趙輝，米鴻濤，杜子璇，金開美

河南省茶樹適宜種植氣候區(qū)劃研究

趙輝1，2，米鴻濤3，杜子璇1，4*，金開美5

1. 中國氣象局·河南省農業(yè)氣象保障與應用技術重點實驗室，河南 鄭州 450003；2. 信陽市農業(yè)氣象試驗站，河南 信陽 464000；3. 信陽市氣象局，河南 信陽 464000；4. 河南省氣象科學研究所，河南 鄭州 450003；
5. 河南省茶葉工程技術研究中心，河南 信陽 464000

摘要：利用河南省119個氣象臺站1971～2010年氣候資料，結合茶樹生物學特性，篩選出影響茶樹生長發(fā)育和產量形成的關鍵氣候因子，并進行相關性檢驗，把通過檢驗的因子作為氣候區(qū)劃指標。運用層次分析法構造各區(qū)劃指標的判斷矩陣，并對判斷矩陣的一致性進行檢驗，確定各區(qū)劃指標的權重。采用加權指數求和法計算出河南省茶樹種植綜合區(qū)劃指數，在 GIS平臺的支持下實現(xiàn)精度為 250 m細網格的氣候適宜性區(qū)劃，將河南省茶樹種植區(qū)分為適宜、次適宜和不適宜3個等級，其中適宜種植面積占評價區(qū)域的11.8%，次適宜種植面積占 28.8%，不適宜種植面積占 59.4%。將區(qū)劃結果與茶樹實際種植情況進行對比驗證，發(fā)現(xiàn)兩者吻合度較高，說明區(qū)劃結果能夠較客觀真實地反映河南省茶樹種植狀況，該研究結果有望為河南省茶樹種植科學布局提供依據。

關鍵詞：層次分析法；加權指數求和法；茶樹氣候區(qū)劃；結果驗證

由于受氣候、土壤等因素影響，我國茶樹種植一直局限于長江流域、東南沿海、華南以及云貴川等地。近年來，隨著引種技術的成熟，已經突破38°N不能種植茶樹的界限，山東的青島、日照、莒南、臨沂及河北的靈寺、山西的臨汾等地茶樹種植均獲得成功，其規(guī)模、產量及市場占有率不斷擴大。據調查，河南省適宜種茶面積約 2 667 km2，而實際種植面積截至2013年底僅為1 400 km2?？梢?，河南茶葉發(fā)展空間巨大。河南屬江北茶區(qū)的主產區(qū)，茶園主要分布于大別山區(qū)、桐柏山區(qū)、伏牛山區(qū)和漢水流域，其中豫南大別山和桐柏山地處北亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)域，是中國十大名茶之一“信陽毛尖”的原產地和眾多省內名優(yōu)茶主產區(qū)，該區(qū)域產茶歷史悠久，擁有河南 90%以上的茶園［1-5］。

目前，國內在茶樹氣候適宜性及其區(qū)劃方面取得的研究成果較多。張瑋瑋等［6］用模糊綜合評價法對湖北省茶樹種植實現(xiàn)了基于千米格網的氣候適宜性區(qū)劃，為其他茶區(qū)開展種植區(qū)劃提供了重要參考依據。蔣宗孝等［7］利用地理信息系統(tǒng)和 Arcview軟件將三明市茶樹生產分為3片區(qū)域：烏龍茶為主綠茶為輔區(qū)、綠茶為主烏龍茶為輔區(qū)、綠茶與烏龍茶并重區(qū)，并提出茶葉生產趨利避害的措施。周旭等［8］應用遙感技術劃分都勻毛尖茶種植適宜地和不適宜地，選擇海拔、坡度、坡向、土壤 pH值、≥0℃積溫、年降雨量、空氣相對濕度共7個評價因子，通過專家打分確定各因子權重，實現(xiàn)毛尖茶適宜種植地區(qū)具體評價，最后根據評價結果分析各等級適宜地區(qū)空間分布，并提出都勻毛尖茶樹種植布局建議。李湘閣等［9］利用模糊數學方法，對南京地區(qū)茶樹生長氣候適宜度進行了計算和分析，探討了不同郊縣和郊區(qū)茶樹種植的氣候適宜狀況。這些研究成果對我國茶葉產業(yè)的發(fā)展起到了很大促進作用。

地理信息系統(tǒng) ArcGIS在農業(yè)氣候區(qū)劃中，以空間及屬性數據的分析操作為特征，進行空間數據的疊加分析、緩沖區(qū)分析等重新分析出新的信息，產生專題地圖從而為制定科學決策提供依據。例如，采用GIS的模型功能根據站點的觀測資料內插生成年積溫分布圖、年降水分布圖等專題地圖，然后對地圖數據和數字高程模型（DEM）進行疊加分析，生成農業(yè)氣候區(qū)劃專題圖。本研究在GIS平臺的支持下，運用層次分析法對河南省茶樹種植實現(xiàn)了精度為250 m格網的氣候適宜性區(qū)劃，其區(qū)劃結果的精確度大大提高，為我國“南茶北移”提供了重要理論參考依據。

1 資料來源

氣象數據來源于河南省氣候中心整編資料。包括河南省 119個氣象臺站 1971～2010年的氣溫、降水、相對濕度、日照時數等逐日氣象數據。

經度、緯度及海拔高度等地理信息數據來源于國家基礎地理信息中心提供的河南省1∶250 000基礎地理數據，應用GIS技術提取地市級以上行政邊界。

產量數據來源于《河南農村統(tǒng)計年鑒》及《河南年鑒》，從中選取了河南省23個主要茶樹種植市、縣（區(qū)）1997～2008年的茶葉產量資料。

2 茶樹種植氣候區(qū)劃

茶樹是一種喜溫、喜濕、喜漫射光的多年生常綠植物［10］，需要在一定的適宜氣候條件下才能正常生長。在茶樹生長期間，日照百分率高，直接輻射多，會降低茶葉品質，日照百分率若小于45%，茶葉品質較優(yōu)，若小于40%則品質更好［11］。中高山、多云霧、冷涼山區(qū)日照百分率小，優(yōu)質茶葉多產于這些地區(qū)，這也印證了“高山云霧出好茶”的說法。

一般年平均氣溫在13℃以上，全年≥0℃的積溫在 3 000～4 500℃以上，年極端最低氣溫-10℃以上的地區(qū)，可以種植茶樹。通常日平均氣溫穩(wěn)定過 10℃時，茶樹開始萌發(fā)，當氣溫在 20～30℃，茶樹生長旺盛，氣溫大于35℃，則新梢生長緩慢。

年降水量≥1 000 mm的地區(qū)適宜種植茶樹；不足 1 000 mm，但茶樹生長期間，雨量分布均勻，仍不會造成影響；若連續(xù)數月雨量小于50 mm，空氣相對濕度低，則茶樹易發(fā)生干旱危害，影響茶芽的萌發(fā)，同時相對濕度和干燥度的大小還會影響茶葉的品質。

2.1 確定氣候區(qū)劃指標，建立空間分析模型

茶樹是多年生樹木，影響其生長發(fā)育和產量形成的氣象因子很多。利用SPSS統(tǒng)計分析軟件建立茶葉產量與氣象因子的統(tǒng)計回歸模型，確定出關鍵氣象因子，把通過相關性檢驗的年平均氣溫（Ty）、3～4月平均氣溫（T3-4）、極端最低氣溫（Tmin）、年均降水量（Ry）、4～10月降水量（R4-10）、年平均相對濕度（Uy）、干燥度（Dy）、年日照百分率（KS）8個氣象因子作為河南省茶樹種植氣候區(qū)劃指標。

根據河南省 119個站點氣候資料，整理出 1971～2010年區(qū)劃指標值，運用數理統(tǒng)計方法［12］建立氣候區(qū)劃指標與經度、緯度和海拔高度的空間分析模型（表1）。

表1 氣候區(qū)劃指標的空間分布模型Table 1 Spatial distribution model of climatic zoning index

2.2 區(qū)劃指標等級確定

茶樹生長不僅受氣象因子影響，而且受海拔高度的影響也比較大，在此我們引入海拔高度因子，作為區(qū)劃指標。為便于分析和最后評價結果的量化表達，將各種區(qū)劃指標進行量化分級處理，3表示適宜、2表示次適宜、1表示不適宜（表2）。

2.3 區(qū)劃指標權重的確定

2.3.1 構造判斷矩陣及確定區(qū)劃指標權重

本文應用層次分析法（AHP）確定各區(qū)劃因子的權重。將同一層中各因素相對于上一層進行兩兩比較，對每一層中各因素相對重要性給出一定的判斷，采用1～9比率標度進行定量化，并進行因素之間的兩兩比較，從而形成判斷矩陣［13-14］。該判斷矩陣必須滿足 aii=1，并且若 aij=k，那么 aji=1/k。只有滿足上述特征的判斷才具有安全一致性。

首先確定每兩個因子i和j之間的相對重要性，為此本文設計了幾個等級值（假定i和j至少同等重要）如下所示：

1：i和j同等重要

3：i比j稍微重要

5：i比j明顯重要

7：i比j強烈重要

9：i比j絕對重要

它們之間的數2、4、6、8及各數的倒數具有相應的類似意義。

我們將前面研究選定的9個因子，劃歸為日照、海拔、溫度和水分四大類，然后對這四大類因子構造判斷矩陣，根據判斷矩陣利用和積法計算各因子的權重值。

將判斷矩陣每列按下式正規(guī)化，得到表3。

運用層次分析法，經過計算，最終確定各區(qū)劃指標的權重分配，如表4。

表2 茶樹氣候區(qū)劃指標及其等級量化表Table 2 Indices for tea climate regionalization and their rating scores

表3 因子判斷矩陣及其正規(guī)化Table 3 Factor judgment matrix and its regularization

表4 區(qū)劃指標權重分配表Table 4 Weight distribution of zoning indices

2.3.2 CR檢驗

為了判別區(qū)劃指標的權重是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗公式為：

公式（1）中 CR為判斷矩陣的一次性比率；CI為判斷矩陣的一致性指標，由公式（2）給出。當CR＜0.1時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權數的分配合理，否則就需要對判斷矩陣進行調整。本文利用yaAHP（層次分析法）軟件分別對主因子日照、海拔、溫度、水分指標，及其下面的分級指標構成的判斷矩陣分別進行一致性檢驗，結果表明，無論是單排序矩陣還是總排序矩陣均通過了一致性檢驗，CR=0.0542＜0.1，表明判斷矩陣具有滿意的一致性，說明表4中的因子權重分配是合理的。

2.4 區(qū)劃因子隸屬度

隸屬度函數計算公式為：U（X）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）式中，U（X）為隸屬度值，X為每個特征值，Xmin為最小特征數值，Xmax為最大特征值。

將表 2中各氣候區(qū)劃指標值分別代入相應的隸屬函數公式，可得到模糊轉換矩陣X。

2.5 評價方法

本研究評價模型采用的是基于 GIS的加權指數求和法。即根據不同區(qū)劃指標影響強度的差異，給定與該區(qū)劃指標強度相對應的權重將區(qū)劃指標的權重和評價值的乘積之和作為量化指標進行分級，其評價模型為：

（i=1， 2， 3……119評價單元；j=1，2，3……9區(qū)劃指標）

式中：Yi為評價目標的得分；Pj為第j個區(qū)劃指標的權重；Xij為評價單元i在區(qū)劃指標j上的評價值；m為區(qū)劃指標數。

2.6 綜合區(qū)劃指數

根據計算結果，征求部分專家意見，結合河南省茶樹種植實際情況，確定農業(yè)氣候區(qū)劃綜合指數。將綜合區(qū)劃指數值≥0.52定為適宜區(qū)，綜合區(qū)劃指數值在0.47～0.52之間定為次適宜區(qū)，綜合區(qū)劃指數值≤0.47定為不適宜區(qū)。

3 結果與驗證

3.1 區(qū)劃結果

建立茶樹區(qū)劃關鍵氣候因子與經緯度、海拔高度的回歸模型，將站點資料插值到250 m細格網上。根據河南省茶樹種植綜合區(qū)劃指數分級標準，在GIS平臺下，把河南省茶樹種植氣候適宜性劃分為適宜、次適宜和不適宜 3個等級（圖1）。利用GIS軟件，計算出圖中各適宜性等級的面積及占河南省國土面積的比例。

3.1.1 適宜區(qū)

河南省茶樹適宜種植氣候區(qū)的面積約為19 107 km2，占河南省國土面積的 11.8%。集中分布在豫南信陽各縣（區(qū)），駐馬店正陽縣南部，南陽桐柏縣東部及南部山區(qū)，省直管固始縣以及新蔡縣南部地區(qū)。

該地區(qū)位于桐柏山和大別山北麓，從南向北依次為山地、淺山丘陵和平原，平原面積較小，以中高山地和淺山丘陵地形為主，坡度緩和，土壤以砂質黃棕壤為主，pH值一般在4.5～5.0之間。氣候溫暖濕潤，水熱資源豐富，冬季極端最低溫一般在-7℃以上，春季茶萌動期的3～4月份日平均氣溫在12℃以上，終年云霧縈繞，年均空氣相對濕度在75%以上，日照百分率小于43%，在這種氣候生態(tài)環(huán)境中，茶樹生長正常，葉質柔軟，持嫩性好，內含水浸出物等有效成分較高，用這種鮮葉可制成高質量的綠茶?！靶抨柮狻薄ⅰ巴┌赜袢~”等省內一批知名品牌高端茶葉均產自上述地區(qū)。

3.1.2 次適宜區(qū)

河南省茶樹次適宜氣候種植區(qū)面積約 46 493 km2，占國土面積的 28.8%。主要分布在黃淮平原的南部以及南陽盆地的大部，具體包括：駐馬店和南陽的大部，周口的中南部，漯河的南部，平頂山的東南部，省直管縣新蔡縣的中北部以及鄧州市。該地區(qū)以平原和盆地為主，地勢從西向東由高到低，土壤以黏質水稻土為主，pH值在5.5～6.5之間。氣候較適宜，水熱資源充裕，年降水量900～1100 mm，干燥度在0.7～0.9之間，年極端最低氣溫多年平均值在-10～-7℃，日照百分率為 43%～45%，海拔高度較低，在這種氣候環(huán)境下，茶葉的葉質厚而硬，內含纖維素較多，持嫩性差，可用來制作中低檔大宗綠茶或紅茶。

3.1.3 不適宜區(qū)

河南省茶樹不適宜氣候種植區(qū)的面積約95 827 km2，占國土面積的 59.4%。主要分布在廣大的黃淮平原中、東部，豫西及豫北山地，以平原、海拔較高的山地、河灘地為主。

該區(qū)年降水量小于900 mm，年極端最低氣溫多年平均值在-10℃以下，個別年份甚至更低，年相對濕度小于70%，干燥度在1.0以上，日照百分率大于45%。在這種環(huán)境下，茶樹極易遭受凍害和干旱，土壤多堿性，不宜盲目發(fā)展茶葉生產。

圖1 河南省茶樹種植氣候區(qū)劃Fig. 1 Comprehensive regionalization of tea planting in Henan Province

3.2 結果驗證

從《河南農村統(tǒng)計年鑒》及《河南年鑒》中選取資料為較完整的1997～2008年23個主要茶樹種植市、縣（區(qū)）產量，對其進行分類，將單產在 400 kg·hm-2以上的地區(qū)設為適宜種植區(qū)，100～400 kg·hm-2的地區(qū)設為次適宜種植區(qū)，而100 kg·hm-2以下的地區(qū)設為不適宜種植區(qū)，然后與氣候適宜性區(qū)劃結果進行對比，可以看出23個主要茶樹種植市縣（區(qū)）中有13個縣（市）區(qū)一致，4個縣（市）區(qū)較一致，6個縣（市）區(qū)不一致（表7），本研究結果與實際種植情況吻合度較高，說明基于氣候適宜度的種植區(qū)劃準確度較高，對指導河南省茶樹科學種植具有重要的參考價值。

4 結論與討論

（1）在充分考慮氣候條件的前提下，兼顧了海拔因子，研究得出河南省茶樹種植適宜性指標，在 GIS平臺下，實現(xiàn)了基于 250 m細格網的精細化區(qū)劃，充分反映茶樹生長的局地性差異，對茶樹種植科學規(guī)劃及精細化管理具有一定的應用價值。

表7 茶樹適宜種植氣候區(qū)劃驗證表Table 7 Validation of climate regionalization of tea planting in Henan province

（2）研究中對河南省茶樹種植適宜性區(qū)劃采用基于層次分析法的加權指數求和，結合地理信息系統(tǒng)，將河南省茶樹種植分為適宜、次適宜和不適宜3個種植區(qū)，這對開展高緯度茶樹種植氣候區(qū)劃，具有一定的創(chuàng)新性。

（3）經氣候區(qū)劃結果與實際種植情況進行對比驗證，結果發(fā)現(xiàn)兩者的吻合度較高，說明區(qū)劃結果能夠較真實地反映河南省茶樹種植狀況，對河南省茶樹科學種植具有重要指導作用。

（4）由于在選擇區(qū)劃指標的時候，主要考慮的是氣象和海拔因子，沒有考慮到土壤特性及pH值、地形以及茶樹品種間的差異，所以導致區(qū)劃結果在驗證時出現(xiàn)局部地區(qū)區(qū)劃等級與實際情況存在差異的情況。建議在基于茶樹種植氣候適宜性區(qū)劃指標的基礎上，繼續(xù)深入研究，引入土壤、地形及品種因子指標，從而確定出更加科學合理的區(qū)劃指標，為河南省茶樹種植布局提供更加科學的區(qū)劃結果。茶葉產量數據的不連續(xù)和不完整，也使得區(qū)劃結果不可避免有所出入。

（5）研究中選用的茶樹氣候區(qū)劃指標是在前人的研究成果，以及對當地茶樹栽培經驗和總結的基礎上，結合本研究區(qū)域，通過統(tǒng)計軟件進行分析，最終確定而成。以此作出的結果雖然能夠較高程度地反映種植實況，但在今后的實際應用中還需要不斷修正與完善，從而使區(qū)劃結果更加合理。

參考文獻

［1]趙全科. 魯中南山地生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)農業(yè)建設［J］. 山地學報， 2000， 18（3）: 253-257.

［2]朱秀紅， 袁洪剛， 鄭海濤. 近45年山東茶樹凍害氣候原因分析［J］. 中國茶葉， 2012， 22（3）: 11-13.

［3]鄭昭佩， 史同廣， 王智勇. 山東茶葉生產現(xiàn)狀與開發(fā)對策［J］. 資源開發(fā)與市場， 2006， 22（5）: 538-540.

［4]王茂香. 日照市茶樹適生環(huán)境的自然區(qū)域劃分研究［D］.南京: 南京信息工程大學， 2012: 4-6.

［5]呂立哲， 魏慧. 全國茶樹品種區(qū)域試驗河南點總結報告［J］.信陽農專學報， 1996， 6（2）: 13-19.

［6]張瑋瑋， 申雙和， 劉敏， 等. 湖北省茶樹種植氣候區(qū)劃［J］.氣象科學， 2011， 31（2）: 153-159.

［7]蔣宗孝， 林森知， 魏榮源， 等. 三明市茶樹氣候條件分析及氣候區(qū)劃［J］. 氣象科技， 2004， 32（增）: 87-89.

［8]周旭， 安裕倫， 楊廣斌， 等. RS， GIS支持下都勻毛尖茶種植適宜地評價［J］. 貴州農業(yè)科學， 2005， 33（5）: 10-14.

［9]李湘閣， 閔慶文， 余衛(wèi)東. 南京地區(qū)茶樹生長氣候適應性研究［J］. 南京氣象學院學報， 1995， 18（4）: 572-577.

［10]金開美， 呂立哲， 張順. 茶資源綜合利用研究進展［J］. 茶葉， 2009， 35（2）: 67-69.

［11]王銀峰， 張繼紅， 翟海國. 信陽茶區(qū)生態(tài)環(huán)境分析與評價［J］. 地理學報， 1993， 48（5）: 428-435.

［12]彭祖贈， 孫楹玉. 模糊（Fuzzy）數學及其應用［M］. 武漢:武漢大學出版社， 2002: 142-143.

［13]楊崇瑞. 模糊數學及其應用［M］. 北京: 農業(yè)出版社， 1994: 198-199.

［14]趙輝， 米鴻濤， 杜子璇. 基于AHP的模糊綜合評判在茶葉氣候種植區(qū)劃中的應用［J］. 氣象科技， 2013， 41（6）: 1134-1137.

中圖分類號：S571.1；P401

文獻標識碼：A

文章編號：1000-369X（2016）03-330-07

收稿日期：2015-12-21

修訂日期：2016-01-25

基金項目：中國氣象局·河南省農業(yè)氣象保障與應用技術重點實驗室開放科研基金項目（AMF201306）

作者簡介：趙輝，男，高級工程師，主要從事農業(yè)氣象方面的研究，E-mail:pqqxj6868@126.com。*通訊作者：dzxbutry@163.com

Study on the Climate Regionalization of Tea Plant in Henan Province

ZHAO Hui1，2， MI Hongtao3， DU Zixuan1，4*， JIN Kaimei5
1. CMA·Henan Key Laboratory of Agro-meteorological Support and Applied Technique， Zhengzhou 450003， China；2. Xinyang Agro-meteorological Experimental Station， Xinyang 464000， China； 3. Xinyang city bureau of meteorology，Xinyang 464000， China； 4. Henan Institute of Meteorological Sciences， Zhengzhou 450003， China；5. Henan tea Engineering Technology Research Center， Xinyang 464000， China

Abstract:Based on the climate data of 119 meteorological stations from 1971 to 2010 in Henan Province and the biological characteristics of tea plants， the key meteorological factors affecting the growth and yield of tea plants were identified. The correlation coefficients between the meteorological factors and the yield were calculated and the significant correlation factors were selected as the climatic zoning indexes. By using of Analytic Hierarchy Process （AHP） to construct the judgment matrix of each index and test the consistency of the judgment matrix， the weight of each index was determined. Using the weighted mean method to calculate the comprehensive regionalization index of tea planting in Henan Province， the climate suitability regionalization with a fine mesh accuracy of 250 m was achieved based on the GIS platform. The area was divided into 3 grades: suitable， sub-suitable and unsuitable. The suitable， sub-suitable and unsuitable areas accounted for 11.8%， 28.8% and 59.4% of the total evaluation area， which were coincident with the actual tea planting situation in Henan province. The results provided a basis for scientificlayout of tea planting in Henan province.

Keywords:analytic hierarchy process， weighted index sum method， climatic suitability regionalization， result verification