中国主产蔗区气候生态空间分布特征研究

张跃彬，樊 仙，毛 均，李如丹，余翔凌

(1.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远 661699；2.云南省气候中心，云南 昆明 650034)

【研究意义】中国是食糖消费大国，人均食糖消费每年以1.6%的速度在不断增长，年均食糖需求量已达1500万t以上，甘蔗属禾本科甘蔗属C4植物，原产于热带和亚热带地区，是世界主要的制糖原料[1]，也是中国主要的制糖原料，以甘蔗为原料的食糖产量占中国食糖总产的87%，以2019年为例，中国糖料产量9975万t，其中甘蔗产量8750万t，占87.7%；食糖产量1041.5万t，其中甘蔗产糖902.23万t，占86.6%[2]。多年来，在国家产业发展导向和有关省(区)的高度重视下，中国在华南和西南区域，重点发展了广西、广东和云南等省(区)，形成了桂中南、滇西南、粤西等3个甘蔗优势产区带，形成了69个县(市、区)的甘蔗主产区布局，跨热带、亚热带2个气候带，涉及湿润、半湿润等气候类型[3]。根据甘蔗生物学特性和生态特性，以主产区县(市、区)的甘蔗适宜气候特点，进行生态空间分布研究和蔗区生态特性分析，对中国蔗糖产业规划与发展、选择甘蔗优良品种和应用科学栽培技术具有重要的科学意义。【前人研究进展】近年来，甘蔗的气候生态研究比较多，但主要是基于各省区域进行，空间尺度小。苏永秀等人根据广西甘蔗产区(县)90个台站的气候资料，结合甘蔗生产对生态气候条件的要求，利用GIS系统技术和气候资源的小网格分析方法，对广西甘蔗适宜种植区进行了甘蔗农业气候区划细化研究[4]；张跃彬等人根据云南蔗区自然气候特点进行生态区划，根据作物生态区划的基本原理，以温度为一级指标，以年降雨量、干燥度及农业意义为二级指标，将云南蔗区划为6个生态类型蔗区[5]；鲁韦坤等依据甘蔗生物学特性评价指标，采用系统聚类法进行了云南甘蔗主产区气候类型分类划分[6]；郭家文等采用云南30个县(市)1971—2010年气候要素资料，研究了云南甘蔗主产区气候资源的分布特征[7]；毛均等人发明的一种基于综合适宜度指数的甘蔗种植区划方法，在深入调查和评估蔗区自然环境条件的基础上，结合气象学、土壤学、甘蔗栽培学和作物模型学的技术方法对甘蔗种植区域的气候、土壤和甘蔗生产潜力要素进行了分类评估[8]。在基于广西、云南2个省(区)的自然气候类型研究上，黄中艳应用系统聚类法，根据广西、云南蔗区76个气象站点的气象资源，利用9个甘蔗气候评价指标，将广西、云南蔗区划分为9个甘蔗气候类型[9]。综观目前中国甘蔗的自然生态气候研究，尚未有从中国甘蔗优势区域和主产区的角度，特别是与甘蔗生产基地规划发展紧密结合的论文报道。【本研究切入点】本研究以甘蔗自然气候生态适应性为基础，根据 《糖料蔗主产区生产发展规划(2015—2020年)》和《甘蔗糖料生产基地建设规划(2016—2025年)》，对中国广西、云南、广东的69个植蔗县(市、区)，收集20年间(2000—2019年)自然气候参数值，进行聚类分析研究，本着气候相似研究的基础原则，综合自然生产条件，进行全国主产蔗区的生态区划和研究。【拟解决的关键问题】通过对中国主产蔗区生态区域划分，研究分析中国甘蔗主产地区的自然生态特征，为植蔗县(市、区)的甘蔗糖料基地规划建设、新品种引进选育和相应的栽培技术研究应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验方法

1.1.1 区域选择 以国家发展改革委员会和农业农村部编制发布的《糖料蔗主产区生产发展规划(2015—2020年)》为基础，按华南沿海蔗区和西南蔗区2个区域进行甘蔗生产情况分析和相关资料收集。其中华南沿海蔗区主要分析崇左、来宾、贵港、北海、钦州、防城港等市大部，南宁和梧州2市南部，右江河谷、澄江河谷等地；也包括广东的遂溪、雷州、徐闻、廉江、麻章等粤西地区。而西南蔗区主要包括滇西南的德宏、保山、临沧、普洱、西双版纳等和文山南部(富宁)等县[10]。

1.1.2 数据获取 根据广西、广东、云南等主产省(区)的生态条件，对“十三五”以来进入国家糖料基地规划和生产示范的69个植蔗县(市、区)，由云南省气候中心提供2000—2019年共20年间的自然气候参数值，包括年平均气温、相对湿度、降水量、蒸发量、日照时数等。

1.2 数据统计与分析

使用Excel 2016(Microsoft Corporation,Seattle,WA,USA)对数据进行归纳整理。使用SPSS 18.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)对数据进行统计分析，根据不同试验选用0.05或0.01差异显著水平。通过聚类分析研究，本着气候相似研究的基础原则，综合自然生产条件，对主产蔗区进行生态分类和研究。

2 结果与分析

2.1 中国主产蔗区气候及甘蔗种植状况分析

甘蔗是喜温、喜光的热带亚热带经济作物。甘蔗在不同的生育期需要不同的温度条件，蔗芽在13 ℃便可萌发，20～25 ℃发芽正常;在生长阶段，12～13 ℃可缓慢生长，20～25 ℃伸长逐渐加快；在甘蔗成熟时期，昼夜温差大，光照好，蔗糖分就积累早，积累高。

甘蔗作为C4作物，特别喜光，甘蔗的干物质，包括甘蔗本身及其积累的糖分，98%是通过光合作用合成的。甘蔗光补偿点低，饱和点高，光能利用率高，在自然光照下，光照越强，对光合作用越有利。大田生产中，在充足的阳光下，蔗茎较粗，节间相对较粗，叶片宽而绿，在阳光不足地区，蔗茎细小，叶片窄而薄，并且带黄色，干物质少。

根据甘蔗生长的自然气候生态特点，张跃彬等人以气温(包括积温)为主要指标，将蔗区划分为3种类型，即最适宜种蔗区、适宜种蔗区、次适宜种蔗区[5]。从表1可见，适宜蔗区年平均气温要求大于等于18 ℃， 大于等于10 ℃的积温在6000 ℃以上，要求无霜期330 d以上，基本不出现-2 ℃的低温冻害，年相对湿度在60%以上。

中国人口基数大，食糖消费量大。“十三五”以来，随着国民经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，中国人均食糖消费每年以1.6%速度在不断增长[11]。为提高中国甘蔗糖料生产能力，近年来，中国依据各省(区)甘蔗糖料发展的自然资源禀赋和相应的社会支撑条件，选择广西、云南、广东3个省(区)，集中在广西的桂中南、云南的滇西南和广西的粤西3个地区，构建中国的甘蔗优势产业带[12]。

分布于甘蔗优势产业带的甘蔗植蔗县，年平均气温绝大多数在18 ℃以上，日照时数大部分蔗区在1500 h以上，年降雨量在800 mm以上，平均相对湿度在70%以上，甘蔗产业比较经济效益好，具有甘蔗生产发展良好自然资源条件和社会条件(表2)。

表1 甘蔗产区适应性划分

表2 2000—2019年中国甘蔗优势产业带上的县(市、区)主要气候指标

续表2 Continued table 2

通过多年建设，中国的三大甘蔗优势产业带成效显著，2019年，甘蔗优势产业带种植面积132.45万hm2，占全国甘蔗种植面积的95.2%；甘蔗农业产量10 609.5万t，占全国甘蔗农业总产量的97%； 2019/20年榨季，中国三大甘蔗优势产业带蔗糖产量达899.8万t，占全国蔗糖产量的99.8%，较2015/16年榨季99.4%的占比提高了0.4个百分点[13]。特别是2015—2020年，广西、云南2省(区)通过46.67万hm2的核心糖料基地建设，依靠科技挖掘生产潜力，积极推广规模化经营和机械化生产，显著降低了蔗糖生产成本，大幅提高了甘蔗生产能力，有力保障了中国食糖有效供给。2019/2020年榨季，广西食糖产量600万t，甘蔗平均糖分达14.8%，产糖率13.11%，创广西历史最好水平；云南食糖产量216.9万t，产糖率12.92%，位居全国第2。广西和云南2省(区)甘蔗糖产量占全国甘蔗糖产量的90.6%、占全国食糖产量的78.5%，优势地位更加突出(表3)。

2.2 中国主产蔗区生态类型分析

2.2.1 主产蔗区的生态差异分析 通过中国三大甘蔗优势产区69个植蔗县(市、区)自然气候空间分布的聚类研究分析看，华南蔗区(广西、广东)，与西南的区域差异还比较大，其中以广西、广东为主的华南蔗区大部分属亚热带湿润蔗区，高温高湿、降雨量大、气温高，但日照相对不足，该区域37个县(市、区)年的平均温度为21.8 ℃，但年日照时数仅为1605.3 h，平均降雨量为1531.4 mm,平均蒸发量为 1365.4 mm，降雨量大于蒸发量。以云南为主的低纬高原蔗区，分析涉及的32个县(市)，属亚热带湿润高光照蔗区，该区域年平均温度19.7 ℃，年日照时数2221.1 h，平均降水量1239.2 mm,平均蒸发量 1658.4 mm，蒸发量大于降雨量。

2.2.2 主产蔗区生态区域划分分析 为进一步研究蔗区空间布局，本着气候相似性的原则，采用聚类方法，通过主产区69个植蔗县的植蔗自然生态进行聚类分析，结合当地甘蔗种植和生长实际，可将中国主产蔗划分为6组生态蔗区(图1)。

(1)亚热带湿润少光照蔗区：包括广西的融水、环江、罗城、宜州、忻城、柳城、鹿寨、柳江、田阳、田东、隆安、武鸣、宾阳、象州、武宣、贵港、大新、崇左、扶绥、宁明、上思、横县,广东的英德,云南的富宁24个县(市、区)，该区域主要位于广西中南部，年平均温度达21.5 ℃，平均日照时数仅1562.0 h，年平均降水量1398.5 mm，蒸发量1496.0 mm，降水量与蒸发量基本相当。该区域是广西主要的甘蔗种植生产区域，生产条件好，是国家甘蔗生产重点发展优势区域。

(2) 亚热带湿润低蒸发蔗区：该区域地处桂中地区，包括河池、都安、平果、来宾、龙州、南宁6个地区(市)，这类蔗区属于寡日照低蒸发蔗区，平均年气温为21.8 ℃，平均日照时数1440.0 h，平均降水量为1396.4 mm，平均蒸发量仅为995.4 mm，相对湿度76.7%。

(3) 热带湿润蔗区：该区域地处或靠近雷州半岛，包括广东的遂溪、化州、湛江、雷州、徐闻；广西的灵山、钦州、合浦以及云南的勐腊9个县(市)，属热带湿润蔗区，具有高温多雨高湿的特点，平均年温度23.2 ℃，日照时数1771.1 h，平均降水量1758.2 mm，平均蒸发量仅为1421.9 mm，降雨量大于蒸发量，空气相对温度达81%。

(4)亚热带半湿润蔗区：该区域主要位于滇南和滇东南，包括红河、建水、临沧、石屏、云县、施甸、双江、元阳、开远、文山、蒙自、凤庆12个县(市)，光照强，年日时数达2270.1 h，年平均气温19.6 ℃，平均降雨量964.4 mm，平均蒸发量1888.3 mm，降雨量仅为蒸发量的一半，相对温度在中国主产蔗区中最低，仅为70.8%。

表3 2016—2019年甘蔗优势产业带种植面积和产量

图1 主产区蔗区生态聚类图Fig.1 Ecological cluster map of sugarcane region in main sugarcane production area

(5)亚热带高湿蔗区：该区域比较特殊，仅为江城、金平2县，在云南南部哀牢山的气候分界线上，降雨量大，年平均气温18.8 ℃，年 日照时数为1924.7 h，平均降雨量2323.5 mm，平均蒸发量1255.35 mm，降雨量是蒸发量的2倍左右。

(6)亚热带湿润多光照蔗区：该区域主要位于滇西南，包括沧源、耿马、景谷、澜沧、粱河、陇川、芒市、勐海、孟连、瑞丽、盈江、镇康、西盟、景东、广南、镇沅16个县(市)，光照强，雨量多，年平均气温19.7 ℃，年日照时数达2215.2 h，平均降雨量1450.3 mm，平均蒸发量1478.23 mm，降雨量与蒸发量基本相当，相对温度76.7%。该区域是云南最主要的甘蔗种植生产区域，生产条件好，单产和糖分高，是国家三大甘蔗优势区域之一。

2.3 中国主产省(区)生态特点分析

根据广西、云南和广东等69个甘蔗县(市、区)的自然生态条件来看，3个省(区)的植蔗自然生态条件也具有明显的特性(图2)。

图2 主产省(区)生态区划图Fig.2 Ecological zoning map of main sugarcane production province (autonomous district)

2.3.1 广西蔗区 广西是中国第一大的甘蔗糖料基地，年甘蔗种植面积达73.3万 hm2，食糖产量稳定在600万t以上，占全省产糖量60%以上。广西蔗区年平均气温高，降雨量丰富，但日照时数少，降雨量大于蒸发量，相对湿度大。其中属于亚热带湿润少光照蔗区的有融水、环江、罗城、宜州、忻城、柳城、鹿寨、柳江、田阳、田东、隆安、武鸣、宾阳、象州、武宣、贵港、大新、崇左、扶绥、宁明、上思、横县22个县(市、区)；属于亚热带湿润低蒸发蔗区的有河池、都安、平果、来宾、龙州5个县(市)。此外，与广东接壤靠海的灵山、钦州、合浦3个县(市)又属热带湿润蔗区。

2.3.2 云南蔗区 云南是全国第二大甘蔗糖料基地，年甘蔗种植面积28.7万hm2，食糖产量稳定在200万t以上。云南明显地分为2个蔗区，一个是滇西为主的亚热带湿润多光照蔗区，包括沧源、耿马、景谷、澜沧、梁河、陇川、芒市、勐海、孟连、瑞丽、盈江、镇康、西盟、景东、广南、镇沅16个县(市)蔗区。第二类是以滇南为主的亚热带半湿润蔗区，包括红河、建水、临沧、石屏、云县、施甸、双江、元阳、开远、文山、蒙自、 凤庆12个县(市)，光照强，但降雨量相对不足，容易发生干旱灾害。云南还有江城、金平2个县蔗区比较特殊，属亚热带高湿蔗区。此外，云南的富宁县靠近广西的百色，属于亚热带湿润少光照蔗区；勐腊县与老挝国家接境，属于热带湿润蔗区。由此看出，在全国主产蔗区的6个分类中，云南就占据了5类，充分说明了云南自然生态条件的多样性。

2.3.3 广东蔗区 广东蔗区是全国第三大蔗区，年产糖量在50万t以上，主要蔗区位于粤西的湛江地区，主要属于热带湿润蔗区，高温多雨高湿，包括遂溪、化州、湛江、雷州、徐闻5 个县(市)(该区的英德又比较特殊，属亚热带湿润少光照蔗区)。该区域是地热势平坦，是中国主要的甘蔗种植生产区域，比较适宜甘蔗全程机械化生产应用，缺点是降雨量多，空气相对温度大，甘蔗容易倒伏，蔗糖分水平低[14]。

3 讨 论

气候生态是影响甘蔗生长最重要的因素，农钢等人利用农业气象试验基地的甘蔗日茎伸长量和气象资料，分析气象因子对甘蔗茎伸长的影响，利用甘蔗平均单产和气象灾害资料，分析各类气象灾害对甘蔗影响[15]；罗晟等人以桂糖32号和新台糖22号为供试材料，分析得出温度对甘蔗生长影响较小，而降雨量对甘蔗的出苗率、发株率、分蘖率和糖分均具有不同程度影响的结论[16]；谭佳勇等人通过河池甘蔗气候适宜度及其变化趋势分析，建立了甘蔗各生育及全生育期气候适宜度模型[17]；毛均等人基于太阳辐射的生态指标，利用农业生产系统模拟模型(APSIM)，模拟甘蔗的生长发育及产量形成影响[18]。付建涛等通过温度和降水变化与甘蔗产量的关系分析研究，提出1990—2015年中国甘蔗平均产量变化与3省份内平均温度变化和降水量变化之间，具有线性正相关关系。与基准年份1990年相比，温度对甘蔗产量影响较显著[19]。廖雪萍等通过气候变化对广西农业影响的研究，提出广西热量资源呈增加趋势、光照资源呈减少趋势、水分资源变化趋势不明显但年际间变化较大，从而造成农作物发育期、品种布局和种植制度的变化的结论[20]。

气候生态也是影响甘蔗产业经济的重要因素，在大尺度的甘蔗生态适应性的研究应用上， 葛静芳和司伟等在基于 LMDI 模型的世界甘蔗增产要素研究中，分析提出1961—2014 年世界甘蔗生产逐渐向优势区域集中，产量提升 2 倍，中国甘蔗增产同样得益于优势区域发展，单产提升显著，贡献率高达 34%[21]。潘小军等进行的全球气候异常下甘蔗气象灾害风险分析，发现了甘蔗气象灾害风险发育与传递机理呈"全球气候变化→极端气象灾害发生→农作物产量变化→粮食市场价格波动→经济社会发展风险"的规律[22]；欧钊荣等将广西甘蔗种植区气象台站的光温水资料采用膨化处理后按旬依次组成不同时段值， 通过相关分析方法普查出与广西原料蔗产量相关系数通过0.01水平显著性检验的因子作为预报因子，分别用逐步回归方法和BP神经网络建立广西原料蔗产量预报模型[23]；周一帆等通过对中国甘蔗主产区产量差及影响因素分析增长研究，提出了中国广西、云南、广东三大甘蔗主产区的产量潜力为 137.1、147.2、145.8 t/hm2，分别有 45.9%、57.9%、46.3%的产量潜力有待开发[24]。

中国的三大甘蔗主产区，地形地貌多样，进行植蔗生态研究和划分也非常复杂[25]，在本研究中，以中国三大甘蔗优势区域内的69个植蔗县(市、区)的台站气候资料为基础，结合甘蔗生产对生态气候条件的要求和甘蔗实际生产情况，特别是结合“十三五”中国南方糖业基地建设的经验以及“十四五”中国蔗糖产业中长期发展规划，进行空间分布的生态聚类分析研究，以气候相似性原则进行了蔗区气象生态空间分布特征研究，系统地进行了6个生态蔗区和分类，是中国主产蔗区第一次全面而系统的气候生态特征分析研判，符合中国甘蔗生产的客观实际，对产业规划发展、选育高产高糖适宜品种、研究区域化的栽培技术都具有重要作用和意义。

4 结 论

根据69个甘蔗植蔗县(市、区)的自然气候空间分布的聚类分析研究，结合区域甘蔗生长形势，本着气候相似性的原则，全国糖料主产县可划分为6组生态蔗区，即亚热带湿润少光照蔗区，亚热带湿润低蒸发蔗区，热带湿润蔗区，亚热带半湿润蔗区，亚热带高湿蔗区，亚热带湿润多光照蔗区。其中亚热带湿润少光照蔗区，亚热带湿润低蒸发蔗区主要分布在广西，热带湿润蔗区主要分布在广东、也包括广西灵山、钦州、合浦以及云南勐膜等；亚热带半湿润蔗区、亚热带湿润多光照蔗区，亚热带高湿蔗区等3类蔗区主要分布在云南省。