基于隸屬函數的吉林省烤煙生產氣候適宜條件分析

李成業(yè) 李忠輝

(吉林省氣象科學研究所,吉林 長春 130062)

引言

烤煙是吉林省主要經濟作物之一,其生長受氣象因素影響很大,研究吉林烤煙生產氣象影響限制因子很有必要,能為煙農趨利避害提供很好的決策支持,能夠促進煙農增產增收。

目前,在烤煙氣候區(qū)劃時,采用GIS技術和氣象因子相結合的方法。對于烤煙氣象影響的研究較多,多集中于煙草產區(qū)氣象條件的分析,以及氣象災害對煙草生產的影響上。石媛媛等、李蒙等[1,2]運用GIS空間分析技術和隸屬度函數模型,建立了烤煙種植氣候適宜性定量評價指標體系,并對烤煙種植氣候適宜性進行了區(qū)劃。何永坤等[3]運用模糊數學隸屬度函數模型分析了渝東地區(qū)烤煙氣候適宜度的時空變化特征。莫建國等[4]研究了貴州烤煙大田期可用日數分布特征及其利用方式。許彥平等[5]進行了天水烤煙適生適產區(qū)的氣候區(qū)劃。對于吉林省煙草來說,苗期主要在設施溫棚里面,設施溫棚可以人為控制氣象條件,因此受外界天氣影響較小。所以影響吉林省烤煙的氣象條件主要是處于大田期的氣象條件。通過篩選大田期的多個氣候因子,并結合中國煙草總公司、中國農科院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所、鄭州煙草研究院在2009年《中國煙草種植區(qū)劃》中提出的成熟期平均氣溫、旺長期降水、大田生長期可用時間、大田期日照時數等4個氣候因子[6-10],利用隸屬函數來確定氣氣候適宜度,并確定影響吉林省烤煙主要氣象條件限制因子。

1 材料和方法

1.1 研究資料

使用吉林省49個縣國家氣象站1981—2020年逐日平均氣溫、降水和日照數據,數據來源于吉林省氣象局。

1.2 研究方法

分析影響吉林烤煙的氣候適宜條件,主要從中國煙草總公司、中國農科院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所、鄭州煙草研究院在2009年《中國煙草種植區(qū)劃》中提出的成熟期平均氣溫、旺長期降水、大田生長期可用時間、大田期日照時數等4個主要氣候因子中篩選。

4個氣候因子的計算通過吉林省49個縣的國家氣象站1981—2020年逐日平均氣溫、降水和日照數據逐縣40a平均求得。

氣候適宜度的篩選采用基于隸屬函數計算氣候適宜度的方法進行[11,12]。采取4等級劃分適宜程度,0.9～1為適宜,證明這個氣候因子完全滿足烤煙生長需要,0.8～0.9為較適宜,0.6～0.8為次適宜,0.6以下為不適宜。氣候適宜度低于0.6,這個氣候因子就是限制烤煙生長的限制因子。氣象因子的適宜度分布圖和綜合分布圖采用空間插值制圖。通過信息熵法確定主要限制影響烤煙生長的權重[13]。基于隸屬函數的氣候適宜度的計算公式如公式(1)～(4)。

1.2.1 成熟期平均氣溫的氣候適宜度計算公式

成熟期平均氣溫(7—8月平均氣溫)對烤煙的產量和品質有很大影響,氣溫過高或過低都會影響烤煙的正常生長。因此,其適宜度隸屬函數為拋物線型,公式：

(1)

式中,f(x1)為成熟期平均氣溫氣候適宜度指數；x1為7—8月平均氣溫,℃。適宜溫度為20～25℃,不適宜溫度為≥35℃或≤16℃。

1.2.2 旺長期降水的氣候適宜度計算公式

旺長期降水即6月降水，該時段的降水對烤煙葉片的數量、大小和干物質含量有決定性作用,是烤煙對降水需求最多的時期,但降水過多又會導致烤煙受澇。因此,其適宜度隸屬函數為拋物線型,公式：

(2)

式中,f(x2)為旺長期降水氣候適宜度指數；x2為旺長期降水量,mm。

1.2.3 大田期日照時數的氣候適宜度計算公式

大田期日照時數即5—8月日照時數。這個時期需要充足而不強烈的光照,光照太強或太弱都會影響烤煙產量和品質。因此,其適宜度隸屬函數為S型,公式：

(3)

式中,f(x3)為大田期日照時數氣候適宜度指數；x3為大田期日照時數,h。

1.2.4 大田生長期可用時間的氣候適宜度計算公式

大田生長期可用時間為日平均氣溫穩(wěn)定通過13℃的初日至日平均氣溫穩(wěn)定通過20℃的終日之間的天數,這個時期為烤煙大田生長提供可利用的時間,大田生長期一般為120d。因此,其適宜度隸屬函數為S型,公式：

(4)

式中,f(x4)為大田可用時間適宜度指數,x4為大田可用時間,d。

2 結果

2.1 成熟期平均氣溫

吉林省49個氣象站1981—2020年7—8月平均氣溫計算得出,吉林省大部平均氣溫在20.0～25.0℃,氣候適宜度計算結果為0.97以上,氣候最適宜。只有長白站平均氣溫為18.9℃,氣候適宜度為0.76,氣候條件為次適宜。吉林省大部地區(qū)7—8月平均氣溫都是適宜烤煙種植的,因此,成熟期平均氣溫不是限制烤煙生長的主要因子,不用考慮其對烤煙產量的影響。

2.2 旺長期降水即6月降水

烤煙旺長期是對水分需求重要的時期,該時期缺少水分會影響烤煙生長。這一時期,會發(fā)生干旱,但烤煙是經濟作物,種植面積較小,一般都具備灌溉條件。在自然降水狀態(tài)下,有些地方的烤煙處于缺水狀態(tài),需要適時補水,以保證旺長期烤煙的生長。1980—2020年期間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,其它縣市介于兩者之間,吉林省全省降雨分布如圖1所示。

圖1 吉林省1980—2020年6月平均降水量分布圖

通過旺長期降水適宜度公式(2)計算得出,適宜區(qū)為長春市區(qū)大部、吉林、通化、白山,延邊州西部的敦化、安圖等地；公主嶺、四平、琿春、和龍等部分區(qū)域為較適宜區(qū)；白城、鎮(zhèn)賚、雙遼、前郭、延邊州中部區(qū)域為次適宜區(qū),其它區(qū)域為不適宜區(qū),見圖2。由于統計的是天然降水,在不適宜區(qū)域也可采取灌溉等方式補水來滿足旺長期烤煙的生長需要,因此不能認定為不適宜的區(qū)域不適合烤煙種植。

圖2 吉林省烤煙旺長期降水適宜度分布圖

2.3 大田期日照時數即5—8月日照時數

從吉林省49個國家基本觀測站1981—2020年5—8月平均日照時數看,最多日照時數為洮南站,為1098.7h；最少日照時數為琿春站,日照時數為756.2h,其它站日照時數介于二者之間,均明顯高于煙草需要的最高日照時數600h。因此,吉林省日照條件能夠滿足煙草的生長,日照條件不是限制煙草生長的氣象因子。在研究氣象條件對烤煙產量的影響過程中,不用考慮該因子。

2.4 大田生長期可用時間的適宜度

根據公式(4)和吉林省49個國家基本觀測站1981—2020年逐站每年平均計大田可用時間適宜度都<0.5,全部不適宜種植烤煙,因此采用該方法不適合計算吉林省烤煙適宜度。

2.5 確定各因子適宜度權重及全省烤煙氣象綜合適宜度

相對于層次分析法、專家打分等偏于主觀的確定權重的方法,信息熵法是偏于客觀的確定權重的方法。其借用信息論中熵的概念,所謂“熵”,是信息論中衡量不確定性的指標,信息量的(概率)分布越趨于一致,不確定性越大。

通過信息熵方法確定旺長期降水烤煙適宜度和大田可用時間烤煙適宜度在綜合適宜度所占的權重,分別為0.75和0.25。那么,綜合適宜度公式：

0.75Z1+0.25Z2=Z

(5)

式中,Z1為旺長期降水烤煙適宜度；Z2為大田可用時間烤煙適宜度；Z為綜合適宜度。

3 結論與討論

通過以上研究,確定6月旺長期降水是影響吉林煙葉重要氣象因素,相對于大田可用時間,其影響的煙葉產量限制因素占75%左右的權重。因此，在該時間段煙農需注意降水及天氣預報,可以加強煙葉的田間管理,適時對煙田灌溉補水,提高產量。氣象部門可以進行氣候預測,有針對性地開展服務,如根據天氣變化開展人工增雨作業(yè),及時進行天氣預報和氣候預測,給煙農提供良好的服務。氣象部門也可加強大田可用時間初終日的預測,尤其穩(wěn)定通過13℃移栽期的預測。吉林省煙葉的大田可用時間都不足,主要是煙葉生長后期熱量條件不夠造成的,因此要提高后期的熱量條件,對于小面積的煙田可以采取扣棚等園藝措施,但是對于大面積煙田則不適用。

本文采用的氣象數據基本上都是縣站的數據,不排除有個別區(qū)域的小氣候條件更適宜煙葉的生長,而這些區(qū)域的煙葉生長的限制因素會變化。6月旺長期降水是影響主要限制因素,但在部分區(qū)域就不是限制因子。如,河谷邊土壤水分充足,旺長期即使沒有足夠降水,也能滿足煙葉的生長。大田可用時間亦如此。因此,在有些小氣候條件較好的區(qū)域,還要具體問題具體分析,采取適當的管理措施。