基于GIS与主成分分析法的信阳市茶树种植用地适宜性评价

翟慧敏, 张子莺, 颜 伟, 周志远, 程启先, 张 倩

(1. 信阳师范学院 地理科学学院/河南省水土环境污染协同防治重点实验室， 河南 信阳 464000; 2. 东华理工大学 地球科学学院, 江西 南昌 330032)

0 引言

茶树属于亚热带常绿植物, 原产于我国西南地区, 也是我国最主要的饮料作物[1]。 茶树生态习性耐阴湿、喜漫射光,种植区大多为低山丘陵的红壤、黄棕壤区域, 品种主要为灌木型中小叶类、兼部分小乔木中大叶类[2]。 当前我国的茶叶主产区主要分为西南茶区、江南茶区、华南茶区以及江北茶区, 河南南部(信阳、南阳和驻马店)隶属于江北茶区, 茶树种植的自然禀赋优势突出且历史文化悠久, 茶产业已成为农业增收的区域性主导产业[3], 信阳茶区位于江北茶区的核心区域, 以出产“中国十大名茶”之一的信阳毛尖驰名中外, 信阳毛尖也成为我国茶产业的重要名片[4]。

已有研究主要集中于茶树的育种[5]、栽培[6]与评鉴[7]等方面, 茶树种植条件评价的研究则以气候[8]、土壤[9]与产量[10]等指标研究为主, 在利用GIS技术进行复合指标的研究方面, 杨洋等[11]运用气候、土壤、地形的自然条件与土地、距离等社会条件划分适宜性等级, 进行云南省茶树种植的适宜性评价; 金志凤等[12]运用气候、土壤和地形指标划分适宜性等级, 进行浙江省茶树栽培的适宜性区划。 上述文献中对省域尺度的茶树种植区进行适宜性用地质量评价研究, 能够为本研究提供较好参照, 但该研究存在以下问题: 一是城市、交通等社会条件指标,与茶树种植区用地质量的关系有待商榷；二是在具体的指标权重赋值方面, 主要运用德尔菲法和层次分析法等主观性较强的方法, 该部分内容的客观性与准确性有待讨论。

当前研究普遍对复合指标的茶树种植用地适宜性评价研究不够深入, 对于传统的茶叶优势产区信阳市而言, 进行茶树种植用地适宜性评价能够为城乡经济社会协调发展、合理统筹茶产业区域布局提供重要的引领作用。 本研究以信阳市为研究区域, 构建温度、降水、土壤、地势、地形的复合指标体系, 结合GIS与主成分分析法进行茶树用地适宜性评价与分区研究, 以期为信阳市茶产业的发展提供意见与建议, 并为其他茶树种植区用地适宜性评价的相关研究提供一定的参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

信阳市位于河南省南部、淮河上游, 地处东经113°45′—115°55′, 北纬31°23′—32°37′, 南北长约142 km, 东西宽约205 km, 下辖8县2区, 总面积约18 925 km2。 信阳市处于秦岭淮河线上, 是我国南北过渡带的核心区域, 气候、植被、土壤等自然地理条件均有着亚热带气候向暖温带气候过渡的双重特点。 信阳市春暖秋凉, 夏热冬寒, 四季分明; 历年平均降水量约为1000～1300 mm, 夏季降雨较多、春季与秋季次之, 冬季较少; 地势南高北低, 是岗川相间、形态多样的阶梯地貌; 信阳市是中国十大名茶“信阳毛尖”的产地, 分布近千家茶场以及茶产业相关企业[13]。

1.2 数据来源

本研究中所使用的数据包括气温、降水、土壤、地形和地势。 其中: 信阳气温、降水数据采用信阳市8县2区的10个气象站点的气象数据, 并采用克里金插值法处理; 信阳土壤数据采用信阳市第二次土壤普查的土壤数据; 信阳市各市区茶叶产量数据来源于信阳市统计局的2013—2017统计年鉴数据; 信阳地形、地势、植被数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心[14]。

2 茶叶种植区用地适宜性评价体系

本研究中的茶树种植区用地适宜性评价包括气温、降水、土壤、地势和地形共计5个目标层, 进而确定各准则层、指标层的具体内容, 结合相关参考文献构建茶叶种植区用地适宜性评价体系，结果如表1所示。

2.1 气温

气温目标层共有积温、均温和日照等3个准则层。 ①积温, 即10 ℃积温, 10 ℃积温是日均气温≥10 ℃的气温总和, 活动积温是茶叶生长的重要指标, 满足作物生长所需的热量。 ②均温包括年平均气温以及无霜期, 结合文献[15]的观点, 其中: 年平均气温是一年中各月平均气温的算术平均值, 反映区域内农作物生产所需的气温情况; 无霜期是一年中终霜至初霜的时间, 是农作物的生长期。 ③日照, 即年平均日照, 文献[16]指出, 年平均日照时数过长或过短都对茶叶生长有着不利影响, 日照时数过长会导致茶叶生长过快、芽尖变老, 降低品质, 反之会导致茶叶生长过慢、芽尖变少, 降低产量。

2.2 降水

降水目标层包括降雨和湿度等2个准则层。 ①降雨, 即年平均降雨量, 指多年降雨量的平均值, 降雨量能够满足茶叶生长的需求。 ②湿度, 即年平均湿度值, 文献[17]指出, 湿度越大、雾天越多, 对茶叶芽尖生长越为有利。

2.3 土壤

土壤目标层共有质地、肥力和酸碱度等3个准则层。 ①质地, 以卡庆斯基制土粒分级为基础, 结合文献[18]的观点, 将信阳市的土壤分为黏土、壤土、砂土。黏土非常适宜茶叶种植, 壤土适宜茶叶种植, 砂土比较适宜茶叶种植, 从土壤质地来说没有完全不适宜的土壤。 ②肥力和酸碱度以信阳市第三次土壤普查的土壤数据为基准, 通过对不同土壤类别的区划, 结合文献[19]的观点, 将信阳本地的黄褐土、红黏土、水稻土等11种土壤进行肥力、酸碱度的排序, 并根据其结果进行划分。肥力是指土壤的有机质含量, 有机质含量越高越利于茶叶生长; 酸碱度是指土壤的pH值, 茶叶种植需要弱酸性土壤, 强酸或碱性土壤均不适宜茶叶生长。

2.4 地势

地势目标层包括坡度和朝向等2个准则层。 ①地表坡度即地表与水平面的夹角度数, 文献[15]提出, 地表坡度过大或过小都不利于茶叶生产, 坡度过大不利于水肥保持, 反之不利于排水防涝。 ②地表朝向即以正南方向为基准所朝的方向, 文献[20]表明, 地表朝向影响日照与湿度, 从地表朝向来说没有完全不适宜的朝向。

2.5 地形

地形目标层包括高度和植被等2个准则层。 ①高度, 即海拔高度, 文献[20]指出, 海拔高度过高或过低都不利于茶叶生产, 海拔过高不利于温度, 反之不利于日照。 ②植被, 以地表植被覆盖率为准, 一般认为覆盖率越高越利于茶叶种植。

3 研究过程与结果

3.1 主因子叠加分析

主成分分析法是一种将众多具有相关性的指标通过正交变换重新组合成一组线性不相关的综合指标的方法, 转换后的这组综合指标即为主成分, 由此达到降维的目的[21]。 研究运用SPSS 23.0软件进行主成分分析的计算, 提取主成分特征值≥1.0的主成分(见表2)。

表2 特征值、贡献率、累积贡献率表Tab. 2 Eigenvalue, contribution rate and cumulative contribution rate

3.2 用地适宜性评价

本研究运用SPSS23.0的主成分分析法共提取了6个主因子, 上述因子累计解释75.24%的方差, 并结合各个主因子的变量特征进行命名和示意分析(见表3), 将主成分分析的结果数据导入GIS中获得主成分分析示意图(见图1)。

表3 主因子矩阵表Tab. 3 Main factors matrix

①第1主因子(质地、肥力、酸碱度因子): 该因子的特征值为3.23, 贡献率为24.84%, 与“土壤质地”“有机质含量”“酸碱度含量”等指标呈现显著相关。该因子概括为质地、肥力、酸碱度因子, 其数值较大的区域主要分布在信阳南部区域的低山丘陵区。②第2主因子(降雨与湿度): 该因子的特征值为1.98, 贡献率为15.21%, 与“年平均降雨量”“年平均湿度”等指标呈现显著相关。该因子概括为降雨与湿度因子, 其数值较大的区域主要分布在信阳东部和中南部的平原区。③第3主因子(海拔与坡度因子): 该因子的特征值为1.38, 贡献率为10.59%, 与“地表坡度”、“海拔高度”等指标呈现显著相关。该因子概括为海拔与坡度因子, 其数值较大的区域主要分布在信阳西部和南部的山地区域。④第4主因子(植被与积温、日照因子): 该因子的特征值为1.20, 贡献率为9.26%, 与“植被覆盖率”“年平均日照时数”“10 ℃积温”等指标呈现显著相关。该因子概括为植被与积温、日照因子, 其数值较大的区域主要分布在信阳西部与东部的两侧区域。⑤第5主因子(均温因子): 该因子的特征值为1.02, 贡献率为7.75%, 与“年平均气温”、“无霜期”等指标呈现显著相关。该因子概括为均温因子, 其数值较大的区域主要分布在信阳北部与南部的部分区域。⑥第6主因子(坡向因子): 该因子的特征值为1.00, 贡献率为7.60%, 与“地表朝向”等指标呈现显著相关。该因子概括为坡向因子, 其数值较大的区域主要分布在信阳市的坡地区域。

(a)质地、肥力、酸碱度因子 (b)降雨与温度因子 (c)海拔与坡度因子

(d)植被与积温因子 (e)均温因子 (f)坡向因子

3.3 适宜性分区结果

将主成分分析中的方差贡献率作为因子权重, 结合各因子评价值进行权重赋值的叠加分析, 即得到茶树种植区用地适宜性评价结果。本研究结合信阳市的实际情况, 将信阳市茶树种植区分为4类用地分区, 即: 适宜区、基本适宜区、基本不适宜区、不适宜区(见图2)。

(1) 适宜区: 分布在信阳南部区域, 主要分布在桐柏山、大别山的山坡及山麓区域，包括浉河区、新县、商城县, 以及罗山县、光山县、固始县的部分区域, 面积约为4 401.80 km2, 占总区域的23.27%。该区域属于信阳毛尖传统优势产区, 地形起伏较大、人口密度较小, 土壤、降水、海拔等条件适宜茶叶种植活动的开展。该区域应当充分发挥茶叶主产区的优势, 利用低山丘陵等区域进行茶园的培育与拓展, 提高产品的质量与产量, 着重培育信阳毛尖的知名度, 并注意开展保土保肥工作, 避免过度开发对土壤生产力的不利影响。

(2) 基本适宜区: 分布在信阳中部、东部区域, 主要分布在平原、丘陵区域，包括光山县、固始县, 以及罗山县、淮滨县、息县的部分区域, 面积约为5 842.14 km2, 占总研究区域的30.88%。该区域属于信阳毛尖的新兴产茶区, 多与最适宜种植区相连, 地形起伏不大、人口密度较大, 降水、日照等条件适宜茶叶种植活动的开展, 并且用地开发的潜力大。该区域应当妥善协调茶叶种植与粮食种植的关系, 利用低山丘陵区开展茶叶种植活动, 并且要注重茶园梯田的水土保持工作, 将茶叶产业与旅游产业相结合, 开展特色的茶叶旅游活动。

(3) 基本不适宜区: 分布在信阳市中部、北部区域, 主要分布在平原区域，包括息县、潢川县, 以及淮滨县、罗山县、平桥区的部分区域, 面积约为7 427.65 km2, 占总区域的39.27%。该区域属于信阳粮食的主产区, 地形起伏较小、人口密度较大, 该区域的农业总产值占到了全市的51.04%。这些区域的茶园分布零散, 应当适度开展茶叶种植活动, 着重提高茶园的品质与档次, 开展高品质的茶叶展销活动。

(4) 不适宜区: 分布在信阳市西部、北部区域, 主要分布在河谷区域，包括平桥区、罗山县、息县、潢川县的部分区域, 面积约为1 244.40 km2, 占总区域的6.58%。该区域属于信阳市人口较为稠密的区域或信阳粮食的主产区, 地形起伏最小、人口密度较大, 该区域的人口总量占到了全市的40.45%。这些区域主要为基本农田, 应当因地制宜开展水田、旱田等其他农作物的种植, 提高粮食产量、保障粮食安全, 适当减少茶叶种植活动的开展, 仅在不适宜粮食种植的区域, 如在土壤贫瘠、且易受侵蚀的低山丘陵区适度开展茶叶种植活动。

图2 信阳市茶叶种植区用地适宜性评价用地分区图Fig. 2 Zoning map for land suitability assessment of tea planting area in Xinyang City

3.4 结果验证与分析

根据适宜性分区结果统计出信阳各区县4类用地分区面积，结果见图3。

图3 适宜性等级评价结果Fig. 3 Evaluation results of land suitability grade

由图3可以看出，适宜区主要分布在信阳的商城、新县，土地利用类型主要为大别山山坡和山麓的林地, 其具有海拔适中、土壤弱酸性、降水充沛、日照充足等条件, 也较适宜茶树生长和生产活动的开展。 因此可以得出本研究具有较强的可信度: 研究得出的评价适宜分区与信阳毛尖的传统优势产茶区分布情况基本相符, 能够为信阳市合理统筹茶树产业布局提供一定的参考。

结合2013—2017年信阳市统计年鉴中信阳市各区县茶叶产量占全市茶叶产量的比例与评价适宜区面积占比(见图4)进行分析, 则有: ①浉河区、光山县和潢川县的茶叶产量占全市茶叶产量的比例高于适宜区比, 表明该区域内茶园面积较广、生产规模大、开发强度高, 亟需重点提升茶叶的质量, 开发茶叶深加工产品, 进一步提升经济效益; ②新县、商城县和固始县的茶叶产量占全市茶叶产量的比例低于适宜区比, 表明该区域内茶园面积较狭、生产规模小、开发强度低, 亟需重点提升茶叶的产量, 合理布局农业用地区划; ③罗山县、淮滨县和息县的茶叶产量占全市茶叶产量的比例与适宜区比持平, 表明该区域内茶园的面积、规模适中且开发强度一般, 应当适度调整茶园的位置、布局等, 适度增加适宜区的茶园面积并提升茶叶产品的质量。

图4 适宜区面积比与现状茶叶产量对比Fig. 4 Comparison the suitable area and the current tea yield

4 结论与讨论

(1) 本研究在构建茶树种植区用地适宜性评价体系的基础上, 运用GIS与主成分分析法对信阳市茶树种植用地进行适宜性评价并将其划分为4类, 具体而言: 适宜区、基本适宜区、基本不适宜区和不适宜区面积分别为4 401.80 km2、5 842.14 km2、7 427.65 m2和1 244.40 km2, 占比分别为23.27%、30.88%、39.27%和6.58%; 其中适宜区和基本适宜区的面积约占到市域全境的一半, 该区域主要位于山坡与山麓的林地、以及部分平原和丘陵地区, 在此区域中应当妥善处理好茶叶种植与粮食种植的关系, 因地制宜地利用低山丘陵等区域进行茶叶种植, 并注重保持茶园梯田的土壤生产力, 践行可持续发展模式。

(2) 主成分分析法的结果表明, 在信阳市区域内对茶树种植区用地适宜性的主要影响因素为土壤、降水、海拔与坡度, 这也是较小区域(市域)尺度下发展茶叶种植需要重点关注的内容。 根据适宜区面积与茶叶产量占全市茶叶产量的比例可以得出: 浉河区、光山县和潢川县的开发强度较高, 新县、商城县和固始县的开发强度较低, 罗山县、淮滨县和息县的开发强度一般, 各区县应当充分结合自身茶园面积、生产规模进行发展。

(3) 不同尺度下的茶树种植区用地适宜性评价中的评价指标呈现不同的侧重点。 在市域尺度下气温、降水、土壤、地势、地形等指标对于用地适宜性的影响也与省域尺度有所差异, 尤其是省域内部的积温、均温、湿度等条件的差异较大。 在信阳市选择了包括上述指标在内的总计13个指标, 并通过主成分分析法进行指标的降维处理与权重确定, 同时也克服了以往德尔菲法、层次分析法存在的主观性强等问题。

(4) 茶树种植区用地适宜性评价是茶叶产业可持续发展的重要基础, 在进行茶树种植区用地适宜性评价中, 根据研究区域的茶产业、土地利用现状的具体情况, 以求研究结果更贴近实际, 取得更好的指导效果[22]。 本研究集中在自然因素方面, 茶树种植区形成过程中的社会因素也有一定影响, 如化肥农药施用量、灌溉排水设施建设等, 对于自然因素与社会因素的结合也是今后研究的重要方向。