孙飞虎 柳平增 孟宪勇 陈秀斋 张超 刘莉
摘要:通过生态适应性评价筛选适合雪茄烟种植生产的区域,是提升雪茄原料产量与质量、促进雪茄产业发展的前提。以山东沂水雪茄庄园为例,运用生育期平均气温、昼夜气温差、生育期≥10℃活动积温、生育期相对湿度、生育期降雨量以及生育期日均日照时数等雪茄种植生产的重要气候指标,对哈瓦那、比那尔得里奥、什邡等11个国内外优质雪茄烟区进行模糊聚类并通过隶属度函数求得各地区相应的CFI值。模糊聚类结果表明,可将11个区域划分为4类,其中沂水气候条件与哈瓦那、比那尔得里奥、什邡、多米尼加、巴伊亚州等国内外优质雪茄种植地区相似,它们的气候适宜性指数CFI值依次为沂水(0.931)、哈瓦那(0.963)、比那尔德里奥(0.956)、什邡(0.944)、多米尼加(0.932)、巴伊亚州(0.892),尤其沂水与多米尼加的CFI指数最为相近。由此得出,沂水雪茄庄园具有种植优质雪茄烟的生态气候条件。
关键词:模糊聚类;雪茄;气候适宜性;生态适应性;隶属度函数
中图分类号:S572
文献标识码:A
文章编号:2095-5553 (2024) 06-0330-07
收稿日期:2022年11月21日
修回日期:2023年2月17日
*基金项目:山东省农业重大应用技术创新项目(SD2019ZZ019);2019年度山东省重点研发计划(公益类专项)项目(2019GNC106103);山东省科技特派员项目(2020KJTPY078);山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY010713)
第一作者:孙飞虎,男,1999年生,安徽濉溪人,硕士研究生;研究方向为大数据与人工智能。E-mail: sunflytiger@163.com
通讯作者:柳平增,男,1968年生,山东济南人,教授,博导;研究方向为农业大数据、农业物联网与智慧农业。E-mail: pzliu@sdau.edu.cn
Ecological suitability evaluation of cigar planting in Yishui based on fuzzy clustering
Sun Feihu1, 2, 3, Liu Pingzeng1, 2, 3, Meng Xianyong1, 2, 3, Chen Xiuzhai4, Zhang Chao4, Liu Li4
(1. School of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian, 271018, China; 2. Key Laboratory of Intelligent Agriculture Technology of the Yellow and Huaihai Sea, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Taian, 271018, China; 3. Agricultural Big Data Research Center, Shandong Agricultural University, Taian, 271018, China; 4. Shandong Linyi Tobacco Co., Ltd., Linyi, 276003, China)
Abstract: Screening suitable areas for cigar planting and production through ecological adaptability evaluation is a prerequisite for improving the yield and quality of cigar raw materials and promoting the development of cigar industry. Taking Yishui Cigar Estate in Shandong Province as an example, using important climate indicators such as average temperature during the growth period, temperature difference between day and night, active accumulated temperature of ≥10℃ during the growth period, relative humidity during the growth period, rainfall during the growth period and average daily sunshine hours during the growth period, fuzzy clustering was carried out on 11 high-quality cigar tobacco areas at home and abroad, including Havana, Binard de Río and Shifang, and the corresponding CFI values of each region were obtained through the membership function. The fuzzy clustering results showed that 11 regions could be divided into 4 categories, among which the climatic conditions of Yishui were similar to those of Havana, Pinar de Río, Dominica, Bahia, Shifang and other high-quality cigar growing areas at home and abroad, and their climate suitability index CFI values were 0.931, 0.963, 0.956, 0.944, 0.932 and 0.892, respectively, especially Yishui and Dominicas CFI index was the most similar. It is concluded that Yishui Cigar Estate has the ecological and climatic conditions for growing high-quality cigars.
Keywords: fuzzy clustering; cigar; climatic suitability; ecological suitability; membership function
0 引言
近年来,我国雪茄产业发展迅速[1],已逐步成为我国烟草行业新的经济增长点[2]。目前大部分国产雪茄烟原料依赖于国外进口,雪茄烟叶特别是高质量茄衣短缺一定程度上制约了我国雪茄产业的健康、可持续发展,已成为制约雪茄产业发展的最大瓶颈[3]。雪茄烟作为晾烟的一种,对生态和气候条件要求更高[4]。生态因素对雪茄烟的产量与品质皆有影响,尤其是对烟叶品质影响最大[5, 6],雪茄烟生长的生态条件主要包括气候条件与土壤条件[7],而气候条件对雪茄烟的影响尤为显著[8],因此筛选出适宜种植优质雪茄烟的产区对解决雪茄原料短缺、推动雪茄产业健康可持续发展具有重要意义。本研究拟在分析沂水气候特点基础上,研究烟草种植生态适宜性评价方法。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
山东省沂水县地处鲁中南地区,沂蒙山区北部,沂山南麓,属鲁中南低山陵区,地势西北高、东南低,西北部为低山区,东部和东北部为丘陵,中南部为平原。地理坐标东经118°11′~119°03′,北纬35°36′~36°12′。沂水县属暖温带季风气候区,年均气温为12.5℃~13.5℃,昼夜温差大,无霜期长达240d以上,年均降雨量为785.1mm,7—9月降雨量充沛,约占全年降雨量的70%,年平均相对湿度为65%,年均日照率为 55%~59%,年日照总时长为2420.1h。雪茄庄园地处沂水县西北部诸葛镇跋山水库北岸,境内为低山区,海拔在159~524m之间,水资源充沛,黄烟为该地区的主要经济作物之一。
1.2 研究方法
模糊聚类分析是根据客观事物间的特征、亲疏程度、相似性,通过建立模糊相似关系对客观事物进行聚类分析,其在解决区域划分、气候分类等问题上都有一定的应用[9]。本文在文献[10-13]等的基础上,提出模糊聚类与隶属函数相结合的气候适宜性评价方法。首先利用模糊聚类对采集的数据样本进行聚类,然后采用隶属度函数对和沂水聚到一类的雪茄烟区进行评分。
1.2.1 模糊聚类分析
1) 数据标准化处理。由于各性状指标的量纲和数量级不同,不能直接计算分析。为消除单位的影响,使数据具有可比性,需采用标准差法对原始数据进行处理。
Fij=F′ij-F′jSj(1)
式中:Fij——初始数据;
F′j——某一性状的均值;
Sj——该性状的标准差。
2) 建立模糊相似矩阵。设U为被分类对象的全体,rij为在U上建立的相似系数。采用欧式距离法由式(2)计算rij,并建立模糊相似矩阵R。
rij=1i=j
1-∑mk=1(Fik-Fjk)2Di≠j(2)
其中D=max∑mk=1(Fik-Fjk)2。
3) 求模糊等价矩阵R*。模糊等价矩阵:即R自乘RR=R2,再自乘R2R2=R4,直到R2k=Rk=R*为止,则R*便是一个模糊等价矩阵。
4) 模糊聚类分析。用R*λ=(λij),取适宜实数λ∈[0,1]。当rij≥λ时,λij=1;当rij≤λ时,λij=0。对得到的结果矩阵进行排序划分,即得到在λ水平上的分类。
1.2.2 基于模糊数学求气候适宜性指数
1) 评价指标隶属函数的建立。通过模糊统计法确定各评价指标的隶属函数类型、最优值和最差值,然后计算出各评价因子的隶属度。涉及的隶属度函数为抛物线型(式(3))与升梯型(式(4)),其中抛物线型函数适用于雪茄烟生长既有上限又有下限的因子,升梯型函数适用于雪茄烟有下限无上限的因子。本研究涉及隶属函数如式(3)所示,其中a为下限,b为最优值下限,c为最优值上限,d为上限,a<b<c<d。
f(x)=1.0b≤x x-ab-a×0.9+0.1a d-xd-c×0.9+0.1c 0.1x≥d,x≤a(3) f(x)=1.0x x-ab-a×0.9+0.1a≤x