基于GIS的湖北省楊樹良種基地空間布局研究

胡 超，于 靜，王瑞文

(1.湖北省林業(yè)廳林木種苗管理總站，武漢 430079；2.棕櫚園林股份有限公司風(fēng)景園林研究院，上海 200443；3.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢 430075)

在湖北省范圍內(nèi)，對楊樹良種基地進行合理規(guī)劃布局是保障楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需良種的基礎(chǔ)。根據(jù)林業(yè)發(fā)展和我省造林綠化對楊樹良種的需求，立足當(dāng)前，放眼長遠，科學(xué)定位，以科技為支撐，以楊樹良種基地為核心，明確重點，逐步建設(shè)一批布局合理，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，高效特色的楊樹良種基地，形成一個以國家級楊樹良種基地為龍頭，省級楊樹良種基地為骨干，市、縣級楊樹良種基地網(wǎng)點式布局做支撐的全省楊樹良種繁育體系，加強楊樹良種繁育與推廣，為造林綠化提供數(shù)量足夠、質(zhì)量優(yōu)良、品種多樣的楊樹良種壯苗，逐步實現(xiàn)我省楊樹供種基地化，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，造林良種化的發(fā)展目標(biāo)[1]。

遙感技術(shù)、層次分析法和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在規(guī)劃布局中不斷發(fā)展和深入。在農(nóng)業(yè)中，運用描述性統(tǒng)計、GIS、空間統(tǒng)計等方法，詳細(xì)地分析了糧食、小麥、稻谷和玉米生產(chǎn)布局歷史變遷與空間集聚狀況[2]；開展了基于GIS技術(shù)的基本農(nóng)田的確定與空間布局研究[3]。在土地利用規(guī)劃中，運用基于GIS技術(shù)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的縣級土地利用總體規(guī)劃修編的技術(shù)和方法[4]。在商業(yè)中，開展了基于GIS的大型百貨零售商業(yè)設(shè)施布局分析研究[5]。在工業(yè)中，運用基于GIS分析影響中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的條件，設(shè)計出未來鋼鐵產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化方案[6]。在園林中，開展了基于GIS的城市公園綠地布局優(yōu)化研究[7]；開展了基于GIS的常州市綠地系統(tǒng)規(guī)劃布局的研究[8]。

在林業(yè)生態(tài)方向，借助GIS的加權(quán)疊加分析模塊分析了遼河三角洲主要鳥類各代表種主要現(xiàn)狀生境分布狀況[9]；對鶴壁市淇河生態(tài)區(qū)內(nèi)的土地資源進行了建設(shè)用地適宜性評價和生態(tài)敏感性評價[10]。在林業(yè)種苗行業(yè)中，張濤等[11]對河北省林木良種基地建設(shè)規(guī)劃布局與對策措施進行了探討，但是，憑借個人的直觀感受不能合理公平的布局楊樹良種基地，為了使規(guī)劃更加客觀、更加科學(xué)、更加合理，從而引入遙感技術(shù)、層次分析法和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對傳統(tǒng)湖北省楊樹良種基地規(guī)劃布局方法進行了新的嘗試，結(jié)果顯示石首市、潛江市、嘉魚縣、赤壁市和咸安區(qū)適宜建立國家級楊樹良種基地。

1 數(shù)據(jù)來源和處理

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本文使用的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(氣溫、地溫、日照、相對濕度和降水)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，時間為2010年、2011年和2012年3期日數(shù)據(jù)，輻射站點為31個，站點數(shù)據(jù)包括日平均氣溫值、日平均地表氣溫值、日照時數(shù)值、日平均相對濕度值和日累計降水量。對異常缺失數(shù)據(jù)進行剔除和補充，計算出31個輻射站點2010-2012年平均氣溫值、2010-2012年平均地表氣溫值、2010-2012年累計照時數(shù)值、2010-2012年平均相對濕度值和2010-2012年累計降水量。在ArcGIS9.3中，采用Kriging插值法進行插值[12-13]，分辨率為100 m，并以湖北省矢量邊界為掩膜，裁剪出研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)。

1.2 土壤數(shù)據(jù)

土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)分辨率為100 m?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括土壤ph值、土壤厚度和土壤含沙量，在ArcGIS9.3中，對原始數(shù)據(jù)進行投影坐標(biāo)設(shè)置，以湖北省邊界為掩膜，裁剪出研究區(qū)域的土壤數(shù)據(jù)。

1.3 DEM數(shù)據(jù)

本文使用的DEM數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，原始數(shù)據(jù)分辨率90 m，時間為2009年，研究區(qū)范圍內(nèi)共6幅標(biāo)準(zhǔn)分幅的高程DEM數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行拼接和裁邊，異常值平滑處理，在ArcGIS9.3中，以湖北省矢量邊界為掩膜，裁剪出研究區(qū)域的高程DEM數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)重采樣為分辨率100 m的數(shù)據(jù)。

1.4 其他數(shù)據(jù)

其它研究數(shù)據(jù)均引自湖北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院和湖北省林業(yè)廳林木種苗管理總站法定的調(diào)查數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要包括湖北省矢量邊界、湖北省縣市矢量邊界、湖北省林木良種基地檔案資料、湖北省林木良種審定檔案資料、湖北省林木良種補貼檔案資料、2011-2012年湖北省各縣市林木穗條采收情況統(tǒng)計表和2011-2012年湖北省各縣市林木育苗情況統(tǒng)計表等。首先，以縣市為單位在湖北省縣市矢量邊界圖形上添加屬性信息，屬性信息分別為：該縣市是否有楊樹良種基地、楊樹良種基地種源是否清楚、楊樹良種基地是否有技術(shù)支撐、楊樹良種基地是否進行子代林測定工作、楊樹良種基地是否有自己選育的楊樹品種、該縣市是否有苗木補貼、該縣市是否有良種基地補貼、該縣市勞動力情況、該縣市楊樹產(chǎn)業(yè)十二五規(guī)劃發(fā)展規(guī)模、該縣市楊樹穗條產(chǎn)量、該縣市楊樹育苗面積和該縣市楊樹種植面積。再分別依據(jù)12個屬性值，利用ArcInfo->Conversion Tools->To Raster->Feature to Raster 功能模塊，將湖北省縣市矢量邊界圖形轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的單因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)圖層，輸出的分辨率為100 m。

對于不能直接獲得的數(shù)據(jù)，采用了分析、實驗和調(diào)查的方法。利用遙感分類方法和目視解譯相結(jié)合的方法，在航測圖上提取高速公路信息生成高速公路圖層，運用ARCGIS9.3的Buffer功能分析后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)圖層，輸出的分辨率為100 m。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)選取

根據(jù)湖北省楊樹良種基地的現(xiàn)狀及特點并且結(jié)合楊樹良種基地布局適宜性評價一些公認(rèn)性指標(biāo)，確定從立地條件(B1)、楊樹良種基地建設(shè)現(xiàn)狀(B2)、楊樹產(chǎn)業(yè)環(huán)境(B3)、楊樹產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀(B4)4個方面(含有22個影響因子)來構(gòu)建湖北省楊樹良種基地布局適宜性評價體系。

立地條件。立地條件在林業(yè)生產(chǎn)中，影響林木的生長發(fā)育、形態(tài)和生理活動。湖北引種栽培的意楊及歐美楊雜交種，多屬南方型栽培品種，對溫度較為敏感，不太抗寒。當(dāng)7月份日平均氣溫升高到30℃以上時，幼樹樹高日平均生長量可達4.4 cm，最大可達5.5 cm。楊樹屬陽性樹種，非常喜光，年降水量要求一般在800～1 200 mm。楊樹屬中生或中濕生植物類型，其蒸騰強度大，在整個營養(yǎng)生長期內(nèi)，要有一個濕潤的土壤條件。湖北楊樹栽培區(qū)的土壤類型以沖積土為主，土層厚度多數(shù)在1 m以上。因此，選取海拔(C1)、2010-2012年平均氣溫(C2)、2010-2012年累計日照(C3)、2010-2012年平均地溫(C4)、2010-2012年平均相對濕度(C5)、2010-2012年累計降水(C6)、土壤ph值(C7)、土壤厚度(C8)和土壤含沙量(C9)9個主要影響因子作為評價因子。

楊樹良種基地建設(shè)現(xiàn)狀。楊樹是多年生木本植物，一般都要栽培3 a以上，才能達到樹高與胸徑的生長盛期，所以要充分利用現(xiàn)有的楊樹良種基地資源。因為一些基地選育方向不明，技術(shù)不夠規(guī)范，缺乏專家指導(dǎo)，發(fā)展后勁不足，所以在評價現(xiàn)有的楊樹良種基地硬件設(shè)施的同時，也要對其軟實力進行綜合評價。因此，楊樹良種基地建設(shè)現(xiàn)狀選取該縣市是否有楊樹良種基地(C10)、楊樹良種基地種源是否清楚(C11)、楊樹良種基地是否有技術(shù)支撐(C12)、楊樹良種基地是否進行子代林測定工作(C13)和楊樹良種基地是否有自己選育的楊樹品種(C14)5個主要影響因子作為評價因子。

楊樹產(chǎn)業(yè)環(huán)境。面對市場經(jīng)濟，穗條生產(chǎn)如隨市場情況調(diào)節(jié)，很難保證不出現(xiàn)斷檔之虞。常聽到企業(yè)老總說：“現(xiàn)在我們這里某某小苗已經(jīng)沒人搞了，也沒人播種了，因為不掙錢。”如此，作為公益事業(yè)的良種事業(yè)必須得到政府的支持。相關(guān)政策的不斷傾斜、支持資金的逐步到位，在我國建設(shè)現(xiàn)代林業(yè)和林農(nóng)增收的過程中起到支點作用[12]。因此，楊樹產(chǎn)業(yè)環(huán)境選取該縣市是否有苗木補貼(C15)、該縣市是否有良種基地補貼(C16)、該縣交通情況(C17)和該縣市勞動力情況(C18)4個主要影響因子作為評價因子。

楊樹產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。4C營銷理論中的Customer(顧客)主要指顧客的需求，企業(yè)必須首先了解和研究顧客，根據(jù)顧客的需求來提供產(chǎn)品。楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模大小也要根據(jù)市場的需求程度來確定。因此，楊樹產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀選取該縣市楊樹產(chǎn)業(yè)十二五規(guī)劃發(fā)展規(guī)模(C19)、該縣市楊樹穗條產(chǎn)量(C20)、該縣市楊樹育苗面積(C21)和該縣市楊樹種植面積(C22)4個主要影響因子作為評價因子。

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

在對湖北省楊樹良種基地布局適宜性評價中運用層次分析法來確定指標(biāo)權(quán)重。首先，建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及方案層，然后構(gòu)建判斷矩陣，第一步構(gòu)建一級指標(biāo)的判斷矩陣，第二步構(gòu)建二級指標(biāo)的判斷矩陣。設(shè)B1、B2、B3、B4分別代表立地條件、楊樹良種基地建設(shè)現(xiàn)狀、楊樹產(chǎn)業(yè)環(huán)境、楊樹產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。采用9級數(shù)值標(biāo)度法，算出各個影響因子對湖北省楊樹良種基地布局影響的權(quán)重[14]。再將運算結(jié)果進行一致性檢驗，公式是CR=CI/RI，經(jīng)檢驗CR<0.1，表明通過一次性檢驗，結(jié)果見表1。采用同樣方法進行二級指標(biāo)判斷矩陣的構(gòu)建，計算出相應(yīng)權(quán)重，然后進行一次性檢驗，結(jié)果見表2～表5。

表1 判斷矩陣A-B

表2 判斷矩陣B1-C1-9

表3 判斷矩陣B2-C10-14

表4 判斷矩陣B3-C15-18

表5 判斷矩陣B4-C19-22

2.3 評價體系構(gòu)建

為達到評價目的，把評價標(biāo)準(zhǔn)分成五級，分別賦值1、3、5、7、9，見表6。

表6 適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)具體賦值表

2.4 評價因素疊加分析

在數(shù)據(jù)來源和處理中，已經(jīng)建立好單因子圖層信息，并且已經(jīng)將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，在這里，根據(jù)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)具體賦值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模塊，將數(shù)據(jù)再進一步的劃分等級，給每個等級附上屬性值，規(guī)定數(shù)值越大越適合楊樹良種基地建設(shè)；再根據(jù)層次分析法確定的權(quán)重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator 功能模塊，計算得出加權(quán)疊加分析的結(jié)果。

根據(jù)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)具體賦值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模塊，將C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8和C9，9個單因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)再進一步的劃分等級，給每個等級附上屬性值，再根據(jù)表2 判斷矩陣 B1-C1-9確定的權(quán)重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator 功能模塊，計算得出加權(quán)疊加分析的立地條件適宜性分布圖，如圖1所示。

圖1 立地條件適宜性分布圖

根據(jù)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)具體賦值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模塊，將C10、C11、C12、C13、C14，5個單因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)再進一步的劃分等級，給每個等級附上屬性值，再根據(jù)表3 判斷矩陣 B2-C10-14確定的權(quán)重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator 功能模塊，計算得出加權(quán)疊加分析的建設(shè)現(xiàn)狀適宜性分布圖，如圖2所示。

圖2 建設(shè)現(xiàn)狀適宜性分布圖

根據(jù)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)具體賦值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模塊，將C15、C16、C17、C18，4個單因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)再進一步的劃分等級，給每個等級附上屬性值，再根據(jù)表4判斷矩陣B3-C15-18確定的權(quán)重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator功能模塊，計算得出加權(quán)疊加分析的產(chǎn)業(yè)環(huán)境適宜性分布圖，如圖3所示。

根據(jù)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)具體賦值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify功能模塊，將C19、C20、C21、C22，4個單因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)再進一步的劃分等級，給每個等級附上屬性值，再根據(jù)表5判斷矩陣B4-C19-22確定的權(quán)重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator功能模塊，計算得出加權(quán)疊加分析的產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜性分布圖，如圖4所示。

圖3 產(chǎn)業(yè)環(huán)境適宜性分布圖

圖4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜性分布圖

將以上加權(quán)疊加分析得到的立地條件適宜性分布圖、建設(shè)現(xiàn)狀適宜性分布圖、產(chǎn)業(yè)環(huán)境適宜性分布圖、產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜性分布圖四個柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)表1判斷矩陣A-B確定的權(quán)重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator功能模塊，計算得出加權(quán)疊加分析的湖北省楊樹良種基地布局適宜性分布圖，如圖5所示。

圖5 湖北省楊樹良種基地布局適宜性分布圖

3 結(jié)果分析

從湖北省立地條件的角度考慮，由立地條件適宜性分布圖可知，湖北省中部地區(qū)的監(jiān)利縣、潛江市、江陵縣、石首市、仙桃市、洪湖市和湖北省東南部地區(qū)的嘉魚縣、赤壁市、江夏區(qū)、咸安區(qū)、華容區(qū)、梁子湖區(qū)、黃州區(qū)、團風(fēng)縣、新洲區(qū)為平原湖區(qū)，年平均氣溫16℃以上，降雨量充足，土壤條件好，因此，立地條件適宜楊樹的生長。

從湖北省楊樹良種基地建設(shè)現(xiàn)狀的角度考慮，由建設(shè)現(xiàn)狀適宜性分布圖可知，石首市、公安縣、潛江市、荊州區(qū)、建始縣、嘉魚縣、赤壁市和咸安區(qū)建有楊樹良種基地。嘉魚縣楊樹良種基地的楊樹品種“中嘉2號”、“中嘉5號”、“中嘉7號”和“中嘉8號”經(jīng)湖北省林木品種審定委員會審定為良種。潛江市楊樹良種基地的楊樹品種“中潛1號”、“中潛2號”和“中潛3號”經(jīng)湖北省林木品種審定委員會審定為良種。

從湖北省楊樹產(chǎn)業(yè)環(huán)境的角度考慮，由產(chǎn)業(yè)環(huán)境適宜性分布圖可知，23個縣市的楊樹產(chǎn)業(yè)得到政府的政策支持，有苗木補貼或良種基地補貼資金，其中麻城市、英山縣、孝昌縣、梁子湖區(qū)、隨縣、襄城區(qū)和十堰市的交通條件較好，勞動力較充足；陽新縣和興山縣的交通條件最好，勞動力最充足。

從湖北省楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度考慮，由產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜性分布圖可知，石首市、東寶區(qū)、南漳縣和隨縣的楊樹穗條產(chǎn)量最多，楊樹種植面積最大，楊樹育苗面積最大，楊樹產(chǎn)業(yè)十二五規(guī)劃發(fā)展規(guī)模最大，最適宜楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展；潛江市和嘉魚縣的楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜性較高；松滋市、公安縣、江陵縣、監(jiān)利縣、洪湖市、赤壁市、鐘祥市、安陸市和浠水縣的楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜性一般。

綜合考慮立地條件、楊樹良種基地建設(shè)現(xiàn)狀、楊樹產(chǎn)業(yè)環(huán)境和楊樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從湖北省楊樹良種基地布局適宜性分布圖可知，石首市、潛江市、嘉魚縣、赤壁市和咸安區(qū)適宜建立國家級楊樹良種基地；公安縣、陽新縣、荊州區(qū)、監(jiān)利縣和洪湖市適宜建立省級楊樹良種基地；江陵縣、浠水縣、漢川市、隨縣、麻城市、通山縣、新洲區(qū)和孝南區(qū)適宜建立市縣級楊樹良種基地。

4 討 論

因為柵格插值運算生成表面主要有3種實現(xiàn)方式：反距離權(quán)重插值、樣條函數(shù)插值和克里格插值。所以，氣溫、地溫、日照、相對濕度和降水柵格數(shù)據(jù)分別采用那種插值方式取得的效果最真實可靠，需做更進一步的探討。同樣，確定權(quán)重的方法有很多，如專家咨詢法、專家排序法、層次分析法、秩和比法(RSR)、相關(guān)系數(shù)法、主成分分析法和因子分析法等，但各種方法均有其優(yōu)缺點，為了更好地選擇確定權(quán)重的方法，需做更進一步的探討。本文僅就湖北省楊樹良種基地進行了新的規(guī)劃布局，同樣，湖北省其它主要造林樹種良種基地也需要利用地理信息系統(tǒng)和層次分析法相結(jié)合的方法進行新的規(guī)劃布局，以提高林木良種基地的產(chǎn)量和品質(zhì)，保障湖北省低產(chǎn)林改造、退耕還林、血防林、長防林、荒山造林和石漠化治理工程等項目的用種需求，促進湖北林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的發(fā)展步伐。

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