基于GIS的烤烟气候适宜性分析及精细化区划
---以寻甸县为例
2020-02-05黄初龙
黄初龙
(云南省寻甸回族彝族自治县气象局，云南 寻甸 655200)
寻甸县位于E102°41′～103°33′，N25°20′～26°01′，在昆明市东北部，横跨金沙江、南盘江两流域之间。寻甸地处低纬高原季风气候区，境内地形环境复杂、立体气候明显，气候类型繁多，生态类型各异，具有独特多类型的低纬高原季风气候和气候区域差异、垂直变化显著、年温差小日温差大、降水充沛、干湿分明的气候特点。这些气候特点营造了寻甸得天独厚而有利于烤烟生长发育和烟叶品质形成的地理、土壤、气候等优越农业生态环境。这一优势使得世界上许多国家和地方的烟草品种均可在寻甸找到适生区。
寻甸烤烟种植区分布在河口、七星、甸沙、鸡街、塘子、功山、羊街、柯渡、倘甸、凤合、金所、金源、先锋、联合、仁德15个乡镇(街道)。近年来，寻甸烤烟种植面积稳定在8666～9333hm2，烟叶总产量在40万担左右。2019年全县烤烟种植面积为9376.66hm2，收购烟叶40.1万担；烟叶产量在2万担以上的种烟乡镇(街道)有6个，1～2万担的种烟乡镇(街道)有7个，有2个乡镇(街道)的烟叶产量在1万担以下。
近年来，随着GIS技术在农业气候资源分析中的应用，研究寻甸县复杂的山地气候条件，开展寻甸县烤烟种植气候适宜性和精细化区划成为可能。通过对气候资源和各种地理信息数据(经纬度、海拔、坡向和坡度等)进行空间分布拟合模型，最终得出寻甸县烤烟种植气候适宜性和区划，对促进烟农增收、企业增效、政府增税具有重要意义。
1 资料收集
本文中所使用的基础地理数据为中国气象局统一下发的1∶25万基础地理信息数据，数据包括矢量型的地形要素数据和栅格型的数字高程模型数据(DEM)；气象资料来自与云南省气象局，气象数据包括寻甸县及周边气象观测站30a (1981—2010年)的逐月地面气象资料，包括平均气温、极端最低气温、日照时数、降水量、相对湿度、总云量和低云量等；农业经济统计资料为寻甸县各乡镇烤烟历年种植面积、产量及品质状况。
通过数理统计分析方法，建立农业气候要素的统计模型；通过GIS技术，应用农业气候要素空间分布拟合模型，实现细网格化农业气候要素空间分布的拟合分析。数据处理主要涉及地理数据格式转换、数据拼接、裁剪、融合、坡度、坡向计算等资料整理工作，对各气象、经济等指标之间的量纲差异进行归一化处理。
2 区划指标及模型
2.1 烤烟种植气候适宜性区划
2.1.1 气象条件对烤烟种植的影响
气候条件是影响当地烤烟种植适宜性的重要因素之一，也是决定烤烟产量和烟叶品质的主要影响因素。气候因素是影响烤烟品质的诸多宏观和微观因素中的主导因素，只有充足的光照、温度、水分等条件才能保障烤烟的生长质量和产量。由于云南省立体性气候的特点，区域气候差异明显，导致烤烟产量、质量和品质之间存在明显区域特点。在影响烤烟种植的主要气候因素中，最重要的是生长期的温度、光照和降水。
2.1.1.1 温度的影响
烤烟生长所需的温度必须控制在8～38℃，在此温度范围内可以基本满足烤烟的生长需求，其中28℃是最适宜烤烟生长的温度。烤烟是喜温作物，在温度适宜的条件下能够快速生长，同时其生长的温度范围较广，一般≥10℃活动积温在2600℃以上，无霜期不少于120d，就可以满足烤烟生长所需热量条件，直接影响烤烟的生长质量。烟草种子发芽适宜温度为25～28℃，低于18℃种子发芽缓慢，超过35℃会遭受伤害，影响正常发芽；育苗期气温低于11℃，或移栽后气温低于13℃时，容易出现早花而导致烟叶品质较低；高于20℃时也不利于花芽分化，但有利于促进植株的生长发育；当烤烟生长成熟期气温低于18℃或超过35℃时容易导致叶片早衰，同时烟碱含量也会增高。在烤烟的生长与发育期，烤烟对温度的要求十分敏感，而在晒烟与晾烟时，对温度的要求相对偏低。若烟草为黄花烟，其是比较耐冷、耐凉的，只要温度的变化不会造成烟草的生长发生延迟现象或停滞生长即可。烤烟整个生育期所需温度应≥10℃，活动积温为3550℃左右。在烤烟生育期内若气温偏高，其整个生育期的持续时间将较短。此外，烟草适合生长在昼夜温差较大的区域，能促进其更为高效地进行生长与发育。从品质方面来看，成熟期温差偏小的烤烟品质要较好。低纬高原夏季气温偏低，7月平均气温是反映云南夏季热量强度的重要指标，不但与中高海拔地区的烤烟产量水平有关，而且是云南烟叶品质形成的必要条件和主要影响因素之一。
2.1.1.2 光照的影响
光照是烤烟进行光合作用、生产和积累有机物质必不可少的重要因素，提供烤烟进行各种生理和代谢活动所需的能量。在整个生育期或大田期间的总日照时间可以在一定程度上反映烤烟的光照条件，但日照时间的分布也很重要。相对于温度参数，很多烟草对光照长短和强弱的要求不是很严格。在烤烟生长与发育期，只需要提供充足的光照即可，无需过于强烈，而且要求光照的时间控制在每天9h左右，特别是在烤烟的成熟阶段，必须要提供充足的光照，这是保证烟叶品质的关键所在。在烤烟的成熟期，适合提供短波的光线，日光和煦，是提升烤烟生长质量的保障；晒烟和白肋烟对光照的要求不是很高；若烟草属于香料烟，则需要强烈的阳光照射才能生长出具有香气的小叶片；若烟叶为雪茄包叶烟，那么其适合在相对荫蔽的环境下生长，这样才能保证其叶片轻薄，叶片组织结构相对细致，而且具有一定的弹性等。在光照方面，烟叶生长的不同时期、不同生长部位，需光量也是不同的，通常光饱和点会从烟草的下叶片逐步向上，且呈现增加的趋势。在烟草的苗期，光饱和点控制在1.5万Lx左右的强光。通过大量研究发现，7—8月份日照时数是决定云南夏季烤烟烟叶品质的重要因素和主要制约因素之一。
2.1.1.3 降水的影响
水分条件是烤烟生产不可或缺的因子，对烟叶光合作用等其它生理代谢活动起着重要作用。在适当的气温和光照条件下，在大田生长期间的降水量会影响烤烟的产量和品质。通常烟草植株的含水量范围控制在75%左右，在生长旺盛期的含水量会处在90%以上，待到烟草成熟期，烟叶的实际含水量会处于85%左右。在室内环境下进行测定时，生产烟叶1g，其蒸腾所耗费的水量为500g。烟草在生长期间，月平均降雨量为110～135mm，能够满足烟草的生长需求。烟草生长时会需要大量的水分，但是抗涝性不强，而且各个生长发育阶段对土壤中水分的具体要求是不同的。在苗床期，播种到2片真叶时，对土壤中水分含量的要求为田间含水量的72%为最佳。大十字期间，要适当进行控水操作，这样可以进一步促进根系的生长与发育；烟草从竖叶期到成苗期间要耗费大量的水分。此时要保持土壤的水分，在移栽前14d左右开始断水，进行炼苗。从团棵到生长旺盛期，要求土壤的水分应为田间水分含量的80%为最佳，若在此阶段缺水，会对烤烟的生长形成阻碍。从花蕾出现到成熟期，要求土壤的水分应为田间水分含量的60%为最佳，此时可适度进行控水，适当减少水分含量，提升烤烟的生长质量。若水分过多，极易引发烟叶成熟速度延迟，而且会影响烟草的品质等级。
烤烟在不同的生长阶段对水分的需求不同，早期需水少，中期需水增加，后期需水又减少。在育苗和移栽的初期，少雨有利于根系的生长；中期是烤烟旺盛生长时期，需要更多的水，干旱会影响其生长发育；后期是烟叶的成熟期，过多的雨水不利于成熟。4—9月份的降水量可以代表云南烤烟从育苗后期到成熟收获期的气候湿润大小，是主导烤烟生长期间水分条件的最主要因素。
2.1.2 烤烟种植适宜性区划指标
根据寻甸县烤烟气候特点、烤烟生长期气候的空间差异性、烤烟气候对烟叶品质的影响，确定使用以下4个气候要素作为云南烤烟气候适宜性评判指标。
2.1.2.1 4月平均气温
4月平均气温与3 月平均气温呈强正相关，能反映烤烟苗期、移栽期低温及倒春寒的影响程度，是烤烟种植气候适宜性的一个重要方面。
2.1.2.2 7—8月平均气温
代表夏季和烟叶成熟期热量强度，是烤烟热量条件的主导因素，并反映烤烟大田期云南热量条件的主要空间分布差别。其与4—9月积温高度相关。
2.1.2.3 7—8月日照时数
代表烤烟大田生长中后期光照条件，是云南烤烟气候的主要制约因素，并能客观指示烤烟大田生长期日照时数的地理空间分布状况。其与5—8月、6—8月、6—9月3个月段的日照时数相关性较好。
2.1.2.4 6—8月降水量
反映烤烟旺盛生长和烟叶成熟期自然水湿状况，也是云南烤烟水分条件的主要不利(洪涝)影响，其与6—8月雨量相关性较好。
结合烤烟气候区划指标和相关气候要素空间栅格点的数值，就可以对烤烟种植气候的适宜性进行评价。气温对烤烟生长发育和品质形成起主导作用，因此考虑区划时以热量条件(4月平均气温和7—8月平均气温)为主要指标，以光照条件(7—8月日照时数)和水分条件(6—8月降水量)作为逐级适宜性分区指标。
2.1.3 烤烟种植适宜性指标空间分布的推算
由于大气具有连续性和空间分布的渐变性等特点，气象要素是遵循一定的规律形成的地理空间分布。理论和实践证明，气象要素随时间和空间的变化在一定的允许误差范围之内是可以模拟推算的。但是，不同气象要素之间的空间分布规律和特点是有显著区别的。受空气的流动性影响，温度为连续性变化过程，平均气温的空间分布受地形地貌影响相对其它气象要素的空间分布较小，空间分布规律相对较好；降水量的空间分布受下垫面性质、地形、地貌、坡向、中尺度天气系统和风等多种因素的交互影响，时空分布较为复杂、区域性差异十分明显；日照时数受季节、天气情况、云量分布的影响较大，与大地形、本地天气系统有关，空间分布规律性也较差。针对不同气候要素的空间分布特点，本文在ArcGIS地理信息系统平台下采用了不同的模拟推算方法。
网格点上某一气候要素值Y是宏观地理环境因素和微观地形因素的函数，数学表达式为：
Y=f(φ,λ,H,D)+ε
式中，φ为纬度，λ为经度，H为海拔高度，D为地形因素订正项(地形起伏度)。选取纬度、经度、海拔高度和地形起伏度等作为自变量，通过数理统计方法建立气候要素与地理参数两者之间的统计模型，选用模型并通过严格的统计检验。
气象要素与地理要素在量纲上有很大的差异，尤其是在二次幂以后数值差异太大，不利于模型的建立和表述，为了消除量纲必须进行均一化处理，即将要素使用0～1之间的数值表示，要素的均一化值体现了要素在样本中所处的位置。均一化主要通过下面的方法来进行处理：
式中,Yi为某要素的均一化值，xi为某要素的原始值，xmin为某要素所在样本中的最小值，xmax为某要素所在样本中的最大值。
平均气温：使用统计模拟法、残差订正、插值相结合的计算方法。建立各月平均气温与海拔、纬度和经度等地理参数的统计模型，挑选检验显著的可靠模型；然后根据选取模型计算各相关站点平均气温的残差值，在ArcGIS系统中嵌入统计模型，模拟月平均气温的地理空间的初步分布，再应用残差值进行内插，对初步推算结果进行插值订正。最后，基于拟合误差检验情况，采用2种插值方法对局部复杂区域进行叠加修正。
4月平均气温推算模型：
T4=44.514-0.004h-0.766φ-0.002D
R2=0.899F=169.1
7—8月平均气温推算模型：
T78=25.63-0.005h-0.125φ
R2=0.927F=778.2
7—8月日照时数：模拟推算采用统计模拟法、反距离平方法、比值法、残差订正以及其它插值法相结合。预计各月日照时数推算相对误差小于6%～10%。其中云南7—8 月日照时数与地理参数的统计学关系模型为：
S78=-1661.369+11.708λ-0.052D+4.855φ+22.437T78+0.092h
R2=0. 573F=31.8
T78为7—8月平均气温
月降水量：模拟推算采用统计模拟、比值法和插值法，并结合残差订正法，基于全省125个气象站和328个水文站的相关数据进行。云南6—8月降水量与基本地理参数的统计学关系模型为：
Y=8762.603-99.509φ-37.820λ-3.58h-73.299TyearR2=0.424F=22.1
Tyear为年平均气温。估算公式为：
R2=0.858F=367.2
2.1.4 烤烟种植适宜性区划模型
按照作物生态学原理，光、温、水3种自然气候要素对烤烟种植的适宜性指数f(x)，可以使用抛物线型隶属度函数来表示,如图1所示。即当要素值x
(1)
图1 抛物线型隶属度函数曲线
根据烤烟生态学理论和烤烟生产实际，确定烤烟气候单因素抛物线型隶属函数的拐点值如表1所示。
表1 烤烟气候单要素适宜指数评判隶属函数的拐点值
在烤烟气候单要素适宜度评判的基础上建立烤烟种植气候适宜性综合指数。经过大量分析、反复模拟推算和实地考证，确定4月平均气温、7—8月平均气温、7—8月日照时数和6—8月雨量在烤种植综合气候适宜度评判中的权重分别为0.15、0.38、0.22和0.25。使用综合指数法定量评价烤烟种植的气候适宜度。综合指数表达式为
IAI=∑Fi×Ci
(2)
式中，IAI为烤烟种植气候适宜性综合指数；Fi为第i个影响因子的隶属函数值；Ci为第i个影响因子的权重系数。
结合先前的研究成果和实际烟草生产工作，利用适宜度指数f(x)和综合指数IAI值域来最终确定烤烟种植适宜性等级：其中，指数<0.60为不适宜；0.60≤指数<0.75为次适宜；0.75≤指数<0.90为适宜；指数≥0.90为最适宜。
3 寻甸县烤烟气候适宜性区划结果
3.1 区划因子“4月平均气温”气候适宜性等级
根据烤烟气候适宜性区划指标，对寻甸县“4月平均气温”气候适宜性进行分级，如图2所示。以“4月平均气温”作为评价指标，寻甸县烤烟种植适宜性与海拔高度有很好的相关性，其中低海拔地区温度较高，热量适宜，属于适宜种植区。具体分布由图2可知，一般海拔2000m以下的地区为最适宜种植区，2000～2200m的地区为适宜种植区，2400m以上为不适宜种植区。
图2 寻甸县“4月平均气温”气候适宜性等级
3.2 区划因子“7—8月平均气温”气候适宜性等级
根据烤烟气候适宜性区划指标，对寻甸县“7—8月平均气温”气候适宜性进行分级，如图3所示。由于寻甸县立体气候明显，热量条件空间变化大，部分地区温度过高，超出烤烟适宜种植范围，寻甸县海拔2000m以上的大部分地区7—8月热量条件均适宜烤烟的种植，属于适宜种植区，主要分布在六哨乡及其周边乡镇。
图3 寻甸县“7—8月平均气温”气候适宜性等级
3.3 区划因子“7—8月日照时数”气候适宜性等级
根据烤烟气候适宜性区划指标，对寻甸县“7—8月日照时数”气候适宜性进行分级，如图4所示。由于寻甸县“7—8月日照时数”较烤烟生长所需较为适中，全县绝大部分地区体适宜烤烟种植，其中最适宜区主要集中在东部的几个乡镇，以及河渡镇、鸡街镇、倘甸镇、凤台镇海拔2400m以下的区域。六哨乡及其周边乡镇海拔较高地区属于适宜和次适宜区，这些地区海拔高、日照偏少。
图4 寻甸县“7—8月日照时数”气候适宜性等级
3.4 区划因子“6—8月降水量”气候适宜性等级
根据烤烟气候适宜性区划指标，对寻甸县“6—8月降水量”气候适宜性进行分级，如图5所示。寻甸县“6—8月降水量”总量较为适中，全县均为最适宜区。
图5 寻甸县“6—8月降水量”气候适宜性等级
3.5 寻甸县烤烟气候适宜性综合区划
综合“4月份平均气温”、“7—8月份平均温度”、“7—8月份日照时数”、“6—8月份降水量”4个区划因子，绘制寻甸县烤烟种植气候适宜性综合区划图，如图6所示。全县大部分地区为次适宜区，没有不适宜区。
图6 寻甸县烤烟气候适宜性分布图
适宜区和最适宜区主要集中在东部的几个乡镇(羊街镇、仁德街道、河口镇、七星镇、塘子镇)，以及河渡镇、金源乡的
部分地区海拔较低一般在2200m以下，热量条件较好，日照充足，水分条件较适宜。
次适宜区分布面积最大，为适宜种植区和不适宜区的过渡地带，主要分布在甸沙乡、金所工业园区西部、先锋镇及其以西的大部分地区。
4 烤烟优质高产栽培措施对策建议
烤烟产量及品质均与气象条件密切相关，加强田间管理，改善田间小气候条件，对于烤烟优质适产具有重要意义。要获得烟叶优质稳产，就必须根据大田各生育阶段烟草的生长发育特点及气象条件，采取相应的栽培技术措施，合理促控，加强管理，促进烟株正常的生长发育，确保烟叶和品质的形成。
烤烟适产和丰产年，生育期间，特别是大田前期一般温度较高，高温充足，雨量适中，光照充足，直射光多，光、温、水等气象要素配合良好。烤烟歉产年，生育期间，尤其是大田前期一般温度偏低、高温不足，降水过多，阴雨连绵，光照不足，直射光少。
烤烟生育期，特别是关键期的光、温、水条件及其协调配合，不仅是适产、丰产的基础条件，更是优质的基础条件。一般烤烟优质年，生育期特别是大田中后期温度偏高，高温持续，无低温危害；雨量适中，分布均匀，多阵性降水；光照和煦，多散射光；光、温、水要素间配合较好。烤烟低质年，生育期特别是大田中后期温度偏低，雨量过多，光照不足或出现异常天气变化，如低温、连阴雨、寡照、冰雹、暴冷暴热等。
