基于GIS的烤煙氣候適宜性分析及精細化區劃
---以尋甸縣為例

黃初龍

(云南省尋甸回族彝族自治縣氣象局，云南 尋甸 655200)

尋甸縣位于E102°41′～103°33′，N25°20′～26°01′，在昆明市東北部，橫跨金沙江、南盤江兩流域之間。尋甸地處低緯高原季風氣候區，境內地形環境復雜、立體氣候明顯，氣候類型繁多，生態類型各異，具有獨特多類型的低緯高原季風氣候和氣候區域差異、垂直變化顯著、年溫差小日溫差大、降水充沛、干濕分明的氣候特點。這些氣候特點營造了尋甸得天獨厚而有利于烤煙生長發育和煙葉品質形成的地理、土壤、氣候等優越農業生態環境。這一優勢使得世界上許多國家和地方的煙草品種均可在尋甸找到適生區。

尋甸烤煙種植區分布在河口、七星、甸沙、雞街、塘子、功山、羊街、柯渡、倘甸、鳳合、金所、金源、先鋒、聯合、仁德15個鄉鎮(街道)。近年來，尋甸烤煙種植面積穩定在8666～9333hm2，煙葉總產量在40萬擔左右。2019年全縣烤煙種植面積為9376.66hm2，收購煙葉40.1萬擔；煙葉產量在2萬擔以上的種煙鄉鎮(街道)有6個，1～2萬擔的種煙鄉鎮(街道)有7個，有2個鄉鎮(街道)的煙葉產量在1萬擔以下。

近年來，隨著GIS技術在農業氣候資源分析中的應用，研究尋甸縣復雜的山地氣候條件，開展尋甸縣烤煙種植氣候適宜性和精細化區劃成為可能。通過對氣候資源和各種地理信息數據(經緯度、海拔、坡向和坡度等)進行空間分布擬合模型，最終得出尋甸縣烤煙種植氣候適宜性和區劃，對促進煙農增收、企業增效、政府增稅具有重要意義。

1 資料收集

本文中所使用的基礎地理數據為中國氣象局統一下發的1∶25萬基礎地理信息數據，數據包括矢量型的地形要素數據和柵格型的數字高程模型數據(DEM)；氣象資料來自與云南省氣象局，氣象數據包括尋甸縣及周邊氣象觀測站30a (1981—2010年)的逐月地面氣象資料，包括平均氣溫、極端最低氣溫、日照時數、降水量、相對濕度、總云量和低云量等；農業經濟統計資料為尋甸縣各鄉鎮烤煙歷年種植面積、產量及品質狀況。

通過數理統計分析方法，建立農業氣候要素的統計模型；通過GIS技術，應用農業氣候要素空間分布擬合模型，實現細網格化農業氣候要素空間分布的擬合分析。數據處理主要涉及地理數據格式轉換、數據拼接、裁剪、融合、坡度、坡向計算等資料整理工作，對各氣象、經濟等指標之間的量綱差異進行歸一化處理。

2 區劃指標及模型

2.1 烤煙種植氣候適宜性區劃

2.1.1 氣象條件對烤煙種植的影響

氣候條件是影響當地烤煙種植適宜性的重要因素之一，也是決定烤煙產量和煙葉品質的主要影響因素。氣候因素是影響烤煙品質的諸多宏觀和微觀因素中的主導因素，只有充足的光照、溫度、水分等條件才能保障烤煙的生長質量和產量。由于云南省立體性氣候的特點，區域氣候差異明顯，導致烤煙產量、質量和品質之間存在明顯區域特點。在影響烤煙種植的主要氣候因素中，最重要的是生長期的溫度、光照和降水。

2.1.1.1 溫度的影響

烤煙生長所需的溫度必須控制在8～38℃，在此溫度范圍內可以基本滿足烤煙的生長需求，其中28℃是最適宜烤煙生長的溫度。烤煙是喜溫作物，在溫度適宜的條件下能夠快速生長，同時其生長的溫度范圍較廣，一般≥10℃活動積溫在2600℃以上，無霜期不少于120d，就可以滿足烤煙生長所需熱量條件，直接影響烤煙的生長質量。煙草種子發芽適宜溫度為25～28℃，低于18℃種子發芽緩慢，超過35℃會遭受傷害，影響正常發芽；育苗期氣溫低于11℃，或移栽后氣溫低于13℃時，容易出現早花而導致煙葉品質較低；高于20℃時也不利于花芽分化，但有利于促進植株的生長發育；當烤煙生長成熟期氣溫低于18℃或超過35℃時容易導致葉片早衰，同時煙堿含量也會增高。在烤煙的生長與發育期，烤煙對溫度的要求十分敏感，而在曬煙與晾煙時，對溫度的要求相對偏低。若煙草為黃花煙，其是比較耐冷、耐涼的，只要溫度的變化不會造成煙草的生長發生延遲現象或停滯生長即可。烤煙整個生育期所需溫度應≥10℃，活動積溫為3550℃左右。在烤煙生育期內若氣溫偏高，其整個生育期的持續時間將較短。此外，煙草適合生長在晝夜溫差較大的區域，能促進其更為高效地進行生長與發育。從品質方面來看，成熟期溫差偏小的烤煙品質要較好。低緯高原夏季氣溫偏低，7月平均氣溫是反映云南夏季熱量強度的重要指標，不但與中高海拔地區的烤煙產量水平有關，而且是云南煙葉品質形成的必要條件和主要影響因素之一。

2.1.1.2 光照的影響

光照是烤煙進行光合作用、生產和積累有機物質必不可少的重要因素，提供烤煙進行各種生理和代謝活動所需的能量。在整個生育期或大田期間的總日照時間可以在一定程度上反映烤煙的光照條件，但日照時間的分布也很重要。相對于溫度參數，很多煙草對光照長短和強弱的要求不是很嚴格。在烤煙生長與發育期，只需要提供充足的光照即可，無需過于強烈，而且要求光照的時間控制在每天9h左右，特別是在烤煙的成熟階段，必須要提供充足的光照，這是保證煙葉品質的關鍵所在。在烤煙的成熟期，適合提供短波的光線，日光和煦，是提升烤煙生長質量的保障；曬煙和白肋煙對光照的要求不是很高；若煙草屬于香料煙，則需要強烈的陽光照射才能生長出具有香氣的小葉片；若煙葉為雪茄包葉煙，那么其適合在相對蔭蔽的環境下生長，這樣才能保證其葉片輕薄，葉片組織結構相對細致，而且具有一定的彈性等。在光照方面，煙葉生長的不同時期、不同生長部位，需光量也是不同的，通常光飽和點會從煙草的下葉片逐步向上，且呈現增加的趨勢。在煙草的苗期，光飽和點控制在1.5萬Lx左右的強光。通過大量研究發現，7—8月份日照時數是決定云南夏季烤煙煙葉品質的重要因素和主要制約因素之一。

2.1.1.3 降水的影響

水分條件是烤煙生產不可或缺的因子，對煙葉光合作用等其它生理代謝活動起著重要作用。在適當的氣溫和光照條件下，在大田生長期間的降水量會影響烤煙的產量和品質。通常煙草植株的含水量范圍控制在75%左右，在生長旺盛期的含水量會處在90%以上，待到煙草成熟期，煙葉的實際含水量會處于85%左右。在室內環境下進行測定時，生產煙葉1g，其蒸騰所耗費的水量為500g。煙草在生長期間，月平均降雨量為110～135mm，能夠滿足煙草的生長需求。煙草生長時會需要大量的水分，但是抗澇性不強，而且各個生長發育階段對土壤中水分的具體要求是不同的。在苗床期，播種到2片真葉時，對土壤中水分含量的要求為田間含水量的72%為最佳。大十字期間，要適當進行控水操作，這樣可以進一步促進根系的生長與發育；煙草從豎葉期到成苗期間要耗費大量的水分。此時要保持土壤的水分，在移栽前14d左右開始斷水，進行煉苗。從團棵到生長旺盛期，要求土壤的水分應為田間水分含量的80%為最佳，若在此階段缺水，會對烤煙的生長形成阻礙。從花蕾出現到成熟期，要求土壤的水分應為田間水分含量的60%為最佳，此時可適度進行控水，適當減少水分含量，提升烤煙的生長質量。若水分過多，極易引發煙葉成熟速度延遲，而且會影響煙草的品質等級。

烤煙在不同的生長階段對水分的需求不同，早期需水少，中期需水增加，后期需水又減少。在育苗和移栽的初期，少雨有利于根系的生長；中期是烤煙旺盛生長時期，需要更多的水，干旱會影響其生長發育；后期是煙葉的成熟期，過多的雨水不利于成熟。4—9月份的降水量可以代表云南烤煙從育苗后期到成熟收獲期的氣候濕潤大小，是主導烤煙生長期間水分條件的最主要因素。

2.1.2 烤煙種植適宜性區劃指標

根據尋甸縣烤煙氣候特點、烤煙生長期氣候的空間差異性、烤煙氣候對煙葉品質的影響，確定使用以下4個氣候要素作為云南烤煙氣候適宜性評判指標。

2.1.2.1 4月平均氣溫

4月平均氣溫與3 月平均氣溫呈強正相關，能反映烤煙苗期、移栽期低溫及倒春寒的影響程度，是烤煙種植氣候適宜性的一個重要方面。

2.1.2.2 7—8月平均氣溫

代表夏季和煙葉成熟期熱量強度，是烤煙熱量條件的主導因素，并反映烤煙大田期云南熱量條件的主要空間分布差別。其與4—9月積溫高度相關。

2.1.2.3 7—8月日照時數

代表烤煙大田生長中后期光照條件，是云南烤煙氣候的主要制約因素，并能客觀指示烤煙大田生長期日照時數的地理空間分布狀況。其與5—8月、6—8月、6—9月3個月段的日照時數相關性較好。

2.1.2.4 6—8月降水量

反映烤煙旺盛生長和煙葉成熟期自然水濕狀況，也是云南烤煙水分條件的主要不利(洪澇)影響，其與6—8月雨量相關性較好。

結合烤煙氣候區劃指標和相關氣候要素空間柵格點的數值，就可以對烤煙種植氣候的適宜性進行評價。氣溫對烤煙生長發育和品質形成起主導作用，因此考慮區劃時以熱量條件(4月平均氣溫和7—8月平均氣溫)為主要指標，以光照條件(7—8月日照時數)和水分條件(6—8月降水量)作為逐級適宜性分區指標。

2.1.3 烤煙種植適宜性指標空間分布的推算

由于大氣具有連續性和空間分布的漸變性等特點，氣象要素是遵循一定的規律形成的地理空間分布。理論和實踐證明，氣象要素隨時間和空間的變化在一定的允許誤差范圍之內是可以模擬推算的。但是，不同氣象要素之間的空間分布規律和特點是有顯著區別的。受空氣的流動性影響，溫度為連續性變化過程，平均氣溫的空間分布受地形地貌影響相對其它氣象要素的空間分布較小，空間分布規律相對較好；降水量的空間分布受下墊面性質、地形、地貌、坡向、中尺度天氣系統和風等多種因素的交互影響，時空分布較為復雜、區域性差異十分明顯；日照時數受季節、天氣情況、云量分布的影響較大，與大地形、本地天氣系統有關，空間分布規律性也較差。針對不同氣候要素的空間分布特點，本文在ArcGIS地理信息系統平臺下采用了不同的模擬推算方法。

網格點上某一氣候要素值Y是宏觀地理環境因素和微觀地形因素的函數，數學表達式為：

Y=f(φ,λ,H,D)+ε

式中，φ為緯度，λ為經度，H為海拔高度，D為地形因素訂正項(地形起伏度)。選取緯度、經度、海拔高度和地形起伏度等作為自變量，通過數理統計方法建立氣候要素與地理參數兩者之間的統計模型，選用模型并通過嚴格的統計檢驗。

氣象要素與地理要素在量綱上有很大的差異，尤其是在二次冪以后數值差異太大，不利于模型的建立和表述，為了消除量綱必須進行均一化處理，即將要素使用0～1之間的數值表示，要素的均一化值體現了要素在樣本中所處的位置。均一化主要通過下面的方法來進行處理：

式中,Yi為某要素的均一化值，xi為某要素的原始值，xmin為某要素所在樣本中的最小值，xmax為某要素所在樣本中的最大值。

平均氣溫：使用統計模擬法、殘差訂正、插值相結合的計算方法。建立各月平均氣溫與海拔、緯度和經度等地理參數的統計模型，挑選檢驗顯著的可靠模型；然后根據選取模型計算各相關站點平均氣溫的殘差值，在ArcGIS系統中嵌入統計模型，模擬月平均氣溫的地理空間的初步分布，再應用殘差值進行內插，對初步推算結果進行插值訂正。最后，基于擬合誤差檢驗情況，采用2種插值方法對局部復雜區域進行疊加修正。

4月平均氣溫推算模型：

T4=44.514-0.004h-0.766φ-0.002D

R2=0.899F=169.1

7—8月平均氣溫推算模型：

T78=25.63-0.005h-0.125φ

R2=0.927F=778.2

7—8月日照時數：模擬推算采用統計模擬法、反距離平方法、比值法、殘差訂正以及其它插值法相結合。預計各月日照時數推算相對誤差小于6%～10%。其中云南7—8 月日照時數與地理參數的統計學關系模型為：

S78=-1661.369+11.708λ-0.052D+4.855φ+22.437T78+0.092h

R2=0. 573F=31.8

T78為7—8月平均氣溫

月降水量：模擬推算采用統計模擬、比值法和插值法，并結合殘差訂正法，基于全省125個氣象站和328個水文站的相關數據進行。云南6—8月降水量與基本地理參數的統計學關系模型為：

Y=8762.603-99.509φ-37.820λ-3.58h-73.299TyearR2=0.424F=22.1

Tyear為年平均氣溫。估算公式為：

R2=0.858F=367.2

2.1.4 烤煙種植適宜性區劃模型

按照作物生態學原理，光、溫、水3種自然氣候要素對烤煙種植的適宜性指數f(x)，可以使用拋物線型隸屬度函數來表示,如圖1所示。即當要素值xx4時，適宜度f(x)幾乎為0；當要素值x在x1～x2之間時要素值x與適宜指數f(x)呈正相關關系；當要素值x增大至x2～x3之間時，氣候要素適宜指數f(x)趨向最大值并且變化穩定；當要素值x進入x3～x4之間時，氣候要素值x和適宜指數f(x)呈接近負相關關系。氣候單要素拋物線型適宜指數隸屬度函數f(x)可表達為下式：

(1)

圖1 拋物線型隸屬度函數曲線

根據烤煙生態學理論和烤煙生產實際，確定烤煙氣候單因素拋物線型隸屬函數的拐點值如表1所示。

表1 烤煙氣候單要素適宜指數評判隸屬函數的拐點值

在烤煙氣候單要素適宜度評判的基礎上建立烤煙種植氣候適宜性綜合指數。經過大量分析、反復模擬推算和實地考證，確定4月平均氣溫、7—8月平均氣溫、7—8月日照時數和6—8月雨量在烤種植綜合氣候適宜度評判中的權重分別為0.15、0.38、0.22和0.25。使用綜合指數法定量評價烤煙種植的氣候適宜度。綜合指數表達式為

IAI=∑Fi×Ci

(2)

式中，IAI為烤煙種植氣候適宜性綜合指數；Fi為第i個影響因子的隸屬函數值；Ci為第i個影響因子的權重系數。

結合先前的研究成果和實際煙草生產工作，利用適宜度指數f(x)和綜合指數IAI值域來最終確定烤煙種植適宜性等級：其中，指數<0.60為不適宜；0.60≤指數<0.75為次適宜；0.75≤指數<0.90為適宜；指數≥0.90為最適宜。

3 尋甸縣烤煙氣候適宜性區劃結果

3.1 區劃因子“4月平均氣溫”氣候適宜性等級

根據烤煙氣候適宜性區劃指標，對尋甸縣“4月平均氣溫”氣候適宜性進行分級，如圖2所示。以“4月平均氣溫”作為評價指標，尋甸縣烤煙種植適宜性與海拔高度有很好的相關性，其中低海拔地區溫度較高，熱量適宜，屬于適宜種植區。具體分布由圖2可知，一般海拔2000m以下的地區為最適宜種植區，2000～2200m的地區為適宜種植區，2400m以上為不適宜種植區。

圖2 尋甸縣“4月平均氣溫”氣候適宜性等級

3.2 區劃因子“7—8月平均氣溫”氣候適宜性等級

根據烤煙氣候適宜性區劃指標，對尋甸縣“7—8月平均氣溫”氣候適宜性進行分級，如圖3所示。由于尋甸縣立體氣候明顯，熱量條件空間變化大，部分地區溫度過高，超出烤煙適宜種植范圍，尋甸縣海拔2000m以上的大部分地區7—8月熱量條件均適宜烤煙的種植，屬于適宜種植區，主要分布在六哨鄉及其周邊鄉鎮。

圖3 尋甸縣“7—8月平均氣溫”氣候適宜性等級

3.3 區劃因子“7—8月日照時數”氣候適宜性等級

根據烤煙氣候適宜性區劃指標，對尋甸縣“7—8月日照時數”氣候適宜性進行分級，如圖4所示。由于尋甸縣“7—8月日照時數”較烤煙生長所需較為適中，全縣絕大部分地區體適宜烤煙種植，其中最適宜區主要集中在東部的幾個鄉鎮，以及河渡鎮、雞街鎮、倘甸鎮、鳳臺鎮海拔2400m以下的區域。六哨鄉及其周邊鄉鎮海拔較高地區屬于適宜和次適宜區，這些地區海拔高、日照偏少。

圖4 尋甸縣“7—8月日照時數”氣候適宜性等級

3.4 區劃因子“6—8月降水量”氣候適宜性等級

根據烤煙氣候適宜性區劃指標，對尋甸縣“6—8月降水量”氣候適宜性進行分級，如圖5所示。尋甸縣“6—8月降水量”總量較為適中，全縣均為最適宜區。

圖5 尋甸縣“6—8月降水量”氣候適宜性等級

3.5 尋甸縣烤煙氣候適宜性綜合區劃

綜合“4月份平均氣溫”、“7—8月份平均溫度”、“7—8月份日照時數”、“6—8月份降水量”4個區劃因子，繪制尋甸縣烤煙種植氣候適宜性綜合區劃圖，如圖6所示。全縣大部分地區為次適宜區，沒有不適宜區。

圖6 尋甸縣烤煙氣候適宜性分布圖

適宜區和最適宜區主要集中在東部的幾個鄉鎮(羊街鎮、仁德街道、河口鎮、七星鎮、塘子鎮)，以及河渡鎮、金源鄉的

部分地區海拔較低一般在2200m以下，熱量條件較好，日照充足，水分條件較適宜。

次適宜區分布面積最大，為適宜種植區和不適宜區的過渡地帶，主要分布在甸沙鄉、金所工業園區西部、先鋒鎮及其以西的大部分地區。

4 烤煙優質高產栽培措施對策建議

烤煙產量及品質均與氣象條件密切相關，加強田間管理，改善田間小氣候條件，對于烤煙優質適產具有重要意義。要獲得煙葉優質穩產，就必須根據大田各生育階段煙草的生長發育特點及氣象條件，采取相應的栽培技術措施，合理促控，加強管理，促進煙株正常的生長發育，確保煙葉和品質的形成。

烤煙適產和豐產年，生育期間，特別是大田前期一般溫度較高，高溫充足，雨量適中，光照充足，直射光多，光、溫、水等氣象要素配合良好。烤煙歉產年，生育期間，尤其是大田前期一般溫度偏低、高溫不足，降水過多，陰雨連綿，光照不足，直射光少。

烤煙生育期，特別是關鍵期的光、溫、水條件及其協調配合，不僅是適產、豐產的基礎條件，更是優質的基礎條件。一般烤煙優質年，生育期特別是大田中后期溫度偏高，高溫持續，無低溫危害；雨量適中，分布均勻，多陣性降水；光照和煦，多散射光；光、溫、水要素間配合較好。烤煙低質年，生育期特別是大田中后期溫度偏低，雨量過多，光照不足或出現異常天氣變化，如低溫、連陰雨、寡照、冰雹、暴冷暴熱等。