吴克华,赵卫权,廖凤林,张 凡,曲明昕
(1.贵州科学院山地资源研究所,贵阳 550001;2.贵阳市环境监测中心站,贵阳 550002)
贵州省是国内唯一低纬度、高海拔、寡日照兼具的茶区,海拔高度、年均气温、日照时数、空气湿度、年降雨量、土壤酸碱度等,都特别适宜茶树生长,有利于生产无公害茶、绿色食品茶和有机茶。贵州茶是真正意义上的绿色茶、生态茶、安全茶、健康茶[1]。1 000多年前的陆羽《茶经》就对贵州茶有“其味极佳”的评价。贵州是茶树的原产地之一,贵州主要的茶叶品种类型主要有:贵州都匀的都匀毛尖茶、湄潭县的湄潭翠芽茶、印江土家族苗族自治县的梵净山翠峰茶、石阡县的“泉都坪山”牌石阡苔茶、凤冈县的凤冈锌硒茶、凤冈县“春江花月夜”牌明前毛尖茶、凤冈县的“绿宝石”茶、贵定县的贵定云雾贡茶、金沙县的“清水塘”牌清池翠片以及雷山县的雷公山银球茶等。
贵州全省均有茶树分布,虽然贵州多数地方适合茶树种植,但就目前种植面积较大的主要分布在都匀、贵定、湄潭、普定、印江、石阡、凤冈、金沙、雷山、黎平、花溪等地区。从全省空间布局上看,还停留在局部区域,还没充分利用贵州宜茶地的后备资源。
全国茶园生态适宜性研究取得了大量成果[2-7],主要从地质、地貌、土壤以及气候等方面进行综合分析和研究,作出了局部区域或单一品种茶树的茶园生态适宜性评价,而针对省级层面的茶园适宜性研究较少,文章中还根据贵州喀斯特空间分布特征作出了评价方案的调整,使之更加符合贵州的实际情况。
在土地适宜性评价过程中,为了满足评价结果的客观真实,土地利用现状多通过遥感数据及部分第二次土地调查成果数据获取。遥感数据客观真实的再现地表信息,具有现势性强,性价比高的特点,多应用于资源环境现状调查和动态监测等领域。在项目研究过程中,以中巴资源卫星CBERS-02星数据为土地利用现状的遥感调查数据源,该数据成像时间2009年2~10月。
CBERS-02星数据以ERDAD9.1遥感图像处理软件为技术平台,通过波段组合合成标准假彩色影像;以1∶5万地形图为参考选择地面控制点,运用3次多项式实现几何精校正,校正误差控制在亚像元内;通过野外调查,选择训练样地,建立分类标志,进行最大似然法监督分类;再结合迭代法非监督分类结果,经过室内人机交互目视判读提取土地利用现状成果。
在评价过程中,以土地利用现状为基础,从适合茶叶种植的土地利用类型为切入点进行土地适宜性的初步选择和评价[2]:
(1)从实用角度分析,城镇建设用地、农村居民点用地、独立工矿用地、交通用地、水域 (河流、水库、坑塘水面)不能进行茶叶种植;
(2)从经济成本角度分析,水田、经果林地及裸岩石砾地不适宜种植茶叶;
(3)从生态角度分析,有林地不适宜种植茶叶;
(4)适宜种植茶叶的土地类型为旱地、灌木林地及草地等类型;
通过GIS的数据查询、检索及管理等功能,查找出适宜茶叶种植的区域。
贵州出露的喀斯特区域分布广泛,占国土面积的61.92%。喀斯特区域土层相对瘠薄、水土流失严重、土壤保墒能力差以及土壤酸碱度等原因造成该区域不适宜种植茶叶。项目主要通过矢量化贵州省水文地质图 (1∶20万)提取非喀斯特区域作为茶园建设的一个前提条件,而把出露的喀斯特区域视为不适宜茶叶种植的范围。以下评价工作均在非喀斯特范围内进行。
表1 土地利用类型与茶叶种植适宜性
结合资料收集、专家咨询和归纳分析发现贵州茶叶品种多为喜温、喜湿、喜漫射光、酸性土壤多年生亚热带经济作物,其主要种植限制因子有海拔、坡度、坡向、太阳辐射总量——光照率、≥10℃积温、年均降雨量和空气相对湿度、土壤pH值等[2,4-5]。因此,在评价过程中主要选择以上环境因子作为茶园基地适宜性的评价因子。
项目研究过程中以Arcview3.3及ArcGIS9.3为技术平台,通过地形地貌条件 (地势图、坡度图、坡向图)、气候条件 (年均太阳辐射总量分布图、年均≥10℃积温分布图、年均降水量分布图、空气相对湿度分布图)、土壤条件 (土壤pH值分布图)、茶叶种植现状分布图等专题地图。
茶树喜温暖,它的年生育周期的长短,主要由温度条件所支配。当日平均温度稳定在10℃以上,茶芽开始萌动逐渐伸展。年生长周期需要≥10℃以上积温在4 000℃以上,在4 500~5 000℃非常适宜。在水分配合下,积温越高,对生育越有利,萌发轮次和采摘批次越多,产量也就越高。低于这个有效积温,茶树生育就要受到影响。茶树生育要求年均气温在14~28℃之间。生长季节以15~23℃为适宜。日均温度在15~30℃的范围内,15~20℃生长旺盛,20~30℃生长最快,但芽叶易粗老。气温高于30℃时,茶叶生长缓慢。制约茶树生存的是极端最低气温和极端最高气温。根据贵州各地的记载资料,一般大叶种能忍耐-5℃,中小叶能忍受-8~-7℃的低温,当极端气温超过时茶树就受冻害。极端最高气温超过35℃且持续数日,茶树生育就受到影响[11]。
在土地评价过程中,评价因子又称限制因子,合理的确定土地资源的评价因子,选择评价指标,是土地资源评价的核心。限制茶叶生长的主要有地貌、气候条件因子及土壤因子,其中地貌主要有海拔、坡度、坡向等因素;气候条件主要有光、热、温度、降水条件及空气相对湿度等因素;土壤条件主要包括土壤pH值。
(1)海拔。贵州地势起伏较大、垂直方向气候差异明显,海拔最高处和最低处年均气温相差12℃左右、年总积温相差6 000℃左右。根据《贵州省种植业区划》,贵州省全省各地区均有茶园分布,其中优质茶叶多分布于800~1 500m的区域。
(2)坡度。贵州省平均坡度为17.78°。在贵州山区,地表坡度主要影响茶树种植适宜地的土层厚度、水分含量、营养元素和水土流失等。
(3)坡向。坡向通过影响光照和水分等来影响茶树生长和茶叶质量。贵州茶叶为绿茶,茎干短矮、叶面缩小,荫性较差,需光量较多。GIS坡向表达以正北0°开始,沿着顺时针方向移动,回到正北以360°结束。仅就坡向而言,土地资源不存在某个坡向不适宜茶树种植。
(4)≥10℃积温。贵州气候资源较好,省内热量丰富,大部分地区年平均气温在14~16°C,全年≥10°C 积温4 000~5 000°C(4 500~5 000°C 最适宜茶树生长)[9],最冷月 (1月)为4~6°C,最热月 (7月)为26°C左右,极端最低温-6°C,极端最高温34~38°C,持续时间短,出现频率低。
(5)年均降水量。贵州雨量充沛,雨日多,变幅小。省内大部分地区降水都在1 100~1 300mm之间,多的为1 600mm以上,茶树生长的4~10月总降水量占全年80%以上,月降水100mm以上的月份普遍超过5个月。降水强度小,全年降水日数一般170~200天,因而空气湿润,相对湿度大。降雨较多的季节,又是温度较高的季节,这种雨热同季、水分供应良好的状况,为茶树内在品质的形成提供了有利条件。
(6)光照对数。光照对茶叶质量具有重要作用。贵州是全国日照最少的省份之一,大部分地区日照对数为1 100~1 400小时,日照率30%,日照率高的7、8月为45%~50%,比一般省内低10%以上,省内常出现多云间晴天或多云间阴天天气,光照中散射光漫射光多,这对耐阴的茶树更为有效地利用光波较短的蓝紫光和紫外线,增加叶子的叶绿素,提高氨基酸含量,促进茶叶物质积累和芳香物质的形成,增进茶叶品质[9]。
(7)空气相对湿度。空气相对湿度是空气中的水汽压和相同温度下饱和水汽压的百分比,它与空气水汽含量成正比,与空气温度成反比,主要影响茶叶质量。
(8)土壤pH值。茶树是适于酸性土壤的深根植物,对土壤的酸碱度很敏感,一般pH值为4.5~6.0的酸性和微酸性土中,生长良好,pH值以4.5~5.5最为适宜,当pH值低于4或高于6.5时,茶树生长逐渐停滞[11]。由于茶树根系强大,主根入土可达1.5m以上,侧根和吸收根分布稠密,因此种茶土壤要求土层深度在1m以上,质地要求疏松,底土无硬盘层,地下水位低,排水良好,坡度适中,有机质不低于1.5%,活性钙不超过0.05%。
(1)地貌因子生成。茶叶土地适宜性评价各因子是在基于GIS和DEM(数字高程模型)完成的。由1:50万国家基本比例尺地形图数字化建立的DEM数据,栅格的水平分辨率为25m,数据采用北京1954坐标系、krasovsky椭球体和6度分带的高斯—克吕格投影。最后运用GIS表面分析功能生成地势图、坡度图和坡向图。
贵州地势起伏较大、垂直气候差异明显,海拔最高处和最低处年均气温相差12℃左右、年总积温相差6 000℃左右。根据《贵州省种植业区划》,贵州省全省各地区均有茶园分布,其中优质茶叶多分布于800~1 500m的区域。评价模型确定海拔800~1 400m为区域非常适宜地,1 400~1 500m及700~800m区域为适宜地,500~700m区域为比较适宜地,<500m或>1 500m的区域为不适宜地 (表2)。
贵州省平均坡度为17.78°[8]。在贵州山区,地表坡度主要影响茶树种植适宜地的土层厚度、水分含量、营养元素和水土流失等。研究过程中把坡度15~25°的区域为非常适宜的,25~35°的区域为适宜地,6~15°的区域为比较适宜地,6°以下及35°以上的区域为不适宜地 (表2)。
坡向通过影响光照和水分等来影响茶树生长和茶叶质量。贵州茶叶为绿茶,茎干短矮、叶面缩小,荫性较差,需光量较多。GIS坡向表达以正北为0°开始,沿着顺时针方向移动,回到正北以360°结束。就坡向而言,没有哪一个方向不适宜种植茶叶的,因此结合野外调查,确定坡向45~135°的区域为非常适宜地,0~45°及135~180°的区域为适宜地,180~360°的区域为比较适宜地。
表2 贵州茶园基地土地适宜性评价因子分级
(2)气候因子。≥10℃积温:贵州气候资源较好,省内热量丰富,大部分地区年平均气温在14~16℃,全年≥10℃积温4 000~5 000℃,最冷月 (1月)为4~6℃,最热月 (7月)为26℃左右,极端最低温~60℃,极端最高温34~38℃,持续时间短,出现频率低,对茶树生长极为有利。贵州茶叶适宜的≥10℃积温范围为2 000~6 000℃,根据相关资料和研究[9],确定≥10℃积温4 000~5 000℃的区域为非常适宜地;≥10℃积温5 000~6 000℃或3 000~4 000℃的区域为适宜地;≥10℃积温2 000~3 000℃的区域为比较适宜地;≥10℃积温<2 000℃或>6 000℃的区域为不适宜地 (表2)。
年均降水量:贵州雨量充沛,雨日多,变幅小。省内大部分地区降水都在1 100~1 300mm之间,多的为1 600mm以上,茶树生长的4~10月总降水量占全年80%以上,月降雨100mm以上的月份普遍超过5个月。降水强度小,全年降水日数一般170~200天,因而空气湿润,相对湿度大。降雨较多的季节,又是温度较高的季节,这种雨热同季、水分供应良好的状况,为茶树内在品质的形成提供了有利条件。根据茶叶生长中所需降雨量,确定年均降雨量>1 400mm的区域为非常适宜地;年均降雨量1 200~1 400 mm的区域为适宜地;年均降雨量1 000~1 200mm的区域为比较适宜地;年均降雨量<1 000mm为不适宜地 (表2)。
光照率:光照对茶叶质量具有重要作用。贵州是全国日照最少的省份之一,大部分地区日照时数为1 100~1 400小时,日照率30%,日照率高的7~8月为45% ~50%,比一般省内低10%以上,省内常出现多云间晴天或多云间阴天天气,光照中散射光漫射光多,这对耐阴的茶树更为有效地利用光波较短的蓝紫光和紫外线,增强光合作用,促进茶叶物质积累和芳香物质的形成,增进茶叶品质。根据茶叶对光照的需求情况,研究过程确定日照时数为1 200~1 300小时的区域为非常适宜地,日照时数<1 100小时的区域为适宜地,日照时数为1 300~1 500小时的区域为比较适宜地,日照对数>1 500小时的区域为不适宜地 (表2)。
空气相对湿度:空气相对湿度是空气中的水汽压和相同温度下饱和水汽压的百分比,它与空气水汽含量成正比,与空气温度成反比,主要影响茶叶质量。确定空气相对湿度为60%~85%的区域为非常适宜地,空气相对湿度为85%~90%或50%~60%的区域为适宜地,空气相对湿度为40%~50%的区域为比较适宜地,90%以上及40%以下为不适宜地 (表2)。
(3)土壤因子。土壤pH值:茶树是适于酸性土壤的深根植物,对土壤的酸碱度很敏感,一般pH值为4.5~6.0的酸性和微酸性土中,生长良好,pH值以4.5~5.5最为适宜,当pH值低于4.0或高于6.5时,茶树生长逐渐停滞。由于茶树根系强大,主根入土可达1.5m以上,侧根和吸收根分布稠密,因此种茶土壤要求土层深度在1m以上,质地要求疏松,底土无硬盘层,地下水位低,排水良好,坡度适中,有机质不低于1.5%,活性钙不超过0.05%。根据《贵州省种植业区划》及农业部无公害茶园土壤环境质量标准规定,茶树种植适宜地土壤pH值介于4.0~6.5之间。确定土壤pH值在4.5~5.5的区域为非常适宜地,pH值在5.5~6.5的区域为适宜地,pH值在4.0~4.5的区域为比较适宜地,pH>6.5或pH<4.0的区域为不适宜地 (表2)。
建立评价因子数据库是实现贵州茶园基地适宜性评价的重要基础工作。根据评价因子选择结果,评价因子数据库包括基础信息和专题信息两个模块,其中基础信息模块存储交通、水系、行政界线、政府驻地等;专题信息模块存储土地利用现状分布图,海拔、坡度、坡向、土壤pH值、≥10℃积温、年均降水量、空气相对湿度及光照的评价因子专题图等。
空间数据格式包括矢量数据和栅格数据两种类型;主要数据源有调查统计数据、CBERS-02星遥感影像数纸质地图。调查统计数据运用ArcGIS9.3内插生成连续数据、国家基础地理信息数据 (1∶50万DEM数据及河流、行政区等)及传统矢量数据;CBERS-02星遥感影像数据运用ERDAS9.1提取土地利用现状等相关信息;传统纸质地图运用Arcview3.3扫描矢量化,如土壤pH值、≥10℃积温、年均降水量、空气相对湿度及光照等;根据国家基础地理信息数据生成的DEM数据生成地势图、坡度图和坡向图。
图1 评价因子数据库建立技术路线
由于各评价因子对茶叶生长的作用程度不同,导致各因子所处地位有所差异。因此,为了保证评价模型的相对客观性和可靠性,评价过程中应当给予各评价因子赋予相应权重。确定评价因子权重的方法主要有层次分析法、回归分析法、特尔斐法和灰色关联度法等。评价过程中参考如下权重计算公式,主要是通过专家打分确定各因子权重。
表3 评价因子权重确定及专家打分
式中,w为评价因子权重,xi为评价因子i对茶种植适宜地的相对重要性,n为参加打分的专家人数。专家打分调查表如表3所示。
以上作为评价因子i对茶树种植适宜地的相对重要性,当评价因子i对茶树种植适宜地为绝对重要时,取值10;当评价因子i对茶树种植适宜地为明显重要时,取值7.5;当评价因子i对茶树种植适宜地为比较重要时,取值5;当评价因子i对茶树种植适宜地为同等重要时,取值2.5;当评价因子i对茶树种植适宜地为不很重要时,取值0。通过专家打分,运用公式 (1)计算,得到各评价因子权重如表3所示。
GIS支持下土地适宜性评价是GIS在土地资源领域的重要应用方面。鉴于空间数据格式不同,土地适宜性评价有基于矢量数据和基于栅格数据的两种方法。矢量数据对于表达海拔、坡度、年均降雨量等连续变化空间现象并不理想[2]。栅格数据不仅便于连续空间现象表达,而且便于实现各种模型分析。在评价过程中选用基于栅格数据的叠加分析方法,将相同比例尺、相同投影坐标系统、相同栅格单元大小的各评价因子栅格数据叠加在一起,以各栅格单元为评价基本单元,通过模型运算生成评价结果 (图2)。基于栅格数据的叠加分析方法生成的结果图层,完全保留参加运算的各因子数据的属性信息,其空间位置精度则同栅格单元大小密切联系,栅格单元越小空间位置精度越高。但是,如果栅格单元太小,空间数据量增大,反而影响模型运算效率。另外,如果参加运算的各因子数据的属性信息单位不统一,评价结果的可靠性也会受到一定影响。基于此,结合成图精度要求,将各评价因子数据转换为50m×50m的栅格数据,并用ArcGIS9.3把各评价因子非常适宜地属性数据替换为100、适宜地替换为75、比较适宜地替换为50、不适宜地替换为25,以完成数据无量纲化处理。各评价因子无量纲化处理结果如表4所示。
图2 栅格数据叠加分析
在评价过程中,选用加权指数和模型对贵州茶园基地适宜性划分结果进行评价。评价模型表达如公式 (2)所示:
表4 土地适宜性评价因子无量纲化分级
其中,Scorej为第j个评价单位的加权指数和,即评分得分值,Vi为该评价单元第i个评价因子经过无量纲化处理后的属性数值,Wi为该评价单元第i个评价因子的权重值。
贵州茶园基地土地适宜性评价算法:评价单元综合值 (Eveluation)=海拔×0.18+坡度×0.08+坡向 ×0.11+土壤 pH 值 ×0.21+≥10℃积温 ×0.08+年均降水量 ×0.09+空气相对湿度 ×0.12+光照×0.13。
根据贵州省茶园种植基地适宜性评价成果图及相关统计数据分析,贵州省范围内适宜种植茶叶的面积为3.241 7万km2,占国土面积的18.40%(表5),表明贵州适宜茶叶种植区域较广 (图3),具有发展茶产业的巨大潜力和优势。其中非常适宜种植茶叶的区域面积为1.061 8万km2,占国土面积的6.03%,主要分布于雷山、丹寨、黎平、天柱、剑河、锦屏、黄平、三都、瓮安、都匀、贵定、印江、松桃、湄潭、凤岗、德江、普定、贞丰、安龙、六枝等区域,除东部区域较为集中连片,其他区域受喀斯特分布的控制,呈现带状、点状分布,根据实际情况可作重点区域布局;适宜种植茶叶的区域面积为1.155 4万km2,占国土面积的6.56%,除威宁、盘县、赫章、纳雍、赤水等区域分布较少外,其他区域均有分布,其中黔东南、瓮安、余庆、石阡、松桃、万山等区域较为集中连片,可发展规模化种植;比较适宜种植茶叶的区域面积为1.024 5万km2,占国土面积的5.81%,主要分布于黔北、黔西北、六盘水以及黔西南等区域,且分布斑块面积较大,适宜集中连片种植;不适宜种植茶叶的区域面积为14.373 5万km2,占国土面积的81.60%,区域喀斯特强烈发育,石漠化严重,主要分布于贵州西部、黔南以及黔北地区。
图3 贵州茶园基地土地适宜性评价
(1)该研究通过野外典型茶园地调查、资料收集以及专家咨询等相关工作建立土地利用、喀斯特与非喀斯特空间分布、地形地貌、气候条件以及土壤条件等限制因子的属性和空间数据库,应用GIS空间叠加分析模块得出比较客观和科学的茶叶种植土地适宜性评价结果,在省级评价层面上获得较好的效果;但在进行县级评价过程中,由于气候评价因子难以获得 (每个县域内一般只有一至两个气候监测站点),不能客观的反映全县的实际气候状况,因此在今后进行的县域范围的评价时需进行气候因子的补点监测;另外,茶叶品质与茶叶种植区的土壤重金属本底值有着密切联系,在进行具体的茶园地适宜性评价和建设过程中需布点测试重金属含量。因此在县级层面的评价过程中需通过实际环境条件的监测与评价相结合的方式,方能获得较为客观的县域茶叶种植的适宜区域。
(2)贵州适宜茶叶种植的区域面积较大,高达3.241 7万km2,占贵州省国土面积的18.40%,表明贵州适宜茶叶种植区域较广,具有发展茶产业的巨大潜力和优势,在全国具有相当影响,但当前与全国发展情况一样,面临现存茶园规模小、茶园基础条件差、茶树老化、产出水平低、组织化程度低、离现代化差距大[10-11]的特点,因此,该评价结果将为政府相关部门提供科学决策并为大力发展贵州茶产业找寻可操作的土地后备资源。
(3)研究过程根据贵州土地资源的实际情况,将旱地、灌木林地及草地以外的土地利用类型以及喀斯特区域进行了屏蔽,不参与评价,提高了科学性和实用性。
(4)在贵州区域内,土壤pH值、海拔、坡向、空气相对湿度以及日照对数是茶叶生长过程中重要的环境因子。
(5)GIS技术具有强大的数据管理和空间分析功能,为贵州省县域茶产业以及其他生态种植产业发展项目的土地潜力分析提供了最关键的技术支持,操作简便,通过图形表达运算结果,使其更加科学和直观。
表5 贵州茶园基地土地适宜性评价结果
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