湖北省蘄艾氣候品質評價方法

李海燕，劉志雄

（1.湖北省黃岡市氣象局，湖北 黃岡 438000；2.武漢區域氣候中心，武漢 430000）

蘄艾是艾草的一種，屬桔梗目菊科蒿屬多年生草本或略呈半灌木狀植物，為中草藥，湖北省黃岡市蘄春縣特產，中國國家地理標志產品。蘄艾是《湖北省農業發展“十三五”規劃綱要》打造的兩個省級核心大品牌之一，是湖北省政府和黃岡市委市政府2018—2020 年重點發展的支柱產業和打造的品牌以及精準扶貧項目，黃岡市政府2018 年2 月2 日發布黃政辦發〔2018〕7 號文件《市人民政府辦公室關于加快發展蘄艾產業的意見》，明確提出黃岡市要打造100 億蘄艾產業目標。蘄艾在蘄春縣大面積種植，迅速成為該地區的優質特色產業，產生了較高的經濟和社會效益。蘄春縣位于湖北省東部、大別山南麓、長江中游北岸，境內海拔12.0～1 244.1 m，屬亞熱帶大陸季風氣候，雨量充沛，氣候溫和，四季分明，日照時間長，晝夜溫差大，土壤類型多為紅壤、潮土和黃棕壤，獨特的地質、地理和氣候條件，造就了生長在該地區的蘄艾揮發油、總黃酮和燃燒值均較其他地區的高［1-3］，蘄春縣因此成為湖北省乃至全國的高品質艾（蘄艾）種植基地。

隨著全國各地開始探索實踐農產品氣候品質認證工作，在突出地區特色、增強氣象為“三農”服務的基礎上，浙江、江西、黑龍江等地區開展了茶葉、臍橙、大豆等農產品的氣候品質認證工作［4-6］，青海、甘肅、新疆等地區開展了枸杞、黃芪、紅棗等中藥材類的農產品氣候品質認證［7-9］，均取得了良好的社會和經濟效益。艾草品質受氣候條件影響明顯，國內大多數地區都有艾草種植，因地區氣候條件的差異，不同產區的艾草在揮發油、總黃酮、鞣酸含量等方面有較大差異，其中以湖北省蘄春縣所產的艾草為最佳［10-12］，但艾草氣候品質認證方面的相關研究尚未見報道。開展蘄艾氣候品質認證不僅可以為蘄艾產業發展提供更精細化、科學化的氣象服務支撐，還可為蘄艾賦予更具特色的地域屬性。以湖北省蘄艾為研究對象，利用熵權法、專家評判法和加權指數求和法，通過綜合評估各環境氣候要素在蘄艾生長發育階段對其品質的影響，建立蘄艾氣候品質認證模型，確定氣候評價等級標準，利用同期各環境氣候要素實現對蘄艾品質優劣等級的評定，一方面可以提高蘄艾銷售的附加值，為消費者購買提供參考，另一方面，可為其他中藥材氣候品質認證提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蘄春縣位于湖北省東南部，東臨長江，北接大別山，屬于典型的亞熱帶大陸季風氣候，年平均氣溫17.7 ℃，日照時數1 906.8 h，年降水量1 420.6 mm，無霜期268.6 d。山地植被較好、干旱發生較少、日照充足、晝夜溫差大、無霜期長等環境條件是蘄春縣發展中藥材種植的優勢氣候資源。

1.2 氣象數據

1981—2020 年蘄春國家氣象站（北緯30°14'、東經115°28'，海拔高度71.7 m）觀測資料，包括逐日和逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、日照時數、平均風速、蒸發量等；蘄春區域自動氣象觀測站2011—2020 年逐日和逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均風速等觀測資料；ERA5-Land 陸面高分辨率再分析資料1981—2020年逐小時2 m 溫度、2 m 相對濕度、降水量、10 m 風速等，空間分辨率0.1°×0.1°，數據來源于歐洲中期天氣預報中心。

1.3 研究方法

1.3.1 蘄艾取樣及測定方法 蘄艾樣本為2022 年6月3 日正午采于蘄春縣漕河鎮蘄春國家氣象觀測站蘄艾試驗地，置于室內自然陰干，除去雜質?？倱]發油及揮發性成分含量測定參照2020 年版《中華人民共和國藥典（四部）》通則2204“揮發油測定法”測定揮發油含量，并運用ThermoFisher Trace1310 型氣相色譜質譜聯用儀測定艾葉揮發油中桉油精、側柏酮、樟腦的含量［13，14］，用紫外分光光度法測定艾葉總黃酮含量［15］。

1.3.2 統計分析 采用SPSS 25.0 軟件對蘄艾各物候期的氣象要素和品質數據進行處理和分析；利用熵權法、專家評判法對各因子權重進行賦值，采用加權指數求和法構建蘄艾氣候品質評價模型。

2 結果與分析

2.1 蘄艾品質指標認證技術

蘄艾品質等級根據蘄艾的形、味兩個方面確定。參考T/HBAS 002—2018《蘄艾葉》、T/HBAS 012—2019《蘄艾精油》和DB42/T 1524—2019《蘄艾絨分級質量標準》，結合1988 年以來已測定得到的蘄艾有效成分，將蘄艾按外觀和理化等級指標分為特優、優、一般3 個等級，詳見表1。

表1 蘄艾品質分級

2.2 指標選取與模型構建

蘄艾極易繁衍生長，對氣候和土壤的適應性較強，耐寒耐旱。蘄艾品質的形成主要取決于獨特的自然生態環境、氣候條件，綜合考慮影響蘄艾生長的區域氣候適宜性、生長期氣候條件及生產管理措施，建立蘄艾氣候品質評價模型，見式（1）。

式中，W表示認證得分，W≥90 分為特優，80 分≤W＜90 分為優，W＜80 分為一般。a、b、c為相應的權重，由專家評判法得出，a=0.41，b=0.48，c=0.11。X1代表蘄艾區域氣候適宜性指標得分；X2代表當年蘄艾生長期氣象條件得分，X2=α-β，α表示主要氣候資源情況，β表示主要農業氣象災害情況；X3代表蘄艾種植生產管理措施得分。

2.2.1 區域氣候適宜性指標 為了提高數據的準確性，選取基于氣候模式和衛星遙感數據的再分析數據。大氣再分析數據同化了大量衛星資料以及地面和高空等常規觀測資料，與傳統實測數據相比，具有時間序列長、覆蓋面廣、分辨率高、不受地形地貌條件限制等特點。源于歐洲中期天氣預報中心的ERA5-Land 是應用較為廣泛的再分析數據集。鑒于蘄春縣區域氣象站布局有限，為使氣候區劃更為精細，引入ERA5-Land 再分析資料。

溫、光、水、海拔和土壤酸堿性是影響蘄艾品質的主要因素，生長旺盛期的平均氣溫、積溫和日較差不僅影響蘄艾的生育進程，還影響蘄艾產量和品質的形成，經咨詢專家和查閱文獻資料［11］后，選取蘄艾生長旺盛期（3 月1 日至5 月31 日）的平均氣溫、氣溫日較差、≥10 ℃的有效積溫、降水量、日照時數以及蘄艾種植海拔高度、土壤pH 作為蘄艾氣候適宜性區劃指標（表2），劃分為適宜區、較適宜區、不適宜區，分別評分為100、90、80 分。利用熵權法計算各指標權重，加權指數求和法構建蘄艾氣候適宜性評價模型。

表2 蘄春縣蘄艾生態適宜性指標

式中，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7分別為蘄艾種植海拔高度、土壤pH 和3 月1 日至5 月31 日的平均氣溫、氣溫日較差、≥10 ℃的有效積溫、降水量、日照時數等級評分，權重依次為0.142、0.070、0.122、0.117、0.113、0.136、0.300。

蘄艾生長旺盛期內平均氣溫≥17.5 ℃、≥10 ℃的有效積溫≥740 ℃·d、平均氣溫日較差≥8.5 ℃時，利于蘄艾植株生長及品質的形成；日照時數≤450 h、降水量≤400 mm 時，有利于蘄艾揮發性物質含量的提升。蘄艾適生于偏酸性和中性土壤，這類土壤環境對蘄艾揮發油的含量沒有明顯影響，但與總黃酮、鞣質含量呈顯著正相關，土壤越接近中性，越利于總黃酮、鞣質含量的提升。蘄艾在蘄春縣不同海拔高度均有分布，從不同海拔高度蘄艾取樣測定結果來看，海拔高度對蘄艾揮發油含量影響不大，但與總黃酮、鞣質含量呈顯著負相關，海拔400 m 以上的區域不適宜蘄艾大面積種植，適宜種植區在海拔200 m以下地區。

利用1981—2020 年蘄春國家氣象觀測站及ERA5-Land 陸面高分辨率再分析資料，2011—2020年蘄春縣境內24 個區域自動氣象站氣溫、降水、日照等資料，結合蘄春縣各地海拔高度、土壤pH，進行蘄艾種植氣候適宜性區劃。由圖1 可知，檀林、大同、獅子、株林四鎮北部和張榜鎮東部以及向橋、青石二鎮的東偏南部不適宜蘄艾生長；檀林鎮、大同鎮、向橋鎮大部分為蘄艾生長的不適宜區和較適宜區，除上述鄉鎮外，蘄春大部分鄉鎮為蘄艾生長的適宜區。

圖1 蘄艾生長氣候適宜性區劃

2.2.2 生長期氣象條件 蘄艾生長期氣候條件包括氣候資源及農業氣象災害2 個部分，按統計數據及經驗估算，農業氣象災害影響程度占比為20%，氣候資源占比為80%［16］。蘄艾移栽期12 月氣溫低于-3 ℃、遇連續陰雨時，影響根莖成活，平均最高氣溫以11～12 ℃為宜；生長期3—5 月通風透氣、適宜溫度為24～30 ℃，利于植株生長及揮發性物質的形成，如果氣溫過低則阻礙莖桿細胞分裂，不利于形成壯株，高溫超過30 ℃時，葉子易枯黃；另一方面，在蘄艾成熟收獲期（5 月下旬至6 月上旬），揮發性物質累積到峰值，日照時數以晝夜節律的形式影響艾葉揮發性物質的釋放，日照時數越長，釋放越多，揮發油含量越少；環境氣象因子對蘄艾其他品質的影響主要表現為對總黃酮含量的直接作用，即移栽期（12月）相對濕度和生長期（5 月）氣溫日較差的負效應［17，18］。因此，通過文獻調研和專家咨詢，在蘄艾氣候資源（α）的評價指標中考慮影響品質的主要氣候因子，包括移栽期（12 月）平均最高氣溫（α1）、移栽期（12 月）相對濕度（α2），生長期（3 月）月平均風速（α3）、3 月≥10 ℃的有效積溫（α4）、生長期（5 月）月平均風速（α5）、5 月氣溫日較差（α6），成熟期（5 月下旬至6 月上旬）日照時數（α7）。根據主要氣候因子對品質的影響程度，利用熵權法計算各指標權重，加權指數求和法構建蘄艾氣候資源評價模型，等級劃分為特優、優、一般，分別評分為100、90、80 分，評分算式見式（3）、評分標準見表3。

表3 氣候資源評分標準

蘄春縣艾草種植的主要農業氣象災害（β）包括移栽期和生長期連陰雨（7 d 以上連續陰雨）（β1）、生長期干旱（15 d 以上無降水）（β2）和高溫（連續3 d日最高氣溫＞30 ℃）（β3）、成熟收獲期冰雹（β4）和暴雨（β5），根據不同災害影響程度分別賦予不同權重0.3、0.3、0.2、0.1、0.1。災害總分值20 分，各農業氣象災害因子根據無災害、輕微災害、嚴重災害分別評分為0、10、20 分。計算式如下。

2.2.3 生產管理措施 蘄艾的田間環境是蘄艾品質形成的先決條件，生產管理措施對提高艾草的質量具有重要意義。根據艾農實際管理情況，分為特優（100 分）、優（90 分）、一般（80 分）。評分算式如下。

式中，γ1表示產地環境嚴格按照DB42/T 925—2021《中藥材：蘄艾生產技術規程》執行，權重0.4；γ2表示蘄春縣已經形成了標準化生產技術規范，生產中嚴格按規范執行，權重0.4；γ3表示在生產中嚴格按照GB/T 8321《農藥合理使用準則》（所有部分）、NY/T 496—2010《肥料合理使用準則 通則》及以施用農家肥、餅肥、廄肥為宜執行，權重0.2。

2.3 蘄艾氣候品質等級評價

2.3.1 蘄艾氣候品質評價體系 將2022 年試驗點氣象數據代入式（2）至式（5），再按式（1）判定等級。

2022 年3 月1 日至5 月31 日試驗點蘄艾生長旺盛期平均氣溫為18.2 ℃、氣溫日較差為9.1 ℃、≥10 ℃的有效積溫為760.5 ℃·d、降水量為474.3 mm、日照時數為444.1 h、海拔高度為71.7 m、土壤pH 為6.8，對照表3 標準對各指標進行等級評價，將結果代入式（2）得到試驗點蘄艾氣候適宜性綜合評分，X1=97.0 分，為氣候適宜區。2022 年試驗點蘄艾移栽期上年12 月的月平均最高氣溫為13.75 ℃、相對濕度為69.14%，生長期（3 月和5 月）的月平均風速分別為2.3、1.6 m/s，3 月≥10 ℃的有效積溫為161.8 ℃·d，5 月氣溫日較差為8.7 ℃，成熟期（5 月下旬至6 月上旬）日照時數為73.43 h，綜合評分α=76.8 分；2022 年試驗田蘄艾移栽期未出現7 d 以上連續陰雨，但在生長期（3 月）出現了連陰雨導致輕微災害，生長期均未出現干旱和高溫，成熟收獲期也未出現冰雹，但出現了1 次暴雨造成輕微災害，農業氣象災害綜合評分β=0.8 分，故X2=76.0 分；試驗田蘄艾種植過程嚴格按照相關標準執行，以施用農家肥為主，病蟲害防治以生物防治為主，在田間安裝太陽能殺蟲燈、安插可降解誘蟲板（黃板、藍板），故試驗田蘄艾種植管理條件得分X3=100.0 分。將X1、X2、X3代入式（1）得到W=87.25 分，即氣候品質評價體系認證試驗田蘄艾氣候品質為“優”。

根據以上研究，綜合考慮區域氣候適宜性、生育期氣候條件及生產管理措施關鍵因子對蘄艾氣候品質的影響，根據構建的蘄艾氣候品質評價模型，在ArcGIS 軟件中將各關鍵因子的評分柵格圖進行計算迭加，最終得到2022 年蘄春縣蘄艾氣候品質評分分布情況（圖2）。由圖2 可以看到，≥90 分（“特優”等級）區域主要分布在蘄春縣彭思鎮、八里湖農場和赤東鎮，蘄春縣中東部大多鄉鎮蘄艾品質為“優”等級，這與蘄艾實際生產品質基本一致。

圖2 2022 年蘄春縣蘄艾氣候品質評分分布

2.3.2 蘄艾氣候品質指標評價模型 將蘄艾品質關鍵指標與其整個生育期的溫、光、水、風、蒸發量等環境氣象因子進行相關性分析、顯著性檢驗和關聯度分析，找出顯著影響蘄艾品質的關鍵環境氣象因子，并建立蘄艾品質指標評價模型［19］。

式中，Y1、Y2、Y3分別表示蘄艾揮發油、總黃酮、桉油精含量；Tm_12 為12 月平均最高氣溫；Ti_3 和Ti_5 為3 月、5 月平均最低氣溫；Tc_4 和Tc_5 為4 月、5月平均氣溫日較差；S_6 為6 月日照時數；RH_12 為12 月相對濕度。將2022 年蘄春國家氣象觀測站實際觀測數據代入方程組，結合表1 得到Y1=1.73，為“特優”；Y2=11.36，為“特優”；Y3=6.77，為“一般”；試驗點蘄艾植株普遍高度為1.0～1.5 m，為“優”，按照表1 標準，蘄艾品質指標評價模型認證2022 年試驗田蘄艾氣候品質為“優”。

2.3.3 2022 年試驗田蘄艾實際檢測品質 2022 年7月，蘄春縣公共檢測檢驗中心對試驗點端午節當日12：00—14：00 采集的艾葉進行室內自然陰干，除去雜質，檢測得到其揮發油含量為0.46%，總黃酮含量為9.5%，2022 年6 月初試驗點蘄艾植株普遍高度為1.0～1.5 m、最高約1.8 m，結合表1，2022 年試驗田蘄艾品質實際為“優”，與蘄艾氣候品質認證技術及蘄艾品質指標評價模型結論一致。

綜上所述，蘄艾氣候品質評價體系及指標評價模型均可應用于蘄艾品質的認證，如將二者結合使用，更能精準評估蘄艾不同種植區的氣候品質。

3 小結與討論

蘄艾品質的形成和氣象條件密切相關，本研究創新性提出了蘄艾氣候品質概念，即氣候條件對蘄艾品質的影響。在田間試驗的基礎上，耦合品質指標和同期氣象數據，結合實際生產，明確提出了蘄艾氣候品質指標為移栽期（12 月）平均最高氣溫和相對濕度，生長期（3 月和5 月）月平均風速、3 月≥10 ℃的有效積溫、5 月氣溫日較差，成熟期（5 月下旬至6月上旬）日照時數。通過對蘄艾區域氣候適應性區劃、生長期氣象條件、田間管理措施綜合評分，對蘄艾氣候品質進行評分定級，提出蘄艾氣候品質認證技術，不僅提高了蘄艾的市場競爭力、拓寬了氣象為特色農業服務領域，其成果還可為其他中藥材開展氣候品質認證提供參考。

蘄艾氣候品質評價體系及指標評價模型均可應用于蘄艾氣候品質的認證，如將二者結合，更能精準評估不同種植區的蘄艾氣候品質。