域内各生育期温差和蒸发量差小，全生育期平均气温差3.9℃，产量形成期平均气温差4.1℃，最冷时段平均气温差4.2℃，主生育期降水147 mm、日照1289 h大部为云南传统的秋播蚕豆种植区。

Figure 1. (a) Climatic suitability zoning for planting Yidou No. 3 based on principal; (b) the growth suitability based on thermal factors component analysis of integrated geographical and meteorological factors climatic suitability zoning of Yidou 3 Planting

图1. (a) 综合地理气象因子的主成分彝豆3号种植气候适宜性分区；(b)基于热量因子的生长适宜度彝豆3号种植气候适宜性区划

次适宜区：该区主要分布在滇以南及以北的中低海拔和中高海拔地带，域内各生育期温差和蒸发量差较大，全生育期平均气温差7.7℃，产量形成期平均气温差8.1℃，最冷时段平均气温差8.2℃，主生育期降水189 mm、日照1331 h局部为云南传统的秋播蚕豆种植区。

不适宜区：该区主要分布在滇西高原高寒和滇南及滇东北局部低热河谷地带，域内各生育期温差和蒸发量差和海拔高差为云南最大，全生育期平均气温差19.7℃，主生育期降水159 mm、日照1227 h，产量形成期平均气温差19.7℃，最冷时段平均气温差19.8℃，是云南省非秋播蚕豆传统种植区。

5. 结论与讨论

1) 按综合地理气象因子的主成分分区区划结论，图1(a)彝豆3号蚕豆种植的最适宜气候区主要分布在云南哀牢山以东以北的滇中昆明西北部、楚雄、玉溪、曲靖、昭通低海拔地带及向西偏北延伸到大理、丽江和保山、怒江的局部区域，向东南延伸到文山、红河北部区域；适宜区主要分布在昆明大部，大理北部，丽江西北部，昭通南部以及哀牢山西南侧的狭长地带；次适宜区主要分布在哀牢山以南以西除滇南、滇东南河谷地带以外的广大区域和昭通的河谷地带和大理、丽江、曲靖北部，迪庆南部和昭通的高海拔地带；不适宜区主要分布在滇西北的迪庆高寒和滇南、滇西南的低热河谷区域。

2) 按产量形成期作物生长的热量适宜度分区区划结论，图1(b)彝豆3号蚕豆种植的最适宜气候区分布在滇中的昆明和楚雄及附近地带；适宜区分布哀牢山两侧及附近及其向西、向东延伸的较宽广区域和昭通的低海拔河谷地带；次适宜区分布在哀牢山以南除低热河谷外的广大区域和滇中以北的高海拔地带；不适宜区分布在滇南的低河谷和滇西北的高寒地带。

3) 综合地理气象因子的主成分分区法客观计算分析了云南省125个县秋播彝豆3号蚕豆新品种主要生育期各气象因子影响贡献及综合影响，构建了与地理纬度、经度、海拔高度之间的线性关系空间插值，分区结论与云南秋播蚕豆传统种植区基本吻合，更接近实验及客观结果，为秋播彝豆3号蚕豆新品种在云南推广种植提供了理论支撑；基于热量因子影响的作物生长气候适宜度分区法，探索了热量单因子影响的云南秋播蚕豆生长的气候适宜性，区划试验算法简单、实用，理论可行，分区结论得出最适宜种植气候区划面积过小，与实际及实验结论差异较大，其它几类划分与云南秋播蚕豆传统种植区大致吻合，同时也验证了云南受地理和季风影响，气候呈垂直地带性分布显著，冬春降水的空间差异小，气候条件对作物生长的影响主要以热量影响为主的气候影响特征。

4) 本区划试验以云南省125个县级气象站的气象观测记录做彝豆3号蚕豆新品种秋播种植的气候适宜区划，因气象要素观测数据的空间分布密较度较小，在一定程度上尚未达到对云南复杂地形的全覆盖，应用实践中区划结果还有待进一步细化 [15] [16] 。

基金项目

云南省院士专家工作站；项目编号：202105AF150008；云南省气象局基层台站气象科技创新与能力提升计划项目(STIAP)：项目编号：STIAP202222。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。