巴南銀針產區茶葉氣候適宜性與氣候品質評價

武強 王旭 羅孳孳 陽園燕 范莉 陳思英

(1 重慶市氣象科學研究所，重慶 401147； 2 重慶市巴南區氣象局，重慶 401320； 3 安徽省科技研究開發中心，合肥 230088)

引言

茶樹屬于山茶科、山茶屬、茶種，是典型的亞熱帶常綠植物，也是中國傳統的最具特色的經濟作物之一。茶葉品質的優劣以及優質茶產量的高低取決于茶樹品種、茶園生態、栽培管理等的綜合影響，而氣象條件如溫度、水分、光照等正是決定茶樹生長與品質形成的茶園生態條件中最重要的、比重最大的組成部分[1-2]。西南茶區是我國茶葉的起源地，重慶更是有著3000多年的種茶歷史[3]，巴南銀針作為重慶針形綠茶的代表，是重慶茶葉三大品牌之一，具有外形挺直秀麗，綠潤顯毫，嫩香持久，滋味鮮爽回甘的特點[4-5]，得天獨厚的氣候條件是形成巴南銀針品質特點的必要條件之一。但是目前關于西南茶區茶葉種植的氣候特點以及品質形成影響的研究還較少，對于充分利用地方農業氣候資源優勢、改進種植管理制度、進一步提升茶葉鮮葉品質等缺乏科學依據。

氣候適宜度方法可反映農作物生長與氣候條件之間的適宜程度，廣泛應用于氣候變化背景下農業氣候資源的適宜性評估、農業氣候資源的合理開發與高效利用[6-7]以及基于氣候適宜度理論的產量預測、農業生態氣候區劃等研究[8-10]。氣候品質評價方法的提出進一步實現了氣候條件對作物品質優劣影響的定量評價[11-12]。本研究在系統分析巴南銀針主產區茶葉種植的氣候可行性以及春茶生長期氣象條件的基礎上，應用氣候適宜度理論定量分析茶葉生長氣候適宜度，利用氣候品質評價方法定量評估氣候品質等級，以期揭示重慶巴南銀針茶葉產區茶樹生產的氣候優勢，為深度挖掘重慶市農業氣候資源、地方特色經濟作物發展規劃以及科學管理等提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料

重慶市巴南區二圣鎮白象山茶葉產區海拔400～700 m，是巴南銀針核心生產區域。建有標準化示范茶園266.67 hm2，帶動和輻射茶園面積共達1333.33 hm2。主栽茶樹品種有巴渝特早、福鼎大白、安吉白茶等。本文主要針對巴南銀針產區優勢品種“巴渝特早”，鑒定編號為國品鑒茶2014001。研究時段為春茶生長期2—5月。

氣象資料來源于巴南國家基本氣象站、白象山茶葉產區區域自動氣象站逐日氣象觀測資料。氣象要素包括：空氣溫度、極端最高氣溫、極端最低氣溫、降雨量、日照時數、空氣相對濕度。土壤含水量資料來源于白象山茶葉產區范圍內2套頻域反射型土壤水分自動站，并采用區域土壤水分自動監測系統進行協同觀測[13]。茶葉開采期觀測資料來源于重慶茶業(集團)有限公司，觀測資料時間為2009—2019年。茶葉品質檢測資料來源于中國農業科學院茶葉研究所茶葉質量監督檢驗測試中心。巴南銀針茶葉產區氣候可行性分析采用1990—2019年共30年氣象資料。氣候適宜度、氣候品質指數分析等，結合茶葉生育期觀測有效資料，分析2009—2019年共11年氣象資料。

1.2 氣候適宜度模型

氣候適宜度方法從系統科學觀點出發，基于模糊數學方法[14-15]，以作物生育期光溫水的供需關系為理論依據，綜合氣象因子對作物生長發育的影響，建立模糊動態模型，量化分析作物生育期氣象條件。本文應用模糊數學方法，結合茶葉生長氣象指標建立溫度、水分、光照適宜度模型，應用幾何平均法建立茶葉綜合氣候適宜度模型[8,16]。

基于茶樹生長發育的三基點溫度，應用Beta函數建立溫度適宜度模型，反映茶樹生長與溫度的關系[17]。茶葉生長的溫度適宜度模型為：

(1)

(2)

式中，PT為溫度適宜度；T為茶葉生長季內的日平均氣溫；T1、T2、T0分別是研究時段內茶葉生長所需的最低溫度、最高溫度和最適宜溫度。

茶樹生長發育所需的水分來源主要是大氣降水，另外，空氣水汽也是水分來源之一，水分支出主要是茶樹葉面蒸騰和土壤蒸發。以茶樹生長發育需水量作為適宜水量標準[18]，綜合水分收支情況，建立茶樹生長水分適宜度模型為：

PR=αPG+(1-α)PH

(3)

式中，PR為水分適宜度；PG、PH分別為土壤水分適宜分量和空氣相對濕度適宜分量；α為權重系數。PG、PH的計算公式分別為：

(4)

(5)

式中，H為日平均相對濕度；Hmin為研究時段內最低日平均相對濕度；R為實際降水量；E為茶園可能蒸散量。

茶樹耐陰，光照過強會促進光合作用，碳代謝產物如茶多酚等增加使成茶具澀味。以日照時數達可照時數的35%～45%為適宜日照時數[1]，建立茶樹生長的光照適宜度模型為：

(6)

式中，PS為光照適宜度；S、S0和S1分別為實際日照時數、35%和45%的可照時數。

茶樹生長發育以及品質和產量的形成是各類氣象要素綜合作用的結果。為客觀研究茶樹生長期內氣候資源適宜情況的綜合動態變化，采用幾何平均法建立茶葉綜合氣候適宜度模型為：

(7)

式中，P為綜合氣候適宜度；PT、PR、PS分別為溫度、水分、和光照適宜度。

1.3 氣候品質評價模型

氣候對茶葉品質的影響是多方面的，既影響著鮮葉的色澤、大小、厚薄和嫩度，也影響著其內含物質的形成與積累，從而決定了鮮葉品質優劣和適制性，進一步影響到成茶品質。根據氣象行業標準《茶葉氣候品質評價》(QX/T411—2017)，按照茶葉采摘特點，采摘前15 d的平均溫度、平均相對濕度、平均日照時數對鮮葉品質影響最大。選取影響茶葉品質的熱量、水分、光照氣象指標，采用無量綱方法對氣象數據進行預處理。參照常規農業氣象條件定量化等級評價標準，將氣象指標劃分為4個等級，分別賦值3、2、1、0。等級劃分標準如下：

(8)

式中，i=1，2，3，表示不同氣象指標；Mi為氣象指標等級；Xi為氣象指標的實際值；Ti01、Ti02，Ti11、Ti12，Ti21、Ti22分別為茶葉品質最優、優、良時氣象指標的上限值和下限值。如果氣象指標低于Ti21或高于Ti22，茶葉品質一般。

結合本文主要研究茶樹品種“巴渝特早”的不同采摘期的氣象條件及巴南銀針生產實際情況，確定氣象評價指標見表1。X1、X2、X3分別為鮮葉采收前15 d的平均氣溫、平均相對濕度、平均日照時數。

表1 茶葉氣候品質的氣象評價指標

應用加權指數求和法建立茶葉氣候品質評定模型，計算公式如下：

(9)

式中，IACQ為氣候品質評價指數(Agriculture climate quality index)；Mi為影響茶葉品質的氣象指標評價等級，ai為氣象指標的權重系數，由最小二乘法迭代運算得到，溫度、水分、光照的權重系數分別為0.6、0.2、0.2。

氣候品質評定以氣候品質指數為依據，分成4級：1級(特優)、2級(優)、3級(良)和4級(一般)，見表2。

表2 茶葉氣候品質等級

2 結果與分析

2.1 巴南銀針茶葉產區氣候可行性分析

茶樹是典型的亞熱帶常綠植物，對于熱量條件要求較高，低溫凍害尤其是早春霜凍，是茶葉生產的主要氣象災害之一[19]，春茶生長期如遇霜凍災害會導致新芽葉尖乃至整個葉片損傷受災，從而造成巨大的經濟損失；越冬期如遇超過休眠期茶樹耐受下限溫度的極低氣溫，則會造成樹體不可逆轉的傷害甚至死亡。因此，能否安全越冬是茶樹種植可行性的首要考慮因素。

分析近30年(1990—2019年)巴南銀針茶葉產區最冷月平均氣溫和冬季極端氣溫如圖1所示，最冷月(1月)平均氣溫為6.4 ℃，月平均最低氣溫2.3 ℃，氣候傾向率為-0.299 ℃/10a。年極端最低氣溫主要出現在1月，極少出現在12月和2月，年極端最低氣溫平均值0.39 ℃，最低值為-2.7 ℃，出現在2016年，氣候傾向率0.308 ℃/10a。一般認為，休眠期茶樹在-10 ℃條件下，葉片將開始焦邊，-12 ℃時，凍害即開始加重[1]，巴南銀針茶葉產區極端最低氣溫高于休眠期茶樹耐受下限溫度，統計年份內無凍害致災的情況發生。

圖1 1990—2019年巴南銀針茶葉產區最冷月(1月)平均氣溫和年極端最低氣溫年際變化

根據《重慶市氣象災害標準》(DB50/T 270—2008)，輕度霜凍：連續≥5 d日最低氣溫低于2 ℃，其中任意3 d最低氣溫低于0 ℃；嚴重霜凍：連續≥7 d日最低氣溫低于2 ℃，其中任意5 d最低氣溫低于0 ℃。統計巴南銀針茶葉產區近30年霜凍發生情況，如表3所示，可見統計年份內，霜凍發生年份較少，僅占13.3%，發生等級均為輕度霜凍，且發生時間一般在冬季12月至次年1月。統計年份內早春無霜凍發生，春茶生長不受影響。

表3 1990—2019年巴南銀針茶葉產區凍害發生情況

春季氣溫回暖，茶芽開始萌發后，新梢將隨著活動積溫∑T(≥10 ℃)的增加而不斷生長。研究顯示，茶樹新梢每展開一片新葉，需要90～100 ℃·d的活動積溫(≥10 ℃)，不同輪次的茶樹嫩梢從開始萌發到適采所需的熱量因品種的差異，一般來說大致需要400～600 ℃·d的活動積溫(≥10 ℃)，加上下一輪萌動前的休止期共需活動積溫(≥10 ℃)約1000 ℃·d[1]。根據表4可知，近30年巴南銀針茶葉產區活動積溫(≥10 ℃)平均約為5600 ℃·d左右。氣溫≥10 ℃年日數平均為278.5 d，最多308 d(1994年)，最少248 d(2017年)，枝梢生長期長，理論上全年可以生長6～7輪新梢。

表4 1990—2019年巴南銀針茶葉產區日平均氣溫穩定通過10 ℃及其積溫統計

2.2 巴南銀針春茶氣候適宜性分析

2.2.1 巴南銀針春茶生長期氣象條件

茶樹生長適宜溫度范圍內，溫度升高可以促進酶促反應進行，利于有機物合成與積累，茶樹生長加快。由巴南銀針茶葉產區2009—2019年春茶生長期氣溫日變化箱線(圖2a)可知，2月中旬以后，日平均氣溫在8 ℃左右，至3月上旬，日平均氣溫升高到10 ℃以上，進入4月，日平均氣溫基本維持在茶樹生長最適溫度15～25 ℃范圍內，尤其是4月下旬，空氣溫度達到20～25 ℃。較低的溫度條件只要沒有低溫凍害發生，茶芽發育緩慢，碳代謝弱，而氮代謝次生代謝產物積累，成茶品質高。隨著活動積溫的增加，春季第一片新葉展開，進入一芽一葉采摘期，而茶芽及第一葉茶氨酸與咖啡堿含量高于二、三、四葉以及梗、莖等組織[20-21]，適制優質綠茶。隨著溫度逐漸升高，新梢生長加快，兒茶素等碳的次生代謝產物積累，氮代謝減弱，茶氨酸等氮的次生代謝產物合成量降低，成茶澀味提升，鮮爽味略低，品質較前期略有下降。

圖2 2009—2019年巴南銀針茶葉產區春茶生長期溫度(a)、土壤相對含水量(b)、空氣相對濕度(c)、日照時數(d)

不考慮土壤保水能力單獨討論降水量無法科學地反映茶樹與水分的供需關系，除了生理需水的供應外，生長環境空氣濕度對于茶葉品質的形成也很重要。

茶樹生長環境水分供需關系體現在土壤含水量的豐寡。土壤含水量不僅影響茶樹根系生長情況，也會影響到茶樹新梢的生長速度與質量。茶樹生長期間，土壤濕度宜在田間持水量的65%以上，最適宜區間為75%～95%[1]。由巴南銀針茶葉產區2009—2019年春茶生長期0～50 cm土層平均土壤相對含水量日變化箱線(圖2b)可知，在春茶生長期，巴南銀針茶葉產區0～50 cm土層平均土壤相對含水量維持在最適土壤含水量及其以上范圍，平均值為90.5%，最大值95.7%，最小值86.6%，土壤水分條件較為穩定。個別年份的4月中旬至5月上旬會出現土壤相對含水量大于100%的過飽和情況，主要是因連續降水引起水分短時蓄積，無長期土壤水分過飽和情況發生。

在空氣相對濕度較高的環境條件下，茶樹新梢持嫩性好，葉片薄而大，內含物質豐富，成茶品質好。茶樹在生育期間一般需要80%以上的空氣相對濕度，午后濕度較低的時候，空氣相對濕度至少也要在70%以上[1]。由巴南銀針茶葉產區2009—2019年春茶生長期日平均空氣相對濕度日變化箱線(圖2c)可知，春茶生長期內巴南銀針茶葉產區的空氣相對濕度均維持在較高水平，平均值為80%，最小值67.3%，最大值91.2%。日平均空氣相對濕度在70%以上的日數占統計日數的80%以上。較高的空氣相對濕度條件下，茶園蒸散較弱，植株中的水分將多用于形成更多柔嫩的新梢。

茶樹耐陰喜散射光，適宜光照，以低于45%可照時數為宜。巴南銀針茶葉產區地處中高海拔的丘陵山地，空氣濕度大，常呈云霧彌漫的水汽飽和狀態，因之形成的散射光條件有利于茶樹氮代謝以及氮的次生代謝產物等品質成分的形成。由巴南銀針茶葉產區2009—2019年春茶生長期日照時數日變化箱線(圖2d)可知，春茶生長期日照時數日平均為3 h，最大值10 h，最小值0.6 h，平均值小于45%可照時數的日數占到整個春茶生長期的98%。光照條件對新梢葉片持嫩性與品質的保持有利。

2.2.2 巴南銀針春茶生長期氣候適宜度

分析巴南銀針茶葉產區春茶生長期2—5月茶葉氣候適宜度(表5)可知，2月氣溫適宜度平均值接近0.6，水分適宜度與光照適宜度在較低水平，平均值分別為0.52和0.38，但統計年份內，溫度、水分與光照適宜度最大值分別為0.66、0.57、0.44，綜合氣候適宜度的最大值可達0.52，表示某些年份溫度、水分與光照條件匹配較好，氣候條件總體較為適宜，印證了個別年份春茶獨芽開采期可提早到2月中旬甚至2月上旬的實際觀測情況。進入3月，氣溫適宜度平均值維持在較高水平，平均值為0.8，水分適宜度、光照適宜度平均值分別約為0.62、0.57，綜合氣候適宜度平均值達到0.63，此時氣候條件較好，茶樹新芽和春梢開始生長，一般于3月上旬進入一芽一葉采摘期。4—5月溫度適宜度平均值在0.9以上，水分適宜度平均值在0.6以上，光照適宜度平均值在0.7以上，綜合氣候適宜度平均值為0.74～0.77。可見氣候條件達到茶樹生長的適宜范圍，枝梢生長較快，但也因此品質成分積累會受到影響，成茶品質較前期略有下降。

表5 2009—2019年巴南銀針茶葉產區春茶生長期(2—5月)逐月氣候適宜度

由巴南銀針茶葉產區氣象條件適宜度日變化(圖3)，結合茶葉歷年開采期觀測資料，在獨芽開采期綜合氣候適宜度平均為0.54，氣溫適宜度穩定且數值較高，水分與光照適宜度變化波動較大，但低于氣溫適宜度，說明水分與光照條件是該時期茶葉生長的主要限制因素。從一芽一葉采摘期開始計算，熱量條件適宜性較高，平均值0.90以上，光照適宜度次之，平均值0.70以上，水分適宜度略低，但平均值也在0.60以上，能夠滿足茶樹生長適宜需水量。2—5月綜合氣候適宜度在進入一芽一葉采摘期后迅速的增大，并維持在0.75左右的較高水平，說明該茶葉產區春茶生長期氣候條件優良，適宜茶樹生長以及優質茶生產。

圖3 2009—2019年巴南銀針茶葉產區春茶生長期逐日平均氣候適宜度

2.3 巴南銀針春茶氣候品質評價

巴南銀針是重慶針形綠茶的代表，具有外形挺直秀麗，綠潤顯毫，嫩香持久，滋味鮮爽回甘等特點。茶多酚、氨基酸、咖啡堿等是茶葉滋味品質決定因素。而氣象條件如溫度、水分、光照等均會影響茶樹體內酶促反應的進行，碳代謝的次生代謝產物如茶多酚[22-24]以及氮代謝的次生代謝產物如氨基酸、咖啡堿[25-27]合成積累量因而受到影響。因此茶葉產區的氣候條件是決定成茶品質的重要因素。

以茶葉采收前15 d的平均氣溫、平均相對濕度、平均日照時數為評價指標，基于茶葉氣候品質評價模型，得到2009—2019年春茶生長期茶葉氣候品質日變化箱線(圖4)所示，春茶生長期茶葉氣候品質日變化呈現單峰型變化特征。結合歷年開采期日期，2月初至獨芽開采期，茶葉氣候品質指數保持平穩，在1.1～1.4之間有所波動。進入一芽一葉開采期以后，氣候品質指數迅速上升，一直到清明節氣(4月3—4日)前，氣候品質指數由1.3上升到2.8，但是這一時期氣候條件年際差異較大，導致歷年茶葉的氣候品質差異也較大。其后直到谷雨節氣(4月19—21日)，氣候品質指數維持在2.5左右，且該時期歷年茶葉氣候品質較為穩定，年際差異小，根據表2茶葉氣候品質分級，3月底清明節氣前一直到谷雨節氣，茶葉氣候品質等級均為1級，這也與通俗意義所講的“明前茶”、“雨前茶”所代表的茶葉品質涵義相一致。谷雨過后，氣候品質指數逐漸下降，到春茶采摘結束，氣候品質指數降至1.8，但仍處于2級。該時期氣候品質年際差異較大，主要是由于進入5月歷年氣溫差異較大，溫度升高過快新梢迅速生長會導致茶葉品質成分積累不足，品質下降。

圖4 2009—2019年巴南銀針春茶生長期氣候品質評價指數

綜合判定巴南銀針茶葉氣候品質等級，在整個春茶生長期，巴南銀針茶葉氣候品質等級平均值在2級及以上，清明前后直至谷雨節氣，氣候條件穩定，適宜優質茶生產，茶葉氣候品質等級維持在1級。以2019年為例對春茶品質成分進行跟蹤檢測(2月15日至5月30日)得到，春茶茶多酚含量在20%～24%，游離氨基酸含量在3%～4%，酚氨比在4.95%～5.91%，且隨時間變化表現出明顯的變化特征。通常認為酚氨比低于7%適宜制作綠茶[28-29]，由品質成分檢測結果可知，氣候品質指數評價結果與春茶生長期茶葉品質指標實測情況相符合，巴南銀針茶葉產區氣象條件有利于優質春茶的形成。

3 結論與討論

本文系統分析巴南銀針茶葉產區氣候條件以及春茶生長期影響茶樹生長與茶葉品質形成的主要氣象條件，基于氣候適宜度理論以及氣候品質評價方法定量分析巴南銀針茶葉產區茶葉生長的氣候適宜性以及氣候品質等級，得到以下結論：

(1)巴南銀針茶葉產區積溫條件優越，滿足茶樹生長熱量需求，新梢抽發輪次多，能夠獲得較高的茶葉產量。越冬期極端最低氣溫高于茶樹耐受溫度，且無早春霜凍發生，能夠確保茶樹越冬以及春茶生長的安全性。

(2)巴南銀針茶葉產區春茶生長期，熱量、水分、光照條件優越，能夠滿足春茶生長期的氣象條件需求。熱量條件充足促進春茶及早進入開采期，水分條件保證春茶生長水分供應的同時，高濕條件營造了散射光條件，共同決定的新梢的持嫩性以及春茶品質的形成。根據氣候適宜度理論計算得到，在春茶生長期，氣候適宜度維持在較高水平，從一芽一葉開采期開始計算，平均值0.75，表明該茶葉產區氣候條件優越，適宜茶樹的種植以及優質茶生產。

(3)巴南銀針春茶氣候品質等級維持在2級到1級，氣候條件有利于優質茶生產。基于氣候品質評價方法，得到巴南銀針春茶多年平均氣候品質等級在2級及以上，早春氣候條件年際差異大，進入開采期時間以及茶葉品質等級不穩定；清明節氣前一直到谷雨節氣，歷年茶葉氣候品質較為穩定，年際差異小，茶葉氣候品質等級穩定在1級；進入5月歷年氣溫差異較大，如遇升溫過快則品質下降，但總體春茶生長時段茶葉氣候品質等級均維持在2級及以上的較高水平。

本文以區域自動氣象站為主要數據來源進行氣候適宜度與氣候品質指數的定量計算，但是由于茶園山地地形的特殊性，會導致局地小氣候如不同地勢、坡向、海拔的氣象條件有所差異，在后期研究中，可從增設代表性觀測站點，做進一步精細化山地地形小氣候對茶樹生長與品質形成的研究。另外，由于品質成分跟蹤監測資料有限，后期可繼續積累資料，針對氣候條件與品質成分形成的影響機制做深入研究。