基于GIS和模糊集理论的四川烤烟生态适应性评价

张久权，梁洪波，董建新，吴元华

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

基于GIS和模糊集理论的四川烤烟生态适应性评价

张久权，梁洪波，董建新，吴元华

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

利用GIS和模糊集建模技术，通过采集和检测四川烟区土壤和烟叶样品，收集整理四川气候和地形地貌资料，对烟叶质量与生态条件的相关性进行分析，确定评价因子，并进行生态适宜性评价。结果发现，海拔高度、日照时数和土壤类型可以作为四川烤烟生态适宜性评价的关键因子。全省9.52%的土地面积为烤烟最适宜区；烟区39.89%的面积为最适宜区，24.20%的面积为适宜区。现存烟区按地理位置划分为3个大区，各区按生态适宜性评价结果再细分为最适宜、适宜、较适宜和不适宜区。

烤烟；生态适宜性；模糊集；GIS；四川

四川烤烟烟叶由于质量好，风格特色突出，在卷烟品牌配方中的地位日益提升，四川烟区已经成为我国最重要和最具发展前景的优质烟叶产区之一。然而，近年来四川烤烟生产也遇到了一些发展瓶颈，如种植零星分布，迫于控烟压力需要压缩烤烟种植面积等，因此，需要进一步调整和优化种植布局。上世纪80年代，学者们根据有效积温等指标[1-2]，对包括四川在内的全国烤烟进行了种植区划，此对四川烤烟种植布局起到了重要作用。然而，卷烟工业近年来对烟叶质量的要求、植烟土壤理化性状等都发生了较大变化，原有的烤烟种植区划不能完全适应四川烤烟的发展需要。另外，由于当时技术手段限制，科技工作者不得不选用较简单的指标体系，且大部分还不是定量的，所得结果比较粗糙。近年来出现的一些新的理论和技术，如层次分析法[3-4]、模糊集建模[5-7]、地理信息系统技术（GIS），加上传统的统计方法等，为更好地进行烤烟生态适宜性评价提供了新的理论指导和技术手段。

在进行生态适宜性评价时，评价因子往往是连续性的定量数据，如日照时数，如何把这些具体的数值诠释为生态适宜性，有时会比较困难。另外，各个因子的量纲不同，无法进行比较。模糊集建模技术对此提供了解决方案，将所有的因子数据通过隶属函数，转化为0～1，0表示完全不适宜；1表示100%适宜。该技术在作物和土地生态适宜性评价中得到了较多的运用，如Tang等[8]分别利用模糊集、参数法和最大限制因子法对玉米生产的土地适宜性进行了综合评价，发现通过模糊集建模技术获得的适宜性指数与玉米的产量相关性最好（r=0.96）；何元胜等[9]在云南临沧根据模糊数学原理建立了土壤肥力指标，并对其烟区土壤肥力进行了综合评价和分区。吴克宁等[7]也运用模糊集进行了烤烟土地适宜性评价。总之，模糊集建模技术应该是一种进行烤烟种植生态适宜性评价的较理想的方法。本研究利用GIS和模糊集建模技术，通过研究四川省烤烟烟叶质量与生态条件的关系，确定四川烤烟生态适宜性评价的关键因子，进行生态适宜性评价，为优化四川烤烟种植布局提供参考。

1　材料与方法

1.1气象资料的收集和整理

收集2005—2007年的气象资料，包括旬平均气温、最高气温、最低气温、大于或等于10℃活动积温、降水量、相对湿度、日照时数等。所有数据均由四川省气象局提供。

1.2土壤和烟叶质量样品的采集和分析

在充分收集利用现有烟叶质量资料的基础上，结合四川烟草种植的实际状况，根据当地气候条件、土壤类型、海拔高度及地形地貌等差异，于2005—2007年在四川省17个重点植烟县（市、区）确定了151个采样点，各样点均采集土壤和烟叶样品，一一对应。烟叶样品取样等级为C3F和B2F。

土壤样品检测项目包括：pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、水溶性氯、交换性钙、镁等。检测方法见文献[10]。烤烟感官质量定性评价由中国农业科学院烟草研究所进行，包括香气质、香气量、浓度、刺激性、余味、杂气、劲头、灰色、燃烧性等10项指标。烟叶化学成分检测指标包括烟碱、总氮、总糖、还原糖、钾、氯、淀粉等，均采用常规分析方法。

1.3土壤类型和海拔高度数据的提取，评价单元的确定

土壤类型分布图（1/50，000）由中国农业科学院自然资源与区划研究所提供，是第二次全国土壤普查（1982—1985）结果经过数字化为shp格式后的图。四川省30 m×30 m数字高程模型图（DEM）根据美国宇航局（NASA）2003年公布的DEM数据制作，然后采用ArcGIS 10.0软件提取高程数据。

评价单元是进行烤烟生态适宜性评价的基本单位，也是进行地理信息处理的最小图斑。同一评价单元内生态条件应该基本一致，所产烟叶质量也基本相同。所有的计算和建模都基于评价单元。因此，评价单元划分是否合理，对评价结果的准确性和工作量的大小影响较大。本研究根据四川的实际情况，考虑到四川烟区土壤类型的作用较大，采用县级行政区划图叠加土壤类型（土属）的方法来确定基本评价单元。利用ArcGis 10.0软件，经过相交、融合、消除等空间处理，确定四川全省为2570个基本评价单元。

利用ArcGis 10.0软件的“以表格显示分区统计”功能和前面制作的DEM，确定各基本评价单元的海拔高度（30 m精度）。

1.4生态适宜性评价因子的选择

根据土壤和烟叶样品检测分析和统计分析结果发现，烟叶化学成分和感官质量与海拔高度具有较强的相关性（表1）；不同土壤类型间，烟叶化学成分和感官质量差异显著。日照时数对烟叶质量有显著影响。气温、降水量与海拔高度、日照时数有显著相关性。土壤肥力指标（pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、水溶性氯、交换性钙、镁）与四川烟叶质量存在一定的关系，但规律不明显。根据这些统计结果，参考文献[1,11-12]，并结合四川省烟叶生产的实际情况，采用气候条件（5—7月日照时数，8月日照时数）、地形地貌（海拔高度）、土壤条件（土壤类型）3大类4项指标作为四川烤烟生态适宜性评价因子。

表1　四川烟叶化学成分含量和感官质量与海拔高度的简单相关系数Table 1　Correlations between leaf quality and altitude in Sichuan

1.5模糊集建模

模糊集合的概念首次由Zedeh于1965年提出[6]，他将传统的集合理论进行了扩展，使我们能将某些属性进行量化，该理论后来被其他学者进行了发展和应用[13-17]。

设X={x}为有限集合，例如所有的土壤pH值（0～14）。模糊子集A是集合X的一个子集，A通过函数μA，以及有序对：A={x,μA(x)}进行定义。对于所有的x,x∈X，而μA(x)为隶属函数，表示元素x与集合A的隶属程度，μA(x)的取值范围为0～1。1表示x完全属于子集A；0表示完全不属于子集A；0和1之间的任意数值表示x隶属于子集A的程度，例如，0.70表示x 70%地属于子集A。μA(x)表示隶属度，这样就使部分属于关系成为可能[6,13,15,17]。

隶属度总是涉及某项命题。在本研究命题为：“就某一烤烟生态适宜性评价因子而言，例如海拔高度，某块地适宜烤烟生产”。隶属度取值为1表示该海拔高度下生产潜力最大（100%）；0表示没有潜力。

本研究根据烟草生长特征特性，结合四川烤烟的生产实际，考虑隶属函数类型的选用原则[7]，确定隶属函数类型海拔高度为抛物线型，5—7月照时数为升梯形，8月日照时数为降梯形，土壤类型为直线型。各函数模型见文献[18-19]。

通过调查研究发现，四川烟叶生产情况随海拔高度的变化差异明显。海拔1500～1900 m生产出的烟叶最好，1900～2100 m的很好，1500 m以下的次之，其他的较差。另外，我们也发现海拔的最优等限值与纬度有关。综合考虑，采用表2的限值计算隶属度。

根据经验和理论推算，得出日照时数与隶属度的关系（表3）。按此数据分别作日照时数与隶属度的曲线图，然后查图求得任意日照时数的隶属度值。

四川烟区土壤类型主要以红壤、黄壤为主，紫色土次之，其他还有部分的水稻土、棕壤等，其对应的隶属度分别为红壤0.6、黄壤土类各土属变化范围为0.6～0.7，紫色土0.7～1.0，水稻土0.4～0.6、棕壤0.6～0.7。

1.6各因子权重的确定

由于本研究所选定的评价因子不多，因此，赋予权重时，采用了专家直接赋值的方法[20]。最后所得权重为，海拔高度0.5，土壤类型0.3，（5—7月）日照时数0.15，8月日照时数0.05。

表2　海拔高度隶属函数类型和限值Table 2　Adaptability assessment factors,their total weights, member function types,and threshold values

表3　各日照时数隶属度Table 3　Membership degree for various sun light hours

1.7适宜性指标和适宜性的确定

得出了隶属度和权重后，参照线性可加模型[21-23]的方式，计算适宜性指数如下：

这里n为因子数目，Wi因子i的权重，μi为因子i的隶属度。由于权重和隶属度的取值范围均为0.0～1.0，因此，所得适宜性指数也在0.0～1.0范围。0表示完全不适宜，1表示100%适宜。对所计算出的适宜性指标进行分布统计，确定最适宜区，适宜区，次适宜区，不适宜区的界限值。最后利用ArcMap 10.0绘制生态适宜性分布图。

有关运用模糊集理论进行烟区生态适宜性评价的详细过程可参阅文献[19]。

2　结果

2.1四川全省烤烟种植适宜性分布

从图1看出，四川全省烤烟种植的最适宜区和适宜区主要分布在川东北低山深丘、川西南山地和川南中低山丘陵区。包括凉山彝族自治州、攀枝花市、广元市、泸州市、宜宾市，达州市和巴中市部分地区。西部川西高原全部为不适宜区。

图1　四川省烤烟生态适宜性分布Fig.1　Distribution of tobacco ecological suitability in Sichuan Province

全省土地总面积48.4万km2中，最适宜烤烟种植的面积为4.61万km2，占9.52%，接近60%的面积不适合烤烟种植（表4）。然而，烟区大部分属于最适宜区和适宜区，分别占39.89%和24.20%，不适宜的面积仅占11.55%。

根据生态适应性原则、差异性原则、相似性原则、尊重历史原则、行政边界完整性原则，除四川西部不适宜区外，将四川烤烟种植区分为川西南山地烤烟种植区、川南中低山丘陵烤烟种植区、川东北低山深丘烤烟种植区3个一级区。各一级区又被细分为最适宜区、适宜区、次适宜和不适宜区4个二级区。

2.2川西南山地烤烟种植区

川西南山地烤烟种植区包括凉山州和攀枝花市（攀西地区），位于四川南部，介于东经100º 15?～103º53?，北纬26º13?～29º27?。幅员面积6.754万km2，占四川省总面积的13.9%。地貌类型以山地为主，占70%。其适宜性分布详见图2。

川西南山地烤烟种植区中土地总面积的40.53%为最适宜区（表4），包括攀枝花市的西区、东区和仁和区。会理南部，会东大部，米易、宁南的绝大部分地块，盐源县的少部分地块，雷波县大部，美姑县中部和南部少量地块，德昌县、西昌市的绝大大部分地块，甘洛县的50%地块，普格县大部。盐边中部、东部和南部。

图2　川西南山地烤烟种植区生态适宜性分布Fig.2　Distribution of tobacco ecological suitability in Mountains of southwest Sichuan

表4　四川烤烟生态适宜性面积分布Table 4　Area distribution of tobacco ecological suitability in Sichuan Province

2.3川南中低山丘陵烤烟种植区

本区位于四川南部，东经103º36´至106º23´，北纬27º42´至29º37´。整个地势南高北低，中部低凹，地形以低山、深丘为主，海拔300～1500 m。辖宜宾市和宜宾、叙永、古蔺、筠连、兴文、珙县、南溪、江安、长宁、高县、屏山等12个县（市）。其适宜性分布详见图3。

本区最适宜区面积仅占5.2%，包括屏山县的大部。叙永县的高峰乡南部、桂花镇中南部、水尾镇东南，古蔺县的桂花镇中南部，合江县的天堂坝乡中部和东南部、白怀镇南部。

图3　川南中低山丘陵烤烟种植区生态适宜性分布Fig.3　Distribution of tobacco ecological suitability in middle mountain and　hilly areas of southern Sichuan

2.4川东北低山深丘烤烟种植区

包括广元、达州和德阳三地（市）。本区土地面积最适宜区占大多数，为66.19%。包括青川县大部，广元是市中区、朝天区和市辖区，旺苍县、南江县、通江县的绝大部分地区，达县的黄庭东部、碗厂东部，宣汉县大部，万源市大部，武平县的部分地区，绵竹的汉旺，九龙，遵道，武都，兴隆，绵远，拱星，东北镇，土门，什邡的蓥华，洛水，灵杰，龙居，湔底，八角镇。其适宜性分布详见图4。

图4　川东北低山深丘烤烟种植区生态适宜性分布Fig.4　Distribution of tobacco ecological suitability in low mountains of northeast Sichuan

3　讨论

本研究利用模糊集和GIS等手段，成功地对四川烤烟的生态适宜性进行了评价。经过相关分析，结合实际生产经验，筛选出气候、海拔高度和土壤类型作为评价因子。通过模糊集建模，计算各因子的隶属度；然后利用专家打分法确定各因子的权重；最后利用指数和法计算生态适宜性指数。所有结果最后通过所开发的信息系统软件进行集成，供相关人员检索和分析。

模糊建模和GIS的结合克服了传统生态适宜性评价常常遇到的不确定性和主观性问题。本研究结果经过初步验证，发现与生产实际情况基本相符，目前四川烤烟的主要产区位于最适宜区和适宜区，高产优质烟区基本上位于最适宜区。

在作物生态适宜性评价中，模糊集进行建模技术得到了较多的运用[8,23-25]。有学者对模糊集建模和传统的其他评价技术或方法进行了比较，如参数法和最大限制因子法。Tang等[8]分别利用模糊集、参数法和最大限制因子法对玉米生产的土地适宜性进行了综合评价，发现通过模糊集建模技术获得的适宜性指数与玉米的产量相关性最好（r=0.96）；而限制因子法相关性最差，相关系数为0.8。Keshavarzi[16]报道，在生态适宜性评价中，模糊集法能产生连续性的度量范围，所得指标能反映土壤的内在肥力水平，认为该法更精确，能够较好的对作物产量进行预测。Burrough[13]，Burrough等[14]，以及Tang等[24]也报道 模糊集建模技术在作物生态适宜性评价中是一种不可多得的好方法。

因此，在烤烟和其他作物生态适宜性评价中模糊集建模技术值得推荐。本研究所用模型和整个评价方法均是合理有效的，具有较大的意义。

本研究中，大多数评价因子虽然为连续性的定量数据，如日照时数，但是，如何把这些具体的数值诠释为生态适宜性，有时会比较困难，甚至无法进行。另外，各个因子的量纲不同，无法进行比较。模糊集建模技术对这些难题提供了绝好的解决方案，将所有的因子数据通过隶属函数，转化为0～1（如前所述），1表示100%适宜。

本研究对模糊集建模、专家打分法和GIS进行了较好的结合。模糊集建模主要是将各因子的实测数据进行转换，转化为隶属度或适应性指数。专家打分法在评价因子较少时，可以较好地用来确定各因子的权重。但在生态适宜性评价研究中，往往涉及的因子较多，如超过20个，此时单用该方法很难驾驭。此时，应该考虑用层次分析法。GIS技术主要用来进行取样点的定位、确定海拔高度和坡度、进行其他地理信息数据处理、地图加工和最后结果的地图直观显示等。本研究说明，在生态适宜性评价中，与其他传统的手工制图等技术相比，GIS技术灵活有效，功能强大。模糊集和GIS技术的结合，不仅对烤烟生产的生态适应性评价，也是对其他作物的生态适应性评价，都是比较好的组合。

由于研究区域所有地块（划分单元）的气候、土壤、地形地面数据和适宜性指标数据都有，也可以进一步从精确农业管理的角度，建立单一指标体系，如机会指数来简化结果，以便更容易地推广和指导生产。

4　结论

本研究结果表明：（1）通过研究烤烟质量与生态条件的相关性，发现可以利用海拔高度、日照时数、土壤类型等指标进行四川烤烟种植生态适宜性评价。（2）利用模糊集建模技术，建立了生态适宜性评价模型，计算了所有基本评价单元的适宜性指数。（3）本研究说明GIS技术能较好地运用于生态适宜性评价中，如样点的定位、海拔高度的计算、GIS数据处理、地图加工和结果的地图直观显示等。（4）进行了四川烤烟生态适宜性评价，按照地理位置，将现存烟区划分为3个大区，各区再细分为最适宜、适宜、较适宜和不适宜区。在全省土地总面积48.4万km2中，最适宜烤烟种植的面积占9.52%。在烟区中，39.89%的面积为最适宜区，24.20%的面积为适宜区。

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Assessment on Ecological Adaptability of Flue-cured Tobacco in Sichuan Province Based on GIS and Fuzzy Set

ZHANG Jiuquan,LIANG Hongbo,DONG Jianxin,WU Yuanhua
(Tobacco Research Institute of ChineseAcademy ofAgricultural Sciences,Qingdao 266101 China)

A series of assessments on ecological adaptability of flue-cured tobacco in Sichuan Province were conducted by using GIS and fuzzy set in order to properly identify the best planting regions and improve raw material supply to cigarette industry.The soil and tobacco leaf samples from tobacco planting regions in Sichuan were collected and tested,and local climatic and terrain data were collected as well.The assessment factors were identified by correlation analysis between tobacco leaf quality and ecological parameters,and ecological assessment was carried out.The results showed that altitude,sunshine hours,and soil type could be used in assessing the adaptability of tobacco in Sichuan.Nine point five two percent of the land area in Sichuan Province was in the category of“the most suitable for tobacco production”and 39.89%of existing tobacco production areas were in the“most suitable”and 24.20%were in the“suitable”categories,respectively.The existing tobacco production areas could be classified into 3 primary zones,which could be further classified as the most suitable,suitable,less suitable,and not suitable zones.

flue-cured tobacco;ecological adaptability;fuzzy set;GIS;Sichuan

S572.01

1007-5119（2016）03-0008-07

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.03.002

张久权，男，博士，副研究员，主要从事烟草栽培和信息方面的研究。E-mail：zhangjiuquan@caas.cn

2015-10-29

2016-01-25