徐建鵬,伍 瓊,王 暉
(1.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心,安徽 合肥 230031;2.安徽省農(nóng)業(yè)生態(tài)大數(shù)據(jù)工程實驗室,安徽 合肥 230031)
【研究意義】茶葉是安徽傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)作物之一,是重要出口創(chuàng)匯商品,已成為促進(jìn)安徽廣大山區(qū)農(nóng)民增收、助力脫貧的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。2019 年,安徽茶葉種植面積18.71 萬hm2、占全國茶園總面積的6.1%,茶葉產(chǎn)量12.2 萬t、占全國茶葉總產(chǎn)量的4.3%,茶葉一產(chǎn)產(chǎn)值達(dá)66.13 億元,居全國前列。安徽茶葉種植主要分布在長江以南的皖南地區(qū)和長江以北的皖西大別山地區(qū),其中皖南山區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,晝夜溫差大,茶樹生長平穩(wěn),利于茶葉品質(zhì)的形成,中國十大經(jīng)典茗茶中祁門紅茶、黃山毛峰均產(chǎn)自該區(qū)[2]。近百年來,受人類活動和自然因素的共同影響,全球氣候變暖,IPCC 第5 次評估報告指出,1880—2012 年全球地表平均溫度升高0.85 ℃(0.65~1.06 ℃)[3]。農(nóng)業(yè)是對氣候變化最為敏感和脆弱的領(lǐng)域之一[4],茶葉種植布局、生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成受光溫水資源的變化影響較大[5],尤其氣候變暖背景下,低溫冰凍、高溫?zé)岷Φ葮O端天氣事件頻發(fā),嚴(yán)重制約茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,開展茶葉生長氣候資源分析研究,對提升茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)對氣候變化的能力較為重要。
【前人研究進(jìn)展】近年來,眾多學(xué)者圍繞氣候變暖背景下茶樹生長氣候資源進(jìn)行了大量研究。吉文娟等[5]研究表明,近53 年西雙版納州茶葉生長季的平均氣溫和積溫呈顯著上升趨勢,相對濕度呈顯著下降趨勢,降水量變化趨勢不明顯。李時睿等[6]指出江南茶區(qū)茶葉生產(chǎn)受高溫、干旱、冰凍等惡劣天氣的威脅明顯加重,茶葉生產(chǎn)不穩(wěn)定性增加。浙江麗水茶區(qū)具有冬暖春早,凍害少,春茶采摘早和雨熱同步,春旱少,夏季熱害少等氣候資源優(yōu)勢[7];李仁忠等[8]研究發(fā)現(xiàn),氣候變暖背景下,浙江春茶開采時間提前了8 d 左右,茶葉生產(chǎn)面臨霜凍危害的風(fēng)險加重?!颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于安徽省皖南山區(qū)茶樹生長氣候資源的研究相對較少,本研究擬用皖南山區(qū)近50年(1971—2019年)逐日平均氣溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度等氣象資料,采用氣候傾向率等方法,分析安徽省皖南山區(qū)茶葉熱量、輻射和降水等氣候資源時空差異性和空間分布特征?!緮M解決的關(guān)鍵問題】通過研究皖南茶葉生長季氣候資源變化特征,為皖南地區(qū)茶葉生產(chǎn)合理利用氣候資源、科學(xué)應(yīng)對氣候變化提供理論依據(jù)。
皖南山區(qū)(116°38′~119°37′E,29°41′~31°30′N)位于安徽省長江以南,東南與浙江相接,西南和江西相鄰,北以沿江丘陵平原為界[9]。皖南山區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均溫度16℃左右,年降雨量為1 300 mm[10]。安徽省皖南茶葉主產(chǎn)區(qū)包括池州、石臺、青陽、祁門等19 個市縣(圖1)。
圖1 皖南茶葉主產(chǎn)區(qū)氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in main production areas for tea in southern Anhui
皖南山區(qū)19 個市(縣)1971—2019 年的逐日氣象數(shù)據(jù)來源于安徽省氣象信息中心,主要包括日平均氣溫(℃)、日照時數(shù)(h)、降水量(mm)、相對濕度(%)等;1999—2019 年黃山、池州地區(qū)的逐年茶葉產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于黃山市統(tǒng)計年鑒(1999—2019)和池州市統(tǒng)計年鑒(1999—2019)。
1.3.1 茶葉生長氣候資源分析 一般情況下,茶樹生長要求年平均氣溫≥13 ℃、≥10 ℃活動積溫4 000 ℃以上、年降水量在1 300 mm 以上、空氣相對濕度70%以上[8]。本研究以年平均氣溫、≥10℃活動積溫等作為茶葉生長熱量資源,以日照時數(shù)和降水日數(shù)作為光照資源,以降水量、相對濕度等作為降水資源。
1.3.2 氣候傾向率統(tǒng)計 氣候要素的趨勢變化采用一次線性方程表示,利用最小二乘法擬合一元線性方程:
式中,X為氣象要素變化率,t為時間,a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù),表示氣象要素變化傾向率,其值正或負(fù)反映趨勢上升或下降,b×10為氣候要素傾向率,表示氣象要素每10 年的變化率。
1.3.3 茶葉開采期調(diào)查 不同品種茶葉開采期參照李仁忠等[8]方法調(diào)查統(tǒng)計,即早生種茶葉開采期為日平均氣溫穩(wěn)定通過8 ℃的初日,中晚生種茶葉開采期為日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃的初日。
氣象數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013 進(jìn)行計算處理,采用ArcGIS10.0 繪制地理分布圖。
2.1.1 茶葉生長熱量資源變化特征 熱量資源條件是茶樹生長的重要限制性因子,決定茶樹的垂直和緯向分布范圍、生長期長短、發(fā)育期早晚,并對茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[6]。
(1)平均氣溫。1971—2019 年皖南山區(qū)年平均氣溫為15.9 ℃,最大值為17.4 ℃(2007 年),最小值為15.3 ℃(1980 年),滿足茶樹生長對溫度的要求。近50 年皖南山區(qū)年平均氣溫呈極顯著增加趨勢,增幅為0.29 ℃/10 年(圖2A),其中西南部的蕪湖縣和西北部的東至縣增溫幅度較為明顯、均在0.35 ℃/10 年以上,東南部的黃山市歙縣和黟縣增溫幅度相對較小、均在0.2 ℃/10年左右。從空間分布來看(圖2B),皖南山區(qū)年平均氣溫呈一定的經(jīng)向差異,總體呈現(xiàn)西高東低,其中年平均氣溫高值區(qū)位于皖南山區(qū)的西北部和西南部、均在16.4 ℃以上,低值區(qū)位于中東部一帶、不足16.0 ℃。從茶樹生長對年平均氣溫的要求看,皖南山區(qū)各地均能滿足。
圖2 1971—2019 年皖南山區(qū)年平均氣溫(A)及空間分布(B)Fig.2 Time series(A)and spatial distribution(B)of average temperature in mountain areas of southern Anhui during 1971-2019
(2)≥10 ℃積溫。茶樹喜歡溫暖的氣候條件,一般要求≥10 ℃年活動積溫4 000 ℃以上。1971—2019 年皖南山區(qū)≥10℃年平均積溫為5 386 ℃,最大值為5 798 ℃(2018 年),最小值為5 043 ℃(1980 年),不同年份間≥10 ℃活動積溫均能滿足茶樹生長對熱量條件的需求。近50年皖南山區(qū)≥10 ℃平均積溫呈極顯著增加趨勢,增幅為111.7 ℃/10 年(圖3A),其中西南部的蕪湖縣和西北部的冬至縣增溫幅度較為明顯、均在139.0 ℃/10 年以上,東南部的歙縣和黟縣增溫幅度相對較小、均在82.5 ℃/10 年左右。從空間分布來看(圖3B),皖南山區(qū)年平均≥10 ℃積溫呈現(xiàn)一定的經(jīng)向差異,由東向西逐漸增加,其中高值區(qū)位于南部歙縣、屯溪等地,≥10 ℃年平均積溫在5 500 ℃以上,低值區(qū)位于中東部的廣德、寧國、太平、旌德等地,≥10 ℃年平均積溫不足5 300 ℃。
圍繞“生態(tài)優(yōu)、村莊美、產(chǎn)業(yè)特、農(nóng)民富、集體強、鄉(xiāng)風(fēng)好”的總目標(biāo),5個村均制定了《特色田園鄉(xiāng)村建設(shè)試點工作方案》,堅持問題導(dǎo)向,確立建設(shè)任務(wù),排出了2018—2019年的具體建設(shè)項目。2018年8月,首批省級試點丹徒區(qū)世業(yè)鎮(zhèn)3個村莊25個項目全部啟動。
圖3 1971—2019 年皖南山區(qū)≥10℃積溫(A)及空間分布(B)Fig.3 Time series(A)and spatial distribution(B)of accumulated temperature above 10℃in mountain areas of southren Anhui during 1971-2019
2.1.2 茶葉生長光照資源變化特征 光照時間的長短直接影響茶樹的冬眠時段[12],還對茶樹生長、茶葉質(zhì)量有較大影響。1971—2019 年,皖南山區(qū)年日照時數(shù)為1 787 h,最大值為2 197 h(1971年),最小值為1 490 h(2015 年)。近50 年皖南山區(qū)年平均日照時數(shù)呈極顯著下降趨勢,降幅為57.5 h/10 年(圖4A)。從空間分布來看(圖4B),皖南山區(qū)年平均日照時數(shù)分布不均,東部的宣城、績溪、廣德等地和西部的東至、北部的青陽年均日照時數(shù)均在1 800 h 以上,中部太平、石臺、休寧等地年均日照時數(shù)相對較少,不足1 700 h。
圖4 1971—2019 年皖南山區(qū)日照時數(shù)(A)及空間分布(B)Fig.4 Time series(A)and spatial distribution(B)of sunshine duration in mountain areas of southern Anhui during 1971-2019
2.1.3 茶葉生長降水資源變化特征 水分是保證茶樹正常生長的基礎(chǔ)條件之一,影響茶樹新陳代謝的強度,直接影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[13],自然降水是茶園水分最主要的來源。
(1)降水量。1971—2019 年,皖南山區(qū)降水量以波動為主,整體呈不明顯增加趨勢(圖5A),增幅為13.7 mm/10 年。皖南山區(qū)位于長江中下游,降水資源豐富,大部地區(qū)年降水量在1 200 mm 以上,歷年均值為1 553.3 mm,但年際間差異較大,年降水量最小值出現(xiàn)在1978年、為896.7 mm,最大值出現(xiàn)在2016 年、為2 284.6 mm。從空間分布看(圖5B),皖南山區(qū)降水量均值區(qū)域間差異明顯,由東北至西南呈增加趨勢,最小值位于宣城、廣德、郎溪等地,年均降水量不足1 400 mm;最大值位于屯溪、祁門、黟縣、休寧等地,年均降水量在1 700 mm 以上。
圖5 1971—2019 年皖南山區(qū)降水量(A)及空間分布(B)Fig.5 Time series(A)and spatial distribution(B)of precipitation in mountain areas of southern Anhui during 1971-2019
(2)降水日數(shù)。1971—2019 年皖南山區(qū)降水日數(shù)以波動為主,整體變化趨勢不明顯,年際間差異較大,年降水日數(shù)最大值出現(xiàn)在1977 年、為168 d,最小值出現(xiàn)在1995 年和2013 年、為123 和122 d。從空間分布來看(圖6B),皖南山區(qū)降水日數(shù)均值區(qū)域間差異明顯,由東北至西南呈增加趨勢,最小值位于南陵、郎溪等地,年均降水日數(shù)不足135 d;最大值位于屯溪、黟縣等地,年均降水日數(shù)在155 d 以上。
圖6 1971—2019 年皖南山區(qū)降水日數(shù)(A)及空間分布(B)Fig.6 Time series(A)and spatial distribution(B)of precipitation days in mountain areas of south Anhui during 1971-2019
(3)相對濕度。相對濕度是影響茶葉品質(zhì)的重要因素,通常在土壤水分適宜條件下,空氣濕度高,新梢葉片大,茶葉持嫩性強,角質(zhì)層薄,品質(zhì)較為優(yōu)良[6]。一般認(rèn)為,空氣相對濕度在70%~90%時茶樹生長發(fā)育正常,當(dāng)相對濕度低于50%對茶樹生長發(fā)育不利[14]。1971—2019 年皖南山區(qū)年平均相對濕度歷年均值為78.8%,最小值為73.6%(2011 年),最大值為81.6%(1977 年),不同年份間平均相對濕度均在茶樹適宜生長區(qū)間內(nèi)。近50 年皖南山區(qū)相對濕度呈極顯著下降趨勢,降幅為0.5%/10 年(圖7A)。從空間分布來看(圖7B),皖南山區(qū)年均相對濕度空間分布不均,差異明顯,北部的青陽縣和西部的祁門縣年均相對濕度較高、均在80%以上,南部的績溪、歙縣等地年均相對濕度為76%左右。
圖7 1971—2019 年皖南山區(qū)平均相對濕度(A)及空間分布(B)Fig.7 Time series(A)and spatial distribution(B)of average relative humidity in mountain areas of southern Anhui during 1971-2019
2.2.1 茶葉開采期變化特征 1971—2019 年皖南山區(qū)早生種和中晚生種茶葉開采期均呈極顯著提前趨勢,平均每10 年分別提前4.2、3.6 d。近50年皖南山區(qū)早生種茶葉開采期歷年均值為2 月22日,最早出現(xiàn)在2017 年的1 月20 日,最遲出現(xiàn)在2012 年的3 月13 日;中晚生種茶葉開采期歷年均值為2 月27 日,最早出現(xiàn)在2009 年的2 月6 日,最晚出現(xiàn)在1985 年的3 月19 日(圖8)。
圖8 1971—2019 年皖南山區(qū)茶葉開采期變化Fig.8 Variation of the harvest dates of tea in mountain areas of southern Anhui during 1971-2019
2.2.3 氣象因素對茶葉產(chǎn)量的綜合影響 茶葉的單產(chǎn)量是不同氣象要素綜合作用的結(jié)果,不同氣象要素對于提高產(chǎn)量的效應(yīng)權(quán)重存在差異。因此,對氣象要素與平均每667 m2茶葉產(chǎn)量進(jìn)行逐步回歸分析,得到的回歸方程如下:
式中,x1、x2、x3、x4、x5、x6分別為平均氣溫、≥10℃積溫、降水量、降水日數(shù)、日照、相對濕度。從回歸方程可以看出,平均氣溫、相對濕度和降水日數(shù)的回歸系數(shù)較大,是影響茶葉單產(chǎn)的主要氣象因素。
圖9 1971—2019 年皖南山區(qū)主要氣象因素與茶葉產(chǎn)量關(guān)系Fig.9 Relationship between main meteorological factors and yield of tea in mountion areas of southern Anhui during 1971-2019
本研究分析了皖南山區(qū)與茶葉生長關(guān)系密切的熱量、光照、降水等氣候資源時空變化特征,以及氣象因素對茶葉產(chǎn)量的影響。安徽省皖南山茶區(qū)氣候資源較為豐富,其中年平均氣溫15.3~17.4 ℃,≥10℃活動積溫5 386~5 798 ℃,適宜生長日數(shù)137~157 d,年日照時數(shù)1 490~2 197 h,年降水量896.7~2 284.6 mm,年平均相對濕度73.6%~81.6%,與長江中下游其他茶產(chǎn)區(qū)相比,皖南山區(qū)的熱量條件、降水資源總體不如浙江、江西、湖北、華南等地,但光照資源較湖北、湖南、江西等地豐富[6,8]。從茶葉生長對氣象條件需求來看,安徽省皖南山區(qū)熱量、光照、降水等資源均滿足茶葉生長對氣候資源的需求[8]。
全球氣候變暖背景下,近50 年皖南山區(qū)茶葉生長氣候資源表現(xiàn)為熱量資源顯著增加,光照資源顯著減少,降水量變化趨勢不明顯,相對濕度顯著降低,其變化特征與吉文娟等[5]、李仁忠等[8]研究結(jié)論較為一致。氣候變暖造成皖南山區(qū)早生種和中晚生種茶葉開采期提前,但隨著開采期的提前,面臨霜凍災(zāi)害的風(fēng)險也相應(yīng)增大[8];日照時數(shù)持續(xù)減少,有利于茶樹生長和茶葉品質(zhì)形成[7-8];降水量雖然呈增加趨勢,但相對濕度降低趨勢明顯,對茶葉品質(zhì)的形成有不利影響。此外,春霜凍[16-17]、高溫干旱[18-20]等災(zāi)害也是影響茶樹生長和茶葉品質(zhì)、產(chǎn)量的重要因素。
本研究結(jié)果表明,近50 年安徽省皖南山區(qū)茶葉生長熱量資源明顯增加,其中年平均氣溫、≥10℃活動積溫和適宜生長日數(shù)均增幅分別為0.29℃/10 年、111.7℃/10 年和2.7 d/10 年;光照資源顯著減少,年均日照時數(shù)降幅為57.5 h/10 年;降水資源變化不一,其中降水量呈增加趨勢、增幅為13.7 mm/10 年,相對濕度明顯降低,降幅為0.5%/10 年。氣候變暖造成皖南山區(qū)早生種和中晚生種茶葉開采期顯著提前,提前幅度分別4.2和3.6 d/10 年;氣候變暖帶來的平均氣溫、相對濕度的變化對皖南山區(qū)茶葉產(chǎn)量影響較大。