基于最大熵模型的重慶市茶葉種植適宜性研究

冷洪旭　何　靜　高榮生　任照環

基于最大熵模型的重慶市茶葉種植適宜性研究

冷洪旭1何靜2高榮生1任照環2

（1.重慶萊霆防雷技術有限責任公司重慶400023；2.重慶市防雷中心重慶401147）

文章基于已有的茶葉區劃成果，篩選出的影響茶葉種植分布的可能因子，利用最大熵模型和ArcGIS軟件對重慶市茶葉種植適宜性進行研究。結果表明：茶葉種植適宜區占重慶總面積的58%；高適宜區主要分布在重慶西部的榮昌、大足、永川、銅梁、璧山、合川，西南部的江津、綦江、萬盛、南川，東北部的開州、巫溪，以及東南部的秀山、酉陽等地；影響重慶市茶葉分布的主要因素有氣溫年較差（31.06%）、海拔高度（26.24%）、≥10 ℃積溫（10.15%）、年降水量（6.15%）、7月平均氣溫（5.38%）、濕潤指數（5.02%）等。

茶葉；最大熵模型；影響因子；適宜性評價

近年來，隨著人們生活水平的提高，重慶市茶葉產銷量屢創新高。截至2021年年底，重慶市茶園總面積達105.19萬畝，投產面積達72.03萬畝，茶葉產量4.87萬t，茶葉綜合產值44.53億元[1]。隨著重慶茶產業的發展，相關的研究也逐漸增多，但這些研究多集中在產品安全[2-3]、生產工藝[4-5]、產品特性[6]、茶樹品種[7]、茶文化[8]等方面，對茶葉種植區劃的研究較少。因此，本文利用最大熵模型，從整個重慶區域出發篩選出影響茶葉種植分布的主要影響因子。同時，結合統計學原理及聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告對“可能性”的闡述，對重慶市茶葉種植的適宜性等級進行劃分，以期為優化重慶市茶葉種植布局，實現茶葉高產優質提供理論支持。

1 數據來源與分析方法

1.1 數據來源

本文分析所用的數據主要包括重慶市茶葉地理分布數據、茶葉產量數據、氣候資料、地理信息數據。利用天眼查（https://www.tianyancha.com/）查找茶商注冊地，然后利用GoogleEarth影像地圖在注冊地附近查找確定茶園具體經緯度，去除不能確定具體位置的數據，共獲得茶葉分布點158個。茶葉產量數據來源于《重慶統計年鑒》，氣象資料來自重慶市氣象數據共享平臺（http://172.24.176.19/cqweb/index.php，重慶市氣象局內網），包括34個區縣1981年—2010年的數據。DEM數據來源于中科院地理空間數據云網站（http://www.gscloud.cn/）SRTMDEMUTM 90M分辨率數字高程數據，數據處理軟件為ArcGIS 10.2。

1.2 分析方法

1.2.1 茶葉分布的影響因子篩選

基于已有的茶葉區劃[9-11]，結合自然植被區劃，選取以下10個具有明確生物學意義的可能對茶葉分布造成影響的環境因子（見表1）。

其中，≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫采用累積法計算，公式如下[12]：

指數用Holdridge生命地帶分類方法計算：

式（2）中，為一年的降水量，式（3）中，為介于0 ℃與30 ℃之間的日平均氣溫。

因此，可計算出1981年—2010年每年各個氣象站的9個氣候指標值，再求平均值，得到氣候標準年（1981年—2010年）各氣候指標的平均值。

表1茶葉種植分布的影響因子

影響因子計算方法意義 ≥0 ℃積溫5 d滑動平均法適宜農耕期內的熱力資源 ≥10 ℃積溫5 d滑動平均法喜溫植物生長期或喜涼植物旺盛生長期內的溫度強度和持續時間 年平均氣溫年總的熱量資源 年降水量年總的水分條件 1月平均氣溫1月平均氣溫農作物越冬條件 7月平均氣溫7月平均氣溫喜溫作物所需的高溫條件 氣溫年較差7月平均氣溫與1月平均氣溫之差一年中平均氣溫的變化幅度 濕潤指數降水量與潛在蒸散的比值某一地區干、濕程度的指標 海拔高度某一地點與海平面的高差常對植物的分布起決定作用 年日照時數年總的輻射資源

1.2.2 模型介紹

1957年，Jaynes提出了最大熵原理（theprincipleofmaximumentropy）[13]：當根據少量已知信息進行推理時，必須選擇具有最大的熵，并且服從所有的已知信息的一組概率分布。換言之，就是在已知信息不全面時，要對分布情況做出推斷，符合已知條件的概率分布可能有很多個，這時應該選取符合已知條件而且熵最大的概率分布，這個分布是最客觀的，任何其他選擇都表示人為地給它增加了約束。2004年，StevenPhillips等人利用Java語言開發了MaxEnt軟件，極大地促進了最大熵模型（maximumentropymodel）在各行業的應用。

MaxEnt軟件計算的時候需要2組數據：一組是研究區域內的茶葉位置數據，另一組是研究區域的環境因子數據。本研究首先整理出重慶市茶葉分布的坐標數據，保存為CSV文件；然后利用ArcGIS的空間插值功能，生成10個環境因子的柵格數據，以ASCⅡ碼格式存儲。將兩組數據導入MaxEnt軟件，并將最大迭代次數設置為500，收斂閾值設置為10-5，計算得到茶葉分布概率數據，存儲格式為ASCⅡ碼。將茶葉分布概率數據導入ArcGIS中，即可得到茶葉概率分布圖，并將茶葉分布的適宜性劃分為不適宜區、低適宜區、中適宜區、高適宜區四個等級。

2 結果分析

2.1 模型準確性評價

采用最大熵模型模擬輸出的ROC曲線的AUC值評估模型模擬的準確性。ROC曲線是以預測結果的一個值作為可能的判斷閾值，由此計算得到相應的靈敏度和特異度。AUC值取值范圍為0.5～1，越接近1說明預測的結果越好，其模型預測的結果就越準確。AUC值為0.5～0.6失敗，0.6～0.7較差，0.7～0.8一般，0.8～0.9好，＞0.9非常好。結果表明，基于可能影響因子的AUC值達0.811（見圖1），擬合結果準確性達到好的標準，表明最大熵模型可用于茶葉潛在分布模擬。

2.2 主導影響因子篩選及分布概率關系

根據參與模型建立的影響因子對最大熵模型的貢獻率，可以判斷影響茶葉分布的主要因子見表2。

表2重慶市茶葉分布的影響因子貢獻率和累積貢獻率

影響因子貢獻率/%累積貢獻率/% 氣溫年較差31.0631.06 海拔高度26.2457.30 ≥10 ℃積溫10.1567.45 年降水量6.1573.60 7月平均氣溫5.3878.99 濕潤指數5.0284.00 年日照時數3.8587.85 年平均氣溫2.6890.53 1月平均氣溫2.3192.84

茶是一種亞熱帶的多年生植物，具有喜溫喜濕的特點，屬于陰性植物，對生長的氣候條件要求較為嚴苛。由圖2可以看出，氣溫年較差低于19.7 ℃時，茶葉存在的概率較高，超過19.7 ℃時，茶葉存在的概率迅速降低；最適宜茶葉分布的海拔高度為300 m～900 m；活動積溫超過5 800 ℃時，茶葉存在概率迅速上升，到6 100 ℃左右概率最大，超過6 100 ℃后存在概率又迅速降低，說明茶雖為喜溫作物，但過高的氣溫也會影響其分布；當年降水量超過1 000 mm后，茶葉存在概率迅速上升，1 050 mm時達最大值，之后又迅速降低，這可能與茶喜濕但又怕澇的特性有關；當7月平均氣溫超過26 ℃時，茶葉存在概率迅速降低，說明夏季過高的氣溫也會對茶葉的分布造成負面影響；當濕潤指數超過1后，茶葉存在的概率迅速上升，濕潤指數到1.2時存在概率達最大值。

圖2　茶葉分布概率與各影響因子關系

2.3 重慶市茶葉可能種植分布區及其適宜性劃分

參考IPCC第四次評估報告關于評估可能性的劃分方法，結合重慶市茶葉種植分布實際情況，得出茶葉氣候適宜等級分區標準如下：＜0.05為氣候不適宜區；0.05≤＜0.3為氣候低適宜區；0.3≤＜0.5為氣候中適宜區；≥0.5為氣候高適宜區。對重慶市茶葉種植的適宜性等級進行劃分，不適宜區域占9.8%，低適宜區域占32.2%，中適宜區域占39.7%，高適宜區域占18.3%。中度適宜及高適宜區占重慶總面積的58%，可見重慶的亞熱帶濕潤季風氣候較宜于茶葉的種植。高適宜區主要分布在重慶西部的榮昌、大足、永川、銅梁、璧山、合川，西南部的江津、綦江、萬盛、南川，東北部的開州、巫溪，東南部的秀山、酉陽等地。表3為2018年重慶各區縣茶葉產量（產量大于400 t），可見茶葉產量大的地區都是適宜性較高的地區，也說明了本劃分較為合理。

表32018年重慶市各區縣茶葉產量（產量大于400 t）

區縣茶葉產量/t區縣茶葉產量/t區縣茶葉產量/t 秀山縣7 005江津區1 577黔江區689 永川區6 317萬州區1 390梁平區650 巴南區4 171大足區1 014城口縣640 璧山區3 854涪陵區852墊江縣631 南川區3 577巫溪縣816銅梁區547 綦江區（含萬盛）2 420開州區713奉節縣423 酉陽縣1 780潼南區711巫山縣402

3 結論和討論

3.1 結論

本研究在已有茶葉種植區劃的基礎上，篩選出10個具有明確生物學意義的可能對茶葉分布造成影響的環境因子，利用最大熵模型和ArcGIS軟件對重慶市茶葉種植適宜性進行研究，得到以下結論。

（1）基于可能影響因子的AUC值達0.811，擬合結果準確性達到好的標準，表明最大熵模型可用于茶葉潛在分布模擬。

（2）所選因子中共有6個對計算結果的貢獻度大于或接近于5%，由高到低依次為氣溫年較差（貢獻率31.06%）、海拔高度（26.24%）、10 ℃積溫（10.15%）、年平均降水量（6.15%）、7月平均氣溫（5.38%）、濕潤指數（5.02%），累積貢獻率高達84%。重慶最適宜茶葉種植的條件為氣溫年較差低于19.7 ℃，海拔高度300 m～900 m，活動積溫6 100 ℃左右，年降水量1 100 mm左右，7月平均氣溫低于26 ℃，濕潤指數大于1.2。

（3）重慶市茶葉種植適宜區占總面積的58%，高適宜區主要分布在重慶西部的榮昌、大足、永川、銅梁、璧山、合川，西南部的江津、綦江、萬盛、南川，東北部的開州、巫溪，東南部的秀山、酉陽等地，這與實際狀況基本相符。

3.2 討論

本研究中雖然考慮了氣候、地形等因素，但未考慮土壤類型、水資源利用、物種間相互作用等其他因素對茶葉分布格局的影響，這使得對茶葉種植適宜區分布的預測有一定的局限性，結果可能與實際情況存在差異，需要進一步分析研究。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.09.06

S571.1

A

2095-1205(2022)09-19-04

冷洪旭（1986- ），男，漢族，重慶璧山人，本科，助理工程師，研究方向為雷電科學與防護技術、綜合氣象觀測。