基于日尺度模型的貴州辣椒關(guān)鍵生育期氣候適宜度評價

楊 益， 于 飛， 陳貞宏， 肖 若， 張東海， 肖 俊

(1.安順市氣象局， 貴州 安順 561000； 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所， 貴州 貴陽 550002； 3.貴州省氣候中心， 貴州 貴陽 550002)

0 引言

【研究意義】辣椒(CapsicumannuumL)為茄科辣椒屬一年或有限多年生草本植物，原產(chǎn)于中拉丁美洲熱帶地區(qū)的墨西哥[1]。我國辣椒種植面積133萬hm2，產(chǎn)量近2 800萬t，產(chǎn)值700億元；貴州辣椒種植面積達(dá)33.33萬hm2左右，占全國的24.6%，居全國首位，其產(chǎn)量和產(chǎn)值分別占全國的17.4%和20.8%[2-3]。辣椒產(chǎn)業(yè)是貴州特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，是山區(qū)農(nóng)民增收致富的主要經(jīng)濟(jì)作物。辣椒氣候適宜度是綜合反映光、溫、水等氣象條件對辣椒生長發(fā)育的適宜程度。【前人研究進(jìn)展】目前對辣椒的研究多集中于不同基質(zhì)[4]、不同配方營養(yǎng)液[5]和不同育苗方式[6]等對辣椒幼苗生長及辣椒產(chǎn)量的影響，以及辣椒各種病蟲害的檢測、影響和防控等[7-9]方面。國內(nèi)也有不少學(xué)者對辣椒生長發(fā)育的氣象條件進(jìn)行研究，于飛等[10]通過5期分期播種試驗分析辣椒各生育期的適宜氣象條件后得出辣椒種植的適宜生長時段。張遠(yuǎn)洪等[11]分析了遵義市辣椒與生長期主要氣象因子的相關(guān)性。崔婷茹等[12]分析了農(nóng)業(yè)氣象條件對辣椒栽培的影響。馬洪亮等[13]分析了阜康市農(nóng)業(yè)氣候資源及辣椒生長對氣候條件的要求。以上研究表明，光、溫和水等氣象條件是影響辣椒生長發(fā)育的主要氣象因子。辣椒屬喜溫蔬菜，育苗至移栽期一般20 d左右，種子發(fā)芽適宜溫度25～30℃，溫度<15℃或≥35℃對辣椒生長不利，甚至導(dǎo)致其停止生長。7—9月是辣椒開花掛果至紅熟期，歷時3個月左右，是影響辣椒品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵時期，最適溫度為20～27℃。果實發(fā)育和轉(zhuǎn)色期的最適溫度為25～30℃，氣溫超過35℃易落花落果[14]。【研究切入點】氣候?qū)苯酚绊懷芯慷嗉性诶苯窔夂蜻m宜性指標(biāo)及氣候適宜性區(qū)劃方面[14-20]，時間尺度多為辣椒各發(fā)育期、整個生長季或月尺度，以上時間尺度均為影響因子的一種平均態(tài)，且其研究方法具有一定的局限性，不能較好地規(guī)避關(guān)鍵發(fā)育期中短時災(zāi)害天氣對辣椒產(chǎn)量的影響，同時大多數(shù)研究未能定量地評價影響辣椒生長發(fā)育的氣象因子。因此進(jìn)行辣椒日尺度的氣候適宜度研究顯得尤其重要。【擬解決的關(guān)鍵問題】由于關(guān)鍵發(fā)育期中短時災(zāi)害天氣對辣椒產(chǎn)量的影響至關(guān)重要，日尺度模型能較好的規(guī)避氣候適宜性評價與實際不符的現(xiàn)象，能定量地詮釋辣椒生長的氣候適宜度狀況。因此，參考武晉雯等[21]的研究成果，利用貴州省84個地面氣象觀測站提供的1981-2019年7-9月逐日觀測數(shù)據(jù)，采用幾何平均法系統(tǒng)構(gòu)建以日平均氣溫、日降水量和日照時數(shù)為影響因子的辣椒關(guān)鍵生育期氣候適宜度日尺度模型，客觀定量評價貴州省辣椒種植氣候適宜性，以期為貴州辣椒的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和因地制宜進(jìn)行合理區(qū)劃提供農(nóng)業(yè)氣象技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省(N24°37'～29°13'，E103°36'～109°35')位于我國西南部的云貴高原東麓和亞熱帶低緯高原山區(qū)內(nèi)，境內(nèi)地勢西高東低，平均海拔1 100 m左右，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。貴州省氣候資源非常豐富，1981-2019年7-9月的平均氣溫為23.21℃，降水量為410.3 mm，日照時數(shù)為454.3 h，全省大部分地區(qū)均適宜種植辣椒。

1.2 資料來源

貴州省84個氣象站點1981-2019年7-9月的日平均氣溫、日降水量(20：00至翌日20：00)、日照時數(shù)、每日日出時間及日落時間，均來源于貴州省氣象局。辣椒氣候適宜性指標(biāo)選取參考陳芳等[14，19]的研究成果。

1.3 研究方法

選取1981-2019年7-9月的日氣候資料，建立綜合氣候適宜度日尺度模型，對辣椒開花掛果到紅熟期進(jìn)行分析研究。

1.3.1 辣椒的溫度適宜度、降水適宜度和日照適宜度 根據(jù)相關(guān)研究成果[22-24]，構(gòu)建辣椒的日尺度溫度、降水和日照模型。

(1)

(2)

(3)

式中，S(T)為逐日溫度適宜度，B為中間參數(shù)，T為(某)日平均氣溫，Tmin、Tmax、T0分別為辣椒生長發(fā)育所需的下限溫度、上限溫度和適宜溫度(即三基點溫度)。當(dāng)T≤Tmin或T≥Tmax時，令S(T)=0；當(dāng)T=T0時，S(T)=1。S(R)為逐日降水適宜度，R為(某)日的降水量(mm)，R0為適宜日平均降水量。S(S)為逐日日照適宜度，S0為適宜日照時數(shù)，表明辣椒對光照條件達(dá)到適宜的狀態(tài)，b為經(jīng)驗常數(shù)，b=0.538S0+0.013。基于Visual Studio 2015的C#編程平臺，利用1981-2019年的7-9月日平均氣溫、日降水量、日照時數(shù)、每日日出時間和日落時間數(shù)據(jù)，采用lambda表達(dá)式數(shù)組計算方法，根據(jù)公式(1)～(3)計算辣椒的溫度適宜度、降水適宜度和日照適宜度值。

1.3.2 辣椒綜合氣候適宜度日尺度模型 參考陳芳等[14，19]的研究成果選取辣椒種植不同生育期氣象條件及氣候適宜度指標(biāo)，以此確定公式(1)～(3)中的Tmin、Tmax、T0、R0和S0。為了表達(dá)溫度、降水、日照等多氣象要素對辣椒生長的綜合影響，以溫度、降水、日照適宜度日尺度模型為基礎(chǔ)，利用幾何平均法，建立綜合(即氣候)的適宜度日尺度模型[25]；并基于ARCGIS 10.2制作溫度、降水、日照及綜合氣候適宜度日尺度的空間分布專題圖。

(4)

式中，S為逐日的氣候適宜度。通過計算貴州省84個氣象站的辣椒氣候適宜度日尺度，并以各站平均值代表貴州省辣椒氣候適宜度日尺度。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省辣椒氣候適宜度日尺度平均值

通過計算貴州省84個氣象站的辣椒氣候適宜度日尺度發(fā)現(xiàn)，1981-2019年的7-9月，貴州辣椒生長期(7-9月)內(nèi)總體上氣候適宜度較高，達(dá)0.76。其中，以溫度適宜度最高(0.89)，降水適宜度次之(0.75)，日照適宜度最低(0.65)。說明，貴州省適宜的熱量資源、降水條件和日照時數(shù)，均能較好地滿足辣椒生長發(fā)育對氣象條件的需求。

2.2 貴州省辣椒氣候適宜度日尺度的時間分布特征

從圖1看出，1981-2019年7-9月辣椒生長期溫度、降水、日照和氣候等適宜度日尺度的時間分布。

2.2.1 溫度 溫度適宜度總體呈緩慢略先降后升再降趨勢，變化較平緩，在7月1日至9月13日普遍在0.89以上，8月25日至9月2日連續(xù)9 d均為1，此時期正好滿足辣椒不斷分枝、開花結(jié)果及果實發(fā)育、轉(zhuǎn)色對溫度條件的需求；至9月18日開始下降，9月22-30日，除9月24-25日外，僅有7 d在0.6以下。說明，貴州充足的熱量條件特別適合辣椒的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

2.2.2 降水 降水適宜度呈波動變化狀態(tài)，從7月1日至8月24日波動幅度較小，適宜度普遍較高，均在0.66以上。表明，研究期內(nèi)有2/3左右時段的降水條件特別適合辣椒的生長發(fā)育，之后呈波動緩慢下降趨勢，波動幅度較大，甚至在9月15日出現(xiàn)最低值(為0.32)。8月底開始為貴州的少雨季，與出現(xiàn)低值相呼應(yīng)，此時應(yīng)加強肥水管理，進(jìn)行合理灌溉，維護(hù)莖葉的正常生長，延緩衰老，延長結(jié)果期，即可提高辣椒的產(chǎn)量。

2.2.3 日照 相對溫度和降水適宜度而言，日照適宜度波動較大，出現(xiàn)兩頭低、中間高的變化趨勢。7月1-9日在0.37以下，9月26-28日適宜度接近0；7月27日出現(xiàn)最高值，為0.98，與7月初貴州多雨寡照和9月多秋綿雨天氣有關(guān)，但大部分時間均在0.5～0.9，適宜的日照時數(shù)完全能滿足辣椒的生長發(fā)育。

2.2.4 綜合氣候 綜合氣候適宜度逐日變化在7月1-10日呈明顯上升趨勢，之后至8月31日維持穩(wěn)定波動在0.64以上，9月1日開始呈下降趨勢。說明，進(jìn)入涼爽少雨的秋季后，適宜度有所下降，但此時正值辣椒的采收期，對辣椒的生長發(fā)育已無較大影響，此時可通過加強肥水管理和病蟲害防治，延緩衰老，延長結(jié)果期，進(jìn)而提高辣椒的產(chǎn)量。在研究期內(nèi)有2/3左右時段的氣候條件都較適宜辣椒的優(yōu)質(zhì)優(yōu)產(chǎn)。

2.3 貴州省辣椒氣候適宜度日尺度的空間分布特征

從圖2看出，1981-2019年7-9月辣椒生長期溫度、降水、日照和氣候等適宜度日尺度的空間分布。

圖2 貴州辣椒生長季7-9月溫度、降水、日照及氣候適宜度日尺度的空間分布

2.3.1 溫度 辣椒溫度適宜度呈邊緣向中間逐漸升高的趨勢，以貴州北部至中部一線到西南部、黔東南州大部為最適宜區(qū)；東北部、南部(西南部除外)邊緣、赤水、西北部畢節(jié)大部到盤州南部、普安、晴隆為適宜區(qū)；水城、盤州北部、赫章西部為較適宜區(qū)；威寧為次適宜區(qū)，該地高海拔，導(dǎo)致熱量條件少。

2.3.2 降水 降水適宜度呈從東部向西部逐漸升高趨勢，其中，最適宜區(qū)出現(xiàn)在安順、黔西南東部、畢節(jié)南部、水城、都勻、丹寨、荔波、赤水等市縣，適宜等級以上的區(qū)域主要集中在貴州西部及西南部一帶，次適宜區(qū)主要出現(xiàn)在東部一帶，其余為適宜至較適宜區(qū)。

2.3.3 日照 日照適宜度呈由西向東逐漸升高趨勢，次適宜區(qū)出現(xiàn)在威寧、赫章、水城、盤州北部、長順等地；貴州省的東部、中北部及西南部一帶在適宜等級以上；以遵義西部、銅仁和黔東南東部、黔西南南部等地區(qū)為最適宜區(qū)。

2.3.4 綜合氣候 綜合氣候適宜度的分布和溫度適宜度的分布類似，只是最適宜范圍有所擴(kuò)大，除威寧為次適宜區(qū)，水城及其周邊少部分區(qū)域為較適宜區(qū)外，其余大部均為適宜以上，且適宜以上等級面積占比超90%，表明，貴州全省除西部邊緣外，其余均適合種植辣椒，與貴州辣椒種植面積居全國首位相符合。

3 討論

應(yīng)用辣椒綜合氣候適宜度日尺度模型可實現(xiàn)辣椒生長發(fā)育期氣象條件的定量評價，進(jìn)而實現(xiàn)辣椒生長期的動態(tài)評估和管理。目前的研究多集中在辣椒氣候適宜性指標(biāo)及氣候適宜性區(qū)劃方面，時間尺度多為辣椒各發(fā)育期、整個生長季或月尺度，以上時間尺度均為影響因子的一種平均態(tài)，且其研究方法具有一定的局限性，不能較好地規(guī)避關(guān)鍵發(fā)育期中短時災(zāi)害天氣對辣椒產(chǎn)量的影響，同時大多數(shù)研究未能定量地評價影響辣椒生長發(fā)育的氣象因子。因此進(jìn)行辣椒日尺度的氣候適宜度研究顯得尤其重要。

在計算過程中發(fā)現(xiàn)，辣椒氣候適宜性指標(biāo)的選取非常關(guān)鍵，不同品種、不同生育期辣椒的氣候適宜度指標(biāo)有所不同，而目前對不同品種辣椒氣候適宜性指標(biāo)的研究還比較少，指標(biāo)評價體系不是特別成熟，氣象指標(biāo)還需要在以后的試驗和生產(chǎn)實踐中不斷深入研究和完善。該研究僅選取7—9月辣椒開花掛果到紅熟期為研究期，今后將不斷完善辣椒適宜性指標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)辣椒全生育期的氣候適宜度研究，從而實現(xiàn)辣椒全生育期的動態(tài)評價和管理，為辣椒的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供技術(shù)支持，助推貴州經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。

4 結(jié)論

在分析貴州省辣椒關(guān)鍵生育期內(nèi)的日尺度溫度適宜度模型、降水適宜度模型和日照適宜度模型的基礎(chǔ)上，利用幾何平均法建立綜合氣候適宜度日尺度模型。該模型能夠客觀定量地反映貴州辣椒生長期(7-9月)的氣候條件及對辣椒生長發(fā)育的影響。總體上，辣椒生長期氣候適宜度為0.76，其中溫度和降水適宜度均在0.70以上，日照適宜度達(dá)0.65。氣候適宜度逐日變化在7月1-10日呈明顯上升趨勢，之后至8月31日維持穩(wěn)定波動在0.64以上，9月1日開始呈下降趨勢，整個生長期的氣候條件有2/3左右時段在均較適宜辣椒的優(yōu)質(zhì)優(yōu)產(chǎn)種植。辣椒關(guān)鍵生長期氣候適宜度日尺度的空間分布總體上表現(xiàn)為貴州大部地區(qū)呈適宜及以上等級，且適宜及以上等級面積占比超90%，與氣溫適宜度相似；不同之處在于降水適宜度在適宜及以上等級主要分布在省的西南地區(qū)，而日照適宜度適宜及以上等級主要分布在東北地區(qū)。