基于GIS的云南南涧茶树种植气候适宜性区划

黄春娟 赵尹强 易小蓉

摘 要：

依据南涧国家一般气象站和区域自动站常年地面观测气象资料，采用年平均气温、年降水量、年相对湿度、土壤pH值、≥10℃积温和海拔高度6个因子作为南涧茶树气候适宜性区划指标。利用GIS技术将南涧茶树种植气候区划划分为4类区域。结果表明，南涧县茶树种植气候最适宜区主要分布在南涧县南部的公郎镇、无量山镇和小湾东镇，无量山和哀牢山层峦叠嶂，气候温暖湿润，具有茶树生长的优越条件。

关键词：

云南南涧;茶树;GIS;适宜性区划

中图分类号：S16

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230042

引言

南涧县地处云南省横断山脉纵谷区和我国西部热带海陆季风区域，无量山和哀牢山层峦叠嶂，气候温暖湿润，具有茶树生长的优越条件。南涧县茶区属于高海拔茶区，“高山云雾出好茶”所生产的茶叶品质优异。“南生嘉木，涧育香茗”、“无量山高，南涧茶好”成了南涧茶叶的真实写照，也得到了刘勤进、程启坤、施兆鹏、周红杰等专家的充分肯定[1]。目前，全县茶园面积7337hm2，茶园大多分布在无量山和哀牢山海拔1700～2400m之间，茶林相依、和谐发展是南涧茶园的一大特色，生产绿茶、普洱茶、红茶、乌龙茶、白茶5大类系列产品。种茶农户达2.6万户、从业人员近8万人，茶产业在南涧县脱贫攻坚和乡村振兴占据着重要地位。2018年南涧毛茶总产量600万kg，实现茶叶总产值9.45亿元，2019年茶产业被南涧县列为“一县一业”重点发展产业。

南涧县茶叶规模化种植始于1938—1939年，至今已经有80a的历史。王明等[2]曾在哀牢山大叶种茶种植的气候优势和类型分区研究中将南涧列为不适宜种植大叶种茶叶的区域，考虑到当时使用的气象资料有限，这与南涧茶树种植现状不符合。随着气象监测站点的逐渐加密与气象资料种类的不断丰富，研究更新南涧的茶叶气候适应性区划势在必行。希望通过最新的资料来明确气候背景条件下，南涧适宜种植茶树的区域，以期为南涧县茶叶种植布局优化和趋利避害、防灾减灾提供气象力量。

1 资料和方法

1.1 使用数据

1.1.1 基础地理信息数据

本研究所使用的地理信息数据是南涧县1∶25万基础地理信息数据和1∶25万DEM数据。

1.1.2 气象资料

收集1981—2018年包括南涧县国家一般站及南涧县辖区内所属的28个区域自动站完整、连续的地面气象资料，包括降水量、平均气温、极端最高气温、极端最低气温、相对湿度和各界限温度的积温等。

1.1.3 农业生产资料

从南涧县农业农村局和南涧县茶叶工作站得到南涧县2016年茶叶的种植面积、产量，及南涧县茶叶种植现状分布图等资料。

1.2 技术路线

1.3 研究方法

为研究农业气候条件对南涧县茶树种植适宜性的影响，整理了南涧县28个乡镇区域站的气候数据，主要的气候要素为历年各月、年的平均气温、降雨量、≥10℃的积温及海拔高度等。将各气候要素进行归一化处理，忽略单位的影响，将上述数据导入GIS系统，再进行插值处理。对海拔高度进行订正，建立各要素与海拔高度的回归方程，各回归方程都通过信度为0.05的显著性检验，将通过海拔高度订正后的各要素用反距离权重插值法进行水平订正。根据要素的分布和1∶250000地理数据，输出间隔1km的各个点，从而得到全县范围内的格点数据。

从全国茶树气候区划[3]和云南省茶树种植气候适宜性[4]分析的结果并综合考虑南涧的茶树种植区气候特点，列出南涧县的茶树种植适宜性区划指标。依据指标来制作南涧县的茶叶气候适宜性区划图，并结合本县社会经济条件和农业生产发展水平等因素对南涧县茶叶气候资源可持续发展能力进行综合性评价，最终提交南涧县茶树种植气候适宜性区划细化报告。

为了消除指标之间的量纲差异，要对每一个指标进行归一化处理：

xi=xi-xi，minxi，max-xi，min（1）

式中，xi，max和xi，min 分别为某个指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 基于GIS的南涧县区划指标要素细网格推算

2.1.1 气温推算

南涧县是典型的山区县，97%的国土面积都是山区，山地的气温分布受到影响的因素较多，如地理环境条件、海拔高度、下垫面状况以及大气性质等[5]。局地条件下海拔和地形因素對气温的影响明显[5]。南涧县的气温推算利用南涧1个一般站和8个乡镇2要素站的气温值进行订正，建立了月年平均气温与气象站经度、纬度和海拔高度的统计模式[6]，模型如下。

T=i+j×λ+k×φ+l×h（2）

式中，T为气象站的月平均气温，λ/φ分别为格点的经度和纬度;h为海拔高度（单位：m），i、j、k、l分别为回归系数。运用GIS中的栅格计算工具计算出南涧县的逐月气温分布空间分布[5，7]，再逐月累加出南涧县的年平均气温的空间分布。

如图2所示，南涧年平均气温的分布特点是南北高，中间低。年平均气温高的地方主要分布在南涧镇盆坝区，小湾东镇和公郎镇澜沧江河谷地区。气温较低的地方主要分布在无量山和哀牢山高海拔区，包括无量山镇北部，公郎镇、拥翠乡和宝华镇的交界，以及南涧北端太极顶山附近。

茶树是亚热带常绿经济作物，喜温暖湿润气候。≥10℃的持续时间称为喜温作物的生长期。如图3所示，南涧≥10℃的积温年平均4000～6000℃的分布范围最广，适宜茶树生长的热量条件较好。

2.1.2 降水量推算

对降水进行空间插值运算：对于一个半径上限固定但可自动伸缩的信息圆（移动信息窗），在任一欲插值的网格点上，选择距其最近且对其影响最大的n个测站作为信息来源。对测站的降水与海拔高度进行回归建模，改进距离权重方法，同时考虑测站方位角的影响，对降水进行空间插值运算[7，8]。

对于任一欲插值的网格点J，搜索与其距离最近、影响最大的n个（一般取15）测站作为信息来源，以海拔、经纬度、方位因子等作为环境参数。根据观测站点的海拔与降水量观测值采取线性回归方法，建立海拔与降水量之间的回归方程，同时引入距离、方位权重，依托地理信息系统技术（GIS）、移动开窗技术集成来实现并完成降水的空间插值[8，9]。

计算距离权重：在信息圆搜索的距离确定的情况下，测站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[5]：

Di=0di>Rpexp-diRp2a-e-adi≤Rp（3）

式中，Rp是相对于插值点P的搜索半径，α是无量纲参数。Rp的大小依赖于测站密度，为保证插值精度，足够的测站是必须的。因此，信息圆的半径是可伸缩的，Rp是一个变量，它随格点周围测站分布密度的变化而变化，本项目中的插值站点数目为15。

计算方位权重：南涧县地处低纬山区，大部地区受偏南季风影响。不同方位的插值站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[4，5]：测点Pi （ i = 1 ，2 ， 3 ， 4） 相对于格点中心P分布如图4所示，4个点到点P的距离相等，但是P4点相对于其余3点要独立得多。距离PP4 虽然与PP1 、PP2 相等，但是空间位置却不同，其对点P的影响也就有所差异。因此，引入方位权重来表示插值点的不同方位上的测站对其对插值结果的影响[5]。

引入pi和P之间的夹角余弦作为空间布局的一种度量，通过投影进行测量，则不同测站相对于点P的方位对估值P的影响可以表示为[5]：

ai=∑dj∈c*Dj（1-cos（∠PjPPi））∑dj∈c*Dj（4）

式中，C*为选定的移动信息窗的范围，即搜索半径r包括的范围。

cos∠PjPPi=（x-xi）（x-xj）+（y-yi）（y-yj）didj（5）

因为-1≤cosθ≤1，所以0≤ai≤2。当Pi 和其余测站大都在P的同一方向时，有（1- cosθ） 约等于0，说明此时测站Pi对P点的估值的影响完全取决于距离，而与方向无关。当Pi在其他测点的相反方向上，则ai 约等于2，说明此事方位的影响达到了最大。其余的分布特点就位于同一方向和相反方向之间。

综合考虑方位和距离的权重函数为：Wi = Di （1 + ai ）。在估计降水时，对参与估值的测站的降水量与海拔高度作加权最小二乘回归分析。

P1-P2P1+P2=β0+β1（Z1-Z2）（6）

p1和p2为搜索半径内任意两点的观测值，z1、z2为测点海拔;β0、β1为回归方程系数。最终建立插值点的降水量（pp）：

PP=∑ni=1WiPi+1+f1-f∑ni=1Wi（7）

式（7）中，f=β0+β1（ Zp一Zi ）。要求│f│<1.0，并规定当│f│>0.95时，│f│=0.95[5]。

降水量是影响茶树种植的重要气候条件，如图5所示，南涧县降水分布呈现北少南多的特点。降水较多的地方为无量山镇、公郎镇东部以及乐秋乡，这些地方年降水量在1000mm左右，特别夏季，无量山脉西侧处于西南暖湿气流的迎风坡，降雨充沛，空气湿度大，特别适宜茶树的生长发育。

2.2 南涧县茶叶种植区划指标

2.2.1 南涧县茶树种植气候适宜性条件分析

2.2.1.1 海拔高度

南涧地形复杂，起伏较大，气候差异在垂直方向上明显，海拔最高和最低点的气温相差13℃左右，根据《南涧县农业气候资源区划》及《南涧茶业》，南涧县优质茶叶主要分布在1700～2400m的区域。

2.2.1.2 气温

茶叶萌发的温度是日平均气温超过10℃，当空气温度为10～35℃时，茶树可正常生长，特别在20～25℃时，茶树新梢生长最快，当温度大于35℃，茶树将停止生长[10]。春季茶树出现的萌动现象，是在冬季茶树休眠时积累了一定热量之后表现出来的。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，需考虑10℃以上的积温或日平均气温的持续天数[10]。当茶树生长所需的水分条件充足时，在一定积温范围内，生长期积温越高，生长期持续时间越长，鲜叶的采摘批次就越多，期产量也越高[2]。云南大叶种茶对积温的要求较严，一般要求≥10℃的年积温在4000℃左右。

2.2.1.3 降水

茶树所需的大部分水分来自土壤，通过根系吸收，土壤的水分狀况又与自然降水密切相关;还有一部分来自大气（即空气中的含水量）。从临沧地区茶叶产量与降水量的关系研究得出：茶叶的产量与年降水量呈正相关，尤其是和大气的平均水汽压相关最显著，其相关系数为0.8492，因此降水在一定程度上决定了茶叶的产量和品质。结合南涧县茶叶物候观测结果来看，在茶树生长期中，平均每月需80mm的降水量才能满足南涧高山茶树的生长所需，茶树适宜的年降水量下限为800mm，最适宜降水量为900～1500mm。

2.2.1.4 土壤条件

茶树对土壤有一定要求，一般要求土层深厚、排水良好，特别要求土壤呈酸性，土壤pH值在4.5～5.5为最适宜，pH值>6.5的土壤不能种植茶树[1]。

综合考虑南涧县茶叶种植的实际情况，发现影响茶树生长的主要因子包括地理因素、气候条件及土壤条件。其中地理因素包括海拔、坡度、坡向等。气候条件主要有气温、降水量及空气相对湿度等。土壤条件主要为土壤pH值。本研究选取了年平均气温、≥10℃活动积温、年降水量、年相对湿度、海拔高度、土壤pH值共6个因子来确定南涧县的茶树种植气候适宜性区划指标。

2.2.2 南涧茶树种植气候适宜性区划指标

南涧县确定茶叶适宜性区划指标的原则：充分考虑优质稳定高产云南大叶种茶叶的原产地气候特征。结合南涧县茶叶生产实际，突出南涧县茶叶生态适宜性气候特征。同时基于南涧县各地影响茶叶生长生产的主要气象要素的时空分布状况。并借鉴吸收国内外各研究机构在国内、省内及大理州进行的种植、试验、研究、成果等原则确立了南涧茶叶气候适宜性区划指标，如表1所示。

2.3 区划结果分析

从区划结果来看（图 6），南涧在无量山镇、公郎镇、小湾东镇、碧溪乡、宝华镇、拥翠乡和南涧镇8个乡镇72个村委会均有符合茶树适宜生长的条件存在。为了方便识别南涧分区的茶树种植适宜性，以南涧县现有的1个一般站，4个6要素乡镇自动站和4个2要素乡镇站所测的年平均气温和降水量统计结果与给定的南涧茶叶气候适宜性区划指标相比较排出名次，结合南涧县茶叶产区分布状况的实地调查，规定名次总数和A：当3≤A<5时为最适宜区，当A=5时为适宜区，当5

2.3.1 最适宜区

该区各项气候适宜性区划指标名次总数和A为3和4，主要分布在南涧县的公郎镇、无量山镇和小湾东镇，其中樱花谷站位于无量山镇。公郎镇茶区主要分布于凤岭、龙平、新合、官地、沙乐和自强。无量山镇茶区主要分布于德安、新政、古德、光明和保平。小湾东镇茶区主要分布于营盘、龙街和新龙。

本区无量山贯穿全境，海拔高度在1700～2200m之间，年平均气温在14～18℃，年极端最低气温为0.7～2.3℃，≥10℃的积温为4178℃·d，年降水量在900～1500mm，年平均相对湿度78%，该区主要位于澜沧江流域附近和无量山脉，高大的无量山脉使得该茶区形成“长夏无冬，秋去春来”的特殊气候。夏季，山脉西侧处于西南暖湿气流的迎风侧，雨量充沛，空气湿度大，土壤微酸，有机质含量丰富，自然条件优越。整体而言，该区产出的茶叶叶底嫩匀明亮，汤色橙黄明亮，香气浓郁，滋味憨厚回甘。无量山镇、公郎镇和小湾东镇拥有的茶园面积在全县8个乡镇中是唯一的3个万亩以上茶区，截至2019年，全县共有茶园达7337hm2，该区3个乡镇合计茶园面积为5095.88 hm2，占全县茶园总面积的70%。该区3个乡镇2016年茶叶总产量348.98万kg，占全县茶叶总产量的70%，因此为茶树生长最适宜区。

2.3.2 适宜区

该区各项气候适宜性区划指标名次总数和A为5，主要分布在南涧县的碧溪乡、乐秋乡和宝华镇。碧溪乡茶区主要分布于凤仙、松林、回龙山和凤凰山茶场。宝华镇茶区主要分布于拥政、白竹和无量村委会。乐秋乡茶区主要分布于麻栗和上虎村委会。该区海拔高度大致在1900～2300m之间不等，年平均气温在14～16℃，≥10℃的积温乐秋乡和宝华镇在3500～4000℃·d，碧溪乡大部分地区为5000～6000℃·d。年极端最低气温为-3.3～1.1℃，年降水量在700～1000mm，年平均相对湿度72%。该区整体热量条件较好，受到黑惠江和乐秋河水系的影响，降水条件较好。但由于海拔较高，山地多，土壤蓄水能力较差，多为砂质土。该区3个乡镇2016年茶叶总产量115万kg，占南涧县茶叶总产量的23%。整体而言适宜茶叶的生长发育，为茶树生长适宜区。

2.3.3 次适宜区

该区各项气候适宜性区划指标名次总数和A为6，主要分布在南涧县的拥翠乡。拥翠乡主要的茶区分布于龙凤、安立、拥翠和胜利村委会。该区海拔高度大致在2000～2200m之间不等，年平均气温15.7℃，年极端最低气温为0.6℃，年降水量在744.5mm，年相对湿度在65%～70%。该区热量条件较好，适宜茶树生长所需要的温度条件。但是该区降水量不及适宜区，大部分地区为旱区，气候干燥，不利于茶树的生长发育，茶叶产量低，2016年拥翠乡茶叶总产量31万kg，占南涧县茶叶总产量的6%，因此为茶树生长次适宜区。

2.3.4 不适宜区

该区各项气候适宜性区划指标名次总数和A为10，主要分布在南涧县的南涧镇。南涧镇茶树种植分布范围较少，该区海拔高度大致在1370m左右，年平均气温19.3℃，年极端最低气温为-1.2℃，≥10℃的积温为6998.9℃·d，年降水量在760.5 mm，年相对湿度为63%。该区热量条件充足，海拔高度较低，降水条件差，气候干燥，大部分地区为旱区，尤其冬、春干旱，土壤属于碱性，不适宜茶树的生长发育。还有一些不适宜种植区分布在海拔2600m以上的山区，这些地区常年年平均气温偏低，≥10℃活动积温较小，特别冬季气温偏低，容易发生茶树低温冷冻灾害，因此无法满足茶树生长所需要的气候条件，不适宜种植茶树[11]。

3 结论与讨论

本研究基于GIS技术，依据南涧县的年平均气温，海拔高度，≥10℃活动积温，年降水量和年相对湿度共5个因子划分了南涧县的茶树种植气候适宜性区划，结果表明，适宜区主要分布在南涧县海拔1800～2200m的無量山脉和哀牢山地带，说明南涧县的高山茶特征明显。对于南涧高海拔和河谷地区由于温度较低或较高都不适宜茶树的生长。南涧县的地形复杂，“一山分四季，十里不同天”，各种气象灾害也频发，因此通过该研究可以直观反映南涧县境内的茶树适宜种植区分布情况，具有一定的推广价值。同时弥补了以往气候资料稀少导致的误认为南涧不适宜种植茶树的相关研究，为南涧县合理规划茶区提供了科学依据。

茶树生长过程中会受到各种自然因素的影响，其中气象因子占据了主导地位，结合南涧县推广的“合格茶农”新型茶叶产业经营模式，各地可以根据区划分布结果，结合本地气候特点制定适合本地的茶树生产发展建议。气象工作者也可以结合该区划结果不断拓展南涧县的茶叶气象服务能力，对南涧县茶树种植布局优化和高产优质发展具有重要意义。

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作者简介：

黄春娟（1994-），女，本科，助理工程师。研究方向：气象灾害监测预报服务。