基于模糊隶属函数的吉林市烤烟种植气候适宜性区划

梁颖 马树庆 张明

(1.蛟河市气象局,吉林 蛟河 132500； 2.吉林省气象台,吉林 长春 130062；3.吉林省气象服务中心，吉林 长春 130062； 4.长春市气象探测中心，吉林 长春 130062)

引言

气候条件是影响作物生长发育、产量和质量的主要环境因素[1-3]，气候的区域变化和年际波动对烤烟产量和品质有明显影响。因此，根据气候时空变化对烤烟种植的影响来调整烤烟种植布局，对科学利用气候资源和强化烤烟生产管理都具有十分重要的科学和生产意义。

前人在烟草生态适宜性评价和种植区划方面做了大量工作[2-5]，李小芳等[6]通过相关、逐步回归、通径和决策等分析发现，上等烟比率受旺长期降水量和采烤前期日照时数共同决定,旺长期的平均温度和降水量是决定烤烟产量的关键因素。范幸龙等[7]试验研究发现，夜温升高显著缩短云南高海拔地区烤烟生育期，并增加干物质积累及有效叶片数，提升叶片横向生长能力。张阳[8]等分析发现，温度与光照的变化对湘东烟区烟叶氯、钾含量有一定影响，而降雨量的变化对其烟叶氯、钾影响并不显著。邓明军等[9]利用主成分分析法、层次分析法、指数和法等进行权重计算和指数运算,在GIS环境下将靖西烟区划分为适宜、较适宜和不适宜3个级别。姜勇等[10]按照楚雄烤烟适宜性种植区划指标对各关键因子进行等级划分，运用GIS的空间计算功能对楚雄烤烟进行适宜性划分研究。顾欣等[11]利用区域自动站实时资料，采用两维图论聚类分析方法，得出黔东南乡镇烤烟种植气候条件区域为10类。叶协锋[12]利用层次分析法、相关系数法等定性和定量评价相结合的方法，将河南省烟草种植地形地貌适宜性划分为四个等级。张久权等[13]利用GIS和模糊集建模技术，结合生态适宜性评价结果将四川烤烟区分为最适宜、适宜、较适宜和不适宜区。郭春明等[14]根据气候资料将吉林省烤烟划分为四级五区。刘友杰[15]基于GIS数字化推算模拟将延边烤烟种植适宜性的区域变化分区。相关研究涉及区域较广，可在宏观评价和规划上发挥指导作用，而要提高烤烟产量、品质和生产效益，还需要关注区县以下乡镇级的小区域气候影响，甄别局地气候效应，充分利用山地小气候资源，且需要兼顾到多要素气象条件对烤烟产量和品质的综合影响。

吉林市属温带大陆性季风气候，常年无霜期、气温、降水量等自然生态条件基本满足烤烟生长需求[16]，但当地气温、降水等气象要素年间及季节变化较大，有的年份和季节气象条件不能完全满足烤烟生长需求，气候异常年份对烤烟产量和品质影响较大[17]，加之当地以丘陵山区为主，山地不同高度和坡向方位小气候显著[18]，对烤烟势必产生不同影响，进而影响烤烟种植地理适宜度的细节变化。鉴于此，在前期气象要素对吉林烤烟产量和品质影响分析的基础上，采取模糊数学方法建立吉林市烤烟适宜度评价模型，在GIS平台下实现吉林市烤烟种植的精细化气候区划，为当地烤烟精细化布局调整提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

1981—2017年5—9月气象资料来源于吉林市气象局，包括8个自动气象站和215个区域自动站气温、降水、相对湿度、日照、冰雹等数据。1982—2016年烟叶种植面积、烟叶产量数据来源于吉林市社会经济统计年鉴；1991—2005年化学品质数据来源于吉林省烟草公司。吉林市县级行政区划图及1∶25万 DEM 数据(含经度、纬度、数字高程、行政边界等)来源于国家基础地理数据库，分辨率为100 m×100 m。

1.2 分析方法

1.2.1 烤烟气象因子分析

根据农业气象学原理，由气象条件决定的每年烤烟气象单产等于实际单产与社会趋势单产之差[19]。趋势单产是受农业生产技术等非自然因素影响的那部分产量，采用时间序列滑动平均方法模拟。将气象单产(kg/ha)与烤烟生长季(5—9月)逐月平均气温、气温平均日较差、降水量、平均空气湿度、平均日照(百分率)进行相关分析，筛选相关比较显著阶段的气象因子，并综合考虑当地气象条件和烤烟生理生态特点，选取评价烤烟种植气象适宜性的气象要素。

1.2.2 烤烟气候适宜性评价方法

在构建主导气象因子影响隶属函数的基础上，采用权重求和方法建立烤烟种植综合气候适宜性模型，表达式为：

(1)

式(1)中，IAI代表气候适宜性的综合指数；μ为隶属函数值；xi为气象要素；ci为第i个因素的权重系数；n为因子个数。

主导气象因子影响隶属函数采用模糊隶属函数[20]构建。根据模糊数学和作物生态学原理，结合吉林市气候条件，选用梯形(近似抛物线)、正比例线性和反比例线性3种隶属函数模型[16]。吉林市烤烟生长季降水量和空气相对湿度对烟草生长发育和产量影响存在下限、适宜和上限三基点阈值，负面影响随着偏离适宜值的幅度而增加。烤烟生长季气温和日照并不十分充分，没有上限阈值，因此与烤烟产量呈正比例线性关系。冰雹等不利于烟草栽培灾害性天气越少越好，因此为反比例线性关系。

各气象主导因素对烟草生态适宜性的影响程度不同，根据当地气象要素变化范围及其对烤烟栽培需求的满足情况、结合气象要素与烤烟产量和品质的相关程度以及专家经验，确定主导气象因子的影响权重系数。

1.2.3 空间分析模型构建及区划方法

为了客观、细致地反映山区农业气候资源的立体分布特征，建立山地气象要素推算模式和细网格差值[21]。基于ArcGIS系统平台，在细网格(分辨率为100 m×100 m)数字地图上，分析温度、降水、日照、湿度、冰雹天数等气象要素与经度、纬度、海拔高度的关系，建立多元二次方程，结合DEM数据，推算出区域内温度、降水、日照、湿度、冰雹分布。用格点适宜度数据和地理信息系统进行烤烟适宜性区划。

2 结果分析

2.1 影响烤烟种植的气象要素及其阈值

基于模糊数学理论，根据相关性分析结果和烤烟气象生态综合分析，结合吉林市气候资源实际情况，选择对吉林市烤烟产量和品质有重要影响的7—8月平均气温、5—9月平均气温、7月降水量、5—9月降水量、5—9月日照百分率、7月空气相对湿度等气象要素作为评价烤烟种植适宜性的气象要素[22-23]。各县市多年气象要素均值见表1，根据烤烟生物学特性要求、气象数据和生产实际分析得到各气象因子适宜范围值及上下限值(表2)。其中，5—9月平均气温是衡量大田期温度水平的主要指标，表示烤烟大田生长期热量条件。7—8月平均气温是反映吉林市夏季热量强度的主要指标，是影响烟叶旺长期品质形成的主要因素。7月降水量直接影响旺长期烟叶的生长发育和产量的形成，是旺长期内水分条件的主导因素[24]。5—9月降水量反映烤烟营养生长期至烤烟成熟采收期的降水总量，是烤烟产量和品质形成的基本决定因素。5—9月日照百分率反映生长期总日照条件。烤烟生长不仅需要适时的水分，而且还要有较大的湿度。7月空气相对湿度是反映烤烟大田中期相对湿度的主要指标，是影响吉林烟叶产量和品质的主要影响因子。此外，选取6—8月冰雹次数作为灾害因子。吉林特殊的地理因素及其天气气候背景易出现局部强对流天气而引发冰雹灾害，一般多发生在夏季，而此时期处于烟叶旺长期，冰雹易造成叶片形成大小不等的穿孔、烂叶或掉叶，对烤烟生长影响很大。从逐年逐日资料分析可知，温度日较差对含糖量有影响，但各地近40 a日较差多年平均值相差极小，可认为无区域差异，而本区划是从气候角度，采用的是因子多年平均值，因此多年平均日较差不作为区划要素。

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

表2 烤烟气候因子适宜性三基点指标Table 2 Three basis point indexes of climate factors for flue-cured tobacco

2.2 气候适宜度模型构建

用模糊隶属函数建立气象要素对烤烟栽培适宜度模型。

7—8月平均气温T7-8(℃)对烤烟种植的影响是正比例线性的。当地T7-8范围内不存在上限，下限为18.0 ℃，以24.0 ℃以上最为适宜，构建隶属函数为：

(2)

5—9月平均气温T5-9(℃)对烤烟种植的影响是正比例线性的。当地T5-9范围内不存在上限，下限为15.0 ℃，以20.5 ℃以上最为适宜，构建隶属函数为：

(3)

7月降水量R7(mm)对烤烟种植的影响是呈现梯形的。当地R7上下限分别为350.0和95.0 mm，以160.0—165.0 mm之间最为适宜，构建隶属函数为：

(4)

5—9月降水量R5-9(mm)对烤烟种植的影响是呈现梯形的。当地R5-9上下限分别为850.0和290.0 mm，以540.0—550.0 mm之间最为适宜，构建隶属函数为：

(5)

式(5)中，K=0.85表明单位水分盈余影响小于单位水分亏损的影响。

5—9月日照百分率S5-9(%)对烤烟种植的影响是正比例线性的。当地S5-9上下限分别为90%和35%，以55%以上最为适宜，构建隶属函数为：

(6)

7月相对湿度U7(%)对烤烟种植的影响是呈现梯形的。当地U7上下限分别为95%和45%，以75%—80%之间最为适宜，构建隶属函数为：

(7)

6—8月冰雹天数H6-8(d)对烤烟种植的影响是反比例线性的。当地H6-8以0.6 d以下最为适宜，大于3.0 d不适宜烤烟种植，构建隶属函数为：

(8)

根据当地气象要素变化范围及其对烤烟栽培需求的满足情况、相关系数分析，结合专家经验，确定7—8月平均气温、5—9月平均气温、7月降水量、5—9月降水量、5—9月日照百分率、7月空气相对湿度、6—8月冰雹天数对烤烟适宜度影响的权重系数分别为0.14、0.15、0.15、0.15、0.15、0.12、0.14。利用公式(1)进行计算，得出气候适宜性的综合指数。

2.3 细网格气象要素推算方程

有关研究表明，山区气候要素值与海拔和经纬度密切相关[25]。分析现有温度、降水、日照、湿度、冰雹天数与经度、纬度、海拔高度或其二次幂关系，建立多元二次方程，结合DEM数据，推算出区域内温度、降水、日照、湿度、冰雹分布。用回归法分别建立各气象因子推算公式(表3)。

表3 1981—2017年5—9月吉林市烤烟生产气候要素推算模式Table 3 Models of estimating climate factors for flue-cured tobacco production in Jilin city from May to September during 1981-2017

2.4 烤烟气候适宜性区划

各等级烤烟气候适宜性的综合指标数值域为：不适宜，IAI≤0.75；次适宜，0.750.9。

根据吉林市烤烟气候的深入分析研究，遵循既定的烤烟气候区划原则，在ArcGis系统下，使用GIS矢量数据和表3方程，推算吉林市细网格(100 m×100 m)各气象要素值的空间分布，再计算各格点烤烟种植的适宜度值，模拟和实现吉林市烤烟种植气候适宜度分区，将吉林市烤烟种植区分为最适宜区、适宜区、次适宜区、不适宜区4类(图1)。

最适宜区(IAI>0.9)：烤烟种植最适宜区多分布在中山，主要分布在蛟河市中东部、桦甸市中部、零星分布在磐石市和舒兰市，烤烟面积约占全市的12%。该区内光温水湿匹配较优，虽热量略显不足，充足的光照弥补了温度的影响，降水适中，湿度适宜，光合有效性强，有利于烤烟干物质的积累，符合优质高产烤烟的生态环境条件。虽然该区冰雹灾害相对较轻，但在烤烟生产中也要注意防范雹灾带来的不利影响。

适宜区(0.85

图1 吉林市烤烟种植气候适宜度分区Fig.1 Climatic suitability division of flue-cured tobacco cultivation in Jilin city

次适宜区(0.75

不适宜区(IAI≤0.75)：不适宜区在各县市均有分布，约占全市的8%，主要分布在高山，集中在蛟河市中西部、东南部和北部部分地区、桦甸市东南部、舒兰市东部县市的少数乡镇。该区湿度适宜，由于海拔较高，气温低，多阴雨天气，光照不足，烤烟生长和干物质积累受限，烟叶难以落黄成熟，且冰雹灾害多，影响烟叶产量和品质，不适宜种植烤烟。

3 结论与讨论

(1)影响吉林市烤烟生长发育的主要气候条件是气温、降水、日照和空气相对湿度。7—8月平均气温、5—9月平均气温、7月降水量、5—9月降水量、5—9月日照百分率、7月空气相对湿度、6—8月冰雹天数是吉林市烤烟气候区划的热量、降水、光照、湿度、气象灾害指标。

(2)吉林市烤烟种植区分为最适宜区、适宜区、次适宜区、不适宜区4类，蛟河市适宜种植烤烟面积最大，其次是桦甸市，磐石市和舒兰市也占较大比例。实际生产中蛟河市种植烟叶面积占农作物总播种面积百分率最大，其次是磐石市、桦甸市、舒兰市，当前的种植面积与区划适宜范围有吻合之处，主产区是区划图中的适宜区。因此区划结果基本符合吉林烤烟生产实际，对吉林烤烟合理布局和生产具有一定的指导意义。

(3)由于东北烤烟气象研究基础相对薄弱(相对于玉米、水稻)，现有基础数据和气象指标等成果不足以逐项开展纯客观的统计分析建模。模糊数学中的隶属函数描述由0—1的模糊过渡关系，是介于定性与定量描述事实的数学表达方法，因此本文根据模糊数学原理和烤烟气候学原理，建立理论-经验模式，进行烤烟气候适宜度评判，采用地理信息系统等先进技术分析烤烟栽培气候适宜性的地理分布。在对吉林市烤烟种植进行气候分区时，侧重影响烟叶品质和产量的若干气候因素，指出适宜或次适宜烤烟栽培的地理区域，但并未充分考虑土壤、交通、地形因素的影响。因此，在开展烤烟普及调整和进行烤烟栽培区选择时，可在本气候适宜性分区基础上，选择适宜的山地作为烤烟主栽区重点发展优质烤烟，在次适宜区发展一般烤烟，避免在烤烟不适宜区盲目扩大种植。受应用基础研究成果限制，部分指标、参数并没有完全客观量化，有一定经验因素，相关研究还需要逐步完善。