茶葉溫度適宜度變化趨勢
——以泰安為例

趙洪潤，張衍華，賈思之，陳 斌，姚 超

(山東省泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

茶葉溫度適宜度變化趨勢
——以泰安為例

趙洪潤，張衍華，賈思之，陳 斌，姚 超

(山東省泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

利用1977—2007泰安 5 個氣象站年共31 a的資料，運用模糊數(shù)學(xué)方法分析和模擬茶葉各生育期溫度適宜度的變化情況。結(jié)果表明:泰安屬于茶葉種植次適宜區(qū)，夏茶和秋茶溫度適宜度均在 0.8 左右波動，春茶在0.4～0.55之間; 近31 a來，隨著氣溫的升高，泰安茶葉全生育期的溫度適宜度呈上升趨勢，新泰、肥城、岱岳、東平這4個縣市區(qū)未來茶葉生長將繼續(xù)保持正效應(yīng)；總體來看，氣候變化提高了泰安茶葉全生育期適宜度，延長了茶葉生長期。

茶葉；模糊數(shù)學(xué)；溫度適宜度；氣候變化

Abstract：using the data of 31 years from 1977 to 2007 of 5 meteorological stations in Tai’an, the temperature suitability of tea in each growth period was analyzed and simulated by fuzzy mathematics method.The results show that the temperature suitability of summer tea and autumn tea fluctuated around 0.8 and the spring tea was between 0.4 - 0.55.In the past 31 years, with the increase of temperature, the temperature suitability of Yasu ye quan growth period showed an upward trend, Syntax, Feicheng, daiyue, Dongping, the future tea growth will continue to maintain positive effect; Overall, climate warming increased the suitability of Yasu ye quan, and prolonged the growth of tea leaves.

Keywords：tea; fuzzy mathematics; temperature suitability; climate change

1 引言

泰安位于山東省中部，依山而建，地勢自東北向西南傾斜。境內(nèi)有山地、丘陵、湖泊等多種地貌類型。上世紀(jì)60年代“南茶北引”的過程中，泰安是山東茶樹成功引種的地區(qū)之一。目前泰安綠茶種植面積已達(dá)2 533.3 hm2，種植茶葉已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民致富增收、農(nóng)業(yè)增效的特色產(chǎn)業(yè)之一。

近幾年，在全球氣候變化的背景下，作物氣候適宜性已成為現(xiàn)今研究熱點之一[1-4]。蔣宗孝等[5]利用地理信息系統(tǒng)將三明市茶樹生產(chǎn)分區(qū)，并提出趨利避害措施。李湘閣等[6]通過模糊數(shù)學(xué)方法，計算南京地區(qū)茶樹生長氣候適宜度，分析并提出南京地區(qū)茶樹種植的氣候適宜狀況。張麗霞等[7]利用34a的氣象資料對泰安地區(qū)茶樹種植氣候進(jìn)行了分析，提出了因地適宜發(fā)展泰安茶葉的措施。泰安以丘陵山地為主，受地形、地貌影響，形成了一些局部小氣候區(qū)。因此研究茶葉溫度適宜度的變化特征，分析茶葉溫度適宜度空間分布，可為改進(jìn)泰安茶葉生產(chǎn)布局、評估茶葉生產(chǎn)對氣候變化的適應(yīng)性和脆弱性提供參考。

2 資料來源

本文使用的氣象資料來自于泰安5個縣市區(qū)1977—2007年間氣象站觀測數(shù)據(jù)，考慮到一年中各月下墊面性質(zhì)的變化，為了使差值更穩(wěn)定，以站點各月平均氣溫的差值的多年平均值為基礎(chǔ)進(jìn)行延長，并將茶葉生育期劃分為春茶、夏茶、秋茶3個時期；日期序列值按如下方法建立：將1月1日記為每年第1 d，賦予數(shù)值1，1月2日為第2 d，賦予數(shù)值2，

以此類推將每年從1～356或366賦值，建立1977—2007年起止日期序列。

3 研究方法

3.1 溫度適宜度模型

氣溫是茶樹生育期不可缺少的重要因素，溫度的變化直接影響茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣及其產(chǎn)量的高低。春季，當(dāng)氣溫<4 ℃時，茶芽遭受霜凍危害;<0 ℃時，葉芽受凍枯黃，采摘期明顯推遲。夏季，當(dāng)日最高氣溫≥35 ℃時，茶梢生長就會受到抑制，如果氣溫持續(xù)幾天超過35 ℃，新梢就會枯萎、落葉。生長期茶樹全年至少需要≥10℃的活動積溫3 000 ℃，有效積溫越高，生長期越長。在茶葉生長過程中的每一個階段，均存在主要的溫度界限，即最低溫度、最適溫度和最高溫度。在最適溫度時，茶樹的生長發(fā)育處于最佳狀態(tài)；在最低或最高溫度時，茶樹就會停止生長；當(dāng)小于最低溫度或大于最高溫度時，茶樹將局部或整株死亡[8]。本文通過模糊數(shù)學(xué)法建立茶葉生長溫度適宜度S(T)模型[9-12]：

(1)

(2)

式中：S(T)為茶葉生育期間溫度；T為平均溫度、T0為茶葉最適宜溫度、T1為茶葉下限溫度、T2為茶葉上限溫度。當(dāng)T=T1或(T=T2)時，S=0；當(dāng)T=T0時，S=1，S(T)是一個不對稱拋物線函數(shù)，在0～1之間變化，即：適宜度隨氣溫的升高而增長，到達(dá)某一適宜值后，隨氣溫升高而下降[13,14]。

3.2 氣候傾向率

按春茶、夏茶和秋茶劃分茶葉的生育期，應(yīng)用線性回歸方程[15,16]來計算分析茶葉生育期內(nèi)的氣候傾向率：

STi=yti+a

(3)

其中，STi表示適宜度變量，y為系數(shù)，a為常數(shù)。y稱為氣候傾向率[17]，當(dāng)y>0時，ST呈上升趨勢，當(dāng)y<0時，ST呈下降趨勢。

3.3 5 d滑動平均法確定界限溫度

從日平均氣溫第1次出現(xiàn)≥10 ℃(或≥20 ℃)之日起，計算每連續(xù)5 d的平均氣溫，確定界限溫度。

4 結(jié)果與分析

4.1 泰安茶葉生長期溫度變化

4.1 .1 氣溫變化趨勢 表1給出了泰安地區(qū)各地年內(nèi)平均氣溫以及最高、最低均值。王鎮(zhèn)恒在《茶樹生態(tài)學(xué)》中的研究認(rèn)為:在外部條件均符合的情況下,茶樹生長最適宜的年平均溫度為≥20 ℃,適宜范圍為15～20 ℃,次適宜≥13 ℃且<15 ℃[18]。而泰安各站點的年平均溫度都小于15 ℃，在13.0～13.6 ℃之間,等于或略大于茶樹種植區(qū)域的臨界溫度13 ℃。由此可知：泰安屬于茶樹生長次適宜區(qū),年平均溫度低是限制茶樹種植的重要因素。并且由近31 a來泰安地區(qū)茶葉生長期年際溫度變化(圖1)，能明顯看出茶葉生長期內(nèi)溫度變化趨勢，具體表現(xiàn)為：自20世紀(jì)80年代增溫趨勢明顯加快，90年代后，相對較低的溫度與1983—1992年的較高溫度相當(dāng)，增溫幅度明顯，傾向率為0.004 4 ℃/10a。

表1 泰安地區(qū)平均氣溫(單位：℃)Tab.1 Average temperature in Tai'an area

圖1 泰安溫度年際變化趨勢Fig.1 Interannual variation trend of Tai'an temperature

4.1.2 泰安茶葉界限溫度和持續(xù)日數(shù)分析 通過時間序列對起止日期及持續(xù)天數(shù)進(jìn)行量化分析，穩(wěn)定通過≥10 ℃界限溫度起止日期及持續(xù)日數(shù)時間變化，可看出近31 a泰安地區(qū)≥10 ℃界限溫度起始日期序列值總體呈下降趨勢(圖2a)，傾向率為-0.378 2d/10 a，表明≥10 ℃界限溫度起始日期明顯提前，平均每10 a提前3.7 d。平均初日為3月29日，最早為3月9日，最晚為4月24日，分別為2002年東平和1979年新泰地區(qū)，相差50 d。90年代前，≥10 ℃界限溫度起始日期下降趨勢不明顯，在1978—1988年間呈延遲狀態(tài)，1992年后表現(xiàn)為明顯下降，界限溫度起始日期提前趨勢逐漸顯著。

圖2 1977—2007泰安地區(qū)各界限溫度起始日期(a)、終止日期(b)序列年變化特征Fig.2 Characteristics of annual variation of temperature,starting date(a)、ending date(b) and sequence of each boundary in 1977—2007 Tai'an region

近31 a泰安地區(qū)≥10 ℃界限溫度終止日期序列值變化不明顯(圖2b)，傾向率為0.037 3 d/10 a，平均每10 a提前0.37 d。平均終日為11月7日，最早為10月25日，最晚為12月4日，為1997年和1980年的寧陽，相差40 d。

近31 a泰安地區(qū)≥10 ℃界限溫度持續(xù)日數(shù)總體呈增加趨勢(圖3)，增加速率為0.415 6 d/10 a，平均每10 a提前4.15 d，最多為248 d，出現(xiàn)在2002年的新泰和東平，最少為198 d，出現(xiàn)在1997年寧陽，平均持續(xù)221.26 d。這表明31 a來泰安地區(qū)≥10 ℃界限溫度持續(xù)日數(shù)增加速率逐年遞增。

圖3 1977—2007泰安地區(qū)界限溫度持續(xù)日數(shù)年變化特征Fig.3 Characteristics of annual variation of boundary temperature in Tai'an, 1977—2007

圖4 泰安各月茶葉生長季內(nèi)溫度適宜度數(shù)年變化特征Fig.4 Temperature suitability of tea growing season in Tai'an

日平均氣溫穩(wěn)定≥20 ℃的平均初日在5月18日(圖2a),終日在9月20日,共計124.2 d,增加速率為0.380 8 d×10 a，平均每10 a提前3.80 d，此時段為茶樹旺盛生長期;10月下旬,日平均氣溫降至10 ℃以下,茶芽停止生長,茶樹進(jìn)入休眠期。由上述分析可知：初日提前，終日延遲，持續(xù)日數(shù)增加，即茶葉生長期延長，春茶、秋茶生長期增加。

4.2 泰安茶葉溫度適宜度分析

4.2.1 季變化規(guī)律 計算并分析泰安茶葉生長季內(nèi)各月溫度適宜度(圖3)可得：夏茶和秋茶的溫度適宜度較高，均超過0.8，其中夏茶最高，達(dá)0.95，主要因為此時泰安地區(qū)月平均氣溫為25.1 ℃，處于茶葉最適生長氣溫(20～27 ℃)之間。春茶低于0.6，這是因為此階段泰安地區(qū)的平均溫度在14 ℃左右，低于茶樹生長最適宜溫度(15～20 ℃)。4月隨著氣溫的升高，溫度適宜度明顯上升，到5月下旬最高，達(dá)到0.99。6—9月熱量充足，適宜度保持平穩(wěn)，在0.9左右，其中有小幅度下降，是受高溫高熱影響。溫度過高時，茶葉呼吸作用顯著加強(qiáng)，有機(jī)物累積減少，光合作用強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致茶葉生長受到影響。9月后隨著氣溫下降，茶葉生長溫度適宜度又逐月下降。

4.2.2 年際變化及變化傾向 由圖5-圖10可見，1977—2007年30 a來，泰安地區(qū)由于受氣候變化的影響，茶葉生育期溫度適宜度變化較明顯。春茶生長季溫度適宜度表現(xiàn)為上升趨勢，夏茶生長季溫度適宜度有所下降，秋茶生長季溫度適宜度有小幅度上升，但波動幅度不大。其中，1979、1980、1984和1991年的春茶溫度適宜度均未超過0.4。1978—1992年，這14 a間溫度適宜度變化波動較大，特別是在春茶生長期。由此可以看出，近年來，氣候變化對泰安茶葉生長期間春茶生育期的溫度適宜度有明顯的影響；對夏茶和秋茶的溫度適宜度影響不明顯，波動不大；從茶葉全生育期溫度適宜度(圖10)來看，溫度適宜度呈線性上升趨勢，以0.000 1 ℃/a的速率增加，且均值在0.77左右。總的來說,隨著溫度的升高，泰安茶葉生長期的適宜度也隨著升高，31 a來泰安茶葉的溫度適宜度共提高了0.07。除夏茶外, 泰安地區(qū)茶葉生育期的溫度適宜度在 20世紀(jì) 80年代中期以來基本以正增長為主, 說明溫度適宜度呈現(xiàn)出上升趨勢。

圖5 岱岳區(qū)茶葉溫度適宜度變化Fig.5 Changes of tea temperature suitability in Daiyue District

圖6 肥城茶葉溫度適宜度變化Fig.6 Changes of tea temperature suitability in Feicheng suitability in Daiyue District

圖7 東平茶葉溫度適宜度變化Fig.7 Changes of tea temperature suitability in Dongping

圖8 寧陽茶葉溫度適宜度變化Fig.8 Changes of tea temperature suitability in Ningyang

圖9 新泰茶葉溫度適宜度變化Fig.9 Changes of tea temperature suitability in Xintai

圖10 茶葉溫度適宜度年際變化均值Fig.10 Average annual change of temperature suitability of tea

4.3 泰安地區(qū)茶葉溫度適宜度類型劃分

泰安地區(qū)地處山東省中部,屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),作為山東的一個產(chǎn)茶區(qū)，種植面積僅占全省面積的4.1%，但茶葉單位面積產(chǎn)值卻比全省平均水平高近1倍。根據(jù)泰安地區(qū)31 a的平均適宜度大小,結(jié)合歷年茶葉產(chǎn)量，運用ArcMap軟件模擬分析泰安地區(qū)茶葉平均溫度適宜度,生成泰安地區(qū)茶葉溫度適宜度分布圖。當(dāng)溫度適宜度大于0.7時,茶葉產(chǎn)量相對較高;當(dāng)溫度適宜度在0.6～0.7時,茶葉產(chǎn)量與往年基本持平;當(dāng)溫度適宜度小于0.6時,茶葉產(chǎn)量小幅度減產(chǎn);當(dāng)溫度適宜度小于0.5時,茶葉產(chǎn)量減產(chǎn)明顯,基本上不適宜茶葉生產(chǎn)。據(jù)此將泰安地區(qū)大致劃為3個類型,如圖11所示。

圖11 溫度適宜度分布劃分Fig.11 Distribution of temperature suitability

①適宜：主要包括新泰徂徠山前 、柴汶河畔的高溫小區(qū)和東平東南部、肥城東南部、寧陽南部, 溫度適宜度在0.7以上。熱量條件相對豐富,春季平均溫度在 20 ℃左右,而在夏秋季節(jié), 這些地區(qū)的溫度較高并且適宜茶葉生長?？傮w來說, 此區(qū)溫度對茶葉生育造成的負(fù)影響很小, 為茶葉溫度適宜度的最適宜區(qū)。

②次適宜：主要包括肥城中部、徂徠山北部、東平北部、泰山周邊一帶, 溫度適宜度在0.6～ 0.7。由于這些地區(qū)春季平均氣溫在18.7 ℃左右,比適宜區(qū)氣溫低1.3 ℃, 故溫度適宜度相對適宜型要低。總體來說, 此區(qū)溫度對茶葉生育造成的影響較小, 為茶葉溫度適宜度的次適宜區(qū)。

③不適宜：主要包括泰山山頂及徂徠山山頂一帶,本區(qū)位于海拔800 m以上, 泰山山頂年均溫在5.6 ℃左右,比界限溫度低7.4 ℃，屬于不適宜區(qū)。

總體來看，溫度適宜度分布狀況是由南向北逐漸降低，最低值為泰山、徂徠山山頂一帶，適宜度小于0.5。其次為泰山北部新泰東南部山區(qū)，其余各地適宜度均在0.6以上。

4.4 泰安地區(qū)茶葉溫度適宜度變化傾向分類

根據(jù)李瑞等人研究表明[19], 泰安地區(qū)的夏秋季節(jié)溫度變化幅度不大,升溫幅度小, 而冬春季節(jié)溫度變化趨勢明顯, 升溫幅度大。隨著升溫現(xiàn)象的延續(xù)會進(jìn)一步增加泰安地區(qū)茶葉適宜生長日,減輕泰安地區(qū)茶葉受低溫冷害的影響, 從而使茶葉溫度適宜度升高。根據(jù)泰安地區(qū)各縣市區(qū) 31 a來的溫度適宜度變化, 結(jié)合適宜生長日數(shù)和界限溫度，利用 ArcMap軟件進(jìn)行插值分析, 做出溫度適宜度傾向率變化圖, 并根據(jù)各站點未來茶葉溫度適宜度變化強(qiáng)度大致將傾向劃為3種類型, 如圖12所示。

圖12 溫度適宜度變化分類Fig.12 Classification of temperature suitability changes

①強(qiáng)上升：主要分布在肥城南部、東平西南部、新泰西南部, 該類型處在茶葉適宜區(qū)內(nèi)，未來溫度變化對該地區(qū)茶葉生長產(chǎn)生正效應(yīng), 適宜度會繼續(xù)上升。

②次上升：分布范圍較小, 新泰東南部山區(qū)、徂徠山周邊和泰山以南部分地區(qū)。該類型處在茶葉的次適宜區(qū)內(nèi), 未來溫度變化對該區(qū)茶葉生長產(chǎn)生次強(qiáng)正效應(yīng), 適宜度會繼續(xù)上升，但上升幅度小于強(qiáng)上升型。

③弱上升：位于寧陽北部和岱岳區(qū)以南。該類型處在泰安次適宜型內(nèi), 未來溫度變化也會對茶葉產(chǎn)生弱負(fù)效應(yīng), 溫度適宜度會少量降低, 但變化幅度小于強(qiáng)下降型和次強(qiáng)下降型。

受溫度變化的影響, 未來泰安地區(qū)大部分縣市區(qū)茶葉溫度適宜度都有上升的趨勢, 但是由于受海拔、降水等因素的影響, 變化傾向也表現(xiàn)出顯著的地域性。由于溫度的升高, 尤其是春季溫度的升高，適宜度也隨著上升, 從而使泰安地區(qū)茶葉種植環(huán)境趨于改善。

5 結(jié)論

本文把茶葉生育期劃分3個時段, 將各生育期溫度指標(biāo)與實際溫度進(jìn)行分析對比, 得出了茶葉每個生育期時段的隸屬閾值, 通過處理、對比、分析, 認(rèn)為本文建立的茶葉溫度適宜度模型用于評價泰安地區(qū)茶葉溫度適宜動態(tài)變化是合理的。但是本文僅考慮了溫度的影響效應(yīng),未能考慮如降水、海拔、日照、病蟲害等因素, 所得數(shù)據(jù)還不能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。今后將在作物病蟲害和地域等其他因素方面有所深入。

①利用溫度適宜度模型對泰安地區(qū)茶葉生長期適宜性進(jìn)行分析可知，泰安地區(qū)茶葉在夏、秋季生長溫度適宜度較高，春季較低。夏茶、秋茶適宜度一般在0.8左右。

②新泰、肥城、岱岳、東平這4個縣市區(qū)，茶葉的溫度適宜度變化較明顯，肥城地區(qū)的茶葉溫度適宜度傾向率變化最大,在0.000 5以上。隨著全球氣溫的升高，未來這4個縣市區(qū)的茶葉生長將持續(xù)正增長，溫度適宜度將不斷升高，對茶葉生產(chǎn)更加有利。寧陽茶葉溫度適宜度變化傾向率在0.001，是泰安地區(qū)的最小值，該地也是31 a來茶葉溫度適宜度最平穩(wěn)的地區(qū)，并且，從計算結(jié)果來看，歷年來該地的茶葉溫度適宜度是最高的，未來溫度變化對該地茶葉的溫度適宜度變化影響較小。

③隨著溫度的升高，泰安地區(qū)春茶生長期間受低溫冷害影響將有所減弱，31 a來泰安茶葉的全生育期溫度適宜度提高了0.033?？傮w來看，氣候變暖降低了茶葉生產(chǎn)風(fēng)險，提高了泰安茶葉全生育期適宜度，延長了茶葉生長期。

④按溫度適宜度將泰安地區(qū)茶葉種植區(qū)域劃分為3種類型：適宜(主要包括在肥城南部、東平西南部、新泰西南部)、次適宜(主要包括肥城中部、徂徠山北部、東平北部、泰山周邊一帶)和不適宜(主要包括泰山山頂及徂徠山山頂一帶)。按溫度適宜度變化傾向分為：強(qiáng)上升(主要分布在肥城南部、東平西南部、新泰西南部)、次上升(分布范圍較小, 新泰東南部山區(qū)、徂徠山周邊和泰山以南部分地區(qū))和弱上升(位于寧陽北部和岱岳區(qū)以南)。

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Thevariationtrendofteatemperaturesuitability——AcasestudyofTai'an

ZHAO Hongrun, ZHANG Yanhua, JIA Sizhi, CHEN Bin, YAO Chao

(Tai’an Meteorological Bureau of Shandong Province, Tai’an 271000, China)

S571.1,S161.2+2

B

1003-6598(2017)04-0057-06

2017-03-07

趙洪潤(1985-)，男，助工，主要從事氣象服務(wù)和應(yīng)用氣象方面的研究工作，E-mail:zzdzzdmzy@163.com。