Zoning of Ecological Suitability of Tea Production Based on GIS——Taking Wangcang County as an Example

旺苍县(105°58′24″-106°46′2″E，31°58′45″-32°42′24″N)隶属于四川省广元市，位于四川盆地北缘，米仓山南麓，为亚热带湿润季风气候，降水充沛，光热资源丰富，四季分明，山地气候明显. 旺苍县地貌复杂，相对海拔380~2 281 m，地势北高南缓，腹部低平. 县境内山、丘、坝兼有，其中部为河谷走廊，有一条东西走向的槽谷地带横贯全境，北部属高寒山区，喀斯特地貌特征明显，南部属中山区，崇山突兀，壑谷纵横.

气象数据来自四川省气象局，包括旺苍县及其周边市县共30个地面气象观测站1980-2018年逐日平均气温、日最低气温、日照时数、降水量及各站点经度、纬度、海拔等地理属性数据. 地理信息数据为1∶50万数字高程模型(DEM)，由四川省气象信息中心提供. 土壤数据来源于旺苍县土壤普查办公室出版书籍《四川省旺苍县土壤普查表册汇编》^[12]，通过GIS平台进行栅格化处理.

茶树喜温湿，喜光，耐阴怕晒^[13]，自然条件下随季节轮性生长，我国大部分茶区自然生长的茶树新梢生长和休止全年有3次，即越冬萌发-第一次生长-休止-第二次生长-休止-第三次生长-冬眠. 其中第一次生长的新梢称为春梢，第二次称为夏梢，第三次称为秋梢. 温度作为影响茶树生长的重要条件，既决定茶树的地理分布，也制约其生长发育速度. 茶树对温度敏感，多数品种的最适生长温度为20~30 ℃，一般认为茶树生物学最低温度为10 ℃，当平均气温稳定于10 ℃以上时新梢开始萌发，其生长需大于10 ℃的活动积温3 000 ℃以上；当日平均气温上升到30 ℃以上时，茶树芽、叶生长受到抑制，如气温持续几天超过35 ℃，新梢会出现明显受害状，幼嫩枝叶呈萎蔫状；不同茶树品种、同一品种不同树龄耐低温能力不同，一般中、小叶种茶树经济生长最低气温界限为-8~-10 ℃，大叶种为-2~-3 ℃，一般早春遇0 ℃以下低温，开采期推迟，影响产量和品质. 水分是茶树在生长发育过程中不可或缺的，世界产茶区域年降水量多在1 000 mm以上，最适宜栽培茶树生产地区年降水量约1 500 mm，相对湿度在80%~90%，日照百分率45%以下时，最适宜出产高品质茶叶^[14-20].

地形地势包括海拔、坡度、坡向等，地形地势通过影响水、热、土、肥等分配而影响作物生长. 研究指出茶树种植适宜高度一般在1 000 m以下，海拔在400~800 m时，茶叶品质最佳^[21]. 坡度过陡，水分流失多，土壤受侵蚀可能性加大，土层变得浅薄而贫瘠^[22]，当坡度＞25°时国家明令退耕，不适合种植茶树^[23]. 坡向不同，日照时间、辐射强度及其地表蒸发量不同，偏南坡向能获得较多日照，温度高，但湿度较低，一般偏南坡茶树生长势春、秋两季优于夏季，偏北坡则相反，因当前旺苍县茶产业以春茶生产为主，故研究以偏南坡为适宜^[14].

茶树喜偏酸性土壤，土壤偏碱性时茶树生长逐渐停滞甚至死亡. 土壤pH值为4.0~6.5时适宜茶树生长，pH值为4.5~5.5时为最适，有利于高品质茶叶产出^[24-25].

研究结合旺苍县实际生产情况，共选取4个气象因子、3个地形因子及土壤pH值作为茶叶生态适宜性区划指标(表 1).

以旺苍县及周边30个气象观测站1980-2018年数据及观测站的经度、纬度、海拔为基础，运用数理统计方法建立气候区划指标空间分析推算模型，并就研究区域气象要素进行空间插值计算(式1)，模型通过信度0.05的显著性检验^[26].

式中：i，j，z分别为各点经度、纬度及海拔；ε为残差项，为模型推算值和实际观测值之差，并通过GIS空间分析模块中的克里斯金方法进行插值. 各气象指标推算模型如表 2所示.

研究将各指标适宜、次适宜、不适宜分别赋予值1，2，3，为消除各评价因子量纲及数据集差异，对各指标进行标准化处理，将各评价值映射到0~1范围之内^[27]，并采用加权指数求和法对标准化后的指标进行综合评价，如式(2)：

式中：V为评价目标得分；W_i为指标i的权重；D_i为指标i的评价值；n为评价指标的个数.

为综合分析各评价因子贡献，本研究引入层次分析法建立因子权重评价体系. 以旺苍县茶叶生产适宜性区划为目标，影响茶叶生产的气候、地形、土壤3个评价因子为因子层，各评价指标为子因子层，同一层因子以1~9比率定量化比较各因子重要性，评价因子越重要，值越大，通过构建判断矩阵及CR检验得到各指标权重(表 3)^[28].

茶叶生态综合适宜性评价等级划分采用自然断点分级法，通过增加不同级间差异、减少同一级中差异进行自然聚类^[29]，计算公式为：

式中：A是一个长度为k的数组；mean_i-j为各等级的中间值.

图 1为旺苍县茶叶生产气候、地形、土壤适宜性区划. 旺苍县大部地区气候条件均能满足茶树生长所需，其中气候适宜区主要集中在县境槽谷地带、南部中山区及北部海拔较低区域，这部分地区温度、年降水量、年日照百分率均适宜茶树生长，早春出现低温日数少，光、温、水条件匹配良好，气候条件利于优质茶叶的产出. 旺苍县槽谷地带以北大部为茶叶生产气候次适宜区，对比适宜区，此区域早春出现低温日数较多，春芽受冻风险增高. 茶叶生产气候不适宜区也多集中在北部，包括鼓城乡、盐河乡、英萃镇、檬子乡、大河乡等高海拔地区，这部分地区一方面热量条件差，茶树生长受限，另一方面日照百分率高，不利于茶叶品质形成. 地形地势上，旺苍县南部整体较北部更适宜茶叶生产，不适宜区多分散于槽谷地带以北，该区域地形地势多变，海拔及坡度是茶叶产业化生产主要限制因子. 土壤类型上，旺苍县西北部为中山黄壤土区，pH值为4.5~5.5，为适宜茶叶生产的偏酸性土壤，旺苍县东北部为中山鱼眼沙黄壤土区，pH值在5.5~6.5，是茶叶生产土壤次适宜区，旺苍县中部及南部分布有低山中性紫色土、平坝灰粽潮田土、中低山石灰性紫色土，其pH值均偏碱性，为茶叶生产不适宜区.

综合考虑气候、地形及土壤对茶叶生产的影响，得到旺苍县茶叶种植综合区划图(图 2). 旺苍县大部地区为茶叶生产适宜及次适宜区. 其中，茶叶生产适宜区面积约907.12 km²，占县域面积30.37%，主要位于东西向槽谷带，包括白水镇、尚武镇、嘉川镇、东河镇、黄洋镇、普济镇、三江镇、金溪镇、大德乡及槽谷地带以北呈东北—西南向分布的檬子乡、英萃镇及正源乡等海拔400~800 m地区，该区域坡度多小于15°，年≥10 ℃积温在4 000 ℃·d以上，年降水量大于1 000 mm，年日照百分率小于40%，1-3月最低气温＜0 ℃天数少于15 d，水热适宜，气候、地形符合"高山云雾出好茶"的条件. 同时土壤偏酸性，利于高品质茶叶出产. 旺苍县茶叶生产次适宜区多分散在海拔约800~1 000 m的山区，面积约1 348.24 km²，占县域面积45.13%，这部分地区年≥10 ℃积温多介于3 500~4 000 ℃·d间，热量条件较略有不足. 此外，槽谷地带以北次适宜区1-3月最低气温＜0 ℃天数多在15~25 d，易受低温影响，地形坡度也多介于15~25°，温度变化较快且不利于水土保持；槽谷地带以南次适宜区主要限制因子为土壤pH值，这部分区域可通过改良土壤提高茶叶生产适宜度. 旺苍县茶叶生产不适宜区域约占全县24.50%，约731.81 km²，不适宜区主要分布在鼓城乡、盐河乡、普济镇、大两乡、万山乡等海拔1 000 m以上高山区域，这些地区热量条件不足，茶树栽培易遭受低温冻害，茶树产量、品质受严重威胁，槽谷地带以北不适宜区同时还受土壤酸碱度限制.

本研究综合考虑了气候、地形、土壤3个因子对茶叶生产影响，基于层次分析法和加权指数求和法构建旺苍县茶叶生产生态适宜性评价指标，并依托GIS自然断点法进行种植分区. 在农业气候区划研究中，区域越大，则气象观测站点越多，观测资料越详实，在开展县级、乡镇级精细化区划时，气象观测站点相对较少，为更好满足县一级区划要求，研究结合数理统计及空间插值法建立旺苍县气候指标空间分析模型，提高研究精度.

四川省地形地势复杂，气候资源多样，"一乡一品、一县一业"现象突出，因此开展县级精细化区划更能满足产业发展需求，生产指导意义更好. 茶业作为旺苍县重点发展的农业四大特色主导产业，是脱贫攻坚、经济发展重要的一环，通过采取"公司+专业合作社+基地+农户""公司+基地+农户"等多种模式，旺苍县正积极推动茶叶产业发展. 依托旺苍县良好的生态基础，开展旺苍县茶叶生产适宜性区划可为其发展规划提供参考，助力提升区域品牌影响力.

当前旺苍县旨在将高阳镇打造为茶产业第一强镇，结合木门镇、五权镇、枣林乡形成四大茶叶生产集中示范区，以示范带动全县茶叶产业发展，研究指出高阳镇、大德乡大部位于茶叶生产适宜地带，这与实际生产较吻合，对于枣林乡、木门镇等实际种植情况与区划结果有所差异，一方面是当地农业部门在规划统筹时需考虑到交通运输和其他产业发展等因素，另一方面主要考虑其限制因子为土壤因子，可通过土壤改良进行调节. 本研究主要着眼于茶叶优质高产对自然环境的要求，但实际生产中所需考虑的影响因素众多，下一步可结合当地交通、人口、政策等进行多角度探讨. 此外研究中对区划结果验证时可用验证数据少，结果可能存在偏差，后期可通过实地样方数据采集，结合遥感手段，进行更精确的结果验证. 当前旺苍县茶叶生产主要以春茶为基础，并积极发展夏、秋茶，后期可结合夏、秋茶生产特点，为茶叶周年生产提供参考建议.