基于模糊聚類的沂水雪茄煙種植生態適應性評價

孫飛虎 柳平增 孟憲勇 陳秀齋 張超 劉莉

摘要：通過生態適應性評價篩選適合雪茄煙種植生產的區域，是提升雪茄原料產量與質量、促進雪茄產業發展的前提。以山東沂水雪茄莊園為例，運用生育期平均氣溫、晝夜氣溫差、生育期≥10℃活動積溫、生育期相對濕度、生育期降雨量以及生育期日均日照時數等雪茄種植生產的重要氣候指標，對哈瓦那、比那爾得里奧、什邡等11個國內外優質雪茄煙區進行模糊聚類并通過隸屬度函數求得各地區相應的CFI值。模糊聚類結果表明，可將11個區域劃分為4類，其中沂水氣候條件與哈瓦那、比那爾得里奧、什邡、多米尼加、巴伊亞州等國內外優質雪茄種植地區相似，它們的氣候適宜性指數CFI值依次為沂水（0.931）、哈瓦那（0.963）、比那爾德里奧（0.956）、什邡（0.944）、多米尼加（0.932）、巴伊亞州（0.892），尤其沂水與多米尼加的CFI指數最為相近。由此得出，沂水雪茄莊園具有種植優質雪茄煙的生態氣候條件。

關鍵詞：模糊聚類；雪茄；氣候適宜性；生態適應性；隸屬度函數

中圖分類號：S572

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0330-07

收稿日期：2022年11月21日

修回日期：2023年2月17日

*基金項目：山東省農業重大應用技術創新項目（SD2019ZZ019）；2019年度山東省重點研發計劃（公益類專項）項目（2019GNC106103）；山東省科技特派員項目（2020KJTPY078）；山東省重大科技創新工程項目（2019JZZY010713）

第一作者：孫飛虎，男，1999年生，安徽濉溪人，碩士研究生；研究方向為大數據與人工智能。E-mail： sunflytiger@163.com

通訊作者：柳平增，男，1968年生，山東濟南人，教授，博導；研究方向為農業大數據、農業物聯網與智慧農業。E-mail： pzliu@sdau.edu.cn

Ecological suitability evaluation of cigar planting in Yishui based on fuzzy clustering

Sun Feihu^{1， 2， 3}， Liu Pingzeng^{1， 2， 3}， Meng Xianyong^{1， 2， 3}， Chen Xiuzhai⁴， Zhang Chao⁴， Liu Li⁴

（1. School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Taian， 271018， China; 2. Key Laboratory of Intelligent Agriculture Technology of the Yellow and Huaihai Sea， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Taian， 271018， China; 3. Agricultural Big Data Research Center， Shandong Agricultural University， Taian， 271018， China; 4. Shandong Linyi Tobacco Co.， Ltd.， Linyi， 276003， China）

Abstract： Screening suitable areas for cigar planting and production through ecological adaptability evaluation is a prerequisite for improving the yield and quality of cigar raw materials and promoting the development of cigar industry. Taking Yishui Cigar Estate in Shandong Province as an example， using important climate indicators such as average temperature during the growth period， temperature difference between day and night， active accumulated temperature of ≥10℃ during the growth period， relative humidity during the growth period， rainfall during the growth period and average daily sunshine hours during the growth period， fuzzy clustering was carried out on 11 high-quality cigar tobacco areas at home and abroad， including Havana， Binard de Río and Shifang， and the corresponding CFI values of each region were obtained through the membership function. The fuzzy clustering results showed that 11 regions could be divided into 4 categories， among which the climatic conditions of Yishui were similar to those of Havana， Pinar de Río， Dominica， Bahia， Shifang and other high-quality cigar growing areas at home and abroad， and their climate suitability index CFI values were 0.931， 0.963， 0.956， 0.944， 0.932 and 0.892， respectively， especially Yishui and Dominicas CFI index was the most similar. It is concluded that Yishui Cigar Estate has the ecological and climatic conditions for growing high-quality cigars.

Keywords： fuzzy clustering; cigar; climatic suitability; ecological suitability; membership function

0 引言

近年來，我國雪茄產業發展迅速^[1]，已逐步成為我國煙草行業新的經濟增長點^[2]。目前大部分國產雪茄煙原料依賴于國外進口，雪茄煙葉特別是高質量茄衣短缺一定程度上制約了我國雪茄產業的健康、可持續發展，已成為制約雪茄產業發展的最大瓶頸^[3]。雪茄煙作為晾煙的一種，對生態和氣候條件要求更高^[4]。生態因素對雪茄煙的產量與品質皆有影響，尤其是對煙葉品質影響最大^{[5， 6]}，雪茄煙生長的生態條件主要包括氣候條件與土壤條件^[7]，而氣候條件對雪茄煙的影響尤為顯著^[8]，因此篩選出適宜種植優質雪茄煙的產區對解決雪茄原料短缺、推動雪茄產業健康可持續發展具有重要意義。本研究擬在分析沂水氣候特點基礎上，研究煙草種植生態適宜性評價方法。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省沂水縣地處魯中南地區，沂蒙山區北部，沂山南麓，屬魯中南低山陵區，地勢西北高、東南低，西北部為低山區，東部和東北部為丘陵，中南部為平原。地理坐標東經118°11′～119°03′，北緯35°36′～36°12′。沂水縣屬暖溫帶季風氣候區，年均氣溫為12.5℃～13.5℃，晝夜溫差大，無霜期長達240d以上，年均降雨量為785.1mm，7—9月降雨量充沛，約占全年降雨量的70%，年平均相對濕度為65%，年均日照率為 55%～59%，年日照總時長為2420.1h。雪茄莊園地處沂水縣西北部諸葛鎮跋山水庫北岸，境內為低山區，海拔在159～524m之間，水資源充沛，黃煙為該地區的主要經濟作物之一。

1.2 研究方法

模糊聚類分析是根據客觀事物間的特征、親疏程度、相似性，通過建立模糊相似關系對客觀事物進行聚類分析，其在解決區域劃分、氣候分類等問題上都有一定的應用^[9]。本文在文獻[10-13]等的基礎上，提出模糊聚類與隸屬函數相結合的氣候適宜性評價方法。首先利用模糊聚類對采集的數據樣本進行聚類，然后采用隸屬度函數對和沂水聚到一類的雪茄煙區進行評分。

1.2.1 模糊聚類分析

1） 數據標準化處理。由于各性狀指標的量綱和數量級不同，不能直接計算分析。為消除單位的影響，使數據具有可比性，需采用標準差法對原始數據進行處理。

F_ij=F′_ij-F′_jS_j（1）

式中：F_ij——初始數據；

F′_j——某一性狀的均值；

S_j——該性狀的標準差。

2） 建立模糊相似矩陣。設U為被分類對象的全體，r_ij為在U上建立的相似系數。采用歐式距離法由式（2）計算r_ij，并建立模糊相似矩陣R。

r_ij=1i=j

1-∑mk=1（F_ik-F_jk）²Di≠j（2）

其中D=max∑mk=1（F_ik-F_jk）²。

3） 求模糊等價矩陣R^*。模糊等價矩陣：即R自乘RR=R²，再自乘R²R²=R⁴，直到R^2k=R^k=R^*為止，則R^*便是一個模糊等價矩陣。

4） 模糊聚類分析。用R^*_λ=（λ_ij），取適宜實數λ∈[0，1]。當r_ij≥λ時，λ_ij=1；當r_ij≤λ時，λ_ij=0。對得到的結果矩陣進行排序劃分，即得到在λ水平上的分類。

1.2.2 基于模糊數學求氣候適宜性指數

1） 評價指標隸屬函數的建立。通過模糊統計法確定各評價指標的隸屬函數類型、最優值和最差值，然后計算出各評價因子的隸屬度。涉及的隸屬度函數為拋物線型（式（3））與升梯型（式（4）），其中拋物線型函數適用于雪茄煙生長既有上限又有下限的因子，升梯型函數適用于雪茄煙有下限無上限的因子。本研究涉及隸屬函數如式（3）所示，其中a為下限，b為最優值下限，c為最優值上限，d為上限，a＜b＜c＜d。

f（x）=1.0b≤x

x-ab-a×0.9+0.1a

d-xd-c×0.9+0.1c

0.1x≥d，x≤a（3）

f（x）=1.0x

x-ab-a×0.9+0.1a≤x

0.1x

本研究首先通過數據統計分析以及咨詢專家篩選出進行適宜性評價的氣候因子，然后通過層次分析法構建層次結構模型，將與評價有關的要素分為目標層（雪茄生態適應性）、準則層（氣候條件）和指標層（生育期平均氣溫，生育期≥10℃活動積溫，生育期相對濕度，生育期平均降水量，生育期平均日照時數），結合專家賦值法來進行判斷矩陣的構造，最后進行一致性檢驗并計算各指標權重值。所涉及的各氣候因子的權重值、隸屬函數類型及拐點如表1所示。

表1 各評價指標的權重、隸屬函數類型及拐點

Tab. 1 Weight， membership function type and

inflection point of each evaluation index氣候因子權重隸屬函數

類型最優值最差值生育期平均氣溫0.41拋物線型24℃～

30℃20℃，

35℃生育期≥10℃活動積溫0.29升梯型2 800℃2 600℃生育期相對濕度0.06拋物線型70％～

80％50％，

90％生育期平均降水量0.08拋物線型500～

600 mm300 mm，

800 mm生育期平均日照時數0.16拋物線型600～

800 h300 h，

1 000 h

2） 氣候適宜性指數計算。利用隸屬函數氣候因子指標值與權重系數加成法則，分別計算通過聚類得到的與沂水同一分類的地區的氣候適宜性指數。氣候適宜性指數CFI計算如式（5）所示。

CFI=∑ni=1P_jX_ijj=1，2，3，…，m（5）

式中：n——評價指標的總數；

P_j——第j個評價因子的權重值；

X_ij——第j個評價因子的隸屬度。

本研究將優質雪茄種植氣候適宜性按照CFI值分為4個等級，如表2所示。

CFI的取值在0.10～1.00之間，CFI值越高，說明該地區氣候條件越適宜種植雪茄煙；CFI值越低，說明該地區氣候條件越不適宜種植雪茄煙。通過計算得出的CFI值對沂水雪茄煙區生態適宜性進行綜合評價。

1.3 數據來源

優質雪茄煙葉生產需要滿足特定的日照、降水以及溫濕度等條件^[14]，研究數據來源于weather-atlas（https：//www.weather-atlas.com/zh）。

2 結果與分析

將沂水與哈瓦那、比那爾得里奧、多米尼加、巴伊亞州、什邡、康涅狄格、津巴布韋、印度尼西亞、菲律賓、儋州根據生育期平均氣溫，生育期≥10℃活動積溫，生育期相對濕度，生育期平均降水量，生育期平均日照時數等指標進行模糊聚類，把與沂水聚為一類的地區通過隸屬度函數對各指標進行評價。

2.1 雪茄煙區模糊聚類分析

1） 數據標準化。根據式（1）進行數據標準化處理的結果如表3所示。

2） 模糊相似矩陣和模糊等價矩陣。模糊相似矩陣見表4。

將標準化處理過的數據根據式（2）進行模糊相似矩陣和模糊等價矩陣的求解。求得的矩陣為n階對稱方陣，其中n代表所進行聚類的樣本總數。

當k=8時，R⁸=R¹⁶，R⁸為模糊等價矩陣，模糊等價矩陣見表5。

3） 聚類分析。用R^*_λ=（λ_ij），取適宜實數λ∈[0，1]。當r_ij≥λ時，λ_ij=1；當r_ij≤λ時，λ_ij=0。對得到的結果矩陣進行排序劃分，即得到在λ水平上的分類。

在模糊等價矩陣R^*中，取λ=0.68，當r^*≥0.68時，r^*=1；當r^*≤0.68時，r^*=0。即得到λ=0.68水平下的截距矩陣t（R），如表6所示。

從表6可得，當λ=0.68時，11個區域可被劃分為4類，結果如表7所示。模糊聚類結果表明，沂水氣候條件與哈瓦那，比那爾得里奧，多米尼加，巴伊亞州，什邡等國內外優質雪茄種植地區比較相似，具備生產優質雪茄的氣候條件。

2.2 氣候適宜性評價

將聚類分析得到的和沂水處在同一類的地區，即為Ⅰ類的地區進行氣候適宜性評價。

2.2.1 氣候條件分析

雪茄煙葉是喜溫作物，在6℃～35℃均能生長，但優質的雪茄煙對溫度的要求非常嚴格，一般以20℃～30℃為宜；積溫反映了雪茄煙生長所需的熱量條件，積溫不足會導致煙葉內物質的形成和轉化效率降低，煙葉生育期氣溫≥10℃的活動積溫≥2800℃為煙葉適宜生長的熱量條件，最低積溫不低于2600℃。

圖1為沂水5—8月份平均氣溫變化，可以看出5—8月份沂水平均氣溫均處在20℃～30℃之間，總積溫達到了2967.5℃。說明沂水具有雪茄煙葉生長的適宜氣溫條件，且能為煙葉的生長發育提供充足的積溫。

煙葉生長大田期的水分供應，對煙葉生長發育及煙葉質量、產量影響很大。降水對烤煙的影響，主要決定于雨量的分布：移栽至旺長前，煙株的耗水量少，這段時間的月降雨量在70～100mm，土壤相對濕度為50%～60%較為理想；進入旺長期后耗水增大，月降雨量在100～200mm，土壤相對濕度為70%～80%對烤煙生長、干物質積累最為有利。

圖2為沂水5—8月份平均降雨量及平均相對濕度變化。可以看出，沂水5月份平均降雨量為76mm，相對濕度為57%；6—8月份，平均降雨量為158mm，平均相對濕度為77%。兩段時期內的降雨量以及濕度均處在理想范圍內，沂水地區滿足雪茄煙生長所需的降雨量以及濕度條件。

雪茄煙對日照的要求較高，優質煙葉的生產需要充足且不強烈的光照。沂水平均日照率約為57%，日均光照時長約為7.7h，滿足煙葉日照率40%以上、每天光照7～10h的需求。成熟期由于沂水降雨量較多，使其擁有充足而不強烈的光照，利于優質雪茄煙的生產。

圖3為沂水5—8月份的平均日照時長變化，可以看出沂水具有雪茄生長的良好光照條件。

2.2.2 氣候適宜性綜合評價

表8為氣候適宜性評價所需數據，結合表2氣候適宜性參評指標計算得出各氣候指標得分如表9所示。

由表9可知，CFI由高到低地區分別是哈瓦那、比那爾得里奧、什邡、多米尼加、沂水以及巴伊亞州，所選6個參照煙區按照適宜性等級劃分結果為：最適宜[哈瓦那，比那爾得里奧]，適宜[什邡，多米尼加，沂水，巴伊亞州]。從CFI數值層面看，沂水氣候與哈瓦那、比那爾得里奧、什邡等老牌雪茄煙生產區存在一定差距，和多米尼加的氣候得分非常相近，且強于巴伊亞州。可以考慮從以上地區進行雪茄煙品種的選取以及學習雪茄煙的種植經驗。

3 討論

氣候是優質雪茄煙生長的基礎條件，不僅對雪茄的產量有很大影響，還和雪茄煙的品質優劣密切相關^{[15， 16]}。沂水與哈瓦那、比那爾得里奧、多米尼加、巴伊亞州、什邡具有較相似的氣候條件，其中沂水與多米尼加、巴伊亞州、什邡的適宜性等級為適宜。

3.1 氣溫與積溫

在氣溫與積溫方面，生育期的沂水平均溫度處在24℃～30℃之間，≥10℃活動積溫為2967.5℃，均滿足最優的雪茄煙生長條件，這兩項指標均為最優，達到了最適宜的氣溫與積溫條件，能為雪茄煙的生長提供充足且溫和的熱能。雪茄煙生長期伴有極端高溫天氣發生的風險，圖4為2011—2022年5—6月每月的極端氣溫（≥35℃）波動，可以看出沂水縣在5—8月均曾有極端氣溫出現，并且近些年所出現的極端氣溫溫度有上升的趨勢。其中6月的極端氣溫出現的頻率較高，極端氣溫溫度已連續四年處于一個較高水平，8月的極端氣溫也在2022年達到了歷史峰值。

3.2 降雨量與濕度

沂水的降雨量與濕度均符合雪茄煙生長所需的最優條件。沂水屬魯中南低山陵區且屬近海地域，夏天容易發生強對流天氣和受到臺風影響，出現暴雨以及大風天氣。尤其地勢低洼的地區易受強降雨侵襲導致積水，從而影響煙葉中的還原糖、總糖、蛋白質、氮以及煙堿等的含量，進而導致煙葉的品質與產量下降^[17]。

3.3 日照

沂水的日照時長得分相對其余雪茄煙產區較高，且超出了雪茄煙生長最優值的上限。不過沂水縣在生長成熟期降雨較多，此時光照充足但不強烈，有利于優質雪茄煙的生長。

3.4 建議

沂水縣基本具備優質雪茄種植的氣候條件，但是由于沂水地處魯中南山區，夏季多強對流天氣，暴雨和冰雹時有發生，同時極端氣溫的出現會對煙葉的生長發育產生不利影響，因此在雪茄的品種選擇方面選擇能應對氣象災害的雪茄煙種、做好氣象災害預測預警與防范措施對雪茄煙的種植具有重要意義；同時本研究只針對了沂水的氣候因素進行雪茄種植適宜性的評價，最好還應考慮地形、土壤以及社會經濟等因素的影響，這樣可以更加準確的對沂水雪茄煙的種植作適宜性評價，充分結合沂水氣候的特點，為做好合理種植以及提高經濟效益提供合理意見。

4 結論

本研究創新性地提出一種基于模糊聚類的雪茄煙種植生產生態適宜性評價方法。首先通過聚類將氣候類別相近的雪茄產區劃分到一起，聚類結果將哈瓦那、比那爾得里奧、多米尼加、巴伊亞州、什邡以及沂水等產區劃分為一類。然后通過適應性評價方法對同類的主產區進行適宜性評價，評價結果氣候適宜性指數CFI值依次為沂水（0.931）、哈瓦那（0.963）、比那爾德里奧（0.956）、什邡（0.944）、多米尼加（0.932）、巴伊亞州（0.892）。

1） 沂水縣雪茄煙種植的光熱條件優越，降雨量充沛，具有和國內外等優質煙區較為接近的氣候條件。

2） 在進行雪茄選種方面可嘗試與沂水CFI值較相近的地區的雪茄煙種以及學習其種植技術。

3） 本研究所提出的先聚類再評價的方法，為雪茄煙區的選取提供了一種新的思路與方法，該方法的推廣可提升雪茄煙產區選擇效率，并對推動雪茄產業的健康發展具有重大意義。

參 考 文 獻

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