湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型研究

摘要：利用湖北省典型茶區(qū)2018—2020年綠茶不同開采期品質(zhì)數(shù)據(jù)及開采前15 d氣象觀測數(shù)據(jù)，首先通過決策樹和隨機(jī)森林等機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析了影響綠茶品質(zhì)的關(guān)鍵氣象因子及其響應(yīng)關(guān)系，然后基于模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建了氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和相對(duì)濕度單因子隸屬函數(shù)模型，并采用綜合加權(quán)得到綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型，最后基于遺傳算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，并確定了等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，符合實(shí)際等級(jí)的樣本占樣本總數(shù)的67.2%，相差一個(gè)等級(jí)的樣本占樣本總數(shù)的32.8%，說明綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型能夠反映不同氣候條件下綠茶品質(zhì)的差異。

關(guān)鍵詞：綠茶；氣候品質(zhì)；評(píng)價(jià)模型；機(jī)器學(xué)習(xí)；湖北省

中圖分類號(hào)：S571.1" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）06-0046-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.009 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on climatological quality evaluation model with comprehensive indexes for green tea" in Hubei Province

DENG Huan-huan1，2，3， QIN Peng-cheng1，2，3， WAN Su-qin1，2，3， DENG Ai-juan1，2，3， TANG Yang1，2，3

（1.Wuhan Regional Climate Center， Wuhan" 430074， China；2.Three Gorges National Climatological Observatory，Yichang" 443002，Hubei，China；

3.Key Laboratory of Basin Heavy Rainfall，CMA，Wuhan" 430205，China）

Abstract： Quality analysis data of green tea within different green tea-plucking periods and observation data of meteorological elements at 15 days before spring tea-plucking in typical tea-producing regions of Hubei Province from 2018 to 2020 was used. Firstly， the key meteorological elements affecting green tea quality and its response relationship were analyzed by using machine learning methods including decision tree and random forest model. Secondly， the single-factor subordinate function model for temperature， sunshine， wind speed and relative humidity was built based on fuzzy mathematics theory. In the meanwhile， a comprehensive index model for climatological quality of green tea was built by using the comprehensive weighted method. Finally， parameters in this model were optimized based on the genetic algorithm. Additionally， grade evaluation standard was also determined. The results showed that the number of samples corresponding and existing one grade difference to the actual grade of samples accounted for 67.2% and 32.8% of the total samples， respectively. The results indicated that this model for green tea could reflect its quality difference under different climate situations.

Key words： green tea； climatological quality； evaluation model； machine learning； Hubei Province

農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)主要取決于獨(dú)特的溫濕度、光照及降水等生態(tài)環(huán)境和氣候條件。前人對(duì)農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)的技術(shù)方法主要有兩種，第一種方法是僅對(duì)氣象指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)劃分，包括該作物的適宜性指標(biāo)、災(zāi)害指標(biāo)等，將集成的指標(biāo)直接作為評(píng)價(jià)模型，例如安徽東至金絲皇菊［1］、新疆庫爾勒香梨［2］、陜西獼猴桃［3］等農(nóng)產(chǎn)品；第二種方法就是將氣象數(shù)據(jù)與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)合，探討氣象因子與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，建立氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，例如浙江龍井茶［4］ 、浙江湖景蜜露水蜜桃［5］、黃河故道碭山酥梨［6］、江西贛南臍橙［7］等農(nóng)產(chǎn)品。相比較而言，將農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)緊密關(guān)聯(lián)起來更具有科學(xué)性和指導(dǎo)價(jià)值，是農(nóng)產(chǎn)品氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)的主要發(fā)展方向。

湖北省為茶葉生產(chǎn)大省，2018—2019年全省茶園總面積、總產(chǎn)量穩(wěn)居全國第三或第四位，但產(chǎn)值卻僅居全國第七位，產(chǎn)量與產(chǎn)值極不匹配，這是湖北省茶葉產(chǎn)業(yè)亟需解決的問題。因此，本研究應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論［1-14］及決策樹和隨機(jī)森林等機(jī)器學(xué)習(xí)方法 ［15-21］，在前人研究的基礎(chǔ)上，鑒于早春風(fēng)速對(duì)綠茶品質(zhì)有較大影響［22］，增加了風(fēng)速作為影響指標(biāo)，構(gòu)建了湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型，可為湖北省綠茶氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)工作和優(yōu)化綠茶生產(chǎn)布局提供科學(xué)依據(jù)，也有助于地方茶農(nóng)或茶葉農(nóng)企提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，增加收入，助力鄉(xiāng)村振興。

1 資料與方法

1.1 資料來源與處理

1.1.1 綠茶品質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取 選取湖北省恩施市芭蕉侗族鄉(xiāng)、宣恩縣萬寨鄉(xiāng)、麻城順河鎮(zhèn)、夷陵唐家壩、英山溫泉鎮(zhèn)5個(gè)典型茶區(qū)的綠茶基地茶園取樣，品種為灌木型小葉種綠茶，茶園經(jīng)緯度及海拔見表1。在2018—2020年3月上旬至5月上旬逐旬旬初動(dòng)態(tài)取樣，取樣時(shí)要求同一茶園取樣的海拔差距不超過100 m，標(biāo)準(zhǔn)為兩葉一心（部分樣品因未達(dá)采摘標(biāo)準(zhǔn)而放棄采摘）。樣品烘干后，送中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所檢測茶多酚、氨基酸、咖啡堿、水浸物和含水量5項(xiàng)理化指標(biāo)，計(jì)算氨基酸與茶多酚的比值（氨酚比），一般以氨酚比或酚氨比來表征綠茶品質(zhì)的好壞［23］。

1.1.2 氣象數(shù)據(jù)的獲取及格點(diǎn)數(shù)據(jù)處理方法 來自湖北省氣象信息與保障中心76個(gè)國家氣象站2018—2020年3月上旬至5月上旬逐日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)以及5個(gè)綠茶基地茶園中的區(qū)域自動(dòng)站（恩施芭蕉站Q5109、宣恩伍家臺(tái)站Q5514、麻城順河集站Q9109、英山國營長沖茶廠站Q9312和夷陵唐家壩站Q4136）的平均氣溫。

利用湖北省基礎(chǔ)地理信息和國家氣象站觀測數(shù)據(jù)，以海拔高度、經(jīng)度、緯度為協(xié)變量，基于回歸克里金方法建立1991—2020年1 000 m×1 000 m細(xì)網(wǎng)格氣象要素序列（平均氣溫、平均日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度和平均風(fēng)速），用于綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)的計(jì)算。插值過程通過R語言實(shí)現(xiàn)。

1.2 湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型構(gòu)建

1.2.1 建模氣象因子指標(biāo)及隸屬函數(shù)確定 有學(xué)者在構(gòu)建綠茶氣候品質(zhì)模型時(shí)，將鮮葉采收前15 d的平均氣溫、平均相對(duì)濕度和平均日照時(shí)數(shù)作為影響茶葉品質(zhì)的氣象指標(biāo)［8，9，13］。除了日照時(shí)數(shù)、氣溫和相對(duì)濕度外，風(fēng)對(duì)綠茶的品質(zhì)也有較明顯的影響。早春低溫伴隨西北風(fēng)，除了導(dǎo)致空氣相對(duì)濕度下降外，更易使茶芽受凍［22］，從而影響綠茶的品質(zhì)。利用R語言rpar和randomForest［16］程序包分別構(gòu)建決策樹和隨機(jī)森林等機(jī)器學(xué)習(xí)模型［24］，分析不同氣象因子對(duì)綠茶品質(zhì)的影響，最高層的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)以平均風(fēng)速≥1.5 m/s為判定條件，說明風(fēng)速對(duì)茶葉品質(zhì)的影響最大，根節(jié)點(diǎn)以下左側(cè)反映平均風(fēng)速偏大的情況，當(dāng)平均風(fēng)速≥1.5 m/s時(shí)（34個(gè)樣本，占總樣本的51%），平均氨酚比為0.20，當(dāng)平均風(fēng)速＜1.5 m/s時(shí)（33個(gè)樣本，占總樣本的49%），平均氨酚比為0.25，說明平均風(fēng)速對(duì)綠茶品質(zhì)形成有一定影響， 平均風(fēng)速＜1.5 m/s時(shí)樣本的氨酚比更大。根節(jié)點(diǎn)以下各分枝分析類推。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采收前15 d的氣象因子對(duì)綠茶品質(zhì)的影響大小依次為平均風(fēng)速、平均日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、平均相對(duì)濕度（圖1）。綜合考慮，本模型構(gòu)建選取鮮葉采收前15 d的平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速4個(gè)氣象因子構(gòu)建湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型。

各氣象因子對(duì)綠茶品質(zhì)的影響采用模糊數(shù)學(xué)理論中的隸屬函數(shù)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。基于決策樹算法（CART）對(duì)春季綠茶氨酚比與采摘前的氣象因子進(jìn)行擬合建模，繪制氨酚比與各氣象因子的偏依賴響應(yīng)曲線（圖2）。

基于響應(yīng)曲線，采用鐘型模型確定綠茶品質(zhì)的氣溫、日照時(shí)數(shù)的隸屬函數(shù)，分別采用Lotistic模型和冪指數(shù)倒數(shù)模型確定相對(duì)濕度和風(fēng)速的隸屬函數(shù)，建立綠茶品質(zhì)的氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度以及風(fēng)速指數(shù)。

1.2.2 綜合指數(shù)模型權(quán)重確定及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化 茶葉品質(zhì)形成過程中，光、溫、濕、風(fēng)相互作用決定茶葉品質(zhì)優(yōu)劣。因此，采用加權(quán)求和法構(gòu)建綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)?；陔S機(jī)森林模型分裂節(jié)點(diǎn)不純度下降量對(duì)各變量的重要性進(jìn)行度量，確定各指數(shù)權(quán)重。

利用遺傳算法［23］對(duì)綜合指數(shù)模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合茶葉生理特點(diǎn)，確定參數(shù)合理的取值范圍，以綜合指數(shù)模型預(yù)測的綠茶品質(zhì)指數(shù)與實(shí)測氨酚比的相關(guān)系數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代求解。

1.2.3 湖北省綠茶氣候品質(zhì)空間分布圖繪制 利用“1.1.2”得到的湖北省1991—2020年30年細(xì)網(wǎng)格" " "（1 000 m×1 000 m）歷史氣象數(shù)據(jù)，基于湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型，計(jì)算湖北省網(wǎng)格點(diǎn)上3—5月逐旬綜合指數(shù)最大值30年序列，取80%保證率，依據(jù)綠茶氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)繪制湖北省綠茶氣候品質(zhì)空間分布圖。

1.2.4 湖北省綠茶最佳等級(jí)品質(zhì)采摘期空間分布圖繪制 找出上述30年序列綜合指數(shù)值所對(duì)應(yīng)的采摘期，計(jì)算湖北省網(wǎng)格點(diǎn)上每個(gè)采摘期的出現(xiàn)頻率，頻率最大的采摘期即為該格點(diǎn)最佳品質(zhì)等級(jí)采摘期，從而繪制湖北省綠茶最佳等級(jí)品質(zhì)采摘期空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型

2.1.1 氣溫指數(shù) 根據(jù)綠茶氨酚比與氣溫的響應(yīng)曲線，結(jié)合植物生長氣候適宜度理論，采用鐘型模型建立的綠茶品質(zhì)氣溫指數(shù)模型如式（1）所示。

式中，[YT]為綠茶品質(zhì)形成的氣溫指數(shù)；T為鮮葉采收前15 d的日平均氣溫；Ttop、Tbase、Topt分別為綠茶最佳品質(zhì)形成的上限氣溫、下限氣溫和最適氣溫；Bt為形狀參數(shù)，計(jì)算式如式（2）所示。

2.1.2 日照指數(shù) 采用鐘型模型建立的綠茶品質(zhì)日照指數(shù)模型如式（3）所示。

式中，[YS]為綠茶品質(zhì)形成的日照指數(shù)；S為鮮葉采收前15 d的平均日照時(shí)數(shù)；Stop、Sbase、Sopt分別為綠茶最佳品質(zhì)形成的平均上限日照時(shí)數(shù)、下限日照時(shí)數(shù)和最適日照時(shí)數(shù)；Bs為形狀參數(shù)，計(jì)算式如式（4）所示。

2.1.3 相對(duì)濕度指數(shù) 相對(duì)濕度對(duì)綠茶品質(zhì)的影響采用Lotistic曲線形式來定量描述，建立的表達(dá)式如式（5）所示。

該Lotistic曲線是一個(gè)拉長的“S”形累積增長曲線，定義其一階導(dǎo)數(shù)為速度函數(shù)。當(dāng)速度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)值為0時(shí)，Lotistic曲線方程的增長速率出現(xiàn)拐點(diǎn)，如式（6）所示，此時(shí)相對(duì)濕度對(duì)綠茶品質(zhì)的影響明顯。

兩個(gè)速度拐點(diǎn)將Lotistic曲線劃為漸增期（0，Hl）、快增期（Hl， Hr）和緩增期（Hr，＋∞）3個(gè)區(qū)間。

式中，YH為綠茶品質(zhì)形成的相對(duì)濕度指數(shù)；H為鮮葉采收前15 d的平均相對(duì)濕度；Hl、Hr為Lotistic曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)，即綠茶最佳品質(zhì)形成的相對(duì)濕度的上限值和下限值。

2.1.4 風(fēng)速指數(shù) 以e的冪指數(shù)倒數(shù)形式建立綠茶品質(zhì)風(fēng)速指數(shù)模型，表達(dá)式如式（7）所示。

式中，YF為綠茶品質(zhì)形成的風(fēng)速指數(shù)；F為鮮葉采收前15 d的平均風(fēng)速；f b為模型參數(shù)。

2.1.5 湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)及等級(jí)劃分 影響綠茶品質(zhì)的氣象因子重要性度量如圖3所示，日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速對(duì)綠茶品質(zhì)的影響重要性都在20%～30%，結(jié)合綠茶生長生理特性，確定4個(gè)指數(shù)為等權(quán)重。

利用綜合加權(quán)法得到綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)計(jì)算式如式（8）所示。

式中，YT、YS、YH、YF分別為氣溫指數(shù)、日照時(shí)數(shù)指數(shù)、相對(duì)濕度指數(shù)和風(fēng)速指數(shù)； cT、cS、cH、cF分別為YT、YS、YH、YF的權(quán)重，皆為0.25。

由遺傳算法優(yōu)化求解的各氣象因子指數(shù)模型參數(shù)如表2所示，參數(shù)優(yōu)化后的各氣象因子指數(shù)適宜度曲線如圖4所示。

依據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論及茶葉氣候品質(zhì)評(píng)價(jià)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8，9，13］確定綜合指數(shù)分級(jí)指標(biāo)，綜合指數(shù)按照≥0.90、0.75～0.90、0.50～0.75、lt;0.50的斷點(diǎn)劃分為特優(yōu)、優(yōu)、良和一般4級(jí)，如表3所示。

2.2 湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型檢驗(yàn)

2.2.1 模型準(zhǔn)確率檢驗(yàn) 將實(shí)際檢測的氨酚比數(shù)據(jù)按照表3確定品質(zhì)等級(jí)，與利用綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的等級(jí)進(jìn)行比對(duì)檢驗(yàn)，67個(gè)樣本中45個(gè)樣本符合實(shí)際等級(jí)，占樣本總數(shù)的67.2%，22個(gè)樣本相差一個(gè)等級(jí)，占樣本總數(shù)的32.8%。以上結(jié)果表明，湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型能夠較好地反映不同氣候條件下茶葉品質(zhì)的差異。

2.2.2 湖北省綠茶氣候品質(zhì)等級(jí)空間分布 湖北省綠茶氣候品質(zhì)空間分布如圖5所示。從圖5可以看出，湖北省特優(yōu)綠茶產(chǎn)區(qū)面積最大的是恩施州，其次是宜昌市，再次是十堰市；另外黃岡市、咸寧市的山區(qū)有小部分茶葉產(chǎn)區(qū)可以達(dá)到特優(yōu)茶葉的標(biāo)準(zhǔn)。恩施州特優(yōu)茶葉產(chǎn)區(qū)主要在利川、咸豐、來鳳、恩施、宣恩、建始、鶴峰。宜昌市特優(yōu)茶葉產(chǎn)區(qū)主要在宜昌、宜都、長陽、巴東、秭歸、五峰。十堰市特優(yōu)茶葉產(chǎn)區(qū)主要在竹山、竹溪、房縣、鄖西、?？怠｜S岡市特優(yōu)茶葉產(chǎn)區(qū)主要在英山。咸寧市特優(yōu)茶葉產(chǎn)區(qū)主要在崇陽。湖北省內(nèi)其他大部分茶區(qū)所產(chǎn)綠茶為優(yōu)，無良和一般品質(zhì)茶葉產(chǎn)區(qū)。上述分布與湖北省茶葉產(chǎn)區(qū)綠茶品質(zhì)的實(shí)際情況較為符合［25-27］。

2.2.3 湖北省綠茶最佳品質(zhì)等級(jí)采摘期空間分布 湖北省綠茶最佳品質(zhì)等級(jí)采摘期空間分布如圖6所示。從圖6可以看出，湖北省綠茶最佳品質(zhì)等級(jí)采摘期鄂西南武陵山及三峽茶區(qū)在4月上中旬，鄂西北除神農(nóng)架以外的秦巴山茶區(qū)在4月上中旬，神農(nóng)架茶區(qū)在5月下旬至6月上旬，鄂中大洪山茶區(qū)及鄂東北大別山茶區(qū)都在3月中下旬，鄂南幕阜山茶區(qū)在3月下旬。上述綠茶最佳品質(zhì)等級(jí)采摘期也與實(shí)際情況較一致。

3 小結(jié)與討論

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，增加了風(fēng)速作為影響指標(biāo)，構(gòu)建了湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型。建模使用的茶葉樣品產(chǎn)地經(jīng)度和海拔差異較大，具有一定代表性。模型計(jì)算出的省內(nèi)綠茶特優(yōu)及優(yōu)質(zhì)茶葉的分布情況以及綠茶最佳品質(zhì)形成時(shí)的采摘期等結(jié)果都與實(shí)際情況較為符合，說明該模型在一定地理區(qū)域范圍內(nèi)有推廣價(jià)值。

由于綠茶品質(zhì)對(duì)采摘前氣象條件的變化十分敏感，故采摘前氣象條件對(duì)茶葉品質(zhì)的影響較大。但通過英山2020年的樣本數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2019年出現(xiàn)嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，對(duì)茶樹植株造成傷害，2020年綠茶品質(zhì)亦受到影響。但考慮到茶樹是多年生植株以及模型的易用性，該指數(shù)模型僅考慮了采摘前15 d的氣象條件對(duì)茶葉品質(zhì)的影響，未考慮2019年極端氣象災(zāi)害對(duì)茶樹植株的影響而造成的品質(zhì)影響，因此該指數(shù)模型僅適用于未出現(xiàn)極端氣象災(zāi)害的情況。

由于茶樹是多年生植株，在湖北省不同區(qū)域取樣時(shí)無法完全統(tǒng)一品種，本研究中的研究對(duì)象是灌木型小葉種綠茶。由于不同區(qū)域種植的綠茶品種有差異，在篩選影響茶葉品質(zhì)的氣象指標(biāo)和建立評(píng)價(jià)模型時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮品種的差異。因此，湖北省綠茶氣候品質(zhì)綜合指數(shù)模型還需要在應(yīng)用中不斷修訂和完善。

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收稿日期：2022-05-07

基金項(xiàng)目：湖北省科技基金項(xiàng)目（2019Y05）

作者簡介：鄧環(huán)環(huán)（1980-），女，湖北鐘祥人，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象研究，（電話）18971382090（電子信箱）11662106@qq.com；通信作者，萬素琴，正高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究，（電子信箱）11662106@qq.com。