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《西南大学》 2009年
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基于GIS和计算智能的烤烟生态适宜性评价

汪璇  
【摘要】: 产地对作物品质的形成和影响具有非常重要的作用。依据良种的生物学性状,选择最适宜的地区进行区域化栽培是现代化农业的重要特征。作物生态适宜性评价是认识和掌握一定地域内作物生长发育对各生态因子的需求与该地域实际可提供的生态条件相互吻合程度,从而因地制宜地开发利用区域生态资源、优化种植总体布局的最有效方式。目前的作物生态适宜性评价研究主要集中在指标体系和评价方法等方面。指标体系的选择和构建大多源自影响作物生长的光、温、水和土壤基本理化性状,而作物品质和产量是立地条件特别是土壤地球化学背景和气候综合作用的结果。评价方法则大多是从线性角度建立作物品质与环境因子之间的定量关系,较难反映出生态条件对作物品质的复杂影响。现有较成功的作物生态适宜性评价也主要局限在一些试验点上,而在区域层面,较多的存在着“以点代面”或者在不同地形地貌区域方法泛化的现象。随着人为措施日益标准化,可以认为,作物的品质在一个足够小的地理栅格单元范围内是相似的;同一品种作物的品质在相似的环境要素组合下是相似的,环境因子组合越相似,作物的品质也越相似。因此本研究以50m栅格为基本单位,以重庆烤烟区烟叶品质和烟区生态环境为研究对象,引入在处理复杂非线性系统方面具有较大优势的计算智能技术,综合运用空间分析、数理统计等方法,从区域层面系统研究地理条件复杂的重庆烤烟区气候、54种土壤地球化学元素(指标)、地形地貌等空间分布特征及其对烟叶品质的影响,在GIS平台下对烤烟区气候适宜性、土壤地球化学适宜性、地形地貌适宜性和烤烟生态综合适宜性进行细网格定量评价,并通过烟叶等级指标和综合品质评分对评价结果进行验证,在此基础上提出重庆烤烟种植适宜性区划。主要结果如下: 1、重庆烤烟烟叶品质特征及综合评价 (1)重庆烤烟烟叶品质特征分析。以重庆13个烤烟区县2004~2007年270件定点监测的烟叶样品为材料,分析重庆烤烟烟叶化学成分的总体特征,发现重庆烤烟总糖、还原糖、钾含量较高,氯含量低,碱、氮含量均在适值范围内。在表征烤烟化学成分协调度指标方面,糖氮比、糖碱比、钾氯比偏高,氮碱比偏低。烟叶总体具有燃烧性好,气味清香的特点,但酸碱关系一般。 (2)烤烟烟叶品质综合评价体系的构建。以烟叶化学成分作为评价烟叶品质的主要标准,采用不基于先验知识的粗糙集属性约简算法,筛选出影响烤烟烟叶品质的主要指标:还原糖、总植物性碱、氯、钾、氮、钾氯比、糖碱比和氮碱比。在此基础上以国内外公认的优质烟叶最适宜范围为满分,高或低于该最适宜范围依次降低分值,构建烤烟烟叶化学成分综合评价体系。 (3)重庆烤烟烟叶品质综合评价。采用熵权法对重庆不同烤烟区县270件烟叶样品进行综合评价,并根据综合评价结果利用层次聚类法将重庆烤烟品质分为4个类别。不同级别烤烟化学成分的统计结果表明:Ⅰ类烟叶具有总糖、还原糖、总植物性碱、总氮、钾含量充分、适宜,氯含量低,可燃烧性好的特点;烟叶化学成分中钾氯比、糖碱比、氮碱比均在优质烟叶最适范围内,具有良好的协调性。Ⅱ类烟叶具有总糖、还原糖、总植物性碱、总氮含量充分、适宜,氯含量低,可燃烧性好的特点;化学成分中糖氮比、钾氯比、氮碱比均在优质烟叶最适范围内,具有良好的协调性;但该类烟叶糖碱比偏高,钾含量偏低,酸碱平衡关系一般。Ⅲ类烟叶具有总植物性碱、总氮含量充分、适宜,可燃烧性好的特点;烟叶化学成分中糖氮比、钾氯比均在优质烟叶最适范围内,具有良好的协调性;但该类烟叶总糖、还原糖、钾含量偏低;糖碱比、氮碱比偏高,酸碱平衡关系较差。Ⅳ类烟叶具有总植物性碱、总氮含量充分、适宜,可燃烧性好的特点;钾氯比、氮碱比也均在优质烟叶最适范围内;但烟叶钾、氯含量低;糖氮比、糖碱比均偏高,酸碱平衡关系差。从不同区县烟叶样品的统计来看,渝东南黔江、武隆、酉阳、彭水样品中Ⅰ类最多;南川、巫山、巫溪、奉节、涪陵次之;而綦江、秀山样品中Ⅰ类较少,其中綦江所采集的3件样品化学成分综合评价均为Ⅳ类,烟叶品质总体较差。 2、气候要素对烟叶品质的影响 针对重庆烤烟区地形地貌复杂,立体气候明显,小气候类型多样的特点,将经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向和地形遮蔽度等地形因子引入到烟区气候空间模拟中,在GIS平台下采用基于DEM的小网格法和多因子日照模拟法分别对烟叶大田期的光、温、水分布进行区域化模拟,研究和分析了烤烟生长季内气候资源的地理分布及其规律;深入分析区域气候条件与烟叶品质的关系,并在此基础上采用模糊数学和层次分析相结合的方法对重庆烤烟种植气候适宜性进行了细网格定量评价:(1)在大田生长期内,烤烟区均温的空间分布比较一致,呈现出中部偏北地区较高,向东南和东北地区逐渐降低,中部的石柱和东北巫溪部分区域热量最低的趋势;降水量总体十分丰富,但在不同生长期内时空分布差异较大;日照时数在435.9771h~912.596h之间,且不同地貌条件下的日照差异比较明显,在巫山、巫溪、奉节等海拔较高地区可以获得较长的日照,而在彭水、酉阳、黔江等地势相对较低的地方获得的日照时数则相对较短。(2)统计分析重庆大田期不同时间段及整个大田期热、水、光条件对烟叶化学成分及协调度影响,表明烤烟大田期气候条件与烟叶化学成分、协调度有着密切的关系。在热、水、光总量基本满足烤烟经济种植要求的前提下,重庆烤烟区热、水、光在大田期的时段分布和匹配比其大田期总量对烟叶化学成分和协调度的影响显著。平均气温对烟叶总糖、还原糖和糖碱比的影响显著,对总植物性碱、氮及其它化学成分和协调度的影响不显著;降水量和日照时数对烟叶中绝大部分化学成分含量的影响均达显著水平。(3)影响重庆烤烟生长的主要气候指标为还苗伸根期均温、旺长期均温、成熟期均温、还苗伸根期降水量、旺长期降水量、成熟期降水量、成熟期日照时数和大田期日照时数。(4)重庆市烤烟种植气候高度适宜区主要集中在渝东南,尤其是黔江、酉阳、秀山、武隆、涪陵的大部分区域;石柱、丰都、南川、綦江一些区域的适宜度有所下降;渝东北烤烟区适宜度则总体相对偏低,其中部分地区适宜度值不足0.3,已不适宜烟叶的生长。 3、土壤地球化学背景对烟叶品质的影响 土壤地球化学元素在母岩-土壤-植物系统中迁移对农产品内在品质具有特殊影响,将土壤地球化学背景引入到作物生态适宜性评价中,充分考虑到烤烟区地形地貌复杂的特性以及土壤类型差异对于土壤元素(指标)含量的影响,集成回归克里格法和普通克里格法在GIS平台下对烤烟区土壤地球化学元素(指标)分布进行了区域化模拟,系统分析了区域土壤植物营养元素特征,探寻地球化学元素(指标)对烟叶品质的影响,进而对重庆烤烟区土壤地球化学适宜性进行了细网格评价,取得的结果如下: (1)研究区土壤养分分布具有富磷、富钾和氮适中的特点。除奉节北部、丰都、涪陵以东和綦江地区氮含量相对缺乏外,其它地区均处在适度和富足级。磷含量呈渝东南大于渝东北的趋势,总体含量均较富足。除酉阳以东,巫溪部分地区钾含量适中外,其它地区都呈较富足或很富足状。总体来看,烤烟区大量营养元素分布比较均匀。 (2)烤烟区土壤Ca和Mg含量在区域分布上表现出一定的相似性,其整体呈现出渝东北高于渝东南的趋势,Ca的高值区主要集中在渝东北奉节东部,而Mg主要集中在渝东北巫溪地区,此外在渝东南綦江、南川也有部分高值。土壤S则呈现出明显的渝东南高于渝东北的趋势,其中渝东南武隆、彭水、黔江含量最高。 (3)烤烟区土壤微量营养元素Mn、Cu、Zn、Mo、B、Cl在空间分布上表现出较强的相似性,其整体表现出渝东南大于渝东北的趋势,总体上高值区域具有较为明显的斑块状分布特点,主要分布在东南武隆、彭水、黔江、酉阳一带;Fe的空间分布情况则不太规则,总的趋势并没有表现出带状的分布格局,东北部巫山,东南部彭水、武隆、南川部分地区具有高值,但总体含量与其它地区差异并不明显。 (4)烤烟区54.83%的地区土壤有机质含量在1.5~3%之间,且主要分布在石柱、南川、涪陵以东,丰都南部以及除秀山外渝东南大部分地区;有机质含量<1.5%的面积为18413.01km~2,占整个烤烟区面积的45.16%;只有零星的地区土壤有机质含量超过3%,烤烟区土壤有机质含量比较丰富。 (5)整个烤烟区土壤总体呈弱酸性至中性,绝大部分土壤pH都能满足烟叶生长的要求。从空间分布来看,渝东南主要烤烟区武隆、丰都、石柱和南川的个别地区土壤出现较为明显的酸化特征;不同土壤类型植物营养元素含量丰、缺依次是:黄棕壤、黄壤、石灰土、紫色土、水稻土。 (6)影响烤烟区烟叶化学成分及协调度的土壤地球化学元素(指标)有:土壤pH值、土壤有机质、N、P、K、Cl、Ca、Mn、Cu、Mg、Fe、B、Zn、REE。 (7)重庆市烤烟种植土壤地球化学高度适宜区主要集中在渝东南武隆、彭水、黔江、酉阳、南川以南地区;渝东北巫山、奉节以北地区适宜度逐渐下降;丰都、涪陵以西、奉节西部以及綦江大部分区域土壤地球化学的适宜度都较低。 4、地形地貌对烟叶品质的影响 采用曲线估计法研究和分析了研究区地形地貌对烟叶品质的影响,进而结合模糊数学和层次分析法对烤烟区地形地貌适宜性进行了细网格定量评价:重庆烤烟区地势起伏大,层状地貌明显,主要包括中山、低山、高丘陵、中丘陵、低丘陵、缓丘陵、台地和平坝等8大类。海拔高程分布特征为,大部分地区位于海拔1200m以内,其中海拔400m以下地区占总面积的10%;海拔400m~800m和800m~1200m区域分别占总面积的37.60%和30.57%;海拔1200m以上区域占总面积的21.83%;且总体呈现出渝东北普遍高于渝东南的趋势。从坡度组成来看,烤烟区适宜农业耕作的平地与缓坡地(坡度<15°)的面积占全区土地总面积的37.08%;可以部分用于农业生产的中坡地(15~25°)面积占土地总面积的31.85%;而不适宜农业生产的陡坡地(>25°)面积为12885.66km~2,占土地总面积的31.07%,其中有10.70%的土地坡度在35°以上,主要分布在巫溪以北的中低山区。烤烟区海拔高程和坡度对烟叶化学成分均有影响,以海拔900m~1200m范围内,<10°地区种植的烤烟品质较为优良。烤烟区地形地貌适宜度最高的地区主要集中在渝东南尤其是酉阳中部、黔江东部、石柱中部、涪陵和南川西部等地区;秀山、酉阳东部、綦江地区适宜度逐渐下降;渝东北烤烟区适宜度总体相对偏低,巫溪部分地区适宜度值甚至不足0.1,已完全不适宜烟叶的种植。 5、基于计算智能的烤烟生态适宜性综合评价及烟叶种植区划 (1)烤烟生态适宜性综合评价指标体系的构建。从可持续发展理论出发,以大生态系统观为指导,综合考虑气候、土壤地球化学因素和地形对烟草生长的影响,构建了重庆烤烟生态适宜性综合评价指标体系,整个指标体系由目标层、准则层、指标层三大部分构成,涵盖了影响重庆烟叶生长最重要的20个生态因子:还苗伸根期均温、成熟期均温、旺长期降水、成熟期日照、大田期日照、海拔、坡度、土壤有机质、土壤pH值、N元素、P元素、K元素、Cl元素、Ca元素、B元素、Ree稀土元素、Zn元素、Mn元素、Fe元素、Mg元素。 (2)针对烟叶种植生态适宜性综合评价具有典型非线性动力学特征以及各评价指标之间的模糊性和渐变性,将模糊逻辑、人工神经网络和智能优化技术相结合构建了烟叶种植生态适宜性智能评价模型。模型将专家知识定量化,充分利用神经网络良好的非线性映射能力,通过对已有样本的学习来探寻烟叶种植生态适宜性级别与生态指标之间的内在规律,在GIS平台下完成了重庆烤烟生态适宜性综合评价并对结果进行了检验,符合率为82%,整个烤烟区生态适宜性综合评价结果良好。 (3)重庆市烤烟区生态适宜性综合评价结果说明,最适宜级别5379.41km~2,占整个烤烟区面积的13.15%,主要分布在石柱、丰都以东、武隆、彭水西北,黔江、酉阳中部等地区,南川、綦江、秀山和奉节等也有零星分布;适宜级别13022.89km~2,占整个烤烟区面积的32.20%,主要分布在涪陵南部,南川、奉节北部,秀山东部地区,酉阳、彭水、黔江、巫山和巫溪也有零星分布;次适宜级10529.01km~2,占整个烤烟区面积的22.62%,主要分布在酉阳以东,秀山北部,彭水中部,綦江南部等地区,奉节南部和巫山的部分地区也有零星分布,占整个烤烟区面积的26.03%;不适宜级别9148.48km~2,,主要分布在丰都以西、南川东南、綦江北部,奉节、巫山南部,巫溪西北,此外渝东南石柱、武隆等个别地区也有零星分布;另有2430.15km~2的土地为居民点、滩涂等,属于烤烟种植的屏蔽区域。 (4)整个重庆烤烟区可以划分为渝东南重点发展区、渝东北重点发展区、渝东南稳定发展区、渝东北稳定发展区、渝东南限制种植区和渝东北限制种植区共6种类型。其中重点发展区包括黔江、酉阳、彭水、武隆、石柱、南川大部分地区以及丰都东部、涪陵、綦江和秀山个别地区和奉节北部、中部,巫溪南部和巫山的部分地区;稳定发展区包括秀山大部、酉阳东部、涪陵中西部和黔江、彭水、綦江、南川、武隆的零星地区以及巫山中部、巫溪、奉节的少部分地区,烤烟生产可在区域内规模化种植或者土地通过技术措施加以改良,作为烟草种植的扩大发展预留地;限制发展区包括丰都、涪陵以西,武隆北部,石柱西部和秀山、彭水、南川东南、綦江的个别地区以及奉节、巫山南部,巫溪西北,巫山东北部分地区,这些区域土地不适宜于烟草种植,应严格限制其烟草种植面积。 综上所述,本文利用54种土壤地球化学元素(指标),结合气候、地形要素从区域层面系统研究重庆烤烟区生态环境对烟叶品质的影响,明确了影响和制约重庆烤烟烟叶品质的生态指标,并针对生态环境对作物品质非线性、非确定复杂影响的特点,集成不同计算智能技术,在GIS平台下对重庆烤烟种植进行了生态适宜性评价,不仅进一步丰富和完善了生态适宜性评价的体系和方法,也为有效利用区域生态资源,合理开展烟草布局提供了最基本的依据。本次研究主要集中于对农产品品质有主导影响的生态环境方面,但社会经济因素对作物品质仍有较为重要的作用,未来应进一步量化其对作物种植适宜度的影响,并与生态适宜性评价相结合,从而更好地应用到种植实践中。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:S572

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1 何刘;王华;;基于层次分析法的地震次生地质灾害评价[J];铁道建筑;2013年01期
2 王连喜;尹远渊;朱勇;余凌翔;李琪;;云南省烤烟品质与气象条件的关系及综合评价研究[J];中国农学通报;2012年10期
3 张超;陆魁东;黄晚华;张国君;;基于气候差异性的湖南烟叶品质气候分型研究[J];中国农学通报;2013年01期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 杜娟;单体滑坡灾害风险评价研究[D];中国地质大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 陈亚丽;西南某铁路次生地质灾害危险性评价预测研究[D];西南交通大学;2012年
2 冒静;乌鲁木齐城市人居环境与经济协调发展演进分析及其对策[D];新疆大学;2012年
3 陈习羽;宣威烤烟品质特征及品质间相互关系[D];湖南农业大学;2012年
4 徐兴伦;基于模糊神经网络的公路边坡稳定性评价[D];重庆大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 张吉民;我国花生产业现状与入世后发展对策[J];山东农业科学;2002年05期
3 贾贤生,潘震,王德好;灰色关联分析在晚粳品种比较试验中的应用[J];安徽农业科学;2004年02期
4 杨晓红,包立生,郑伟年;应用灰色关联度综合评价抗虫杂交棉新品种[J];安徽农业科学;2004年04期
5 谭仲夏;秦西云;;灰色关联分析方法在烟草内在质量评价上的应用[J];安徽农业科学;2006年05期
6 李琦;烤烟优劣质年的气象条件分析[J];安徽农业科学;1997年02期
7 贾宏俊,顾也萍;安徽省含山县水稻土资源质量评价[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2000年02期
8 王子迎,吴芳芳,檀根甲;生态位理论及其在植物病害研究中的应用前景(综述)[J];安徽农业大学学报;2000年03期
9 何琴,高建华,刘伟;广义回归神经网络在烤烟内在质量分析中的应用[J];安徽农业大学学报;2005年03期
10 钱时祥,陈学平,郭家明;聚类分析在烟草种植区划上的应用[J];安徽农业大学学报;1994年01期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
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2 李文璧;宋利民;陈刚;周利;王允白;刘新民;申国明;;区位商计算系数在烟叶质量评价和品质区划中的应用研究[A];中国烟草学会2004年学术年会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 刘刚;支持精细农业实践的农田空间分布信息处理的方法与试验研究[D];中国农业大学;2001年
2 张淑娟;基于GPS和GIS的精细农业田间信息采集和处理方法的研究[D];浙江大学;2003年
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
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2 张喆;烟叶主要化学成分与等级品质关系的研究[D];中国农业大学;2005年
3 赵胜亭;基于GIS的山区气候因子空间模拟及苹果适宜性评价研究[D];山东农业大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 申勇;苟剑渝;杨友成;王茂贤;王林;;天缘活菌母露的施用对烤烟产质量的影响[J];中国烟草科学;2010年06期
2 占义清,郑福英;沼肥在烤烟生产中的应用效果[J];可再生能源;2005年04期
3 尹文有;谢敬明;;红河州中低海拔日照时数对烟叶品质的影响[J];气象;2006年05期
4 宫长荣;刘霞;宋朝鹏;黄永成;;影响烤烟上部叶质量的因素及提高其可用性的措施[J];中国农学通报;2007年03期
5 谢敬明;尹文有;;浅析红河州中低海拔日照时数对烟叶品质的影响[J];贵州气象;2006年01期
6 陈玉仓;王芳泽;陆李鸿;;烤烟丰产沟模式化栽培抗旱技术研究[J];中国烟草科学;2006年04期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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5 陈士林;索风梅;韩建萍;谢彩香;姚辉;李西文;李滢;;中国药材产地适宜性分析研究[A];中国中药协会中药材种植养殖专业委员会成立大会暨2006中药可持续发展论坛论文集[C];2006年
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9 曹仕明;李进平;周英惠;许树银;王学龙;高远峰;汪明;郭力;范敬修;;环神农架地区烤烟施肥问题的探讨[A];湖北省烟草学会2007年学术年会论文集[C];2007年
10 唐斌;;试析烤烟生产的持续稳定发展[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(下册)[C];2002年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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10 唐普英;计算智能及其在多用户检测中的应用研究[D];电子科技大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 夏伦欣;甘肃省正宁县烤烟生产现状及发展对策[D];湖南农业大学;2010年
4 刘千山;华坪县烤烟生产可持续发展研究[D];湖南农业大学;2010年
5 李华锋;郴州烤烟可持续发展的障碍因素及对策研究[D];湖南农业大学;2010年
6 李喆;种植模式对烟田微生物群落生态特征及烟叶品质的影响[D];东北林业大学;2010年
7 郑文发;基于GIS的城镇居住用地生态适宜性评价研究[D];华东师范大学;2010年
8 黄国强;稻草还田对烤烟产质及土壤理化性状的影响[D];湖南农业大学;2006年
9 熊建云;宁化县烤烟生产的障碍因素及可持续发展的策略研究[D];福建农林大学;2010年
10 胡业翠;基于适宜性评价的山东省土地资源空间分析及其优化配置研究[D];山东农业大学;2003年
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