巴南银针产区茶叶气候适宜性与气候品质评价

武强 王旭 罗孳孳 阳园燕 范莉 陈思英

(1 重庆市气象科学研究所，重庆 401147； 2 重庆市巴南区气象局，重庆 401320； 3 安徽省科技研究开发中心，合肥 230088)

引言

茶树属于山茶科、山茶属、茶种，是典型的亚热带常绿植物，也是中国传统的最具特色的经济作物之一。茶叶品质的优劣以及优质茶产量的高低取决于茶树品种、茶园生态、栽培管理等的综合影响，而气象条件如温度、水分、光照等正是决定茶树生长与品质形成的茶园生态条件中最重要的、比重最大的组成部分[1-2]。西南茶区是我国茶叶的起源地，重庆更是有着3000多年的种茶历史[3]，巴南银针作为重庆针形绿茶的代表，是重庆茶叶三大品牌之一，具有外形挺直秀丽，绿润显毫，嫩香持久，滋味鲜爽回甘的特点[4-5]，得天独厚的气候条件是形成巴南银针品质特点的必要条件之一。但是目前关于西南茶区茶叶种植的气候特点以及品质形成影响的研究还较少，对于充分利用地方农业气候资源优势、改进种植管理制度、进一步提升茶叶鲜叶品质等缺乏科学依据。

气候适宜度方法可反映农作物生长与气候条件之间的适宜程度，广泛应用于气候变化背景下农业气候资源的适宜性评估、农业气候资源的合理开发与高效利用[6-7]以及基于气候适宜度理论的产量预测、农业生态气候区划等研究[8-10]。气候品质评价方法的提出进一步实现了气候条件对作物品质优劣影响的定量评价[11-12]。本研究在系统分析巴南银针主产区茶叶种植的气候可行性以及春茶生长期气象条件的基础上，应用气候适宜度理论定量分析茶叶生长气候适宜度，利用气候品质评价方法定量评估气候品质等级，以期揭示重庆巴南银针茶叶产区茶树生产的气候优势，为深度挖掘重庆市农业气候资源、地方特色经济作物发展规划以及科学管理等提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料

重庆市巴南区二圣镇白象山茶叶产区海拔400～700 m，是巴南银针核心生产区域。建有标准化示范茶园266.67 hm2，带动和辐射茶园面积共达1333.33 hm2。主栽茶树品种有巴渝特早、福鼎大白、安吉白茶等。本文主要针对巴南银针产区优势品种“巴渝特早”，鉴定编号为国品鉴茶2014001。研究时段为春茶生长期2—5月。

气象资料来源于巴南国家基本气象站、白象山茶叶产区区域自动气象站逐日气象观测资料。气象要素包括：空气温度、极端最高气温、极端最低气温、降雨量、日照时数、空气相对湿度。土壤含水量资料来源于白象山茶叶产区范围内2套频域反射型土壤水分自动站，并采用区域土壤水分自动监测系统进行协同观测[13]。茶叶开采期观测资料来源于重庆茶业(集团)有限公司，观测资料时间为2009—2019年。茶叶品质检测资料来源于中国农业科学院茶叶研究所茶叶质量监督检验测试中心。巴南银针茶叶产区气候可行性分析采用1990—2019年共30年气象资料。气候适宜度、气候品质指数分析等，结合茶叶生育期观测有效资料，分析2009—2019年共11年气象资料。

1.2 气候适宜度模型

气候适宜度方法从系统科学观点出发，基于模糊数学方法[14-15]，以作物生育期光温水的供需关系为理论依据，综合气象因子对作物生长发育的影响，建立模糊动态模型，量化分析作物生育期气象条件。本文应用模糊数学方法，结合茶叶生长气象指标建立温度、水分、光照适宜度模型，应用几何平均法建立茶叶综合气候适宜度模型[8,16]。

基于茶树生长发育的三基点温度，应用Beta函数建立温度适宜度模型，反映茶树生长与温度的关系[17]。茶叶生长的温度适宜度模型为：

(1)

(2)

式中，PT为温度适宜度；T为茶叶生长季内的日平均气温；T1、T2、T0分别是研究时段内茶叶生长所需的最低温度、最高温度和最适宜温度。

茶树生长发育所需的水分来源主要是大气降水，另外，空气水汽也是水分来源之一，水分支出主要是茶树叶面蒸腾和土壤蒸发。以茶树生长发育需水量作为适宜水量标准[18]，综合水分收支情况，建立茶树生长水分适宜度模型为：

PR=αPG+(1-α)PH

(3)

式中，PR为水分适宜度；PG、PH分别为土壤水分适宜分量和空气相对湿度适宜分量；α为权重系数。PG、PH的计算公式分别为：

(4)

(5)

式中，H为日平均相对湿度；Hmin为研究时段内最低日平均相对湿度；R为实际降水量；E为茶园可能蒸散量。

茶树耐阴，光照过强会促进光合作用，碳代谢产物如茶多酚等增加使成茶具涩味。以日照时数达可照时数的35%～45%为适宜日照时数[1]，建立茶树生长的光照适宜度模型为：

(6)

式中，PS为光照适宜度；S、S0和S1分别为实际日照时数、35%和45%的可照时数。

茶树生长发育以及品质和产量的形成是各类气象要素综合作用的结果。为客观研究茶树生长期内气候资源适宜情况的综合动态变化，采用几何平均法建立茶叶综合气候适宜度模型为：

(7)

式中，P为综合气候适宜度；PT、PR、PS分别为温度、水分、和光照适宜度。

1.3 气候品质评价模型

气候对茶叶品质的影响是多方面的，既影响着鲜叶的色泽、大小、厚薄和嫩度，也影响着其内含物质的形成与积累，从而决定了鲜叶品质优劣和适制性，进一步影响到成茶品质。根据气象行业标准《茶叶气候品质评价》(QX/T411—2017)，按照茶叶采摘特点，采摘前15 d的平均温度、平均相对湿度、平均日照时数对鲜叶品质影响最大。选取影响茶叶品质的热量、水分、光照气象指标，采用无量纲方法对气象数据进行预处理。参照常规农业气象条件定量化等级评价标准，将气象指标划分为4个等级，分别赋值3、2、1、0。等级划分标准如下：

(8)

式中，i=1，2，3，表示不同气象指标；Mi为气象指标等级；Xi为气象指标的实际值；Ti01、Ti02，Ti11、Ti12，Ti21、Ti22分别为茶叶品质最优、优、良时气象指标的上限值和下限值。如果气象指标低于Ti21或高于Ti22，茶叶品质一般。

结合本文主要研究茶树品种“巴渝特早”的不同采摘期的气象条件及巴南银针生产实际情况，确定气象评价指标见表1。X1、X2、X3分别为鲜叶采收前15 d的平均气温、平均相对湿度、平均日照时数。

表1 茶叶气候品质的气象评价指标

应用加权指数求和法建立茶叶气候品质评定模型，计算公式如下：

(9)

式中，IACQ为气候品质评价指数(Agriculture climate quality index)；Mi为影响茶叶品质的气象指标评价等级，ai为气象指标的权重系数，由最小二乘法迭代运算得到，温度、水分、光照的权重系数分别为0.6、0.2、0.2。

气候品质评定以气候品质指数为依据，分成4级：1级(特优)、2级(优)、3级(良)和4级(一般)，见表2。

表2 茶叶气候品质等级

2 结果与分析

2.1 巴南银针茶叶产区气候可行性分析

茶树是典型的亚热带常绿植物，对于热量条件要求较高，低温冻害尤其是早春霜冻，是茶叶生产的主要气象灾害之一[19]，春茶生长期如遇霜冻灾害会导致新芽叶尖乃至整个叶片损伤受灾，从而造成巨大的经济损失；越冬期如遇超过休眠期茶树耐受下限温度的极低气温，则会造成树体不可逆转的伤害甚至死亡。因此，能否安全越冬是茶树种植可行性的首要考虑因素。

分析近30年(1990—2019年)巴南银针茶叶产区最冷月平均气温和冬季极端气温如图1所示，最冷月(1月)平均气温为6.4 ℃，月平均最低气温2.3 ℃，气候倾向率为-0.299 ℃/10a。年极端最低气温主要出现在1月，极少出现在12月和2月，年极端最低气温平均值0.39 ℃，最低值为-2.7 ℃，出现在2016年，气候倾向率0.308 ℃/10a。一般认为，休眠期茶树在-10 ℃条件下，叶片将开始焦边，-12 ℃时，冻害即开始加重[1]，巴南银针茶叶产区极端最低气温高于休眠期茶树耐受下限温度，统计年份内无冻害致灾的情况发生。

图1 1990—2019年巴南银针茶叶产区最冷月(1月)平均气温和年极端最低气温年际变化

根据《重庆市气象灾害标准》(DB50/T 270—2008)，轻度霜冻：连续≥5 d日最低气温低于2 ℃，其中任意3 d最低气温低于0 ℃；严重霜冻：连续≥7 d日最低气温低于2 ℃，其中任意5 d最低气温低于0 ℃。统计巴南银针茶叶产区近30年霜冻发生情况，如表3所示，可见统计年份内，霜冻发生年份较少，仅占13.3%，发生等级均为轻度霜冻，且发生时间一般在冬季12月至次年1月。统计年份内早春无霜冻发生，春茶生长不受影响。

表3 1990—2019年巴南银针茶叶产区冻害发生情况

春季气温回暖，茶芽开始萌发后，新梢将随着活动积温∑T(≥10 ℃)的增加而不断生长。研究显示，茶树新梢每展开一片新叶，需要90～100 ℃·d的活动积温(≥10 ℃)，不同轮次的茶树嫩梢从开始萌发到适采所需的热量因品种的差异，一般来说大致需要400～600 ℃·d的活动积温(≥10 ℃)，加上下一轮萌动前的休止期共需活动积温(≥10 ℃)约1000 ℃·d[1]。根据表4可知，近30年巴南银针茶叶产区活动积温(≥10 ℃)平均约为5600 ℃·d左右。气温≥10 ℃年日数平均为278.5 d，最多308 d(1994年)，最少248 d(2017年)，枝梢生长期长，理论上全年可以生长6～7轮新梢。

表4 1990—2019年巴南银针茶叶产区日平均气温稳定通过10 ℃及其积温统计

2.2 巴南银针春茶气候适宜性分析

2.2.1 巴南银针春茶生长期气象条件

茶树生长适宜温度范围内，温度升高可以促进酶促反应进行，利于有机物合成与积累，茶树生长加快。由巴南银针茶叶产区2009—2019年春茶生长期气温日变化箱线(图2a)可知，2月中旬以后，日平均气温在8 ℃左右，至3月上旬，日平均气温升高到10 ℃以上，进入4月，日平均气温基本维持在茶树生长最适温度15～25 ℃范围内，尤其是4月下旬，空气温度达到20～25 ℃。较低的温度条件只要没有低温冻害发生，茶芽发育缓慢，碳代谢弱，而氮代谢次生代谢产物积累，成茶品质高。随着活动积温的增加，春季第一片新叶展开，进入一芽一叶采摘期，而茶芽及第一叶茶氨酸与咖啡碱含量高于二、三、四叶以及梗、茎等组织[20-21]，适制优质绿茶。随着温度逐渐升高，新梢生长加快，儿茶素等碳的次生代谢产物积累，氮代谢减弱，茶氨酸等氮的次生代谢产物合成量降低，成茶涩味提升，鲜爽味略低，品质较前期略有下降。

图2 2009—2019年巴南银针茶叶产区春茶生长期温度(a)、土壤相对含水量(b)、空气相对湿度(c)、日照时数(d)

不考虑土壤保水能力单独讨论降水量无法科学地反映茶树与水分的供需关系，除了生理需水的供应外，生长环境空气湿度对于茶叶品质的形成也很重要。

茶树生长环境水分供需关系体现在土壤含水量的丰寡。土壤含水量不仅影响茶树根系生长情况，也会影响到茶树新梢的生长速度与质量。茶树生长期间，土壤湿度宜在田间持水量的65%以上，最适宜区间为75%～95%[1]。由巴南银针茶叶产区2009—2019年春茶生长期0～50 cm土层平均土壤相对含水量日变化箱线(图2b)可知，在春茶生长期，巴南银针茶叶产区0～50 cm土层平均土壤相对含水量维持在最适土壤含水量及其以上范围，平均值为90.5%，最大值95.7%，最小值86.6%，土壤水分条件较为稳定。个别年份的4月中旬至5月上旬会出现土壤相对含水量大于100%的过饱和情况，主要是因连续降水引起水分短时蓄积，无长期土壤水分过饱和情况发生。

在空气相对湿度较高的环境条件下，茶树新梢持嫩性好，叶片薄而大，内含物质丰富，成茶品质好。茶树在生育期间一般需要80%以上的空气相对湿度，午后湿度较低的时候，空气相对湿度至少也要在70%以上[1]。由巴南银针茶叶产区2009—2019年春茶生长期日平均空气相对湿度日变化箱线(图2c)可知，春茶生长期内巴南银针茶叶产区的空气相对湿度均维持在较高水平，平均值为80%，最小值67.3%，最大值91.2%。日平均空气相对湿度在70%以上的日数占统计日数的80%以上。较高的空气相对湿度条件下，茶园蒸散较弱，植株中的水分将多用于形成更多柔嫩的新梢。

茶树耐阴喜散射光，适宜光照，以低于45%可照时数为宜。巴南银针茶叶产区地处中高海拔的丘陵山地，空气湿度大，常呈云雾弥漫的水汽饱和状态，因之形成的散射光条件有利于茶树氮代谢以及氮的次生代谢产物等品质成分的形成。由巴南银针茶叶产区2009—2019年春茶生长期日照时数日变化箱线(图2d)可知，春茶生长期日照时数日平均为3 h，最大值10 h，最小值0.6 h，平均值小于45%可照时数的日数占到整个春茶生长期的98%。光照条件对新梢叶片持嫩性与品质的保持有利。

2.2.2 巴南银针春茶生长期气候适宜度

分析巴南银针茶叶产区春茶生长期2—5月茶叶气候适宜度(表5)可知，2月气温适宜度平均值接近0.6，水分适宜度与光照适宜度在较低水平，平均值分别为0.52和0.38，但统计年份内，温度、水分与光照适宜度最大值分别为0.66、0.57、0.44，综合气候适宜度的最大值可达0.52，表示某些年份温度、水分与光照条件匹配较好，气候条件总体较为适宜，印证了个别年份春茶独芽开采期可提早到2月中旬甚至2月上旬的实际观测情况。进入3月，气温适宜度平均值维持在较高水平，平均值为0.8，水分适宜度、光照适宜度平均值分别约为0.62、0.57，综合气候适宜度平均值达到0.63，此时气候条件较好，茶树新芽和春梢开始生长，一般于3月上旬进入一芽一叶采摘期。4—5月温度适宜度平均值在0.9以上，水分适宜度平均值在0.6以上，光照适宜度平均值在0.7以上，综合气候适宜度平均值为0.74～0.77。可见气候条件达到茶树生长的适宜范围，枝梢生长较快，但也因此品质成分积累会受到影响，成茶品质较前期略有下降。

表5 2009—2019年巴南银针茶叶产区春茶生长期(2—5月)逐月气候适宜度

由巴南银针茶叶产区气象条件适宜度日变化(图3)，结合茶叶历年开采期观测资料，在独芽开采期综合气候适宜度平均为0.54，气温适宜度稳定且数值较高，水分与光照适宜度变化波动较大，但低于气温适宜度，说明水分与光照条件是该时期茶叶生长的主要限制因素。从一芽一叶采摘期开始计算，热量条件适宜性较高，平均值0.90以上，光照适宜度次之，平均值0.70以上，水分适宜度略低，但平均值也在0.60以上，能够满足茶树生长适宜需水量。2—5月综合气候适宜度在进入一芽一叶采摘期后迅速的增大，并维持在0.75左右的较高水平，说明该茶叶产区春茶生长期气候条件优良，适宜茶树生长以及优质茶生产。

图3 2009—2019年巴南银针茶叶产区春茶生长期逐日平均气候适宜度

2.3 巴南银针春茶气候品质评价

巴南银针是重庆针形绿茶的代表，具有外形挺直秀丽，绿润显毫，嫩香持久，滋味鲜爽回甘等特点。茶多酚、氨基酸、咖啡碱等是茶叶滋味品质决定因素。而气象条件如温度、水分、光照等均会影响茶树体内酶促反应的进行，碳代谢的次生代谢产物如茶多酚[22-24]以及氮代谢的次生代谢产物如氨基酸、咖啡碱[25-27]合成积累量因而受到影响。因此茶叶产区的气候条件是决定成茶品质的重要因素。

以茶叶采收前15 d的平均气温、平均相对湿度、平均日照时数为评价指标，基于茶叶气候品质评价模型，得到2009—2019年春茶生长期茶叶气候品质日变化箱线(图4)所示，春茶生长期茶叶气候品质日变化呈现单峰型变化特征。结合历年开采期日期，2月初至独芽开采期，茶叶气候品质指数保持平稳，在1.1～1.4之间有所波动。进入一芽一叶开采期以后，气候品质指数迅速上升，一直到清明节气(4月3—4日)前，气候品质指数由1.3上升到2.8，但是这一时期气候条件年际差异较大，导致历年茶叶的气候品质差异也较大。其后直到谷雨节气(4月19—21日)，气候品质指数维持在2.5左右，且该时期历年茶叶气候品质较为稳定，年际差异小，根据表2茶叶气候品质分级，3月底清明节气前一直到谷雨节气，茶叶气候品质等级均为1级，这也与通俗意义所讲的“明前茶”、“雨前茶”所代表的茶叶品质涵义相一致。谷雨过后，气候品质指数逐渐下降，到春茶采摘结束，气候品质指数降至1.8，但仍处于2级。该时期气候品质年际差异较大，主要是由于进入5月历年气温差异较大，温度升高过快新梢迅速生长会导致茶叶品质成分积累不足，品质下降。

图4 2009—2019年巴南银针春茶生长期气候品质评价指数

综合判定巴南银针茶叶气候品质等级，在整个春茶生长期，巴南银针茶叶气候品质等级平均值在2级及以上，清明前后直至谷雨节气，气候条件稳定，适宜优质茶生产，茶叶气候品质等级维持在1级。以2019年为例对春茶品质成分进行跟踪检测(2月15日至5月30日)得到，春茶茶多酚含量在20%～24%，游离氨基酸含量在3%～4%，酚氨比在4.95%～5.91%，且随时间变化表现出明显的变化特征。通常认为酚氨比低于7%适宜制作绿茶[28-29]，由品质成分检测结果可知，气候品质指数评价结果与春茶生长期茶叶品质指标实测情况相符合，巴南银针茶叶产区气象条件有利于优质春茶的形成。

3 结论与讨论

本文系统分析巴南银针茶叶产区气候条件以及春茶生长期影响茶树生长与茶叶品质形成的主要气象条件，基于气候适宜度理论以及气候品质评价方法定量分析巴南银针茶叶产区茶叶生长的气候适宜性以及气候品质等级，得到以下结论：

(1)巴南银针茶叶产区积温条件优越，满足茶树生长热量需求，新梢抽发轮次多，能够获得较高的茶叶产量。越冬期极端最低气温高于茶树耐受温度，且无早春霜冻发生，能够确保茶树越冬以及春茶生长的安全性。

(2)巴南银针茶叶产区春茶生长期，热量、水分、光照条件优越，能够满足春茶生长期的气象条件需求。热量条件充足促进春茶及早进入开采期，水分条件保证春茶生长水分供应的同时，高湿条件营造了散射光条件，共同决定的新梢的持嫩性以及春茶品质的形成。根据气候适宜度理论计算得到，在春茶生长期，气候适宜度维持在较高水平，从一芽一叶开采期开始计算，平均值0.75，表明该茶叶产区气候条件优越，适宜茶树的种植以及优质茶生产。

(3)巴南银针春茶气候品质等级维持在2级到1级，气候条件有利于优质茶生产。基于气候品质评价方法，得到巴南银针春茶多年平均气候品质等级在2级及以上，早春气候条件年际差异大，进入开采期时间以及茶叶品质等级不稳定；清明节气前一直到谷雨节气，历年茶叶气候品质较为稳定，年际差异小，茶叶气候品质等级稳定在1级；进入5月历年气温差异较大，如遇升温过快则品质下降，但总体春茶生长时段茶叶气候品质等级均维持在2级及以上的较高水平。

本文以区域自动气象站为主要数据来源进行气候适宜度与气候品质指数的定量计算，但是由于茶园山地地形的特殊性，会导致局地小气候如不同地势、坡向、海拔的气象条件有所差异，在后期研究中，可从增设代表性观测站点，做进一步精细化山地地形小气候对茶树生长与品质形成的研究。另外，由于品质成分跟踪监测资料有限，后期可继续积累资料，针对气候条件与品质成分形成的影响机制做深入研究。