林志堅,楊愛萍,章毅之,汪建軍,張 坤

(江西省農(nóng)業(yè)氣象中心,江西 南昌 330096)

0 引言

氣候生產(chǎn)潛力是指當水分、養(yǎng)分、二氧化碳濃度等條件處于最適宜狀況時,單位面積土地上農(nóng)作物所能達到的最高產(chǎn)量[1,2],其可用于評價特定區(qū)域內(nèi)氣候資源優(yōu)劣[3]。在全球增暖背景下,早春霜凍、區(qū)域性暴雨、高溫干旱等氣象災害事件頻發(fā)[4-7],對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著影響。因此,基于氣候變化的農(nóng)作物氣候生產(chǎn)潛力演變特征的研究也得到了更加廣泛的關注。近年來,前人圍繞水稻[8-13]、玉米[14,15]、小麥[13,16-18]等大宗糧食作物氣候生產(chǎn)潛力變化的研究做了大量工作。與此同時,隨著各地特色農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略的實施[2,19],針對馬鈴薯[20]、葡萄[20]、青稞[22,23]等地方特色農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力研究也在不斷增加。關于茶葉氣候生產(chǎn)力的研究成果,目前主要有李仁忠等[24]、金志鳳等[3]采用逐步訂正法、線性趨勢分析等方法探究了浙江省茶葉光合、光溫和氣候生產(chǎn)潛力的時空變化特征及其影響因素,發(fā)現(xiàn)在氣候變化背景下,熱量和水資源的顯著變化是導致浙江省茶葉氣候生產(chǎn)潛力變化的主要因素。但上述研究的關注區(qū)域主要為浙江省,而有關江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力的研究尚未見報道。

江西是江南產(chǎn)茶大省之一,江西茶葉也是傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品之一[25]。2019年江西省茶園面積已達10.99萬hm2,總產(chǎn)量7.34萬t,產(chǎn)值66.39億元。近年來,隨著江西省構(gòu)建“四綠一紅”特色茶產(chǎn)業(yè)品牌(廬山云霧茶、浮梁茶、遂川狗牯腦茶、婺源綠茶、修水紅茶)發(fā)展戰(zhàn)略的實施,江西省的茶葉品牌價值逐年提升,預計到2022年,全省茶園總面積將達到12萬hm2左右,總產(chǎn)值突破150億元,茶產(chǎn)業(yè)將得到進一步的推動[26-28]。文獻研究發(fā)現(xiàn),目前關于氣候變化對江西省茶葉生產(chǎn)影響的研究還多集中于對特定氣象災害強度與范圍的分析[4-6]以及特色茶葉生長條件變化特征[29,30]的探究,而針對江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力變化的研究與討論依然較為匱乏。因此,基于氣候變化背景開展江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力時空演變特征及利用狀況的研究可為江西省茶葉產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展、優(yōu)化特色茶產(chǎn)業(yè)種植布局提供科學依據(jù)。

本文基于江西省91個國家氣象站近59年的氣象資料,采用逐步訂正法[3,18,31]、線性趨勢、M-K檢驗等方法分析了江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力的變化特征,探究了引起江西省茶葉生產(chǎn)潛力變化的主導氣象因子,同時分析了茶葉生產(chǎn)的氣候資源利用率,旨在為江西全省茶產(chǎn)業(yè),尤其是“四綠一紅”特色種植區(qū)(縣)的茶產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用1961～2019年江西省91個國家氣象觀測站(見圖1)的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、平均相對濕度和風速等資料，對江西省茶葉的氣候生產(chǎn)潛力進行研究,上述資料均來自江西省氣象局。茶葉生產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于1982～2018年江西省統(tǒng)計年鑒,包括全省和各縣(市、區(qū))茶葉種植面積及總產(chǎn)量數(shù)據(jù)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)來自中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站,空間分辨率為90 m×90 m。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產(chǎn)潛力 本文采用金志鳳等[3,32]的研究中關于“逐步訂正法”的相關公式與參數(shù),計算江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力,其需要通過光合生產(chǎn)潛力與光溫生產(chǎn)潛力逐步計算得到。其中,光合生產(chǎn)潛力是指在當其它條件及農(nóng)業(yè)技術措施均處于最適宜情況時,單位面積土地上由作物群體通過光合作用所產(chǎn)生的生物學產(chǎn)量[33],其計算公式如下:

YQ=∑μEQi

(1)

Qi=Q0(a+bS)

(2)

μ=αkΩ/[C(1-I)(1-J)]

(3)

E=ε(1-R)(1-t)(1-n)(1-Rs)(1-γ)φ

(4)

公式(1)～(4)中：YQ表示光合生產(chǎn)潛力(計量單位為t/hm2);μ表示作物光合作用轉(zhuǎn)化為化學能的效率;E表示作物的光能利用率,取0.036;Qi表示茶樹冠層每日所能接收的輻射總量(MJ/hm2),此處取日太陽輻射量,可通過天文輻射Q0和日照百分率S計算得到。

公式(2)中：系數(shù)a和b分別取0.14和0.585[34];α為經(jīng)濟系數(shù),取0.2;k是單位轉(zhuǎn)換系數(shù),取10;Ω表示茶樹固定二氧化碳的能力,取0.95;C是干物質(zhì)的熱含量,取17.77 MJ/kg;I是干茶葉的無機灰分比例,取0.08;J是鮮茶葉的含水量,取75%;ε表示光合有效輻射與太陽總輻射的比值,取0.49;R是茶樹群體的反射率,取0.1;t是茶樹群體的平均透光率,取0.04;n是非光合器官獲取太陽輻射的比率,取0.1;Rs是群體呼吸消耗占光合產(chǎn)物的比率,取0.56;γ為光飽和限制率,取0.03;φ是光合作用量子效率,取0.22。

光溫生產(chǎn)潛力通過光合生產(chǎn)潛力與溫度訂正函數(shù)得到，其計算公式如下:

YT=f(T)×YQ

(5)

式(5)中：YT表示茶葉光溫生產(chǎn)潛力(t/hm2);f(T)為溫度訂正函數(shù),其計算公式為：

(6)

(7)

公式(6)～(7)中：T為茶葉生長期(3～10月份)內(nèi)的日平均氣溫(℃)；Tmin、Tmax和Ts分別表示茶葉生長期內(nèi)的下限溫度(10 ℃)、上限溫度(35 ℃)和最適溫度(25 ℃)。

除光照和溫度外,水分也是影響作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的重要因素,因此需要在光溫生產(chǎn)潛力的基礎上利用降水數(shù)據(jù)進行修訂,進而得到氣候生產(chǎn)潛力(YW),其計算公式如下：

YW=f(W)×YT

(8)

式(8)中：f(W)是水分訂正函數(shù),其計算公式如下：

(9)

ET=kc×ET0

(10)

式(9)～(10)中：A為茶樹冠層的降水截留率,當日降水量小于25 mm時取0.30，反之取0.15;B為徑流系數(shù),僅在日降水量≥25 mm時取值(0.3);R為日降水量(mm);ET為茶葉的蒸散量,通過潛在蒸散量ET0與茶樹作物系數(shù)kc計算得到,其中ET0利用Penman-Monteith公式[17]計算獲得,kc取0.85。

1.2.2 生產(chǎn)潛力影響的評估方法 氣候生產(chǎn)潛力受太陽輻射、溫度和水分條件等多因素的影響。本文根據(jù)譚詩琪等[13]和Guo等[35]的分析方法,評估不同氣象要素對茶葉氣候生產(chǎn)力的影響,其中受太陽輻射影響的氣候生產(chǎn)潛力變化率的計算公式如下:

(11)

受溫度影響的氣候生產(chǎn)潛力變化率的計算公式如下:

(12)

受水分影響的氣候生產(chǎn)潛力變化率的計算公式如下:

(13)

式(13)中：KW是氣候生產(chǎn)潛力的氣候傾向率。

根據(jù)上述變化率,可以得到不同氣象要素對氣候生產(chǎn)力影響的貢獻率,其計算公式為：

(14)

(15)

(16)

式(14)～(16)中:PQ、PT和PR分別表示太陽輻射、氣溫和降水對氣候生產(chǎn)力影響的貢獻率。

1.2.3 資源利用率 農(nóng)作物的資源利用率是指單位面積土地上農(nóng)作物的產(chǎn)量占可利用氣候資源的比率[35],其計算公式如下：

(17)

式(17)中：P為資源利用率；Yreal為單位面積上的實際茶葉產(chǎn)量,可通過統(tǒng)計年鑒中總產(chǎn)量除以總種植面積獲得;YW為公式(8)中的茶葉氣候生產(chǎn)潛力。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析方法 本文采用線性回歸分析法擬合得到的氣候傾向率[37]，以及目前廣泛使用的Mann-Kendall突變檢測方法[9]分析茶葉生產(chǎn)潛力及其相關變量的年際變化趨勢,并進行顯著性檢驗；同時應用生產(chǎn)潛力影響評估方法判斷引起茶葉氣候生產(chǎn)潛力變化的主導氣象因子。此外,文中將通過站點數(shù)據(jù),利用Arcgis 10.2軟件中反距離插值法得到氣候生產(chǎn)潛力的空間分布[38]并進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 江西省茶葉生產(chǎn)潛力的空間分布特征

在1961～2019年期間,江西省茶葉生長期間的光合(YQ)、光溫(YT)和氣候生產(chǎn)潛力(YW)的空間分布呈明顯的區(qū)域性特征。其中光合生產(chǎn)潛力的平均值為56.23 t/hm2,范圍在48.51～60.41 t/hm2；如圖2a所示,YQ在空間上基本呈西低東高的特征,其中贛北鄱陽湖平原和贛南石城一帶各有1個高值區(qū);銅鼓至井岡山一帶、崇義以及玉山為低值區(qū)。YT的平均值為36.78 t/hm2,各站點為23.53～41.87 t/hm2,基本上呈南高北低的分布特征(圖2b),最高值和最低值分別出現(xiàn)在尋烏站和廬山站,但贛北地區(qū)存在中部高兩側(cè)低的分布特征。究其原因，宜春西北至吉安西南為高海拔山區(qū),光照資源較為匱乏,且發(fā)生早春霜凍的風險較高[38],造成光合與光溫生產(chǎn)潛力較低;而環(huán)鄱陽湖地區(qū)光照資源較為充足,但易受寒潮、高溫熱害等過程的影響[10],因此光溫生產(chǎn)潛力較光合生產(chǎn)潛力下降幅度較大;贛南大部地區(qū)光溫資源充足，且受早春寒凍等的影響較小,光合與光溫生產(chǎn)潛力保持較高值。YW的平均值為16.98 t/hm2,各站點為10.34～21.96 t/hm2；其在空間上也呈南高北低的分布特征,但贛北為中部低兩側(cè)高;YW的低值區(qū)出現(xiàn)在九江縣至永修一帶,高值區(qū)位于贛州東部石城與南部全南至尋烏一帶(圖2c)。該分布特征說明贛北地區(qū)特別是九江中東部地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力受降水的影響較大,可能是因為贛北地區(qū)雨季降水集中期較多[10],降水強度大,導致茶葉氣候生產(chǎn)潛力降低。

圖2 江西省1961～2019年茶葉光合(a)、光溫(b)和氣候生產(chǎn)潛力(c)的空間分布(t/hm2)

2.2 江西省茶葉生產(chǎn)潛力的時空變化趨勢

1961～2019年江西省茶葉的光合、光溫和氣候生產(chǎn)潛力的年際變化趨勢如圖3所示。由圖3a可知,從1961年至2019年YQ呈下降趨勢,其氣候傾向率為-1.04 t/(hm2·10a),最大值出現(xiàn)在1963年,為65.14 t/hm2；最小值出現(xiàn)在1997年,為50.09 t/hm2。由M-K檢驗結(jié)果(圖3d)和圖3a可以發(fā)現(xiàn),YQ在1974年發(fā)生了突變，具體來說，1961～1974年,YQ以-3.26 t/(hm2·10a)的速率下降;但在1974年之后,僅以-0.31 t/(hm2·10a)的速率下降,說明YQ在兩個階段呈明顯不同的年際變化特征；對應時段太陽輻射量的氣候傾向率分別為-203.60和47.96 MJ/(m2·10a),說明太陽輻射的增加能夠減緩光合生產(chǎn)潛力的下降速率。研究時段內(nèi)YT的氣候傾向率僅為-0.382 t/(hm2·10a)(圖3b),且未通過0.05的顯著性檢驗(圖3e),說明研究時段內(nèi)YT的年際波動較弱。M-K檢驗結(jié)果顯示,YT在1972年發(fā)生了突變，具體來說，在1961～1972年,光溫生產(chǎn)潛力以-2.42 t/(hm2·10a)的速率下降;1972年之后的變化率則接近于0；對應時段氣溫的變化趨勢分別為-0.9和0.7 ℃/10a,說明溫度的增加對YT的影響有限。1961～2019年YW的下降趨勢同樣顯著,其氣候傾向率為-1.11 t/(hm2·10a),最大值為22.60 t/hm2,出現(xiàn)在1973年;最小值為12.37 t/hm2,出現(xiàn)在2019年(圖3c)。M-K檢驗結(jié)果顯示,YW的突變點出現(xiàn)在1994年(圖3f),但其未在95%的置信區(qū)間內(nèi),因此整個研究時段內(nèi)YW均呈較為顯著的下降趨勢；對應研究時段內(nèi)降水量的氣候變化率為10.25 mm/10a(通過了95%的置信度檢驗),說明降水量的增加也會導致茶葉氣候生產(chǎn)潛力的降低。

圖3 江西省1961～2019年光合(a)、光溫(b)、氣候(c)生產(chǎn)潛力的時間變化趨勢曲線及其對應的M-K檢驗曲線(d、e、f)

利用不同氣象要素對茶葉生產(chǎn)潛力影響的評估方法,進一步分析太陽輻射、氣溫及降水變化對YW的影響?？梢园l(fā)現(xiàn),YW受降水和太陽輻射影響的變化率分別為-0.93和-0.32 t/(hm2·10a),而氣溫對YW影響的變化率為0.14 t/(hm2·10a),三者對氣候生產(chǎn)潛力變化的貢獻率分別為66.91%、23.02%和10.07%,說明降水對氣候生產(chǎn)潛力的影響遠大于其它兩個變量,是引起江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力年際變化的主導氣象因子,而太陽輻射與氣溫對氣候生產(chǎn)潛力的影響較小。

通過各站點的光合、光溫和氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢的空間分布圖(圖4)可以發(fā)現(xiàn),在1961～2019年期間,85個站點的YQ呈下降趨勢,其中75個站點的氣候傾向率超過-0.5 t/(hm2·10a),68個站點通過了0.05的顯著性檢驗。對于YT,有72個站點呈下降趨勢,但僅有31個站點的氣候傾向率超過-0.5 t/(hm2·10a),29個站點通過了0.05的顯著性檢驗,說明大部分站點的 下降不顯著。不同于YQ和YT,所有站點的YW都呈下降趨勢,其中87個站點的氣候傾向率超過-0.5 t/(hm2·10a),85個站點通過了0.05的顯著性檢驗,說明大部分站點下降趨勢顯著。同樣利用氣象要素對茶葉生產(chǎn)潛力影響的評估方法,分析各站點氣候生產(chǎn)潛力變化的主導氣象因子,可以發(fā)現(xiàn)除廬山站以外,其它站點的氣象主導因子均為降水(未顯示),說明無論是在時間趨勢上還是在空間分布上,降水都是引起茶葉氣候生產(chǎn)潛力變化的主要因子。

圖4 江西省1961～2019年茶葉光合(a)、光溫(b)和氣候生產(chǎn)潛力(c)氣候傾向率的空間分布

2.3 江西省茶葉的氣候資源利用率

利用公式(17),可得到江西省茶葉的氣候資源利用率。如圖5a所示,在1982～2018年期間,江西省茶葉的資源利用率整體上呈波動上升趨勢,上升速率為0.93%/10a,其與江西省茶葉單產(chǎn)量的變化趨勢(圖5b)基本一致,兩者間的相關系數(shù)達0.97,說明江西省茶葉單產(chǎn)量的增加是茶葉資源利用率提升的主要因素。但是,茶葉的單產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)潛力之間仍有較大的差距。在1982～2018年期間,江西省茶葉的最大資源利用率僅為4.91%左右,說明江西省茶葉的資源利用率仍有較大的提升空間。此外,茶葉資源利用率與氣候生產(chǎn)潛力間的相關系數(shù)也達到了-0.79,說明氣候生產(chǎn)潛力的減少也是引起資源利用率增加的重要因素之一,生產(chǎn)潛力的下降趨勢易造成資源利用率“虛假”增加的現(xiàn)象。

圖5 江西省茶葉資源利用率(a)和實際單產(chǎn)量(b)的時間變化曲線

江西省各地多年平均茶葉氣候資源利用率的范圍為0.07%～32.83%(非茶葉種植區(qū)不計入統(tǒng)計),其中高值區(qū)主要分布在武寧、南昌縣、豐城、金溪、泰和等縣(市),氣候資源利用率超過20%(圖6a)；但上述地區(qū)都非江西省茶葉主產(chǎn)區(qū),縣域茶葉種植面積較小,總產(chǎn)量不高(圖6b)。對于全省大部分地區(qū),茶葉氣候資源利用率都小于5%，說明江西省大部分地區(qū)的茶葉種植氣候資源利用情況仍較差,各地仍具有較大的茶葉增產(chǎn)潛力。尤其是遂川、婺源、廬山(星子)、浮梁和修水等江西省“四綠一紅”特色茶葉種植區(qū),根據(jù)圖7b江西省茶葉現(xiàn)狀圖,上述地區(qū)的茶葉基本上呈現(xiàn)種植面積大、總產(chǎn)量高,但單產(chǎn)量偏低的特點。據(jù)2013～2018年的統(tǒng)計資料,5個特色茶葉種植區(qū)的茶葉種植總面積(37392 hm2)占全省茶葉種植面積(87563 hm2)的42.7%,總產(chǎn)量(28491 t)則達到全省茶葉總產(chǎn)量(53915 t)的52.8%；但廬山(星子)、浮梁、遂川、婺源和修水的多年平均氣候資源利用率分別僅為2.18%、5.26%、1.94%、8.29%和4.49%,利用率提升空間達到91.71%～98.06%。上述結(jié)果說明,盡管隨著政策支持力度的加大與科學技術的發(fā)展,江西省茶葉種植水平不斷提升,但仍未充分利用氣候資源,特別是特色茶葉種植區(qū)仍亟須提升技術水平與管理方式,以實現(xiàn)氣候資源的高效利用。

圖6 2013～2018年江西省平均茶葉氣候資源利用率(a)和茶葉生產(chǎn)情況(b)的空間分布

3 小結(jié)與討論

本文采用逐步訂正法定量分析了江西省茶葉的光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和氣候利用率的變化特征。結(jié)果顯示：江西省茶葉光合生產(chǎn)潛力的平均值為56.23 t/hm2,范圍在48.51～60.41 t/hm2,在空間上呈西低東高,贛南、贛北各有1個高值區(qū)的分布特征;光溫生產(chǎn)潛力的平均值為36.78 t/hm2,范圍在23.53～41.87 t/hm2,其空間分布特征為南高北低,贛北為中部高、兩側(cè)低;氣候生產(chǎn)潛力的平均值為16.98 t/hm2,范圍為10.34～21.96 t/hm2,在空間上也呈南高北低,但贛北為中部低、兩側(cè)高的分布特征。在1961～2019年期間,江西省茶葉的光合、氣候生產(chǎn)潛力都呈顯著的下降趨勢,氣候傾向率分別為-1.04和-1.11 t/(hm2·10a),光溫生產(chǎn)潛力也呈下降趨勢,氣候傾向率為-0.38 t/(hm2·10a),但未通過顯著性檢驗。在空間變化上,光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力分別有75和71個站點呈下降趨勢,但氣候生產(chǎn)潛力在所有站點均呈下降趨勢。1982～2018年江西省茶葉平均氣候資源利用率以0.93%/10a的速率波動上升,與茶葉單產(chǎn)量的變化趨勢基本一致。江西省特色茶葉種植區(qū)的多年平均氣候資源利用率也僅為4.78%,仍存在較大的提升空間。

分析結(jié)果顯示,氣候生產(chǎn)潛力受降水、太陽輻射和氣溫影響的變化率分別為-0.93、-0.21和0.14 t/(hm2·10a),三者對氣候生產(chǎn)潛力變化的貢獻率分別為66.91%、23.02%和10.07%,說明限制江西省茶葉生產(chǎn)的氣象因子重要性排序為降水量>太陽輻射>氣溫。而在空間上超過99%站點的氣象主導因子均為降水。造成上述現(xiàn)象的原因可能是,在全球增暖的背景下,江西省的氣溫逐步升高,基本上能夠滿足茶葉生產(chǎn)的需求,且近年來江西省茶葉主產(chǎn)區(qū)受早春霜凍和冬季凍害的影響逐年降低[40],夏季熱害承災體脆弱性低[32],因此氣溫對氣候生產(chǎn)潛力的影響有限。同時,江西省太陽能資源的變化在大部分時間較為穩(wěn)定[32,34],且除部分高海拔地區(qū)外,基本上可滿足茶葉正常生長的需求。江西省水資源總量豐富[42],雨水充沛[43],可滿足茶葉生長的水分條件。但汛期降水量的時空差異性大[44],茶葉主產(chǎn)區(qū)生長期間降水量有較大波動,且隨著氣候變暖,干旱災害與洪澇災害的發(fā)生概率明顯增加[44],因此降水量相比于氣溫與太陽輻射量而言，是對江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力更為重要的氣象限制因子。

此外,本研究發(fā)現(xiàn)江西省茶葉生產(chǎn)的資源利用率雖然呈逐年增加的趨勢,但整體資源利用率依然較低,特別是在“四綠一紅”特色茶葉種植區(qū),因此,特色茶葉種植區(qū)亟須通過技術改進不斷提升茶葉的單產(chǎn)水平;同時特色茶葉種植區(qū)的氣候資源利用率較低,對氣候資源的利用效率仍需提升,并且由于氣候生產(chǎn)潛力逐年降低,還需要通過加強茶園小氣候調(diào)節(jié),特別是采取茶園水分要素的精準管理等措施保障資源利用率的有效增長。

本研究分析了全球氣候變暖背景下江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力受太陽輻射、氣溫和降水的影響以及氣候資源利用率,研究結(jié)果對江西省茶葉種植的優(yōu)化布局、相應的技術升級具有一定的指導意義。本研究發(fā)現(xiàn)水分對茶葉氣候生產(chǎn)力的影響較大,而本文所用的水分訂正函數(shù)涉及參數(shù)較多,不確定性高,因此以后還需進一步研究水分訂正函數(shù)中各參數(shù)的適用性及敏感性。此外,本文中所用氣象資料來自江西省各縣級基本觀測站,分辨率較低,因此在下一步的研究中可探索使用更精細化、時間分辨率更高的格點化氣象數(shù)據(jù),以便能得到更加客觀性的結(jié)論,提升對江西省茶葉氣候生產(chǎn)潛力的認識。