基于气候适宜度的橡胶树产胶年景预测模型
刘少军 佟金鹤 陈小敏 李伟光
摘 要：为准确评估不同橡胶树种植区的年产胶潜力的变化，根据2000—2015年遥感和气候数据，分别建立了橡胶产量气象影响指数和橡胶树气候适宜性指数序列，通过统计分析和利用ArcGIS空间分析功能，研发了基于年综合气候适宜度指数的橡胶树产胶年景评估模型，模型空间分辨率1 km×1 km，实现了橡胶树种植区产胶潜力精细化评估，克服了传统意义上依靠单站数据预测橡胶产胶年景的缺陷。结果表明：该模型实现了依靠气候数据客观、定量预测种植区橡胶树在不同区域的年产胶能力变化，能从宏观上区分不同区域的差异，为橡胶树精细化气象决策服务提供技术支撑。
关键词：气候适宜度;产胶潜力;预测模型;橡胶树
中图分类号：P49;S794.1 文献标识码：A
Prediction Model of Annual Rubber Potential Productivity Based on Climatic Suitability
LIU Shaojun， TONG Jinhe， CHEN Xiaomin， LI Weiguang
Hainan Institute of Meteorological Science / Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province， Haikou， Hainan 570203， China
Abstract：
In order to accurately evaluate the change of rubber potential productivity in the rubber tree planting areas， the meteorological impact index of rubber production and rubber tree climatic suitability index were established respectively based on the remote sensing and climate data from 2000 to 2015. Prediction model of annual rubber potential productivity based on climatic suitability was developed by the statistical analysis and ArcGIS spatial analysis function， the spatial resolution of the model was 1 km × 1 km， which realized the refined evaluation of rubber potential productivity， and overcome the defect of relying on single station data to predict rubber productivity. The results showed that the model can objectively and quantitatively predict the rubber production capacity in different regions based on climate data， and can distinguish the differences in study regions from a macro perspective， which can provide the rubber refinement meteorological decision-making service.
Keywords：
climatic suitability; potential productivity; prediction model; Hevea brasiliensis
DOI：
10.3969/j.issn.1000-2561.2021.04.035
天然橡膠是我国热带地区重要支柱产业，气候因子是影响橡胶树种植及产量的关键因素之一[1-2]，橡胶生产易受气候变化的影响，因此在中国橡胶树主产区开展及时、准确、动态的橡胶产量预报工作，对保障橡胶生产、进出口贸易等具有重要意义。国内外学者在作物产量预报方面已有大量研究成果，作物产量预报大致经历根据气象数据和产量进行数理统计预报、综合考虑作物生理生态特征的动态产量预报、综合考虑光-温-水对作物生产影响的气候适宜度指数的产量预报等[3-4]。其中根据气候适宜指数建立的作物产量预报模型有：冬小麦气候适宜度动态模型[5-9]、玉米产量动态预报模型[10-11]、水稻产量动态预报模型[12-16]、棉花产量动态预报模型[17]、大豆产量动态预报模型[18]等，以上模型的建立多以站点或市县为单位开展作物产量预报，不能很好满足精细化农业气象服务的需求。橡胶树净初级生产力（net primary productivity，NPP）是橡胶树在单位时间和单位面积上所产生的有机干物质总量，橡胶产量与生长季内NPP关系密切，二者存在有效的产量转换关系[19]，因此橡胶树年净初级生产力变化，可以间接反映产量的变化。本研究利用ArcGIS 10.2软件，利用2000—2015年遥感和气候数据，通过橡胶树净初级生产力建立橡胶树产量气象影响指数序列;通过温度、降水、日照、风速等数据建立橡胶树综合气候适宜度指数序列;然后通过统计分析，建立以1 km×1 km网格数据为基础橡胶树产胶能力年景评估模型，可根据气候数据准确及时评估不同橡胶树种植区产量的动态变化情况，可为橡胶产量分析预测提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
中国橡胶产区主要分布在海南、云南、广东、广西、福建等5省（区），由于福建和广西橡胶产量的总量较少，在本研究中仅考虑海南、云南、广东的橡胶树种植范围。研究区2000—2018年307个站点的温度、降水要素气候数据集来源于国家气象信息中心（http：//data.cma.cn/）;2000—2015年MODIS NPP数据来源于网站（http：//www.ntsg. umt.edu/project/mod17#data-product）;中国橡胶树种植分布北界来自文献[20]。利用ArcGIS 10.2软件的剪切功能，提取橡胶树分布图对应位置上的橡胶产量气象影响指数和年气候适宜度指数。
1.2 方法
1.2.1 橡胶树产量气象影响指数 橡胶树产量与橡胶树净初级生产力关系密切，因此可以通过计算橡胶树净初级生产力的变化来间接反映橡胶产量的变化。利用遥感光能利用率模型反演的橡胶树净初级生产力是现实状况下橡胶树的实际值，可将基于卫星数据反演的橡胶树净初级生产力作为实际生产力[21]，即可间接代表橡胶树实际产胶能力。利用ArcGIS 10.2软件的剪切功能，提取橡胶树分布图对应位置上的橡胶树年净初级生产力，通过公式（1），提取不同年份的橡胶树产量气象影响指数。
式中ΔYi为橡胶树NPP增减量，即为橡胶树产量气象影响指数，i表示第i年，i–1表示第i年的上一年。
1.2.2 橡胶树气候适宜度指数 根据文献[22]建立橡胶树生长期综合气候适宜度模型（2）：
式中S（T， p， s， w）为橡胶树气候适宜度，S（T）、S（p）、S（s）、S（w）分别为温度适宜度[公式（3）]、降水适宜度[公式（5）]、日照时数适宜度[公式（8）]、风速适宜度[公式（9）]。
其中，橡胶树温度适宜度函数为公式（3）：
式中T表示温度，T1、T2、T0分别为橡胶树生长的最低温度、最高温度和最适宜温度;S（T）表示温度为T时的温度适宜度，B表示最高温度和最适宜温度的差值与最适宜温度和最低温度差值之比。
橡胶树的降水适宜度函数为公式（5）：
式中S（p）表示降水适宜度，S（r）为橡胶树的降水量适宜度，S（d）为橡胶树的降水日数适宜度。其中降水量适宜度函数为公式（6）：
式中S（r）为降水量适宜度，R1为生育期内橡胶适宜降水量，R为生育期内的实际降水量。
降水日数适宜函数为公式（7）：
式中S（d）为降水日数适宜度，d1、dh为橡胶生育期内橡胶适宜降水日数的上限和下限，d为橡胶生育期内实际降水日数。
橡胶日照时数的适宜度函数见公式（8）：
式中S（s）为日照时数适宜度，S为实际日照时数，S0为日照百分率为55%的日照时数，b为常数。
橡胶树风速的适宜度函数见公式（9）：
式中S（w）为橡胶树在不同时期的风速适宜度，W为实际风速，W1、Wh为橡胶生长期内适宜风速的上限和下限。
1.2.3 月權重系数确定 参考邱美娟等[3]的研究，分别计算逐月的气候适宜度与橡胶树年产量气象影响指数的相关系数，然后取绝对值计算每月的权重系数[公式（10）]：
其中ai表示i月的权重系数，Ri表示i月的气候适宜度与橡胶树产量气象影响指数的相关系数，n=12。
1.2.4 橡胶树年气候适宜度指数 将橡胶树的气候适宜度按月进行加权平均构成年气候适宜度指数[公式（11）]：
式中C表示年气候适宜度指数，Si为第i月的气候适宜度。
1.2.5 橡胶树年气候年景模型的构建 根据2001 — 2015年公式（10），选取橡胶种植区中的6个典型代表站点（景洪、勐腊、湛江、茂名、儋州、五指山）计算各月的气候适宜度与橡胶树产量气象影响指数的相关系数，发现各月相关性数值变化不大。为便于计算和模型的建立，改取研究区中所有站点各月的气候适宜度累加求和形成橡胶树年气候适宜度指数。利用历年来研究区橡胶产量气象影响指数与年气候适宜度指数建立一元线性回归方程，建立橡胶树产胶气候年景模型（12）：
式中ΔY为橡胶树产量气象影响指数，a为回归系数，b为回归常数。系数a、b的计算见公式（13）、（14）：
式中j为年份，n=15（2001—2015年）。
2 结果与分析
2.1 橡胶产量气象影响指数空间分布
根据2000—2015年遥感NPP数据，并按照公式（1）计算得到研究区2001—2015年橡胶树产量气象影响指数序列。选取2001、2005、2010、2015年的橡胶树产量气候影响指数进行分析，可以得到各年的橡胶树产量气候影响指数均有明显的变化。如2001年橡胶产量气候影响指数在–0.40～0.30之间，整体平均值为–0.047;2005年橡胶产量气候影响指数在–0.33～0.29之间，整体平均值为–0.07;2010年橡胶产量气候影响指数在–0.40～0.26之间，整体平均值为–0.06;2015年橡胶产量气候影响指数在–0.40～0.36之间，整体平均值为0.0017。建立的橡胶树产量气候影响指数序列能间接反映橡胶树产量的波动。从2001— 2015年平均橡胶产量气候影响指数来看，其值在–0.03～0.07之间，研究区整体平均值为0.0092，海南和广东的年平均橡胶产量气象影响指数高于云南橡胶种植。
2.2 橡胶树气候适宜度指数
利用2001—2015年气候数据分别计算研究区各站点橡胶树年气候适宜度，利用ArcGIS 10.2软件和橡胶种植分布，提取橡胶树种植区范围内气候适宜度年平均值变化。由图1可见，由于受气候变化影响，不同年份研究区内橡胶树年气候适宜度有明显差异，橡胶树年气候适宜度最大值的范围为9.12～10.00;最小值范围为4.28～5.82;年气候适宜度平均值在7.41～8.15之间。从橡胶种植区各站点多年平均气候适宜度的空间分布看，橡胶树年平均气候适宜度范围在5.60～9.40之间，年平均气候适宜度高的区域主要分布在海南的东南部和云南的景洪、勐腊等地;其他区域属于较低区域，但年气候适宜度平均值大于5.6。
2.3 模型的建立
根据研究区2001—2015年橡胶产量气象影响指数与年气候适宜度指数，按照公式（12）建立橡胶树年气候年景模型，根据公式（13）、（14），计算得到模型系数a的范围为–4.5～2.0;系数b的范围为–16～21;根据橡胶树种植区不同地点对应的系数a、b和年气候适宜度指数，可以准确预估不同区域橡胶树年产胶能力的变化。参考作物产量预报标准，以相对气候产量的±10%界定增（减）产指标[9]，将橡胶树产量气象影响指数< –10%作为橡胶产胶能力气候偏差年景，>10%作为偏好年景，–10%～10%为正常气候年景。
2.4 模型检验
利用2016—2018年气候适宜度指数，用建立的模型预测橡胶树产量影响指数，2016年橡胶产量气候影响指数在–0.38～0.41之间，整体平均值为0.011;2017年橡胶产量气候影响指数在–0.54～ 0.42之间，整体平均值为0.0045;2018年橡胶产量气候影响指数在–0.50～0.32之间，整体平均值为0.0073;根据气候影响指数平均值和气候年景判识标准，可以判断2016—2018年整个橡胶产区产胶能力为正常气候年景。2016—2018年橡胶种植区橡胶树整体产胶能力处在不断提高状态，橡胶产量气象影响指数增加区域略大于减少区域。以海南种植区为例，根据2017—2019年海南省统计年鉴，2016—2018年海南橡胶平均产量为0.926、0.904、0.920 t/hm2，橡胶实际产量变化趋势与预测影响指數变化趋势一致。说明建立的模型能从气候角度客观、准确反映橡胶树产量的波动情况，克服了因橡胶价格低迷、割胶积极性不高等人为因素而导致的橡胶产量统计的偏差。
3 讨论
前人对作物产量年景预报模型的研究多集中在一年生的大宗作物，如冬小麦[5-9]、玉米[10-11]、水稻[12-16]、棉花[17]、大豆[18]等，而且作物产量年景预报模型的建立多采用不同生育期的气候适宜性指数，针对多年生作物产量年景预报的模型并不多见。在橡胶树方面仅见陈小敏等[23]以海南儋州为例开展各月产量丰歉指数和气候适宜度指数的关系模型研究，该方法以儋州市作为整体开展割胶期的产量丰歉预测，未细化到儋州市的每个橡胶种植区。目前针对整个中国橡胶种植区开展橡胶产量年景预测的报道并不多见。根据中国橡胶树种植区域气候特征和精细化气象服务的需求，通过橡胶树产量气象影响指数和橡胶树气候适宜度指数模型，利用2000—2015年遥感数据和气候数据，通过分析不同年份橡胶产胶能力增减变化与年气候适宜度相关性，建立了基于年综合气候适宜度指数的橡胶树产胶潜力预测模型，模型空间分辨率1 km×1 km，较好解决了开展橡胶树精细化产胶能力评估的难题，同时也为客观、定量、动态地预测橡胶树产量年景变化提供了技术支撑。
橡胶树对温度、降水、光照、风速条件均有严格的要求。在橡胶树生长过程中受到光、温、水、风等气象要素相互关联、相互制约、相互影响，因此建立的橡胶树气候适宜度指数能定量化反映气候因子对橡胶生长的影响;根据遥感模型反演的橡胶树年净初级生产力（NPP）数据计算得到的橡胶树产量气象影响指数与橡胶树产量变化有着直接的对应关系[21]，能较好表征气候条件对产量形成的综合影响，也可以消除因价格低迷，农户放弃割胶所导致的产量波动的影响。因此，建立的基于气候适宜度的产胶年景预测模型能综合反映气候条件与对橡胶树产量形成的内在关系，能有效反映不同区域橡胶树产胶潜力的动态变化。
由于模型的建立只考虑了2001—2015年气候适宜性与产胶能力变化的关系，下一步需要更多数据来进行模型检验;模型未综合考虑生产管理措施及极端气象灾害事件对橡胶产胶能力的影响，需要在今后工作中对模型不断更新和完善。值得一提的是，中国橡胶种植区面临着台风、低温、干旱等气象灾害的影响。本研究建立的基于气候适宜度指数橡胶树产胶年景预测模型只从农业气候资源优劣来评价橡胶树产胶年景，而不能体现气象灾害的影响。如台风作为极端天气事件对橡胶产量的影响是很大的，是引起模型产胶年景预测结果不稳定性的主要原因，从多年台风影响频次来看，该模型在云南区域适用，在海南、广东等区域使用时，要考虑当年台风灾害的影响强度和频次;橡胶树寒害、旱害也需要根据区域在橡胶产胶年景预测中给予考虑。因此，下一步需要从气候资源和橡胶气象灾害发生程度2个方面[24]，构建橡胶树综合气候适宜度指标体系的产胶年景预测模型，以准确地反映气候因子和气象灾害对橡胶产量的影响。
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责任编辑：沈德发
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