引言

农业是对气候变化较为敏感的领域之一。IPCC的5次评估报告均显示，气候变化对农业生产造成的影响清晰可辨。量化气候变化对农业生产影响已成为农业生产可持续性研究的重点和热点领域。IPCC第五次评估报告指出，19世纪末期以来的全球变暖是毋庸置疑的，1880—2012年全球平均地表温度升高了0.85 ℃，21世纪末全球平均温度将会在现有水平上升高0.3 ~ 4.8 ℃^[1]。气候条件是作物产质形成和农业技术能否有效实施的一个重要限制因素，烤烟生产也不例外。气温升高以及随之改变的降水、光照等气象要素，将会直接影响烤烟的生长发育以及烤后烟叶不同物质积累和化学成分变化，进而决定烟叶特色风格和品质优劣^[2-4]。不少学者针对气候要素与烤烟化学成分之间的联系进行了研究^[5-8]。汪孝国等^[5]研究认为三门峡烤烟还原糖含量与6月均温呈显著正相关，与8月日照时数呈显著负相关；总氮含量与7月日照时数呈显著负相关；钾含量与8月日照时数呈显著负相关；氯含量与6月降水呈显著负相关。杨军杰等^[6]研究认为，中国浓香型烤烟钾含量与多个温度指标呈极显著负相关，其中与旺长期日均温的相关系数最大，与各个时期降水量呈极显著正相关；氯含量与各个时期的降水量呈极显著负相关。陈伟等^[7]研究发现，在中国北方烟区影响烟叶化学成分的主导因子为相对湿度、气温日较差和10 cm地温。戴冕^[8]研究认为，中国主产烟区光照因素与烟叶还原糖积累呈显著负相关，雨湿因素与烟碱的积累呈极显著正相关。可以看出，不同烟区影响烟叶质量的关键气候因子具有差异。也有学者研究了气候要素变化对烤烟化学品质的影响^[9-10]。李亚男等^[9]研究认为平顶山烟区8月昼夜温差的减小、7月降水量的增多有利于烟叶中总糖和还原糖含量的提高，而不利于烟碱和总氮含量的提高；8月昼夜温差的增大、日照时数的减少，有利于钾氯比的提高。黄中艳^[10]研究认为未来气候趋势变化对烟叶品质风格特点影响小、有利效应略大于不利影响。

河南省地处北亚热带到暖温带过渡地带，气候特征为大陆性季风气候。全省各地年平均气温在12.3 ~ 15.8 ℃之间，年均降水量在516.6 ~ 1294.1 mm之间，主要集中在夏季(6—8月)，占全年的54%，年均日照时数为1733 ~ 2368 h。气候资源条件适宜于烤烟种植，统计资料显示，2014年河南省烤烟种植面积达12.4万hm²，总产量为29.67万t，占全国烤烟总产量的11%^[11]。许昌、三门峡、洛阳、驻马店、南阳、平顶山、周口、信阳和漯河等9个地市烤烟种植面积较大，为河南烤烟主产地区。在气候变暖背景下，1961—2015年河南省年平均气温增温显著，其升温速率为0.16 ℃ /10a，低于中国同期平均水平。未来河南省平均气温仍呈上升趋势^[12]。由于烟草生产在很长一段时期内仍无法摆脱对气候条件的依赖，因此，利用完备的气候资料和烤烟烟叶主要化学成分数据，明确影响烟区烤烟化学品质的主导气候因子，探讨未来气候变化下改变的光、温、水等农业气候资源变化对河南烟区烤烟化学品质可能的影响，可为河南烟区烤烟生产积极应对气候变化带来的影响提供理论依据。

1 数据与方法 1.1 基础数据 1.1.1 化学成分数据

本研究使用的河南烟区烤烟中部叶化学成分数据主要来源于中国烟草科教网^①，包括河南植烟区9个地市(表 1)，研究时段在2003—2012年之间，有效样本数共105个，品质指标包括还原糖、总氮、总碱、淀粉、钾和氯。化学成分含量的比值是反映烟叶化学组分及其协调性的重要内容，钾氯比、糖碱比和氮碱比由上述相关品质指标推算得出。

① 数据来源于http://sjk.ztri.com.cn/tobacco/yccx/。

本研究采用烟碱、总氮、还原糖、钾、淀粉含量、糖碱比值、氮碱比值、钾氯比值等8项指标作为烤烟化学成分协调性的评价指标，各指标权重依次为0.17、0.09、0.14、0.08、0.07、0.25、0.11、0.09^[13]。各指标均以公认的最适范围为100分，高于或低于该最适范围依次降低分值，具体的档次及赋值见表 2。以指数和法(将各指标得分乘以相应权重加在一起得到化学成分协调性状况评分，用于综合评价烤烟化学品质的优劣)确定化学成分协调性状况。

1.1.2 气象数据

研究所用的气象数据来自河南省气候中心，包括逐日的降水量(mm)、平均气温(℃)、最高气温(℃)、最低气温(℃)、日照时数(h)以及相对湿度(%)等，太阳总辐射(R_a，MJ/m²)利用日照时数推算得到^[14]，基于以上这些要素计算了不同生育时段(伸根期、旺长期、成熟期和大田37˚N 36˚N 35˚N 34˚N 33˚N 32˚N与化学品质指标对应的气象站太阳总辐射观测站气象站地区36˚N 35˚N 34˚N 33˚N 32˚N期)与烤烟生长密切相关的温热因素、水湿因素和光照因素。其中，温热因素包括≥ 10 ℃活动积温(AT₁₀，℃·d)、日平均气温≥ 20 ℃日数(N₂₀，d)、平均气温(T_mean，℃)、最高气温(T_max，℃)、最低气温(T_min，℃)、气温差(DTR，℃，通过最高气温和最低气温之差获得)和高温日数(N₃₅，d，日最高气温≥ 35 ℃)；水湿因素包括降水量(P，mm)、降水日数(P_d，d，日降水量≥ 0.1 mm)和相对湿度(RH，%)；光照因素为太阳总辐射(R_a，MJ/m²)。气象站点的空间分布见图 1。

气候变化预估数据是由国家气候中心提供的使用区域气候模式RegCM4在全球模式BCC_CSM1.1驱动下的模拟结果，其气象要素包括逐日的最高气温、最低气温、平均气温、降水量和太阳总辐射，其他相关要素亦由上述日资料数据推算得到。气候变化情景为IPCC第五次评估报告(AR5)融入政策因素的代表性浓度路径(Representative Concentration Pathways, RCP)RCP4.5和RCP8.5情景^[15-17]，其中，RCP8.5情景是全球最高的温室气体排放情景，2100年辐射强迫上升至8.5 W/m²，该情景假定人口多、技术革新率不高、能源改善缓慢，导致长时间高能源需求及高温室气体排放，而缺少应对气候变化的政策；RCP4.5情景考虑了与全球经济框架相适应的、长期存在的全球温室气体和生存期短的物质的排放，采用低端排放基准和中等减缓措施，2100年辐射强迫稳定在4.5 W/m²。

1.2 分析方法 1.2.1 太阳总辐射的计算

本研究采用王雅婕^[14]针对中国区域模拟效果较好的太阳总辐射日总量模型模拟Ra。

$ {{R}_{\rm{a}}}=({{a}_{s}}+{{b}_{s}}\times \frac{S}{N})\times R。$

(1)

式中，a_s和b_s为以日为步长进行模拟的回归系数；S为实际日照时数，h；N为最大可照时数，h；R为宇宙辐射，MJ/(m²·d)，其值由太阳入射角和地球大气状况决定。

$ {{a}_{s}}=\left\{ \begin{matrix} 2.59\times {{10}^{-2}}\Delta T\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ S=0 \\ 0.22+10.6\times {{10}^{-3}}\Delta T\ \ \ S>0 \\ \end{matrix} \right.; $

(2)

$ \begin{align} {{b}_{s}}=&0.62-0.20\cos \varphi +4.11\times {{10}^{-5}}Z- \\ &1.68\times {{10}^{-2}}\cos[(\frac{t}{12}+0.072)\times 2{\rm{\pi }}] \\ \end{align} $

(3)

式中，Z为海拔高度，m；$\Delta T$为温度日较差，℃；$\varphi $为纬度，°；t为月份。

1.2.2 统计方法

利用Microsoft Excel和SPSS统计软件，应用2003—2012年河南烟区4个代表站(南阳、三门峡、信阳和许昌)和全区64个站平均的观测数据，分析了研究时段烤烟伸根期、旺长期、成熟期和大田期的44个主要气候因子的变化趋势；基于河南烟区9个地市中部叶主要化学成分数据(n=105)对其统计特征进行了分析；采用河南烟区9个地市中部叶主要化学成分数据及其与之相对应的伸根期、旺长期、成熟期和大田期44个主要气候因子，首先分析了河南烟区烤烟主要化学品质指标的统计特征，之后采用相关分析方法，建立烟草化学品质指标和气候因子间的回归方程，并利用未来气候情景预估了主导气候因子的变化趋势及其可能的影响。

由于河南各地气候条件具有差异，因而烤烟在各地的生长发育期起止日期略有差异。本研究中洛阳和三门峡2个地市烤烟大田生长期为5月10日—9月20日，其中，5月10日—6月20日为伸根期，6月21日—8月10日为旺长期，8月11日—9月20日为成熟期；其余地市大田期为5月1日—8月31日，其中，5月1日—6月10日为伸根期，6月11日—7月20日为旺长期，7月21日—8月31日为成熟期；同时假定未来气候变化下各地烤烟生育期时段的划分不变。

2 结果 2.1 2003—2012年烟区气候要素的变化特征

本文利用河南烟区内3个太阳总辐射观测站固始站(32.2°N，115.6°E，42.9 m，1961—2013年)、漯河站(33.6°N，114.1°E，58.7 m，1962—1990年)和南阳站(33.0°N，112.6°E，129.2 m，1992—2013年)太阳总辐射逐日观测资料，对本研究中应用到的太阳总辐射模型进行了验证，计算了逐年烤烟伸根期、旺长期、成熟期和大田期太阳辐射模拟值和观测值，对比分析显示(图 2)，两者存在极显著的正相关关系(r²= 0.972，n= 412，P＜0.01)，说明使用该模型计算河南烟区烤烟生育期太阳总辐射模型具有较高的可信度。

由表 3可以看出，2003—2012年河南烟区大田期温热要素和光照因素增加但并不显著，而水湿要素(降水量、降水日数和相对湿度)呈显著减少。3个生育阶段，温热要素以增加为主但仅有成熟期的气温日较差(P < 0.01)和最高气温(P < 0.05)的变化趋势达显著水平；水湿因素均减少，特别是旺长期和成熟期的降水日数和相对湿度，下降趋势明显；光照因素表现出伸根期和旺长期减少、成熟期增加，但均未通过显著性检验。从总体上看，南阳、三门峡、信阳和许昌4个代表站各气候要素的变化趋势与烟区总体平均的变化趋势具有一致性。

2.2 烟区烤烟中部叶主要化学品质指标的统计特征

从表 4可以看出，河南烟区烤烟中部叶8个化学品质指标间以钾氯比变异系数最大，为73.0%；以总氮变异系数最小，为11.4%；烤烟中部叶化学品质协调性综合评分为86.23，变异系数仅为7.0%。与巴西和津巴布韦烟区化学成分相比(表 4)，河南烟区烤烟还原糖含量和糖碱比较高，钾含量和钾氯比较低，烟碱含量接近，总氮含量与津巴布韦烟区接近，低于巴西烟区，氮碱比高于津巴布韦烟区，低于巴西烟区。从总体上看，河南烟区各地市烤烟化学成分含量多在优质烟叶的适宜范围内，烤烟化学品质协调性较好。

2.3 烟区烤烟中部叶主要化学品质指标和气候要素的回归分析

本研究以气候因子为自变量，烤烟中部叶主要化学成分及其协调性评分作为因变量，采用多元逐步回归分析方法建立统计模型，着重分析烤烟主要化学指标及其协调性评分与44个气候要素之间的关系，并将通过显著性检验的气候因子引入回归方程。统计结果显示(表 5)，烤烟中部叶主要化学指标受气候要素的综合影响，不同指标间具有差异。从单一气候要素贡献率来看(表 5、图 3)，伸根期太阳总辐射是影响烟碱和氮碱比的主要气候因素，并且其与烟碱呈显著负相关，与氮碱比呈显著正相关；旺长期相对湿度是影响总氮和钾氯比的主要气候因素，并且其与总氮呈显著负相关，与钾氯比呈显著正相关；大田期降水日数是影响淀粉含量的主要气候要素，呈显著正相关；伸根期高温日数是影响糖碱比的主要气候因素，呈显著正相关；旺长期高温日数是影响钾的主要气候因素，呈显著负相关；成熟期最低气温是影响还原糖含量的主要气候因素，呈显著负相关；旺长期太阳总辐射是影响化学成分协调性评分的主要气候因素，呈显著负相关。

2.4 烟区烤烟中部叶主导气候要素的未来变化趋势及其可能的影响

上述分析明确了影响河南烟区烤烟化学品质指标的气候要素，并建立了二者间的关系模型，在此基础上，本研究着重分析主导气候要素的未来变化趋势，并对其可能的影响进行初步预测。表 6和图 4显示，未来气候变化下，河南烟区烤烟还原糖含量的主导气候因子成熟期最低气温呈显著上升，钾含量的主导气候因子旺长期高温日数呈显著增加，糖碱比的主导气候因子伸根期高温日数呈显著增加，化学成分协调性评分的主导气候因子旺长期太阳总辐射呈显著增加，并且两种情景下，均以RCP8.5情景下主导气候要素的变化速率较大；这说明，从主导气候要素的变化趋势看，未来气候变化下，还原糖和钾的含量将显著下降，糖碱比将显著上升，化学成分协调性评分将显著下降，两种情景之间，均以RCP8.5情景下影响较大。除上述4个指标外，其余5个化学成分指标对应的主导气候因子均未表现出明显的线性变化趋势，但相对于气候基准期平均值，在2050年代和2070年代也有明显增加或减少的趋势。从总体上看，未来气候变化下，烟碱和淀粉的含量以及钾氯比呈年代间增加，而总氮含量和氮碱比呈年代间下降。

3 结论与讨论

2003—2012年，河南烟区大田期温热要素和光照因素增加，但并不显著，水湿要素呈显著减少；3个生育阶段，温热要素以增加为主，但仅有成熟期气温日较差和最高气温的变化趋势达显著水平；水湿因素均减少，特别是旺长期和成熟期的降水日数和相对湿度，下降显著；光照因素表现为伸根期和旺长期减少、成熟期增加，但均不显著。河南烟区烤烟中部叶主要化学品质指标受气候要素的综合影响，不同指标间其影响的主导气候因子具有差异。伸根期太阳总辐射是影响烟碱和氮碱比的主要气候因素，并且其对烟碱的贡献为负，对氮碱比的贡献为正；旺长期相对湿度是影响总氮和钾氯比的主要气候因素，并且其对总氮的贡献为负，对钾氯比的贡献为正；伸根期高温日数是影响糖碱比含量的主要气候因素，对其贡献为正；旺长期高温日数是影响钾的主要气候因素，对其贡献为负；成熟期最低气温是影响还原糖含量的主要气候因素，对其贡献为负；大田期降水日数是影响淀粉含量的主要气候因素，对其贡献为正；旺长期太阳总辐射是影响综合评分的主要气候因素，对其贡献为负。

未来气候变化下，河南烟区烤烟还原糖和钾的含量将显著下降，糖碱比将显著上升，化学成分协调性评分将显著下降，两种情景之间，均以RCP8.5情景下影响较大。需要指出的是，未来气候变化对河南烟区烤烟化学品质指标的影响预测结果还具有一定的不确定性，主要来源于以下3个方面。(1)气候变化预估数据的不确定性。尽管相比全球气候模式，区域气候模式对区域气候模拟表现出明显的优势，并且已较过去有较大程度的完善，但其对类似本文研究的局地尺度上的数据预估仍存在不确定性，特别是在模拟未来诸如高温等极端气候事件变化时的不确定性更大^[19-21]。(2)基于主导气候要素的烤烟化学品质指标统计模型的不确定性。烤烟化学品质是气候、土壤、田间管理等多种因素共同决定的，而本研究只选取了气候因子的部分指标与烟叶中的主要化学品质指标建立了线性相关的统计模型，导致建立的模型虽然相关性达显著或极显著水平，但相关系数不高，因此应用该模型预测未来气候变化可能的影响具有一定的不确定性。(3)影响预测过程的不确定性。本研究从宏观研究的角度出发，在研究过程中假定未来气候变化下的烤烟生育期保持不变，而这与未来的农业生产实际情况相比，也必然存在一定差异，这使得影响预测结果的不确定性进一步增加。在下一步研究中，可通过在应用区域气候模式预估数据时进行误差修订、增加除气候因素外的其他影响因子、利用生育期与历史积温的关系推算未来烤烟生育期等方法，以最大限度地降低研究结果的不确定性。