基于隶属函数的吉林省烤烟生产气候适宜条件分析

李成业 李忠辉

(吉林省气象科学研究所,吉林 长春 130062)

引言

烤烟是吉林省主要经济作物之一,其生长受气象因素影响很大,研究吉林烤烟生产气象影响限制因子很有必要,能为烟农趋利避害提供很好的决策支持,能够促进烟农增产增收。

目前,在烤烟气候区划时,采用GIS技术和气象因子相结合的方法。对于烤烟气象影响的研究较多,多集中于烟草产区气象条件的分析,以及气象灾害对烟草生产的影响上。石媛媛等、李蒙等[1,2]运用GIS空间分析技术和隶属度函数模型,建立了烤烟种植气候适宜性定量评价指标体系,并对烤烟种植气候适宜性进行了区划。何永坤等[3]运用模糊数学隶属度函数模型分析了渝东地区烤烟气候适宜度的时空变化特征。莫建国等[4]研究了贵州烤烟大田期可用日数分布特征及其利用方式。许彦平等[5]进行了天水烤烟适生适产区的气候区划。对于吉林省烟草来说,苗期主要在设施温棚里面,设施温棚可以人为控制气象条件,因此受外界天气影响较小。所以影响吉林省烤烟的气象条件主要是处于大田期的气象条件。通过筛选大田期的多个气候因子,并结合中国烟草总公司、中国农科院农业资源与农业区划研究所、郑州烟草研究院在2009年《中国烟草种植区划》中提出的成熟期平均气温、旺长期降水、大田生长期可用时间、大田期日照时数等4个气候因子[6-10],利用隶属函数来确定气气候适宜度,并确定影响吉林省烤烟主要气象条件限制因子。

1 材料和方法

1.1 研究资料

使用吉林省49个县国家气象站1981—2020年逐日平均气温、降水和日照数据,数据来源于吉林省气象局。

1.2 研究方法

分析影响吉林烤烟的气候适宜条件,主要从中国烟草总公司、中国农科院农业资源与农业区划研究所、郑州烟草研究院在2009年《中国烟草种植区划》中提出的成熟期平均气温、旺长期降水、大田生长期可用时间、大田期日照时数等4个主要气候因子中筛选。

4个气候因子的计算通过吉林省49个县的国家气象站1981—2020年逐日平均气温、降水和日照数据逐县40a平均求得。

气候适宜度的筛选采用基于隶属函数计算气候适宜度的方法进行[11,12]。采取4等级划分适宜程度,0.9～1为适宜,证明这个气候因子完全满足烤烟生长需要,0.8～0.9为较适宜,0.6～0.8为次适宜,0.6以下为不适宜。气候适宜度低于0.6,这个气候因子就是限制烤烟生长的限制因子。气象因子的适宜度分布图和综合分布图采用空间插值制图。通过信息熵法确定主要限制影响烤烟生长的权重[13]。基于隶属函数的气候适宜度的计算公式如公式(1)～(4)。

1.2.1 成熟期平均气温的气候适宜度计算公式

成熟期平均气温(7—8月平均气温)对烤烟的产量和品质有很大影响,气温过高或过低都会影响烤烟的正常生长。因此,其适宜度隶属函数为抛物线型,公式：

(1)

式中,f(x1)为成熟期平均气温气候适宜度指数；x1为7—8月平均气温,℃。适宜温度为20～25℃,不适宜温度为≥35℃或≤16℃。

1.2.2 旺长期降水的气候适宜度计算公式

旺长期降水即6月降水，该时段的降水对烤烟叶片的数量、大小和干物质含量有决定性作用,是烤烟对降水需求最多的时期,但降水过多又会导致烤烟受涝。因此,其适宜度隶属函数为抛物线型,公式：

(2)

式中,f(x2)为旺长期降水气候适宜度指数；x2为旺长期降水量,mm。

1.2.3 大田期日照时数的气候适宜度计算公式

大田期日照时数即5—8月日照时数。这个时期需要充足而不强烈的光照,光照太强或太弱都会影响烤烟产量和品质。因此,其适宜度隶属函数为S型,公式：

(3)

式中,f(x3)为大田期日照时数气候适宜度指数；x3为大田期日照时数,h。

1.2.4 大田生长期可用时间的气候适宜度计算公式

大田生长期可用时间为日平均气温稳定通过13℃的初日至日平均气温稳定通过20℃的终日之间的天数,这个时期为烤烟大田生长提供可利用的时间,大田生长期一般为120d。因此,其适宜度隶属函数为S型,公式：

(4)

式中,f(x4)为大田可用时间适宜度指数,x4为大田可用时间,d。

2 结果

2.1 成熟期平均气温

吉林省49个气象站1981—2020年7—8月平均气温计算得出,吉林省大部平均气温在20.0～25.0℃,气候适宜度计算结果为0.97以上,气候最适宜。只有长白站平均气温为18.9℃,气候适宜度为0.76,气候条件为次适宜。吉林省大部地区7—8月平均气温都是适宜烤烟种植的,因此,成熟期平均气温不是限制烤烟生长的主要因子,不用考虑其对烤烟产量的影响。

2.2 旺长期降水即6月降水

烤烟旺长期是对水分需求重要的时期,该时期缺少水分会影响烤烟生长。这一时期,会发生干旱,但烤烟是经济作物,种植面积较小,一般都具备灌溉条件。在自然降水状态下,有些地方的烤烟处于缺水状态,需要适时补水,以保证旺长期烤烟的生长。1980—2020年期间6月平均降水量最多的是白山市142.0mm,最少的是通榆市72.3mm,其它县市介于两者之间,吉林省全省降雨分布如图1所示。

图1 吉林省1980—2020年6月平均降水量分布图

通过旺长期降水适宜度公式(2)计算得出,适宜区为长春市区大部、吉林、通化、白山,延边州西部的敦化、安图等地；公主岭、四平、珲春、和龙等部分区域为较适宜区；白城、镇赉、双辽、前郭、延边州中部区域为次适宜区,其它区域为不适宜区,见图2。由于统计的是天然降水,在不适宜区域也可采取灌溉等方式补水来满足旺长期烤烟的生长需要,因此不能认定为不适宜的区域不适合烤烟种植。

图2 吉林省烤烟旺长期降水适宜度分布图

2.3 大田期日照时数即5—8月日照时数

从吉林省49个国家基本观测站1981—2020年5—8月平均日照时数看,最多日照时数为洮南站,为1098.7h；最少日照时数为珲春站,日照时数为756.2h,其它站日照时数介于二者之间,均明显高于烟草需要的最高日照时数600h。因此,吉林省日照条件能够满足烟草的生长,日照条件不是限制烟草生长的气象因子。在研究气象条件对烤烟产量的影响过程中,不用考虑该因子。

2.4 大田生长期可用时间的适宜度

根据公式(4)和吉林省49个国家基本观测站1981—2020年逐站每年平均计大田可用时间适宜度都<0.5,全部不适宜种植烤烟,因此采用该方法不适合计算吉林省烤烟适宜度。

2.5 确定各因子适宜度权重及全省烤烟气象综合适宜度

相对于层次分析法、专家打分等偏于主观的确定权重的方法,信息熵法是偏于客观的确定权重的方法。其借用信息论中熵的概念,所谓“熵”,是信息论中衡量不确定性的指标,信息量的(概率)分布越趋于一致,不确定性越大。

通过信息熵方法确定旺长期降水烤烟适宜度和大田可用时间烤烟适宜度在综合适宜度所占的权重,分别为0.75和0.25。那么,综合适宜度公式：

0.75Z1+0.25Z2=Z

(5)

式中,Z1为旺长期降水烤烟适宜度；Z2为大田可用时间烤烟适宜度；Z为综合适宜度。

3 结论与讨论

通过以上研究,确定6月旺长期降水是影响吉林烟叶重要气象因素,相对于大田可用时间,其影响的烟叶产量限制因素占75%左右的权重。因此，在该时间段烟农需注意降水及天气预报,可以加强烟叶的田间管理,适时对烟田灌溉补水,提高产量。气象部门可以进行气候预测,有针对性地开展服务,如根据天气变化开展人工增雨作业,及时进行天气预报和气候预测,给烟农提供良好的服务。气象部门也可加强大田可用时间初终日的预测,尤其稳定通过13℃移栽期的预测。吉林省烟叶的大田可用时间都不足,主要是烟叶生长后期热量条件不够造成的,因此要提高后期的热量条件,对于小面积的烟田可以采取扣棚等园艺措施,但是对于大面积烟田则不适用。

本文采用的气象数据基本上都是县站的数据,不排除有个别区域的小气候条件更适宜烟叶的生长,而这些区域的烟叶生长的限制因素会变化。6月旺长期降水是影响主要限制因素,但在部分区域就不是限制因子。如,河谷边土壤水分充足,旺长期即使没有足够降水,也能满足烟叶的生长。大田可用时间亦如此。因此,在有些小气候条件较好的区域,还要具体问题具体分析,采取适当的管理措施。