十堰市煙葉的氣候影響因子分析與試點地評估

潘 快，龐淦鍵，張思凱，吳 俊

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 435003）

湖北省作為中國重要的煙葉產(chǎn)區(qū)之一，烤煙質(zhì)量較好，煙葉生長與氣象氣候因子間相關(guān)程度較大［1-3］，十堰市煙草產(chǎn)區(qū)地理態(tài)勢變化顯著、陡坡田區(qū)多，可形成多重對照［4-7］。張云貴等［8］、王躍能等［9］、柴利廣等［10］分析了文山煙區(qū)氣象因子對煙葉化學(xué)成分的影響，不同氣候條件對煙葉中化學(xué)成分影響不同，通過對十堰市全年和4 個季度分別進行影響因子分析，發(fā)現(xiàn)煙葉中鉀含量與最大總輻射呈正相關(guān)，氯元素相對變化較小。降雨量和光照強度都會影響煙葉的化學(xué)成分。對氣象因子影響煙葉生長狀況研究，可以對煙葉氣候適應(yīng)性進行有效評估，建立可靠的煙葉品質(zhì)預(yù)測模型，從而提升煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量，達到利益最優(yōu)化。

氣候因子對煙葉品質(zhì)影響在不同的年份、地區(qū)、等級都具有較大的差異，其主要表現(xiàn)在煙葉的外觀、物理、化學(xué)、感官等方面。本研究旨在通過十堰市主要煙葉產(chǎn)地的不同氣象氣候條件，分析各項煙葉品質(zhì)受氣象影響的因素，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，探究煙葉最佳生產(chǎn)條件進而提高煙葉品質(zhì)。

1 十堰市氣象數(shù)據(jù)與煙葉指標(biāo)

根據(jù)十堰市氣象局所提供九道、桃源、杜川和雙坪的2009—2020 年的氣象數(shù)據(jù)，包含平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降雨量、日照時數(shù)、平均紫外輻射、最大紫外輻射、平均輻射與最大總輻射9 個氣象因子數(shù)據(jù)。

本研究煙葉品質(zhì)指標(biāo)包括，外觀指標(biāo)，顏色、成熟度、葉片、身份、油分、色度；物理指標(biāo)，單葉重、含梗率、吸濕性、填充值、長寬比；化學(xué)指標(biāo)，鹽堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、糖堿比、氮堿比、鉀氯比、兩糖差；感官指標(biāo)，香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、刺激性、余味、燃燒性、灰色、濃度、勁頭、可用性。煙葉指標(biāo)中，外觀和感官指標(biāo)均為評價打分，具有一定的主觀性。

1.1 十堰市煙葉品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)

十堰市煙葉的物理、化學(xué)指標(biāo)描述性統(tǒng)計見表1。由表1 可以知，煙堿含量變異系數(shù)為33.22%，大于糖和氮的變異系數(shù)，與孫敬國等［1］研究結(jié)果一致。單葉重、吸濕性、填充值及氯的變異系數(shù)均超過20%。這表明十堰市煙葉煙堿、單葉重、吸濕性、填充值及氯隨氣候的變化波動較大，而其他指標(biāo)變化較為穩(wěn)定。

表1 十堰市煙葉物理、化學(xué)指標(biāo)描述統(tǒng)計

對十堰市煙葉數(shù)據(jù)進行整體分析，煙葉指標(biāo)的影響因子分析結(jié)果見表2。由表2 可知，十堰市煙葉指標(biāo)中，受氣候因子因素影響的指標(biāo)較多，受地區(qū)分布影響的指標(biāo)較少。

表2 煙葉指標(biāo)的影響因子分析

1.2 十堰市氣象數(shù)據(jù)的描述統(tǒng)計

煙葉數(shù)據(jù)來自十堰市5 個區(qū)縣，采集的氣象數(shù)據(jù)來源于10 個觀測點，對應(yīng)分析存在數(shù)據(jù)條目不匹配的問題。為便于進一步的分析，根據(jù)氣象點的數(shù)據(jù)分布、煙葉數(shù)據(jù)的完整性及十堰市的地域分布情況對氣象數(shù)據(jù)進行篩選。由于鄖西的煙葉數(shù)據(jù)缺失較多，選擇杜川、九道觀測點的氣象數(shù)據(jù)作為分析對象。對2 個觀測點所有天數(shù)的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到每年的氣象平均指標(biāo)，結(jié)果見表3。

由表3 可知，杜川平均氣溫為14.91 ℃、最高氣溫26.42 ℃、最低氣溫2.48 ℃，均高于九道、雙坪；雙坪降雨量為111.07 mm，高于九道、杜川和桃源；杜川日照時數(shù)為150.22 h，高于九道、雙坪和桃源。九道的總輻射高于杜川、雙坪和桃源。

表3 氣候因子的描述統(tǒng)計

2 十堰市煙葉品質(zhì)與氣候因子的關(guān)系模型

2.1 煙葉評價指標(biāo)與氣候因子的一般關(guān)系模型

建立氣候因子與煙葉指標(biāo)的關(guān)系模型，主要從煙葉指標(biāo)和氣候因子的相關(guān)性，氣候指標(biāo)的主要因子及煙葉指標(biāo)各項數(shù)據(jù)對氣候因子的依賴性3 個方面展開。

各項研究指標(biāo)的一般關(guān)系模型表示如下。

式中，P表示煙葉品質(zhì)，a表示氣候因子，t表示時間因素，d表示區(qū)域環(huán)境影響。

不同氣候因子對煙葉指標(biāo)的影響也有著顯著差異，隨年份的變化，氣候因子對煙葉指標(biāo)的影響也不相同。從9 個氣候因子中找出對煙葉各項指標(biāo)的影響程度，對變量間進行相關(guān)性分析，從9 個氣候因子中找出最主要影響因子。

相關(guān)分析模型如下。

式中，R表示相關(guān)系數(shù)，ρ表示相關(guān)函數(shù)。相關(guān)系數(shù)的計算公式如下。

式中，cov（x，y）是隨機變量x、y的協(xié)方差，var（x），var（y）分別代表x、y的方差。

假設(shè)氣候與煙葉指標(biāo)存在相關(guān)性，可以分析氣候數(shù)據(jù)對指標(biāo)的影響?；诨貧w分析可以建立煙葉品質(zhì)與氣候因子的依賴關(guān)系模型。

式中，T表示公共因子，ε表示特殊因子。

2.2 十堰市煙葉品質(zhì)評價指標(biāo)與氣候因子的相關(guān)性分析

根據(jù)十堰市煙葉氣象數(shù)據(jù)，對杜川、九道、雙坪和桃源4 個地區(qū)煙葉指標(biāo)與地區(qū)氣候因子進行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。由表4 可知，煙葉的化學(xué)成分中，總糖和降雨量成負(fù)相關(guān)，與最大總輻射成正相關(guān)；煙堿與最大紫外輻射成正相關(guān)；鉀含量與最大總輻射成正相關(guān)。煙葉的物理指標(biāo)中，長寬比與最大總輻射正相關(guān)。感官指標(biāo)中，雜氣與氣溫和降雨量負(fù)相關(guān)，余味與日照、輻射正相關(guān)，可用性與降雨負(fù)相關(guān)。

表4 煙葉品質(zhì)的影響因子相關(guān)性分析

2.3 十堰市煙葉品質(zhì)氣候影響的因子分析

氣候影響因子間存在一定的聯(lián)系，通過對9 個氣候因子提取的3 個成分因子進行分析，將提取的3個因子做旋轉(zhuǎn)分析，通過旋轉(zhuǎn)因子分析，觀察各項氣候指標(biāo)在總體因子中的貢獻和每個氣候指標(biāo)對3 個因子的依賴性，結(jié)果見表5。

由表5 可知，最高氣溫、降雨量、日照時數(shù)和最大總輻射與第一個因子的相關(guān)性強，平均紫外輻射和平均氣溫與第二個因子的相關(guān)性較強，第三個因子主要與最大紫外輻射相關(guān)性強。

表5 旋轉(zhuǎn)后的因子分布

3 基于模糊關(guān)聯(lián)分析的試點地評估——以神農(nóng)架氣象數(shù)據(jù)為例

對十堰市2009—2020 年數(shù)據(jù)進行處理，建立回歸模型分析氣候因子對煙葉品質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，氣候因子對煙葉品質(zhì)影響顯著。然而在實際生活中，氣象具有不可控性，不能通過改變氣候來提升煙葉品質(zhì)，但可以通過研究某一地區(qū)的氣候條件選擇合適煙葉生產(chǎn)條件的基地，使煙葉品質(zhì)得到改善。不少學(xué)者注重分析煙葉化學(xué)成分與氣候因子的關(guān)系，而氣象因子對煙葉生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響研究很少。

根據(jù)十堰市當(dāng)?shù)厣a(chǎn)情況及煙葉生育期觀測資料，確定煙葉的生長期，大田期（4 月21 日至8 月31日）、移栽-團棵期（4 月21 日至5 月31 日）、旺長期（6月1 日至6 月30 日）和成熟期（7 月1 日至8 月31日）。煙葉的生長期集中在4—9 月，以季度為時間軸研究適合煙葉種植的條件。

基于相關(guān)分析和因子分析，選擇平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降雨量、日照時數(shù)、最大紫外輻射、平均輻射7 個氣候因子作為氣象指標(biāo)。各項因子對煙葉品質(zhì)指標(biāo)的影響可以劃分為趨勢性、季節(jié)性和隨機性因子，時間序列的分析方法對時序問題較為有效，但不適用于多因子的復(fù)雜交互作用建模。在研究多個因子和因變量關(guān)系模型時，多元回歸、插值擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法被廣泛采用。其中回歸和擬合方法依賴選擇的代數(shù)模型，所建立的關(guān)系模型往往會存在模型的內(nèi)在特征而影響對煙葉品質(zhì)指標(biāo)的本質(zhì)解釋。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能夠有效地分析數(shù)據(jù)本身的內(nèi)在模式，但需要足夠的數(shù)據(jù)樣本，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且通常適用于模糊回歸，對精確數(shù)據(jù)的擬合預(yù)測存在過擬合現(xiàn)象。為綜合上述2 種方法的優(yōu)勢，將采用模糊關(guān)聯(lián)分析對季節(jié)性的氣候因子進行模式識別，對比選擇基地的氣候進行關(guān)聯(lián)分析和模糊評估，最后得到基地?zé)熑~品質(zhì)的分析預(yù)測結(jié)果。模糊關(guān)聯(lián)分析以相關(guān)性分析理論為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分布的相似性構(gòu)建因子分布的共同模式，采用模糊化的關(guān)系模型表示氣候因子的系統(tǒng)模型。其優(yōu)點在于脫離了固定的代數(shù)模型結(jié)構(gòu)，相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對數(shù)據(jù)分布的擬合更為直接。在模糊灰色關(guān)聯(lián)分析中，需要計算參考序列和系統(tǒng)整體序列的模糊關(guān)聯(lián)系數(shù)，為了加快計算速度，本研究采用相關(guān)系數(shù)作為關(guān)聯(lián)距離直接進行系統(tǒng)辨識。

神農(nóng)架處于中國西部高山區(qū)向東部丘陵平原區(qū)過渡和亞熱帶氣候向暖溫帶氣候過渡的交叉帶，特殊的地理位置、優(yōu)越的自然環(huán)境和氣候變化平穩(wěn)，沒有劇烈改變的極端天氣，適宜農(nóng)作物的生長。為了改善煙葉品質(zhì)，設(shè)計優(yōu)良煙葉產(chǎn)品，對神農(nóng)架的氣候條件進行評估，通過分析預(yù)測其煙葉品質(zhì)指標(biāo)反映其未來的產(chǎn)品質(zhì)量，分析的氣象數(shù)據(jù)來自門古氣象站2020 年全年的監(jiān)測結(jié)果。

計算各季度平均氣溫、降雨量、日照時數(shù)、平均紫外輻射、最大紫外輻射、平均輻射與最大總輻射。根據(jù)神農(nóng)架與杜川、九道、雙坪和桃源4 個地區(qū)間的相關(guān)系數(shù)計算模糊相關(guān)分析距離，其模糊相關(guān)距離計算結(jié)果見表6。

表6 地區(qū)模糊距離

根據(jù)模糊相關(guān)距離計算神農(nóng)架庫區(qū)的煙葉品質(zhì)預(yù)測結(jié)果，結(jié)果見表7。神農(nóng)架近臨九道，九道大部分季度的氣候與神農(nóng)架更相近，4 個季度灰色距離均比杜川的大。但九道的各個季度平均氣溫、日照時數(shù)、平均紫外輻射與最大紫外輻射均低于杜川，九道的降雨量、平均輻射與最大總輻射均高于杜川。而九道由于臨近神農(nóng)架，4 個季度的氣象變化比杜川更為平穩(wěn)。 神農(nóng)架煙葉品質(zhì)評估結(jié)果中均與九道的各項指標(biāo)相接近，預(yù)測煙葉品質(zhì)良好。

表7 煙葉品質(zhì)預(yù)測評估

4 小結(jié)

該研究分析了十堰市2009—2020 年的煙葉品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，研究了煙葉指標(biāo)隨氣候的變化情況及與各指標(biāo)的相關(guān)性。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的分析，計算了各項氣候因子對煙葉品質(zhì)影響的貢獻分布，提取出主要的氣候因子。

十堰市煙葉的單葉重、吸濕性、填充值、氯、煙堿及氮鉀隨年份變化的變異系數(shù)均高于15%，有明顯波動，受氣候因子的影響較大。在各項氣候因子中，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫對煙葉品質(zhì)的影響一致，光照、平均輻射、最大輻射、平均紫外輻射和最大紫外輻射的貢獻差異顯著。

綜合分析神農(nóng)架地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，得到的煙葉品質(zhì)與九道地區(qū)的各項指標(biāo)相近，其產(chǎn)地評估和煙葉種植方案設(shè)計均可以參考九道地區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行，但仍需考慮細(xì)節(jié)差異。

在后續(xù)的研究中，需改進模糊的關(guān)聯(lián)模型，通過回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等建模方法建立更為合適的煙葉指標(biāo)與氣候因子的關(guān)系模型，對其關(guān)系進行更為準(zhǔn)確的定量分析，精準(zhǔn)地指導(dǎo)產(chǎn)地相關(guān)建設(shè)問題。