哀牢山西坡气候因素对咖啡种植的初步分析
王政又等
基金项目:咖啡与茶叶气象服务技术研究团队(Peqx202001)
哀牢山位于云南中部,呈南北走向,是云贵高原和横断山脉两大地貌区的分界线,亦为云南东、西部气候的天然屏障。普洱市景东县东部、镇沅县东部正好处在哀牢山西坡,这里气候温和、降水丰富,自 1998 年开始种植咖啡,是普洱市
最早进行咖啡种植试验的产区之一。经过 20 多年的发展,地处哀牢山腹地的景东坡头村咖啡种植区,虽然种植面积仅 120 hm 2 ,但所生产的咖啡味香醇正,品质优良,得到了市场和广大消费者的认可,曾被誉为“可以和蓝山咖啡相媲美”,是哀牢山西坡品质最好的咖啡产区。
气候对农作物生长发育、产量和品质具有主导性影响 。春秋时期,古人就用“橘生淮南为橘,生于淮北则为枳”来表达环境对植物的影响;现代科学也证明,气象因子决定植株生长区域,影响其发育、进化、繁衍,对农作物生长发育、产量和品质影响的比重占 60%~75% 。省内许多专家也对咖啡与气候间的联系做过研究,如莫丽珍 等提出咖啡栽培时所必需的气温、降水等气候环境,何红艳 等分析云南咖啡品质影响因素,指出品种、环境等是影响咖啡品质的主要原因;黄家雄 等研究了不同海拔对咖啡品质影响,指出咖啡因含量和海拔高度呈极显著负相
关;高敏 等分析普洱市不同气候背景条件下咖啡内成分和风味的差异,得出低海拔种植区白天气温高有利于咖啡因等的形成,高海拔种植区秋冬季活动积温少,减缓咖啡生长速度,有利于高品质的形成。为了贯彻云南省委、省政府关于咖啡产业高质量发展决议,落实云南省农业农村厅、省财政厅、省工业和信息化厅印发的《关于推动 咖 啡 精 品 率 和 精 深 加 工 率 提 升 若 干 政 策 措施》,分析景东县坡头村咖啡产区的气候条件,进一步探讨气象因子对咖啡品质和产量的影响,对引进咖啡新品种,升级改造老旧咖啡园,提升哀牢山西坡整体咖啡品质,不断提高气象“富农”服务科技支撑水平,实施乡村振兴均具有十分重要的意义。
1 材料和方法
1.1 数据来源
(1)本项目使用中国气象局下发的基础地理数据,提取并重新整理了哀牢山西坡所在的景东、镇沅等县周边边界,所属乡、村驻地,河流水系,数字高程,坡向和坡度等数据。矢量数据格式为 Shp,栅格数据格式为 ESRI GRID;地理投影
系统采用 WGS_1984_UTM_ZONE 47N,其中坡度和坡向数据的提取基于普洱市境内哀牢山西坡的DEM 数据,利用 GIS 的空间分析工具生成研究所需的坡度和坡向数据。
(2)景东、镇沅等咖啡生产数据来源于普洱市茶叶咖啡产业发展中心、普洱市咖啡气象服务中心。
(3)普洱市、楚雄州、玉溪市等气象监测数据来源于云南省气象局。
1.2 数据处理方法
由于哀牢山西坡九甲、三章田、者东等乡镇站点与咖啡种植区海拔高度差异较大,花山乡镇站、坡头咖啡站缺少长序列的气象监测数据,需要进行气象数据的插值处理。复杂地形下影响气温、降水、日照时数的因素较多,包括经度、纬
度、海拔、坡度、坡向,周边山脉走向、森林、大水体、土壤类型、大气环流、气溶胶含量等等,局地条件下,地理位置对气温、降水、日照时数等气象因子的影响明显。因此,按照世界气象组织的规定,选取了哀牢山周边的景东、镇沅、宁洱、墨江、景谷、思茅、楚雄、双柏、南华、巍山、南涧、新平等大 监 气 象 站 1991—2020 年 的 平 均 气 温 、日 照 时数、降水量、最高气温、最低气温、相对湿度等数据,利用 ArcGis 工具建立气温、降水、日照时数的空间分布模型,并用坡头咖啡站 2021—2022 年的数据对这些模型进行检验和订正。
(1)气温:按照气候分析方法 ,在一个较大区域内,平均气温的气候学方程可以看成是地理因子(纬度、经度、海拔)的函数,即 T = T ( φ , λ ,h )。以哀牢山周边各个气象站点资料为基础,采用多元回归方法,给定置信度为 0.95,建立哀牢山西坡平均气温空间分布模型:
T =40.702+0.052 φ -0.177 λ -0.005 h
式中: φ 为纬度, λ 为经度, h 为海拔高度。
(2)降水量:由于地势差异,降水量分布与地形关系较为密切,且并不遵从一致的经纬度和海拔变化规律。根据气象日常业务和气候分析对降水量时空分布及精度的要求,本项目对反比距离加权法进行改进,即对于任一欲插值的格点 J,
搜索与其距离最近、影响最大的 N 个(本项目取15)测站作为信息来源,以海拔、经纬度、方位因子等作为环境参数,建立海拔与降水量之间的回归方程,同时引入距离、方位权重,依托地理信息技术,实现并完成降水的空间插值处理,建立哀牢山西坡降水量的空间分布模型。
(3)日照时数:受季节、云量、海拔、坡度和坡向等地形因子以及周围地形相互遮蔽的影响,导致日照时数的时空变异显著。本项目采用半球视域算法,基于哀牢山西坡每个格点的经度、纬度、海拔、坡向、坡度等数据,依次计算出其 1—12 月的地理可照时数;再利用附近大监站日照时数,建立实际可照时数与地
理可照时数的估算方法;最终推算出各个格点的日照时数,建立哀牢山西坡日照时数的空间分布横型。
景东坡头咖啡站 2021—2022 年实际监测数据与推算值进行比较,年平均气温误
差 0.47℃、年日照时数误差为 77 h、年降水量误差为 97 mm,表明建立的气温、日照、降水模型达到气候分析的要求,具有一定的可信度。
2 结果与分析
2.1 哀牢山西坡咖啡种植区气候背景
2.1.1 温度分布
一般而言,温度随着海拔高度的升高而降低,哀牢山对温度的再分配使得山谷
炎热、山顶凉爽。花山、坡头村、三章田、者东、那洛村大部分地区的年平均气温18~20℃(图 1)、≥15℃活动积温 4 000~5 500℃·d,其 中 三 章 田 、者 东 部 分 地 区年 平 均 气 温 超 过 20℃ ,活 动 积 温 超 过5 500℃·d ,是该区域气温高、热量条件最丰富的地区;秀龙村、撇罗村、九甲、新村、帮海村、学堂村等地年平均气温为 16~18℃,≥15℃活动积温为 2 500~4 000℃·d,是该区域气温凉爽、热量条件一般的地区;千家寨、金山垭口等地区的年平均低于 13℃、≥15℃活动积温低于 1 300℃·d,是该区域气温低、热量条件欠佳的地区。
2.1.2 降 水 量
哀牢山西坡年降水量的空间分布显示(图 2),镇沅段年降水量比景东段多。秀
龙村、撇罗村、花山、坡头村、三章田、者东、那洛村等大部分地区年降水在 1 200~1 500 mm,其中花山、坡头、三章田、那洛村的局部地区年降水量小于 1 200 mm,为本地区年降水量相对较少的地区;九甲、新 村 、帮 海 村 、学 堂 村 、和 平 等 地 年 降 水 量 为1 500~1 800 mm ,局部地区超过 2 000 mm;千家寨、金山垭口等地区的年降水量在 1 800~22 00mm,局部地区超过 2 500 mm,是本地区年降水量最丰富的区域。
2.1.3 光照分布
受地形的影响,哀牢山西坡年日照时数空间分布不均匀(图 3),秀龙村、撇罗村、九甲、新村、帮海村、学堂村、花山、坡头村、三章田、者东、那洛村等大部分地区为 1 300~1 800 h,局部地区不足 1 000 h,为该地区日照时数最少的区域;千 家寨 、金 山 垭 口 等 地 区 的 年 日 照 时 数 在 1 800~2 200 h,局部地区超过 2 200 h,是本地区日照时数最为丰富的地区。
2.2 哀牢山西坡咖啡种植区气候利弊分析
哀牢山西坡咖啡种植区主要分布在景东县花山镇和镇沅九甲、者东、和平等乡镇的中低海拔地区,以花山镇坡头村的咖啡种植面积最大、品质最优。
2.2.1 温度和水分条件总体适宜咖啡生长
相关研究表明,咖啡在年降水量 1 000 mm 以上、年平均气温 18~21℃ ,植株生长键壮,咖啡果酸味适中,香味浓郁且醇和;在年平均气温≤16℃生长将受到抑制,咖啡豆味道变酸;而年平均气温≥25℃,咖啡生长期内气温持续高温,咖啡味道变苦,品质明显下降 。哀牢山西坡咖啡种植区年降水量在 1 000~1 300 mm、年平均气温18~19℃、活动积温为 4 800~5 300℃·d,水分和热量条件满足咖啡生长,非常适宜咖啡种植。
2.2.2 冬季低温霜冻的风险较低
哀牢山西坡种植区由于山体高大,重重高山阻挡了冷空气的入侵,中等及以下弱冷空气被山体所阻,而较强冷空气翻过山体后程度减弱,受寒潮入侵次数较少,其气温较同纬度、同海拔的东部地区高,大多数年份冬季温暖,最冷时段的平均气温在 11℃以上。以坡头咖啡站(海拔 1 150 m)和周边的花山乡镇站(海拔 1 227 m)为例,两个站点 2021—2022 年的监测表明,虽然坡头咖啡站与花山站海拔高度相差仅为 77 m,但气温的月际变化趋势相似,近呈单峰型(图 4),冬春两季坡头站平均气温略高于花山站,其中 2—4 月坡头站的气温比花山站高 0.4~2.0℃,而夏秋两季则反之,6—9 月坡头站比花山站的气温略偏低 0.3~1.1℃,坡头咖啡站的极端最低气温为 3.8℃,比花山站略偏高。
近 10 年来,普洱咖啡种植区于 2016年、2019 年出现 2 次极端冷气候事件,这
个时期坡头咖啡站无监测数据,选取既有咖啡种植,又有海拔高度相近的花山
站与普义站进行对比。2016 年 1 月中旬花山站(海拔 1 227 m)的极端最低气温为 1.4℃,连续 3 d 最低气温低于 4℃,平均气温低于 5℃的有 1 d,洼地有轻霜冻;而普义站(海拔 1 206 m)极端最低气温 0.9℃,连续 3 d 最低气温低于 4℃、平均气温低于 5℃的有 2 d,洼地和阴坡有霜或霜冻。2019 年 12 月上旬又有较强冷空气侵入普洱市,花山站极端最低气温 1.8℃,最低气温低于 4℃的有 7 d,没有咖啡受灾;而普义站极端最低气温 0.5℃,最低气温低于 4℃的有 8 d,有 20%左右的果实受冻变黑。在两次冷气候事件中,花山站极端最低气温略高
于普义站,实地调查也发现坡头种植区咖啡受灾程度明显比普义种植区轻,因此,坡头冬季气温略高于花山站和普义站。
花山、坡头站和普义站海拔高度相近,但纬度较高,一般情况下纬度高的地方气温更低,但由于花山、坡头站附近山体更加高大,咖啡种植地坡度更大,冷空气不易长时间停留,加之周边森林对气温的调节作用,最低气温比纬度较低的普义站高,常年出现低温霜冻灾害的风险较低,有利于咖啡树的安全越冬,适宜咖啡种植。
2.2.3 夏季降雨充沛,有利于坐果和果实膨大
哀牢山西坡种植区有明显的雨季和干季之分,降水月际变化趋势相似,主要集中在 7 月、8月。以坡头咖啡站和花山站 2021—2022 年为例(图 5):坡头、花山站 6—8 月每月降雨量在 150mm 以上,其中 7—8 月降雨量 200~260 mm;期间坡头站降大暴雨 1 d、暴雨日 3 d、大雨日 7 d,极端日最大降雨量为 104.5 mm;花山站降暴雨 4 d、大雨 10 d,极端最大降雨量为 83.9 mm,可见花山、坡头夏季降水丰盈,并且降雨以小到中雨量级为主,平均日降水量 5~20 mm,降水的有效性高,可以满足咖啡坐果和果实膨大所需。
2.2.4 秋冬雾露天气多,为咖啡生长提供充足水分
进入秋季,哀牢山西坡种植区自然降雨明显减少,如坡头、花山站 10—11 月每月降雨量小于150 mm,平均日降雨量为 0.1~8.0 mm,但坡头种植区地处哀牢山腹地,周边均为森林,加之雨季刚刚结束,树木和土壤含水量大,蒸腾作用导致坡头及其周边地区空气中水汽充沛,夜间和凌晨随着温度降低,相对湿度高达 93%以上,几乎每天均凝结有露和浓雾,直至上午 11 时左右才雾散云开。露和雾一方面为果实成熟提供了充足的水分条件,另一方面也抑制了温度的升高,阻断病菌的生长蔓延,延缓咖啡果实成熟时间,有利于营养物质的形成和积累,提高咖啡品质。
2.2.5 夏秋冬季太阳直射时间短,适宜咖啡生长
咖啡和所有植物一样,依赖于太阳光进行光合作用来维持一切生命活动和物质的积累,但咖啡原为热带雨林的下层作物,喜散射光,为短日照植物,每天有 3~4 h 的光照就可对咖啡生长和结实有良好的促进作用。
哀牢山西坡种植区日照时数不仅空间分布不均匀,而且时间分布也不均匀。6—10 月受降水天气影响,平均每天的日照时间仅为 4~5 h,其中 7 月下旬至 8 月中旬平均每天的日照时数仅为2~3 h,是一年之中日照时间最少的时期,这一
时期正好为咖啡坐果和果实膨大期,大部分时段自然光照时间较适宜咖啡生长;11 月至次年 2 月为种植区干季,但雨季才刚结束,土壤和森林含水量高,蒸腾作用明显,每天晚上均有雾生成,平均每天的日照时间在 5~7 h,小雾滴和小水滴还改变了光的折射和散射,增加了小区域中漫射光,有利于鲜果中糖分和蛋白质等干物质的积累,适宜咖啡风味和产量形成。
2.2.6 春季咖啡干旱风险较高
哀牢山西坡地区种植区 2—4 月降水稀少,土壤含水量减少,加上春季气温回升快,雾日减少,平均每天的日照时间超过 8 h,是全年日照时间最长的时期。这一阶段咖啡正处于采摘末期和新一轮抽捎、开花、坐果期,光照时间偏多,超过
咖啡植株生长所需,不利于咖啡树生长 ;同时光照时间长会增加植株和土壤的蒸腾作用,加剧干旱发生,造成植株长势弱,易发生天牛等虫害。
2.2.7 夏季咖啡叶锈病发生风险较高
哀牢山西坡地区种植区夏季降雨集中,如坡头站、花山站 7—8 月平均每月有 20 d 以上降雨,平均相对湿度在 85%~90%,局部地区部分时段湿度可高达 90%以上,雨停云开,气温迅速升高,白天平均最高气温在 27~33℃,高温高湿的气象
条件为叶锈病的发生蔓延提供了条件 ,此时发生叶锈病的风险较高,应注意防范。
2.2.8 冬季咖啡多次发酵的风险较高
冬季,哀牢山西坡地区种植区早晚空气湿度大,如坡头站监测表明,12 月至次年 1 月夜间的相对湿度在 70%~80%,有露和雾形成,使得露天晒场上咖啡生豆被露水浸湿,延长咖啡晾晒时间,造成场地和劳动力的浪费,更严重的是增加了生豆的含水量,导致生豆在一定的温度条件下多次发酵,甚至霉变,降低了咖啡品质。
3 结论及建议
哀牢山西坡咖啡种植区周边无大型工矿企业,周边森林覆盖率在 80%以上,多为全年常绿,植被覆盖度大于 70%,负氧离子浓度超过 1 200个/cm 3 。空气优良率达到 95%以上,至今没有观测到沙尘与重度以上霾,没有出现 pH 值小于 5 的酸雨,按照《气候资源评价 气候生态环境》中大气环境指标,哀牢山西坡种植区大气环境为“优”,适宜咖啡种植。为了合理利用哀牢山西坡山地气候资源,特提出建议如下:
(1)避开凹地或阴坡地,选择抗寒品种。虽然哀牢山西坡咖啡种植区出现低温霜冻风险较低,但在种植咖啡时仍需避开凹地或阴坡地,不要随意扩大咖啡种植的海拔上限,宜选择抗寒性较高品种。
(2)春季干旱风险较高,注意防范虫害。哀牢山西坡咖啡种植区春季光照时间长,气温回升迅速,植株和土壤失墒较快,应注意防范灭字虎天牛、蚧壳虫等虫害。可在种植区域内适当栽种高大的荫蔽树,如香樟树、水冬瓜、合欢树等。
(3)夏季中低海拔种植区高温高湿,注意防范病害。哀牢山西坡咖啡种植区夏季空气湿度大、中低海拔种植区白天气温较高,应注意防范叶锈病等病害的发生,可选择萨其姆等品种,在抗锈的同时提高咖啡风味。
(4)冬季晾晒季应注意防潮。哀牢山西坡咖啡种植区 12 月至次年 1 月,早晚空气湿度大,易造成咖啡回潮发酵,露天晒场晚上应遮挡防潮,尽可能搭建晒棚和晒架。
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