基于GIS的云南省茶樹種植氣候適宜性區(qū)劃

何雨芩，張茂松，黃成兵，高 敏

(1.云南省氣候中心，云南昆明650034;2.普洱市瀾滄縣氣象局，云南普洱665600;3.普洱市咖啡氣象服務(wù)中心，云南普洱665600)

我國是茶葉的原產(chǎn)地，發(fā)現(xiàn)茶樹和利用茶葉至今已有4 700多年的悠久歷史［1］。由于茶樹生長對氣候、土壤、地形等立地條件具有選擇性，不同立地環(huán)境的作物生長具有差異，因而根據(jù)茶樹正常生長對立地條件的要求以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境資源特點進行茶樹生態(tài)適宜性評價，對于因地制宜地開發(fā)利用區(qū)域茶樹生態(tài)資源、充分利用氣候資源優(yōu)勢、合理規(guī)劃茶區(qū)布局、進而提高茶葉產(chǎn)量及品質(zhì)具有重要現(xiàn)實意義［2］。

目前，已有不少研究者開展了茶樹生長適宜性評價的研究，其結(jié)果具有很好的參考價值，早在1982年，王威廉等［3］就對湖南衡陽地區(qū)的茶葉種植進行了區(qū)劃研究;之后，浙江金華、衢州、仙居、甘肅隴南、貴州丹寨等地也先后對茶葉種植的生態(tài)適宜性進行了研究［4－9］。云南省的氣候環(huán)境很特殊，再加上復雜的地形，造成氣候的區(qū)域差異較大，氣候的垂直變化十分明顯。年溫差小、日溫差大;雨量充沛、旱雨季分明，降雨量北少南多，分布不均。在這樣的條件下，各茶山的茶因品種和生態(tài)環(huán)境的不同，茶菁、茶質(zhì)有明顯不同特質(zhì)。賴比星［10］對云南大葉種茶樹在廣西地區(qū)種植的適宜性進行了研究，提出了適宜云南大葉種茶樹生長的氣象條件，并結(jié)合廣西地區(qū)的氣候得出在廣西種植云南大葉茶的發(fā)展方向;楊堅等［11］應(yīng)用模糊數(shù)學綜合評判方法，對云南茶樹進行了適宜種植分區(qū);王明等［12］分析了哀牢山區(qū)域大葉茶種植的氣候資源優(yōu)勢，確定了區(qū)劃指標并劃分出大葉茶在哀牢山區(qū)種植的不同類型區(qū)域。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，楊洋等［13］利用GIS空間分析技術(shù)對云南栽培型普洱茶樹大規(guī)模種植進行了適宜性評價;陳春艷等［14］運用ArcGIS空間內(nèi)插方法對寧洱縣茶園的氣象因子進行模擬，再運用空間分析技術(shù)實現(xiàn)了茶園土地適宜性評價。該研究在充分吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用云南省125個站點30年的氣象資料，針對茶樹種植適宜氣候條件提取出區(qū)劃因子并對其進行模擬，基于GIS空間分析技術(shù)，得到了全省大、中、小葉種茶樹的種植氣候適宜性區(qū)劃。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 云南省位于21°09'～29°15'N、97°31'～106°21'E，東西橫跨865 km，南北縱跨990 km，位置北依廣袤的歐亞大陸、南瀕遼闊的熱帶海洋，處于東亞季風和南亞季風的過渡區(qū)域，西北部與青藏高原相連，境內(nèi)的山地面積占全省總面積的94%，為全國山地分布最多的省份之一。地勢北高南低，南北之間高差懸殊達6 663.6 m，從而形成了復雜多樣的自然地理環(huán)境［15］。云南有悠久的茶葉生產(chǎn)歷史，有豐富的種質(zhì)資源和低緯高原氣候優(yōu)勢，是世界公認的茶樹原產(chǎn)地和中國重要的茶葉生產(chǎn)基地，發(fā)展茶葉產(chǎn)業(yè)有著巨大的潛力和競爭優(yōu)勢。

1.2 數(shù)據(jù)來源 根據(jù)選定的評價指標對數(shù)據(jù)源的要求，收集的基礎(chǔ)資料主要有全省125個氣象站1981～2010年各月平均氣溫、各月平均最低氣溫、月降水量、年降水量等氣象數(shù)據(jù);基礎(chǔ)地理信息資料來源于中國氣象局下發(fā)的1∶25萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。所使用的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采用3°分帶的高斯－克呂格投影，1980西安坐標系和1985國家高程基準，其中DEM數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)，格式為ESRI GRID;邊界為矢量數(shù)據(jù)，格式為shp。

1.3 評價指標和研究方法

1.3.1 氣候適宜性評價指標的確定。溫度是影響茶葉生長、發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)及其分布的主要因子之一［16］。當根系分布層中，土壤溫度達5℃左右時，茶樹根系即開始生長［17］。茶樹生長的最低日平均溫度為10℃，一般認為日平均氣溫穩(wěn)定在10℃左右，茶樹開始萌發(fā)，15～20℃時生長較旺。高溫對茶樹的生長不利，當日平均溫度上升至30℃以上，持續(xù)時間長則會使得茶樹的生長受到抑制，芽、葉受到影響。因此，茶樹適宜生長的日平均氣溫為15～30℃，最適宜栽培地區(qū)的年平均溫度為16～22℃。有學者認為，春季茶樹越冬芽的萌動現(xiàn)象是在累積了一定熱量之后才表現(xiàn)出來的，這種現(xiàn)象的發(fā)生是由量變到質(zhì)變的體現(xiàn)。所以茶芽開始萌動的氣溫不能僅考慮當天的日平均氣溫，而應(yīng)當考慮10℃以上的積溫或日平均氣溫高于某一數(shù)值的持續(xù)天數(shù)［18］。從我國茶樹地理分布來看，在水分條件得到保證的情況下，生長期內(nèi)積溫越多，持續(xù)時間越長，則鮮葉的采摘批次就愈多，茶葉的產(chǎn)量也愈高，越往南積溫越多，致使多酚類含量增高，紅茶品質(zhì)好。不同品質(zhì)的茶葉在生長中所需積溫亦不同，中、小葉種茶樹要求≥10℃積溫為4 500℃·d以上;大葉種茶樹對熱量要求更嚴，需6 000℃·d以上［16］。茶樹分布主要受氣候條件的限制，而決定茶樹致害的氣溫條件是極端最低氣溫。根據(jù)Carr觀察，在南坦桑尼木菲恩迪地區(qū)，當日平均氣溫降至14℃時，茶樹新梢就停止生長［19］。不同茶樹品種在不同地區(qū)的耐低溫能力不同，中、小葉種茶樹在最低氣溫高于－5℃時就可以安全越冬，大葉種茶樹耐低溫能力較弱，當最低氣溫低于－3℃時即遭受凍害。

降水也是影響茶樹生長的主要氣候條件之一，且在很大程度上決定產(chǎn)量的高低和穩(wěn)定程度，并影響茶葉的品質(zhì)。云南夏濕冬干、雨熱同季、冬旱霧漫，年雨量主要集中在5～10月，雖年日照時數(shù)較多，但由于雨熱同季，降雨有效值高，有利于茶樹生長。冬半年受熱帶大陸氣團的控制，少雨干旱，蒸發(fā)量大;但因日較差較大，早晚較低的氣溫有利于霧的形成，這在一定程度上緩和了旱情［10］。霧及以霧滴形式降落的雨水(霧雨)對茶葉的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、彌補干旱期的雨水不足等均有益［20］。霧滴凝集在氣溫較低的植物葉片上，以雨滴形式流落地面，增大了土壤濕度，部分彌補了晝間蒸騰需水的不足。據(jù)觀測，夜間降落在地表的霧滴可達0.2～0.5 mm/d，平均為 0.3 mm/d［21－22］。一般成齡茶園在冬季進入休眠狀態(tài)時的日平均耗水量為1.3 mm左右［23］，那么加上冬日由霧凝集形成的0.3 mm/d的夜雨量，再伴有一定量地下水的補給，就能讓茶樹順利度過云南省的干季。

針對以上適宜茶樹生長的氣候條件，首先提取出1月平均最低氣溫、12月～次年3月的平均月降水量以及年降水量作為評價茶樹適宜生長區(qū)的指標(表1)，將茶樹種植的適宜區(qū)和不適宜區(qū)劃分出來;然后通過不同品種茶樹對≥10℃積溫的需求，來細化分出大、中、小葉種茶樹的適宜種植區(qū)。當≥10℃積溫達6 000～8 030℃·d時，最適宜種植大葉種茶樹;當≥10℃積溫為4 500～6 000℃·d或＞8 030℃·d時，適宜種植大葉種茶樹;當≥10℃積溫為4 000～4 500℃·d時，適宜種植中、小葉種茶樹;≥10℃積溫達3 200～4 500℃·d能基本達到大、中、小葉種茶樹種植條件;當≥10℃積溫＜3 200℃·d時，不適宜種植茶樹。

表1 云南省茶樹種植氣候適宜性區(qū)劃指標

1.3.2 空間分析模型建立。

1.3.2.1 復雜地形下的氣溫推算。由于經(jīng)緯度以及地勢地貌與下墊面的特性不同，造成氣象要素在空間分布上有明顯區(qū)域差異。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)的迅速發(fā)展，在20世紀90年代后期，GIS技術(shù)開始被用于氣候資源的定量評估分析，不僅提高了分辨率，也大大減少了工作量。從宏觀地理條件來說，經(jīng)度、緯度和海拔高度是影響空間溫度分布的最重要因子，它們之間可以建立宏觀氣溫場的氣候?qū)W方程，可表達為:T=T(δ，φ，h)，也可以簡單表述為多元一次回歸方程:T=a+bδ+cφ+dh，式中，T為氣象站觀測的月平均氣溫模擬值，δ為經(jīng)度(°)，φ 為緯度(°)，h 為海拔高度(m)，a、b、c、d為回歸系數(shù)。使用125個氣象站的累年溫度資料，建立1月平均最低氣溫和積溫分別與海拔、經(jīng)度、緯度的統(tǒng)計模型，最終在ArcGIS的空間分析模塊中模擬得到1月平均最低氣溫和≥10℃積溫在全省復雜地形下的空間分布。

1.3.2.2 復雜地形下的降水量推算。為力求最大限度地利用現(xiàn)有資料提取降水信息，準確表現(xiàn)降水量分布情況，該研究對測點降水與海拔高程進行回歸建模，并對距離權(quán)重方法進行改進，同時考慮測站方位的影響，對降水的分布進行空間插值。在信息圓搜索距離確定的情形下，考慮測點與插值點間的距離對插值點估算值的影響，給出權(quán)重取值與距離的關(guān)系式:

式中，Rp是相對于插值點P的搜索半徑，α是無量綱整型參數(shù)。Rp的大小依賴于站點密度。為保證插值精度，足夠的站點數(shù)目是必須的，該研究中的插值站點數(shù)目為15。

測點對插值點的影響除距離因素外，其所處方位也將對插值結(jié)果產(chǎn)生影響。測點Pi(i=1，2，3，4)對于格點中心P分布如圖1所示，4個點相對于點P的距離相等，但P4點相對于其余3點要獨立得多。顯然，PP4雖然與PP1、PP2的距離相同，但空間位置不同，其對點P的影響就有差異。因此，該研究再引入方位權(quán)重來表示插值站點的不同方位對插值結(jié)果的影響。引入PiP之間的夾角余弦作為空間布局的一種量度，通過投影進行測量，則不同站點相對于點P的方位對估值P的影響可以表示為式中，c*表示選定的信息圓(搜索半徑r)范圍。因此，給出綜合考慮方位和距離的權(quán)重函數(shù):Wi=Di(1+ai)。在估計降水時，對參與估值的站點降水與海拔高程進行加權(quán)最小二乘回歸分析，最終建立插值點的降水量。

各指標因子的模型建立完成后，在ArcGIS的空間分析模塊中生成單個氣候區(qū)劃指標的柵格圖，按照指標等級(表1)在柵格圖中表示出來，即形成各個單因子的氣候區(qū)劃分級圖。由于各個氣候區(qū)劃指標對茶葉種植的影響是相互補充又相互制約的，研究先將1月平均最低氣溫、12月～次年3月平均月降水量以及年降水量3個指標綜合，得到茶樹種植適宜區(qū)劃分;然后根據(jù)不同品種茶樹對≥10℃積溫的適宜度，細化出大、中、小葉種茶樹的適宜種植區(qū)，疊加到用3個指標因子劃分出的區(qū)域中，最終得到綜合區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

從區(qū)劃結(jié)果來看(圖2)，云南省內(nèi)哀牢山以西的大部分地區(qū)均符合茶葉適宜生長的條件，尤其德宏、普洱、版納的最適宜區(qū)面積最大。哀牢山以東、文山南部也有部分茶樹最適宜生長地區(qū)。云南北部地區(qū)當海拔高度上升至2 000 m以上時，大葉種茶樹就無法種植，部分地區(qū)可以種植中小葉種茶樹。如滇西北大部分地區(qū)由于海拔和緯度較高，不適宜茶樹生長，但在迪慶、怒江的河谷地帶還是具備中小葉種茶樹生長的氣候條件。滇東北的綏江、鹽津、威信可以種植中小葉種茶樹。

2.1 最適宜區(qū) 根據(jù)區(qū)劃結(jié)果，大葉種茶樹最適宜種植地區(qū)主要集中在德宏、臨滄西部、普洱、版納、紅河南部和文山南部，最適宜種植面積約6.19萬 km2，占全省總面積的15.8%(表2)。這些地區(qū)氣候溫暖濕潤，年平均氣溫大多在16～22℃，≥10℃積溫在6 000℃·d以上。茶樹生長期內(nèi)月平均降水量在150 mm以上，即使在冬半年的干季，滇南的普洱、版納、紅河、臨滄大部分地區(qū)的月降水量也均大于10 mm，特別是紅河州的金平、河口、屏邊三縣，12月～次年3月月平均降水量均在30 mm以上。冬季極端最低氣溫均在0℃以上，基本上不發(fā)生凍害，且冬半年光照多可以補償?shù)途暤貐^(qū)冬溫降低的部分影響。該區(qū)域晝夜溫度變幅大，干季時哀牢山以南氣溫日較差為7～15℃，以北為10～17℃，這樣白天氣溫適當高，有利于植物光合作用，夜間氣溫適當?shù)?，可減弱植物的呼吸作用消耗，促進營養(yǎng)物質(zhì)積累［12］。在這種環(huán)境中，茶樹萌芽時間長、采摘期長、芽葉大而薄、葉質(zhì)柔軟、持嫩性好，能有效促進云南大葉茶的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

表2 各分區(qū)面積和占全省總面積比率

2.2 適宜區(qū) 大葉種茶樹適宜種植地面積約3.15萬km2，地區(qū)主要集中在景谷、景洪和富寧縣，廣南東北部也有一定分布;以保山、臨滄、普洱、紅河和文山北部邊界為界，以南地區(qū)則適宜種植中小葉種茶樹。滇東北地區(qū)冬春季節(jié)處于云貴準靜止鋒東北側(cè)，易受南下冷空氣影響，茶樹易受寒害和凍害，所以不適宜種植不耐低溫的大葉種。中小葉種由于相較大葉種更耐低溫，再加上海拔較低、冬半年降水量較多，滇東北的鹽津、綏江、威信，滇西北的怒江、迪慶河谷地帶，也有適宜中小葉種茶樹生長的氣候條件;紅河州的建水縣、個舊市，以及曲靖市的富源縣、羅平縣和師宗縣的部分地區(qū)，氣候條件也最適宜中小葉種茶樹的生長。

怒江大峽谷一帶受印度洋西南季風氣候的影響，立體垂直氣候明顯，河谷茂林蔥綠，山坡如春如秋，峰頂冰雪嚴冬。這些地區(qū)的河谷地帶可以種植中小葉種茶葉?，F(xiàn)實中維西和怒江大峽谷都是茶馬古道的重要通道，劍川境內(nèi)的沙溪古鎮(zhèn)又有著如今茶馬古道上唯一幸存的集市，因此，在迪慶和怒江種植茶葉不僅有商貿(mào)需求，其河谷地帶的氣候條件也是適宜中小葉種茶樹生長的。

滇西的部分適宜區(qū)雨量充沛，且冬季受西南暖濕氣流的影響而較為暖和。雖然水熱的協(xié)調(diào)配合使之利于大葉種茶樹的生長，但部分區(qū)域≥10℃積溫不足5 000℃·d，茶樹生長緩慢并會影響多酚類含量，從而影響高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，因此不是大葉種茶樹生長的最佳條件。滇東南的部分適宜區(qū)≥10℃積溫較高，但降水條件稍差，還容易受平流型凍害的影響，氣溫偏低而使大葉茶遭受凍害。但總的來說，滇西和滇東南的部分地區(qū)總熱量條件尚好，年平均氣溫在12～16℃，≥10℃積溫在4 500℃·d以上，年降水量＞1 000 mm，能夠滿足茶樹的生長需求，仍然是大、中、小葉種茶樹的適宜生長區(qū)。

2.3 次適宜區(qū) 次適宜區(qū)種植總面積約為8.66萬km2，占全省總面積的22.1%，包括滇中及以北的大理、楚雄、昆明、玉溪以及紅河北部、曲靖北部、昭通西南部地區(qū)。這些地區(qū)中高海拔以上區(qū)域年均溫低于12℃，且1月平均最低氣溫低于－3℃，易使大葉種茶樹受害，年均降水量也小于1 000 mm，氣候條件僅基本滿足中小葉種茶樹的生長需求，所以大部分種植較為耐寒的中小葉種茶樹。

2.4 不適宜區(qū) 茶樹不適宜種植地區(qū)比較集中，面積約為8.09萬km2，占全省總面積的20.6%。由于緯度較高或海拔較高，滇西北的德欽、中甸、麗江和大理西北部也不適宜種植茶葉;處于干熱河谷地帶的永勝、華坪、永仁、元謀、巧家、新村、永善以及元江、紅河、元陽的低熱河谷，由于溫度高、濕度小也不適宜種植茶樹;昭陽區(qū)、彝良縣等海拔較高或地處冷空氣路徑上，也屬于不適宜種植地區(qū)。

3 討論

(1)該研究基于GIS技術(shù)對云南省≥10℃積溫、1月平均最低氣溫、12月～次年3月月平均降水量和年降水量進行模擬，綜合四項結(jié)果得到全省茶葉的適宜性區(qū)劃，該方法能夠定量、直觀地獲取適宜區(qū)的數(shù)量和空間信息，可操作性較強，具有一定的推廣應(yīng)用價值;同時彌補了以往大多局限于個別市、縣局部地區(qū)的相關(guān)研究，可為云南省合理規(guī)劃茶區(qū)布局提供科學的決策依據(jù)。

(2)整體上看，云南省茶樹種植的適宜度由南向北逐漸遞減，最適宜地區(qū)主要分布在版納、普洱、臨滄、德宏四市，這些區(qū)域溫度適宜、熱量充足、雨水充沛，茶葉品質(zhì)好、產(chǎn)量高;不適宜種植的地區(qū)為滇西北海拔2 000 m以上地區(qū)以及干熱河谷地帶，這些地區(qū)熱量條件差或溫度太高，易使茶樹受凍或受旱，不宜發(fā)展。

(3)在利用氣象資料建立空間氣候模型時，氣象資料站點密度還太稀疏，不能夠較好地模擬山地氣候特征，模型準確性還有待進一步加強;由于數(shù)據(jù)精度和分辨率的限制，該研究的評價結(jié)果也有待于進一步驗證。

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