基于GIS和模糊集理論的四川烤煙生態適應性評價

張久權，梁洪波，董建新，吳元華

（中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

基于GIS和模糊集理論的四川烤煙生態適應性評價

張久權，梁洪波，董建新，吳元華

（中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

利用GIS和模糊集建模技術，通過采集和檢測四川煙區土壤和煙葉樣品，收集整理四川氣候和地形地貌資料，對煙葉質量與生態條件的相關性進行分析，確定評價因子，并進行生態適宜性評價。結果發現，海拔高度、日照時數和土壤類型可以作為四川烤煙生態適宜性評價的關鍵因子。全省9.52%的土地面積為烤煙最適宜區；煙區39.89%的面積為最適宜區，24.20%的面積為適宜區。現存煙區按地理位置劃分為3個大區，各區按生態適宜性評價結果再細分為最適宜、適宜、較適宜和不適宜區。

烤煙；生態適宜性；模糊集；GIS；四川

四川烤煙煙葉由于質量好，風格特色突出，在卷煙品牌配方中的地位日益提升，四川煙區已經成為我國最重要和最具發展前景的優質煙葉產區之一。然而，近年來四川烤煙生產也遇到了一些發展瓶頸，如種植零星分布，迫于控煙壓力需要壓縮烤煙種植面積等，因此，需要進一步調整和優化種植布局。上世紀80年代，學者們根據有效積溫等指標[1-2]，對包括四川在內的全國烤煙進行了種植區劃，此對四川烤煙種植布局起到了重要作用。然而，卷煙工業近年來對煙葉質量的要求、植煙土壤理化性狀等都發生了較大變化，原有的烤煙種植區劃不能完全適應四川烤煙的發展需要。另外，由于當時技術手段限制，科技工作者不得不選用較簡單的指標體系，且大部分還不是定量的，所得結果比較粗糙。近年來出現的一些新的理論和技術，如層次分析法[3-4]、模糊集建模[5-7]、地理信息系統技術（GIS），加上傳統的統計方法等，為更好地進行烤煙生態適宜性評價提供了新的理論指導和技術手段。

在進行生態適宜性評價時，評價因子往往是連續性的定量數據，如日照時數，如何把這些具體的數值詮釋為生態適宜性，有時會比較困難。另外，各個因子的量綱不同，無法進行比較。模糊集建模技術對此提供了解決方案，將所有的因子數據通過隸屬函數，轉化為0～1，0表示完全不適宜；1表示100%適宜。該技術在作物和土地生態適宜性評價中得到了較多的運用，如Tang等[8]分別利用模糊集、參數法和最大限制因子法對玉米生產的土地適宜性進行了綜合評價，發現通過模糊集建模技術獲得的適宜性指數與玉米的產量相關性最好（r=0.96）；何元勝等[9]在云南臨滄根據模糊數學原理建立了土壤肥力指標，并對其煙區土壤肥力進行了綜合評價和分區。吳克寧等[7]也運用模糊集進行了烤煙土地適宜性評價。總之，模糊集建模技術應該是一種進行烤煙種植生態適宜性評價的較理想的方法。本研究利用GIS和模糊集建模技術，通過研究四川省烤煙煙葉質量與生態條件的關系，確定四川烤煙生態適宜性評價的關鍵因子，進行生態適宜性評價，為優化四川烤煙種植布局提供參考。

1　材料與方法

1.1氣象資料的收集和整理

收集2005—2007年的氣象資料，包括旬平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、大于或等于10℃活動積溫、降水量、相對濕度、日照時數等。所有數據均由四川省氣象局提供。

1.2土壤和煙葉質量樣品的采集和分析

在充分收集利用現有煙葉質量資料的基礎上，結合四川煙草種植的實際狀況，根據當地氣候條件、土壤類型、海拔高度及地形地貌等差異，于2005—2007年在四川省17個重點植煙縣（市、區）確定了151個采樣點，各樣點均采集土壤和煙葉樣品，一一對應。煙葉樣品取樣等級為C3F和B2F。

土壤樣品檢測項目包括：pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、水溶性氯、交換性鈣、鎂等。檢測方法見文獻[10]。烤煙感官質量定性評價由中國農業科學院煙草研究所進行，包括香氣質、香氣量、濃度、刺激性、余味、雜氣、勁頭、灰色、燃燒性等10項指標。煙葉化學成分檢測指標包括煙堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯、淀粉等，均采用常規分析方法。

1.3土壤類型和海拔高度數據的提取，評價單元的確定

土壤類型分布圖（1/50，000）由中國農業科學院自然資源與區劃研究所提供，是第二次全國土壤普查（1982—1985）結果經過數字化為shp格式后的圖。四川省30 m×30 m數字高程模型圖（DEM）根據美國宇航局（NASA）2003年公布的DEM數據制作，然后采用ArcGIS 10.0軟件提取高程數據。

評價單元是進行烤煙生態適宜性評價的基本單位，也是進行地理信息處理的最小圖斑。同一評價單元內生態條件應該基本一致，所產煙葉質量也基本相同。所有的計算和建模都基于評價單元。因此，評價單元劃分是否合理，對評價結果的準確性和工作量的大小影響較大。本研究根據四川的實際情況，考慮到四川煙區土壤類型的作用較大，采用縣級行政區劃圖疊加土壤類型（土屬）的方法來確定基本評價單元。利用ArcGis 10.0軟件，經過相交、融合、消除等空間處理，確定四川全省為2570個基本評價單元。

利用ArcGis 10.0軟件的“以表格顯示分區統計”功能和前面制作的DEM，確定各基本評價單元的海拔高度（30 m精度）。

1.4生態適宜性評價因子的選擇

根據土壤和煙葉樣品檢測分析和統計分析結果發現，煙葉化學成分和感官質量與海拔高度具有較強的相關性（表1）；不同土壤類型間，煙葉化學成分和感官質量差異顯著。日照時數對煙葉質量有顯著影響。氣溫、降水量與海拔高度、日照時數有顯著相關性。土壤肥力指標（pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、水溶性氯、交換性鈣、鎂）與四川煙葉質量存在一定的關系，但規律不明顯。根據這些統計結果，參考文獻[1,11-12]，并結合四川省煙葉生產的實際情況，采用氣候條件（5—7月日照時數，8月日照時數）、地形地貌（海拔高度）、土壤條件（土壤類型）3大類4項指標作為四川烤煙生態適宜性評價因子。

表1　四川煙葉化學成分含量和感官質量與海拔高度的簡單相關系數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]，他將傳統的集合理論進行了擴展，使我們能將某些屬性進行量化，該理論后來被其他學者進行了發展和應用[13-17]。

設X={x}為有限集合，例如所有的土壤pH值（0～14）。模糊子集A是集合X的一個子集，A通過函數μA，以及有序對：A={x,μA(x)}進行定義。對于所有的x,x∈X，而μA(x)為隸屬函數，表示元素x與集合A的隸屬程度，μA(x)的取值范圍為0～1。1表示x完全屬于子集A；0表示完全不屬于子集A；0和1之間的任意數值表示x隸屬于子集A的程度，例如，0.70表示x 70%地屬于子集A。μA(x)表示隸屬度，這樣就使部分屬于關系成為可能[6,13,15,17]。

隸屬度總是涉及某項命題。在本研究命題為：“就某一烤煙生態適宜性評價因子而言，例如海拔高度，某塊地適宜烤煙生產”。隸屬度取值為1表示該海拔高度下生產潛力最大（100%）；0表示沒有潛力。

本研究根據煙草生長特征特性，結合四川烤煙的生產實際，考慮隸屬函數類型的選用原則[7]，確定隸屬函數類型海拔高度為拋物線型，5—7月照時數為升梯形，8月日照時數為降梯形，土壤類型為直線型。各函數模型見文獻[18-19]。

通過調查研究發現，四川煙葉生產情況隨海拔高度的變化差異明顯。海拔1500～1900 m生產出的煙葉最好，1900～2100 m的很好，1500 m以下的次之，其他的較差。另外，我們也發現海拔的最優等限值與緯度有關。綜合考慮，采用表2的限值計算隸屬度。

根據經驗和理論推算，得出日照時數與隸屬度的關系（表3）。按此數據分別作日照時數與隸屬度的曲線圖，然后查圖求得任意日照時數的隸屬度值。

四川煙區土壤類型主要以紅壤、黃壤為主，紫色土次之，其他還有部分的水稻土、棕壤等，其對應的隸屬度分別為紅壤0.6、黃壤土類各土屬變化范圍為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各因子權重的確定

由于本研究所選定的評價因子不多，因此，賦予權重時，采用了專家直接賦值的方法[20]。最后所得權重為，海拔高度0.5，土壤類型0.3，（5—7月）日照時數0.15，8月日照時數0.05。

表2　海拔高度隸屬函數類型和限值Table 2　Adaptability assessment factors,their total weights, member function types,and threshold values

表3　各日照時數隸屬度Table 3　Membership degree for various sun light hours

1.7適宜性指標和適宜性的確定

得出了隸屬度和權重后，參照線性可加模型[21-23]的方式，計算適宜性指數如下：

這里n為因子數目，Wi因子i的權重，μi為因子i的隸屬度。由于權重和隸屬度的取值范圍均為0.0～1.0，因此，所得適宜性指數也在0.0～1.0范圍。0表示完全不適宜，1表示100%適宜。對所計算出的適宜性指標進行分布統計，確定最適宜區，適宜區，次適宜區，不適宜區的界限值。最后利用ArcMap 10.0繪制生態適宜性分布圖。

有關運用模糊集理論進行煙區生態適宜性評價的詳細過程可參閱文獻[19]。

2　結果

2.1四川全省烤煙種植適宜性分布

從圖1看出，四川全省烤煙種植的最適宜區和適宜區主要分布在川東北低山深丘、川西南山地和川南中低山丘陵區。包括涼山彝族自治州、攀枝花市、廣元市、瀘州市、宜賓市，達州市和巴中市部分地區。西部川西高原全部為不適宜區。

圖1　四川省烤煙生態適宜性分布Fig.1　Distribution of tobacco ecological suitability in Sichuan Province

全省土地總面積48.4萬km2中，最適宜烤煙種植的面積為4.61萬km2，占9.52%，接近60%的面積不適合烤煙種植（表4）。然而，煙區大部分屬于最適宜區和適宜區，分別占39.89%和24.20%，不適宜的面積僅占11.55%。

根據生態適應性原則、差異性原則、相似性原則、尊重歷史原則、行政邊界完整性原則，除四川西部不適宜區外，將四川烤煙種植區分為川西南山地烤煙種植區、川南中低山丘陵烤煙種植區、川東北低山深丘烤煙種植區3個一級區。各一級區又被細分為最適宜區、適宜區、次適宜和不適宜區4個二級區。

2.2川西南山地烤煙種植區

川西南山地烤煙種植區包括涼山州和攀枝花市（攀西地區），位于四川南部，介于東經100o 15?～103o53?，北緯26o13?～29o27?。幅員面積6.754萬km2，占四川省總面積的13.9%。地貌類型以山地為主，占70%。其適宜性分布詳見圖2。

川西南山地烤煙種植區中土地總面積的40.53%為最適宜區（表4），包括攀枝花市的西區、東區和仁和區。會理南部，會東大部，米易、寧南的絕大部分地塊，鹽源縣的少部分地塊，雷波縣大部，美姑縣中部和南部少量地塊，德昌縣、西昌市的絕大大部分地塊，甘洛縣的50%地塊，普格縣大部。鹽邊中部、東部和南部。

圖2　川西南山地烤煙種植區生態適宜性分布Fig.2　Distribution of tobacco ecological suitability in Mountains of southwest Sichuan

表4　四川烤煙生態適宜性面積分布Table 4　Area distribution of tobacco ecological suitability in Sichuan Province

2.3川南中低山丘陵烤煙種植區

本區位于四川南部，東經103o36′至106o23′，北緯27o42′至29o37′。整個地勢南高北低，中部低凹，地形以低山、深丘為主，海拔300～1500 m。轄宜賓市和宜賓、敘永、古藺、筠連、興文、珙縣、南溪、江安、長寧、高縣、屏山等12個縣（市）。其適宜性分布詳見圖3。

本區最適宜區面積僅占5.2%，包括屏山縣的大部。敘永縣的高峰鄉南部、桂花鎮中南部、水尾鎮東南，古藺縣的桂花鎮中南部，合江縣的天堂壩鄉中部和東南部、白懷鎮南部。

圖3　川南中低山丘陵烤煙種植區生態適宜性分布Fig.3　Distribution of tobacco ecological suitability in middle mountain and　hilly areas of southern Sichuan

2.4川東北低山深丘烤煙種植區

包括廣元、達州和德陽三地（市）。本區土地面積最適宜區占大多數，為66.19%。包括青川縣大部，廣元是市中區、朝天區和市轄區，旺蒼縣、南江縣、通江縣的絕大部分地區，達縣的黃庭東部、碗廠東部，宣漢縣大部，萬源市大部，武平縣的部分地區，綿竹的漢旺，九龍，遵道，武都，興隆，綿遠，拱星，東北鎮，土門，什邡的鎣華，洛水，靈杰，龍居，湔底，八角鎮。其適宜性分布詳見圖4。

圖4　川東北低山深丘烤煙種植區生態適宜性分布Fig.4　Distribution of tobacco ecological suitability in low mountains of northeast Sichuan

3　討論

本研究利用模糊集和GIS等手段，成功地對四川烤煙的生態適宜性進行了評價。經過相關分析，結合實際生產經驗，篩選出氣候、海拔高度和土壤類型作為評價因子。通過模糊集建模，計算各因子的隸屬度；然后利用專家打分法確定各因子的權重；最后利用指數和法計算生態適宜性指數。所有結果最后通過所開發的信息系統軟件進行集成，供相關人員檢索和分析。

模糊建模和GIS的結合克服了傳統生態適宜性評價常常遇到的不確定性和主觀性問題。本研究結果經過初步驗證，發現與生產實際情況基本相符，目前四川烤煙的主要產區位于最適宜區和適宜區，高產優質煙區基本上位于最適宜區。

在作物生態適宜性評價中，模糊集進行建模技術得到了較多的運用[8,23-25]。有學者對模糊集建模和傳統的其他評價技術或方法進行了比較，如參數法和最大限制因子法。Tang等[8]分別利用模糊集、參數法和最大限制因子法對玉米生產的土地適宜性進行了綜合評價，發現通過模糊集建模技術獲得的適宜性指數與玉米的產量相關性最好（r=0.96）；而限制因子法相關性最差，相關系數為0.8。Keshavarzi[16]報道，在生態適宜性評價中，模糊集法能產生連續性的度量范圍，所得指標能反映土壤的內在肥力水平，認為該法更精確，能夠較好的對作物產量進行預測。Burrough[13]，Burrough等[14]，以及Tang等[24]也報道 模糊集建模技術在作物生態適宜性評價中是一種不可多得的好方法。

因此，在烤煙和其他作物生態適宜性評價中模糊集建模技術值得推薦。本研究所用模型和整個評價方法均是合理有效的，具有較大的意義。

本研究中，大多數評價因子雖然為連續性的定量數據，如日照時數，但是，如何把這些具體的數值詮釋為生態適宜性，有時會比較困難，甚至無法進行。另外，各個因子的量綱不同，無法進行比較。模糊集建模技術對這些難題提供了絕好的解決方案，將所有的因子數據通過隸屬函數，轉化為0～1（如前所述），1表示100%適宜。

本研究對模糊集建模、專家打分法和GIS進行了較好的結合。模糊集建模主要是將各因子的實測數據進行轉換，轉化為隸屬度或適應性指數。專家打分法在評價因子較少時，可以較好地用來確定各因子的權重。但在生態適宜性評價研究中，往往涉及的因子較多，如超過20個，此時單用該方法很難駕馭。此時，應該考慮用層次分析法。GIS技術主要用來進行取樣點的定位、確定海拔高度和坡度、進行其他地理信息數據處理、地圖加工和最后結果的地圖直觀顯示等。本研究說明，在生態適宜性評價中，與其他傳統的手工制圖等技術相比，GIS技術靈活有效，功能強大。模糊集和GIS技術的結合，不僅對烤煙生產的生態適應性評價，也是對其他作物的生態適應性評價，都是比較好的組合。

由于研究區域所有地塊（劃分單元）的氣候、土壤、地形地面數據和適宜性指標數據都有，也可以進一步從精確農業管理的角度，建立單一指標體系，如機會指數來簡化結果，以便更容易地推廣和指導生產。

4　結論

本研究結果表明：（1）通過研究烤煙質量與生態條件的相關性，發現可以利用海拔高度、日照時數、土壤類型等指標進行四川烤煙種植生態適宜性評價。（2）利用模糊集建模技術，建立了生態適宜性評價模型，計算了所有基本評價單元的適宜性指數。（3）本研究說明GIS技術能較好地運用于生態適宜性評價中，如樣點的定位、海拔高度的計算、GIS數據處理、地圖加工和結果的地圖直觀顯示等。（4）進行了四川烤煙生態適宜性評價，按照地理位置，將現存煙區劃分為3個大區，各區再細分為最適宜、適宜、較適宜和不適宜區。在全省土地總面積48.4萬km2中，最適宜烤煙種植的面積占9.52%。在煙區中，39.89%的面積為最適宜區，24.20%的面積為適宜區。

[1]陳瑞泰.煙草種植區劃[J].濟南：山東科學技術出版社，1989：19-24.

[2]全國煙草種植區劃研究協作組.全國煙草種植區劃研究報告[J].北京：輕工業出版社，1985.

[3]Saaty T L.Multi-decisions decision-making:In addition to wheeling and dealing,our national political bodies need a formal approach for prioritization[J].Math Comput Model,2007,46(7-8):1001-1016.

[4]宋于洋.基于層次分析法的天然甜型葡萄酒原料種植區劃評價[J].湖北農業科學，2007，46（1）：94-96.

[5]ZimmermanHJ.FuzzySetTheoryandits Applications[M].2 ed.Kluwer Academic Publishers, Dordrecht,1991.

[6]Zadeh L A.Fuzzy sets.Information and control[J]. 1965(8):338-353.

[7]吳克寧，楊鋒，呂巧靈，等.煙草種植土地適宜性評價方法及綜合應用[J].中國煙草科學，2007，28（4）：37-40.

[8]Tang H J,Van Ranst E.Testing of fuzzy set theory in land suitability assessment for rainfed grain maize production[J].Pedologie,1992,42:129-147.

[9]何元勝，楊美仙，楊亞平，等.臨滄煙區土壤肥力綜合評價[J].中國煙草科學，2014，35（3）：23-26.

[10]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2005.

[11]中國農業科學院煙草研究所.中國煙草栽培學[M].上海：上海科技出版社，2005.

[12]董謝瓊，徐虹，楊曉鵬，等.基于GIS的云南省烤煙種植區劃方法研究[J].中國農業氣象，2005，26（1）：16-19.

[13]Burrough P A.Fuzzy mathematical methods for soil survey and land evaluation[J].Journal of Soil Sciences, 1989,40:477-492.

[14]Burrough R A,Macrnillan R A,W V D.Fuzzy classification methods for determining land suitability from soil profile observation and topography[J].Journal of Soil Sciences,1992,43:193-210.

[15]Mcbratney A B,Odeh I O A.Application of fuzzy sets in soil science:Fuzzy logic,fuzzy measurements and fuzzy decisions[J].Geoderma,1997,77(2-4):85-113.

[16]Keshavarzi A.Land Suitability Evaluation Using Fuzzy ContinuousClassification(ACaseStudy:Ziaran Region)[J].Modern Applied Science,2010,4(7):10-15.

[17]Sicat R S,Carranza E J M,Nidumolu U B.Fuzzy modeling of farmers'knowledge for land suitability classification[J].Agr Syst,2005,83(1):49-75.

[18]張久權，張教俠，劉傳峰，等.山東烤煙生態適應性綜合評價[J].中國煙草科學，2008，29（5）：11-17.

[19]Zhang J Q,Su Y R,Wu J S,et al.GIS based land suitability assessment for tobacco production using AHP and fuzzyset in ShandongprovinceofChina[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2015,114: 202-211.

[20]Humphrey W S.A discipline for software engineering[M]. Addison-Wesley,Pearson Education,Inc.,1995.

[21]Malczewski J.GIS-based land-use suitability analysis:a critical overview[J].Progress in planning,2004,62(1): 53-65.

[22]Feizizadeh B,Blaschke T.Landslide risk assessment based on GIS multi-criteria evaluation:a case study in Bostan-Abad County,Iran[J].Journal of earth science and engineering,2011(1):66-71.

[23]Feizizadeh B,Blaschke T.Land suitability analysis for Tabriz County,Iran:a multi-criteria evaluation approach using GIS[J].Journal of Environmental Planning and Management,2013,56(1):1-23.

[24]Tang H J,Van R E,Sys C.An approach to predict land production potential for irrigated and rainfed winter wheat in Pinan County,China[J].Soil Technology, 1992(5):213-224.

[25]Braimoh A K,Stein A.Land evaluation for Maize based onFuzzysetandinterpolation[J].Journalof environmental management,2004,33(2):226-238.

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

張久權，男，博士，副研究員，主要從事煙草栽培和信息方面的研究。E-mail：zhangjiuquan@caas.cn

2015-10-29

2016-01-25