基于GIS和模糊集理論的四川烤煙生態(tài)適應性評價

張久權(quán)，梁洪波，董建新，吳元華

（中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，青島 266101）

基于GIS和模糊集理論的四川烤煙生態(tài)適應性評價

張久權(quán)，梁洪波，董建新，吳元華

（中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，青島 266101）

利用GIS和模糊集建模技術(shù)，通過采集和檢測四川煙區(qū)土壤和煙葉樣品，收集整理四川氣候和地形地貌資料，對煙葉質(zhì)量與生態(tài)條件的相關(guān)性進行分析，確定評價因子，并進行生態(tài)適宜性評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海拔高度、日照時數(shù)和土壤類型可以作為四川烤煙生態(tài)適宜性評價的關(guān)鍵因子。全省9.52%的土地面積為烤煙最適宜區(qū)；煙區(qū)39.89%的面積為最適宜區(qū)，24.20%的面積為適宜區(qū)?，F(xiàn)存煙區(qū)按地理位置劃分為3個大區(qū)，各區(qū)按生態(tài)適宜性評價結(jié)果再細分為最適宜、適宜、較適宜和不適宜區(qū)。

烤煙；生態(tài)適宜性；模糊集；GIS；四川

四川烤煙煙葉由于質(zhì)量好，風格特色突出，在卷煙品牌配方中的地位日益提升，四川煙區(qū)已經(jīng)成為我國最重要和最具發(fā)展前景的優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)之一。然而，近年來四川烤煙生產(chǎn)也遇到了一些發(fā)展瓶頸，如種植零星分布，迫于控煙壓力需要壓縮烤煙種植面積等，因此，需要進一步調(diào)整和優(yōu)化種植布局。上世紀80年代，學者們根據(jù)有效積溫等指標[1-2]，對包括四川在內(nèi)的全國烤煙進行了種植區(qū)劃，此對四川烤煙種植布局起到了重要作用。然而，卷煙工業(yè)近年來對煙葉質(zhì)量的要求、植煙土壤理化性狀等都發(fā)生了較大變化，原有的烤煙種植區(qū)劃不能完全適應四川烤煙的發(fā)展需要。另外，由于當時技術(shù)手段限制，科技工作者不得不選用較簡單的指標體系，且大部分還不是定量的，所得結(jié)果比較粗糙。近年來出現(xiàn)的一些新的理論和技術(shù)，如層次分析法[3-4]、模糊集建模[5-7]、地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS），加上傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法等，為更好地進行烤煙生態(tài)適宜性評價提供了新的理論指導和技術(shù)手段。

在進行生態(tài)適宜性評價時，評價因子往往是連續(xù)性的定量數(shù)據(jù)，如日照時數(shù)，如何把這些具體的數(shù)值詮釋為生態(tài)適宜性，有時會比較困難。另外，各個因子的量綱不同，無法進行比較。模糊集建模技術(shù)對此提供了解決方案，將所有的因子數(shù)據(jù)通過隸屬函數(shù)，轉(zhuǎn)化為0～1，0表示完全不適宜；1表示100%適宜。該技術(shù)在作物和土地生態(tài)適宜性評價中得到了較多的運用，如Tang等[8]分別利用模糊集、參數(shù)法和最大限制因子法對玉米生產(chǎn)的土地適宜性進行了綜合評價，發(fā)現(xiàn)通過模糊集建模技術(shù)獲得的適宜性指數(shù)與玉米的產(chǎn)量相關(guān)性最好（r=0.96）；何元勝等[9]在云南臨滄根據(jù)模糊數(shù)學原理建立了土壤肥力指標，并對其煙區(qū)土壤肥力進行了綜合評價和分區(qū)。吳克寧等[7]也運用模糊集進行了烤煙土地適宜性評價?？傊：＜夹g(shù)應該是一種進行烤煙種植生態(tài)適宜性評價的較理想的方法。本研究利用GIS和模糊集建模技術(shù)，通過研究四川省烤煙煙葉質(zhì)量與生態(tài)條件的關(guān)系，確定四川烤煙生態(tài)適宜性評價的關(guān)鍵因子，進行生態(tài)適宜性評價，為優(yōu)化四川烤煙種植布局提供參考。

1　材料與方法

1.1氣象資料的收集和整理

收集2005—2007年的氣象資料，包括旬平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、大于或等于10℃活動積溫、降水量、相對濕度、日照時數(shù)等。所有數(shù)據(jù)均由四川省氣象局提供。

1.2土壤和煙葉質(zhì)量樣品的采集和分析

在充分收集利用現(xiàn)有煙葉質(zhì)量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合四川煙草種植的實際狀況，根據(jù)當?shù)貧夂驐l件、土壤類型、海拔高度及地形地貌等差異，于2005—2007年在四川省17個重點植煙縣（市、區(qū)）確定了151個采樣點，各樣點均采集土壤和煙葉樣品，一一對應。煙葉樣品取樣等級為C3F和B2F。

土壤樣品檢測項目包括：pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、水溶性氯、交換性鈣、鎂等。檢測方法見文獻[10]?？緹煾泄儋|(zhì)量定性評價由中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所進行，包括香氣質(zhì)、香氣量、濃度、刺激性、余味、雜氣、勁頭、灰色、燃燒性等10項指標。煙葉化學成分檢測指標包括煙堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯、淀粉等，均采用常規(guī)分析方法。

1.3土壤類型和海拔高度數(shù)據(jù)的提取，評價單元的確定

土壤類型分布圖（1/50，000）由中國農(nóng)業(yè)科學院自然資源與區(qū)劃研究所提供，是第二次全國土壤普查（1982—1985）結(jié)果經(jīng)過數(shù)字化為shp格式后的圖。四川省30 m×30 m數(shù)字高程模型圖（DEM）根據(jù)美國宇航局（NASA）2003年公布的DEM數(shù)據(jù)制作，然后采用ArcGIS 10.0軟件提取高程數(shù)據(jù)。

評價單元是進行烤煙生態(tài)適宜性評價的基本單位，也是進行地理信息處理的最小圖斑。同一評價單元內(nèi)生態(tài)條件應該基本一致，所產(chǎn)煙葉質(zhì)量也基本相同。所有的計算和建模都基于評價單元。因此，評價單元劃分是否合理，對評價結(jié)果的準確性和工作量的大小影響較大。本研究根據(jù)四川的實際情況，考慮到四川煙區(qū)土壤類型的作用較大，采用縣級行政區(qū)劃圖疊加土壤類型（土屬）的方法來確定基本評價單元。利用ArcGis 10.0軟件，經(jīng)過相交、融合、消除等空間處理，確定四川全省為2570個基本評價單元。

利用ArcGis 10.0軟件的“以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計”功能和前面制作的DEM，確定各基本評價單元的海拔高度（30 m精度）。

1.4生態(tài)適宜性評價因子的選擇

根據(jù)土壤和煙葉樣品檢測分析和統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煙葉化學成分和感官質(zhì)量與海拔高度具有較強的相關(guān)性（表1）；不同土壤類型間，煙葉化學成分和感官質(zhì)量差異顯著。日照時數(shù)對煙葉質(zhì)量有顯著影響。氣溫、降水量與海拔高度、日照時數(shù)有顯著相關(guān)性。土壤肥力指標（pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、水溶性氯、交換性鈣、鎂）與四川煙葉質(zhì)量存在一定的關(guān)系，但規(guī)律不明顯。根據(jù)這些統(tǒng)計結(jié)果，參考文獻[1,11-12]，并結(jié)合四川省煙葉生產(chǎn)的實際情況，采用氣候條件（5—7月日照時數(shù)，8月日照時數(shù)）、地形地貌（海拔高度）、土壤條件（土壤類型）3大類4項指標作為四川烤煙生態(tài)適宜性評價因子。

表1　四川煙葉化學成分含量和感官質(zhì)量與海拔高度的簡單相關(guān)系數(shù)Table 1　Correlations between leaf quality and altitude in Sichuan

1.5模糊集建模

模糊集合的概念首次由Zedeh于1965年提出[6]，他將傳統(tǒng)的集合理論進行了擴展，使我們能將某些屬性進行量化，該理論后來被其他學者進行了發(fā)展和應用[13-17]。

設(shè)X={x}為有限集合，例如所有的土壤pH值（0～14）。模糊子集A是集合X的一個子集，A通過函數(shù)μA，以及有序?qū)Γ篈={x,μA(x)}進行定義。對于所有的x,x∈X，而μA(x)為隸屬函數(shù)，表示元素x與集合A的隸屬程度，μA(x)的取值范圍為0～1。1表示x完全屬于子集A；0表示完全不屬于子集A；0和1之間的任意數(shù)值表示x隸屬于子集A的程度，例如，0.70表示x 70%地屬于子集A。μA(x)表示隸屬度，這樣就使部分屬于關(guān)系成為可能[6,13,15,17]。

隸屬度總是涉及某項命題。在本研究命題為：“就某一烤煙生態(tài)適宜性評價因子而言，例如海拔高度，某塊地適宜烤煙生產(chǎn)”。隸屬度取值為1表示該海拔高度下生產(chǎn)潛力最大（100%）；0表示沒有潛力。

本研究根據(jù)煙草生長特征特性，結(jié)合四川烤煙的生產(chǎn)實際，考慮隸屬函數(shù)類型的選用原則[7]，確定隸屬函數(shù)類型海拔高度為拋物線型，5—7月照時數(shù)為升梯形，8月日照時數(shù)為降梯形，土壤類型為直線型。各函數(shù)模型見文獻[18-19]。

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，四川煙葉生產(chǎn)情況隨海拔高度的變化差異明顯。海拔1500～1900 m生產(chǎn)出的煙葉最好，1900～2100 m的很好，1500 m以下的次之，其他的較差。另外，我們也發(fā)現(xiàn)海拔的最優(yōu)等限值與緯度有關(guān)。綜合考慮，采用表2的限值計算隸屬度。

根據(jù)經(jīng)驗和理論推算，得出日照時數(shù)與隸屬度的關(guān)系（表3）。按此數(shù)據(jù)分別作日照時數(shù)與隸屬度的曲線圖，然后查圖求得任意日照時數(shù)的隸屬度值。

四川煙區(qū)土壤類型主要以紅壤、黃壤為主，紫色土次之，其他還有部分的水稻土、棕壤等，其對應的隸屬度分別為紅壤0.6、黃壤土類各土屬變化范圍為0.6～0.7，紫色土0.7～1.0，水稻土0.4～0.6、棕壤0.6～0.7。

1.6各因子權(quán)重的確定

由于本研究所選定的評價因子不多，因此，賦予權(quán)重時，采用了專家直接賦值的方法[20]。最后所得權(quán)重為，海拔高度0.5，土壤類型0.3，（5—7月）日照時數(shù)0.15，8月日照時數(shù)0.05。

表2　海拔高度隸屬函數(shù)類型和限值Table 2　Adaptability assessment factors,their total weights, member function types,and threshold values

表3　各日照時數(shù)隸屬度Table 3　Membership degree for various sun light hours

1.7適宜性指標和適宜性的確定

得出了隸屬度和權(quán)重后，參照線性可加模型[21-23]的方式，計算適宜性指數(shù)如下：

這里n為因子數(shù)目，Wi因子i的權(quán)重，μi為因子i的隸屬度。由于權(quán)重和隸屬度的取值范圍均為0.0～1.0，因此，所得適宜性指數(shù)也在0.0～1.0范圍。0表示完全不適宜，1表示100%適宜。對所計算出的適宜性指標進行分布統(tǒng)計，確定最適宜區(qū)，適宜區(qū)，次適宜區(qū)，不適宜區(qū)的界限值。最后利用ArcMap 10.0繪制生態(tài)適宜性分布圖。

有關(guān)運用模糊集理論進行煙區(qū)生態(tài)適宜性評價的詳細過程可參閱文獻[19]。

2　結(jié)果

2.1四川全省烤煙種植適宜性分布

從圖1看出，四川全省烤煙種植的最適宜區(qū)和適宜區(qū)主要分布在川東北低山深丘、川西南山地和川南中低山丘陵區(qū)。包括涼山彝族自治州、攀枝花市、廣元市、瀘州市、宜賓市，達州市和巴中市部分地區(qū)。西部川西高原全部為不適宜區(qū)。

圖1　四川省烤煙生態(tài)適宜性分布Fig.1　Distribution of tobacco ecological suitability in Sichuan Province

全省土地總面積48.4萬km2中，最適宜烤煙種植的面積為4.61萬km2，占9.52%，接近60%的面積不適合烤煙種植（表4）。然而，煙區(qū)大部分屬于最適宜區(qū)和適宜區(qū)，分別占39.89%和24.20%，不適宜的面積僅占11.55%。

根據(jù)生態(tài)適應性原則、差異性原則、相似性原則、尊重歷史原則、行政邊界完整性原則，除四川西部不適宜區(qū)外，將四川烤煙種植區(qū)分為川西南山地烤煙種植區(qū)、川南中低山丘陵烤煙種植區(qū)、川東北低山深丘烤煙種植區(qū)3個一級區(qū)。各一級區(qū)又被細分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜和不適宜區(qū)4個二級區(qū)。

2.2川西南山地烤煙種植區(qū)

川西南山地烤煙種植區(qū)包括涼山州和攀枝花市（攀西地區(qū)），位于四川南部，介于東經(jīng)100o 15?～103o53?，北緯26o13?～29o27?。幅員面積6.754萬km2，占四川省總面積的13.9%。地貌類型以山地為主，占70%。其適宜性分布詳見圖2。

川西南山地烤煙種植區(qū)中土地總面積的40.53%為最適宜區(qū)（表4），包括攀枝花市的西區(qū)、東區(qū)和仁和區(qū)。會理南部，會東大部，米易、寧南的絕大部分地塊，鹽源縣的少部分地塊，雷波縣大部，美姑縣中部和南部少量地塊，德昌縣、西昌市的絕大大部分地塊，甘洛縣的50%地塊，普格縣大部。鹽邊中部、東部和南部。

圖2　川西南山地烤煙種植區(qū)生態(tài)適宜性分布Fig.2　Distribution of tobacco ecological suitability in Mountains of southwest Sichuan

表4　四川烤煙生態(tài)適宜性面積分布Table 4　Area distribution of tobacco ecological suitability in Sichuan Province

2.3川南中低山丘陵烤煙種植區(qū)

本區(qū)位于四川南部，東經(jīng)103o36′至106o23′，北緯27o42′至29o37′。整個地勢南高北低，中部低凹，地形以低山、深丘為主，海拔300～1500 m。轄宜賓市和宜賓、敘永、古藺、筠連、興文、珙縣、南溪、江安、長寧、高縣、屏山等12個縣（市）。其適宜性分布詳見圖3。

本區(qū)最適宜區(qū)面積僅占5.2%，包括屏山縣的大部。敘永縣的高峰鄉(xiāng)南部、桂花鎮(zhèn)中南部、水尾鎮(zhèn)東南，古藺縣的桂花鎮(zhèn)中南部，合江縣的天堂壩鄉(xiāng)中部和東南部、白懷鎮(zhèn)南部。

圖3　川南中低山丘陵烤煙種植區(qū)生態(tài)適宜性分布Fig.3　Distribution of tobacco ecological suitability in middle mountain and　hilly areas of southern Sichuan

2.4川東北低山深丘烤煙種植區(qū)

包括廣元、達州和德陽三地（市）。本區(qū)土地面積最適宜區(qū)占大多數(shù)，為66.19%。包括青川縣大部，廣元是市中區(qū)、朝天區(qū)和市轄區(qū)，旺蒼縣、南江縣、通江縣的絕大部分地區(qū)，達縣的黃庭東部、碗廠東部，宣漢縣大部，萬源市大部，武平縣的部分地區(qū)，綿竹的漢旺，九龍，遵道，武都，興隆，綿遠，拱星，東北鎮(zhèn)，土門，什邡的鎣華，洛水，靈杰，龍居，湔底，八角鎮(zhèn)。其適宜性分布詳見圖4。

圖4　川東北低山深丘烤煙種植區(qū)生態(tài)適宜性分布Fig.4　Distribution of tobacco ecological suitability in low mountains of northeast Sichuan

3　討論

本研究利用模糊集和GIS等手段，成功地對四川烤煙的生態(tài)適宜性進行了評價。經(jīng)過相關(guān)分析，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，篩選出氣候、海拔高度和土壤類型作為評價因子。通過模糊集建模，計算各因子的隸屬度；然后利用專家打分法確定各因子的權(quán)重；最后利用指數(shù)和法計算生態(tài)適宜性指數(shù)。所有結(jié)果最后通過所開發(fā)的信息系統(tǒng)軟件進行集成，供相關(guān)人員檢索和分析。

模糊建模和GIS的結(jié)合克服了傳統(tǒng)生態(tài)適宜性評價常常遇到的不確定性和主觀性問題。本研究結(jié)果經(jīng)過初步驗證，發(fā)現(xiàn)與生產(chǎn)實際情況基本相符，目前四川烤煙的主要產(chǎn)區(qū)位于最適宜區(qū)和適宜區(qū)，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙區(qū)基本上位于最適宜區(qū)。

在作物生態(tài)適宜性評價中，模糊集進行建模技術(shù)得到了較多的運用[8,23-25]。有學者對模糊集建模和傳統(tǒng)的其他評價技術(shù)或方法進行了比較，如參數(shù)法和最大限制因子法。Tang等[8]分別利用模糊集、參數(shù)法和最大限制因子法對玉米生產(chǎn)的土地適宜性進行了綜合評價，發(fā)現(xiàn)通過模糊集建模技術(shù)獲得的適宜性指數(shù)與玉米的產(chǎn)量相關(guān)性最好（r=0.96）；而限制因子法相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)為0.8。Keshavarzi[16]報道，在生態(tài)適宜性評價中，模糊集法能產(chǎn)生連續(xù)性的度量范圍，所得指標能反映土壤的內(nèi)在肥力水平，認為該法更精確，能夠較好的對作物產(chǎn)量進行預測。Burrough[13]，Burrough等[14]，以及Tang等[24]也報道 模糊集建模技術(shù)在作物生態(tài)適宜性評價中是一種不可多得的好方法。

因此，在烤煙和其他作物生態(tài)適宜性評價中模糊集建模技術(shù)值得推薦。本研究所用模型和整個評價方法均是合理有效的，具有較大的意義。

本研究中，大多數(shù)評價因子雖然為連續(xù)性的定量數(shù)據(jù)，如日照時數(shù)，但是，如何把這些具體的數(shù)值詮釋為生態(tài)適宜性，有時會比較困難，甚至無法進行。另外，各個因子的量綱不同，無法進行比較。模糊集建模技術(shù)對這些難題提供了絕好的解決方案，將所有的因子數(shù)據(jù)通過隸屬函數(shù)，轉(zhuǎn)化為0～1（如前所述），1表示100%適宜。

本研究對模糊集建模、專家打分法和GIS進行了較好的結(jié)合。模糊集建模主要是將各因子的實測數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為隸屬度或適應性指數(shù)。專家打分法在評價因子較少時，可以較好地用來確定各因子的權(quán)重。但在生態(tài)適宜性評價研究中，往往涉及的因子較多，如超過20個，此時單用該方法很難駕馭。此時，應該考慮用層次分析法。GIS技術(shù)主要用來進行取樣點的定位、確定海拔高度和坡度、進行其他地理信息數(shù)據(jù)處理、地圖加工和最后結(jié)果的地圖直觀顯示等。本研究說明，在生態(tài)適宜性評價中，與其他傳統(tǒng)的手工制圖等技術(shù)相比，GIS技術(shù)靈活有效，功能強大。模糊集和GIS技術(shù)的結(jié)合，不僅對烤煙生產(chǎn)的生態(tài)適應性評價，也是對其他作物的生態(tài)適應性評價，都是比較好的組合。

由于研究區(qū)域所有地塊（劃分單元）的氣候、土壤、地形地面數(shù)據(jù)和適宜性指標數(shù)據(jù)都有，也可以進一步從精確農(nóng)業(yè)管理的角度，建立單一指標體系，如機會指數(shù)來簡化結(jié)果，以便更容易地推廣和指導生產(chǎn)。

4　結(jié)論

本研究結(jié)果表明：（1）通過研究烤煙質(zhì)量與生態(tài)條件的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)可以利用海拔高度、日照時數(shù)、土壤類型等指標進行四川烤煙種植生態(tài)適宜性評價。（2）利用模糊集建模技術(shù)，建立了生態(tài)適宜性評價模型，計算了所有基本評價單元的適宜性指數(shù)。（3）本研究說明GIS技術(shù)能較好地運用于生態(tài)適宜性評價中，如樣點的定位、海拔高度的計算、GIS數(shù)據(jù)處理、地圖加工和結(jié)果的地圖直觀顯示等。（4）進行了四川烤煙生態(tài)適宜性評價，按照地理位置，將現(xiàn)存煙區(qū)劃分為3個大區(qū)，各區(qū)再細分為最適宜、適宜、較適宜和不適宜區(qū)。在全省土地總面積48.4萬km2中，最適宜烤煙種植的面積占9.52%。在煙區(qū)中，39.89%的面積為最適宜區(qū)，24.20%的面積為適宜區(qū)。

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Assessment on Ecological Adaptability of Flue-cured Tobacco in Sichuan Province Based on GIS and Fuzzy Set

ZHANG Jiuquan,LIANG Hongbo,DONG Jianxin,WU Yuanhua
(Tobacco Research Institute of ChineseAcademy ofAgricultural Sciences,Qingdao 266101 China)

A series of assessments on ecological adaptability of flue-cured tobacco in Sichuan Province were conducted by using GIS and fuzzy set in order to properly identify the best planting regions and improve raw material supply to cigarette industry.The soil and tobacco leaf samples from tobacco planting regions in Sichuan were collected and tested,and local climatic and terrain data were collected as well.The assessment factors were identified by correlation analysis between tobacco leaf quality and ecological parameters,and ecological assessment was carried out.The results showed that altitude,sunshine hours,and soil type could be used in assessing the adaptability of tobacco in Sichuan.Nine point five two percent of the land area in Sichuan Province was in the category of“the most suitable for tobacco production”and 39.89%of existing tobacco production areas were in the“most suitable”and 24.20%were in the“suitable”categories,respectively.The existing tobacco production areas could be classified into 3 primary zones,which could be further classified as the most suitable,suitable,less suitable,and not suitable zones.

flue-cured tobacco;ecological adaptability;fuzzy set;GIS;Sichuan

S572.01

1007-5119（2016）03-0008-07

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.03.002

張久權(quán)，男，博士，副研究員，主要從事煙草栽培和信息方面的研究。E-mail：zhangjiuquan@caas.cn

2015-10-29

2016-01-25