现代数学方法在福建省南亚热带农业气候资源评价中的应用.pdf

第1 O 卷第 2期 1 9 9 0 年 6月 热带地理 TROPI CAL GEOGRAPHY V0 1 1 0 N o 2 J un e 1 9 9 0 现代数学方法在福 建省 南亚 热带 农业气候资源评价中的应用 晏 路 明 福建师范大学地理系 撮要 本文尝试运用主成分分析 模糊集合论等现代数学方法 将气候条件与作 物生长有机地联系起来 确定出 8类农业气候 远宜度和 3类农业气候指数 对福建省南亚 热带农业气候资源作出客观的定量评价 关麓词 农业气候适宜 度农业气候指教主成分分析模糊集 合 论农 业 气 候 评 价 一 前 言 现代农业生产规 划首先要 求对农业气候 资源作 出定 量分析评 价 任何 事物缺乏数量 指标 其 内部规律性 也就 很难认识清楚 由于气候 资源是 多维因素的综合体 对其 定 量评价须经过从单 因素的小综合到 多维 因素的大 综合 这就决定 了单 因素评 价 无法得 出 以地 域为单位 的气候资源 的综合评 语 铡如 对一个 热量资 源丰富 水分资 源一般 光 照资源贫乏的地区 该如何给 出其气候资源的综合评语呢 常规的评价方法往往顾此失 锼 而且 人们评价事物的思维常具有不确定性 所谓 丰富 一般 贫乏 等无 一 不带模糊性 评 价对象越复杂 有 意义 的评 价精确 化能力便越低 这种精确性 与模 糊 性 的对立 是 当今科学 发展所 面 临的一个 突出矛盾 如 果说 在 过 去的农业气 候 资 源评价中 人们能够回避模糊性而运用传统数学 那 厶 在今天的科学发展中 匝 lJ 再也 无 法回避模 糊性 了 本文拟 用主 成分分析 模 糊集合论 等现代数学方 法 对福 建省南亚 热带农 业气候 资源作 出合理评 价 二 南亚 热带主要作物生长发育 的农业 气候适宜度 1 选择指标 经研究 典 型的南亚 热带可 生长 南亚 热带季雨 林和 部分耐寒热作 龙眼 荔枝 香 蕉 杨桃 菠萝 以及桃 李 梨等果树生长良好 产 量高 柑桔种类丰富 品质优 良 大叶种茶树适直 生长 甘蔗单产 总产和含糖量均很高 利用有利的地形小气候还可以 种植橡 胶 咖啡 胡椒 椰子 剑麻等典 型热作 全年 热量 条件充分满 足双三 熟制 维普资讯 热 带 地 理 1 0 卷 造水稻 一季旱作 的要求 并且早 晚稻均可采用 中 迟 熟品种 根据上述作物 的生 长情 况 以及本省主要 粮 食作物双季水稻和一季春作小 麦的分布 与长 势 经过 相关分析 我们选 择了涉及 热量 水分 光照三方面的 8个最有意义 的农 业 气候 指标 即 热量资源 最冷月均 温 极端低 温均值 1 0 积温 0 E 积温 水分资源 年降水量 3 6月降水 量 7 9月降水 量 光 照 资源 年甘照时数 其中 可大致 反映一地 热量资源的总体状 况 是 彩响喜 温作物生 长的基本温度指标 则为衡 量作物 越冬的温度指标 反映 本省 全年 以及锋 面雨期和 台风 雨期 两个 关键 时段 的降水状 况 反映光 照状 况 2 确 定农 业气候适宣度 上述 8个指 标对南亚 热带作物生长都显 示出一 定的适宜范围 为 了衡量适宜程度需 确定适宜度 并规定在 0 1 区闻上取值 即最不适宜的适宜度为 0 最 适 宜 的适 宜 度为 1 其余为连续 过渡状态 这样 不 同的农业 气候 因子对南亚 热带主要作物 的影 响 都可用统一 的单一 量化指标 农业气候 适宜 度来表示 计 算适宜度要根据 南亚 热带主 要作物 生长发育受 农业气候 因子影 响的变化模 式 确 定出隶属函数 而后代人 某地 的农 业气候指标数据产生隶属度 此种模糊集合论中的隶属度即南亚热带作物的农业气候适 宜度 在综台 相关分 析的基础 上 建立 了各 类农业气候指 标的戒下 型隶属函数 f 1 1 4 J 2 1 4 i 1 1 一 1 4 2 j l 1 0 4 6 7 3 2 1 4 一 1 6 o o 1 7 86 0 7 8 60 1 0 0 0 0 5 j 一般 0 5 0 2 j 贫乏 f 0 2 本文后 面将 引人的农业气候指数 也在 0 1 上 按此区 间作 出评价 三 农 业气候资源的综合评价 一 确定因素权重 A f 和指标权重 各指标蚵适宜度计算 体现了单因子评价 若要完成多因子 多因素的综合评价 首先得客观地确定各指标 各因素的权重 为此 我们引入主成分分析方法 1 主成分分析的基本原理 0 主成分分析 P C A 是一种多元数量分析方法 能将众多的具有错综复杂关系的指 标归结为少数几个综合指 标 主成分 每 个主成分都是 原来多个 指标的线性组合 通 过适当调整线性函数的系数 既可使各主成分相互独立 舍去重叠的信息 又能将各个 原始指标所包含的不十分明显的差异集 中地表现 出来 使研究对象在主成分上的差异反 映明显 便于做出较直观的分析判断 各主成分原有指标的载荷值和公因子方差值反映 它们对主成分所起作用的大小 能为确定各指标的权重提供客观依据 主成分分析的基 本思路见图 1 2 福建省农业气候资源的主成分分析 以全省 境内所有 7 1 个气象站点为 背景 样本 对 8个 原始指标进行农业 气候资源的主 成分分析 将 原始农 业气候 数据输人 电子计 算机 按主 成分 分析 计算 流程进行计 算 以特征值 f 1 作 为人选标准 由此选人 前两个主 成分 5 3 2 3 5 2 1 2 9 3 7 由 2 妻 0 8 2 7 2 可知 它f n 的累积方差贡献已代表了全部原始信息h 9 8 2 7 2 前两个 1 主 成分的 载荷 及公因子方差值见 表 1 表 I 前两个主成分载荷及公困子方差 Tab l Th e l o ad i n g a n d co I T t y r H J n f a ct o r d ev i at l n o f t he fir s t t wo p r J n ei p a l eo m p e q l en t s 原 始 指 标 L 2 5 第一 主成分载荷 工 0 9 3 0 9 6 4 3 0 9 2 6 O 8 8 0 7 7 6 8 0 7 9 8 6 一O叮9 2 0 7 6 4 1 第二 主成分戴荷 工 0 1 7 9 7 0 0 3 0 5 0 2 2 9 0 2 0 5 3 0 5 7 9 0 1 6 6 5 0 8 8 2 5 0 1 5 2 公 因 子方 差 工 L 毛 0 9 6 0 2 0 9 3 o 8 O 9 0 9 9 O 8 1 5 5 0 9 3 8 7 0 6 6 5 5 0 7 8 5 1 0 6 0 7 0 主成分载荷 工 是各特征值的方根与其对应特征向量的乘积 J 反映着所 Il曩罩 一 维普资讯 l 0 0 热 带 地 理 l O 卷 顺号 计算流程厦结果 计算要点说明 l 将原 始气候教据矩 阵 皿 各元素输 人计算机 矩 阵各元素按公 式j 一 2 进 行标 准化处理 3 相 关系教矩阵 是实对 称 列出其三角阵 印可 用 J a c o b i 法求 解特征方程 的特 征根和特征 向 4 量及贡蔫率 主 成分藏荷量 反映 了各主成分与原始 变量同的 5 相 关程度 计 算公式 工一 一 公因子方差反映 了各原始变量对所选 出的主 成 6 分所起作用 的大小 计算公式 碍 工 围 1 丰 戒 析 计 掉过 雕的 流 B Fi g 1 The f l o w di a gr a m f t h e c o m pu e aC i o n of pr i n c i pa l c o r r t p on c ne n n al y s i s t l 取主 成分 与各原始指标 闻的 相关关系 公 因子方差 珥 反映了各原始指 标对选 出 的 两 个 主成分所起的作 用 反映 了各 原始指标 的重要程 度 3 确定权重 将珥 值依 次按 热量 4因子 降水 3因子 光照 1因子 以及热量 水 分 光照三 因 素分g 4 进行 归一化 即可得到我们所需 的权重层 次结构 表 2 0 表 2评 价投 重结 构 Ta h 2 Th e s t l u ct u t e f t h e we i g ht f o r e va l u at i o n 三 娄综 台因素 热 量 水 分 光照 第 一层 次 因 素 投 重 0 5 4 7 A 0 3 韶 0 0 9 I 原 始 指 标 l l I l l 第 二 层 次 指 标 捉 重 d 2 6 s l m z 5 8 l 2 5 z I 篮 s z l z z 1 维普资讯 t 2期 晏路明 现代教学 方法在福建 省南亚热带 农业气候资源评价中的应用 1 0 1 二 农业气候指数 依据各指 标的农业 气候 适宜 度和权重层次结构 指数 1 单项资源指数 将农业气候 适宜度 与 第二 层次指标 权重 单项资 源指数 即 可 以掏造 出 3类有意义 的农业气候 4 加权合 成热量 水分 光 照三项 一圭 口 S 7 4 S 8 口 8 1 5 这三项 单项 资 源指数分 别表明一 地热量资源 水分资源和光 照资源 的优劣程度 为 这三 方面 单项 资源评价提供 了客 观依 据 2 总资源指数 将各 单项 资源指数 一 与第一层次因素权重 Ai 加权合成 可得 出总资源指数 即 Cr S 一 A A 2 光 3 总资 源指数 C 表明一地 潜在的总的农业气候 资源 的优劣程度 C 值 越大 农业气 候潜力愈大 农业气候资 源愈丰富 3 效能指 数 C A A 效 能指数 c 从 有利于作物 生长 的角度 反映 了热 水 光三方 面的配合 程度 c 值 愈大 这三方面 配合 愈佳 愈有 利于作物生长 4 利用系数 K C C 利 用系数 反映了农业 气候 资源在天然条件下为大 多数作物 生长所 利用 的 实 际 效 率 值愈大 利用率愈高 四 福建省 南亚热带农业气候资源分析 福建省境 内的南亚 热带范围见图 2 将此范 围内各站 点的原始指标 输人上述数学 模型 根据模 型输出结果可对该范围内 的农业气候资源进行各种综合分析 表 3绐 出其 中l 3 个站点 的输出结果 它们代表 了该范 围内从北到南 从岛屿 滨海平 原到 内陆丘陵 的各种 南亚 热带 地域状 况 圈 3反映 出各站 点各 类农业气候 指数的变化对 比形势 表 3和 图 3都 表明 热量资源大体从 北向南逐 渐增加 全 部处于较丰富和丰富这两 个等级上 其微小波动反映了纬度和高度造成农业热量资源对作物生长影响的相互消长 水分 资源差异 比较大 处 于贫乏 一般 较丰富这三个等 级之上 岛屿 滨海平原降水 不如 内 陆丘陵地丰富 如进一 步对各站 点的 这三个降水单指 标适宜 度进行 最小合 成运算 还可分析 出针 对本省 两个 雨期 的春旱 夏旱形势差异 光 照资源处于一般 较丰富 丰富三个等 级上 其 形 势与 降水形 势呈峰 谷对峙 的负相 关 态势 但其中平潭的降水 光照都出现低值 这可能 反映出海岛局地成雾条件对光照的 维普资讯 1 0 2 热 带 地 理 1 O 啬 图 2 福 建 省 南亚 热带 地 域形 势 F i g 2 Th e r a n g e s i t u a t i o n o f t h e s o u t h s u b t r o p i c b e l t i n F u j i a n p r o v i n c e 萋 福 福 皿 永I 安I 华 泉 日 章 厦 东 诏 州 j青 潭 春J 溪J 安 州 江 州 门 t 山 安 图 3 各 类农 业 气候 指教 对 比图解 Fi g 3 Th e d i a g r a m of c o m p ar i s on a mng v ar i ou s a S r o cl i m at i c i n c l i s t 维普资讯 客 套 垂 耆 喜 垂 虫 掣 虫 童 1 l l l 葛 导 器 蓦 譬 帮 昌 昌 器 酵 6 g g 晕 垂 虫 垂 虫 喜 荆 并 舯 l l l l l l 葛 器 葛 高 葛 昌 露 暑 喜 蛙 g g 垂 龃 咂 捆 粗 枉 妊 恤 枉 姐 悃 疆 舯 斗 廿 廿 卜 廿 许 廿 廿 卜 斗 廿 卜 l 1 许 群 斗 嚣 2 兽 昌 兽 霉 兽 8 拳 昌 磊 g 黯 毫l 垂 垂 擒 警 忸 枉 姻 粗 枉 瞳 柚 舯 忡 卅 斑 1 l l 1 群 1 廿 舟 卜 廿 廿 廿 卜 蘸 葛 器 器 舄 景 器 S 一 g 妇 毫 垂 怄 辄 粗 粗 姐 冲 1 l l 耋 蕊 甚 1 1 苎 l 廿 箍 l 蛭 采 嚣 譬 封 昌 譬 葛 昌 高 露 暑 嵩 趟 器 器 罄 霉 昌 器 罱 d 采 蝴 昌 哥 错 葛 2 盘 塘 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 靼 器 昌 苫 罱 篙 器 昌 暑 斛 H 0 也 毫 姐 捆 粗 枉 忸 粗 捐 枉 棚 捆 粗 枉 捆 竹廿 廿 舟 廿 群 廿 群 卜 0 廿 廿 卜 斗 廿 廿 删 嚣 g 毫 等 昌 葛 蓦 昂 氍 豢 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 妊 国 露 曷 霞 謦 蓦 菩 昌 譬 昌 g g 埘 鐾 盘 葛 昌 兽 蓦 翟 雾 熠 0 0 0 0 0 0 0 0 H 0 塘 罨 葛 岳 霉 篙 靼 g 一 舡 盎 昌 馨 兽 譬 露 嚣 器 嚣 兽 蓦 誉 g g g 襄 辫 蕊 毛 C 枉 j 婚 棼 l腰 甘 J 船 斗 碟 目 口 蹙 I K 媸 晤 0 苗 0 苎 0 羔 li EI l g 岛 日兰 0 g 1 三日 毒 l 晏 芒 睾 嗵 聪端 爿 榴 n 维普资讯 1 0 4 熟 带 地 理 l 0 卷 影 响 总资 源指 数 c 值 处于一般 较丰富和丰 富这三个等级上 反映了热 水 光资源 的综合相 互消长情 况 有 两个分异方向 总体 上有 从北向南逐渐增加的趋 势 显 然这是 由热量资源指数 s 的变动所反映出的一个主要趋势 但其中出现不少渡动 这种渡动 与水分 资源指教 的波动相 似 但幅 度要小些 这表明在 波动上迭加 了光 照资源 指教 波动 的反向影响之后 其 振幅减小 而后对 变动所施加 的干扰 反映 出从 沿海到 内陆的 变化 由 此看 来 经向 纬向是该范围 内农业气候资 源区域分 异的两个 主 要方向 总体 看来该范 围内的农业气候资 源是 比较丰富的 福州 平潭两地 虽属一般 但其 c 值 已接 近O 5 有不少地 点的 c 值 已接近0 8 而云霄 诏安 两地 的 C 值表 明 其 总的农 业气候 资源 已属 于丰富这 一等级 效 能指 数 c 值与利 用系数 值 的变化趋 势比较一 致 从中可 以揭示出不 少农业 气 候 资源内部组合 的差异 这在 以往 的评价工作 中往 往容易被忽视 例如 云 霄的 c 值 c 值和 值 均很接近 都处于最高一个等级 反映出该地优越的农业气候条件 热 木 光 资源不仅丰富 而 且相 互目 a 合 好 诏安 的 c 值 为0 8 表明其总体农 业气候资源 已达到 丰富 这一等级 但 由于 其水 分资源一般 值低 造成 c 值 值偏 低 表 明 其农业气候资源内部的组台和资源的利用率均不如云霄 永春的 c 值为0 7 已属较丰 富等级 但其 c 值只有0 2 8 K 值只有0 4 表明其 农业气候 诸 因素配合程 度 和 资 源 利用效 率仅属一般 究其原 因 是光 照不 足成为较 丰富的热量 水分资源充分发挥的 限 制因素 在农业生产安排上应采取相应措施 尤其应注意光照资源偏低可能对一季春作 冬小 麦的影响 东山的热量资源指 数 和光 照资 源指 教 均属丰富这个最 高等级 但 由于水分资源贫乏 值仅0 1 9 造成其总资源指教 c 值退属较丰富这一等级 而其 c 值 值表明该地农业气候诸因素的配台程度差 农业气候资源的利用率仅属一般 其它岛屿或滨海平原站 点也反映出这种水分不足对热 光资源充分发挥的限制 形成我 省沿海重旱区 在农业生产上 需依赖灌溉工程供水 无灌溉条件的耕地只宜旱作 其 他作物 布局也受 灌溉 条件 的制约 五 结 语 模糊集合论的隶属函数所确定的农业气候连宜度 将农业气候条件与作物生长有机 地联系起来 隶属函数在 0 1 上的分布形孰以及在各个关键点上所具备的明确 的植物 生长 指示 意义或指 标空间分 异 意义 使得 各个 内涵模 糊的评语区 间变得 外延 明确 具有 深刻的农业生产 指导 意义 r 主成分分析有严格的教学基础 这一现代教学分析手段为确定各指标 各因素的权 重提供 了科学 依据 模 型通过各种农 业气候 适宜 度 农业气候指数 分层次给 出了各 类农业气候评语 较 为合理 地模 拟了人脑评价事物 的思 维过 程 但又客观地反映 出各类评语 间的层 次和 比例 关系 揭示 了各个农 业气候 因素的配合程 度和总体农业气候资源的利用效率 本文 的上述特点 使对福建省南亚 热带农业气候资源的评价走向客观化 模糊定量 维普资讯 2 期 晏路明 现代数学方i 击在福建省 南亚热带 农业气候责源评价中的直用 l 0 5 化 应 当指出 不 同作 物 及不 同生长期要 求的农业气候条件不尽一 致 本文 给 出的是福 建省南亚热带范围内大 多数作物的隶属函数 仅适用于较大尺度区域的农业气候 资源评 价 在县 级 以下 区域的农 业规划 中 建立各种作物 及其不 同生长期 的适宜态谱 系是必要 的 这将能为农 业规划和布 局的决策提供 更为详尽 的科学依 据 参考文献 1 景 开和 综合 自然 地理 学 东北师 范大 学出版社 1 9 8 6 2 汪培庄 模 糊集合 论及 其应用 上海科 学技术出版社 1 9 8 3 3 杨秉赓 等 吉林省 河流 的主 成分分析 地理科学 6 3 1 9 8 6 P2 6 2 2 6 3 4 晏路明 福 建省境内 中 南亚热带之间 界线 的数值划分 地理 科学 8 2 1 9 8 8 P1 8 5 1 8 7 THE APPLI CATI ON OF MODERN M ATHEM ATI CAL M ETHOD I N EVALUATI ON THE AGROCLI M ATI C RES OURCE S OF THE