基于GIS的茶葉生產(chǎn)適宜性區(qū)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(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；2.四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，成都 610072；3.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；4.四川省農(nóng)村科技發(fā)展中心，成都 610041

茶樹(CamelliasinensisO.Kuntze)為中國(guó)特色經(jīng)濟(jì)作物，多種植于長(zhǎng)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(guó)首批有機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證示范縣、國(guó)家綠茶標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)及四川省33個(gè)“南茶”基地縣之一[2]．截至2019年底，旺蒼全縣茶園總面積達(dá)1.43萬(wàn)hm2，認(rèn)證國(guó)家茶葉綠色食品原料基地0.66萬(wàn)hm2，建成萬(wàn)畝茶葉現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)8個(gè)，茶葉產(chǎn)量6 800 t，茶業(yè)綜合產(chǎn)值達(dá)15.3億元[3-4]．但當(dāng)前旺蒼縣茶葉生產(chǎn)多為農(nóng)戶分散經(jīng)營(yíng)，茶園種植地布局分散，基礎(chǔ)設(shè)施滯后，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)粗放等問題突出，與產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展不相匹配．結(jié)合旺蒼縣自然條件，合理評(píng)價(jià)茶樹生產(chǎn)生態(tài)適宜性，對(duì)旺蒼縣茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、結(jié)構(gòu)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(duì)于四川省茶葉的生產(chǎn)研究，陳紅旭等[9]就茶區(qū)適宜機(jī)采的茶樹品種進(jìn)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(qū)劃進(jìn)行了探討，而針對(duì)旺蒼縣的茶葉生產(chǎn)區(qū)劃研究鮮見報(bào)道．同時(shí)前人的研究多關(guān)注氣候因子，忽略了地形地貌及土壤因素對(duì)生產(chǎn)的影響，且氣象要素多通過(guò)空間插值獲得，精細(xì)化程度不足．本研究依托ArcGIS平臺(tái)，結(jié)合數(shù)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(duì)茶樹生長(zhǎng)的影響，建立旺蒼縣茶葉生產(chǎn)生態(tài)適宜性評(píng)估模型，就旺蒼茶葉生產(chǎn)進(jìn)行分區(qū)討論，為其生產(chǎn)規(guī)劃提供參考建議，助力茶葉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(cāng)山南麓，為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)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(fù)雜，相對(duì)海拔380～2 281 m，地勢(shì)北高南緩，腹部低平．縣境內(nèi)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(qū)，喀斯特地貌特征明顯，南部屬中山區(qū)，崇山突兀，壑谷縱橫．

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自四川省氣象局，包括旺蒼縣及其周邊市縣共30個(gè)地面氣象觀測(cè)站1980-2018年逐日平均氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量及各站點(diǎn)經(jīng)度、緯度、海拔等地理屬性數(shù)據(jù)．地理信息數(shù)據(jù)為1∶50萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)，由四川省氣象信息中心提供．土壤數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)匯編》[12]，通過(guò)GIS平臺(tái)進(jìn)行柵格化處理．

1.3 研究方法

1.3.1 旺蒼縣茶葉生產(chǎn)生態(tài)區(qū)劃指標(biāo)確定

茶樹喜溫濕，喜光，耐陰怕曬[13]，自然條件下隨季節(jié)輪性生長(zhǎng)，我國(guó)大部分茶區(qū)自然生長(zhǎng)的茶樹新梢生長(zhǎng)和休止全年有3次，即越冬萌發(fā)-第一次生長(zhǎng)-休止-第二次生長(zhǎng)-休止-第三次生長(zhǎng)-冬眠．其中第一次生長(zhǎng)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(zhǎng)的重要條件，既決定茶樹的地理分布，也制約其生長(zhǎng)發(fā)育速度．茶樹對(duì)溫度敏感，多數(shù)品種的最適生長(zhǎng)溫度為20～30 ℃，一般認(rèn)為茶樹生物學(xué)最低溫度為10 ℃，當(dāng)平均氣溫穩(wěn)定于10 ℃以上時(shí)新梢開始萌發(fā)，其生長(zhǎng)需大于10 ℃的活動(dòng)積溫3 000 ℃以上；當(dāng)日平均氣溫上升到30 ℃以上時(shí)，茶樹芽、葉生長(zhǎng)受到抑制，如氣溫持續(xù)幾天超過(guò)35 ℃，新梢會(huì)出現(xiàn)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(jīng)濟(jì)生長(zhǎng)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(chǎn)量和品質(zhì)．水分是茶樹在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不可或缺的，世界產(chǎn)茶區(qū)域年降水量多在1 000 mm以上，最適宜栽培茶樹生產(chǎn)地區(qū)年降水量約1 500 mm，相對(duì)濕度在80%～90%，日照百分率45%以下時(shí)，最適宜出產(chǎn)高品質(zhì)茶葉[14-20]．

地形地勢(shì)包括海拔、坡度、坡向等，地形地勢(shì)通過(guò)影響水、熱、土、肥等分配而影響作物生長(zhǎng)．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(shí)，茶葉品質(zhì)最佳[21]．坡度過(guò)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(dāng)坡度>25°時(shí)國(guó)家明令退耕，不適合種植茶樹[23]．坡向不同，日照時(shí)間、輻射強(qiáng)度及其地表蒸發(fā)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(zhǎng)勢(shì)春、秋兩季優(yōu)于夏季，偏北坡則相反，因當(dāng)前旺蒼縣茶產(chǎn)業(yè)以春茶生產(chǎn)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(shí)茶樹生長(zhǎng)逐漸停滯甚至死亡．土壤pH值為4.0～6.5時(shí)適宜茶樹生長(zhǎng)，pH值為4.5～5.5時(shí)為最適，有利于高品質(zhì)茶葉產(chǎn)出[24-25]．

研究結(jié)合旺蒼縣實(shí)際生產(chǎn)情況，共選取4個(gè)氣象因子、3個(gè)地形因子及土壤pH值作為茶葉生態(tài)適宜性區(qū)劃指標(biāo)(表1)．

表1 旺蒼縣茶樹生態(tài)適宜性指標(biāo)

1.3.2 空間分析模型建立

以旺蒼縣及周邊30個(gè)氣象觀測(cè)站1980-2018年數(shù)據(jù)及觀測(cè)站的經(jīng)度、緯度、海拔為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立氣候區(qū)劃指標(biāo)空間分析推算模型，并就研究區(qū)域氣象要素進(jìn)行空間插值計(jì)算(式1)，模型通過(guò)信度0.05的顯著性檢驗(yàn)[26]．

X=f(i，j，z)+ε

(1)

式中：i，j，z分別為各點(diǎn)經(jīng)度、緯度及海拔；ε為殘差項(xiàng)，為模型推算值和實(shí)際觀測(cè)值之差，并通過(guò)GIS空間分析模塊中的克里斯金方法進(jìn)行插值．各氣象指標(biāo)推算模型如表2所示．

表2 氣象指標(biāo)空間分析模型

1.3.3 評(píng)價(jià)方法

研究將各指標(biāo)適宜、次適宜、不適宜分別賦予值1，2，3，為消除各評(píng)價(jià)因子量綱及數(shù)據(jù)集差異，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各評(píng)價(jià)值映射到0～1范圍之內(nèi)[27]，并采用加權(quán)指數(shù)求和法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，如式(2)：

(2)

式中：V為評(píng)價(jià)目標(biāo)得分；Wi為指標(biāo)i的權(quán)重；Di為指標(biāo)i的評(píng)價(jià)值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)．

1.3.4 指標(biāo)權(quán)重確定

為綜合分析各評(píng)價(jià)因子貢獻(xiàn)，本研究引入層次分析法建立因子權(quán)重評(píng)價(jià)體系．以旺蒼縣茶葉生產(chǎn)適宜性區(qū)劃為目標(biāo)，影響茶葉生產(chǎn)的氣候、地形、土壤3個(gè)評(píng)價(jià)因子為因子層，各評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)因子越重要，值越大，通過(guò)構(gòu)建判斷矩陣及CR檢驗(yàn)得到各指標(biāo)權(quán)重(表3)[28]．

表3 旺蒼縣茶樹種植區(qū)劃指標(biāo)權(quán)重

1.3.5 自然斷點(diǎn)法

茶葉生態(tài)綜合適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分采用自然斷點(diǎn)分級(jí)法，通過(guò)增加不同級(jí)間差異、減少同一級(jí)中差異進(jìn)行自然聚類[29]，計(jì)算公式為：

(3)

式中：A是一個(gè)長(zhǎng)度為k的數(shù)組；meani-j為各等級(jí)的中間值．

2 結(jié)果與分析

2.1 旺蒼縣茶葉種植評(píng)價(jià)因子區(qū)劃

圖1為旺蒼縣茶葉生產(chǎn)氣候、地形、土壤適宜性區(qū)劃．旺蒼縣大部地區(qū)氣候條件均能滿足茶樹生長(zhǎng)所需，其中氣候適宜區(qū)主要集中在縣境槽谷地帶、南部中山區(qū)及北部海拔較低區(qū)域，這部分地區(qū)溫度、年降水量、年日照百分率均適宜茶樹生長(zhǎng)，早春出現(xiàn)低溫日數(shù)少，光、溫、水條件匹配良好，氣候條件利于優(yōu)質(zhì)茶葉的產(chǎn)出．旺蒼縣槽谷地帶以北大部為茶葉生產(chǎn)氣候次適宜區(qū)，對(duì)比適宜區(qū)，此區(qū)域早春出現(xiàn)低溫日數(shù)較多，春芽受凍風(fēng)險(xiǎn)增高．茶葉生產(chǎn)氣候不適宜區(qū)也多集中在北部，包括鼓城鄉(xiāng)、鹽河鄉(xiāng)、英萃鎮(zhèn)、檬子鄉(xiāng)、大河鄉(xiāng)等高海拔地區(qū)，這部分地區(qū)一方面熱量條件差，茶樹生長(zhǎng)受限，另一方面日照百分率高，不利于茶葉品質(zhì)形成．地形地勢(shì)上，旺蒼縣南部整體較北部更適宜茶葉生產(chǎn)，不適宜區(qū)多分散于槽谷地帶以北，該區(qū)域地形地勢(shì)多變，海拔及坡度是茶葉產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)主要限制因子．土壤類型上，旺蒼縣西北部為中山黃壤土區(qū)，pH值為4.5～5.5，為適宜茶葉生產(chǎn)的偏酸性土壤，旺蒼縣東北部為中山魚眼沙黃壤土區(qū)，pH值在5.5～6.5，是茶葉生產(chǎn)土壤次適宜區(qū)，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(chǎn)不適宜區(qū)．

圖1 旺蒼縣茶葉生產(chǎn)氣候適宜性區(qū)劃、地形適宜性區(qū)劃與土壤適宜性區(qū)劃

2.2 旺蒼縣茶葉種植生態(tài)適宜性區(qū)劃

綜合考慮氣候、地形及土壤對(duì)茶葉生產(chǎn)的影響，得到旺蒼縣茶葉種植綜合區(qū)劃圖(圖2)．旺蒼縣大部地區(qū)為茶葉生產(chǎn)適宜及次適宜區(qū)．其中，茶葉生產(chǎn)適宜區(qū)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(zhèn)、尚武鎮(zhèn)、嘉川鎮(zhèn)、東河鎮(zhèn)、黃洋鎮(zhèn)、普濟(jì)鎮(zhèn)、三江鎮(zhèn)、金溪鎮(zhèn)、大德鄉(xiāng)及槽谷地帶以北呈東北—西南向分布的檬子鄉(xiāng)、英萃鎮(zhèn)及正源鄉(xiāng)等海拔400～800 m地區(qū)，該區(qū)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(shù)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(shí)土壤偏酸性，利于高品質(zhì)茶葉出產(chǎn)．旺蒼縣茶葉生產(chǎn)次適宜區(qū)多分散在海拔約800～1 000 m的山區(qū)，面積約1 348.24 km2，占縣域面積45.13%，這部分地區(qū)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(qū)1-3月最低氣溫<0 ℃天數(shù)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(qū)主要限制因子為土壤pH值，這部分區(qū)域可通過(guò)改良土壤提高茶葉生產(chǎn)適宜度．旺蒼縣茶葉生產(chǎn)不適宜區(qū)域約占全縣24.50%，約731.81 km2，不適宜區(qū)主要分布在鼓城鄉(xiāng)、鹽河鄉(xiāng)、普濟(jì)鎮(zhèn)、大兩鄉(xiāng)、萬(wàn)山鄉(xiāng)等海拔1 000 m以上高山區(qū)域，這些地區(qū)熱量條件不足，茶樹栽培易遭受低溫凍害，茶樹產(chǎn)量、品質(zhì)受嚴(yán)重威脅，槽谷地帶以北不適宜區(qū)同時(shí)還受土壤酸堿度限制．

圖2 旺蒼縣茶樹生態(tài)適宜性區(qū)劃

3 結(jié)論與討論

本研究綜合考慮了氣候、地形、土壤3個(gè)因子對(duì)茶葉生產(chǎn)影響，基于層次分析法和加權(quán)指數(shù)求和法構(gòu)建旺蒼縣茶葉生產(chǎn)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并依托GIS自然斷點(diǎn)法進(jìn)行種植分區(qū)．在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃研究中，區(qū)域越大，則氣象觀測(cè)站點(diǎn)越多，觀測(cè)資料越詳實(shí)，在開展縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)精細(xì)化區(qū)劃時(shí)，氣象觀測(cè)站點(diǎn)相對(duì)較少，為更好滿足縣一級(jí)區(qū)劃要求，研究結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)及空間插值法建立旺蒼縣氣候指標(biāo)空間分析模型，提高研究精度．

四川省地形地勢(shì)復(fù)雜，氣候資源多樣，“一鄉(xiāng)一品、一縣一業(yè)”現(xiàn)象突出，因此開展縣級(jí)精細(xì)化區(qū)劃更能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，生產(chǎn)指導(dǎo)意義更好．茶業(yè)作為旺蒼縣重點(diǎn)發(fā)展的農(nóng)業(yè)四大特色主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，是脫貧攻堅(jiān)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的一環(huán)，通過(guò)采取“公司+專業(yè)合作社+基地+農(nóng)戶”“公司+基地+農(nóng)戶”等多種模式，旺蒼縣正積極推動(dòng)茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展．依托旺蒼縣良好的生態(tài)基礎(chǔ)，開展旺蒼縣茶葉生產(chǎn)適宜性區(qū)劃可為其發(fā)展規(guī)劃提供參考，助力提升區(qū)域品牌影響力．

當(dāng)前旺蒼縣旨在將高陽(yáng)鎮(zhèn)打造為茶產(chǎn)業(yè)第一強(qiáng)鎮(zhèn)，結(jié)合木門鎮(zhèn)、五權(quán)鎮(zhèn)、棗林鄉(xiāng)形成四大茶葉生產(chǎn)集中示范區(qū)，以示范帶動(dòng)全縣茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究指出高陽(yáng)鎮(zhèn)、大德鄉(xiāng)大部位于茶葉生產(chǎn)適宜地帶，這與實(shí)際生產(chǎn)較吻合，對(duì)于棗林鄉(xiāng)、木門鎮(zhèn)等實(shí)際種植情況與區(qū)劃結(jié)果有所差異，一方面是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門在規(guī)劃統(tǒng)籌時(shí)需考慮到交通運(yùn)輸和其他產(chǎn)業(yè)發(fā)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(guò)土壤改良進(jìn)行調(diào)節(jié)．本研究主要著眼于茶葉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對(duì)自然環(huán)境的要求，但實(shí)際生產(chǎn)中所需考慮的影響因素眾多，下一步可結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌?、人口、政策等進(jìn)行多角度探討．此外研究中對(duì)區(qū)劃結(jié)果驗(yàn)證時(shí)可用驗(yàn)證數(shù)據(jù)少，結(jié)果可能存在偏差，后期可通過(guò)實(shí)地樣方數(shù)據(jù)采集，結(jié)合遙感手段，進(jìn)行更精確的結(jié)果驗(yàn)證．當(dāng)前旺蒼縣茶葉生產(chǎn)主要以春茶為基礎(chǔ)，并積極發(fā)展夏、秋茶，后期可結(jié)合夏、秋茶生產(chǎn)特點(diǎn)，為茶葉周年生產(chǎn)提供參考建議．