基于GIS與主成分分析法的信陽市茶樹種植用地適宜性評價

翟慧敏, 張子鶯, 顏 偉, 周志遠, 程啟先, 張 倩

(1. 信陽師范學院 地理科學學院/河南省水土環境污染協同防治重點實驗室， 河南 信陽 464000; 2. 東華理工大學 地球科學學院, 江西 南昌 330032)

0 引言

茶樹屬于亞熱帶常綠植物, 原產于我國西南地區, 也是我國最主要的飲料作物[1]。 茶樹生態習性耐陰濕、喜漫射光,種植區大多為低山丘陵的紅壤、黃棕壤區域, 品種主要為灌木型中小葉類、兼部分小喬木中大葉類[2]。 當前我國的茶葉主產區主要分為西南茶區、江南茶區、華南茶區以及江北茶區, 河南南部(信陽、南陽和駐馬店)隸屬于江北茶區, 茶樹種植的自然稟賦優勢突出且歷史文化悠久, 茶產業已成為農業增收的區域性主導產業[3], 信陽茶區位于江北茶區的核心區域, 以出產“中國十大名茶”之一的信陽毛尖馳名中外, 信陽毛尖也成為我國茶產業的重要名片[4]。

已有研究主要集中于茶樹的育種[5]、栽培[6]與評鑒[7]等方面, 茶樹種植條件評價的研究則以氣候[8]、土壤[9]與產量[10]等指標研究為主, 在利用GIS技術進行復合指標的研究方面, 楊洋等[11]運用氣候、土壤、地形的自然條件與土地、距離等社會條件劃分適宜性等級, 進行云南省茶樹種植的適宜性評價; 金志鳳等[12]運用氣候、土壤和地形指標劃分適宜性等級, 進行浙江省茶樹栽培的適宜性區劃。 上述文獻中對省域尺度的茶樹種植區進行適宜性用地質量評價研究, 能夠為本研究提供較好參照, 但該研究存在以下問題: 一是城市、交通等社會條件指標,與茶樹種植區用地質量的關系有待商榷；二是在具體的指標權重賦值方面, 主要運用德爾菲法和層次分析法等主觀性較強的方法, 該部分內容的客觀性與準確性有待討論。

當前研究普遍對復合指標的茶樹種植用地適宜性評價研究不夠深入, 對于傳統的茶葉優勢產區信陽市而言, 進行茶樹種植用地適宜性評價能夠為城鄉經濟社會協調發展、合理統籌茶產業區域布局提供重要的引領作用。 本研究以信陽市為研究區域, 構建溫度、降水、土壤、地勢、地形的復合指標體系, 結合GIS與主成分分析法進行茶樹用地適宜性評價與分區研究, 以期為信陽市茶產業的發展提供意見與建議, 并為其他茶樹種植區用地適宜性評價的相關研究提供一定的參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

信陽市位于河南省南部、淮河上游, 地處東經113°45′—115°55′, 北緯31°23′—32°37′, 南北長約142 km, 東西寬約205 km, 下轄8縣2區, 總面積約18 925 km2。 信陽市處于秦嶺淮河線上, 是我國南北過渡帶的核心區域, 氣候、植被、土壤等自然地理條件均有著亞熱帶氣候向暖溫帶氣候過渡的雙重特點。 信陽市春暖秋涼, 夏熱冬寒, 四季分明; 歷年平均降水量約為1000～1300 mm, 夏季降雨較多、春季與秋季次之, 冬季較少; 地勢南高北低, 是崗川相間、形態多樣的階梯地貌; 信陽市是中國十大名茶“信陽毛尖”的產地, 分布近千家茶場以及茶產業相關企業[13]。

1.2 數據來源

本研究中所使用的數據包括氣溫、降水、土壤、地形和地勢。 其中: 信陽氣溫、降水數據采用信陽市8縣2區的10個氣象站點的氣象數據, 并采用克里金插值法處理; 信陽土壤數據采用信陽市第二次土壤普查的土壤數據; 信陽市各市區茶葉產量數據來源于信陽市統計局的2013—2017統計年鑒數據; 信陽地形、地勢、植被數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心[14]。

2 茶葉種植區用地適宜性評價體系

本研究中的茶樹種植區用地適宜性評價包括氣溫、降水、土壤、地勢和地形共計5個目標層, 進而確定各準則層、指標層的具體內容, 結合相關參考文獻構建茶葉種植區用地適宜性評價體系，結果如表1所示。

2.1 氣溫

氣溫目標層共有積溫、均溫和日照等3個準則層。 ①積溫, 即10 ℃積溫, 10 ℃積溫是日均氣溫≥10 ℃的氣溫總和, 活動積溫是茶葉生長的重要指標, 滿足作物生長所需的熱量。 ②均溫包括年平均氣溫以及無霜期, 結合文獻[15]的觀點, 其中: 年平均氣溫是一年中各月平均氣溫的算術平均值, 反映區域內農作物生產所需的氣溫情況; 無霜期是一年中終霜至初霜的時間, 是農作物的生長期。 ③日照, 即年平均日照, 文獻[16]指出, 年平均日照時數過長或過短都對茶葉生長有著不利影響, 日照時數過長會導致茶葉生長過快、芽尖變老, 降低品質, 反之會導致茶葉生長過慢、芽尖變少, 降低產量。

2.2 降水

降水目標層包括降雨和濕度等2個準則層。 ①降雨, 即年平均降雨量, 指多年降雨量的平均值, 降雨量能夠滿足茶葉生長的需求。 ②濕度, 即年平均濕度值, 文獻[17]指出, 濕度越大、霧天越多, 對茶葉芽尖生長越為有利。

2.3 土壤

土壤目標層共有質地、肥力和酸堿度等3個準則層。 ①質地, 以卡慶斯基制土粒分級為基礎, 結合文獻[18]的觀點, 將信陽市的土壤分為黏土、壤土、砂土。黏土非常適宜茶葉種植, 壤土適宜茶葉種植, 砂土比較適宜茶葉種植, 從土壤質地來說沒有完全不適宜的土壤。 ②肥力和酸堿度以信陽市第三次土壤普查的土壤數據為基準, 通過對不同土壤類別的區劃, 結合文獻[19]的觀點, 將信陽本地的黃褐土、紅黏土、水稻土等11種土壤進行肥力、酸堿度的排序, 并根據其結果進行劃分。肥力是指土壤的有機質含量, 有機質含量越高越利于茶葉生長; 酸堿度是指土壤的pH值, 茶葉種植需要弱酸性土壤, 強酸或堿性土壤均不適宜茶葉生長。

2.4 地勢

地勢目標層包括坡度和朝向等2個準則層。 ①地表坡度即地表與水平面的夾角度數, 文獻[15]提出, 地表坡度過大或過小都不利于茶葉生產, 坡度過大不利于水肥保持, 反之不利于排水防澇。 ②地表朝向即以正南方向為基準所朝的方向, 文獻[20]表明, 地表朝向影響日照與濕度, 從地表朝向來說沒有完全不適宜的朝向。

2.5 地形

地形目標層包括高度和植被等2個準則層。 ①高度, 即海拔高度, 文獻[20]指出, 海拔高度過高或過低都不利于茶葉生產, 海拔過高不利于溫度, 反之不利于日照。 ②植被, 以地表植被覆蓋率為準, 一般認為覆蓋率越高越利于茶葉種植。

3 研究過程與結果

3.1 主因子疊加分析

主成分分析法是一種將眾多具有相關性的指標通過正交變換重新組合成一組線性不相關的綜合指標的方法, 轉換后的這組綜合指標即為主成分, 由此達到降維的目的[21]。 研究運用SPSS 23.0軟件進行主成分分析的計算, 提取主成分特征值≥1.0的主成分(見表2)。

表2 特征值、貢獻率、累積貢獻率表Tab. 2 Eigenvalue, contribution rate and cumulative contribution rate

3.2 用地適宜性評價

本研究運用SPSS23.0的主成分分析法共提取了6個主因子, 上述因子累計解釋75.24%的方差, 并結合各個主因子的變量特征進行命名和示意分析(見表3), 將主成分分析的結果數據導入GIS中獲得主成分分析示意圖(見圖1)。

表3 主因子矩陣表Tab. 3 Main factors matrix

①第1主因子(質地、肥力、酸堿度因子): 該因子的特征值為3.23, 貢獻率為24.84%, 與“土壤質地”“有機質含量”“酸堿度含量”等指標呈現顯著相關。該因子概括為質地、肥力、酸堿度因子, 其數值較大的區域主要分布在信陽南部區域的低山丘陵區。②第2主因子(降雨與濕度): 該因子的特征值為1.98, 貢獻率為15.21%, 與“年平均降雨量”“年平均濕度”等指標呈現顯著相關。該因子概括為降雨與濕度因子, 其數值較大的區域主要分布在信陽東部和中南部的平原區。③第3主因子(海拔與坡度因子): 該因子的特征值為1.38, 貢獻率為10.59%, 與“地表坡度”、“海拔高度”等指標呈現顯著相關。該因子概括為海拔與坡度因子, 其數值較大的區域主要分布在信陽西部和南部的山地區域。④第4主因子(植被與積溫、日照因子): 該因子的特征值為1.20, 貢獻率為9.26%, 與“植被覆蓋率”“年平均日照時數”“10 ℃積溫”等指標呈現顯著相關。該因子概括為植被與積溫、日照因子, 其數值較大的區域主要分布在信陽西部與東部的兩側區域。⑤第5主因子(均溫因子): 該因子的特征值為1.02, 貢獻率為7.75%, 與“年平均氣溫”、“無霜期”等指標呈現顯著相關。該因子概括為均溫因子, 其數值較大的區域主要分布在信陽北部與南部的部分區域。⑥第6主因子(坡向因子): 該因子的特征值為1.00, 貢獻率為7.60%, 與“地表朝向”等指標呈現顯著相關。該因子概括為坡向因子, 其數值較大的區域主要分布在信陽市的坡地區域。

(a)質地、肥力、酸堿度因子 (b)降雨與溫度因子 (c)海拔與坡度因子

(d)植被與積溫因子 (e)均溫因子 (f)坡向因子

3.3 適宜性分區結果

將主成分分析中的方差貢獻率作為因子權重, 結合各因子評價值進行權重賦值的疊加分析, 即得到茶樹種植區用地適宜性評價結果。本研究結合信陽市的實際情況, 將信陽市茶樹種植區分為4類用地分區, 即: 適宜區、基本適宜區、基本不適宜區、不適宜區(見圖2)。

(1) 適宜區: 分布在信陽南部區域, 主要分布在桐柏山、大別山的山坡及山麓區域，包括浉河區、新縣、商城縣, 以及羅山縣、光山縣、固始縣的部分區域, 面積約為4 401.80 km2, 占總區域的23.27%。該區域屬于信陽毛尖傳統優勢產區, 地形起伏較大、人口密度較小, 土壤、降水、海拔等條件適宜茶葉種植活動的開展。該區域應當充分發揮茶葉主產區的優勢, 利用低山丘陵等區域進行茶園的培育與拓展, 提高產品的質量與產量, 著重培育信陽毛尖的知名度, 并注意開展保土保肥工作, 避免過度開發對土壤生產力的不利影響。

(2) 基本適宜區: 分布在信陽中部、東部區域, 主要分布在平原、丘陵區域，包括光山縣、固始縣, 以及羅山縣、淮濱縣、息縣的部分區域, 面積約為5 842.14 km2, 占總研究區域的30.88%。該區域屬于信陽毛尖的新興產茶區, 多與最適宜種植區相連, 地形起伏不大、人口密度較大, 降水、日照等條件適宜茶葉種植活動的開展, 并且用地開發的潛力大。該區域應當妥善協調茶葉種植與糧食種植的關系, 利用低山丘陵區開展茶葉種植活動, 并且要注重茶園梯田的水土保持工作, 將茶葉產業與旅游產業相結合, 開展特色的茶葉旅游活動。

(3) 基本不適宜區: 分布在信陽市中部、北部區域, 主要分布在平原區域，包括息縣、潢川縣, 以及淮濱縣、羅山縣、平橋區的部分區域, 面積約為7 427.65 km2, 占總區域的39.27%。該區域屬于信陽糧食的主產區, 地形起伏較小、人口密度較大, 該區域的農業總產值占到了全市的51.04%。這些區域的茶園分布零散, 應當適度開展茶葉種植活動, 著重提高茶園的品質與檔次, 開展高品質的茶葉展銷活動。

(4) 不適宜區: 分布在信陽市西部、北部區域, 主要分布在河谷區域，包括平橋區、羅山縣、息縣、潢川縣的部分區域, 面積約為1 244.40 km2, 占總區域的6.58%。該區域屬于信陽市人口較為稠密的區域或信陽糧食的主產區, 地形起伏最小、人口密度較大, 該區域的人口總量占到了全市的40.45%。這些區域主要為基本農田, 應當因地制宜開展水田、旱田等其他農作物的種植, 提高糧食產量、保障糧食安全, 適當減少茶葉種植活動的開展, 僅在不適宜糧食種植的區域, 如在土壤貧瘠、且易受侵蝕的低山丘陵區適度開展茶葉種植活動。

圖2 信陽市茶葉種植區用地適宜性評價用地分區圖Fig. 2 Zoning map for land suitability assessment of tea planting area in Xinyang City

3.4 結果驗證與分析

根據適宜性分區結果統計出信陽各區縣4類用地分區面積，結果見圖3。

圖3 適宜性等級評價結果Fig. 3 Evaluation results of land suitability grade

由圖3可以看出，適宜區主要分布在信陽的商城、新縣，土地利用類型主要為大別山山坡和山麓的林地, 其具有海拔適中、土壤弱酸性、降水充沛、日照充足等條件, 也較適宜茶樹生長和生產活動的開展。 因此可以得出本研究具有較強的可信度: 研究得出的評價適宜分區與信陽毛尖的傳統優勢產茶區分布情況基本相符, 能夠為信陽市合理統籌茶樹產業布局提供一定的參考。

結合2013—2017年信陽市統計年鑒中信陽市各區縣茶葉產量占全市茶葉產量的比例與評價適宜區面積占比(見圖4)進行分析, 則有: ①浉河區、光山縣和潢川縣的茶葉產量占全市茶葉產量的比例高于適宜區比, 表明該區域內茶園面積較廣、生產規模大、開發強度高, 亟需重點提升茶葉的質量, 開發茶葉深加工產品, 進一步提升經濟效益; ②新縣、商城縣和固始縣的茶葉產量占全市茶葉產量的比例低于適宜區比, 表明該區域內茶園面積較狹、生產規模小、開發強度低, 亟需重點提升茶葉的產量, 合理布局農業用地區劃; ③羅山縣、淮濱縣和息縣的茶葉產量占全市茶葉產量的比例與適宜區比持平, 表明該區域內茶園的面積、規模適中且開發強度一般, 應當適度調整茶園的位置、布局等, 適度增加適宜區的茶園面積并提升茶葉產品的質量。

圖4 適宜區面積比與現狀茶葉產量對比Fig. 4 Comparison the suitable area and the current tea yield

4 結論與討論

(1) 本研究在構建茶樹種植區用地適宜性評價體系的基礎上, 運用GIS與主成分分析法對信陽市茶樹種植用地進行適宜性評價并將其劃分為4類, 具體而言: 適宜區、基本適宜區、基本不適宜區和不適宜區面積分別為4 401.80 km2、5 842.14 km2、7 427.65 m2和1 244.40 km2, 占比分別為23.27%、30.88%、39.27%和6.58%; 其中適宜區和基本適宜區的面積約占到市域全境的一半, 該區域主要位于山坡與山麓的林地、以及部分平原和丘陵地區, 在此區域中應當妥善處理好茶葉種植與糧食種植的關系, 因地制宜地利用低山丘陵等區域進行茶葉種植, 并注重保持茶園梯田的土壤生產力, 踐行可持續發展模式。

(2) 主成分分析法的結果表明, 在信陽市區域內對茶樹種植區用地適宜性的主要影響因素為土壤、降水、海拔與坡度, 這也是較小區域(市域)尺度下發展茶葉種植需要重點關注的內容。 根據適宜區面積與茶葉產量占全市茶葉產量的比例可以得出: 浉河區、光山縣和潢川縣的開發強度較高, 新縣、商城縣和固始縣的開發強度較低, 羅山縣、淮濱縣和息縣的開發強度一般, 各區縣應當充分結合自身茶園面積、生產規模進行發展。

(3) 不同尺度下的茶樹種植區用地適宜性評價中的評價指標呈現不同的側重點。 在市域尺度下氣溫、降水、土壤、地勢、地形等指標對于用地適宜性的影響也與省域尺度有所差異, 尤其是省域內部的積溫、均溫、濕度等條件的差異較大。 在信陽市選擇了包括上述指標在內的總計13個指標, 并通過主成分分析法進行指標的降維處理與權重確定, 同時也克服了以往德爾菲法、層次分析法存在的主觀性強等問題。

(4) 茶樹種植區用地適宜性評價是茶葉產業可持續發展的重要基礎, 在進行茶樹種植區用地適宜性評價中, 根據研究區域的茶產業、土地利用現狀的具體情況, 以求研究結果更貼近實際, 取得更好的指導效果[22]。 本研究集中在自然因素方面, 茶樹種植區形成過程中的社會因素也有一定影響, 如化肥農藥施用量、灌溉排水設施建設等, 對于自然因素與社會因素的結合也是今后研究的重要方向。