基于GIS的普定縣茶樹種植氣候適宜性區(qū)劃

楊 益，陳貞宏，吳 龍，朱曦嶸，張嬌艷

(1.蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000;2.貴州省普定縣氣象局，貴州 普定 562100;3.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000;4.貴州省冊亨縣氣象局，貴州 冊亨 552200;5.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

茶樹是一種多年生長的常綠植物，對氣候條件有一定的要求，主要分布在亞熱帶和熱帶地區(qū)，但是茶樹經(jīng)過人工栽培后，它的適應(yīng)范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原生長地條件。普定朵貝茶是貴州省著名的歷史名茶之一，近年來，普定縣大力實施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化工程，以茶產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，以規(guī)?；ㄔO(shè)、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營、品牌化建設(shè)打造朵貝品牌。為了充分挖掘氣候資源潛力，對普定縣茶葉種植氣候進(jìn)行區(qū)劃，有著重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)學(xué)者在茶樹氣候適宜性方面有些研究［1－3］，但在茶樹區(qū)劃方面研究甚少，目前對茶樹氣候適宜性研究［4－5］的多以數(shù)理統(tǒng)計圖表為主或是以行政區(qū)劃為基本評價單元，精細(xì)化程度不夠。筆者以普定縣為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)［6］及氣候資源的小網(wǎng)格分析方法［7］，綜合分析氣候條件，對該縣茶葉適宜種植區(qū)進(jìn)行氣候區(qū)劃細(xì)化研究，旨在因地制宜地發(fā)展茶葉生產(chǎn)，將為該縣茶葉種植尤其是名茶種植的合理布局與規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料來源

2.1 研究區(qū)概況

普定縣位于貴州省中部偏西，東西長51.4 km，南北寬40 km，總面積1 085.38 km2，轄7個鄉(xiāng)，4個鎮(zhèn)，327個行政村，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，全年氣候溫和，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，春干秋涼，無霜期長，雨量充沛，日照少，輻射能量低。

2.2 氣候資料

氣象數(shù)據(jù)為安順市6個氣象站1961—2010年氣溫、降雨和日照數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計得出近50 a年平均氣溫、極端最低氣溫、≥10℃活動積溫、年平均降雨量、年平均日照時數(shù)資料;地理信息數(shù)據(jù)主要應(yīng)用安順市普定縣100 m×100 m的DEM數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 茶樹生長發(fā)育的氣候條件

茶樹是一種喜溫、喜濕、喜漫射光的多年生長的亞熱帶常綠植物［8］，具有不耐高溫、嚴(yán)寒、干燥天氣的特性。因此需要在一定的氣候條件下才能正常生長，否則將受到不同程度的影響甚至危害，光照、溫度、水分是影響茶葉生長和品質(zhì)的最主要氣象因子。貴州茶葉生長氣候條件一般要求年平均氣溫13℃以上，≥10℃的年積溫4 000℃以上，年降水量1 300 mm以上，冬季氣溫＜－13℃會出現(xiàn)嚴(yán)重凍害，夏季出現(xiàn)35℃以上高溫，并持續(xù)幾天時，生長會受到抑制，茶葉品質(zhì)也將受到嚴(yán)重影響。因此，培育優(yōu)質(zhì)名茶不僅要有好的品種，適宜的土壤，而且要有適宜的氣候條件。貴州降水豐富，氣溫偏低，多云霧［9］，多陰天，少日照，太陽輻射強(qiáng)度小，散射光多，有利于茶葉鮮葉氨基酸含量的增加，提高茶葉的品質(zhì)。

普定縣年平均氣溫15.1℃，年平均日照時數(shù)1 175.3 h，無霜期301 d，年平均降水1 348.4 mm，屬全省3大降雨中心地區(qū)之一。以上氣候條件對茶葉的生長發(fā)育比較有利。

3.2 區(qū)劃因子的選擇及適宜性指標(biāo)的確定

一般情況下，茶樹生長要求年平均氣溫≥13℃、年內(nèi)≥10℃的活動積溫在4 000℃/a以上和年降水量達(dá)1 300 mm以上，以及空氣相對濕度在70%以上。本文根據(jù)金志鳳等人的研究結(jié)果［10－12］，結(jié)合貴州茶樹生長發(fā)育的氣候條件綜合分析，確定以年平均氣溫(T年)、歷史極端最低氣溫(Tmin)、≥10℃活動積溫(∑T≥10)、年平均降雨量(R年)、年平均日照時數(shù)(S年)5個氣象因子為主要氣候區(qū)劃指標(biāo)，其權(quán)重分別為 0.3、0.2、0.3、0.1、0.1，即以年平均氣溫、≥10℃活動積溫為主導(dǎo)因子對普定縣茶樹適宜性種植進(jìn)行氣候區(qū)劃，建立茶樹種植適宜性區(qū)劃指標(biāo)(表1)。

表1 茶葉適宜種植的評價要素及指標(biāo)

3.3 茶樹適宜種植區(qū)的空間分析模型的建立

3.3.1 地理信息數(shù)據(jù)的編輯與處理 應(yīng)用普定縣100 m×100 m的DEM數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)Arc-GIS9.3平臺下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、投影、配準(zhǔn)等圖層處理，最終生成普定全縣100 m×100 m的海拔高度、經(jīng)度和緯度的柵格圖層。

3.3.2 區(qū)劃指標(biāo)小網(wǎng)格推算模型的建立 氣候資源由于緯度、海陸分布、地形地貌以及下墊面性質(zhì)的影響存在著明顯的空間差異。普定縣已建成兩要素區(qū)域自動觀測站，然而區(qū)域自動站建站時間不長，并不能代表氣候資料，若僅靠普定縣1個站的氣候資料只能反映該站附近區(qū)域內(nèi)的氣候概況，不能代表整個縣實際情況。為解決這一難題，通過建立整個安順市(包括6個縣市)山地氣候的空間分析模型，以此來推算氣候區(qū)劃指標(biāo)在無測站地區(qū)的分布狀況。區(qū)劃因子與地理因子的關(guān)系模型可表示為［13］:

式中Y為氣候區(qū)劃因子(如年平均氣溫、歷年極端最低氣溫等);φ、λ、h分別表示經(jīng)度、緯度、海拔高度。

應(yīng)用安順市6個縣市1961—2010年50 a氣象觀測資料，統(tǒng)計分析得出年平均氣溫、歷年極端最低氣溫、≥10℃活動積溫、年平均降雨量、年平均日照時數(shù)，根據(jù)多元回歸分析方法［14］，求出5個區(qū)劃指標(biāo)的氣候?qū)W方程(見表2)。

表2 茶樹種植指標(biāo)各要素的空間模型

從表2看出，各方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.820 4～0.994 6之間，從回歸效果看，降雨量推算不如溫度的好，但都通過了α=0.05的顯著性檢驗［14］，表明可以用推算的方程進(jìn)行區(qū)劃指標(biāo)的小網(wǎng)格推算。

3.3.3 種植氣候區(qū)劃專題圖的制作 在地理信息系統(tǒng)ArcGIS9.3平臺中，根據(jù)生成的經(jīng)度、緯度和海拔高度柵格圖層，利用表2中的空間推算模型，分別推算出年平均氣溫、歷年極端最低氣溫、≥10℃活動積溫、年平均降雨量、年平均日照時數(shù)柵格圖層數(shù)據(jù)，根據(jù)表1茶樹種植適宜性區(qū)劃指標(biāo)，將上述5個柵格圖層數(shù)據(jù)，按照最適宜、適宜、次適宜、不適宜的標(biāo)準(zhǔn)同化(此處同化采用ArcGIS9.3中的重分類Reclassify方法而得)成一定的數(shù)值(如最適宜區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)值統(tǒng)一同化為20，適宜區(qū)為15，次適宜區(qū)為10，不適宜區(qū)為5)，最后將5個同化后的區(qū)劃指標(biāo)權(quán)重系數(shù)分別為 0.3、0.2、0.3、0.1、0.1，利用ArcGIS9.3的柵格疊加工具(Raster Calculator)將5項指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重疊加，再按照總分值的大小根據(jù)ArcGIS9.3自然斷點分級法［15］來劃分普定縣茶樹種植的最適宜、適宜、次適宜和不適宜氣候區(qū)，結(jié)果見圖1所示。

圖1 普定縣茶樹種植氣候適宜區(qū)劃

4 結(jié)果分析與區(qū)劃評述

由圖1可知，普定縣茶樹種植的氣候適宜性自東北向西南呈明顯遞增趨勢，充分反映了氣候條件及地形地貌因素的影響，在其他條件相同的情況下，氣溫隨海拔高度升高而降低，因此在普定縣北部地勢較高鄉(xiāng)鎮(zhèn)不適宜種植茶樹。具體分析如下:

①最適宜區(qū)。最適宜區(qū)域分布最廣，占該縣整個國土面積的46%，主要分布在該縣中部偏南，城關(guān)鎮(zhèn)南側(cè)、化處、馬官、馬場等地，尤其是化處鎮(zhèn)，盛產(chǎn)貴州歷史名茶朵貝茶，這與區(qū)劃結(jié)果相吻合;朵貝茶在古代多次作為貢品進(jìn)貢給皇帝，近年來也曾多次榮獲中國茶葉博覽會銀獎和金獎，因此，該區(qū)是茶樹種植的重點發(fā)展區(qū)域。

②適宜區(qū)。適宜區(qū)主要集中在城關(guān)北側(cè)、龍場、白巖、雞場等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，占該縣國土面積的22%。

③次適宜區(qū)。次適宜區(qū)占該縣國土面積的31%，主要分布在該縣中北部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中猴場所占比例最大。但在該區(qū)發(fā)展茶樹種植要謹(jǐn)慎。

④不適宜區(qū)。不適宜種植茶樹的區(qū)域分布最少，占地面積不到該縣國土面積的1%，主要分布在猴場的中部地區(qū)。

從區(qū)劃結(jié)果來看，普定縣種植茶樹適宜區(qū)和最適宜區(qū)已占該縣國土面積的68%，覆蓋該縣2/3以上的土地均可種植茶樹，不適宜種植茶樹的區(qū)域占地不到國土面積的1%，然而目前普定縣茶葉種植面積僅占耕地面積的4.92%，這說明該縣將來發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)還有很大的空間。除氣候條件外，影響茶葉產(chǎn)量及品質(zhì)高低的因素還很多，本文建立區(qū)劃因子空間分布模型時只考慮了經(jīng)度、緯度和海拔高度，事實上氣象要素的空間分布還受坡度及坡向的影響，有待于今后進(jìn)一步的研究和細(xì)化。

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