文献传递:《中国农业气象》基于作物模型的西南地区烤烟生长模拟及未来预估

摘要：西南地区烤烟占全国烤烟产量50%以上，气候变化对该区域烤烟的影响将导致中国甚至全球烤烟种植生产面临风险。基于2016−2023年西南地区11个农业气象站烤烟生育期和产量观测数据，使用WOFOST模型对西南地区烤烟进行敏感性分析以及生育期和产量的模拟验证，基于调参验证后的WOFOST模型和第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中5个全球大气环流模式（GCMs）和3种SSPs情景（SSP245、SSP370和SSP585），预估西南地区2030−2100年烤烟产量和生育期的时空变化趋势，分析烤烟生育期内极端气象灾害变化趋势，以期为烤烟种植生产应对气候变化提供科学依据。结果表明：（1）WOFOST模型能较好模拟西南地区烤烟生育期和产量，NRMSE在11%～14%。（2）2030−2100年西南地区烤烟将面临产量下降、生育期缩短趋势，排放情景越高，烤烟平均产量下降、生育期缩短的趋势越明显，2090−2100年西南地区烤烟产量和生育期天数下降分别在3.67%～7.24%和4.66%～7.78%。未来西南地区烤烟产量和生育期的波动即不确定性随时间推移而增加。从区域上看，2100年西南地区烤烟产量降低区域主要集中在云南省。（3）SSPs排放情景的升高使未来西南地区极端气象灾害与烤烟产量和生长天数的相关关系呈升高趋势，与温度相关的极端气象灾害因子较降水相关的极端气象灾害因子的相关性更高，极端气象灾害在云南发生的趋势高于贵州和四川。结合未来烤烟产量减少的主要区域和极端气象灾害空间分布情况，云南省烤烟种植在未来可能面临更大气候变化风险。

关键词：烤烟；作物模型；敏感性分析；气候变化；极端灾害

烤烟农业气象站和种植区域

以西南地区主要烤烟种植省份云南、贵州和四川省为研究区域，因四川无常规烤烟农业气象观测，选取贵州和云南的11个含常规烤烟农业气象观测国家级气象站（贵州4个，云南7个）。西南地区云贵川地形复杂多样，兼具季风气候、低纬气候和高原气候特征，主要属亚热带季风气候，表现为四季温差小，日温差大，干湿季分明、气候类型多样、雨热同期、立体气候特征显著，不同区域气候差异较大，降水量季节分配不均。

WOFOST 模型主要作物品种参数

WOFOST 作物模型叶片干重一阶和总阶(a)、二阶(b)敏感性分析

图为WOFOST模型对某个输出变量的敏感性参数有一阶敏感度指数、总阶敏感度指数、二阶敏感度指数。参数的一阶敏感度指数表示输入参数变化导致的目标变量方差的百分比。总阶敏感度指数表示特定参数在目标变量中的总方差，包括该参数与任何其他输入变量的任何阶次交互作用引起的所有方差。二阶敏感度指数涉及两个参数综合作用下的敏感度，即两个参数同时对目标参数的影响程度。

基于 WOFOST 模型烤烟产量(a)和生育期(b)模拟值与观测值对比

使用WOFOST模型对烤烟产量即叶片干重（TWLV）进行模拟并对比观测产量，图中数据点大多落于1:1线附近，其中RMSE为386.0kg·hm⁻²，NRMSE为11.3%，模型模拟结果较好；WOFOST模型模拟烤烟生育期的模拟值与观测值对比的数据点多落于1:1线附近，其中RMSE=27.86d，NRMSE=14%，表明生育期模拟效果较好。整体来看，WOFOST模型能较为准确模拟西南地区烤烟的生育进程和产量。

2030−2100 年烤烟平均产量(a)和生长天数(b)变化趋势

未来烤烟平均产量和生长天数均呈下降趋势。2030s（2030−2039年），SSP245、SSP370和SSP585情景下烤烟平均产量分别为4801.14kg·hm⁻²、4811.70kg·hm⁻²和4786.49kg·hm⁻²，平均生长天数分别为145.04d、144.92d和144.20d。至21世纪末（2090s，2090−2099年），产量和生长天数在SSP245情景的下降程度最小，分别为3.60%和4.66%，在SSP585情景下降程度最大，分别为7.24%和7.78%。SSP245、SSP370和SSP585情景下，2030−2100年烤烟产量下降趋势分别为2.81kg·hm⁻²·a⁻¹、5.31kg·hm⁻²·a⁻¹和5.77kg·hm⁻²·a⁻¹，生长天数缩短趋势分别为0.11d·a⁻¹、0.17d·a⁻¹和0.19d·a⁻¹。

2030−2100 年烤烟生长天数变化趋势的空间分布

未来不同 SSP 情景下极端气象灾害与烤烟产量(a)和生长天数(b)的相关关系(R)热力图

烤烟产量和生长天数与不同极端气象灾害的相关性较为一致，SSP245情景下的相关性均弱于SSP370和SSP585情景，在SSP370和SSP585情景下相关关系更高。其中烤烟产量和生长天数与D16呈正相关关系，相关系数在0.7以上，尤以生长天数与D16的相关关系在0.97以上；与其他极端气象灾害因子呈负相关，如与温度相关的极端气象灾害因子的负相关系数小于0.6，尤其是SSP370和SSP585情景下CDD16、EDD、TXx和D30的相关系数小于−0.8；与Pr和Rx5d相关系数较低，在−0.79～−0.14，SSP370情景下与Pr的相关性相比其他两个情景更低，SSP370和SSP585情景下与Rx5d的相关系数小于−0.7。