Китай производит больше чая, чем любая другая страна, обеспечивая почти половину мирового производства. Такой масштаб означает, что любое изменение условий выращивания чая вызывает резонанс на фермах, в лесном хозяйстве и на мировых рынках.
Новая картографическая работа с использованием искусственного интеллекта позволяет спрогнозировать, как ареал выращивания чая в Китае может измениться в связи с потеплением. Основная идея проста: благоприятные условия расширяются и смещаются на север, в то время как некоторые южные ареалы остаются стабильными.
Как ИИ составил карту китайского чая
Ведущим автором исследования является Вэньци Чжан из Колледжа охраны почв и водных ресурсов Юго-Западного лесного университета (SFU).
«В условиях продолжающегося глобального потепления климата выяснение пространственно-временной динамики подходящих местообитаний для чайных растений и их потенциального воздействия на лесные экосистемы имеет решающее значение для содействия устойчивому развитию чайной промышленности и сохранения окружающей среды», — написал Чжан.
Исследователи протестировали пять алгоритмов и выбрали Random Forest — модель, которая строит множество деревьев решений и усредняет их результаты для повышения точности, — как наиболее эффективную.
Команда объединила 14 переменных, включая климат, рельеф и почвы, чтобы составить карту пригодности для выращивания чая в четырёх основных чайных регионах. Согласно данным, общая площадь высокой и средней пригодности на сегодняшний день составляет около 3,4401 миллиона квадратных километров (примерно 1,33 миллиона квадратных миль).
Прогнозы на будущее используют общие социально-экономические пути ( ОСП ) — климатические сценарии, описывающие различные варианты будущего выбросов парниковых газов и развития.
При таких сценариях пригодность регионов Цзяннань и Цзянбэй усиливается, границы расширяются на юго-западе, а крайний юг остается в целом стабильным.
Китайский чай движется на север
Наиболее распространённым растением для производства чая является камелия китайская (Camellia sinensis) , вечнозелёный кустарник, дающий все виды чая – от зелёного до чёрного. Это растение предпочитает тёплые и влажные условия.
По мере повышения температуры и изменения характера осадков места, которые когда-то были слишком прохладными для чайных кустов, получают достаточно тепла для устойчивого роста.
Основными факторами в моделях являются годовое количество осадков, а также степень изменения температуры и количества осадков в течение года.
Такая модель соответствует муссонному климату , сезонным ветровым и дождевым системам, которые формируют чайный пояс Китая, где водоснабжение и сроки имеют значение.
Почва и высота над уровнем моря по-прежнему имеют значение. Глубина, содержание питательных веществ, таких как калий и фосфор, а также высота над уровнем моря помогают объяснить местные различия даже при благоприятном климате.
Как тестировались модели
Исследователи оценили группу моделей, таких как MaxEnt — вероятностная модель, которая предсказывает распределение видов на основе данных об окружающей среде.
Команда также исследовала метод опорных векторов ( SVM ) — статистический классификатор, который разделяет данные на категории, наряду со случайным лесом, используя несколько метрик.
Еще две заслуживающие внимания модели включают LightGBM — быстрый метод градиентного усиления для обработки больших наборов данных и Extreme Gradient Boosting ( XGBoost ), представляющий собой похожую, но более гибкую ансамблевую модель.
Метод Random Forest сбалансировал стабильность и предсказательную силу этого набора данных. Его переменные показатели важности выделили воду и тепло в качестве основных факторов, а почвы и рельеф дополнили карту.
Разрешение в один километр оказалось вполне достаточным для того, чтобы увидеть региональные особенности, и не требовалось захватывать каждый склон холма.
Леса на грани расширения
Пригодность не существует в вакууме. Команда сопоставила будущую пригодность для выращивания чая с текущим лесным покровом, чтобы обозначить области, где сельское хозяйство и охрана природы могут столкнуться.
Два региона выделяются потенциальным давлением в условиях высоких выбросов в будущем — Юго-Западный и Цзянбэйский чайные регионы.
В Цзянбэе площадь перекрытия земель, занятых первосортным чаем, и лесов увеличивается примерно на 30 процентов и достигает примерно 26 200 квадратных миль.
Независимое исследование дополняет контекст из полевых исследований. В одной из статей документируется расширение ареала азиатских слонов в Юньнани, а также отмечается увеличение площади чайных плантаций и сокращение площади естественных лесов в некоторых районах.
Изменение вкуса чая
Климат не только меняет карты, но и может менять химический состав листьев. Систематический обзор показал, что изменения окружающей среды могут повышать или понижать уровень ключевых вторичных метаболитов — химических соединений, таких как катехины и кофеин, которые влияют на вкус и аромат.
Количество осадков имеет практическое значение. Исследование связывает муссонные дожди с более низкой концентрацией некоторых соединений по сравнению с более сухими весенними урожаями, что помогает объяснить сезонные различия в качестве чая.
По мере продвижения чая на север и выше производители могут увидеть новый баланс урожайности и вкуса. Это может быть перспективой, но только если выбор и практика посадки будут соответствовать климатическим изменениям.
Шаги для фермеров, выращивающих чай
Чайным фермерам следует планировать расширение там, где это минимизирует экологический риск. Агентства могут направлять новые поля на деградированные земли, ранее обрабатываемые или вырубленные участки с меньшей экологической ценностью, а также вдали от нетронутых лесов.
Использование агролесоводства — смешанного земледелия с использованием деревьев — может поддерживать лесной покров и почву в хорошем состоянии.
Инвестиции в повышение устойчивости к изменению климата на существующих фермах могут иметь большое значение. Такие меры, как создание защитных полос, улучшение дренажа и повышение влагоудержания, помогают защитить посевы от сильных дождей и аномальной жары, не меняя при этом весь ландшафт.
Производителям чая следует выбирать сорта с доказанной устойчивостью к стрессам и тщательно подбирать их к местным почвенным условиям.
Карты пригодности в будущем должны служить ориентирами, а не строгими планами, поскольку вредители, политика и рынки также будут влиять на результаты.
Глобальное влияние китайского чая
Чайный след Китая влияет на цены, источники и вкусы чая по всему миру. Если северные провинции увеличат посевные площади, а южные останутся на прежнем уровне, предложение может увеличиться и стать более разнообразным.
Небольшие изменения качества могут иметь значение для покупателей специализированной продукции и доходов производителей. Контроль за химическим составом, а не только за посевными площадями, помогает производителям соответствовать потребностям потребителей.
Потребители и розничные торговцы могут поддержать переходные процессы, направленные на защиту лесов и водных ресурсов. Сертификация, стандарты закупок и чёткая маркировка происхождения облегчают поощрение фермерских хозяйств, которые эффективно управляют рисками.
Картографирование с помощью искусственного интеллекта указывает на расширение возможностей для выращивания чая в некоторых районах Китая и общее смещение ареалов на север. Этот прогноз сопровождается предупреждением: расширение проще всего проводить там, где уже растут леса. Тщательный выбор сегодня может защитить как источники существования, так и жизненные системы.
Исследование опубликовано в журнале PLOS ONE.