基于GIS的云南省茶树种植气候适宜性区划

2015-12-22何雨芩张茂松黄成兵

安徽农业科学 2015年25期

何雨芩，张茂松，黄成兵，高敏

(1.云南省气候中心，云南昆明650034;2.普洱市澜沧县气象局，云南普洱665600;3.普洱市咖啡气象服务中心，云南普洱665600)

我国是茶叶的原产地，发现茶树和利用茶叶至今已有4 700多年的悠久历史［1］。由于茶树生长对气候、土壤、地形等立地条件具有选择性，不同立地环境的作物生长具有差异，因而根据茶树正常生长对立地条件的要求以及区域生态环境资源特点进行茶树生态适宜性评价，对于因地制宜地开发利用区域茶树生态资源、充分利用气候资源优势、合理规划茶区布局、进而提高茶叶产量及品质具有重要现实意义［2］。

目前，已有不少研究者开展了茶树生长适宜性评价的研究，其结果具有很好的参考价值，早在1982年，王威廉等［3］就对湖南衡阳地区的茶叶种植进行了区划研究;之后，浙江金华、衢州、仙居、甘肃陇南、贵州丹寨等地也先后对茶叶种植的生态适宜性进行了研究［4－9］。云南省的气候环境很特殊，再加上复杂的地形，造成气候的区域差异较大，气候的垂直变化十分明显。年温差小、日温差大;雨量充沛、旱雨季分明，降雨量北少南多，分布不均。在这样的条件下，各茶山的茶因品种和生态环境的不同，茶菁、茶质有明显不同特质。赖比星［10］对云南大叶种茶树在广西地区种植的适宜性进行了研究，提出了适宜云南大叶种茶树生长的气象条件，并结合广西地区的气候得出在广西种植云南大叶茶的发展方向;杨坚等［11］应用模糊数学综合评判方法，对云南茶树进行了适宜种植分区;王明等［12］分析了哀牢山区域大叶茶种植的气候资源优势，确定了区划指标并划分出大叶茶在哀牢山区种植的不同类型区域。随着GIS技术的发展，杨洋等［13］利用GIS空间分析技术对云南栽培型普洱茶树大规模种植进行了适宜性评价;陈春艳等［14］运用ArcGIS空间内插方法对宁洱县茶园的气象因子进行模拟，再运用空间分析技术实现了茶园土地适宜性评价。该研究在充分吸收前人研究成果的基础上，利用云南省125个站点30年的气象资料，针对茶树种植适宜气候条件提取出区划因子并对其进行模拟，基于GIS空间分析技术，得到了全省大、中、小叶种茶树的种植气候适宜性区划。

1 资料与方法

1.1 研究区概况云南省位于21°09'～29°15'N、97°31'～106°21'E，东西横跨865 km，南北纵跨990 km，位置北依广袤的欧亚大陆、南濒辽阔的热带海洋，处于东亚季风和南亚季风的过渡区域，西北部与青藏高原相连，境内的山地面积占全省总面积的94%，为全国山地分布最多的省份之一。地势北高南低，南北之间高差悬殊达6 663.6 m，从而形成了复杂多样的自然地理环境［15］。云南有悠久的茶叶生产历史，有丰富的种质资源和低纬高原气候优势，是世界公认的茶树原产地和中国重要的茶叶生产基地，发展茶叶产业有着巨大的潜力和竞争优势。

1.2 数据来源根据选定的评价指标对数据源的要求，收集的基础资料主要有全省125个气象站1981～2010年各月平均气温、各月平均最低气温、月降水量、年降水量等气象数据;基础地理信息资料来源于中国气象局下发的1∶25万基础地理信息数据。所使用的基础地理信息数据采用3°分带的高斯－克吕格投影，1980西安坐标系和1985国家高程基准，其中DEM数据为栅格数据，格式为ESRI GRID;边界为矢量数据，格式为shp。

1.3 评价指标和研究方法

1.3.1 气候适宜性评价指标的确定。温度是影响茶叶生长、发育、产量、品质及其分布的主要因子之一［16］。当根系分布层中，土壤温度达5℃左右时，茶树根系即开始生长［17］。茶树生长的最低日平均温度为10℃，一般认为日平均气温稳定在10℃左右，茶树开始萌发，15～20℃时生长较旺。高温对茶树的生长不利，当日平均温度上升至30℃以上，持续时间长则会使得茶树的生长受到抑制，芽、叶受到影响。因此，茶树适宜生长的日平均气温为15～30℃，最适宜栽培地区的年平均温度为16～22℃。有学者认为，春季茶树越冬芽的萌动现象是在累积了一定热量之后才表现出来的，这种现象的发生是由量变到质变的体现。所以茶芽开始萌动的气温不能仅考虑当天的日平均气温，而应当考虑10℃以上的积温或日平均气温高于某一数值的持续天数［18］。从我国茶树地理分布来看，在水分条件得到保证的情况下，生长期内积温越多，持续时间越长，则鲜叶的采摘批次就愈多，茶叶的产量也愈高，越往南积温越多，致使多酚类含量增高，红茶品质好。不同品质的茶叶在生长中所需积温亦不同，中、小叶种茶树要求≥10℃积温为4 500℃·d以上;大叶种茶树对热量要求更严，需6 000℃·d以上［16］。茶树分布主要受气候条件的限制，而决定茶树致害的气温条件是极端最低气温。根据Carr观察，在南坦桑尼木菲恩迪地区，当日平均气温降至14℃时，茶树新梢就停止生长［19］。不同茶树品种在不同地区的耐低温能力不同，中、小叶种茶树在最低气温高于－5℃时就可以安全越冬，大叶种茶树耐低温能力较弱，当最低气温低于－3℃时即遭受冻害。

降水也是影响茶树生长的主要气候条件之一，且在很大程度上决定产量的高低和稳定程度，并影响茶叶的品质。云南夏湿冬干、雨热同季、冬旱雾漫，年雨量主要集中在5～10月，虽年日照时数较多，但由于雨热同季，降雨有效值高，有利于茶树生长。冬半年受热带大陆气团的控制，少雨干旱，蒸发量大;但因日较差较大，早晚较低的气温有利于雾的形成，这在一定程度上缓和了旱情［10］。雾及以雾滴形式降落的雨水(雾雨)对茶叶的高产优质、弥补干旱期的雨水不足等均有益［20］。雾滴凝集在气温较低的植物叶片上，以雨滴形式流落地面，增大了土壤湿度，部分弥补了昼间蒸腾需水的不足。据观测，夜间降落在地表的雾滴可达0.2～0.5 mm/d，平均为 0.3 mm/d［21－22］。一般成龄茶园在冬季进入休眠状态时的日平均耗水量为1.3 mm左右［23］，那么加上冬日由雾凝集形成的0.3 mm/d的夜雨量，再伴有一定量地下水的补给，就能让茶树顺利度过云南省的干季。

针对以上适宜茶树生长的气候条件，首先提取出1月平均最低气温、12月～次年3月的平均月降水量以及年降水量作为评价茶树适宜生长区的指标(表1)，将茶树种植的适宜区和不适宜区划分出来;然后通过不同品种茶树对≥10℃积温的需求，来细化分出大、中、小叶种茶树的适宜种植区。当≥10℃积温达6 000～8 030℃·d时，最适宜种植大叶种茶树;当≥10℃积温为4 500～6 000℃·d或＞8 030℃·d时，适宜种植大叶种茶树;当≥10℃积温为4 000～4 500℃·d时，适宜种植中、小叶种茶树;≥10℃积温达3 200～4 500℃·d能基本达到大、中、小叶种茶树种植条件;当≥10℃积温＜3 200℃·d时，不适宜种植茶树。

表1 云南省茶树种植气候适宜性区划指标

1.3.2 空间分析模型建立。

1.3.2.1 复杂地形下的气温推算。由于经纬度以及地势地貌与下垫面的特性不同，造成气象要素在空间分布上有明显区域差异。随着地理信息系统(GIS)的迅速发展，在20世纪90年代后期，GIS技术开始被用于气候资源的定量评估分析，不仅提高了分辨率，也大大减少了工作量。从宏观地理条件来说，经度、纬度和海拔高度是影响空间温度分布的最重要因子，它们之间可以建立宏观气温场的气候学方程，可表达为:T=T(δ，φ，h)，也可以简单表述为多元一次回归方程:T=a+bδ+cφ+dh，式中，T为气象站观测的月平均气温模拟值，δ为经度(°)，φ 为纬度(°)，h 为海拔高度(m)，a、b、c、d为回归系数。使用125个气象站的累年温度资料，建立1月平均最低气温和积温分别与海拔、经度、纬度的统计模型，最终在ArcGIS的空间分析模块中模拟得到1月平均最低气温和≥10℃积温在全省复杂地形下的空间分布。

1.3.2.2 复杂地形下的降水量推算。为力求最大限度地利用现有资料提取降水信息，准确表现降水量分布情况，该研究对测点降水与海拔高程进行回归建模，并对距离权重方法进行改进，同时考虑测站方位的影响，对降水的分布进行空间插值。在信息圆搜索距离确定的情形下，考虑测点与插值点间的距离对插值点估算值的影响，给出权重取值与距离的关系式:

式中，Rp是相对于插值点P的搜索半径，α是无量纲整型参数。Rp的大小依赖于站点密度。为保证插值精度，足够的站点数目是必须的，该研究中的插值站点数目为15。

测点对插值点的影响除距离因素外，其所处方位也将对插值结果产生影响。测点Pi(i=1，2，3，4)对于格点中心P分布如图1所示，4个点相对于点P的距离相等，但P4点相对于其余3点要独立得多。显然，PP4虽然与PP1、PP2的距离相同，但空间位置不同，其对点P的影响就有差异。因此，该研究再引入方位权重来表示插值站点的不同方位对插值结果的影响。引入PiP之间的夹角余弦作为空间布局的一种量度，通过投影进行测量，则不同站点相对于点P的方位对估值P的影响可以表示为式中，c*表示选定的信息圆(搜索半径r)范围。因此，给出综合考虑方位和距离的权重函数:Wi=Di(1+ai)。在估计降水时，对参与估值的站点降水与海拔高程进行加权最小二乘回归分析，最终建立插值点的降水量。

各指标因子的模型建立完成后，在ArcGIS的空间分析模块中生成单个气候区划指标的栅格图，按照指标等级(表1)在栅格图中表示出来，即形成各个单因子的气候区划分级图。由于各个气候区划指标对茶叶种植的影响是相互补充又相互制约的，研究先将1月平均最低气温、12月～次年3月平均月降水量以及年降水量3个指标综合，得到茶树种植适宜区划分;然后根据不同品种茶树对≥10℃积温的适宜度，细化出大、中、小叶种茶树的适宜种植区，叠加到用3个指标因子划分出的区域中，最终得到综合区划。

2 结果与分析

从区划结果来看(图2)，云南省内哀牢山以西的大部分地区均符合茶叶适宜生长的条件，尤其德宏、普洱、版纳的最适宜区面积最大。哀牢山以东、文山南部也有部分茶树最适宜生长地区。云南北部地区当海拔高度上升至2 000 m以上时，大叶种茶树就无法种植，部分地区可以种植中小叶种茶树。如滇西北大部分地区由于海拔和纬度较高，不适宜茶树生长，但在迪庆、怒江的河谷地带还是具备中小叶种茶树生长的气候条件。滇东北的绥江、盐津、威信可以种植中小叶种茶树。

2.1 最适宜区根据区划结果，大叶种茶树最适宜种植地区主要集中在德宏、临沧西部、普洱、版纳、红河南部和文山南部，最适宜种植面积约6.19万 km2，占全省总面积的15.8%(表2)。这些地区气候温暖湿润，年平均气温大多在16～22℃，≥10℃积温在6 000℃·d以上。茶树生长期内月平均降水量在150 mm以上，即使在冬半年的干季，滇南的普洱、版纳、红河、临沧大部分地区的月降水量也均大于10 mm，特别是红河州的金平、河口、屏边三县，12月～次年3月月平均降水量均在30 mm以上。冬季极端最低气温均在0℃以上，基本上不发生冻害，且冬半年光照多可以补偿低纬地区冬温降低的部分影响。该区域昼夜温度变幅大，干季时哀牢山以南气温日较差为7～15℃，以北为10～17℃，这样白天气温适当高，有利于植物光合作用，夜间气温适当低，可减弱植物的呼吸作用消耗，促进营养物质积累［12］。在这种环境中，茶树萌芽时间长、采摘期长、芽叶大而薄、叶质柔软、持嫩性好，能有效促进云南大叶茶的优质高产。

表2 各分区面积和占全省总面积比率

2.2 适宜区大叶种茶树适宜种植地面积约3.15万km2，地区主要集中在景谷、景洪和富宁县，广南东北部也有一定分布;以保山、临沧、普洱、红河和文山北部边界为界，以南地区则适宜种植中小叶种茶树。滇东北地区冬春季节处于云贵准静止锋东北侧，易受南下冷空气影响，茶树易受寒害和冻害，所以不适宜种植不耐低温的大叶种。中小叶种由于相较大叶种更耐低温，再加上海拔较低、冬半年降水量较多，滇东北的盐津、绥江、威信，滇西北的怒江、迪庆河谷地带，也有适宜中小叶种茶树生长的气候条件;红河州的建水县、个旧市，以及曲靖市的富源县、罗平县和师宗县的部分地区，气候条件也最适宜中小叶种茶树的生长。

怒江大峡谷一带受印度洋西南季风气候的影响，立体垂直气候明显，河谷茂林葱绿，山坡如春如秋，峰顶冰雪严冬。这些地区的河谷地带可以种植中小叶种茶叶。现实中维西和怒江大峡谷都是茶马古道的重要通道，剑川境内的沙溪古镇又有着如今茶马古道上唯一幸存的集市，因此，在迪庆和怒江种植茶叶不仅有商贸需求，其河谷地带的气候条件也是适宜中小叶种茶树生长的。

滇西的部分适宜区雨量充沛，且冬季受西南暖湿气流的影响而较为暖和。虽然水热的协调配合使之利于大叶种茶树的生长，但部分区域≥10℃积温不足5 000℃·d，茶树生长缓慢并会影响多酚类含量，从而影响高产优质，因此不是大叶种茶树生长的最佳条件。滇东南的部分适宜区≥10℃积温较高，但降水条件稍差，还容易受平流型冻害的影响，气温偏低而使大叶茶遭受冻害。但总的来说，滇西和滇东南的部分地区总热量条件尚好，年平均气温在12～16℃，≥10℃积温在4 500℃·d以上，年降水量＞1 000 mm，能够满足茶树的生长需求，仍然是大、中、小叶种茶树的适宜生长区。

2.3 次适宜区次适宜区种植总面积约为8.66万km2，占全省总面积的22.1%，包括滇中及以北的大理、楚雄、昆明、玉溪以及红河北部、曲靖北部、昭通西南部地区。这些地区中高海拔以上区域年均温低于12℃，且1月平均最低气温低于－3℃，易使大叶种茶树受害，年均降水量也小于1 000 mm，气候条件仅基本满足中小叶种茶树的生长需求，所以大部分种植较为耐寒的中小叶种茶树。

2.4 不适宜区茶树不适宜种植地区比较集中，面积约为8.09万km2，占全省总面积的20.6%。由于纬度较高或海拔较高，滇西北的德钦、中甸、丽江和大理西北部也不适宜种植茶叶;处于干热河谷地带的永胜、华坪、永仁、元谋、巧家、新村、永善以及元江、红河、元阳的低热河谷，由于温度高、湿度小也不适宜种植茶树;昭阳区、彝良县等海拔较高或地处冷空气路径上，也属于不适宜种植地区。

3 讨论

(1)该研究基于GIS技术对云南省≥10℃积温、1月平均最低气温、12月～次年3月月平均降水量和年降水量进行模拟，综合四项结果得到全省茶叶的适宜性区划，该方法能够定量、直观地获取适宜区的数量和空间信息，可操作性较强，具有一定的推广应用价值;同时弥补了以往大多局限于个别市、县局部地区的相关研究，可为云南省合理规划茶区布局提供科学的决策依据。

(2)整体上看，云南省茶树种植的适宜度由南向北逐渐递减，最适宜地区主要分布在版纳、普洱、临沧、德宏四市，这些区域温度适宜、热量充足、雨水充沛，茶叶品质好、产量高;不适宜种植的地区为滇西北海拔2 000 m以上地区以及干热河谷地带，这些地区热量条件差或温度太高，易使茶树受冻或受旱，不宜发展。

(3)在利用气象资料建立空间气候模型时，气象资料站点密度还太稀疏，不能够较好地模拟山地气候特征，模型准确性还有待进一步加强;由于数据精度和分辨率的限制，该研究的评价结果也有待于进一步验证。

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