1. 引言
昆明市位于东经102˚10'~103˚40',北纬24˚23'~26˚33',是云南省的政治文化中心。境内地势切割深,山谷间分布着多个山间盆地,地势总体呈北高南低阶梯状分布,除北部东川、禄劝的高寒山区外,大部分区域海拔约1500~2800 m。市辖有烤烟主种植区禄劝、富民、嵩明、宜良、石林、晋宁、安宁、寻甸8个县(区、市)烤烟种植的历史久远,是云南省内知名的传统烤烟种植区之一,烟草产业收入已成为昆明市地方重要的经济支柱。在昆明市烤烟主种植区,烟农的烤烟种植技术和种植积极性高,烟叶种植收入已成为烟农家庭的主要经济收入来源之一。受高原季风气候的影响,昆明市辖的8个烤烟主种植县(区、市)烤烟生长季内光照、热量和降水条件适中,大田区时段平均日照时数合计为739.1 h,平均气温为20.3℃,平均降水量合计为656.7 mm。市域主烟区气候除北部高山及少数高寒山区外,绝大部分区域气候温暖,日照充足,夏无酷暑,降水适中的气候条件均能满足云南优质烤烟生长的需求,黄中艳等[1]-[3],邵岩等[4]研究成果。云南是中国知名的优质烤烟种植区,云烟独特的清香型吸味与云南气候对烤烟品质的影响效应及云南烤烟种植的气候适宜性研究,在诸多参考文献和研究成果中已有报导,其中贺升华认为云南烤烟种植的适宜性主要是受制于海拔高度的影响,大田生长期区光照的成分对成就优质烟叶影响突出[5],鲁永新等[6]认为云南烤烟种植的适宜性主要受制于热量条件和降水,云南优质烟叶品质主要受制于烤烟大田生长期的热量、日照和降水的耦合影响效应,其中对烤烟种植影响最大的气候因素主要突出在热量和降水的区域性和阶段性分布。翟盘茂等[7]近年来,因受全球气候变暖的大气候背景影响,气候及气候变化对云南烤烟种植的影响越来越受到广泛重视。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出,近年来,升温幅度大,2011~2020年平均温升相比工业化前(1850~1900年)增高了1.09℃,2001~2020年较工业化前增暖0.99℃。可见,气候正在迅速变暖,而且这种增暖是全球性的,气候变化范围广、速度快、强度大、数千年未见。受全球气候变化的影响,昆明市最近几十年,特别是2009年以来,极端干旱、暴雨洪涝、强寒潮、大风冰雹等极端天气气候事件多发生。受气候及气候变化的影响,昆明得天独厚的优质烟叶种植气候生境也发生了相应变化。气候变化对农业的影响的相关研究报导较多,窦小东等[8],云南烤烟适种质心向东北延伸,面积呈增加趋势变化,但就气候变化对昆明烤烟种植技术的影响研究尚未见报导。气候变化对传统烤烟种植技术提出了更大的挑战,为应对气候变化的挑战,最大限度地避免因气候及气候变化给昆明市烤烟种植造成的风险,提升烤烟种植的精细化生产技术,稳定优质烟叶产量、质量和烟农收入,本文以旬为单位划分烤烟大田生育期,即移栽成活期、伸根期、旺长期、成熟采烤期时段,详尽分析了昆明市烤烟主种植区8个县(区、市)1961~2023年烤烟大田生长期各时段近63年气温和降水系列演变,旨在为昆明市各级政府、烟草部门做烤烟种植、防灾减灾规划、决策和烤烟种植技术升级服务等提供更为可靠、详实的依据,同时也为气象为烟草种植服务能力的提升和积极防御自然灾害提供了科学依据。
2. 资料与方法
2.1. 气象资料来源及研究时段划分
本文所用气象资料全部来源于云南省气象台开发的(WFOIS)气象服务平台数据库查询,部分数据来自天擎系统平台和云南省气象台(MDIS)气象资料管理系统地面气象报表文件及昆明市自主研发的气候资源管理、咨询与评价系统分析软件平台。
2.2. 时段划分和因子选取[9] [10]
本文在参阅诸多云南烤烟气候研究成果和文献的基础上,结合昆明市主烟区近年气候及其变化特征,首次提出将以旬为单位,将4月下旬至9月上旬划分烤烟大田生长期时段,其中将4月下旬至5月下旬划分为烤烟移栽成活期、6月上旬和中旬划分为烤烟伸根期、6月下旬至7月中旬划分为烤烟旺长期、7月下旬至9月上旬划分为烤烟成熟采烤期;文中依次选取了对烤烟种植大田生育期影响突出的热量(气温)和水分(降水)两个气象因子展开分析。
2.2.1. 气候倾向率[9] [10]
气温及其气象要素的长期系列变化,可采用线性回归方程:
来分析气温及其气象要素的变化率。其中b为某气象要素序列的趋势变化率,b > 0表示呈上升趋势,b < 0表示呈下降趋势,b值绝对值的大小可以衡量其趋势上升、下降的幅度。b值可由最小二乘法计算得到。计算公式如下:
(1)
2.2.2. 气候趋势系数[9] [10]
气温和降水等气象要素的序列都可看作符合正态分布的随机变量,其中,逐年时间是递增序列,即
。如果n时刻所对应的要素序列与自然数列相关显著,表示该要素气候趋势明显,存在增加(减少)趋势。气象要素与自然序列的相关系数
可表示为:
(2)
称作气候趋势系数。根据回归理论,气候趋势系数
与气候倾向率b有如下关系:
。其中:
,
分别是某气象要素(如气温)序列与自然数列的均方差。可以使用通常的相关系数统计检验方法,检验气候趋势
是否显著。由于
是无单位的,所以可以根据它的数值大小比较不同的气象要素的长期趋势大小。因此,特别适合用于大范围气象要素场长期趋势的空间分布特征研究。
2.2.3. 距平分析[11]
在气候变化趋势分析中,运用距平曲线分析方法对某个气象要素的变化趋势分析,即对某一要素距平值序列
,在样本中某一时刻x的距平值为:
(3)
式中
要素列的平均值。
2.2.4. 年际变化分析[12] [13]
对气温、降水和日照的10年变化分段统计,分析近63年要素Xi (X为气温、降水等某气象要素,
)在第n统计时段的平均值
。
(4)
2.2.5. K-M检验法(Mann-Kendall) [12] [13]
(5)
其中,
定义统计变量
(6)
式中
UFk为标准正态分布,给定显著水平а (а = 0.05, u 0.05 = 1.96),若
,则表明系存在明显的趋势变化。将时间系列按逆系排列,再按照上式计算,同时使
通过分析统计量UFk和UBk可进一步分析系列X的趋势变化,并明确突变时间,指出突变的区域。若UFk值大于0则表示系列呈上升趋势,小于0则表示呈下降趋势;当它们超过临界值时,表示上升或下降趋势显著。若UFk和UBk这两条曲线出现交点,且交点在临界值线之间,则交点对应的时刻就是突变开始时刻。
3. 结果与分析
3.1. 气温变化分析
3.1.1. 烤烟大田期气温的年际变化趋势分析
近63年(1961~2023年),昆明市8个烟叶主种植县(区、市)烤烟大田生育期平均气温总体呈上升趋势变化,变化趋势显著,通过了(P > 0.01)相关性检验,上升变化倾向率0.018℃/a,见图1(a);移栽成活期平均气温年际间呈上升趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验,上升变化倾向率0.011℃/a,见图1(b);伸根期平均气温年际间呈上升趋势变化,变化趋势显著,通过了(P > 0.01)相关性检验,上升变化倾向率0.031℃/a;见图1(c),旺长期平均气温年际间呈上升趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.01)相关性检验,上升变化倾向率0.012℃/a,见图1(d);成熟采烤期平均气温年际间呈上升趋势变化,变化趋势显著,通过了(P > 0.01)相关性检验,上升变化倾向率0.02℃/a,见图1(e)。距平分析显示,烤烟大田生育期气温变化在2010年后呈持续上升的极显著变化,2009年前,除少数年份正距平外,绝大多数年份为负距平;近14年中,除2018年为负距平外,其余各年全部为正距平见图1(a1)。
3.1.2. 烤烟大田期气温的突变特征分析
昆明市烟叶主种植区烤烟大田期气温的正序列曲线UF显示(图2)。1966~2023年UF曲线总体呈上升趋势变化,其中1978年~2001年UF曲线呈波动上升趋势变化,2002年~2023年,UF曲线呈显著的上升趋势变化,UF曲线在置信区间与UB曲线交汇点出现在2007年,通过了0.05的信度检验。
Figure 1. Change of average temperature during each growth period in the main tobacco planting area of Kunming City from 1961 to 2023, (a) The temperature change during the growing period in the main planting area of Kunming flue-cured tobacco; (b) Temperature change of flue-cured tobacco transplanting period in the main planting area of Kunming; (c) Temperature change during the root-elongation period in the main planting area of Kunming; (d) Long-term temperature change of flue-cured tobacco in the main planting area of Kunming; (e) The temperature change during the ripe picking and roasting period in the main planting area of Kunming; (a1) The temperature anomaly of flue-cured tobacco during field period in the main planting area of Kunming
图1. 1961~2023年昆明市烟叶主种植区各生育期平均气温变化,(a) 昆明市烤烟主种植区大田生育期气温变化;(b) 昆明市烤烟主种植区烤烟移栽成活期气温变化;(c) 昆明市烤烟主种植区烤烟伸根期气温变化;(d) 昆明市烤烟主种植区烤烟旺长期气温变化;(e) 昆明市烤烟主种植区烤烟成熟采烤期气温变化;(a1) 昆明市烤烟主种植区烤烟大田期气温距平变化
Figure 2. (K-M) test of temperature mutation during the growing period of flue-cured tobacco in the main planting area of Kunming
图2. 昆明市烤烟主种植区烤烟大田生育期气温突变的(K-M)检验
3.1.3. 烤烟大田期气温的年代纪变化特征分析
烤烟大田期平均气温从1960年代的20.0℃呈逐年上升变化,至2020年代和近10年达21.0℃,升幅达1.0℃,其中2020年代上升变幅最大,10年间,增幅达0.6℃。烤烟伸根(蹲苗)期平均气温年代纪间的变幅在各生育中最大,从1960年代的19.7℃逐年上升变化至2020年代和近10年的21.6℃,上升变化增幅达1.9℃,烤烟大田各生育期变幅最小的是旺长期,平均气温从1960年代的20.8℃逐年上升变化至2020年代的21.4℃、增幅0.5℃。见表1。
Table 1. Statistical units of the average temperature in each growth period of flue-cured tobacco fields in the main tobacco planting area of Kunming (Unit: ˚C)
表1. 昆明市烟叶主种植区烤烟大田各生育期平均气温年代纪统计表(单位:℃)
年纪平均 |
全生育期 |
移栽成活 |
伸根期 |
旺长期 |
成熟采烤期 |
移栽伸根期 |
1961~1970 |
20.0 |
19.9 |
19.7 |
20.8 |
19.8 |
19.8 |
1971~1980 |
19.9 |
19.5 |
20.2 |
20.5 |
19.5 |
19.8 |
1981~1990 |
20.1 |
19.3 |
20.4 |
20.8 |
19.8 |
19.9 |
1991~2000 |
20.2 |
19.5 |
20.7 |
20.5 |
20.0 |
20.1 |
2001~2010 |
20.4 |
19.5 |
20.7 |
21.2 |
20.2 |
20.1 |
2011~2020 |
21.0 |
20.4 |
21.6 |
21.4 |
20.6 |
21.0 |
近10年 |
21.0 |
20.4 |
21.6 |
21.3 |
20.6 |
21.0 |
3.2. 降水变化分析
3.2.1. 烤烟大田期降水量的年际变化趋势分析
昆明市8个烟叶主种植县(区、市)近63年(1961~2023年)烤烟大田生育期平均降水量年际间,总体呈微减少趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验,减少变化倾向率−0.036 mm/a,见图3(a),移栽成活期平均降水量年际间,呈微增加趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验,变化倾向率0.07 mm/a,见图3(b);伸根期平均降水量年际间,总体呈微减少趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验,变化倾向率−0.1 mm/a,见图3(c);旺长期平均降水量年际间呈微增加趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验,增加变化倾向率0.53 mm/a,见图3(d);成熟采烤期平均降水量年际间呈微减少趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验,减少变化倾向率−0.53 mm/a,见图3(e)。距平分析显示,烤烟大田生育期降水变化,1994~2008年为显著的多雨时段,2009~2023年为较明显的少雨时段,其中1994~2002年呈显著的连续多雨年,2009~2014年呈显著的连续少雨干旱年,2015~2018年降水明显呈稍偏多,2019~2023年降水明显呈稍偏少,其余年份,降水的正负距平年变化持续时间较短。见表2、图3(a1)。
Table 2. Statistical table of precipitation in each growth period of flue-cured tobacco fields in Kunming main tobacco planting area (Unit: mm)
表2. 昆明市烟叶主种植区烤烟大田各生育期降水量年代纪统计表(单位:mm)
年代纪 |
大田生育期 |
移栽成活期 |
伸根期 |
旺长期 |
成熟采烤期 |
1961~1970 |
646.9 |
69.0 |
112.4 |
177.3 |
288.2 |
1971~1980 |
690.9 |
110.4 |
110.8 |
165.3 |
304.5 |
1981~1990 |
640.0 |
96.6 |
96.6 |
155.5 |
291.2 |
1991~2000 |
683.4 |
86.7 |
114.6 |
195.5 |
286.6 |
2001~2010 |
670.0 |
108.7 |
117.7 |
186.0 |
257.6 |
2011~2020 |
620.1 |
79.6 |
100.6 |
173.6 |
266.3 |
近10年 |
598.2 |
70.1 |
111.9 |
140.7 |
275.5 |
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Figure 3. Precipitation changes at different growth periods in the main tobacco planting areas of Kunming City from 1961 to 2023, (a) Changes of precipitation during the growing period in the main planting area of Kunming flue-cured tobacco; (b) The change of flue-cured tobacco transplanting precipitation in the main planting area of Kunming; (c) Changes of precipitation during root elongation period in the main planting area of Kunming; (d) Long-term precipitation changes of flue-cured tobacco flourishing in the main planting areas of Kunming; (e) Changes of precipitation during the ripe picking and roasting period in the main planting area of Kunming; (a1) Variation of precipitation anomaly during field period in the main planting area of Kunming flue-cured tobacco
图3. 1961~2023年昆明市烟叶主种植区各生育期降水量变化,(a) 昆明市烤烟主种植区大田生育期降水变化;(b) 昆明市烤烟主种植区烤烟移栽成活期降水变化;(c) 昆明市烤烟主种植区烤烟伸根期降水变化;(d) 昆明市烤烟主种植区烤烟旺长期降水变化;(e) 昆明市烤烟主种植区烤烟成熟采烤期降水变化;(a1) 昆明市烤烟主种植区烤烟大田期降水距平变化
3.2.2. 烤烟大田期降水量的突变特征分析
Figure 4. (K-M) test of precipitation mutation in flue-cured tobacco field during growth period in the main planting area of Kunming
图4. 昆明市烤烟主种植区烤烟大田生育期降水量突变的(K-M)检验
昆明市烟叶主种植区烤烟大田生育期降水的序列曲线UF显示(图4),1961~1963年UF曲线呈明显下降变化,1963年~1968年UF曲线呈明显下降跳跃式上升变化,1968~2008年UF曲线总体变化不明显,其中1968~1993年UF曲线呈阶梯式下降变化,1993~2008年UF曲线呈阶梯式上升变化,2008~2023年UF曲线呈明显的下降变化。UF曲线在置信区间与UB曲线共有5个交汇点,分别出现在1963年、2005年、2008年、2013年和2018年,其中2008年和2013年突变显著,通过了0.05的信度检验。
3.2.3. 降水日数的变化特征分析
Figure 5. Precipitation changes at different growth periods in the main tobacco planting areas of Kunming City from 1961 to 2023, (a) Interannual variation of precipitation days in the main planting area of Kunming; (b) Interannual variation of precipitation days ≥5 mm in the main planting area of Kunming flue-cured tobacco; (c) Interannual variation of precipitation days ≥10 mm in the main planting area of Kunming; (d) Interannual variation of the number of heavy rain days in the main planting area of Kunming flue-cured tobacco; (e) Interannual variation of rainstorm precipitation days in the main planting area of Kunming; (r1) Interannual variation of precipitation during field period in Kunming flue-cured tobacco main planting area
图5. 1961~2023年昆明市烟叶主种植区各生育期降水量变化,(a) 昆明市烤烟主种植区降水日数的年际变化;(b) 昆明市烤烟主种植区≥5 mm降水日数的年际变化;(c) 昆明市烤烟主种植区≥10 mm降水日数的年际变化;(d) 昆明市烤烟主种植区大雨降水日数的年际变化;(e) 昆明市烤烟主种植区暴雨降水日数的年际变化;(r1) 昆明市烤烟主种植烤烟区大田期降水量年际变化
在全球气候变化背景下,局地气候变化异常的表现分异性特征突出,就某一地区而言,年际间降水变化,除降水量随年际(时间)变化外,还有降水强度的年际变化。昆明市烟叶主种植区8县(区、市)属季风气候影响区,近63年(1961~2023年)间,各量级降雨日数的年际间变化呈现出年降水量、特别是较强降水日数,基本上都出现在烤烟大田生育期间(4月下旬至9月上旬),其它季节强降水天气(日数)较少出现,因此,在较大程度上年际降水日数的变化就能较客观地反映出昆明市辖区烤烟大田期各相应量级降水日数的变化。日降水量 ≥ 0.1 mm的降水日数,自1970年代至2023年,总体呈显著减少倾向变化;一般性降雨日数最少值出现在1981~1990间;近30多年大雨、暴雨日数呈较明显增多倾向变化,即一般性或有效降水日数(即日降水量 ≥ 5.0 mm日数、日雨水量 ≥ 10.0 mm降水日数)在最近20来呈明显减少倾向变化,而日雨水量 ≥ 25.0 mm (大雨)、日雨水量 ≥ 50.0 mm (暴雨)和日雨水量 ≥ 100.0 mm (大暴雨)的短时强降水日数在最近的30年来,呈现出较明显的增多倾向变化。统计结果进一步验证了在全球气候变暖的背景影响下,昆明市烟叶主种植区8县(区、市)大田期降水强度变率增大,致干旱、洪涝等极端强降水事件出现的概率增大,气象灾害风险随之增加。降水日数年际分布见图5(a)~(r1)、表3。
Table 3. Statistical table of time and period changes of precipitation days at all levels in the main tobacco planting area of Kunming City (Unit: d/10 a)
表3. 昆明市烟叶主种植区各级降水日数的年代纪变化统计表(单位:天/10 a)
年代 |
≥0.1 mm (小雨) |
≥5.0 mm (小雨) |
≥10.0 mm (中雨) |
≥25.0 mm (大雨) |
≥50.0 mm (暴雨) |
≥100.0 mm (大暴雨) |
1961~1970 |
1269 |
459.4 |
290.8 |
118.4 |
27.75 |
8 |
1971~1980 |
1356 |
494.9 |
292.8 |
108.3 |
23.25 |
7 |
1981~1990 |
1315 |
483.4 |
287.0 |
99.4 |
18 |
3 |
1991~2000 |
1312 |
514.6 |
308.8 |
246.0 |
26.625 |
10 |
2001~2010 |
1230 |
446.6 |
282.1 |
114.4 |
25.375 |
8 |
2011~2020 |
1188 |
466.1 |
278.8 |
102.9 |
22.5 |
6 |
4. 讨论与结论
4.1. 讨论
1) 本文以旬为单位划分了昆明市烟叶主种植区烤烟大田生育期,划分结果更贴近实际,在诸多文献中尚属首次。用气象要素趋势变化分析,年代纪统计分析和距平分析法,K-M突变检验法,对烤烟大田生育期间各不同生育阶段的气温和降水及年际间各级降水日数进行年际变化特征分析,进一步提示了受全球气候变化的影响,昆明主烟叶主种植区烤烟大田生育期间各生育阶段气温的年际变化在2010年代以后的最近年代逐年呈显著上升变化。
2) 分析结论,昆明烟叶主种植区烤烟大田期气温最高时段出现在烤烟旺长期(约21.0℃)、次高时段出现在伸根(蹲苗)期(约20.6℃)和成熟采烤期(约20.1℃)、最低时段出现在移栽成活期(约19.8℃)的大田生育气温变化及分布,与云烟典型清香型烟叶栽培对气温“两头低、中间高”和降水前期(伸根期)少,中间(旺长期)适当多,成熟采烤后期(成熟采烤期)要少雨的气候生境需求高度吻合;降水日数的年际间变化分析,在一定程度上解释了在全球气候变化背景影响下,昆明烟叶主种植区烤烟大田生育期可能遭受强降水致极端天气事件干旱、洪涝、大风冰雹等自然灾害的风险在最近30年明显增加。
3) 本文分析结论、特别是烤烟大田各生育期的划分与传统划分在时间上有了一定的提前量,更接近烤烟生产现状与实情高度吻合,致大田生育期提前的原因主要是受全球气候变暖的影响。上述对气温、降水和大田生育期变化几方面的分析结论,能为昆明市烟叶种植、生产技术修订、种植结构调整等工作及烤烟气象服务工作、烤烟气象防灾减灾工作提供更充分、详实、可靠的基础理论数据。
4.2. 结论
1) 受全球气候变暖的影响,昆明市烟叶主种植区8县(区、市)气温呈显著的上升趋势变化,上升变化倾向率0.018℃/a,通过了(P > 0.01)相关性检验,成熟采烤期平均气温年际间呈显著的上升趋势变化,上升变化倾向率0.02℃/a,通过了(P > 0.01)相关性检验;验证了昆明烤烟大田期气温“两头低、中间高”的变化特征与云南优质清香型烟叶气候生境高度吻合;气温距平和K-M曲线突变交汇分析突变出现的2007年以后,突变发生后气温上升变化显著。
2) 昆明市烟叶主种植区8县(区、市)近63年烤烟大田区降水量总体上呈微减少趋势变化,变化趋势不显著,未通过(P > 0.10)相关性检验;降水日数自1970年代至2023年,总体呈显著减少趋势变化,一般性降雨日数变化不显著,其中1981~1990降水日数最少,最近30多年间大雨、暴雨日数呈较明显增多变化,降水的强度和极端倾向特点突出;UF曲线在置信区间与UB曲线共有5个交汇点,分别出现在1963年、2005年、2008年、2013年和2018年,其中2008年和2013年突变显著,通过了0.05的信度检验。
基金项目
云南省高原特色农业气象服务体系建设项目“基层气象服务能力提升2018”(Gy2016);中国气象局–成都信息工程大学人工影响天气联合研究中心开放课题(2024GDRY014)。
NOTES
*通讯作者。