基于gis的河南省烤煙生態(tài)適宜性綜合評價

基于gis的河南省烤煙生態(tài)適宜性綜合評價

0通過信息化技術(shù)來評價煙草生態(tài)適宜性[研究意義]對特定區(qū)域內(nèi)的氣候、土壤、地形和其他環(huán)境條件的適應(yīng)性進(jìn)行綜合評估。定性、定量和定位地評價煙草在某區(qū)域的生態(tài)適宜性,可為進(jìn)一步合理布局,開辟更多的優(yōu)質(zhì)煙基地,實現(xiàn)煙草可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】烤煙可種植的范圍很廣,但優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)有著嚴(yán)格的地域限制,如美國的煙葉多集中在東部海岸平原,巴西的煙葉主要集中在南部各省,而津巴布韋烤煙則多種植在多山的高原。這是因為煙草的香吃味特性在很大程度上受制于外界生態(tài)條件,煙草葉片與果實和種子不同,它是植物中最活躍的器官,不能緩沖生長環(huán)境變化的影響。李云的研究表明不同地區(qū)種植的煙草,其與香味關(guān)系很大的低級脂肪酸成分和含量的差異很大,并認(rèn)為這是形成不同產(chǎn)地?zé)熑~獨特風(fēng)格的主要因素。張燕等收集了國內(nèi)外6個產(chǎn)地不同等級的香料煙樣品,結(jié)果表明不同產(chǎn)地香料煙的內(nèi)在化學(xué)成分和揮發(fā)性致香物質(zhì)差異均較大。較之于其它作物,煙草對外界環(huán)境條件的反應(yīng)更為敏感。因此,優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)具有很大的地域局限性。地理信息系統(tǒng)(geographicinformationsystem,GIS)具有管理空間不均勻分布資源的能力,可以把大區(qū)域范圍內(nèi)測定點的屬性數(shù)據(jù)同地理數(shù)據(jù)結(jié)合起來。目前,地理信息系統(tǒng)技術(shù)已開始廣泛地應(yīng)用于農(nóng)作物適宜性評價。Seffin等利用基于GIS的作業(yè)流式空間決策支持系統(tǒng)對巴西圣保羅州的甘蔗種植進(jìn)行了生態(tài)適宜性的評價。唐嘉平等利用ArcView為平臺的種植適宜性評價系統(tǒng)完成了瀾滄江下游熱帶特色經(jīng)濟作物的評價。王桂芝利用測繪數(shù)據(jù)以Arc/info為工具,建立了海南省三亞市的熱帶作物土地適宜性評價模型。而將GIS技術(shù)應(yīng)用于煙草的生態(tài)適宜性評價和合理布局研究,目前在國內(nèi)外的報道中并不多見?！颈狙芯壳腥朦c】本文用特爾菲法進(jìn)行各生態(tài)因子評價指標(biāo)的選擇,從氣候、土壤、地形條件3個方面確定評價指標(biāo),建立河南省煙草生態(tài)適宜性評價指標(biāo)體系,根據(jù)各生態(tài)因子對烤煙生長與品質(zhì)效應(yīng)建立各隸屬度函數(shù),采用層次分析法確定各評價因子權(quán)重,使用mapGIS地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理,對河南省煙草種植區(qū)進(jìn)行生態(tài)適宜性綜合評價?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期找出和克服影響烤煙香氣質(zhì)量的主要生態(tài)因子,充分利用自然資源進(jìn)行合理布局,在利用好現(xiàn)有植煙田的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴大優(yōu)質(zhì)煙種植范圍,促進(jìn)全省烤煙種植區(qū)農(nóng)村的資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。1材料和方法1.1地貌類型及氣象條件河南省位于黃河中下游,華北大平原的南端,介于東經(jīng)110°21′~116°39′,北緯31°23′~36°22′之間,地處北亞熱帶到暖溫帶過渡地帶,地表形態(tài)復(fù)雜,境內(nèi)有山地、丘陵、平原、盆地等多種地貌類型。年平均氣溫13~15℃,日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃的活動積溫為4200~4900℃,年實際日照時數(shù)2000~2600h,光合有效輻射總量230~260kJ·cm-2,年降雨量600~1200mm。境內(nèi)大部分烤煙種植區(qū)溫度適宜,晝夜溫差大,水資源比較豐富,光照充足,是中國重要的濃香型烤煙產(chǎn)地。全省耕地總面積793.60×104hm2,常年烤煙種植面積為8.67×104hm2,占常用耕地面積的1.21%。1.2土壤養(yǎng)分及氣象數(shù)據(jù)土壤類型和土壤物理性狀資料來自河南省第二次土壤普查,土壤類型具體到土屬,每一土屬的屬性數(shù)據(jù)包括耕層厚度、耕層質(zhì)地、障礙層次等。土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)通過在河南省煙區(qū)布點采樣并分析化驗得到,共采集了650土壤樣品,分析了有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、pH,以及銅、鐵、錳、鋅、氯等微量元素。氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象局,數(shù)據(jù)包括河南省48個氣象站1971-2005年的氣溫、日照、降水和相對濕度。其它數(shù)據(jù)包括河南省1﹕25萬地形圖,地貌類型分區(qū)圖、行政區(qū)劃圖和土地利用現(xiàn)狀圖等。1.3土壤有機重量分析方法(1)氣象和養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法利用ARC/INFO的空間插值法,對于服從正態(tài)分布,且空間相關(guān)性強的指標(biāo)采用Kriging插值法插值,否則采用反距離法插值,結(jié)果采用1km×1km的GRD數(shù)據(jù)進(jìn)行表示。(2)數(shù)字化方法圖件資料采用ARC/INFO軟件,經(jīng)數(shù)字化、圖形編輯、圖幅誤差校正、圖幅接邊處理、拓?fù)洳殄e、拓?fù)湓靺^(qū)處理。屬性數(shù)據(jù)庫采用Access對土樣測定的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行錄入。(3)地形(DTM)分析方法采用ARC/INFO軟件,利用數(shù)字化好的等高線和高程點,應(yīng)用TIN模塊建立數(shù)字高程模型。(4)評價單元劃分與賦值方法采用GIS的空間疊加法劃分評價單元。評價單元賦值采用空間位置賦值法(針對矢量數(shù)據(jù))和分區(qū)統(tǒng)計法(針對格網(wǎng)數(shù)據(jù))。(5)指標(biāo)體系建立方法評價指標(biāo)選擇采用特爾菲法、指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法、指標(biāo)分值化方法采用隸屬函數(shù)法。(6)評價方法采用綜合評分法,每個評價單元的綜合分值由因素權(quán)重與隸屬度的乘積,然后求各評價因素的乘積之和得到。2結(jié)果與分析2.1土壤肥力要素組成評價單元是進(jìn)行土壤肥力評價的最基本區(qū)域,即最小單元。它是由對植煙田土壤質(zhì)量具有關(guān)鍵影響的土壤肥力要素組成的基本空間單位。同一評價單元中土壤的基本屬性是一致的,不同的評價單元之間既有差異性,又有可比性。評價單元的劃分應(yīng)客觀地反映出土壤肥力在一定時間和空間上的差異。本研究將土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖和行政區(qū)劃圖3圖疊加,劃分評價單元,共劃11449個評價單元。2.2調(diào)查問卷的收集影響煙草生態(tài)適宜性的因素很多,根據(jù)河南省各烤煙產(chǎn)區(qū)區(qū)域特點,遵循顯著性、實際性、主導(dǎo)性、區(qū)域差異性和可操作性等原則,采用定量和定性相結(jié)合的方法,篩選參評因子。邀請20名在煙草種植領(lǐng)域和土壤領(lǐng)域有淵博知識、豐富經(jīng)驗的專家參加問卷填寫,將課題研究的背景、目的以及指標(biāo)選取的原則告訴專家,讓專家根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗填寫調(diào)查問卷。收集第一輪問卷并匯總統(tǒng)計,發(fā)放第二輪問卷,同時將第一輪調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果反饋給專家,供專家第二輪評判時參考。收回問卷,進(jìn)行統(tǒng)計。經(jīng)過專家兩輪打分篩選,最后確定了17個指標(biāo)(表1)。2.3評價生態(tài)因素層次結(jié)構(gòu)各評價指標(biāo)對煙草生態(tài)適宜性的影響作用是不同的,這就需要根據(jù)每個評價指標(biāo)影響作用的重要程度分別賦予不同的權(quán)重。本研究采用層次分析法(AHP)來確定各參評因素的權(quán)重,其步驟是:(1)建立層次結(jié)構(gòu)。按照各評價指標(biāo)之間的相互影響和作用,將評價指標(biāo)分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。本研究中煙草生態(tài)適宜性作為目標(biāo)層,準(zhǔn)則層只有一個層次,即影響煙草生長的3個生態(tài)因素:氣候、地形和土壤條件,選出的17個生態(tài)指標(biāo)作為指標(biāo)層。層次結(jié)構(gòu)見圖1。(2)構(gòu)造判斷矩陣。約請從事煙草栽培、土地評價等方面研究的專家和有實踐經(jīng)驗的技術(shù)人員,分別對每層中各評價因子兩兩比較其重要性,做出定量判斷。(3)層次單排序和一致性檢驗。根據(jù)判斷矩陣計算對上一層次某一元素而言,本層次與之聯(lián)系的元素的重要性次序的權(quán)重值(權(quán)向量),然后進(jìn)行一致性檢驗。為檢驗判斷矩陣的一致性,需要計算其一致性指標(biāo)CI和一致比CR。當(dāng)CR<0.10時,則稱判斷矩陣具有滿意的一致性;否則就需要調(diào)整判斷矩陣,使之具有滿意的一致性。經(jīng)過一致性檢驗,本研究各個層次單排序的CR值都<0.10,因此各判斷矩陣均具有滿意一致性。(4)層次總排序和一致性檢驗。得到每一個要素相對于上一層次對應(yīng)要素的權(quán)重值后,通過層次總排序計算出每一個評價指標(biāo)相對于總目標(biāo)的權(quán)重值。計算各層次所有元素對總目標(biāo)相對重要性的排序權(quán)值,層次排列總排序的結(jié)果見表2。經(jīng)過一致性檢驗,得出CI=0.05,RI=1.24,CR=CI/RI=0.04<0.10,層次排序的結(jié)果具有滿意的一致性。2.4土壤、耕層厚度對煙品品質(zhì)的影響烤煙是喜溫作物,從烤煙的品質(zhì)出發(fā),煙草植株對氣溫條件的要求是前期較低,后期較高,這樣有利于煙葉積累較多的同化物質(zhì)。煙草可生長的溫度范圍,地上部為8~38℃,大田生長期最適宜溫度為25~28℃。成熟期最適宜氣溫為20~25℃之間,至少要持續(xù)30d以上。河南省各煙區(qū)無霜期以大于150d為適宜,最少不能少于120d;生育期>10℃活動積溫以大于2800℃為適宜,最少不能少于2600℃;生育期日均溫>20℃持續(xù)日數(shù)以大于85d為適宜,最少不能少于70d。日光充足而不強烈是產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)煙葉的必要條件,光照過強會導(dǎo)致葉片厚而粗糙,油分不足,過強的持續(xù)光照會導(dǎo)致煙草背面表皮細(xì)胞枯死,影響煙葉質(zhì)量。煙草大田生長期日照時數(shù)以在600~800h為適宜,最高不能大于1000h,最低不能少于500h。河南省優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)區(qū)大田期降水量以500~600mm適當(dāng)分布為好。最低不能少于300mm,最高不能大于800mm。旺長期以前月降水量以80~100mm較為理想;旺長期月降水量100~200mm即可;成熟期月降水量為100mm左右較為理想。生育期相對濕度以65%~75%為適宜,不能低于50%或高于90%。地形地貌不僅對光、熱、水進(jìn)行再分配,而且還控制土壤類型的發(fā)生及其在空間上的分布規(guī)律,從而影響和決定著煙草的生長發(fā)育及煙葉質(zhì)量。從世界煙草生產(chǎn)情況看,優(yōu)質(zhì)煙均產(chǎn)自排水良好的山地丘陵地區(qū),如日本、美國種植丘陵地帶的煙葉質(zhì)量最優(yōu),津巴布韋烤煙則多種植在多山的高原。一般來說,丘陵山區(qū)自然坡度15°以下的耕地為宜煙耕地,平地次之,洼地最差。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙的土壤條件以山坡地、山麓和丘陵地的坡腳為好。海拔高度對煙葉香氣物質(zhì)含量有顯著影響,韓錦峰等研究認(rèn)為海拔高度的增加有利于清香類致香物質(zhì)的增加。此外,隨著海拔高度的增加,類胡蘿卜素總量、β-胡蘿卜素、葉黃素、紫黃質(zhì)和新黃質(zhì)的含量均呈明顯增加的趨勢,多酚總量、綠原酸和蕓香苷的含量也相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明,海拔高度在800m以內(nèi),煙葉總糖含量隨海拔升高而升高(?=21.64+0.006x);當(dāng)海拔高度大于800m以后,煙葉總糖含量又略有下降的趨勢。坡度較大的土壤的保水保肥性能差,難以滿足煙草正常生長發(fā)育的需要,加之國務(wù)院《退耕還林條例》中規(guī)定坡度大于25°的耕地要退耕還林,因此煙草適宜種植在坡度平緩的地區(qū)。植煙土壤以砂壤土為最好,其土體結(jié)構(gòu)多為疏松的大團粒結(jié)構(gòu),所產(chǎn)煙葉身份適中,葉片組織疏松,煙葉香氣量足,香氣質(zhì)好,煙氣吸味較為協(xié)調(diào)。砂土含砂粒較多,粒間孔隙較大,所產(chǎn)煙葉一般身份輕,油分差,煙氣吸味淡。黏土一般含有機質(zhì)較高,保水保肥力強。煙苗前期一般生長較慢,而在煙株生長中后期由于供氮能力較強,造成煙葉貪青晚熟,所產(chǎn)煙葉一般身份重,煙葉抽吸勁頭大、吸味辛辣。土壤耕層厚度對煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)也有顯著影響。土壤耕層過薄,煙株根系欠發(fā)達(dá),嚴(yán)重影響煙葉產(chǎn)量品質(zhì)的形成。一般來說,在一定范圍內(nèi),耕層厚度大有利于煙株的正常生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成。耕層厚度與根系生長關(guān)系非常密切,在一定程度上甚至超過了土壤質(zhì)地的影響。本煙區(qū)土壤耕層厚度以25cm的為最適宜,最少不能低于15cm。土壤pH對土壤的物理性質(zhì)、微生物活動、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、存在形態(tài)和有效性都有重大影響,是影響煙草的生長發(fā)育和煙葉產(chǎn)量、品質(zhì)的因素之一。烤煙品質(zhì)都是在一定的pH范圍內(nèi)最好,pH過高或過低都會對烤煙品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。世界各國推薦的烤煙生長最適pH范圍為5.50~7.00,本研究也采用這一指標(biāo)范圍。有機質(zhì)是土壤肥力的主要指標(biāo)。對烤煙而言,土壤有機質(zhì)含量過高,后期貪青晚熟,不容易正常落黃,甚至黑暴,烘烤后煙葉煙堿及蛋白質(zhì)含量過高,刺激性大,品質(zhì)低劣。對于本區(qū)域而言,土壤有機質(zhì)含量不能大于25g·kg-1;土壤有機質(zhì)含量過低,會導(dǎo)致所產(chǎn)煙葉油分不足,香氣質(zhì)和香氣量都受到不良影響。最適宜的土壤有機質(zhì)含量為14~18g·kg-1。在烤煙生育前期,只有供給充足的氮素才能保證煙株生長良好煙葉成熟期,氮素供應(yīng)則需降低到適當(dāng)水平,以保證煙株的代謝能適時由蛋白質(zhì)的旺盛合成轉(zhuǎn)化為糖類物質(zhì)的積累,這有利于形成優(yōu)質(zhì)煙葉。河南省煙區(qū)主要存在著土壤全氮量不足的問題。因此,土壤全氮量以>1.5g·kg-1為適宜,最低不得<0.8g·kg-1。磷素能夠促進(jìn)煙株生長發(fā)育,增強煙株抗旱抗寒能力。改善烤煙的顏色,增加香氣,煙葉中的含糖量往往與磷呈正相關(guān)。研究表明,在土壤速效磷為13~15mg·kg-1的條件下,施用磷肥能促進(jìn)煙株早發(fā),增加株高,提前成熟,葉面積增大,提高產(chǎn)量;土壤速效磷在10mg·kg-1以下的情況時,烤煙的產(chǎn)質(zhì)量都因施磷肥而有顯著提高。本煙區(qū)土壤中速效磷含量以>15mg·kg-1為適宜,最低不得<5mg·kg-1。同其它作物相比,烤煙的營養(yǎng)特點是對鉀的需求量大。鉀素能有效地提高煙葉的香氣質(zhì)和香氣量以及可燃率和陰燃持火力,降低煙葉燃燒時的溫度,減少煙氣中的有害物質(zhì)和焦油含量,提高煙葉制品吸食的安全性。國外優(yōu)質(zhì)煙含鉀量一般都大于2.5%。與優(yōu)質(zhì)產(chǎn)煙國相比,河南煙葉的鉀含量相對偏低。本煙區(qū)土壤中速效鉀含量若>150mg·kg-1,則賦值為1,最低不能<80mg·kg-1。煙草被視為忌氯作物,過量吸收Cl-1會嚴(yán)重影響煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量,煙葉中含氯量超過1%,便對煙葉燃燒性產(chǎn)生不良影響,含氯量超過1.5%,即產(chǎn)生不同程度的熄火現(xiàn)象。植煙田土壤含氯量不能超過45mg·kg-1,最適宜區(qū)的土壤含氯量必須在30mg·kg-1以下。但氯是烤煙生長的必需營養(yǎng)元素之一,對煙草的生長和產(chǎn)質(zhì)量也有不可低估的影響,缺乏該元素時,植株生長發(fā)育將會受到影響。河南省植煙區(qū)最主要的問題還是氯過量而影響煙草品質(zhì)。2.5隸屬函數(shù)的建立利用專家打分法(DELPHI法)根據(jù)一組分布均勻的實測值評估出對應(yīng)的一組隸屬度,通過繪制兩組數(shù)據(jù)的散點圖,依據(jù)散點圖進(jìn)行曲線模擬,尋求參評因子實際值與隸屬度之間的關(guān)系方程,從而建立隸屬度函數(shù)(表3)。通過對數(shù)據(jù)特征的統(tǒng)計分析,并征詢專家意見,確定評價因子的隸屬函數(shù)類型及其拐點,這是建立隸屬函數(shù)的依據(jù)。隸屬函數(shù)的類型主要有拋物線型、升梯形、降梯形和直線型4種,拋物線型隸屬函數(shù)主要用于對煙草生長的影響既有下限、又有上限的定量因子;升梯形隸屬函數(shù)主要用于對煙草的影響只有下限、沒有上限的定量因子,降梯形隸屬函數(shù)主要用于對煙草的影響只有上限、沒有下限的定量因子,直線型隸屬函數(shù)主要用于定性因子。通過以上隸屬函數(shù)公式,將每個樣本的原始統(tǒng)計資料代入各個隸屬函數(shù)公式,計算數(shù)學(xué)運算,把不規(guī)則分布的、有單位的、定量或定性描述的原始數(shù)值轉(zhuǎn)化為從0到1分布的、無量綱差異的隸屬度。2.6煙草生態(tài)適宜性評價結(jié)果綜合評分法通過使用隸屬函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)分值與層次分析法求出的各因子指標(biāo)權(quán)重值,利用如下模型對河南省煙草種植區(qū)生態(tài)適宜性進(jìn)行綜合評分。式中,IFI(integratedfertilityindex)是評價單元的生態(tài)適宜性綜合評分值,n為評價因子的總數(shù),Pj為第j個評價指標(biāo)的權(quán)重,Xij為評價單元在第j個評價指標(biāo)上的隸屬度。IFI取值范圍為0.10~1.00。其值越高,表明各生態(tài)因子對煙草生長和品質(zhì)的貢獻(xiàn)率也越高。對應(yīng)于每個評價單元的綜合評分值,通過編程計算后直接寫入圖斑對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表中,本研究區(qū)煙草種植綜合生態(tài)適宜性評價結(jié)果如圖2所示。根據(jù)計算得到的各評價單元的IFI值,可將河南省植煙區(qū)烤煙生態(tài)適宜性劃分為4個等級,IFI為0.79<IFI<1的為最適宜,0.57<IFI<0.79的為適宜,0.36<IFI<0.57的為次適宜,0.14<IFI<0.36的為不適宜。從圖2可以看出,河南省的西部和南部的大部分地區(qū)如三門峽市、洛陽市﹑平頂山市、許昌市﹑南陽市的西部和信陽市的南部為最適宜區(qū),這部分面積占研究區(qū)總面積的22.52%;南部、中部的一些地區(qū)如漯河市、周口市﹑駐馬店市及信陽市的北部一帶為適宜區(qū),這部分面積占研究區(qū)總面積的34.99%;北部和東部的大部分地區(qū)如鄭州市﹑安陽市﹑開封市﹑焦作市一帶為次適宜區(qū),其面積占研究區(qū)總面積的35.54%。3討論4評價方法的選擇和應(yīng)用穩(wěn)定性分析根據(jù)河南省植煙區(qū)烤煙生態(tài)適宜性的等級劃分,河南省的西部和南部的大部分地區(qū)為最適宜區(qū),其面積占研究區(qū)總面積的22.52%;南部、中部的一些地區(qū)為適宜區(qū),其面積占研究區(qū)總面積的34.99%;北部和東部的大部分地區(qū)為次適宜區(qū),其面積占