茶叶温度适宜度变化趋势<br/>——以泰安为例

茶叶温度适宜度变化趋势
——以泰安为例

2017-10-12赵洪润张衍华贾思之

中低纬山地气象 2017年4期

关键词：泰安茶树茶叶

赵洪润，张衍华，贾思之，陈斌，姚超

(山东省泰安市气象局，山东泰安 271000)

茶叶温度适宜度变化趋势
——以泰安为例

赵洪润，张衍华，贾思之，陈斌，姚超

(山东省泰安市气象局，山东泰安 271000)

利用1977—2007泰安 5 个气象站年共31 a的资料，运用模糊数学方法分析和模拟茶叶各生育期温度适宜度的变化情况。结果表明:泰安属于茶叶种植次适宜区，夏茶和秋茶温度适宜度均在 0.8 左右波动，春茶在0.4～0.55之间; 近31 a来，随着气温的升高，泰安茶叶全生育期的温度适宜度呈上升趋势，新泰、肥城、岱岳、东平这4个县市区未来茶叶生长将继续保持正效应；总体来看，气候变化提高了泰安茶叶全生育期适宜度，延长了茶叶生长期。

茶叶；模糊数学；温度适宜度；气候变化

Abstract：using the data of 31 years from 1977 to 2007 of 5 meteorological stations in Tai’an, the temperature suitability of tea in each growth period was analyzed and simulated by fuzzy mathematics method.The results show that the temperature suitability of summer tea and autumn tea fluctuated around 0.8 and the spring tea was between 0.4 - 0.55.In the past 31 years, with the increase of temperature, the temperature suitability of Yasu ye quan growth period showed an upward trend, Syntax, Feicheng, daiyue, Dongping, the future tea growth will continue to maintain positive effect; Overall, climate warming increased the suitability of Yasu ye quan, and prolonged the growth of tea leaves.

Keywords：tea; fuzzy mathematics; temperature suitability; climate change

1 引言

泰安位于山东省中部，依山而建，地势自东北向西南倾斜。境内有山地、丘陵、湖泊等多种地貌类型。上世纪60年代“南茶北引”的过程中，泰安是山东茶树成功引种的地区之一。目前泰安绿茶种植面积已达2 533.3 hm2，种植茶叶已成为当地农民致富增收、农业增效的特色产业之一。

近几年，在全球气候变化的背景下，作物气候适宜性已成为现今研究热点之一[1-4]。蒋宗孝等[5]利用地理信息系统将三明市茶树生产分区，并提出趋利避害措施。李湘阁等[6]通过模糊数学方法，计算南京地区茶树生长气候适宜度，分析并提出南京地区茶树种植的气候适宜状况。张丽霞等[7]利用34a的气象资料对泰安地区茶树种植气候进行了分析，提出了因地适宜发展泰安茶叶的措施。泰安以丘陵山地为主，受地形、地貌影响，形成了一些局部小气候区。因此研究茶叶温度适宜度的变化特征，分析茶叶温度适宜度空间分布，可为改进泰安茶叶生产布局、评估茶叶生产对气候变化的适应性和脆弱性提供参考。

2 资料来源

本文使用的气象资料来自于泰安5个县市区1977—2007年间气象站观测数据，考虑到一年中各月下垫面性质的变化，为了使差值更稳定，以站点各月平均气温的差值的多年平均值为基础进行延长，并将茶叶生育期划分为春茶、夏茶、秋茶3个时期；日期序列值按如下方法建立：将1月1日记为每年第1 d，赋予数值1，1月2日为第2 d，赋予数值2，

以此类推将每年从1～356或366赋值，建立1977—2007年起止日期序列。

3 研究方法

3.1 温度适宜度模型

气温是茶树生育期不可缺少的重要因素，温度的变化直接影响茶叶品质的优劣及其产量的高低。春季，当气温<4 ℃时，茶芽遭受霜冻危害;<0 ℃时，叶芽受冻枯黄，采摘期明显推迟。夏季，当日最高气温≥35 ℃时，茶梢生长就会受到抑制，如果气温持续几天超过35 ℃，新梢就会枯萎、落叶。生长期茶树全年至少需要≥10℃的活动积温3 000 ℃，有效积温越高，生长期越长。在茶叶生长过程中的每一个阶段，均存在主要的温度界限，即最低温度、最适温度和最高温度。在最适温度时，茶树的生长发育处于最佳状态；在最低或最高温度时，茶树就会停止生长；当小于最低温度或大于最高温度时，茶树将局部或整株死亡[8]。本文通过模糊数学法建立茶叶生长温度适宜度S(T)模型[9-12]：

(1)

(2)

式中：S(T)为茶叶生育期间温度；T为平均温度、T0为茶叶最适宜温度、T1为茶叶下限温度、T2为茶叶上限温度。当T=T1或(T=T2)时，S=0；当T=T0时，S=1，S(T)是一个不对称抛物线函数，在0～1之间变化，即：适宜度随气温的升高而增长，到达某一适宜值后，随气温升高而下降[13,14]。

3.2 气候倾向率

按春茶、夏茶和秋茶划分茶叶的生育期，应用线性回归方程[15,16]来计算分析茶叶生育期内的气候倾向率：

STi=yti+a

(3)

其中，STi表示适宜度变量，y为系数，a为常数。y称为气候倾向率[17]，当y>0时，ST呈上升趋势，当y<0时，ST呈下降趋势。

3.3 5 d滑动平均法确定界限温度

从日平均气温第1次出现≥10 ℃(或≥20 ℃)之日起，计算每连续5 d的平均气温，确定界限温度。

4 结果与分析

4.1 泰安茶叶生长期温度变化

4.1 .1 气温变化趋势表1给出了泰安地区各地年内平均气温以及最高、最低均值。王镇恒在《茶树生态学》中的研究认为:在外部条件均符合的情况下,茶树生长最适宜的年平均温度为≥20 ℃,适宜范围为15～20 ℃,次适宜≥13 ℃且<15 ℃[18]。而泰安各站点的年平均温度都小于15 ℃，在13.0～13.6 ℃之间,等于或略大于茶树种植区域的临界温度13 ℃。由此可知：泰安属于茶树生长次适宜区,年平均温度低是限制茶树种植的重要因素。并且由近31 a来泰安地区茶叶生长期年际温度变化(图1)，能明显看出茶叶生长期内温度变化趋势，具体表现为：自20世纪80年代增温趋势明显加快，90年代后，相对较低的温度与1983—1992年的较高温度相当，增温幅度明显，倾向率为0.004 4 ℃/10a。

表1 泰安地区平均气温(单位：℃)Tab.1 Average temperature in Tai'an area

图1 泰安温度年际变化趋势Fig.1 Interannual variation trend of Tai'an temperature

4.1.2 泰安茶叶界限温度和持续日数分析通过时间序列对起止日期及持续天数进行量化分析，稳定通过≥10 ℃界限温度起止日期及持续日数时间变化，可看出近31 a泰安地区≥10 ℃界限温度起始日期序列值总体呈下降趋势(图2a)，倾向率为-0.378 2d/10 a，表明≥10 ℃界限温度起始日期明显提前，平均每10 a提前3.7 d。平均初日为3月29日，最早为3月9日，最晚为4月24日，分别为2002年东平和1979年新泰地区，相差50 d。90年代前，≥10 ℃界限温度起始日期下降趋势不明显，在1978—1988年间呈延迟状态，1992年后表现为明显下降，界限温度起始日期提前趋势逐渐显著。

图2 1977—2007泰安地区各界限温度起始日期(a)、终止日期(b)序列年变化特征Fig.2 Characteristics of annual variation of temperature,starting date(a)、ending date(b) and sequence of each boundary in 1977—2007 Tai'an region

近31 a泰安地区≥10 ℃界限温度终止日期序列值变化不明显(图2b)，倾向率为0.037 3 d/10 a，平均每10 a提前0.37 d。平均终日为11月7日，最早为10月25日，最晚为12月4日，为1997年和1980年的宁阳，相差40 d。

近31 a泰安地区≥10 ℃界限温度持续日数总体呈增加趋势(图3)，增加速率为0.415 6 d/10 a，平均每10 a提前4.15 d，最多为248 d，出现在2002年的新泰和东平，最少为198 d，出现在1997年宁阳，平均持续221.26 d。这表明31 a来泰安地区≥10 ℃界限温度持续日数增加速率逐年递增。

图3 1977—2007泰安地区界限温度持续日数年变化特征Fig.3 Characteristics of annual variation of boundary temperature in Tai'an, 1977—2007

图4 泰安各月茶叶生长季内温度适宜度数年变化特征Fig.4 Temperature suitability of tea growing season in Tai'an

日平均气温稳定≥20 ℃的平均初日在5月18日(图2a),终日在9月20日,共计124.2 d,增加速率为0.380 8 d×10 a，平均每10 a提前3.80 d，此时段为茶树旺盛生长期;10月下旬,日平均气温降至10 ℃以下,茶芽停止生长,茶树进入休眠期。由上述分析可知：初日提前，终日延迟，持续日数增加，即茶叶生长期延长，春茶、秋茶生长期增加。

4.2 泰安茶叶温度适宜度分析

4.2.1 季变化规律计算并分析泰安茶叶生长季内各月温度适宜度(图3)可得：夏茶和秋茶的温度适宜度较高，均超过0.8，其中夏茶最高，达0.95，主要因为此时泰安地区月平均气温为25.1 ℃，处于茶叶最适生长气温(20～27 ℃)之间。春茶低于0.6，这是因为此阶段泰安地区的平均温度在14 ℃左右，低于茶树生长最适宜温度(15～20 ℃)。4月随着气温的升高，温度适宜度明显上升，到5月下旬最高，达到0.99。6—9月热量充足，适宜度保持平稳，在0.9左右，其中有小幅度下降，是受高温高热影响。温度过高时，茶叶呼吸作用显著加强，有机物累积减少，光合作用强度下降，进而导致茶叶生长受到影响。9月后随着气温下降，茶叶生长温度适宜度又逐月下降。

4.2.2 年际变化及变化倾向由图5-图10可见，1977—2007年30 a来，泰安地区由于受气候变化的影响，茶叶生育期温度适宜度变化较明显。春茶生长季温度适宜度表现为上升趋势，夏茶生长季温度适宜度有所下降，秋茶生长季温度适宜度有小幅度上升，但波动幅度不大。其中，1979、1980、1984和1991年的春茶温度适宜度均未超过0.4。1978—1992年，这14 a间温度适宜度变化波动较大，特别是在春茶生长期。由此可以看出，近年来，气候变化对泰安茶叶生长期间春茶生育期的温度适宜度有明显的影响；对夏茶和秋茶的温度适宜度影响不明显，波动不大；从茶叶全生育期温度适宜度(图10)来看，温度适宜度呈线性上升趋势，以0.000 1 ℃/a的速率增加，且均值在0.77左右。总的来说,随着温度的升高，泰安茶叶生长期的适宜度也随着升高，31 a来泰安茶叶的温度适宜度共提高了0.07。除夏茶外, 泰安地区茶叶生育期的温度适宜度在 20世纪 80年代中期以来基本以正增长为主, 说明温度适宜度呈现出上升趋势。

图5 岱岳区茶叶温度适宜度变化Fig.5 Changes of tea temperature suitability in Daiyue District

图6 肥城茶叶温度适宜度变化Fig.6 Changes of tea temperature suitability in Feicheng suitability in Daiyue District

图7 东平茶叶温度适宜度变化Fig.7 Changes of tea temperature suitability in Dongping

图8 宁阳茶叶温度适宜度变化Fig.8 Changes of tea temperature suitability in Ningyang

图9 新泰茶叶温度适宜度变化Fig.9 Changes of tea temperature suitability in Xintai

图10 茶叶温度适宜度年际变化均值Fig.10 Average annual change of temperature suitability of tea

4.3 泰安地区茶叶温度适宜度类型划分

泰安地区地处山东省中部,属于温带半湿润大陆性季风气候区,作为山东的一个产茶区，种植面积仅占全省面积的4.1%，但茶叶单位面积产值却比全省平均水平高近1倍。根据泰安地区31 a的平均适宜度大小,结合历年茶叶产量，运用ArcMap软件模拟分析泰安地区茶叶平均温度适宜度,生成泰安地区茶叶温度适宜度分布图。当温度适宜度大于0.7时,茶叶产量相对较高;当温度适宜度在0.6～0.7时,茶叶产量与往年基本持平;当温度适宜度小于0.6时,茶叶产量小幅度减产;当温度适宜度小于0.5时,茶叶产量减产明显,基本上不适宜茶叶生产。据此将泰安地区大致划为3个类型,如图11所示。

图11 温度适宜度分布划分Fig.11 Distribution of temperature suitability

①适宜：主要包括新泰徂徕山前、柴汶河畔的高温小区和东平东南部、肥城东南部、宁阳南部, 温度适宜度在0.7以上。热量条件相对丰富,春季平均温度在 20 ℃左右,而在夏秋季节, 这些地区的温度较高并且适宜茶叶生长。总体来说, 此区温度对茶叶生育造成的负影响很小, 为茶叶温度适宜度的最适宜区。

②次适宜：主要包括肥城中部、徂徕山北部、东平北部、泰山周边一带, 温度适宜度在0.6～ 0.7。由于这些地区春季平均气温在18.7 ℃左右,比适宜区气温低1.3 ℃, 故温度适宜度相对适宜型要低。总体来说, 此区温度对茶叶生育造成的影响较小, 为茶叶温度适宜度的次适宜区。

③不适宜：主要包括泰山山顶及徂徕山山顶一带,本区位于海拔800 m以上, 泰山山顶年均温在5.6 ℃左右,比界限温度低7.4 ℃，属于不适宜区。

总体来看，温度适宜度分布状况是由南向北逐渐降低，最低值为泰山、徂徕山山顶一带，适宜度小于0.5。其次为泰山北部新泰东南部山区，其余各地适宜度均在0.6以上。

4.4 泰安地区茶叶温度适宜度变化倾向分类

根据李瑞等人研究表明[19], 泰安地区的夏秋季节温度变化幅度不大,升温幅度小, 而冬春季节温度变化趋势明显, 升温幅度大。随着升温现象的延续会进一步增加泰安地区茶叶适宜生长日,减轻泰安地区茶叶受低温冷害的影响, 从而使茶叶温度适宜度升高。根据泰安地区各县市区 31 a来的温度适宜度变化, 结合适宜生长日数和界限温度，利用 ArcMap软件进行插值分析, 做出温度适宜度倾向率变化图, 并根据各站点未来茶叶温度适宜度变化强度大致将倾向划为3种类型, 如图12所示。

图12 温度适宜度变化分类Fig.12 Classification of temperature suitability changes

①强上升：主要分布在肥城南部、东平西南部、新泰西南部, 该类型处在茶叶适宜区内，未来温度变化对该地区茶叶生长产生正效应, 适宜度会继续上升。

②次上升：分布范围较小, 新泰东南部山区、徂徕山周边和泰山以南部分地区。该类型处在茶叶的次适宜区内, 未来温度变化对该区茶叶生长产生次强正效应, 适宜度会继续上升，但上升幅度小于强上升型。

③弱上升：位于宁阳北部和岱岳区以南。该类型处在泰安次适宜型内, 未来温度变化也会对茶叶产生弱负效应, 温度适宜度会少量降低, 但变化幅度小于强下降型和次强下降型。

受温度变化的影响, 未来泰安地区大部分县市区茶叶温度适宜度都有上升的趋势, 但是由于受海拔、降水等因素的影响, 变化倾向也表现出显著的地域性。由于温度的升高, 尤其是春季温度的升高，适宜度也随着上升, 从而使泰安地区茶叶种植环境趋于改善。

5 结论

本文把茶叶生育期划分3个时段, 将各生育期温度指标与实际温度进行分析对比, 得出了茶叶每个生育期时段的隶属阈值, 通过处理、对比、分析, 认为本文建立的茶叶温度适宜度模型用于评价泰安地区茶叶温度适宜动态变化是合理的。但是本文仅考虑了温度的影响效应,未能考虑如降水、海拔、日照、病虫害等因素, 所得数据还不能为农业生产提供理论和技术支持。今后将在作物病虫害和地域等其他因素方面有所深入。

①利用温度适宜度模型对泰安地区茶叶生长期适宜性进行分析可知，泰安地区茶叶在夏、秋季生长温度适宜度较高，春季较低。夏茶、秋茶适宜度一般在0.8左右。

②新泰、肥城、岱岳、东平这4个县市区，茶叶的温度适宜度变化较明显，肥城地区的茶叶温度适宜度倾向率变化最大,在0.000 5以上。随着全球气温的升高，未来这4个县市区的茶叶生长将持续正增长，温度适宜度将不断升高，对茶叶生产更加有利。宁阳茶叶温度适宜度变化倾向率在0.001，是泰安地区的最小值，该地也是31 a来茶叶温度适宜度最平稳的地区，并且，从计算结果来看，历年来该地的茶叶温度适宜度是最高的，未来温度变化对该地茶叶的温度适宜度变化影响较小。

③随着温度的升高，泰安地区春茶生长期间受低温冷害影响将有所减弱，31 a来泰安茶叶的全生育期温度适宜度提高了0.033。总体来看，气候变暖降低了茶叶生产风险，提高了泰安茶叶全生育期适宜度，延长了茶叶生长期。

④按温度适宜度将泰安地区茶叶种植区域划分为3种类型：适宜(主要包括在肥城南部、东平西南部、新泰西南部)、次适宜(主要包括肥城中部、徂徕山北部、东平北部、泰山周边一带)和不适宜(主要包括泰山山顶及徂徕山山顶一带)。按温度适宜度变化倾向分为：强上升(主要分布在肥城南部、东平西南部、新泰西南部)、次上升(分布范围较小, 新泰东南部山区、徂徕山周边和泰山以南部分地区)和弱上升(位于宁阳北部和岱岳区以南)。

[1] 任国玉，郭军，徐铭志，等.近50年中国地面气候变化基本特征[J].气象学报，2005,63(6)：

[2] 秦大河，罗勇，陈振林，等.气候变化科学的最新进展：IPCC，第四次评估综合报告解析[J].气候变化研究进展，2007,3(6)：311-314.

[3] 李瑶勇，杨晓光，代姝玮.长江中下游地区农业气候资源时空变化特征[J].应用生态学报，2010,21(11)：2 912-2 921.

[4] 唐国平，李秀彬，Fischer G,等.气候变化对中国农业生产的影响[J].地理学报，2000,55(2)：129-138.

[5] 蒋宗孝，林森知，魏荣源，等.三明市茶树气候条件分析及气候区划[J].气象科技，2004，32(增刊)：87-89.

[6] 李湘阁,阂庆文,余卫东.南京地区茶树生长气候适应性研究[J].南京气象学院学报，1995，18(4)：572-576.

[7] 张丽霞,赵淑娟,王桂雪,等.泰安市茶树种植气候条件分析[J].中国农业气象，2006,27(3):244-248.

[8] 韩旭.中国茶叶种植地域的历史变迁研究[D].浙江大学硕士论文,2013.

[9] 俞芬，千怀遂，段海来.淮河流域水稻的气候适宜度及其变化趋势[J].地理科学，2008，28(4):537-542.

[10]王辉，王鹏云，田燕，等.昆明小麦气候适宜度研究[J].麦类作物学报，2014，34(5):680-684.

[11]宫丽娟，王晨轶，王萍，等.东北三省玉米气候适宜度变化分析[J].玉米科学，2013，21(5):140-146.

[12]余会康.闽东茶叶气候适宜度变化特征[M].山地学报,2016(7):415-424.