基于模糊隸屬函數(shù)的吉林市烤煙種植氣候適宜性區(qū)劃

梁穎 馬樹慶 張明

(1.蛟河市氣象局,吉林 蛟河 132500； 2.吉林省氣象臺,吉林 長春 130062；3.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林 長春 130062； 4.長春市氣象探測中心，吉林 長春 130062)

引言

氣候條件是影響作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和質(zhì)量的主要環(huán)境因素[1-3]，氣候的區(qū)域變化和年際波動(dòng)對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)有明顯影響。因此，根據(jù)氣候時(shí)空變化對烤煙種植的影響來調(diào)整烤煙種植布局，對科學(xué)利用氣候資源和強(qiáng)化烤煙生產(chǎn)管理都具有十分重要的科學(xué)和生產(chǎn)意義。

前人在煙草生態(tài)適宜性評價(jià)和種植區(qū)劃方面做了大量工作[2-5]，李小芳等[6]通過相關(guān)、逐步回歸、通徑和決策等分析發(fā)現(xiàn)，上等煙比率受旺長期降水量和采烤前期日照時(shí)數(shù)共同決定,旺長期的平均溫度和降水量是決定烤煙產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。范幸龍等[7]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，夜溫升高顯著縮短云南高海拔地區(qū)烤煙生育期，并增加干物質(zhì)積累及有效葉片數(shù)，提升葉片橫向生長能力。張陽[8]等分析發(fā)現(xiàn)，溫度與光照的變化對湘東煙區(qū)煙葉氯、鉀含量有一定影響，而降雨量的變化對其煙葉氯、鉀影響并不顯著。鄧明軍等[9]利用主成分分析法、層次分析法、指數(shù)和法等進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和指數(shù)運(yùn)算,在GIS環(huán)境下將靖西煙區(qū)劃分為適宜、較適宜和不適宜3個(gè)級別。姜勇等[10]按照楚雄烤煙適宜性種植區(qū)劃指標(biāo)對各關(guān)鍵因子進(jìn)行等級劃分，運(yùn)用GIS的空間計(jì)算功能對楚雄烤煙進(jìn)行適宜性劃分研究。顧欣等[11]利用區(qū)域自動(dòng)站實(shí)時(shí)資料，采用兩維圖論聚類分析方法，得出黔東南鄉(xiāng)鎮(zhèn)烤煙種植氣候條件區(qū)域?yàn)?0類。葉協(xié)鋒[12]利用層次分析法、相關(guān)系數(shù)法等定性和定量評價(jià)相結(jié)合的方法，將河南省煙草種植地形地貌適宜性劃分為四個(gè)等級。張久權(quán)等[13]利用GIS和模糊集建模技術(shù)，結(jié)合生態(tài)適宜性評價(jià)結(jié)果將四川烤煙區(qū)分為最適宜、適宜、較適宜和不適宜區(qū)。郭春明等[14]根據(jù)氣候資料將吉林省烤煙劃分為四級五區(qū)。劉友杰[15]基于GIS數(shù)字化推算模擬將延邊烤煙種植適宜性的區(qū)域變化分區(qū)。相關(guān)研究涉及區(qū)域較廣，可在宏觀評價(jià)和規(guī)劃上發(fā)揮指導(dǎo)作用，而要提高烤煙產(chǎn)量、品質(zhì)和生產(chǎn)效益，還需要關(guān)注區(qū)縣以下鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的小區(qū)域氣候影響，甄別局地氣候效應(yīng)，充分利用山地小氣候資源，且需要兼顧到多要素氣象條件對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合影響。

吉林市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，常年無霜期、氣溫、降水量等自然生態(tài)條件基本滿足烤煙生長需求[16]，但當(dāng)?shù)貧鉁?、降水等氣象要素年間及季節(jié)變化較大，有的年份和季節(jié)氣象條件不能完全滿足烤煙生長需求，氣候異常年份對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大[17]，加之當(dāng)?shù)匾郧鹆晟絽^(qū)為主，山地不同高度和坡向方位小氣候顯著[18]，對烤煙勢必產(chǎn)生不同影響，進(jìn)而影響烤煙種植地理適宜度的細(xì)節(jié)變化。鑒于此，在前期氣象要素對吉林烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)影響分析的基礎(chǔ)上，采取模糊數(shù)學(xué)方法建立吉林市烤煙適宜度評價(jià)模型，在GIS平臺下實(shí)現(xiàn)吉林市烤煙種植的精細(xì)化氣候區(qū)劃，為當(dāng)?shù)乜緹熅?xì)化布局調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1981—2017年5—9月氣象資料來源于吉林市氣象局，包括8個(gè)自動(dòng)氣象站和215個(gè)區(qū)域自動(dòng)站氣溫、降水、相對濕度、日照、冰雹等數(shù)據(jù)。1982—2016年煙葉種植面積、煙葉產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于吉林市社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒；1991—2005年化學(xué)品質(zhì)數(shù)據(jù)來源于吉林省煙草公司。吉林市縣級行政區(qū)劃圖及1∶25萬 DEM 數(shù)據(jù)(含經(jīng)度、緯度、數(shù)字高程、行政邊界等)來源于國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，分辨率為100 m×100 m。

1.2 分析方法

1.2.1 烤煙氣象因子分析

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理，由氣象條件決定的每年烤煙氣象單產(chǎn)等于實(shí)際單產(chǎn)與社會(huì)趨勢單產(chǎn)之差[19]。趨勢單產(chǎn)是受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)等非自然因素影響的那部分產(chǎn)量，采用時(shí)間序列滑動(dòng)平均方法模擬。將氣象單產(chǎn)(kg/ha)與烤煙生長季(5—9月)逐月平均氣溫、氣溫平均日較差、降水量、平均空氣濕度、平均日照(百分率)進(jìn)行相關(guān)分析，篩選相關(guān)比較顯著階段的氣象因子，并綜合考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件和烤煙生理生態(tài)特點(diǎn)，選取評價(jià)烤煙種植氣象適宜性的氣象要素。

1.2.2 烤煙氣候適宜性評價(jià)方法

在構(gòu)建主導(dǎo)氣象因子影響隸屬函數(shù)的基礎(chǔ)上，采用權(quán)重求和方法建立烤煙種植綜合氣候適宜性模型，表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，IAI代表氣候適宜性的綜合指數(shù)；μ為隸屬函數(shù)值；xi為氣象要素；ci為第i個(gè)因素的權(quán)重系數(shù)；n為因子個(gè)數(shù)。

主導(dǎo)氣象因子影響隸屬函數(shù)采用模糊隸屬函數(shù)[20]構(gòu)建。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)和作物生態(tài)學(xué)原理，結(jié)合吉林市氣候條件，選用梯形(近似拋物線)、正比例線性和反比例線性3種隸屬函數(shù)模型[16]。吉林市烤煙生長季降水量和空氣相對濕度對煙草生長發(fā)育和產(chǎn)量影響存在下限、適宜和上限三基點(diǎn)閾值，負(fù)面影響隨著偏離適宜值的幅度而增加?？緹熒L季氣溫和日照并不十分充分，沒有上限閾值，因此與烤煙產(chǎn)量呈正比例線性關(guān)系。冰雹等不利于煙草栽培災(zāi)害性天氣越少越好，因此為反比例線性關(guān)系。

各氣象主導(dǎo)因素對煙草生態(tài)適宜性的影響程度不同，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笠刈兓秶捌鋵緹熢耘嘈枨蟮臐M足情況、結(jié)合氣象要素與烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的相關(guān)程度以及專家經(jīng)驗(yàn)，確定主導(dǎo)氣象因子的影響權(quán)重系數(shù)。

1.2.3 空間分析模型構(gòu)建及區(qū)劃方法

為了客觀、細(xì)致地反映山區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的立體分布特征，建立山地氣象要素推算模式和細(xì)網(wǎng)格差值[21]?；贏rcGIS系統(tǒng)平臺，在細(xì)網(wǎng)格(分辨率為100 m×100 m)數(shù)字地圖上，分析溫度、降水、日照、濕度、冰雹天數(shù)等氣象要素與經(jīng)度、緯度、海拔高度的關(guān)系，建立多元二次方程，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，推算出區(qū)域內(nèi)溫度、降水、日照、濕度、冰雹分布。用格點(diǎn)適宜度數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行烤煙適宜性區(qū)劃。

2 結(jié)果分析

2.1 影響烤煙種植的氣象要素及其閾值

基于模糊數(shù)學(xué)理論，根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果和烤煙氣象生態(tài)綜合分析，結(jié)合吉林市氣候資源實(shí)際情況，選擇對吉林市烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響的7—8月平均氣溫、5—9月平均氣溫、7月降水量、5—9月降水量、5—9月日照百分率、7月空氣相對濕度等氣象要素作為評價(jià)烤煙種植適宜性的氣象要素[22-23]。各縣市多年氣象要素均值見表1，根據(jù)烤煙生物學(xué)特性要求、氣象數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)際分析得到各氣象因子適宜范圍值及上下限值(表2)。其中，5—9月平均氣溫是衡量大田期溫度水平的主要指標(biāo)，表示烤煙大田生長期熱量條件。7—8月平均氣溫是反映吉林市夏季熱量強(qiáng)度的主要指標(biāo)，是影響煙葉旺長期品質(zhì)形成的主要因素。7月降水量直接影響旺長期煙葉的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成，是旺長期內(nèi)水分條件的主導(dǎo)因素[24]。5—9月降水量反映烤煙營養(yǎng)生長期至烤煙成熟采收期的降水總量，是烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基本決定因素。5—9月日照百分率反映生長期總?cè)照諚l件。烤煙生長不僅需要適時(shí)的水分，而且還要有較大的濕度。7月空氣相對濕度是反映烤煙大田中期相對濕度的主要指標(biāo)，是影響吉林煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的主要影響因子。此外，選取6—8月冰雹次數(shù)作為災(zāi)害因子。吉林特殊的地理因素及其天氣氣候背景易出現(xiàn)局部強(qiáng)對流天氣而引發(fā)冰雹災(zāi)害，一般多發(fā)生在夏季，而此時(shí)期處于煙葉旺長期，冰雹易造成葉片形成大小不等的穿孔、爛葉或掉葉，對烤煙生長影響很大。從逐年逐日資料分析可知，溫度日較差對含糖量有影響，但各地近40 a日較差多年平均值相差極小，可認(rèn)為無區(qū)域差異，而本區(qū)劃是從氣候角度，采用的是因子多年平均值，因此多年平均日較差不作為區(qū)劃要素。

表1 1981—2017年5—9月吉林市烤煙大田期氣候因子Table 1 Climatic factors in the field stage of flue-cured tobacco in Jilin city from May to September during 1981-2017

表2 烤煙氣候因子適宜性三基點(diǎn)指標(biāo)Table 2 Three basis point indexes of climate factors for flue-cured tobacco

2.2 氣候適宜度模型構(gòu)建

用模糊隸屬函數(shù)建立氣象要素對烤煙栽培適宜度模型。

7—8月平均氣溫T7-8(℃)對烤煙種植的影響是正比例線性的。當(dāng)?shù)豑7-8范圍內(nèi)不存在上限，下限為18.0 ℃，以24.0 ℃以上最為適宜，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(2)

5—9月平均氣溫T5-9(℃)對烤煙種植的影響是正比例線性的。當(dāng)?shù)豑5-9范圍內(nèi)不存在上限，下限為15.0 ℃，以20.5 ℃以上最為適宜，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(3)

7月降水量R7(mm)對烤煙種植的影響是呈現(xiàn)梯形的。當(dāng)?shù)豏7上下限分別為350.0和95.0 mm，以160.0—165.0 mm之間最為適宜，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(4)

5—9月降水量R5-9(mm)對烤煙種植的影響是呈現(xiàn)梯形的。當(dāng)?shù)豏5-9上下限分別為850.0和290.0 mm，以540.0—550.0 mm之間最為適宜，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(5)

式(5)中，K=0.85表明單位水分盈余影響小于單位水分虧損的影響。

5—9月日照百分率S5-9(%)對烤煙種植的影響是正比例線性的。當(dāng)?shù)豐5-9上下限分別為90%和35%，以55%以上最為適宜，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(6)

7月相對濕度U7(%)對烤煙種植的影響是呈現(xiàn)梯形的。當(dāng)?shù)豒7上下限分別為95%和45%，以75%—80%之間最為適宜，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(7)

6—8月冰雹天數(shù)H6-8(d)對烤煙種植的影響是反比例線性的。當(dāng)?shù)豀6-8以0.6 d以下最為適宜，大于3.0 d不適宜烤煙種植，構(gòu)建隸屬函數(shù)為：

(8)

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笠刈兓秶捌鋵緹熢耘嘈枨蟮臐M足情況、相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，確定7—8月平均氣溫、5—9月平均氣溫、7月降水量、5—9月降水量、5—9月日照百分率、7月空氣相對濕度、6—8月冰雹天數(shù)對烤煙適宜度影響的權(quán)重系數(shù)分別為0.14、0.15、0.15、0.15、0.15、0.12、0.14。利用公式(1)進(jìn)行計(jì)算，得出氣候適宜性的綜合指數(shù)。

2.3 細(xì)網(wǎng)格氣象要素推算方程

有關(guān)研究表明，山區(qū)氣候要素值與海拔和經(jīng)緯度密切相關(guān)[25]。分析現(xiàn)有溫度、降水、日照、濕度、冰雹天數(shù)與經(jīng)度、緯度、海拔高度或其二次冪關(guān)系，建立多元二次方程，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，推算出區(qū)域內(nèi)溫度、降水、日照、濕度、冰雹分布。用回歸法分別建立各氣象因子推算公式(表3)。

表3 1981—2017年5—9月吉林市烤煙生產(chǎn)氣候要素推算模式Table 3 Models of estimating climate factors for flue-cured tobacco production in Jilin city from May to September during 1981-2017

2.4 烤煙氣候適宜性區(qū)劃

各等級烤煙氣候適宜性的綜合指標(biāo)數(shù)值域?yàn)椋翰贿m宜，IAI≤0.75；次適宜，0.750.9。

根據(jù)吉林市烤煙氣候的深入分析研究，遵循既定的烤煙氣候區(qū)劃原則，在ArcGis系統(tǒng)下，使用GIS矢量數(shù)據(jù)和表3方程，推算吉林市細(xì)網(wǎng)格(100 m×100 m)各氣象要素值的空間分布，再計(jì)算各格點(diǎn)烤煙種植的適宜度值，模擬和實(shí)現(xiàn)吉林市烤煙種植氣候適宜度分區(qū)，將吉林市烤煙種植區(qū)分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)、不適宜區(qū)4類(圖1)。

最適宜區(qū)(IAI>0.9)：烤煙種植最適宜區(qū)多分布在中山，主要分布在蛟河市中東部、樺甸市中部、零星分布在磐石市和舒蘭市，烤煙面積約占全市的12%。該區(qū)內(nèi)光溫水濕匹配較優(yōu)，雖熱量略顯不足，充足的光照彌補(bǔ)了溫度的影響，降水適中，濕度適宜，光合有效性強(qiáng)，有利于烤煙干物質(zhì)的積累，符合優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)烤煙的生態(tài)環(huán)境條件。雖然該區(qū)冰雹災(zāi)害相對較輕，但在烤煙生產(chǎn)中也要注意防范雹災(zāi)帶來的不利影響。

適宜區(qū)(0.85

圖1 吉林市烤煙種植氣候適宜度分區(qū)Fig.1 Climatic suitability division of flue-cured tobacco cultivation in Jilin city

次適宜區(qū)(0.75

不適宜區(qū)(IAI≤0.75)：不適宜區(qū)在各縣市均有分布，約占全市的8%，主要分布在高山，集中在蛟河市中西部、東南部和北部部分地區(qū)、樺甸市東南部、舒蘭市東部縣市的少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)濕度適宜，由于海拔較高，氣溫低，多陰雨天氣，光照不足，烤煙生長和干物質(zhì)積累受限，煙葉難以落黃成熟，且冰雹災(zāi)害多，影響煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)，不適宜種植烤煙。

3 結(jié)論與討論

(1)影響吉林市烤煙生長發(fā)育的主要?dú)夂驐l件是氣溫、降水、日照和空氣相對濕度。7—8月平均氣溫、5—9月平均氣溫、7月降水量、5—9月降水量、5—9月日照百分率、7月空氣相對濕度、6—8月冰雹天數(shù)是吉林市烤煙氣候區(qū)劃的熱量、降水、光照、濕度、氣象災(zāi)害指標(biāo)。

(2)吉林市烤煙種植區(qū)分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)、不適宜區(qū)4類，蛟河市適宜種植烤煙面積最大，其次是樺甸市，磐石市和舒蘭市也占較大比例。實(shí)際生產(chǎn)中蛟河市種植煙葉面積占農(nóng)作物總播種面積百分率最大，其次是磐石市、樺甸市、舒蘭市，當(dāng)前的種植面積與區(qū)劃適宜范圍有吻合之處，主產(chǎn)區(qū)是區(qū)劃圖中的適宜區(qū)。因此區(qū)劃結(jié)果基本符合吉林烤煙生產(chǎn)實(shí)際，對吉林烤煙合理布局和生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

(3)由于東北烤煙氣象研究基礎(chǔ)相對薄弱(相對于玉米、水稻)，現(xiàn)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和氣象指標(biāo)等成果不足以逐項(xiàng)開展純客觀的統(tǒng)計(jì)分析建模。模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)描述由0—1的模糊過渡關(guān)系，是介于定性與定量描述事實(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)方法，因此本文根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理和烤煙氣候?qū)W原理，建立理論-經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，進(jìn)行烤煙氣候適宜度評判，采用地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)分析烤煙栽培氣候適宜性的地理分布。在對吉林市烤煙種植進(jìn)行氣候分區(qū)時(shí)，側(cè)重影響煙葉品質(zhì)和產(chǎn)量的若干氣候因素，指出適宜或次適宜烤煙栽培的地理區(qū)域，但并未充分考慮土壤、交通、地形因素的影響。因此，在開展烤煙普及調(diào)整和進(jìn)行烤煙栽培區(qū)選擇時(shí)，可在本氣候適宜性分區(qū)基礎(chǔ)上，選擇適宜的山地作為烤煙主栽區(qū)重點(diǎn)發(fā)展優(yōu)質(zhì)烤煙，在次適宜區(qū)發(fā)展一般烤煙，避免在烤煙不適宜區(qū)盲目擴(kuò)大種植。受應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果限制，部分指標(biāo)、參數(shù)并沒有完全客觀量化，有一定經(jīng)驗(yàn)因素，相關(guān)研究還需要逐步完善。