河南省茶树适宜种植气候区划研究

赵辉，米鸿涛，杜子璇，金开美

河南省茶树适宜种植气候区划研究

赵辉1，2，米鸿涛3，杜子璇1，4*，金开美5

1. 中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，河南 郑州 450003；2. 信阳市农业气象试验站，河南 信阳 464000；3. 信阳市气象局，河南 信阳 464000；4. 河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003；
5. 河南省茶叶工程技术研究中心，河南 信阳 464000

摘要：利用河南省119个气象台站1971～2010年气候资料，结合茶树生物学特性，筛选出影响茶树生长发育和产量形成的关键气候因子，并进行相关性检验，把通过检验的因子作为气候区划指标。运用层次分析法构造各区划指标的判断矩阵，并对判断矩阵的一致性进行检验，确定各区划指标的权重。采用加权指数求和法计算出河南省茶树种植综合区划指数，在 GIS平台的支持下实现精度为 250 m细网格的气候适宜性区划，将河南省茶树种植区分为适宜、次适宜和不适宜3个等级，其中适宜种植面积占评价区域的11.8%，次适宜种植面积占 28.8%，不适宜种植面积占 59.4%。将区划结果与茶树实际种植情况进行对比验证，发现两者吻合度较高，说明区划结果能够较客观真实地反映河南省茶树种植状况，该研究结果有望为河南省茶树种植科学布局提供依据。

关键词：层次分析法；加权指数求和法；茶树气候区划；结果验证

由于受气候、土壤等因素影响，我国茶树种植一直局限于长江流域、东南沿海、华南以及云贵川等地。近年来，随着引种技术的成熟，已经突破38°N不能种植茶树的界限，山东的青岛、日照、莒南、临沂及河北的灵寺、山西的临汾等地茶树种植均获得成功，其规模、产量及市场占有率不断扩大。据调查，河南省适宜种茶面积约 2 667 km2，而实际种植面积截至2013年底仅为1 400 km2。可见，河南茶叶发展空间巨大。河南属江北茶区的主产区，茶园主要分布于大别山区、桐柏山区、伏牛山区和汉水流域，其中豫南大别山和桐柏山地处北亚热带向暖温带过渡区域，是中国十大名茶之一“信阳毛尖”的原产地和众多省内名优茶主产区，该区域产茶历史悠久，拥有河南 90%以上的茶园［1-5］。

目前，国内在茶树气候适宜性及其区划方面取得的研究成果较多。张玮玮等［6］用模糊综合评价法对湖北省茶树种植实现了基于千米格网的气候适宜性区划，为其他茶区开展种植区划提供了重要参考依据。蒋宗孝等［7］利用地理信息系统和 Arcview软件将三明市茶树生产分为3片区域：乌龙茶为主绿茶为辅区、绿茶为主乌龙茶为辅区、绿茶与乌龙茶并重区，并提出茶叶生产趋利避害的措施。周旭等［8］应用遥感技术划分都匀毛尖茶种植适宜地和不适宜地，选择海拔、坡度、坡向、土壤 pH值、≥0℃积温、年降雨量、空气相对湿度共7个评价因子，通过专家打分确定各因子权重，实现毛尖茶适宜种植地区具体评价，最后根据评价结果分析各等级适宜地区空间分布，并提出都匀毛尖茶树种植布局建议。李湘阁等［9］利用模糊数学方法，对南京地区茶树生长气候适宜度进行了计算和分析，探讨了不同郊县和郊区茶树种植的气候适宜状况。这些研究成果对我国茶叶产业的发展起到了很大促进作用。

地理信息系统 ArcGIS在农业气候区划中，以空间及属性数据的分析操作为特征，进行空间数据的叠加分析、缓冲区分析等重新分析出新的信息，产生专题地图从而为制定科学决策提供依据。例如，采用GIS的模型功能根据站点的观测资料内插生成年积温分布图、年降水分布图等专题地图，然后对地图数据和数字高程模型（DEM）进行叠加分析，生成农业气候区划专题图。本研究在GIS平台的支持下，运用层次分析法对河南省茶树种植实现了精度为250 m格网的气候适宜性区划，其区划结果的精确度大大提高，为我国“南茶北移”提供了重要理论参考依据。

1 资料来源

气象数据来源于河南省气候中心整编资料。包括河南省 119个气象台站 1971～2010年的气温、降水、相对湿度、日照时数等逐日气象数据。

经度、纬度及海拔高度等地理信息数据来源于国家基础地理信息中心提供的河南省1∶250 000基础地理数据，应用GIS技术提取地市级以上行政边界。

产量数据来源于《河南农村统计年鉴》及《河南年鉴》，从中选取了河南省23个主要茶树种植市、县（区）1997～2008年的茶叶产量资料。

2 茶树种植气候区划

茶树是一种喜温、喜湿、喜漫射光的多年生常绿植物［10］，需要在一定的适宜气候条件下才能正常生长。在茶树生长期间，日照百分率高，直接辐射多，会降低茶叶品质，日照百分率若小于45%，茶叶品质较优，若小于40%则品质更好［11］。中高山、多云雾、冷凉山区日照百分率小，优质茶叶多产于这些地区，这也印证了“高山云雾出好茶”的说法。

一般年平均气温在13℃以上，全年≥0℃的积温在 3 000～4 500℃以上，年极端最低气温-10℃以上的地区，可以种植茶树。通常日平均气温稳定过 10℃时，茶树开始萌发，当气温在 20～30℃，茶树生长旺盛，气温大于35℃，则新梢生长缓慢。

年降水量≥1 000 mm的地区适宜种植茶树；不足 1 000 mm，但茶树生长期间，雨量分布均匀，仍不会造成影响；若连续数月雨量小于50 mm，空气相对湿度低，则茶树易发生干旱危害，影响茶芽的萌发，同时相对湿度和干燥度的大小还会影响茶叶的品质。

2.1 确定气候区划指标，建立空间分析模型

茶树是多年生树木，影响其生长发育和产量形成的气象因子很多。利用SPSS统计分析软件建立茶叶产量与气象因子的统计回归模型，确定出关键气象因子，把通过相关性检验的年平均气温（Ty）、3～4月平均气温（T3-4）、极端最低气温（Tmin）、年均降水量（Ry）、4～10月降水量（R4-10）、年平均相对湿度（Uy）、干燥度（Dy）、年日照百分率（KS）8个气象因子作为河南省茶树种植气候区划指标。

根据河南省 119个站点气候资料，整理出 1971～2010年区划指标值，运用数理统计方法［12］建立气候区划指标与经度、纬度和海拔高度的空间分析模型（表1）。

表1 气候区划指标的空间分布模型Table 1 Spatial distribution model of climatic zoning index

2.2 区划指标等级确定

茶树生长不仅受气象因子影响，而且受海拔高度的影响也比较大，在此我们引入海拔高度因子，作为区划指标。为便于分析和最后评价结果的量化表达，将各种区划指标进行量化分级处理，3表示适宜、2表示次适宜、1表示不适宜（表2）。

2.3 区划指标权重的确定

2.3.1 构造判断矩阵及确定区划指标权重

本文应用层次分析法（AHP）确定各区划因子的权重。将同一层中各因素相对于上一层进行两两比较，对每一层中各因素相对重要性给出一定的判断，采用1～9比率标度进行定量化，并进行因素之间的两两比较，从而形成判断矩阵［13-14］。该判断矩阵必须满足 aii=1，并且若 aij=k，那么 aji=1/k。只有满足上述特征的判断才具有安全一致性。

首先确定每两个因子i和j之间的相对重要性，为此本文设计了几个等级值（假定i和j至少同等重要）如下所示：

1：i和j同等重要

3：i比j稍微重要

5：i比j明显重要

7：i比j强烈重要

9：i比j绝对重要

它们之间的数2、4、6、8及各数的倒数具有相应的类似意义。

我们将前面研究选定的9个因子，划归为日照、海拔、温度和水分四大类，然后对这四大类因子构造判断矩阵，根据判断矩阵利用和积法计算各因子的权重值。

将判断矩阵每列按下式正规化，得到表3。

运用层次分析法，经过计算，最终确定各区划指标的权重分配，如表4。

表2 茶树气候区划指标及其等级量化表Table 2 Indices for tea climate regionalization and their rating scores

表3 因子判断矩阵及其正规化Table 3 Factor judgment matrix and its regularization

表4 区划指标权重分配表Table 4 Weight distribution of zoning indices

2.3.2 CR检验

为了判别区划指标的权重是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验，检验公式为：

公式（1）中 CR为判断矩阵的一次性比率；CI为判断矩阵的一致性指标，由公式（2）给出。当CR＜0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数的分配合理，否则就需要对判断矩阵进行调整。本文利用yaAHP（层次分析法）软件分别对主因子日照、海拔、温度、水分指标，及其下面的分级指标构成的判断矩阵分别进行一致性检验，结果表明，无论是单排序矩阵还是总排序矩阵均通过了一致性检验，CR=0.0542＜0.1，表明判断矩阵具有满意的一致性，说明表4中的因子权重分配是合理的。

2.4 区划因子隶属度

隶属度函数计算公式为：U（X）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）式中，U（X）为隶属度值，X为每个特征值，Xmin为最小特征数值，Xmax为最大特征值。

将表 2中各气候区划指标值分别代入相应的隶属函数公式，可得到模糊转换矩阵X。

2.5 评价方法

本研究评价模型采用的是基于 GIS的加权指数求和法。即根据不同区划指标影响强度的差异，给定与该区划指标强度相对应的权重将区划指标的权重和评价值的乘积之和作为量化指标进行分级，其评价模型为：

（i=1， 2， 3……119评价单元；j=1，2，3……9区划指标）

式中：Yi为评价目标的得分；Pj为第j个区划指标的权重；Xij为评价单元i在区划指标j上的评价值；m为区划指标数。

2.6 综合区划指数

根据计算结果，征求部分专家意见，结合河南省茶树种植实际情况，确定农业气候区划综合指数。将综合区划指数值≥0.52定为适宜区，综合区划指数值在0.47～0.52之间定为次适宜区，综合区划指数值≤0.47定为不适宜区。

3 结果与验证

3.1 区划结果

建立茶树区划关键气候因子与经纬度、海拔高度的回归模型，将站点资料插值到250 m细格网上。根据河南省茶树种植综合区划指数分级标准，在GIS平台下，把河南省茶树种植气候适宜性划分为适宜、次适宜和不适宜 3个等级（图1）。利用GIS软件，计算出图中各适宜性等级的面积及占河南省国土面积的比例。

3.1.1 适宜区

河南省茶树适宜种植气候区的面积约为19 107 km2，占河南省国土面积的 11.8%。集中分布在豫南信阳各县（区），驻马店正阳县南部，南阳桐柏县东部及南部山区，省直管固始县以及新蔡县南部地区。

该地区位于桐柏山和大别山北麓，从南向北依次为山地、浅山丘陵和平原，平原面积较小，以中高山地和浅山丘陵地形为主，坡度缓和，土壤以砂质黄棕壤为主，pH值一般在4.5～5.0之间。气候温暖湿润，水热资源丰富，冬季极端最低温一般在-7℃以上，春季茶萌动期的3～4月份日平均气温在12℃以上，终年云雾萦绕，年均空气相对湿度在75%以上，日照百分率小于43%，在这种气候生态环境中，茶树生长正常，叶质柔软，持嫩性好，内含水浸出物等有效成分较高，用这种鲜叶可制成高质量的绿茶。“信阳毛尖”、“桐柏玉叶”等省内一批知名品牌高端茶叶均产自上述地区。

3.1.2 次适宜区

河南省茶树次适宜气候种植区面积约 46 493 km2，占国土面积的 28.8%。主要分布在黄淮平原的南部以及南阳盆地的大部，具体包括：驻马店和南阳的大部，周口的中南部，漯河的南部，平顶山的东南部，省直管县新蔡县的中北部以及邓州市。该地区以平原和盆地为主，地势从西向东由高到低，土壤以黏质水稻土为主，pH值在5.5～6.5之间。气候较适宜，水热资源充裕，年降水量900～1100 mm，干燥度在0.7～0.9之间，年极端最低气温多年平均值在-10～-7℃，日照百分率为 43%～45%，海拔高度较低，在这种气候环境下，茶叶的叶质厚而硬，内含纤维素较多，持嫩性差，可用来制作中低档大宗绿茶或红茶。

3.1.3 不适宜区

河南省茶树不适宜气候种植区的面积约95 827 km2，占国土面积的 59.4%。主要分布在广大的黄淮平原中、东部，豫西及豫北山地，以平原、海拔较高的山地、河滩地为主。

该区年降水量小于900 mm，年极端最低气温多年平均值在-10℃以下，个别年份甚至更低，年相对湿度小于70%，干燥度在1.0以上，日照百分率大于45%。在这种环境下，茶树极易遭受冻害和干旱，土壤多碱性，不宜盲目发展茶叶生产。

图1 河南省茶树种植气候区划Fig. 1 Comprehensive regionalization of tea planting in Henan Province

3.2 结果验证

从《河南农村统计年鉴》及《河南年鉴》中选取资料为较完整的1997～2008年23个主要茶树种植市、县（区）产量，对其进行分类，将单产在 400 kg·hm-2以上的地区设为适宜种植区，100～400 kg·hm-2的地区设为次适宜种植区，而100 kg·hm-2以下的地区设为不适宜种植区，然后与气候适宜性区划结果进行对比，可以看出23个主要茶树种植市县（区）中有13个县（市）区一致，4个县（市）区较一致，6个县（市）区不一致（表7），本研究结果与实际种植情况吻合度较高，说明基于气候适宜度的种植区划准确度较高，对指导河南省茶树科学种植具有重要的参考价值。

4 结论与讨论

（1）在充分考虑气候条件的前提下，兼顾了海拔因子，研究得出河南省茶树种植适宜性指标，在 GIS平台下，实现了基于 250 m细格网的精细化区划，充分反映茶树生长的局地性差异，对茶树种植科学规划及精细化管理具有一定的应用价值。

表7 茶树适宜种植气候区划验证表Table 7 Validation of climate regionalization of tea planting in Henan province

（2）研究中对河南省茶树种植适宜性区划采用基于层次分析法的加权指数求和，结合地理信息系统，将河南省茶树种植分为适宜、次适宜和不适宜3个种植区，这对开展高纬度茶树种植气候区划，具有一定的创新性。

（3）经气候区划结果与实际种植情况进行对比验证，结果发现两者的吻合度较高，说明区划结果能够较真实地反映河南省茶树种植状况，对河南省茶树科学种植具有重要指导作用。

（4）由于在选择区划指标的时候，主要考虑的是气象和海拔因子，没有考虑到土壤特性及pH值、地形以及茶树品种间的差异，所以导致区划结果在验证时出现局部地区区划等级与实际情况存在差异的情况。建议在基于茶树种植气候适宜性区划指标的基础上，继续深入研究，引入土壤、地形及品种因子指标，从而确定出更加科学合理的区划指标，为河南省茶树种植布局提供更加科学的区划结果。茶叶产量数据的不连续和不完整，也使得区划结果不可避免有所出入。

（5）研究中选用的茶树气候区划指标是在前人的研究成果，以及对当地茶树栽培经验和总结的基础上，结合本研究区域，通过统计软件进行分析，最终确定而成。以此作出的结果虽然能够较高程度地反映种植实况，但在今后的实际应用中还需要不断修正与完善，从而使区划结果更加合理。

参考文献

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中图分类号：S571.1；P401

文献标识码：A

文章编号：1000-369X（2016）03-330-07

收稿日期：2015-12-21

修订日期：2016-01-25

基金项目：中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室开放科研基金项目（AMF201306）

作者简介：赵辉，男，高级工程师，主要从事农业气象方面的研究，E-mail:pqqxj6868@126.com。*通讯作者：dzxbutry@163.com

Study on the Climate Regionalization of Tea Plant in Henan Province

ZHAO Hui1，2， MI Hongtao3， DU Zixuan1，4*， JIN Kaimei5
1. CMA·Henan Key Laboratory of Agro-meteorological Support and Applied Technique， Zhengzhou 450003， China；2. Xinyang Agro-meteorological Experimental Station， Xinyang 464000， China； 3. Xinyang city bureau of meteorology，Xinyang 464000， China； 4. Henan Institute of Meteorological Sciences， Zhengzhou 450003， China；5. Henan tea Engineering Technology Research Center， Xinyang 464000， China

Abstract:Based on the climate data of 119 meteorological stations from 1971 to 2010 in Henan Province and the biological characteristics of tea plants， the key meteorological factors affecting the growth and yield of tea plants were identified. The correlation coefficients between the meteorological factors and the yield were calculated and the significant correlation factors were selected as the climatic zoning indexes. By using of Analytic Hierarchy Process （AHP） to construct the judgment matrix of each index and test the consistency of the judgment matrix， the weight of each index was determined. Using the weighted mean method to calculate the comprehensive regionalization index of tea planting in Henan Province， the climate suitability regionalization with a fine mesh accuracy of 250 m was achieved based on the GIS platform. The area was divided into 3 grades: suitable， sub-suitable and unsuitable. The suitable， sub-suitable and unsuitable areas accounted for 11.8%， 28.8% and 59.4% of the total evaluation area， which were coincident with the actual tea planting situation in Henan province. The results provided a basis for scientificlayout of tea planting in Henan province.

Keywords:analytic hierarchy process， weighted index sum method， climatic suitability regionalization， result verification