萊蕪生姜溫度適宜性研究

王琪珍 范永強 徐風霞

摘 ?要：利用2009—2018年萊蕪生姜生長季內的氣象資料，結合生姜發育期指標，應用模糊數學法建立日尺度的溫度適宜度模型，定量分析評估生姜不同發育期溫度適宜度特征及對氣候變化的響應。結果表明，萊蕪生姜生長季內溫度適宜較高，平均為0.72，除播種至出苗期外均超過0.7。生姜溫度適宜度收獲期>幼苗期>旺盛生長期>播種至出苗期，播種至出苗期溫度適宜度波動較大，溫度是影響生姜適時播種的主要氣象因子。2009—2018年萊蕪生姜溫度適宜度變化特征明顯，播種至出苗期、幼苗期、旺盛生長期溫度適宜度呈上升趨勢，使生姜遭受低溫和高溫熱害的風險降低。在全球氣候變暖的背景下，萊蕪生姜生長季內溫度適宜度呈線性增長趨勢，溫度對生姜的生長發育有一定的積極作用。基于數理統計方法，確定了生姜不同發育期溫度適宜性的3類評價指標（不適宜、適宜、非常適宜）。

關鍵詞：生姜;模糊數學法;適宜度模型;溫度適宜性;評價指標

中圖分類號：P49 ? ?文獻標志碼：A ? ?論文編號：cjas20200200014

Abstract： Based on the meteorological data during the growing season of Laiwu ginger from 2009 to 2018， and combined with the index of ginger developing period， a daily temperature suitability model was established by using the fuzzy mathematics method， and the characteristics of temperature suitability in different growth periods of ginger and its response to climate change were quantitatively analyzed and evaluated. The results showed that the temperature suitability of Laiwu ginger in the growing season was relatively high， with an average of 0.72， which exceeded 0.7 except from sowing to seedling stage. The ginger temperature suitability was： harvesting period>young sprout period>exuberant growing period>sowing to germination period. Temperature suitability fluctuated greatly from sowing to germination period. Temperature was the main meteorological factor affecting the timely sowing of ginger. From 2009 to 2018， the temperature suitability of Laiwu ginger changed obviously， showing an increasing trend from sowing period， seedling period to young sprout period， and vigorous growth period， which reduced the risk of low temperature and high temperature. Under the background of global warming， the temperature suitability of ginger in Laiwu presents a linear increase during the growing season， and temperature has a positive effect on the growth and development of ginger. Based on mathematical statistical methods， three kinds of evaluation indexes （not suitable， suitable， and very suitable） for the temperature suitability of ginger in different development stages are determined.

Keywords： Ginger; Fuzzy Mathematics; Suitability Model; Temperature Suitability; Evaluation Index

0 ?引言

濟南市萊蕪區生姜種植迄今已有2000多年的歷史，1997年萊蕪被命名為“中國生姜之鄉”，2008年獲國家地理標志證明商標。近年來，萊蕪區圍繞生姜發展，加快建設一流的生產基地、一流的加工基地、一流的研發基地和一流的集散基地，促進了生姜產業的快速發展。全區生姜常年種植面積近萬公頃，年產50萬t，以生姜為主的農產品冷藏及加工企業達100多家，其中國家級龍頭企業2家、省級龍頭企業14家，年加工能力80萬t，開發出“食、藥、衛、健”4個字號2000余種產品，其中“姜老大”和“泰山”牌生姜成為北京奧運會專供生姜和“知名農產品區域公用品牌”，產品遠銷歐美、日韓、中東等90多個國家和地區。國際市場70%的姜片由萊蕪生產，叫響了“全球生姜看中國，中國生姜看萊蕪”的區域特產品牌，品牌價值達到123.66億元。

在全球氣候變暖的大背景下，萊蕪氣候資源發生了明顯變化，對生姜生長發育產生了顯著的影響。20世紀80年代開始，基于模糊數學的氣候適宜度模型開始應用于農業氣候資源、作物產量預報、生育期預報、傳統農作物（小麥、玉米、棉花等）及經濟作物（油菜、茶葉、柑橘等）氣候適宜度的定量評估[1]。農作物的氣候適宜度是把氣象因子（溫度、光照、降水等）的數量變化，通過模糊數學中隸屬函數的方法轉化成對作物生長發育、產量形成、質量優劣的適宜程度，在一定程度上影響著當地的農業生產類型、空間布局、產量高低及品質優劣[2]。魏瑞江[3]和姚樹然[4]等運用模糊數學理論和幾何平均法分別建立了冬小麥和棉花生長氣候適宜度評價模型，并對氣候適宜度的變化特征進行分析;張建軍等[5]建立了安徽一季稻生長氣候適宜性評價指標;陳小敏等[6]對海南島橡膠割膠期的氣候適宜度變化特征進行了分析;侯英雨等[7]建立了基于氣候適宜度的東北地區春玉米發育期模擬模型;宋迎波等[8]確定了冬小麥氣候適宜診斷指標;孫園園等[9]對四川稻作區優質稻生產氣候生態條件適宜性及空間分布進行了研究。對生姜生長期氣象條件定量評估的相似文獻至今仍未見，以往對生姜的研究主要集中在生姜氣候條件分析及農藝性狀[10]、病蟲害等方面，而對生姜氣候適宜性評價等方面的研究目前仍為空白。在前人研究的基礎上，筆者利用2009—2018年4—10月氣象資料，結合生姜發育期氣象指標建立日時間尺度的生姜主要發育期溫度適宜度模型，定量分析評估萊蕪生姜主要發育期溫度適宜度的變化特征，以期為生姜生產趨利避害提供科學依據和技術支撐。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區域概況

萊蕪地處魯中山區腹地，屬于暖溫帶季風氣候，四季分明，無霜期長，光照充足，熱資源較為豐富，光、熱、水資源時空變化與作物生長期匹配良好，且雨熱同期，有利于生姜的生長發育。4月下旬的倒春寒以及盛夏季節的高溫熱害等在一定程度上影響了生姜的產量和品質。

1.2 ?數據來源

氣象資料選取萊蕪國家氣象觀測站2009—2018年4—10月的氣象要素，包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫等逐日數據。選取生姜播種至出苗期、幼苗期、旺盛生長期、收獲期4個發育期指標。

1.3 ?研究方法

1.3.1 ?生姜溫度適宜度模型 ?作物生長是一個復雜的動態過程，光、溫、水的變化直接決定作物生長發育的適宜程度[11]，生姜整個幼苗期一直在保護地栽培，在花蔭狀態下生長，根系淺，需水量多，灌溉頻繁，光照和水分人為干預多;同時根據積溫學說[12]，在其他條件基本滿足的情況下，溫度對作物的生長發育起主導作用，因此筆者只研究了溫度適宜度。三基點溫度是構建溫度適宜度模型所必需的氣象指標[13]。選取生姜的4個生育期，利用萊蕪氣象觀測站2009—2018年逐日資料，在明確生姜4個生育期三基點溫度的基礎上，采用模糊數學法建立生姜生長季溫度日時間尺度氣候適宜度模型。溫度對農作物發育過程的影響可以用作物生長對溫度條件反應函數來描述，Beta函數能較好地反映作物生長與溫度的關系，并且具有普適性，其值在0～1之間[14]，參照孫秀邦等[15]的方法，構建生姜溫度適宜度模型，如式（1）～（2）。

[F（t）=（t-tl）×（th-t）B（to-tl）×（th-to）B]…（1）

[B=th-toto-tl]…（2）

式中，F（t）為溫度適宜度函數，其中t為生姜生長發育期間的日平均氣溫，to為某發育期的最適宜溫度、tl為該發育期的下限溫度，低于這一溫度發育速率為0;th為該發育期的上限溫度，超過這一溫度生姜發育受到抑制。F=0表明溫度低，作物不能生長;F=1表明溫度條件較好，非常適宜作物生長;B為一個常數，是由某一發育期內的三基點溫度決定的。

萊蕪生姜生長季為4—10月，根據生姜的4個主要生育期指標，利用F（t）函數構建了溫度適宜度模型，模型中各生育期參數的取值見表1。

1.3.2 ?生姜溫度適宜度指標的確立 ?基于數理統計方法，對2009—2018年各生育期內的日溫度適宜度進行排序，分別將日溫度適宜度序列中的前30%、中間40%和后30%作為不適宜、適宜和非常適宜的評價指標，具體見表2。

2 ?結果與分析

2.1 ?萊蕪生姜溫度適宜度特征

由表2看出，播種至出苗期溫度適宜最低，收獲期最高。播種至出苗期萊蕪正處于春末夏初，多冷空氣活動，氣溫變化幅度大，適宜度低，因此生產上采用地膜覆蓋來彌補熱量的不足。隨著氣溫的升高，適宜度升高，幼苗期至旺盛生長期萊蕪處于雨熱同行的季節，適宜度較高。收獲期隨著氣溫的降低，溫度適宜度表現為明顯的增加，數值由0.74升高到0.90。由圖1看出，生姜溫度適宜度收獲期>幼苗期>旺盛生長期>播種至出苗期。播種至出苗期受冷空氣影響，氣溫忽高忽低，溫度的變化導致此階段溫度適宜度的波動較大，因此溫度是影響生姜適時播種的主要氣象因子。

2.1.1 ?播種至出苗期 ?生姜的播種期應在安全生長期內，需在終霜后氣溫穩定在15℃以上時播種，播種太早，地溫低，熱量不足，播種后遲遲不能出苗，極易導致爛種或死苗;播種過晚，出苗遲，縮短了生長期，容易造成減產。萊蕪氣溫穩定通過15℃初日在4月25日，地膜覆蓋可提前10天，即生姜地膜覆蓋適宜播種期在4月15日前后。4月中下旬播種后，5月中旬開始出苗，因此將播種至出苗期定在4月20日—5月15日，播種至出苗期溫度適宜度從4月下旬開始計算。2009—2018年萊蕪生姜播種至出苗期溫度適宜度平均為0.38，最低適宜度出現在2010年（0.18），最高適宜度出現在2012年（0.59），其他年份在0.3～0.47之間。分析逐日溫度適宜度看出，4月下旬有些年份某日的溫度適宜度小于0，是因為4月下旬有倒春寒天氣發生，氣溫驟降，影響生姜的正常播種。該階段受低溫的脅迫作用，溫度適宜度較低，4月下旬的倒春寒天氣是播種至出苗期的主要氣象災害。

2.1.2 ?幼苗期 ?生姜出苗后從展葉開始到具有2個較大的側枝，即俗稱“三股杈”時期，為幼苗期結束的形態標志，約出現在5月16日—7月31日，這個時期生長速度比較慢，基本以主莖和根系生長為主，幼苗期所需的適宜日平均氣溫20～28℃。2009—2018年生姜幼苗期的溫度適宜度較高，平均為0.84，各年份變化幅度不大，變化比較平穩，數值介于0.81～0.87之間。幼苗期前期處于春末至初夏時期，部分時段出現高溫晴熱天氣，日平均氣溫超過30℃，日最高氣溫達35℃以上，中午前后氣溫高、光照強烈，受晴熱高溫天氣的脅迫作用，溫度適宜度為不適宜。因此生產上用插姜草遮陰，使姜草稍向北傾斜，使幼苗在花蔭狀態下[16]生長。

2.1.3 ?旺盛生長期 ?從三股杈以后（立秋前后），萊蕪生姜地上莖葉和地下根莖同時進入旺盛生長期，日平均氣溫在25～28℃莖葉生長較為適宜。萊蕪生姜旺盛生長期為8月上旬—9月下旬，2009—2018年該時期的溫度適宜度平均為0.74，波動不大，數值介于0.66～0.81之間。幼苗期后期至旺盛生長期處于盛夏季節，處于一年中最熱的時期，部分時段日平均氣溫超過30℃，日最高氣溫一般在34℃以上，雨熱同行，空氣濕度大，天氣濕熱，受濕熱高溫天氣的脅迫作用，生姜生長受到抑制，溫度適宜度為不適宜。高溫熱害是生姜幼苗期、旺盛生長期的主要氣象災害。

2.1.4 ?收獲期 ?生姜不耐0℃以下低溫，收獲期要在霜降前后，地上部分莖葉干枯時為宜。2009—2018年生姜收獲期的溫度適宜度最高，平均為0.90，波動不大，數值介于0.85～0.94之間。

2.2 ?萊蕪生姜生長季溫度適宜度的變化特征

研究表明，氣候變化使農業氣候資源發生變化，直接影響到農作物的氣候適宜度，并最終影響到作物的生長發育和產量[17]。受全球氣候變暖的影響，萊蕪的氣候資源也發生了明顯變化，引起生姜生長季溫度適宜度的變化。總體上看，2009—2018年生姜生長季溫度適宜度（年溫度適宜度）平均為0.72，2010年最低為0.65，2012年最高為0.76。年度變化呈線性增長的趨勢，2009—2018年線性增長率為0.08/10 a。不同的發育期溫度適宜度變化則存在差異，播種至出苗期、幼苗期、旺盛生長期溫度適宜度表現為上升趨勢，但變化幅度相差較大，2009—2018年線性增長率分別為0.2/10 a、0.05/10 a、0.1/10 a，播種至出苗期>旺盛生長期>幼苗期，收獲期沒有明顯線性擬合趨勢。由圖1～2看出，生姜整個生長季溫度適宜變化在2013年后趨于平穩，波動情況與播種至出苗期相似。由此可知，近10年來氣候變化對萊蕪生姜播種至出苗期的溫度適宜度有明顯的影響，反映出近年來溫度年際變化較大，進一步說明在氣候變暖的背景下，隨著春季溫度的升高，熱量逐步增加，溫度適宜度逐漸升高，為生姜適時早播提供了熱量基礎。幼苗期溫度適宜可以增加地上莖葉光合產物的制造和積累，旺盛生長期溫度適宜可促進光合產物向塊莖的運輸，利于塊莖膨大和干物質積累，對產量起到至關重要的作用。同時使生姜遭受高溫熱害的風險降低，對生姜的分枝和姜塊膨大均十分有利。生姜生長季溫度適宜度2009—2013年波動明顯，溫度適宜度負距平多，2014年后變化平穩，正距平多，說明溫度的變化使生姜生長季的溫度適宜程度升高，對生姜生長發育有一定的積極作用。

3 ?萊蕪生姜度溫度適宜度評價指標的驗證

為驗證生姜溫度適宜度指標是否合理適用，選取3個發育期間的氣候特殊年份進行驗證。如2010年生姜播種至出苗期，溫度適宜度為0.18，評價為不適宜，主要是因為2010年4月中下旬出現階段性低溫，下旬平均氣溫比常年偏低4.4℃，最低氣溫只有3.6℃，影響生姜的正常播種。2011年旺盛生長期溫度適宜度為0.66，評價為不適宜，因為2011年生姜旺盛生長期間，8、9月氣溫一直偏低，8月上中旬、9月中下旬多陰雨天氣，光照不足，不適宜生姜生長。2018年播種至出苗期溫度適宜度為0.47，評價為適宜，分析得知，4月下旬至5月中旬氣溫偏高，日照充足，降水適宜，有利于生姜的播種和出苗。通過生姜發育期間的氣候實況和溫度適宜度評價指標相吻合的驗證，可以得出溫度適宜度評價指標合理，適于萊蕪生姜的溫度適宜性評價。

4 ?結論與討論

當前農業氣候學和農業氣象學的主要研究方向之一就是建立農業氣候適宜性評價模型[18]，筆者利用溫度適宜度模型定量評估分析萊蕪溫度變化對生姜生長發育的影響，得出萊蕪的溫度條件能夠滿足生姜各生育期的需求的結論。生姜4個生育期溫度適宜度表現為收獲期>幼苗期>旺盛生長期>播種至出苗期，溫度的不利影響[19]主要表現在生姜生產前期，播種至出苗期受低溫的脅迫作用，溫度適宜度較低;進一步驗證了溫度是影響生姜適時播種的主要氣象因子。幼苗期、旺盛生長期溫度適宜度高，但受夏季高溫熱害的影響，部分時段溫度適宜度不適宜，高溫熱害過程常伴隨干旱的發生[20]，高溫、高濕條件下病蟲害的發生也會加劇[21]。有的年份高溫和干旱脅迫同時出現，嚴重影響了生姜的產量和品質。這些研究表明，春季的倒春寒和夏季的高溫熱害對生姜的不利影響較明顯，因此生產上采用地膜覆蓋來彌補播種至出苗期熱量的不足;用插姜草來抵御高溫熱害和強光脅迫。

農業是對氣候變化最敏感的領域之一[22]，氣候暖干化對農作物的各生理過程產生較大影響[23]。在全球氣候變暖的背景下，萊蕪生姜關鍵生育期及整個生長季溫度適宜度都呈現上升趨勢，尤其是播種至出苗期溫度適宜度上升趨勢最明顯。表明氣候變暖提高了萊蕪生姜全生育期溫度適宜度，降低了生姜生產風險[24]。

大多數作物對溫度較為敏感，過高或過低的溫度對作物的生長發育均不利[25]，因此溫度是造成生姜各發育期溫度適宜度差異的主要因子[26]，本研究建立了日尺度的溫度適宜度模型，確定了評價指標，生姜發育期間的氣候實況和氣候適宜度評價指標相吻合的驗證，說明溫度適宜度評價指標合理，能夠定量評估溫度變化對生姜生長發育的影響。但所用溫度適宜度時間序列短，研究成果有一定的局限性，今后還將繼續深入研究。

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