湖北省蕲艾气候品质评价方法

李海燕，刘志雄

（1.湖北省黄冈市气象局，湖北 黄冈 438000；2.武汉区域气候中心，武汉 430000）

蕲艾是艾草的一种，属桔梗目菊科蒿属多年生草本或略呈半灌木状植物，为中草药，湖北省黄冈市蕲春县特产，中国国家地理标志产品。蕲艾是《湖北省农业发展“十三五”规划纲要》打造的两个省级核心大品牌之一，是湖北省政府和黄冈市委市政府2018—2020 年重点发展的支柱产业和打造的品牌以及精准扶贫项目，黄冈市政府2018 年2 月2 日发布黄政办发〔2018〕7 号文件《市人民政府办公室关于加快发展蕲艾产业的意见》，明确提出黄冈市要打造100 亿蕲艾产业目标。蕲艾在蕲春县大面积种植，迅速成为该地区的优质特色产业，产生了较高的经济和社会效益。蕲春县位于湖北省东部、大别山南麓、长江中游北岸，境内海拔12.0～1 244.1 m，属亚热带大陆季风气候，雨量充沛，气候温和，四季分明，日照时间长，昼夜温差大，土壤类型多为红壤、潮土和黄棕壤，独特的地质、地理和气候条件，造就了生长在该地区的蕲艾挥发油、总黄酮和燃烧值均较其他地区的高［1-3］，蕲春县因此成为湖北省乃至全国的高品质艾（蕲艾）种植基地。

随着全国各地开始探索实践农产品气候品质认证工作，在突出地区特色、增强气象为“三农”服务的基础上，浙江、江西、黑龙江等地区开展了茶叶、脐橙、大豆等农产品的气候品质认证工作［4-6］，青海、甘肃、新疆等地区开展了枸杞、黄芪、红枣等中药材类的农产品气候品质认证［7-9］，均取得了良好的社会和经济效益。艾草品质受气候条件影响明显，国内大多数地区都有艾草种植，因地区气候条件的差异，不同产区的艾草在挥发油、总黄酮、鞣酸含量等方面有较大差异，其中以湖北省蕲春县所产的艾草为最佳［10-12］，但艾草气候品质认证方面的相关研究尚未见报道。开展蕲艾气候品质认证不仅可以为蕲艾产业发展提供更精细化、科学化的气象服务支撑，还可为蕲艾赋予更具特色的地域属性。以湖北省蕲艾为研究对象，利用熵权法、专家评判法和加权指数求和法，通过综合评估各环境气候要素在蕲艾生长发育阶段对其品质的影响，建立蕲艾气候品质认证模型，确定气候评价等级标准，利用同期各环境气候要素实现对蕲艾品质优劣等级的评定，一方面可以提高蕲艾销售的附加值，为消费者购买提供参考，另一方面，可为其他中药材气候品质认证提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蕲春县位于湖北省东南部，东临长江，北接大别山，属于典型的亚热带大陆季风气候，年平均气温17.7 ℃，日照时数1 906.8 h，年降水量1 420.6 mm，无霜期268.6 d。山地植被较好、干旱发生较少、日照充足、昼夜温差大、无霜期长等环境条件是蕲春县发展中药材种植的优势气候资源。

1.2 气象数据

1981—2020 年蕲春国家气象站（北纬30°14'、东经115°28'，海拔高度71.7 m）观测资料，包括逐日和逐月平均气温、最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、日照时数、平均风速、蒸发量等；蕲春区域自动气象观测站2011—2020 年逐日和逐月平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均风速等观测资料；ERA5-Land 陆面高分辨率再分析资料1981—2020年逐小时2 m 温度、2 m 相对湿度、降水量、10 m 风速等，空间分辨率0.1°×0.1°，数据来源于欧洲中期天气预报中心。

1.3 研究方法

1.3.1 蕲艾取样及测定方法 蕲艾样本为2022 年6月3 日正午采于蕲春县漕河镇蕲春国家气象观测站蕲艾试验地，置于室内自然阴干，除去杂质。总挥发油及挥发性成分含量测定参照2020 年版《中华人民共和国药典（四部）》通则2204“挥发油测定法”测定挥发油含量，并运用ThermoFisher Trace1310 型气相色谱质谱联用仪测定艾叶挥发油中桉油精、侧柏酮、樟脑的含量［13，14］，用紫外分光光度法测定艾叶总黄酮含量［15］。

1.3.2 统计分析 采用SPSS 25.0 软件对蕲艾各物候期的气象要素和品质数据进行处理和分析；利用熵权法、专家评判法对各因子权重进行赋值，采用加权指数求和法构建蕲艾气候品质评价模型。

2 结果与分析

2.1 蕲艾品质指标认证技术

蕲艾品质等级根据蕲艾的形、味两个方面确定。参考T/HBAS 002—2018《蕲艾叶》、T/HBAS 012—2019《蕲艾精油》和DB42/T 1524—2019《蕲艾绒分级质量标准》，结合1988 年以来已测定得到的蕲艾有效成分，将蕲艾按外观和理化等级指标分为特优、优、一般3 个等级，详见表1。

表1 蕲艾品质分级

2.2 指标选取与模型构建

蕲艾极易繁衍生长，对气候和土壤的适应性较强，耐寒耐旱。蕲艾品质的形成主要取决于独特的自然生态环境、气候条件，综合考虑影响蕲艾生长的区域气候适宜性、生长期气候条件及生产管理措施，建立蕲艾气候品质评价模型，见式（1）。

式中，W表示认证得分，W≥90 分为特优，80 分≤W＜90 分为优，W＜80 分为一般。a、b、c为相应的权重，由专家评判法得出，a=0.41，b=0.48，c=0.11。X1代表蕲艾区域气候适宜性指标得分；X2代表当年蕲艾生长期气象条件得分，X2=α-β，α表示主要气候资源情况，β表示主要农业气象灾害情况；X3代表蕲艾种植生产管理措施得分。

2.2.1 区域气候适宜性指标 为了提高数据的准确性，选取基于气候模式和卫星遥感数据的再分析数据。大气再分析数据同化了大量卫星资料以及地面和高空等常规观测资料，与传统实测数据相比，具有时间序列长、覆盖面广、分辨率高、不受地形地貌条件限制等特点。源于欧洲中期天气预报中心的ERA5-Land 是应用较为广泛的再分析数据集。鉴于蕲春县区域气象站布局有限，为使气候区划更为精细，引入ERA5-Land 再分析资料。

温、光、水、海拔和土壤酸碱性是影响蕲艾品质的主要因素，生长旺盛期的平均气温、积温和日较差不仅影响蕲艾的生育进程，还影响蕲艾产量和品质的形成，经咨询专家和查阅文献资料［11］后，选取蕲艾生长旺盛期（3 月1 日至5 月31 日）的平均气温、气温日较差、≥10 ℃的有效积温、降水量、日照时数以及蕲艾种植海拔高度、土壤pH 作为蕲艾气候适宜性区划指标（表2），划分为适宜区、较适宜区、不适宜区，分别评分为100、90、80 分。利用熵权法计算各指标权重，加权指数求和法构建蕲艾气候适宜性评价模型。

表2 蕲春县蕲艾生态适宜性指标

式中，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7分别为蕲艾种植海拔高度、土壤pH 和3 月1 日至5 月31 日的平均气温、气温日较差、≥10 ℃的有效积温、降水量、日照时数等级评分，权重依次为0.142、0.070、0.122、0.117、0.113、0.136、0.300。

蕲艾生长旺盛期内平均气温≥17.5 ℃、≥10 ℃的有效积温≥740 ℃·d、平均气温日较差≥8.5 ℃时，利于蕲艾植株生长及品质的形成；日照时数≤450 h、降水量≤400 mm 时，有利于蕲艾挥发性物质含量的提升。蕲艾适生于偏酸性和中性土壤，这类土壤环境对蕲艾挥发油的含量没有明显影响，但与总黄酮、鞣质含量呈显著正相关，土壤越接近中性，越利于总黄酮、鞣质含量的提升。蕲艾在蕲春县不同海拔高度均有分布，从不同海拔高度蕲艾取样测定结果来看，海拔高度对蕲艾挥发油含量影响不大，但与总黄酮、鞣质含量呈显著负相关，海拔400 m 以上的区域不适宜蕲艾大面积种植，适宜种植区在海拔200 m以下地区。

利用1981—2020 年蕲春国家气象观测站及ERA5-Land 陆面高分辨率再分析资料，2011—2020年蕲春县境内24 个区域自动气象站气温、降水、日照等资料，结合蕲春县各地海拔高度、土壤pH，进行蕲艾种植气候适宜性区划。由图1 可知，檀林、大同、狮子、株林四镇北部和张榜镇东部以及向桥、青石二镇的东偏南部不适宜蕲艾生长；檀林镇、大同镇、向桥镇大部分为蕲艾生长的不适宜区和较适宜区，除上述乡镇外，蕲春大部分乡镇为蕲艾生长的适宜区。

图1 蕲艾生长气候适宜性区划

2.2.2 生长期气象条件 蕲艾生长期气候条件包括气候资源及农业气象灾害2 个部分，按统计数据及经验估算，农业气象灾害影响程度占比为20%，气候资源占比为80%［16］。蕲艾移栽期12 月气温低于-3 ℃、遇连续阴雨时，影响根茎成活，平均最高气温以11～12 ℃为宜；生长期3—5 月通风透气、适宜温度为24～30 ℃，利于植株生长及挥发性物质的形成，如果气温过低则阻碍茎杆细胞分裂，不利于形成壮株，高温超过30 ℃时，叶子易枯黄；另一方面，在蕲艾成熟收获期（5 月下旬至6 月上旬），挥发性物质累积到峰值，日照时数以昼夜节律的形式影响艾叶挥发性物质的释放，日照时数越长，释放越多，挥发油含量越少；环境气象因子对蕲艾其他品质的影响主要表现为对总黄酮含量的直接作用，即移栽期（12月）相对湿度和生长期（5 月）气温日较差的负效应［17，18］。因此，通过文献调研和专家咨询，在蕲艾气候资源（α）的评价指标中考虑影响品质的主要气候因子，包括移栽期（12 月）平均最高气温（α1）、移栽期（12 月）相对湿度（α2），生长期（3 月）月平均风速（α3）、3 月≥10 ℃的有效积温（α4）、生长期（5 月）月平均风速（α5）、5 月气温日较差（α6），成熟期（5 月下旬至6 月上旬）日照时数（α7）。根据主要气候因子对品质的影响程度，利用熵权法计算各指标权重，加权指数求和法构建蕲艾气候资源评价模型，等级划分为特优、优、一般，分别评分为100、90、80 分，评分算式见式（3）、评分标准见表3。

表3 气候资源评分标准

蕲春县艾草种植的主要农业气象灾害（β）包括移栽期和生长期连阴雨（7 d 以上连续阴雨）（β1）、生长期干旱（15 d 以上无降水）（β2）和高温（连续3 d日最高气温＞30 ℃）（β3）、成熟收获期冰雹（β4）和暴雨（β5），根据不同灾害影响程度分别赋予不同权重0.3、0.3、0.2、0.1、0.1。灾害总分值20 分，各农业气象灾害因子根据无灾害、轻微灾害、严重灾害分别评分为0、10、20 分。计算式如下。

2.2.3 生产管理措施 蕲艾的田间环境是蕲艾品质形成的先决条件，生产管理措施对提高艾草的质量具有重要意义。根据艾农实际管理情况，分为特优（100 分）、优（90 分）、一般（80 分）。评分算式如下。

式中，γ1表示产地环境严格按照DB42/T 925—2021《中药材：蕲艾生产技术规程》执行，权重0.4；γ2表示蕲春县已经形成了标准化生产技术规范，生产中严格按规范执行，权重0.4；γ3表示在生产中严格按照GB/T 8321《农药合理使用准则》（所有部分）、NY/T 496—2010《肥料合理使用准则 通则》及以施用农家肥、饼肥、厩肥为宜执行，权重0.2。

2.3 蕲艾气候品质等级评价

2.3.1 蕲艾气候品质评价体系 将2022 年试验点气象数据代入式（2）至式（5），再按式（1）判定等级。

2022 年3 月1 日至5 月31 日试验点蕲艾生长旺盛期平均气温为18.2 ℃、气温日较差为9.1 ℃、≥10 ℃的有效积温为760.5 ℃·d、降水量为474.3 mm、日照时数为444.1 h、海拔高度为71.7 m、土壤pH 为6.8，对照表3 标准对各指标进行等级评价，将结果代入式（2）得到试验点蕲艾气候适宜性综合评分，X1=97.0 分，为气候适宜区。2022 年试验点蕲艾移栽期上年12 月的月平均最高气温为13.75 ℃、相对湿度为69.14%，生长期（3 月和5 月）的月平均风速分别为2.3、1.6 m/s，3 月≥10 ℃的有效积温为161.8 ℃·d，5 月气温日较差为8.7 ℃，成熟期（5 月下旬至6 月上旬）日照时数为73.43 h，综合评分α=76.8 分；2022 年试验田蕲艾移栽期未出现7 d 以上连续阴雨，但在生长期（3 月）出现了连阴雨导致轻微灾害，生长期均未出现干旱和高温，成熟收获期也未出现冰雹，但出现了1 次暴雨造成轻微灾害，农业气象灾害综合评分β=0.8 分，故X2=76.0 分；试验田蕲艾种植过程严格按照相关标准执行，以施用农家肥为主，病虫害防治以生物防治为主，在田间安装太阳能杀虫灯、安插可降解诱虫板（黄板、蓝板），故试验田蕲艾种植管理条件得分X3=100.0 分。将X1、X2、X3代入式（1）得到W=87.25 分，即气候品质评价体系认证试验田蕲艾气候品质为“优”。

根据以上研究，综合考虑区域气候适宜性、生育期气候条件及生产管理措施关键因子对蕲艾气候品质的影响，根据构建的蕲艾气候品质评价模型，在ArcGIS 软件中将各关键因子的评分栅格图进行计算迭加，最终得到2022 年蕲春县蕲艾气候品质评分分布情况（图2）。由图2 可以看到，≥90 分（“特优”等级）区域主要分布在蕲春县彭思镇、八里湖农场和赤东镇，蕲春县中东部大多乡镇蕲艾品质为“优”等级，这与蕲艾实际生产品质基本一致。

图2 2022 年蕲春县蕲艾气候品质评分分布

2.3.2 蕲艾气候品质指标评价模型 将蕲艾品质关键指标与其整个生育期的温、光、水、风、蒸发量等环境气象因子进行相关性分析、显著性检验和关联度分析，找出显著影响蕲艾品质的关键环境气象因子，并建立蕲艾品质指标评价模型［19］。

式中，Y1、Y2、Y3分别表示蕲艾挥发油、总黄酮、桉油精含量；Tm_12 为12 月平均最高气温；Ti_3 和Ti_5 为3 月、5 月平均最低气温；Tc_4 和Tc_5 为4 月、5月平均气温日较差；S_6 为6 月日照时数；RH_12 为12 月相对湿度。将2022 年蕲春国家气象观测站实际观测数据代入方程组，结合表1 得到Y1=1.73，为“特优”；Y2=11.36，为“特优”；Y3=6.77，为“一般”；试验点蕲艾植株普遍高度为1.0～1.5 m，为“优”，按照表1 标准，蕲艾品质指标评价模型认证2022 年试验田蕲艾气候品质为“优”。

2.3.3 2022 年试验田蕲艾实际检测品质 2022 年7月，蕲春县公共检测检验中心对试验点端午节当日12：00—14：00 采集的艾叶进行室内自然阴干，除去杂质，检测得到其挥发油含量为0.46%，总黄酮含量为9.5%，2022 年6 月初试验点蕲艾植株普遍高度为1.0～1.5 m、最高约1.8 m，结合表1，2022 年试验田蕲艾品质实际为“优”，与蕲艾气候品质认证技术及蕲艾品质指标评价模型结论一致。

综上所述，蕲艾气候品质评价体系及指标评价模型均可应用于蕲艾品质的认证，如将二者结合使用，更能精准评估蕲艾不同种植区的气候品质。

3 小结与讨论

蕲艾品质的形成和气象条件密切相关，本研究创新性提出了蕲艾气候品质概念，即气候条件对蕲艾品质的影响。在田间试验的基础上，耦合品质指标和同期气象数据，结合实际生产，明确提出了蕲艾气候品质指标为移栽期（12 月）平均最高气温和相对湿度，生长期（3 月和5 月）月平均风速、3 月≥10 ℃的有效积温、5 月气温日较差，成熟期（5 月下旬至6月上旬）日照时数。通过对蕲艾区域气候适应性区划、生长期气象条件、田间管理措施综合评分，对蕲艾气候品质进行评分定级，提出蕲艾气候品质认证技术，不仅提高了蕲艾的市场竞争力、拓宽了气象为特色农业服务领域，其成果还可为其他中药材开展气候品质认证提供参考。

蕲艾气候品质评价体系及指标评价模型均可应用于蕲艾气候品质的认证，如将二者结合，更能精准评估不同种植区的蕲艾气候品质。