基于GIS的茶葉生產適宜性區劃研究
——以旺蒼縣為例

鄒雨伽，楊 柳，張秀瓊，謝士娟，馮文帥，張玉芳

1.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；2.四川省農業氣象中心，成都 610072；3.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，成都 610072；4.四川省農村科技發展中心，成都 610041

茶樹(CamelliasinensisO.Kuntze)為中國特色經濟作物，多種植于長江流域、東南沿海、華南以及云貴川等地[1]．旺蒼縣種茶歷史悠久，是全國首批有機產品認證示范縣、國家綠茶標準化示范區及四川省33個“南茶”基地縣之一[2]．截至2019年底，旺蒼全縣茶園總面積達1.43萬hm2，認證國家茶葉綠色食品原料基地0.66萬hm2，建成萬畝茶葉現代農業園區8個，茶葉產量6 800 t，茶業綜合產值達15.3億元[3-4]．但當前旺蒼縣茶葉生產多為農戶分散經營，茶園種植地布局分散，基礎設施滯后，產業結構粗放等問題突出，與產業規模化、標準化發展不相匹配．結合旺蒼縣自然條件，合理評價茶樹生產生態適宜性，對旺蒼縣茶產業發展規劃、結構改善有重要意義．

目前，茶樹種植適宜性方面已有一定研究[5-8]．對于四川省茶葉的生產研究，陳紅旭等[9]就茶區適宜機采的茶樹品種進行了篩選，尹娟等[10]、王寧瓊[11]分別就樂山市、宜賓市珙縣茶葉種植氣候區劃進行了探討，而針對旺蒼縣的茶葉生產區劃研究鮮見報道．同時前人的研究多關注氣候因子，忽略了地形地貌及土壤因素對生產的影響，且氣象要素多通過空間插值獲得，精細化程度不足．本研究依托ArcGIS平臺，結合數理方法及空間插值模擬氣候要素空間分布，綜合考慮氣候、地形地貌和土壤對茶樹生長的影響，建立旺蒼縣茶葉生產生態適宜性評估模型，就旺蒼茶葉生產進行分區討論，為其生產規劃提供參考建議，助力茶葉產業轉型升級．

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

旺蒼縣(105°58′24″-106°46′2″E，31°58′45″-32°42′24″N)隸屬于四川省廣元市，位于四川盆地北緣，米倉山南麓，為亞熱帶濕潤季風氣候，降水充沛，光熱資源豐富，四季分明，山地氣候明顯．旺蒼縣地貌復雜，相對海拔380～2 281 m，地勢北高南緩，腹部低平．縣境內山、丘、壩兼有，其中部為河谷走廊，有一條東西走向的槽谷地帶橫貫全境，北部屬高寒山區，喀斯特地貌特征明顯，南部屬中山區，崇山突兀，壑谷縱橫．

1.2 數據來源

氣象數據來自四川省氣象局，包括旺蒼縣及其周邊市縣共30個地面氣象觀測站1980-2018年逐日平均氣溫、日最低氣溫、日照時數、降水量及各站點經度、緯度、海拔等地理屬性數據．地理信息數據為1∶50萬數字高程模型(DEM)，由四川省氣象信息中心提供．土壤數據來源于旺蒼縣土壤普查辦公室出版書籍《四川省旺蒼縣土壤普查表冊匯編》[12]，通過GIS平臺進行柵格化處理．

1.3 研究方法

1.3.1 旺蒼縣茶葉生產生態區劃指標確定

茶樹喜溫濕，喜光，耐陰怕曬[13]，自然條件下隨季節輪性生長，我國大部分茶區自然生長的茶樹新梢生長和休止全年有3次，即越冬萌發-第一次生長-休止-第二次生長-休止-第三次生長-冬眠．其中第一次生長的新梢稱為春梢，第二次稱為夏梢，第三次稱為秋梢．溫度作為影響茶樹生長的重要條件，既決定茶樹的地理分布，也制約其生長發育速度．茶樹對溫度敏感，多數品種的最適生長溫度為20～30 ℃，一般認為茶樹生物學最低溫度為10 ℃，當平均氣溫穩定于10 ℃以上時新梢開始萌發，其生長需大于10 ℃的活動積溫3 000 ℃以上；當日平均氣溫上升到30 ℃以上時，茶樹芽、葉生長受到抑制，如氣溫持續幾天超過35 ℃，新梢會出現明顯受害狀，幼嫩枝葉呈萎蔫狀；不同茶樹品種、同一品種不同樹齡耐低溫能力不同，一般中、小葉種茶樹經濟生長最低氣溫界限為-8～-10 ℃，大葉種為-2～-3 ℃，一般早春遇0 ℃以下低溫，開采期推遲，影響產量和品質．水分是茶樹在生長發育過程中不可或缺的，世界產茶區域年降水量多在1 000 mm以上，最適宜栽培茶樹生產地區年降水量約1 500 mm，相對濕度在80%～90%，日照百分率45%以下時，最適宜出產高品質茶葉[14-20]．

地形地勢包括海拔、坡度、坡向等，地形地勢通過影響水、熱、土、肥等分配而影響作物生長．研究指出茶樹種植適宜高度一般在1 000 m以下，海拔在400～800 m時，茶葉品質最佳[21]．坡度過陡，水分流失多，土壤受侵蝕可能性加大，土層變得淺薄而貧瘠[22]，當坡度>25°時國家明令退耕，不適合種植茶樹[23]．坡向不同，日照時間、輻射強度及其地表蒸發量不同，偏南坡向能獲得較多日照，溫度高，但濕度較低，一般偏南坡茶樹生長勢春、秋兩季優于夏季，偏北坡則相反，因當前旺蒼縣茶產業以春茶生產為主，故研究以偏南坡為適宜[14]．

茶樹喜偏酸性土壤，土壤偏堿性時茶樹生長逐漸停滯甚至死亡．土壤pH值為4.0～6.5時適宜茶樹生長，pH值為4.5～5.5時為最適，有利于高品質茶葉產出[24-25]．

研究結合旺蒼縣實際生產情況，共選取4個氣象因子、3個地形因子及土壤pH值作為茶葉生態適宜性區劃指標(表1)．

表1 旺蒼縣茶樹生態適宜性指標

1.3.2 空間分析模型建立

以旺蒼縣及周邊30個氣象觀測站1980-2018年數據及觀測站的經度、緯度、海拔為基礎，運用數理統計方法建立氣候區劃指標空間分析推算模型，并就研究區域氣象要素進行空間插值計算(式1)，模型通過信度0.05的顯著性檢驗[26]．

X=f(i，j，z)+ε

(1)

式中：i，j，z分別為各點經度、緯度及海拔；ε為殘差項，為模型推算值和實際觀測值之差，并通過GIS空間分析模塊中的克里斯金方法進行插值．各氣象指標推算模型如表2所示．

表2 氣象指標空間分析模型

1.3.3 評價方法

研究將各指標適宜、次適宜、不適宜分別賦予值1，2，3，為消除各評價因子量綱及數據集差異，對各指標進行標準化處理，將各評價值映射到0～1范圍之內[27]，并采用加權指數求和法對標準化后的指標進行綜合評價，如式(2)：

(2)

式中：V為評價目標得分；Wi為指標i的權重；Di為指標i的評價值；n為評價指標的個數．

1.3.4 指標權重確定

為綜合分析各評價因子貢獻，本研究引入層次分析法建立因子權重評價體系．以旺蒼縣茶葉生產適宜性區劃為目標，影響茶葉生產的氣候、地形、土壤3個評價因子為因子層，各評價指標為子因子層，同一層因子以1～9比率定量化比較各因子重要性，評價因子越重要，值越大，通過構建判斷矩陣及CR檢驗得到各指標權重(表3)[28]．

表3 旺蒼縣茶樹種植區劃指標權重

1.3.5 自然斷點法

茶葉生態綜合適宜性評價等級劃分采用自然斷點分級法，通過增加不同級間差異、減少同一級中差異進行自然聚類[29]，計算公式為：

(3)

式中：A是一個長度為k的數組；meani-j為各等級的中間值．

2 結果與分析

2.1 旺蒼縣茶葉種植評價因子區劃

圖1為旺蒼縣茶葉生產氣候、地形、土壤適宜性區劃．旺蒼縣大部地區氣候條件均能滿足茶樹生長所需，其中氣候適宜區主要集中在縣境槽谷地帶、南部中山區及北部海拔較低區域，這部分地區溫度、年降水量、年日照百分率均適宜茶樹生長，早春出現低溫日數少，光、溫、水條件匹配良好，氣候條件利于優質茶葉的產出．旺蒼縣槽谷地帶以北大部為茶葉生產氣候次適宜區，對比適宜區，此區域早春出現低溫日數較多，春芽受凍風險增高．茶葉生產氣候不適宜區也多集中在北部，包括鼓城鄉、鹽河鄉、英萃鎮、檬子鄉、大河鄉等高海拔地區，這部分地區一方面熱量條件差，茶樹生長受限，另一方面日照百分率高，不利于茶葉品質形成．地形地勢上，旺蒼縣南部整體較北部更適宜茶葉生產，不適宜區多分散于槽谷地帶以北，該區域地形地勢多變，海拔及坡度是茶葉產業化生產主要限制因子．土壤類型上，旺蒼縣西北部為中山黃壤土區，pH值為4.5～5.5，為適宜茶葉生產的偏酸性土壤，旺蒼縣東北部為中山魚眼沙黃壤土區，pH值在5.5～6.5，是茶葉生產土壤次適宜區，旺蒼縣中部及南部分布有低山中性紫色土、平壩灰粽潮田土、中低山石灰性紫色土，其pH值均偏堿性，為茶葉生產不適宜區．

圖1 旺蒼縣茶葉生產氣候適宜性區劃、地形適宜性區劃與土壤適宜性區劃

2.2 旺蒼縣茶葉種植生態適宜性區劃

綜合考慮氣候、地形及土壤對茶葉生產的影響，得到旺蒼縣茶葉種植綜合區劃圖(圖2)．旺蒼縣大部地區為茶葉生產適宜及次適宜區．其中，茶葉生產適宜區面積約907.12 km2，占縣域面積30.37%，主要位于東西向槽谷帶，包括白水鎮、尚武鎮、嘉川鎮、東河鎮、黃洋鎮、普濟鎮、三江鎮、金溪鎮、大德鄉及槽谷地帶以北呈東北—西南向分布的檬子鄉、英萃鎮及正源鄉等海拔400～800 m地區，該區域坡度多小于15°，年≥10 ℃積溫在4 000 ℃·d以上，年降水量大于1 000 mm，年日照百分率小于40%，1-3月最低氣溫<0 ℃天數少于15 d，水熱適宜，氣候、地形符合“高山云霧出好茶”的條件．同時土壤偏酸性，利于高品質茶葉出產．旺蒼縣茶葉生產次適宜區多分散在海拔約800～1 000 m的山區，面積約1 348.24 km2，占縣域面積45.13%，這部分地區年≥10 ℃積溫多介于3 500～4 000 ℃·d間，熱量條件較略有不足．此外，槽谷地帶以北次適宜區1-3月最低氣溫<0 ℃天數多在15～25 d，易受低溫影響，地形坡度也多介于15～25°，溫度變化較快且不利于水土保持；槽谷地帶以南次適宜區主要限制因子為土壤pH值，這部分區域可通過改良土壤提高茶葉生產適宜度．旺蒼縣茶葉生產不適宜區域約占全縣24.50%，約731.81 km2，不適宜區主要分布在鼓城鄉、鹽河鄉、普濟鎮、大兩鄉、萬山鄉等海拔1 000 m以上高山區域，這些地區熱量條件不足，茶樹栽培易遭受低溫凍害，茶樹產量、品質受嚴重威脅，槽谷地帶以北不適宜區同時還受土壤酸堿度限制．

圖2 旺蒼縣茶樹生態適宜性區劃

3 結論與討論

本研究綜合考慮了氣候、地形、土壤3個因子對茶葉生產影響，基于層次分析法和加權指數求和法構建旺蒼縣茶葉生產生態適宜性評價指標，并依托GIS自然斷點法進行種植分區．在農業氣候區劃研究中，區域越大，則氣象觀測站點越多，觀測資料越詳實，在開展縣級、鄉鎮級精細化區劃時，氣象觀測站點相對較少，為更好滿足縣一級區劃要求，研究結合數理統計及空間插值法建立旺蒼縣氣候指標空間分析模型，提高研究精度．

四川省地形地勢復雜，氣候資源多樣，“一鄉一品、一縣一業”現象突出，因此開展縣級精細化區劃更能滿足產業發展需求，生產指導意義更好．茶業作為旺蒼縣重點發展的農業四大特色主導產業，是脫貧攻堅、經濟發展重要的一環，通過采取“公司+專業合作社+基地+農戶”“公司+基地+農戶”等多種模式，旺蒼縣正積極推動茶葉產業發展．依托旺蒼縣良好的生態基礎，開展旺蒼縣茶葉生產適宜性區劃可為其發展規劃提供參考，助力提升區域品牌影響力．

當前旺蒼縣旨在將高陽鎮打造為茶產業第一強鎮，結合木門鎮、五權鎮、棗林鄉形成四大茶葉生產集中示范區，以示范帶動全縣茶葉產業發展，研究指出高陽鎮、大德鄉大部位于茶葉生產適宜地帶，這與實際生產較吻合，對于棗林鄉、木門鎮等實際種植情況與區劃結果有所差異，一方面是當地農業部門在規劃統籌時需考慮到交通運輸和其他產業發展等因素，另一方面主要考慮其限制因子為土壤因子，可通過土壤改良進行調節．本研究主要著眼于茶葉優質高產對自然環境的要求，但實際生產中所需考慮的影響因素眾多，下一步可結合當地交通、人口、政策等進行多角度探討．此外研究中對區劃結果驗證時可用驗證數據少，結果可能存在偏差，后期可通過實地樣方數據采集，結合遙感手段，進行更精確的結果驗證．當前旺蒼縣茶葉生產主要以春茶為基礎，并積極發展夏、秋茶，后期可結合夏、秋茶生產特點，為茶葉周年生產提供參考建議．