茶葉產(chǎn)量與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析
——以陜南茶區(qū)為例

張 璠,肖 斌(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100)

氣象條件對(duì)茶葉產(chǎn)量有重要影響，尤其是光照、氣溫、降雨等氣象因子[1]。陜南熱量充足，降水充沛，光照適宜，自然條件總體優(yōu)越，符合茶樹生長(zhǎng)要求，是中國(guó)最北端的主要茶葉產(chǎn)地[2]。截止2017年，陜南地區(qū)茶葉總面積16.7萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量11.4萬(wàn)t，綜合產(chǎn)值400多億元[3]。“陜西省茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2013-2020年)”指出，到2020年，陜南地區(qū)將新增茶園9.3萬(wàn)hm2，總面積達(dá)到18.6萬(wàn)hm2[4]，茶葉已經(jīng)成為陜南地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。研究茶葉產(chǎn)量與氣象因子的關(guān)系，對(duì)茶樹適宜氣候區(qū)劃分和茶產(chǎn)業(yè)規(guī)劃制定等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)域 選取陜南茶區(qū)22個(gè)產(chǎn)茶縣中的南鄭、西鄉(xiāng)、寧強(qiáng)、鎮(zhèn)巴、紫陽(yáng)、漢濱、商南、鎮(zhèn)安等8個(gè)主要茶葉生產(chǎn)縣(區(qū))作為研究區(qū)域。

陜南(105°30′30″～111°1′25″E，31°42′～ 34°25′40″N)處于陜西南部，北靠秦嶺，南倚巴山，從西往東依次是漢中、安康、商洛3地市，漢江自西向東穿流而過(圖1)。陜南地區(qū)占地面積約7萬(wàn)km2，以山地為主，其山地面積占總面積的82.25%[5]。處于中國(guó)北暖溫帶與亞熱帶氣候的過渡帶，日照時(shí)數(shù)1 600～2 000 h，年日照百分率26%～54%，全年無(wú)霜期約204～270 d，年大于等于10 ℃活動(dòng)積溫為4 500～5 200 ℃。年平均氣溫14～15 ℃，極端最低氣溫多年平均0～3 ℃，極端最高氣溫多年平均24～27.5 ℃。年降雨量為655～1 300 mm，多年平均降雨量為830 mm，年平均相對(duì)濕度≥67%。茶葉是陜南地區(qū)農(nóng)業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)，已成為陜南山區(qū)人民的主要收入來源之一[6]。

1.1.2 茶葉經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù) 茶葉生產(chǎn)量在一定程度上可以反映茶樹的生長(zhǎng)適宜情況。因此，選取研究地域2007-2016年10 a的茶園面積和茶葉總產(chǎn)量作為研究對(duì)象，數(shù)據(jù)來源于陜西省農(nóng)業(yè)廳和統(tǒng)計(jì)局。

1.1.3 氣象數(shù)據(jù) 根據(jù)植物生長(zhǎng)基本條件和前人研究結(jié)果，茶樹同時(shí)受光照、溫度、降水等氣象因子影響。選取上述研究區(qū)域2007-2016年日照時(shí)數(shù)(h)、年平均氣溫(℃)、年極端最低氣溫(℃)、年極端最高氣溫(℃)、≥10 ℃活動(dòng)積溫(℃)、降水量(mm)、平均相對(duì)濕度(%)7個(gè)氣象因子數(shù)據(jù)。資料來源于有關(guān)縣(區(qū))氣象局和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。

1.2 研究方法

在系統(tǒng)研究過程中，不確定性系統(tǒng)普遍存在。信息不完全、不準(zhǔn)確是其基本特征。研究不確定性系統(tǒng)的方法主要有概率統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)理論。概率統(tǒng)計(jì)著重考察“隨機(jī)不確定”現(xiàn)象的歷史統(tǒng)計(jì)規(guī)律，出發(fā)點(diǎn)為大樣本，并要求“隨機(jī)不確定”變量服從某種典型分布。模糊數(shù)學(xué)主要憑經(jīng)驗(yàn)借助隸屬函數(shù)研究“內(nèi)涵明確，外延不明確”的問題。在實(shí)際工作中，“大樣本”往往難以滿足，“憑經(jīng)驗(yàn)”不能夠從定量方面正確地描述人們對(duì)客觀系統(tǒng)的認(rèn)知程度?；疑到y(tǒng)理論著重研究概率統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)所難以解決的“少數(shù)據(jù)”“貧信息”不確定性問題，旨在探索事物運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)規(guī)律，其特點(diǎn)是“少數(shù)據(jù)建模”，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面[7-8]。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)本身是一種不確定性系統(tǒng)，因此可采用灰色系統(tǒng)理論方法進(jìn)行本研究。

采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析法，其一般步驟為：確定分析數(shù)列、原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理、關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度計(jì)算、關(guān)聯(lián)度排序。

圖1 研究區(qū)位置

1.2.1 確定分析數(shù)列 “參考數(shù)列”為各縣茶葉單位產(chǎn)量的時(shí)間數(shù)列數(shù)據(jù)，記為X0，X0(n)=[x0(1)，x0(2)，… ，x0(n)]，n表示年份?！氨容^數(shù)列”為影響各縣茶葉產(chǎn)量的7種氣象因子的時(shí)間數(shù)列數(shù)據(jù)，記為Xi，Xi(n)=[xi(1)，xi(2)，…，xi(n)]，i=1,2,…，7。分別為：日照時(shí)數(shù)(X1)、平均氣溫(X2)、極端最低氣溫(X3)、極端最高氣溫(X4)、≥10 ℃活動(dòng)積溫(X5)、降水量(X6)、平均相對(duì)濕度(X7)?！皡⒖紨?shù)列”和“比較數(shù)列”共同組成分析數(shù)列。

1.2.2 分析序列無(wú)量綱化處理 采用Z-標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即每一變量值與其平均值之差除以該變量的標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算公式如下：

1.2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)X0與Xi在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)(r0i(k))的計(jì)算公式為：

1.2.4 關(guān)聯(lián)度 關(guān)聯(lián)系數(shù)反映的信息較為分散，為了更直觀的比較，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均值[8]，得到X0與Xi的關(guān)聯(lián)度r0i：

式中，n表示年份數(shù)量，n=10。roi(k)為X0與Xi在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

1.2.5 關(guān)聯(lián)度排序 按關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序。

2 結(jié)果與分析

運(yùn)用上述灰色關(guān)聯(lián)分析法分別計(jì)算8個(gè)縣區(qū)茶葉產(chǎn)量與7個(gè)氣象因子之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度(表1)。

從表1可以看出，在研究區(qū)域內(nèi)，7種影響因子與不同地區(qū)茶葉產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)度不同，但關(guān)聯(lián)序基本一致。排序越靠前，表明其對(duì)應(yīng)的氣象因子與茶葉產(chǎn)量的聯(lián)系越緊密，對(duì)茶樹生長(zhǎng)的影響越大。

表1 各種影響因素與各縣區(qū)的關(guān)聯(lián)度值及排序

2.1 光照對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響

根據(jù)表1，所有縣(區(qū))日照時(shí)數(shù)(X1)的關(guān)聯(lián)度均處于較低水平，表明日照時(shí)數(shù)不是影響陜南茶葉產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃?。日照時(shí)間對(duì)茶樹的影響主要表現(xiàn)為輻射總量和光周期兩個(gè)方面。日照時(shí)間越長(zhǎng)，茶樹葉片接受光能的時(shí)間越長(zhǎng)，葉綠素吸收的輻射能量越多，光合產(chǎn)物積累越大，有利于茶樹生育和茶葉產(chǎn)量的提高。光周期現(xiàn)象直接影響茶樹開花結(jié)果和生長(zhǎng)休眠。茶樹是一種短日照植物，日照時(shí)數(shù)較短的地區(qū)，有利于茶樹生殖生長(zhǎng)，開花提早，花數(shù)增加，新梢生長(zhǎng)緩慢；相反，日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)，茶樹營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)加強(qiáng)，開花推遲，花數(shù)減少，新稍增長(zhǎng)加快，有利于茶葉產(chǎn)量增加[9]。研究區(qū)域內(nèi)，日照時(shí)數(shù)1 100～2 400 h，滿足茶樹進(jìn)行光合作用對(duì)光的需求，因此不是茶葉產(chǎn)量的主要影響因子。

2.2 氣溫對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響

平均氣溫(X2)、極端最高氣溫(X4)關(guān)聯(lián)度均處于相對(duì)較高水平，是限制茶葉生長(zhǎng)的重要?dú)庀笠蜃?。研究區(qū)域內(nèi)，平均氣溫13～17 ℃，所有年內(nèi)最高氣溫均大于35 ℃，茶樹生長(zhǎng)的最適宜溫度為20～25 ℃，低于20 ℃時(shí)，新梢生長(zhǎng)速度緩慢，影響茶葉產(chǎn)量,當(dāng)氣溫高于茶樹生長(zhǎng)上限溫度(35 ℃)時(shí)，茶樹葉片光合系統(tǒng)受到傷害，光合速率迅速降低，嚴(yán)重影響產(chǎn)量[10]。極端最低氣溫(X3)的關(guān)聯(lián)度處于相對(duì)較低水平，最低氣溫表征茶樹低溫凍害情況[11]，其在研究區(qū)域內(nèi)為-3～-12 ℃，主要集中在-5 ℃左右，-8～-12 ℃的出現(xiàn)頻率相對(duì)較小，可見陜南地區(qū)凍害發(fā)生可能性較低，因此最低氣溫不是限制茶葉產(chǎn)量的最主要因子。≥10 ℃的活動(dòng)積溫(X5)的關(guān)聯(lián)度均較小，表明其不是影響研究區(qū)域內(nèi)茶葉產(chǎn)量的主要因子，主要由于茶樹全年需≥10 ℃的活動(dòng)積溫3 000 ℃，研究區(qū)域內(nèi)≥10 ℃的活動(dòng)積溫4 300～5 600 ℃，均滿足茶樹的生長(zhǎng)要求。

2.3 降水對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響

根據(jù)表1，年降水量(X6)關(guān)聯(lián)度除南鄭外均處于較低水平，不是茶葉產(chǎn)量限制因素，南鄭降水量年際間波動(dòng)較大，2011年最大(1 398.3 mm)，2016年最小(672.1 mm)。茶樹喜濕怕澇，降水量不足時(shí)，嚴(yán)重影響茶樹對(duì)水分的需求，進(jìn)而影響茶葉產(chǎn)量；降水過多時(shí)，土壤含水增加，氧氣不足，阻礙茶樹根系呼吸和發(fā)育，甚至使茶樹窒息而死，降低茶葉產(chǎn)量，降水不均衡，不僅影響當(dāng)年產(chǎn)量，還會(huì)對(duì)來年產(chǎn)量造成不利[12-13]。所有地區(qū)平均相對(duì)濕度(X7)的關(guān)聯(lián)度均處于較高水平，是西鄉(xiāng)、寧強(qiáng)、鎮(zhèn)巴、紫陽(yáng)、漢濱和商南等區(qū)縣茶葉產(chǎn)量的最主要限制因子?？諝庀鄬?duì)濕度影響茶樹的蒸騰作用，研究區(qū)域內(nèi)的相對(duì)濕度主要集中在65%～75%，相對(duì)干燥，茶樹葉片蒸發(fā)過快，水分消耗增加，新稍生長(zhǎng)緩慢，老化加速，影響茶樹正常生長(zhǎng)發(fā)育，限制茶葉產(chǎn)量提高?？傮w來看，研究區(qū)內(nèi)，年降水量滿足茶樹生長(zhǎng)需求，但空氣相對(duì)濕度限制茶樹生長(zhǎng)，可能是由于降水不均衡、土壤質(zhì)地不利于蓄水和植被不充足等原因造成茶園蓄水保水能力較差，蒸發(fā)較快，從而空氣濕度較低，限制茶葉產(chǎn)量增加。

3 結(jié)論與討論

基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究陜南地區(qū)茶葉產(chǎn)量的主要制約氣象因子，研究發(fā)現(xiàn)平均相對(duì)濕度、極端高溫和平均氣溫是影響陜南茶葉產(chǎn)量的最主要因素。有研究表明，陜南茶樹氣候生態(tài)適宜性與極端最高氣溫、年平均氣溫、年降雨量有關(guān)[14]，這在很多研究中都已被證實(shí)[15-17]。但地域性限制因素不完全相同，極端最高氣溫限制西鄉(xiāng)縣茶葉生產(chǎn)[15]，年平均氣溫限制紫陽(yáng)縣茶葉生產(chǎn)[18]，年降雨量限制略陽(yáng)、城固等地區(qū)茶葉生產(chǎn)[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，平均相對(duì)濕度是影響茶葉產(chǎn)量最主要因子，該因子為評(píng)價(jià)水熱時(shí)間配置的指標(biāo)，茶葉喜濕，濕度降低后增加茶樹葉片蒸發(fā)和水分消耗增加，導(dǎo)致新稍生長(zhǎng)緩慢，陜南茶葉生長(zhǎng)季內(nèi)相對(duì)濕度主要集中在65%～75%，其成為主要限制因子。

根據(jù)本研究結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中，首先可通過選育和推廣耐旱良種，從根本解決濕度和降水不足和不均衡對(duì)產(chǎn)量的影響。其次，可通過合理的生產(chǎn)措施，改善不利環(huán)境條件，提高茶葉產(chǎn)量。夏季遮陰可以降低光照強(qiáng)度、茶園氣溫，提高空氣相對(duì)濕度，避免連續(xù)高溫干旱對(duì)茶樹的傷害，遮陰相比不遮陰，產(chǎn)量明顯上升[20-22]。此外，一些研究也顯示合理灌溉可以改善茶園溫度和濕度，明顯增加茶樹新稍百芽質(zhì)量，對(duì)茶葉產(chǎn)量提高效果顯著[23-24]。

盡管本研究得到一些有意義的結(jié)論，但仍然存在一些局限。灰色關(guān)聯(lián)分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于思路明晰，對(duì)數(shù)據(jù)要求較低，工作量較少,且分析結(jié)果有利于明確復(fù)雜事物內(nèi)部所蘊(yùn)含的主次關(guān)系，可有效解決一些包含未知因素的特殊領(lǐng)域如環(huán)境、能源、地質(zhì)及經(jīng)濟(jì)等問題，其主要缺點(diǎn)在于選擇比較數(shù)列時(shí)，主觀性較強(qiáng)，并且有時(shí)難以確定比較數(shù)列。

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