CN114298505A - 一种茶叶霜冻指数评估方法 - Google Patents

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娄伟平
邓盛蓉
孙科
杨鸣
朱涛
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Abstract

本发明涉及农业损失评估技术领域，具体地说涉及一种茶叶霜冻指数评估方法。我国茶叶霜冻评估方法用有效积温、某一界限温度或某期的平均气温确定茶芽萌发期，不考虑茶芽萌发率动态变化，造成霜冻损失评估、实际值很大的误差。本发明提供了一种茶叶霜冻指数评估方法，包括以下步骤：采集茶树生长、气象数据；建立茶叶霜冻指数；建立模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型和茶芽萌发初始日期预测模型；建立茶芽萌发率温度响应曲线模型；确定茶芽萌发率；据茶芽萌发率和茶叶霜冻气象指标，评估茶叶霜冻指数。本发明能准确评估春季霜冻对茶叶生产的影响，具有高的适用性，能实时评估茶叶霜冻等级或据气象预报预测冷空气影响过程茶叶霜冻等级。

Description

一种茶叶霜冻指数评估方法
技术领域
本发明涉及农业损失评估技术领域，更具体地说涉及一种茶叶霜冻指数评估方法。
背景技术
茶是世界三大饮品之一，2019年11月27日第74届联合国大会宣布每年5 月21日为“国际茶日”，体现了国际社会对茶叶价值的认可与重视。联合国粮农组织总干事屈冬玉指出，茶具有重要经济价值，很多茶叶产区都处于贫困之中，这些地区需要茶产业带动经济发展。中国是茶树的原产地，也是世界上茶叶主要生产国。2017年中国茶叶产量255万吨，居世界第一，世界上大约80％的绿茶出口来自中国。目前中国有20多个省份种植有茶树。与其它经济作物相比，茶树适应性广、适应山地种植、茶叶耐贮藏、运输方便、经济价值高，茶叶生产已成为山区农民的主要经济收入来源之一，开展茶叶生产也成为贫困山区脱贫的主要途径。
春茶因品质好，价格高，已成为茶农从事茶叶生产的主要经济来源。但我国茶区春季冷空气影响频繁，经常出现霜冻灾害，给茶叶生产造成严重的经济损失，影响茶叶生产的经济效益。如2010年2～3月，全国大部茶区进入春茶采摘期，由于出现突如其来的低温、降雪、霜冻等灾害性天气，使全国茶产区近 50％的茶园遭受打击，采摘时间推迟，茶叶品质下降，全国春茶产量比2009年下降20％，茶农损失惨重；其中，浙江省茶叶因霜冻直接经济损失达20亿元。
茶树是一种多年生植物，评估春季霜冻过程造成的茶芽冻害率与其它作物不同。首先由于每年冬季温度不同，年际间茶芽内休眠时期变化较大；其次，晚冬早春温度起伏大，茶芽生态休眠长度，由生态休眠期间有效积温和低于茶芽开始内休眠时界限温度以下的低温累积量值之间的竞争结果决定；第三茶叶是利用萌发后达到一定标准的茶芽制作而成，而茶芽开始萌发后，茶芽萌发率是一个动态增加过程，因此不同茶芽萌发时期下出现的霜冻造成的茶芽伤害率是不同的，对茶叶经济产出是不一样的。
目前，我国采用的茶叶霜冻评估方法采用有效积温、通过某一界限温度或利用某一时期的平均气温来确定茶芽萌发期(或开采期)，不考虑茶芽萌发率动态变化过程，这会造成霜冻损失评估值和实际值之间很大的误差。
其一，采用有效积温确定茶芽萌发期对应霜冻损失的评估方法。假设第一年晚冬早春温度稳定升高，茶芽在10℃以上有效积温达到100℃.day时就开始萌发，但第二年在10℃以上有效积温达到60℃.day时出现了持续数天温度在5℃以下的低温天气，第二年茶芽开始萌发就有可能需要10℃以上有效积温达到 120℃.day(甚至更多)。
其二，采用通过某一界限温度确定茶芽萌发期对应霜冻损失的评估方法。由于没有考虑茶芽内休眠结束时间和通过界限温度前后温度变化情况，确定的开采期和实际值相差较大。
其三，采用某一时期的平均气温确定茶芽萌发期对应霜冻损失的评估方法。晚冬早春温度起伏大，由于没有考虑该时期前后温度变化情况，确定的开采期和实际值相差较大。
其四，采用不考虑茶芽萌发率动态变化过程的霜冻损失评估方法。茶芽萌发是一个动态过程，该方法不能准确评估霜冻过程对多少茶芽造成伤害，造成茶叶霜冻对茶叶产出的损失评估值和实际值之间很大的误差。
由于缺少合理的损失评估方法，造成了损失评估误差大，不能正确反映一地茶叶霜冻情况。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术之不足，提供一种能准确评估春季霜冻对茶园茶芽伤害情况的评估方法。
一种茶叶霜冻指数评估方法，包括以下步骤：
1)收集茶叶生产地气象数据、茶树品种资料、茶芽休眠数据、茶芽萌动数据、气象灾害影响过程茶树芽叶受害数据、反映茶树芽叶生长的物候期数据、茶叶从春茶开始采摘到春茶采摘结束逐日生产数据；
2)根据收集的茶叶生产地气象数据、茶树品种资料、气象灾害影响过程茶芽受害数据，建立茶叶霜冻指数；
3)根据采集的数据，建立模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型和茶芽萌发初始日期预测模型；
4)根据采集的数据，建立茶芽萌发率温度响应曲线模型；
5)根据气象条件确定茶芽萌发率；
6)根据茶芽萌发率和茶叶霜冻气象指标，评估茶叶霜冻指数。
作为对上述方案的进一步完善和补充，本实用新型还包括以下附加技术特征：
所述的步骤2中，茶叶霜冻指数按单位面积茶树叶蓬上受冻伤的芽占芽总数的百分比分为10级，0表示茶芽没有受冻伤。
所述的步骤3中，茶芽冬季内休眠冷驯化过程中，给定日期t的有效低温累积量(CRt)由下式决定：
Figure RE-GDA0003538332730000031
式中n为进入休眠期的天数，n＝1表示进入休眠期的第1天，Ta,n为第n天的日平均温度，Tta为茶树秋季开始内休眠时的界限温度，k、c为遗忘曲线模型参数。
CRt达到茶树品种内休眠结束所需低温累积量值(CRde)或日照时间达到茶树品种内休眠结束所需日照时长(Pde)时，茶芽从内休眠进入生态休眠。茶芽进入生态休眠第de天有效积温(GDDde)由下式决定：
Figure RE-GDA0003538332730000041
式中Te为茶芽生态休眠期间的界限温度值。令：
AFt＝CRend+de+GDDde (3)
式中end为内休眠日数。当AFt达到临界值(AFct)时，生态休眠被解除，茶芽开始萌发(即茶芽萌发率首次超过0％)。
所述的步骤4中，茶芽开始萌发后第t天的萌发率(Pb,t)由下式决定：
Figure RE-GDA0003538332730000042
式中T50是一天中茶芽萌发率达到50％时的日平均温度，Ta,t为第t天的日平均温度，a为茶芽萌发率温度响应曲线模型(logistic模型)参数；t-1＝0时，Pb,0＝0。
所述的步骤3和4中，模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型、茶芽萌发初始日期预测模型和茶芽萌发率温度响应的logistic曲线模型中的参数，采用最小化茶芽萌发率估计值和观测值之间的均方根误差(RMSE)来评估，并采用双重交叉验证模型参数。
所述的步骤5中，根据历史日平均温度和日最低温度数据结合间距在6km 以内的气象观测站数据和数字高程模型(DEM)，采用支持向量机模型建立日平均温度和日最低温度随地形变化的拟合模型，计算得到5×5m2网格上的日平均温度和日最低温度，预测温度数据利用智能网格预测数据、数字高程模型(DEM) 和支持向量机模型插值到5×5m2的网格上。
所述的步骤2中，已萌发茶芽受霜冻害的气象指标是茶树所在地离地1.5m处气温≤0℃。
使用本发明可以达到以下有益效果：
1、采用模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型和茶芽萌发初始日期预测模型确定茶芽萌发期，和采用有效积温、通过某一界限温度或利用某一时期的平均气温来确定茶芽萌发期相比，确定的萌发期和实际值相符。
2、采用茶芽萌发率动态变化过程的评估方法，不考虑茶芽萌发率动态变化过程的霜冻损失评估方法相比，避免了茶芽萌发动态变化对霜冻损失评估的误差。
综上所述，本发明的方法能准确评估春季霜冻对茶叶经济产出的影响，具有高的精度、适用性，并且能实时评估霜冻造成的茶芽伤害率，为减轻霜冻造成的茶叶经济损失提供科学依据。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明中确定网格茶芽霜冻指数的流程图。
图3是本发明中浙江新昌的天气统计图。
图4是本发明中浙江新昌大明茶场3月2日-3月16日的气温统计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
如图1-4所示，本发明为一种茶叶霜冻指数评估方法。
下面先对茶树休眠期进行一下解释。
休眠是指含有分生组织的植物结构可见生长的暂时停止，它是植物发育中的一个周期性时期，是植物在进化中形成的一种对环境条件和季节性气候变化的生物学适应。茶树是多年生植物，在冬季因为要遇到严寒酷冻，为了生存下去，必须通过芽休眠来提高抗寒性以适应越冬期间的严寒。内休眠指由植物外部结构控制的休眠，为休眠结构本身的生理因素(如低温需要，光周期反应) 所调节，即使在环境条件有利，并且也没有附近器官的限制，休眠结构亦不能生长，此时外源生长激素的影响极其微弱。在秋季温度下降到一定温度以下或日照长度小于一定时长，茶芽进入内休眠。茶芽进入内休眠后，满足一定的需冷量或日照长度大于一定时长，茶芽内休眠解除，进入生态休眠。生态休眠是指由于环境条件引起的休眠，如营养亏缺、水分胁迫、光照、氧气不足、温度不适宜等。茶芽进入生态休眠后，满足一定的热量条件，茶芽恢复生长，开始萌发。
茶树新梢一般日平均温度在10℃左右时，开始萌动，14-16℃开始伸长，叶片展开，17-30℃生长迅速。如气温降到10℃以下时，茶芽停止生长。在采摘条件下的茶树新梢，每轮平均生长期，一般在40天左右，但因品种、气候等因素的不同，短的30多天，长的要70-80天。展开一片新叶，短的2-3天，长的15-18 天，一般在7天左右。在我国大部分四季分明的茶区，新梢的形成是有季节性的。从春季茶芽萌动到冬季休眠，要经历7-9个月。在我国南方茶区(如海南岛等)，虽然在同一新梢上，仍然有生长期和休止期可分。但由于气温终年较高，就同一株茶树而言，新梢全年均可陆续萌发生长。仅因雨量分布不均(有旱季和雨季)新梢生育有快慢之分，却没有明显休眠期。而在北方寒冷较长的茶区 (如山东)，茶芽生长期5-6个月，近6-7个月处于休眠状态。
目前茶树休眠，茶树种植在北纬49到南纬35之间的地域内。在赤道或靠近赤道地区，茶树在一年内的月产量分配比较均衡。但在远离赤道四季分明的地区，茶树在冬季进入休眠状态，一般说来，休眠的时间随着纬度增加而增加。
茶树还借助休眠状态(被迫休眠)以忍受不适宜的环境，使生活周期可以顺利的进行。在我国大部分产茶区，晚秋气温还适宜茶芽生长的范围，茶树就停止发芽，枝叶制造的光合产物主要积贮在根、茎。入冬后，内部贮藏的淀粉又转变为糖，以提高细胞液的浓度，增强了植株的抗寒力。茶树进入被迫休眠以后，生长芽被富有蜡质的鳞片所包围，形成所谓冬芽。这种鳞片对芽起着机械性保护作用，防止冬芽失水，以利安全越冬。
越冬后的茶树，当春季气温回升时，又重复第二个年周期的活动。
茶树冬季休眠最主要的两个因素是温度和日照长度。不能完全推诿于低温。因为在靠近赤道的高海拔地区，虽然那里的温度甚至还高于平原区的冬季温度，但茶树却周年萌发新梢；相反在这个平原区却三个月的休眠期。在我国四季分明的广大茶区，在晚秋季节尽管温度仍在茶芽适宜生长的范围，但新梢早就停止发芽。这说明茶树休眠亦受日照长度控制的。
根据从赤道到北纬或南纬的某些种茶地区的每月产量分布和平均昼长的资料表明，当冬季的白天至少有六周短于11小时15分钟这个临界值时，茶树就要通过一个完全的休眠期。这个黑夜的时间愈长，休眠期也愈长。从杭州茶树新梢生育进程观察，这个临界值正处在霜降时节(十月下旬)，白天日照时数为 11时13分钟，茶树已渐处休眠。因此茶树的冬季休眠可能是由于短的白昼(或长的默认)通过影响树体内部生长调节剂而产生的结果。当然日照长度与低温通常也是相互影响的。
本实施例所述的茶叶霜冻指数评估方法，包括以下步骤：
1)收集茶叶生产地气象数据、茶树品种资料、茶芽休眠数据、茶芽萌动数据、气象灾害影响过程茶树芽叶受害数据、反映茶树芽叶生长的物候期数据、茶叶从春茶开始采摘到春茶采摘结束逐日生产数据；
如浙江新昌的天气统计见附图3：
如浙江新昌大明茶场2019年3月2日乌牛早茶树进入开采期，大明茶场3 月气温见附图4：
资料收集的越详细，评估的数值越接近现实。
2)根据收集的茶叶生产地气象数据、茶树品种资料、气象灾害影响过程茶芽受害数据，建立茶叶霜冻指数；
3)根据采集的数据，建立模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型和茶芽萌发初始日期预测模型；
4)根据采集的数据，建立茶芽萌发率温度响应曲线模型；
5)根据气象条件确定茶芽萌发率；
6)根据茶芽萌发率和茶叶霜冻气象指标，评估茶叶霜冻指数。
进一步地，所述的步骤2中，茶叶霜冻指数按单位面积茶树叶蓬上受冻伤的芽占芽总数的百分比分为10级，0表示茶芽没有受冻伤，1到10级，数值越大，冻伤的芽占芽总数的百分比越大。
进一步地，所述的步骤3中，茶芽冬季内休眠冷驯化过程中，给定日期t 的有效低温累积量(CRt)由下式决定：
Figure RE-GDA0003538332730000081
式中n为进入休眠期的天数，n＝1表示进入休眠期的第1天，Ta,n为第n天的日平均温度，Tta为茶树秋季开始内休眠时的界限温度，k、c为遗忘曲线模型参数；
CRt达到茶树品种内休眠结束所需低温累积量值(CRde)或日照时间达到茶树品种内休眠结束所需日照时长(Pde)时，茶芽从内休眠进入生态休眠。茶芽进入生态休眠第de天有效积温(GDDde)由下式决定：
Figure RE-GDA0003538332730000091
式中Te为茶芽生态休眠期间的界限温度值；令：
AFt＝CRend+de+GDDde (3)
式中end为内休眠日数。当AFt达到临界值(AFct)时，生态休眠被解除，茶芽开始萌发(即茶芽萌发率首次超过0％)。
进一步地，所述的步骤4中，茶芽开始萌发后第t天的萌发率(Pb,t)由下式决定：
Figure RE-GDA0003538332730000092
式中T50是一天中茶芽萌发率达到50％时的日平均温度，Ta,t为第t天的日平均温度，a为茶芽萌发率温度响应曲线模型(logistic模型)参数；t-1＝0时，Pb,0＝0。
以浙江省新昌县明福茶场乌牛早茶树霜冻指数评估为例，根据历年茶树生长资料，确定公式(1)～(4)中的参数见表1。
表1公式(1)～(4)中的参数
参数 T<sub>ta</sub> k c T<sub>e</sub> CR<sub>de</sub> AF<sub>ct</sub> T<sub>50</sub> a
值 9.7℃ 12.1 3.2 -3.7℃ -184.6℃.d 56.3℃.d 31.9℃ -0.137
茶树结束休眠的临界日照时长(Pde)为11时15分，新昌县明福茶场出现在2月17日。
表2茶叶霜冻指数及对应的茶芽冻伤率
Figure RE-GDA0003538332730000101
2020年12月11日，日平均气温稳定通过9.7℃，新昌县明福茶场乌牛早茶树在12月11日进入内休眠期。根据明福茶场气象站资料和公式(1)计算，在2021年1月20日有效低温累积量(CRt)达到-185.1℃，乌牛早茶树在该日结束内休眠，进入生态休眠状态。根据公式(2)和公式(3)计算，2021年2 月8日、9日和10日AFt分别为47.0℃.d、56.3℃.d、65.8℃.d，乌牛早茶树在2月9日茶芽开始萌发。根据公式(4)计算得到茶芽逐日萌发率见表3。
表3明福茶场乌牛早茶树逐日萌发率
日期 9日 10日 11日 12日 13日 14日 15日 16日 17日 18日
萌发率(％) 3.5 7.0 11.4 16.2 22.9 30.0 36.1 40.2 43.3 45.6
日期 19日 20日 21日 22日 23日 24日 25日 26日 27日
萌发率(％) 48.8 54.5 62.0 71.0 76.5 82.1 91.8 96.5 100.0
2月18日，明福茶场气象站最低气温为-3.2℃，造成该日已萌发的茶芽冻伤，从表3可知茶芽冻伤率为45.6％，对应表2，本次霜冻过程明福茶场气象站所在地乌牛早茶树的霜冻指数是5。
进一步地，所述的步骤3和4中，模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型、茶芽萌发初始日期预测模型和茶芽萌发率温度响应的logistic曲线模型中的参数，采用最小化茶芽萌发率估计值和观测值之间的均方根误差(RMSE) 来评估，并采用双重交叉验证模型参数。
进一步地，所述的步骤5中，根据历史日平均温度和日最低温度数据结合间距在6km以内的气象观测站数据和数字高程模型(DEM)，采用支持向量机模型建立日平均温度和日最低温度随地形变化的拟合模型，计算得到5×5m2网格上的日平均温度和日最低温度，预测温度数据利用智能网格预测数据、数字高程模型(DEM)和支持向量机模型插值到5×5m2的网格上。
考虑到茶园地形起伏造成温度空间分布不一致，根据历史日平均温度和日最低温度数据结合间距在6km以内的气象观测站数据和数字高程模型(DEM)，采用支持向量机模型建立日平均温度和日最低温度随地形变化的拟合模型，计算得到5×5m2网格上的日平均温度和日最低温度，预测温度数据利用智能网格预测数据、数字高程模型(DEM)和支持向量机模型插值到5×5m2的网格上。利用间距在6km以内的气象观测站数据和数字高程模型(DEM)将日平均温度和日最低温度数据插值到5×5m2的网格上，结合公式(1)～(4)计算出每个网格上的茶芽萌发率，根据每个网格的最低温度值得到低温霜冻过程每个网格的霜冻指数。具体过程及流程详见图2所示。
更进一步地，所述的步骤2中，已萌发茶芽受霜冻害的气象指标是茶树所在地，离地1.5m处气温≤0℃。
不同品种的茶树、不同的产地，各参数值往往不一致，根据公式及对应的数值进行科学地计算、评估，进行霜冻指数的计算，为减轻霜冻造成的茶叶经济损失提供科学依据。
以上为本发明的优选实施方式，并不限定本发明的保护范围，对于本领域技术人员根据本发明的设计思路做出的变形及改进，都应当视为本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集茶叶生产地气象数据、茶树品种资料、茶芽休眠数据、茶芽萌动数据、气象灾害影响过程茶树芽叶受害数据、反映茶树芽叶生长的物候期数据、茶叶从春茶开始采摘到春茶采摘结束逐日生产数据；
2)根据收集的茶叶生产地气象数据、茶树品种资料、气象灾害影响过程茶芽受害数据，建立茶叶霜冻指数；
3)根据采集的数据，建立模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型和茶芽萌发初始日期预测模型；
4)根据采集的数据，建立茶芽萌发率温度响应曲线模型；
5)根据气象条件确定茶芽萌发率；
6)根据茶芽萌发率和茶叶霜冻气象指标，评估茶叶霜冻指数。
2.如权利要求1所述的一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于：所述的步骤2中，茶叶霜冻指数按单位面积茶树叶蓬上受冻伤的芽占芽总数的百分比分为10级，0表示茶芽没有受冻伤。
3.如权利要求1所述的一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于：所述的步骤3中，茶芽冬季内休眠冷驯化过程中，给定日期t的有效低温累积量(CRt)由下式决定：
Figure FDA0003417679260000011
式中n为进入休眠期的天数，n＝1表示进入休眠期的第1天，Ta,n为第n天的日平均温度，Tta为茶树秋季开始内休眠时的界限温度，k、c为遗忘曲线模型参数；
CRt达到茶树品种内休眠结束所需低温累积量值(CRde)或日照时间达到茶树品种内休眠结束所需日照时长(Pde)时，茶芽从内休眠进入生态休眠。茶芽进入生态休眠第de天有效积温(GDDde)由下式决定：
Figure FDA0003417679260000021
式中Te为茶芽生态休眠期间的界限温度值；令：
AFt＝CRend+de+GDDde (3)
式中end为内休眠日数。当AFt达到临界值(AFct)时，生态休眠被解除，茶芽开始萌发(即茶芽萌发率首次超过0％)。
4.如权利要求1所述的一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于：所述的步骤4中，茶芽开始萌发后第t天的萌发率(Pb,t)由下式决定：
Figure FDA0003417679260000022
式中T50是一天中茶芽萌发率达到50％时的日平均温度，Ta,t为第t天的日平均温度，a为茶芽萌发率温度响应曲线模型(logistic模型)参数；t-1＝0时，Pb,0＝0。
5.如权利要求1所述的一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于：所述的步骤3和4中，模拟茶芽冬季内休眠冷适应记忆的遗忘曲线模型、茶芽萌发初始日期预测模型和茶芽萌发率温度响应的logistic曲线模型中的参数，采用最小化茶芽萌发率估计值和观测值之间的均方根误差(RMSE)来评估，并采用双重交叉验证模型参数。
6.如权利要求1所述的一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于：所述的步骤5中，根据历史日平均温度和日最低温度数据结合间距在6km以内的气象观测站数据和数字高程模型(DEM)，采用支持向量机模型建立日平均温度和日最低温度随地形变化的拟合模型，计算得到5×5m2网格上的日平均温度和日最低温度，预测温度数据利用智能网格预测数据、数字高程模型(DEM)和支持向量机模型插值到5×5m2的网格上。
7.如权利要求1所述的一种茶叶霜冻指数评估方法，其特征在于：所述的步骤2中，已萌发茶芽受霜冻害的气象指标是茶树所在地，离地1.5m处气温≤0℃。
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