GIS技术在现代烟草农业中的应用研究与展望

张春华 赵进恒 胡晓明等

摘要 地理信息系统（GIS）是现代烟草农业建设的空间分析技术基础。介绍了地理信息系统的基本原理和发展过程，综述了近年来国内外学者利用GIS技术在植烟土壤适宜性评价、植烟土壤养分空间变异研究、养分管理分区及变量施肥、烟草病虫害预测及农业气候与烟草种植区划和评估等研究方面所取得的成就，并探讨了GIS技术在未来烟草农业现代化中进一步应用的前景。

关键词 GIS；现代烟草农业；应用研究；展望

中圖分类号 S127 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）20-06860-02

烟草是我国重要经济作物，随着生产力的提高和信息化的推进，传统烟草农业已不适应社会发展，向现代烟草农业的转变是烟草行业可持续发展的需求，实现从粗放管理转向精益管理，不仅对提高烟叶品质和优化结构，而且对保护生态环境、节约资源、降低成本和提高生产效率等有重要意义。近年来，随着计算机和GPS等技术的发展，地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）作为一门新兴的学科也迅速发展起来，GIS与现代烟草农业的有效结合可解决生产过程中产生的动态问题，而且对水、肥、土、光等复杂多样的资源环境有空间立体分析功能。随着GIS系统的日益完善与发展，它将成为现代烟草农业研究的先进技术手段，为烟草农业的现代化与可持续发展提供了强有力的技术支持。同时，应进一步加大GIS技术在现代烟草农业中的应用，建立科学完善的空间决策及专家系统，为优质烟叶的精益生产和信息化管理提供参考和依据。

1 GIS的基本原理及发展历程

GIS是由地理数据库系统、计算机系统与组织机构等组成，主要以采集和存储地球表面与空间和地理分布有关的数据，并加以分析、显示和应用的计算机系统[1-2]，其主要涉及空间位置、模式模型、变化趋势等功能。

GIS技术起始于20世纪60年代，发展成熟于七八十年代，由偏重于空间数据的处理，转向自然资源开发、国土规划及生态保护等领域。 90年代以来，随着GIS理论、方法和技术的成熟，广泛应用在于环境资源保护、农业生产、灾害预测和政府管理等领域。

1978年，国内学者开始对地统计学的研究[3]，特别是近年来，地统计学与GIS的结合是国内外学者研究农田精准施肥的热点，GIS作为功能性的空间技术被应用于农业管理和农业分析科学研究中，主要应用于精准施肥、作物产值评估、病虫害预测和专家决策系统等方面，极大地推动了现代农业的发展。

2 地理信息系统在烟草农业领域的应用

20世纪90年代中期，我国逐渐将GIS应用在烟草农业领域，主要应用于农业气候与烟草种植区划、植烟土壤适宜性评价、烟草病虫害预测及评估和变量施肥等方面，取得了较大的成就，一些研究成果直接应用于烟草农业生产中，取得了很好的经济和社会效益。

2.1 对植烟土壤养分的空间管理及应用

2.1.1 植烟土壤适宜性评价。

土壤是一个具有空间变异的系统，经典统计学不能反映养分含量在空间上的分布情况。植烟土壤是优质烤烟生产的基础，对烟叶品质风格的形成具有重要作用。对植烟土壤养分空间变异性及烟草养分吸收规律的研究，可为实现植烟土壤适宜性的评价奠定基础[4]。

陈海生等利用GIS技术，运用模糊数学和层次分析法，对烤烟种植区各项土壤肥力指标进行了综合评价，并绘制了土壤肥力评价图，建立了河南省南阳市烤烟土壤肥力适宜性评价指标体系[5]。徐大兵等以湖北省恩施市“清江源”现代烟草农业科技园区、恩施城郊和利川柏杨基地单元新整治区域的土壤属性和速效养分为研究对象，在GIS平台的基础上，采用模糊数学法对新整治区域的土壤肥力适宜性指数进行了评价[6]。汪璇等对重庆黔江烟区土壤的速效养分和pH等6种主要植烟土壤肥力指标进行了分析，研究了土壤养分要素与各地形因子之间存在的相关关系，在GIS的平台下，利用模糊综合评价法对丘陵山区的植烟土壤养分适宜性进行了综合评价，并确立了黔江植烟土壤养分适宜性指数空间分布[7]。

2.1.2 植烟土壤养分空间变异研究。

土壤养分空间变异性是土壤重要属性，随着科学信息技术和GIS的快速发展，土壤养分空间变异性的研究成为了土壤科学研究领域的最前沿热点之一[8-9]。利用GPS、GIS和地统计学等相结合的方法，对植烟土壤大、中、微量元素空间变异的研究，可为烟区的管理分区和变量施肥提供科学依据。

黄新杰等采用GPS技术，在GIS的基础上，利用经典统计学和地统计学的方法，对湖南省典型稻烟轮作区3 255份土样养分的总体特征和空间分布特征进行了研究，探明了其养分的空间分布，为该地区的养分精准管理提供了理论依据[10]。董旭等采用GIS和地统计学相结合的方法，对辽宁昌图烟区的植烟土壤pH和有效态中量元素的空间变异及分布特征进行了研究，并绘制了其空间分布图[11]。李强等探讨微量元素精准施肥，研究了马龙县植烟土壤有效态微量元素的总体特征和空间变异特征，利用GIS技术，绘制了微量元素空间分布图，为该县的微量元素精准施肥专家系统提供了理论基础[12]。王新中等运用地统计学和GIS 技术，以平顶山郏县的植烟土壤为研究对象，分析了土壤粒级和主要土壤养分之间的关系，并对土壤粒级的空间变异规律进行了研究[13]。

2.1.3 植烟区土壤养分分区管理及变量施肥研究。

管理分区就是将具有相似土壤肥力及其养分利用率，以及相似生态环境的区域作为一个单元进行管理。变量施肥管理系统是精准农业的核心技术，在农业上已取得了良好应用效果[14-15]。利用GIS技术对植烟土壤进行管理分区研究，是在对每一管理单元的生态环境、土壤理化性质、烟草需肥规律和病虫害的综合分析的基础上，建立相应的施肥模型，并确立相对应的施肥方案，进行变量施肥管理，达到优质适产的目的，并且对保护烟田生态环境有重要意义。

Yang等对变量施用液态N和P肥作了研究，得出应用变量施肥技术可以减少产量变化的差异，提高产量和增加回报[16]。Liu等研究了植烟土壤养分的空间变异，并采用半方差图和克立格插值法进行土壤特性研究，为烤烟的变量施肥提供了理论基础和技术支撑[17-18]。江厚龙等以GIS為平台，利用主成分分析和模糊聚类分析法，用平顶山典型烟区111个土壤养分数据对烟田进行管理分区研究，将研究区域分为3个区域进行管理，分区结果可以作为变量施肥的单独作业单元进行施肥管理[19]。

2.2 烟草病虫害预测及评估

烟草病虫害是烟叶生产的制约因素，不仅严重影响烟叶品质，而且造成烟农经济损失。对烟草病虫害进行统防统治是烟叶生产的重要环节。利用GIS技术可以分析烟草病虫害发生的趋势及其影响发生的适宜环境因子，预测其发生的规律及时空动态，为防治烟草病虫害发生提供准确、及时、可视的科学决策。

Richam等利用GIS技术分析了不同地域间的气象、不同年度、有益有害生物、烟草品种抗性、生态变化等信息，并利用模拟模型对烟草蚜虫发生进行预测，建立烟草病虫害的发生预测模型[20]。陶琼等利用GIS对昆明市烟草的“六病四虫”的发生率和发生指数进行分析，准确地预测到病虫害发生的程度和空间分布，对病虫害进行有效的防治和预防有很好的应用效果，并利用WebGIS建立了昆明市烟草病虫害监测预警体系[21]。刘长明等应用互联网、GIS技术和数据库技术，以福建烟草病虫害监测数据为基础，构建福建省烟草病虫害管理信息系统[22]。

2.3 植烟区气候与烟草种植区划

气候是影响烟草生产和种植区划的重要生态因素，不仅影响烟草的生物学性状和病虫害的发生，而且还对烟草的内在品质和产质量有重要影响[23]。因此，将GIS 的空间分析功能与当地的气候资源和种植水平相结合，进行精准的气候区划，可为烟草种植区划的调整和合理利用气候资源提供科学依据。

莫建国等利用GIS技术，采用克里克插值和构建模型的方法，对威宁县烤烟生长期气候条件及各气象要素对烤烟品质的影响进行了研究，实现了对威宁县烤烟种植的精细气候划分[24]。符昌武等应用GPS和GIS技术，对普洱烟区气候要素进了空间分析，模拟绘制了气候要素的地理空间分布细网格模拟数字地图，为普洱优质烤烟生产区划奠定了基础[25]。董谢琼等利用气象、土壤、地形、土地利用等多源数据，在GIS技术支持下，根据烟草生长发育生态条件，确定烟草种植适宜性气候生态指标和区划原则，对云南省烤烟种植适宜区划进行研究，区划结果与云南省实际优质烟叶产地分布基本一致[26]。

3 GIS在我国烟草农业现代化进程中的研究与应用展望

随着烟草农业现代化进程的推进和GIS技术的不断发展、成熟，GIS技术需要加强在以下4个领域内的应用研究[27-28]。

3.1 以GIS、RS、GPS等技术为核心的“3S”空间决策支持系统 主要是GPS为RS和GIS提供监测范围的定位信息，RS为GIS提供重要的信息数据库，能及时准确提供监测范围内的综合性的定位定量信息，并有助于及时更新GIS数据库，特别是对烟草生长过程的动态监测。建立基于烟草“3S”技术的空间决策支持系统，可为烟草管理提供精确操作和决策服务。随着科学技术的迅速发展，其将成为今后现代烟草农业研究的热点，也将是现代烟草农业精益生产的基础。

3.2 GIS和专家系统（ES）高度集成 具有人工智能的GIS在烟草农业领域内将得到广泛应用。目前，GIS的应用还主要在烟田土壤养分数据库的建立、精准施肥、病虫害的监测和预测等方面，但烟草生长是一个动态过程，与当地生态气候、种植制度和田间管理等紧密相关，单纯的GIS研究，很少能为现代烟草农业生产中复杂的空间问题的解决提供足够的决策支持， 这需要大量的专家经验和知识。所以，GIS与专家系统的有机结合，为解决烟草生产过程遇到的各种问题