張波 楊世瓊 劉宇鵬 于飛 莫建國

(1貴州省山地環(huán)境氣候研究所 貴州貴陽550002;2貴州省山地氣候與資源重點實驗室 貴州貴陽550002)

氣候資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的主要物質(zhì)資源之一，光、熱、水等氣候要素的不同組合對農(nóng)業(yè)會產(chǎn)生不同影響，其在時間、空間上的變化不僅使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有相應的季節(jié)性和地域性，還直接影響著農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。氣候適宜度，是一個具有模糊概念的量化指標，是通過模糊數(shù)學中隸屬函數(shù)的方法用氣溫、降水、日照等氣候因素的數(shù)量變化反映對作物生長發(fā)育的適宜性，可以用來綜合評價各氣候要素對農(nóng)作物的影響［1-5］。

國內(nèi)外眾多學者圍繞農(nóng)業(yè)氣候適宜度的相關問題開展了一系列研究。Holzk?mper等［6］采用遺傳算法Genetic Algorithm）建立了玉米的氣候適宜度模型，評估1981—2011年瑞士玉米的氣候適宜度，表明其主要受早期和后期的亞適溫和輻射的限制，玉米對溫度變化的敏感性大于對降水量的；馬樹慶［7］引進了作物生長氣候適宜度評價模型，并在東北開展了氣候適宜性評價應用，該模型隨后分別在小麥、玉米、棉花等作物的氣候可行性評價中得到應用；李昊宇等［8］建立華北地區(qū)冬小麥適宜度模型，并以冬小麥氣候適宜度為預報因子，建立了冬小麥發(fā)育期預報模型；趙峰等［9］運用模糊數(shù)學方法，通過建立旬溫度、旬光照和旬降水適宜度函數(shù)，構建了河南省冬小麥綜合氣候適宜度模型；姚小英等［10］和姚樹然等［11］根據(jù)作物不同發(fā)育期對光照、溫度和降水的需求，分別分析了近40年甘肅省玉米和河北省棉花各個發(fā)育期光、溫、水氣候適宜度及其時空分布規(guī)律；黃淑娥等［12］通過對江西省雙季水稻生長季溫、光、水的需求及當?shù)貧夂驐l件進行分析，建立了雙季水稻各生育期光、溫、水及氣候適宜度評價模型；朱新玉等［13］通過構建冬小麥光照、溫度、降水及綜合氣候適宜度計算模型，探討氣候變化對冬小麥氣候適宜性的影響；張建軍等［14］采用模糊數(shù)學方法分別建立了安徽省分區(qū)域一季稻溫度、降水和日照適宜度模型，并在此基礎上建立了綜合反映多因子對一季稻影響的氣候適宜度模型。從研究對象來看，涉及的作物不僅有小麥［15］、玉米［16-17］和水稻［18-19］等大田作物，還有柑桔［20］、葡萄［21］等林果，茶葉［22］、烤煙［23］、油菜花［24］等特色作物。

目前關于辣椒氣候適宜度的研究少有報道。辣椒作為貴州省種植面積最大的蔬菜作物，其種植面積和加工規(guī)模均居中國第一位。近年來，在貴州省省委、省政府和各級農(nóng)業(yè)部門的強力推動下，深化農(nóng)村供給側結構性改革，全省推進辣椒產(chǎn)業(yè)裂變發(fā)展，種植規(guī)模迅速擴大、產(chǎn)業(yè)鏈條不斷完善，“小辣椒”漸成“大氣候”，產(chǎn)銷規(guī)模全國第一，已成為助農(nóng)增收的大產(chǎn)業(yè)、脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興的新引擎，貴州省的辣椒種植和生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)氣象服務的需求也日益增強。但受自身地形復雜和大氣環(huán)流等因素的影響，氣候多樣性、不穩(wěn)定性明顯，災害性天氣較多，通過構建辣椒生育期的氣候適宜度模型，實現(xiàn)氣候條件對辣椒生長發(fā)育的實時、定量評價，及其對辣椒生產(chǎn)的適宜程度，為動態(tài)評估辣椒氣候風險提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

氣象資料為貴州省20辣椒主要生產(chǎn)區(qū)氣象臺站1961—2018年逐日氣象要素，包括平均氣溫（℃）、降水量（mm）和日照時數(shù)（h）等；研究區(qū)域主要包括播州區(qū)、綏陽、湄潭、鳳岡縣、余慶、正安、道真、務川、習水、桐梓、印江、松桃、思南、石阡、德江、金沙、黔西、大方、七星關區(qū)和納雍等辣椒主要生產(chǎn)區(qū)。

1.2 方法

1.2.1 適宜度模型構建

1.2.1.1 溫度適宜度

某一時期內(nèi)平均氣溫對作物的正常生長和發(fā)育及獲得高產(chǎn)的滿足程度，由該時期作物生長發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度共同決定［25］，本研究擬訂的溫度適宜度模型如公式（1）（2）所示。

式中，S(t)為溫度適宜度；B為中間參數(shù)，T為平均氣溫，T1、T2和T0分別為辣椒育苗所需的下限溫度、上限溫度和最適溫度，當T≤T1或T≥T2時，S(t)=0，當T=T0時，S(t)=1。

1.2.1.2 降水適宜度

采用某一時段降水量與該時段降水距平百分率比值，構建降水適宜度模型［26］，如公式（3）所示。

式中，S(p)為降水適宜度，P為區(qū)域某時段平均降水量（mm），Pa為區(qū)域某時段多年（1961—2010年）平均降水量（mm）。

1.2.1.3 日照適宜度

根據(jù)某一時段的平均日照時數(shù)和該時段的多年平均日照時數(shù)比值，構建日照適宜度度模型［27］，如公式（4）所示。

式中，S(s)為日照適宜度，S為區(qū)域某時段的平均日照時數(shù)(h)，S0為區(qū)域某時段的多年（1961—2010年）平均日照時數(shù)(h)。

選取研究區(qū)域辣椒主要4個生育期：移栽期、大田生長-始花期、開花掛果期和成熟采收期，利用氣候適宜度模型，分別計算辣椒各個生育期的氣候適宜度，辣椒不同生育期及模型中參數(shù)的取值［28］見表1。

1.2.1.4 氣候適宜度模型

氣候適宜度模型綜合考慮了溫度、降水和日照等多個要素對辣椒不生育期的影響，在前人研究的基礎上，采用幾何平均和綜合乘積的方法，建立辣椒氣候適宜度模型，如公式（5）所示。

式中，S(t,p,s)為氣候適宜度，S(t)為溫度適宜度，S(p)為降水適宜度，S(s)為日照適宜度。

1.2.2 氣候傾向率

利用氣候傾向率分析氣候適宜度的變化趨勢。用Xi表示樣本量為n的某氣象變量，用t表示Xi所對應的時間，建立Xi與t之間的一元線性回歸方程：

式中：a為回歸系數(shù)，b為常數(shù)項，a和b用最小二乘法進行估計，以a的10倍作為每10年氣候傾向率。

1.2.3 變異系數(shù)

變異系數(shù)是數(shù)據(jù)序列的標準差與其平均值的比，表示數(shù)據(jù)序列的相對離散程度，無量綱，可以客觀地比較數(shù)據(jù)序列的穩(wěn)定程度。

式中：Cv為變異系數(shù)，σ為數(shù)據(jù)序列的標準差，x?為 數(shù)據(jù)序列的平均值。

2 結果與分析

2.1 適宜度時間變化特征

2.1.1 溫度適宜度

圖1所示為1961—2018年貴州辣椒主產(chǎn)區(qū)溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度和氣候適宜度變化特征。由溫度適宜度的年際變化特征（圖1-a）可以看出，辣椒不同生育期的溫度適宜度的波動范圍不同，移栽期的溫度適宜度變化為0.75～0.98，平均溫度適宜度為0.93，最高值出現(xiàn)在1963年，最低值出現(xiàn)在1996年，辣椒移栽期溫度適宜度隨時間變化呈遞增趨勢，遞增幅度為0.005/10a，但未通過顯著性檢驗，遞增趨勢不顯著；大田生長期至始花期溫度適宜度變化為0.60～0.92，平均溫度適宜度為0.76，最高值出現(xiàn)在1969年，最低值出現(xiàn)在1975年，隨時間變化呈弱遞增的變化趨勢，遞增幅度為0.003/10a；開花掛果期溫度適宜度變化為0.82～0.94，平均溫度適宜度為0.91，最高值出現(xiàn)在2014年，最低值出現(xiàn)在1976年，隨時間變化呈顯著遞增的變化趨勢，遞增幅度為0.006/10a，相關系數(shù)為0.43（p＜0.01）；成熟采收期溫度適宜度變化為0.78～0.95，平均溫度適宜度為0.88，最高值出現(xiàn)在2017年，最低值出現(xiàn)在1980年，隨時間變化呈顯著遞增的變化趨勢，遞增幅度為0.007/10a，相關系數(shù)為0.31（p＜0.05）。溫度適宜度隨著辣椒生育期的不同而變化，整體表現(xiàn)為移栽期＞開花掛果期＞成熟采收期＞大田生長期至始花期，其中開花掛果期和成熟采收期的溫度適宜度隨時間變化呈顯著遞增的變化趨勢。

2.1.2 降水適宜度

由降水適宜度的年際變化特征（圖1-b）可以看出，辣椒不同生育期的降水適宜度的波動范圍要大于溫度適宜度，移栽期的降水適宜度變化為0.41～1.00，平均降水適宜度為0.86，最高值出現(xiàn)在1980年，最低值出現(xiàn)在2011年，辣椒移栽期降水適宜度隨時間變化呈遞減的趨勢，遞減幅度為0.009/10a，未能通過顯著性檢驗，遞減趨勢不顯著；大田生長期至始花期降水適宜度變化為0.43～1.00，平均降水適宜度為0.86，最高值出現(xiàn)在1961年，最低值出現(xiàn)在2010年，隨時間變化呈遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.01/10a；開花掛果期降水適宜度變化為0.49～1.00，平均降水適宜度為0.84，最高值出現(xiàn)在1972年，最低值出現(xiàn)在1971年，隨時間變化呈顯著遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.006/10a；成熟采收期降水適宜度變化為0.45～1.00，平均降水適宜度為0.83，最高值出現(xiàn)在1977年，最低值出現(xiàn)在1992年，隨時間變化呈遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.006/10a。辣椒是耐旱作物，在生長發(fā)育過程中所需水分相對較少，且各生長發(fā)育階段的需水量也不相同，不同生育期內(nèi)降水適宜度整體表現(xiàn)為移栽期和開花掛果期＞大田生長期至始花期＞成熟采收期。

2.1.3 日照適宜度

由日照適宜度的年際變化特征（圖1-c）可以看出，移栽期的日照適宜度變化為0.52～1.00，平均溫度適宜度為0.90，最高值出現(xiàn)在1968、1969、1972、1980、1985、1988、1990、1998、2004、2005、2006、2007、2015和2018年，最低值出現(xiàn)在1975年，辣椒移栽期日照適宜度隨時間變化呈遞減趨勢，遞減幅度為0.007/10a，遞減趨勢不顯著；大田生長期至始花期日照適宜度變化為0.44～1.0，平均日照適宜度為0.86，最高值出現(xiàn) 在1966、1968、1969、1980、1983、1985、1988、1990、1993、1997、2007和2011年，最低值出現(xiàn)在1975年，隨時間變化呈弱遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.02/10a；開花掛果期日照適宜度變化為0.46～1.00，平均日照適宜度為0.88，最高值出現(xiàn)在1961、1963、1971、1972、1973、1978、1979、1981、1984、1988和2013年，最低值出現(xiàn)在2014年，隨時間變化呈顯著遞減趨勢，遞減幅度為0.03/10a，相關系數(shù)為0.34（p＜0.01）；成熟采收期日照適宜度變化為0.57～1.00，平均日照適宜度為0.93，最高值出現(xiàn)在1963、1966、1975、1976、1978、1981、1990、1992、2011和2013年，最低值出現(xiàn)在1993年，隨時間變化呈遞減變化趨勢，遞減幅度為0.01/10a，相關系數(shù)未通過顯著性檢驗，遞減趨勢不顯著。不同生育期的日照適宜度整體表現(xiàn)為：成熟采收期＞移栽期＞大田生長期至始花期＞開花掛果期，其中開花掛果期日照適宜度隨時間變化呈顯著遞增的變化趨勢。

2.1.4 氣候適宜度

由氣候適宜度的年際變化特征（圖1-d）可以看出，辣椒不同生育期的氣候適宜度的波動范圍相對較小，移栽期氣候適宜度變化為0.70～0.98，平均氣候適宜度為0.88，最高值出現(xiàn)在1980年，最低值出現(xiàn)在1996年，移栽期氣候適宜度隨時間變化呈遞減趨勢，遞減幅度為0.005/10a，遞減趨勢不顯著；大田生長期至始花期氣候適宜度變化為0.57～0.93，平均氣候適宜度為0.82，最高值出現(xiàn)在1969年，最低值出現(xiàn)在1979年，隨時間變化呈遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.009/10a；開花掛果期氣候適宜度變化為0.66～0.97，平均氣候適宜度為0.86，最高值出現(xiàn)在1973年，最低值出現(xiàn)在2014年，隨時間變化呈顯著遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.009/10a；成熟采收期氣候適宜度變化為0.68～0.97，平均氣候適宜度為0.87，最高值出現(xiàn)在1975年，最低值出現(xiàn)在1993年，隨時間變化呈顯著遞減的變化趨勢，遞減幅度為0.004/10a。不同生育期氣候適宜度均在0.8以上，溫度、降水和日照均能滿足辣椒在不同生育適宜生長的需要，具體表現(xiàn)為：移栽期＞成熟采收期＞開花掛果期＞大田生長期至始花期。

2.2 變異性分析

辣椒不同生育期溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度和氣候適宜度變異性結果見表2。從表2中可以看出，對比溫度適宜度，不同生育期溫度適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長期至始花期（11%）＞移栽期（5%）和成熟采收期（5%）＞開花掛果期（2%）；對比降水適宜度，不同生育期降水適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長期至始花期（16%）＞開花掛果期（15%）＞移栽期（14%）＞成熟采收期（10%）；對比日照適宜度，不同生育期日照適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為成熟采收期（15%）＞開花掛果期（13%）＞移栽期（12%）和大田生長期至始花期（12%）；對比氣候適宜度，不同生育期氣候適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長期至始花期（10%）＞移栽期（8%）＞開花掛果期（7%）和成熟采收期（7%）。

不同生育期內(nèi)大田生長期至始花期降水適宜度變異系數(shù)為16%，超過臨界值，表明大田生長期至始花期降水適宜度為中等變異，其它生育期內(nèi)的各個適宜度指標均在臨界值以下，為小變異，其中以開花掛果期的溫度適宜度變異系數(shù)最小。

表2 辣椒不同生育期溫度、降水、日照和氣候適宜度變異性分析

3 討論

為定量評價氣象條件對辣椒生產(chǎn)的適宜程度，利用貴州省辣椒主要生產(chǎn)區(qū)1961—2018年逐日氣象要素，構建氣候適宜度模型，分析了辣椒不同生育期氣候適宜度變化特征。主要結論如下。

辣椒移栽期的單要素和氣候適宜度分別為0.93、0.90、0.86和0.88，大田生長期至始花期的單要素和氣候適宜度分別為0.76、0.89、0.86和0.82，開花掛果期的單要素和氣候適宜度分別為0.91、0.88、0.84和0.86，成熟采收期的單要素和氣候適宜度分別為0.88、0.93、0.83和0.87，溫度、降水和日照均能滿足辣椒在不同生育期適宜生長的需要。開花掛果期溫度適宜度和日照適宜度隨時間變化分別呈顯著遞增和遞減的變化趨勢，不同生育期氣候適宜度均在0.8以上，溫度、降水和日照均能滿足辣椒在不同生育適宜生長的需要。

溫度適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長期至始花期（11%）＞移栽期（5%）和成熟采收期（5%）＞開花掛果期（2%），降水適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長期至始花期（16%）＞開花掛果期（15%）＞移栽期（14%）＞成熟采收期（10%），日照適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為成熟采收期（15%）＞開花掛果期（13%）＞移栽期（12%）和大田生長期至始花期（12%），氣候適宜度變異系數(shù)表現(xiàn)為大田生長期至始花期（10%）＞移栽期（8%）＞開花掛果期（7%）和成熟采收期（7%）。其中僅大田生長期至始花期為中等變異，其它生育期內(nèi)的各個適宜度指標均為小變異。

氣候適宜度模型能綜合反應辣椒不同生育期氣候適宜度的動態(tài)變化過程，其精準度的檢驗需要其與辣椒氣象產(chǎn)量做相關性分析，由于缺少辣椒歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)，因此無法對模型的準確率進行驗證。此外，辣椒品種多樣，每個品種自身差異性明顯，在實際的辣椒生產(chǎn)過程中除了受到氣候條件的影響外，還與下墊面土壤類型等有很大關系，因此構建氣候與品種、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。