GIS技術在現代煙草農業中的應用研究與展望

張春華 趙進恒 胡曉明等

摘要 地理信息系統（GIS）是現代煙草農業建設的空間分析技術基礎。介紹了地理信息系統的基本原理和發展過程，綜述了近年來國內外學者利用GIS技術在植煙土壤適宜性評價、植煙土壤養分空間變異研究、養分管理分區及變量施肥、煙草病蟲害預測及農業氣候與煙草種植區劃和評估等研究方面所取得的成就，并探討了GIS技術在未來煙草農業現代化中進一步應用的前景。

關鍵詞 GIS；現代煙草農業；應用研究；展望

中圖分類號 S127 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06860-02

煙草是我國重要經濟作物，隨著生產力的提高和信息化的推進，傳統煙草農業已不適應社會發展，向現代煙草農業的轉變是煙草行業可持續發展的需求，實現從粗放管理轉向精益管理，不僅對提高煙葉品質和優化結構，而且對保護生態環境、節約資源、降低成本和提高生產效率等有重要意義。近年來，隨著計算機和GPS等技術的發展，地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）作為一門新興的學科也迅速發展起來，GIS與現代煙草農業的有效結合可解決生產過程中產生的動態問題，而且對水、肥、土、光等復雜多樣的資源環境有空間立體分析功能。隨著GIS系統的日益完善與發展，它將成為現代煙草農業研究的先進技術手段，為煙草農業的現代化與可持續發展提供了強有力的技術支持。同時，應進一步加大GIS技術在現代煙草農業中的應用，建立科學完善的空間決策及專家系統，為優質煙葉的精益生產和信息化管理提供參考和依據。

1 GIS的基本原理及發展歷程

GIS是由地理數據庫系統、計算機系統與組織機構等組成，主要以采集和存儲地球表面與空間和地理分布有關的數據，并加以分析、顯示和應用的計算機系統[1-2]，其主要涉及空間位置、模式模型、變化趨勢等功能。

GIS技術起始于20世紀60年代，發展成熟于七八十年代，由偏重于空間數據的處理，轉向自然資源開發、國土規劃及生態保護等領域。 90年代以來，隨著GIS理論、方法和技術的成熟，廣泛應用在于環境資源保護、農業生產、災害預測和政府管理等領域。

1978年，國內學者開始對地統計學的研究[3]，特別是近年來，地統計學與GIS的結合是國內外學者研究農田精準施肥的熱點，GIS作為功能性的空間技術被應用于農業管理和農業分析科學研究中，主要應用于精準施肥、作物產值評估、病蟲害預測和專家決策系統等方面，極大地推動了現代農業的發展。

2 地理信息系統在煙草農業領域的應用

20世紀90年代中期，我國逐漸將GIS應用在煙草農業領域，主要應用于農業氣候與煙草種植區劃、植煙土壤適宜性評價、煙草病蟲害預測及評估和變量施肥等方面，取得了較大的成就，一些研究成果直接應用于煙草農業生產中，取得了很好的經濟和社會效益。

2.1 對植煙土壤養分的空間管理及應用

2.1.1 植煙土壤適宜性評價。

土壤是一個具有空間變異的系統，經典統計學不能反映養分含量在空間上的分布情況。植煙土壤是優質烤煙生產的基礎，對煙葉品質風格的形成具有重要作用。對植煙土壤養分空間變異性及煙草養分吸收規律的研究，可為實現植煙土壤適宜性的評價奠定基礎[4]。

陳海生等利用GIS技術，運用模糊數學和層次分析法，對烤煙種植區各項土壤肥力指標進行了綜合評價，并繪制了土壤肥力評價圖，建立了河南省南陽市烤煙土壤肥力適宜性評價指標體系[5]。徐大兵等以湖北省恩施市“清江源”現代煙草農業科技園區、恩施城郊和利川柏楊基地單元新整治區域的土壤屬性和速效養分為研究對象，在GIS平臺的基礎上，采用模糊數學法對新整治區域的土壤肥力適宜性指數進行了評價[6]。汪璇等對重慶黔江煙區土壤的速效養分和pH等6種主要植煙土壤肥力指標進行了分析，研究了土壤養分要素與各地形因子之間存在的相關關系，在GIS的平臺下，利用模糊綜合評價法對丘陵山區的植煙土壤養分適宜性進行了綜合評價，并確立了黔江植煙土壤養分適宜性指數空間分布[7]。

2.1.2 植煙土壤養分空間變異研究。

土壤養分空間變異性是土壤重要屬性，隨著科學信息技術和GIS的快速發展，土壤養分空間變異性的研究成為了土壤科學研究領域的最前沿熱點之一[8-9]。利用GPS、GIS和地統計學等相結合的方法，對植煙土壤大、中、微量元素空間變異的研究，可為煙區的管理分區和變量施肥提供科學依據。

黃新杰等采用GPS技術，在GIS的基礎上，利用經典統計學和地統計學的方法，對湖南省典型稻煙輪作區3 255份土樣養分的總體特征和空間分布特征進行了研究，探明了其養分的空間分布，為該地區的養分精準管理提供了理論依據[10]。董旭等采用GIS和地統計學相結合的方法，對遼寧昌圖煙區的植煙土壤pH和有效態中量元素的空間變異及分布特征進行了研究，并繪制了其空間分布圖[11]。李強等探討微量元素精準施肥，研究了馬龍縣植煙土壤有效態微量元素的總體特征和空間變異特征，利用GIS技術，繪制了微量元素空間分布圖，為該縣的微量元素精準施肥專家系統提供了理論基礎[12]。王新中等運用地統計學和GIS 技術，以平頂山郟縣的植煙土壤為研究對象，分析了土壤粒級和主要土壤養分之間的關系，并對土壤粒級的空間變異規律進行了研究[13]。

2.1.3 植煙區土壤養分分區管理及變量施肥研究。

管理分區就是將具有相似土壤肥力及其養分利用率，以及相似生態環境的區域作為一個單元進行管理。變量施肥管理系統是精準農業的核心技術，在農業上已取得了良好應用效果[14-15]。利用GIS技術對植煙土壤進行管理分區研究，是在對每一管理單元的生態環境、土壤理化性質、煙草需肥規律和病蟲害的綜合分析的基礎上，建立相應的施肥模型，并確立相對應的施肥方案，進行變量施肥管理，達到優質適產的目的，并且對保護煙田生態環境有重要意義。

Yang等對變量施用液態N和P肥作了研究，得出應用變量施肥技術可以減少產量變化的差異，提高產量和增加回報[16]。Liu等研究了植煙土壤養分的空間變異，并采用半方差圖和克立格插值法進行土壤特性研究，為烤煙的變量施肥提供了理論基礎和技術支撐[17-18]。江厚龍等以GIS為平臺，利用主成分分析和模糊聚類分析法，用平頂山典型煙區111個土壤養分數據對煙田進行管理分區研究，將研究區域分為3個區域進行管理，分區結果可以作為變量施肥的單獨作業單元進行施肥管理[19]。

2.2 煙草病蟲害預測及評估

煙草病蟲害是煙葉生產的制約因素，不僅嚴重影響煙葉品質，而且造成煙農經濟損失。對煙草病蟲害進行統防統治是煙葉生產的重要環節。利用GIS技術可以分析煙草病蟲害發生的趨勢及其影響發生的適宜環境因子，預測其發生的規律及時空動態，為防治煙草病蟲害發生提供準確、及時、可視的科學決策。

Richam等利用GIS技術分析了不同地域間的氣象、不同年度、有益有害生物、煙草品種抗性、生態變化等信息，并利用模擬模型對煙草蚜蟲發生進行預測，建立煙草病蟲害的發生預測模型[20]。陶瓊等利用GIS對昆明市煙草的“六病四蟲”的發生率和發生指數進行分析，準確地預測到病蟲害發生的程度和空間分布，對病蟲害進行有效的防治和預防有很好的應用效果，并利用WebGIS建立了昆明市煙草病蟲害監測預警體系[21]。劉長明等應用互聯網、GIS技術和數據庫技術，以福建煙草病蟲害監測數據為基礎，構建福建省煙草病蟲害管理信息系統[22]。

2.3 植煙區氣候與煙草種植區劃

氣候是影響煙草生產和種植區劃的重要生態因素，不僅影響煙草的生物學性狀和病蟲害的發生，而且還對煙草的內在品質和產質量有重要影響[23]。因此，將GIS 的空間分析功能與當地的氣候資源和種植水平相結合，進行精準的氣候區劃，可為煙草種植區劃的調整和合理利用氣候資源提供科學依據。

莫建國等利用GIS技術，采用克里克插值和構建模型的方法，對威寧縣烤煙生長期氣候條件及各氣象要素對烤煙品質的影響進行了研究，實現了對威寧縣烤煙種植的精細氣候劃分[24]。符昌武等應用GPS和GIS技術，對普洱煙區氣候要素進了空間分析，模擬繪制了氣候要素的地理空間分布細網格模擬數字地圖，為普洱優質烤煙生產區劃奠定了基礎[25]。董謝瓊等利用氣象、土壤、地形、土地利用等多源數據，在GIS技術支持下，根據煙草生長發育生態條件，確定煙草種植適宜性氣候生態指標和區劃原則，對云南省烤煙種植適宜區劃進行研究，區劃結果與云南省實際優質煙葉產地分布基本一致[26]。

3 GIS在我國煙草農業現代化進程中的研究與應用展望

隨著煙草農業現代化進程的推進和GIS技術的不斷發展、成熟，GIS技術需要加強在以下4個領域內的應用研究[27-28]。

3.1 以GIS、RS、GPS等技術為核心的“3S”空間決策支持系統 主要是GPS為RS和GIS提供監測范圍的定位信息，RS為GIS提供重要的信息數據庫，能及時準確提供監測范圍內的綜合性的定位定量信息，并有助于及時更新GIS數據庫，特別是對煙草生長過程的動態監測。建立基于煙草“3S”技術的空間決策支持系統，可為煙草管理提供精確操作和決策服務。隨著科學技術的迅速發展，其將成為今后現代煙草農業研究的熱點，也將是現代煙草農業精益生產的基礎。

3.2 GIS和專家系統（ES）高度集成 具有人工智能的GIS在煙草農業領域內將得到廣泛應用。目前，GIS的應用還主要在煙田土壤養分數據庫的建立、精準施肥、病蟲害的監測和預測等方面，但煙草生長是一個動態過程，與當地生態氣候、種植制度和田間管理等緊密相關，單純的GIS研究，很少能為現代煙草農業生產中復雜的空間問題的解決提供足夠的決策支持， 這需要大量的專家經驗和知識。所以，GIS與專家系統的有機結合，為解決煙草生產過程遇到的各種問題