基于最大熵模型的重庆市茶叶种植适宜性研究

冷洪旭　何　静　高荣生　任照环

基于最大熵模型的重庆市茶叶种植适宜性研究

冷洪旭1何静2高荣生1任照环2

（1.重庆莱霆防雷技术有限责任公司重庆400023；2.重庆市防雷中心重庆401147）

文章基于已有的茶叶区划成果，筛选出的影响茶叶种植分布的可能因子，利用最大熵模型和ArcGIS软件对重庆市茶叶种植适宜性进行研究。结果表明：茶叶种植适宜区占重庆总面积的58%；高适宜区主要分布在重庆西部的荣昌、大足、永川、铜梁、璧山、合川，西南部的江津、綦江、万盛、南川，东北部的开州、巫溪，以及东南部的秀山、酉阳等地；影响重庆市茶叶分布的主要因素有气温年较差（31.06%）、海拔高度（26.24%）、≥10 ℃积温（10.15%）、年降水量（6.15%）、7月平均气温（5.38%）、湿润指数（5.02%）等。

茶叶；最大熵模型；影响因子；适宜性评价

近年来，随着人们生活水平的提高，重庆市茶叶产销量屡创新高。截至2021年年底，重庆市茶园总面积达105.19万亩，投产面积达72.03万亩，茶叶产量4.87万t，茶叶综合产值44.53亿元[1]。随着重庆茶产业的发展，相关的研究也逐渐增多，但这些研究多集中在产品安全[2-3]、生产工艺[4-5]、产品特性[6]、茶树品种[7]、茶文化[8]等方面，对茶叶种植区划的研究较少。因此，本文利用最大熵模型，从整个重庆区域出发筛选出影响茶叶种植分布的主要影响因子。同时，结合统计学原理及联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告对“可能性”的阐述，对重庆市茶叶种植的适宜性等级进行划分，以期为优化重庆市茶叶种植布局，实现茶叶高产优质提供理论支持。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本文分析所用的数据主要包括重庆市茶叶地理分布数据、茶叶产量数据、气候资料、地理信息数据。利用天眼查（https://www.tianyancha.com/）查找茶商注册地，然后利用GoogleEarth影像地图在注册地附近查找确定茶园具体经纬度，去除不能确定具体位置的数据，共获得茶叶分布点158个。茶叶产量数据来源于《重庆统计年鉴》，气象资料来自重庆市气象数据共享平台（http://172.24.176.19/cqweb/index.php，重庆市气象局内网），包括34个区县1981年—2010年的数据。DEM数据来源于中科院地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/）SRTMDEMUTM 90M分辨率数字高程数据，数据处理软件为ArcGIS 10.2。

1.2 分析方法

1.2.1 茶叶分布的影响因子筛选

基于已有的茶叶区划[9-11]，结合自然植被区划，选取以下10个具有明确生物学意义的可能对茶叶分布造成影响的环境因子（见表1）。

其中，≥0 ℃积温和≥10 ℃积温采用累积法计算，公式如下[12]：

指数用Holdridge生命地带分类方法计算：

式（2）中，为一年的降水量，式（3）中，为介于0 ℃与30 ℃之间的日平均气温。

因此，可计算出1981年—2010年每年各个气象站的9个气候指标值，再求平均值，得到气候标准年（1981年—2010年）各气候指标的平均值。

表1茶叶种植分布的影响因子

影响因子计算方法意义 ≥0 ℃积温5 d滑动平均法适宜农耕期内的热力资源 ≥10 ℃积温5 d滑动平均法喜温植物生长期或喜凉植物旺盛生长期内的温度强度和持续时间 年平均气温年总的热量资源 年降水量年总的水分条件 1月平均气温1月平均气温农作物越冬条件 7月平均气温7月平均气温喜温作物所需的高温条件 气温年较差7月平均气温与1月平均气温之差一年中平均气温的变化幅度 湿润指数降水量与潜在蒸散的比值某一地区干、湿程度的指标 海拔高度某一地点与海平面的高差常对植物的分布起决定作用 年日照时数年总的辐射资源

1.2.2 模型介绍

1957年，Jaynes提出了最大熵原理（theprincipleofmaximumentropy）[13]：当根据少量已知信息进行推理时，必须选择具有最大的熵，并且服从所有的已知信息的一组概率分布。换言之，就是在已知信息不全面时，要对分布情况做出推断，符合已知条件的概率分布可能有很多个，这时应该选取符合已知条件而且熵最大的概率分布，这个分布是最客观的，任何其他选择都表示人为地给它增加了约束。2004年，StevenPhillips等人利用Java语言开发了MaxEnt软件，极大地促进了最大熵模型（maximumentropymodel）在各行业的应用。

MaxEnt软件计算的时候需要2组数据：一组是研究区域内的茶叶位置数据，另一组是研究区域的环境因子数据。本研究首先整理出重庆市茶叶分布的坐标数据，保存为CSV文件；然后利用ArcGIS的空间插值功能，生成10个环境因子的栅格数据，以ASCⅡ码格式存储。将两组数据导入MaxEnt软件，并将最大迭代次数设置为500，收敛阈值设置为10-5，计算得到茶叶分布概率数据，存储格式为ASCⅡ码。将茶叶分布概率数据导入ArcGIS中，即可得到茶叶概率分布图，并将茶叶分布的适宜性划分为不适宜区、低适宜区、中适宜区、高适宜区四个等级。

2 结果分析

2.1 模型准确性评价

采用最大熵模型模拟输出的ROC曲线的AUC值评估模型模拟的准确性。ROC曲线是以预测结果的一个值作为可能的判断阈值，由此计算得到相应的灵敏度和特异度。AUC值取值范围为0.5～1，越接近1说明预测的结果越好，其模型预测的结果就越准确。AUC值为0.5～0.6失败，0.6～0.7较差，0.7～0.8一般，0.8～0.9好，＞0.9非常好。结果表明，基于可能影响因子的AUC值达0.811（见图1），拟合结果准确性达到好的标准，表明最大熵模型可用于茶叶潜在分布模拟。

2.2 主导影响因子筛选及分布概率关系

根据参与模型建立的影响因子对最大熵模型的贡献率，可以判断影响茶叶分布的主要因子见表2。

表2重庆市茶叶分布的影响因子贡献率和累积贡献率

影响因子贡献率/%累积贡献率/% 气温年较差31.0631.06 海拔高度26.2457.30 ≥10 ℃积温10.1567.45 年降水量6.1573.60 7月平均气温5.3878.99 湿润指数5.0284.00 年日照时数3.8587.85 年平均气温2.6890.53 1月平均气温2.3192.84

茶是一种亚热带的多年生植物，具有喜温喜湿的特点，属于阴性植物，对生长的气候条件要求较为严苛。由图2可以看出，气温年较差低于19.7 ℃时，茶叶存在的概率较高，超过19.7 ℃时，茶叶存在的概率迅速降低；最适宜茶叶分布的海拔高度为300 m～900 m；活动积温超过5 800 ℃时，茶叶存在概率迅速上升，到6 100 ℃左右概率最大，超过6 100 ℃后存在概率又迅速降低，说明茶虽为喜温作物，但过高的气温也会影响其分布；当年降水量超过1 000 mm后，茶叶存在概率迅速上升，1 050 mm时达最大值，之后又迅速降低，这可能与茶喜湿但又怕涝的特性有关；当7月平均气温超过26 ℃时，茶叶存在概率迅速降低，说明夏季过高的气温也会对茶叶的分布造成负面影响；当湿润指数超过1后，茶叶存在的概率迅速上升，湿润指数到1.2时存在概率达最大值。

图2　茶叶分布概率与各影响因子关系

2.3 重庆市茶叶可能种植分布区及其适宜性划分

参考IPCC第四次评估报告关于评估可能性的划分方法，结合重庆市茶叶种植分布实际情况，得出茶叶气候适宜等级分区标准如下：＜0.05为气候不适宜区；0.05≤＜0.3为气候低适宜区；0.3≤＜0.5为气候中适宜区；≥0.5为气候高适宜区。对重庆市茶叶种植的适宜性等级进行划分，不适宜区域占9.8%，低适宜区域占32.2%，中适宜区域占39.7%，高适宜区域占18.3%。中度适宜及高适宜区占重庆总面积的58%，可见重庆的亚热带湿润季风气候较宜于茶叶的种植。高适宜区主要分布在重庆西部的荣昌、大足、永川、铜梁、璧山、合川，西南部的江津、綦江、万盛、南川，东北部的开州、巫溪，东南部的秀山、酉阳等地。表3为2018年重庆各区县茶叶产量（产量大于400 t），可见茶叶产量大的地区都是适宜性较高的地区，也说明了本划分较为合理。

表32018年重庆市各区县茶叶产量（产量大于400 t）

区县茶叶产量/t区县茶叶产量/t区县茶叶产量/t 秀山县7 005江津区1 577黔江区689 永川区6 317万州区1 390梁平区650 巴南区4 171大足区1 014城口县640 璧山区3 854涪陵区852垫江县631 南川区3 577巫溪县816铜梁区547 綦江区（含万盛）2 420开州区713奉节县423 酉阳县1 780潼南区711巫山县402

3 结论和讨论

3.1 结论

本研究在已有茶叶种植区划的基础上，筛选出10个具有明确生物学意义的可能对茶叶分布造成影响的环境因子，利用最大熵模型和ArcGIS软件对重庆市茶叶种植适宜性进行研究，得到以下结论。

（1）基于可能影响因子的AUC值达0.811，拟合结果准确性达到好的标准，表明最大熵模型可用于茶叶潜在分布模拟。

（2）所选因子中共有6个对计算结果的贡献度大于或接近于5%，由高到低依次为气温年较差（贡献率31.06%）、海拔高度（26.24%）、10 ℃积温（10.15%）、年平均降水量（6.15%）、7月平均气温（5.38%）、湿润指数（5.02%），累积贡献率高达84%。重庆最适宜茶叶种植的条件为气温年较差低于19.7 ℃，海拔高度300 m～900 m，活动积温6 100 ℃左右，年降水量1 100 mm左右，7月平均气温低于26 ℃，湿润指数大于1.2。

（3）重庆市茶叶种植适宜区占总面积的58%，高适宜区主要分布在重庆西部的荣昌、大足、永川、铜梁、璧山、合川，西南部的江津、綦江、万盛、南川，东北部的开州、巫溪，东南部的秀山、酉阳等地，这与实际状况基本相符。

3.2 讨论

本研究中虽然考虑了气候、地形等因素，但未考虑土壤类型、水资源利用、物种间相互作用等其他因素对茶叶分布格局的影响，这使得对茶叶种植适宜区分布的预测有一定的局限性，结果可能与实际情况存在差异，需要进一步分析研究。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.09.06

S571.1

A

2095-1205(2022)09-19-04

冷洪旭（1986- ），男，汉族，重庆璧山人，本科，助理工程师，研究方向为雷电科学与防护技术、综合气象观测。