基于GIS的種植棗樹耕地適宜性評價(jià)與品種區(qū)劃

唐雪香+王桂保+劉軒

摘要： 以河南省新鄭市紅棗的核心主產(chǎn)區(qū)孟莊鎮(zhèn)為研究區(qū)域，利用GIS技術(shù)和空間插值方法，建立土壤適宜性評價(jià)模型，并將評價(jià)結(jié)果與空間模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，對耕地種植棗樹適宜性進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明：孟莊鎮(zhèn)耕地種植棗樹適宜性綜合指數(shù)最大值為87，最小值為38。綜合考慮坡度、地貌類型等限制性因素，將孟莊鎮(zhèn)耕地適宜種植棗樹地區(qū)依次劃分為最適宜、較適宜、次適宜。將適宜性評價(jià)結(jié)果與土壤pH值、硝態(tài)氮、可溶性總氮含量空間模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行多圖層疊置分析，孟莊鎮(zhèn)灰棗、雞心棗、冬棗種植適宜區(qū)面積分別為2 323 78、1 785 42、2 233 99 hm2，分別占耕地總面積比例為36 63%、28 15%、35 22%。

關(guān)鍵詞： 土地適宜性評價(jià)；空間插值；種植適宜區(qū)；棗樹

中圖分類號：S665 104 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0179-03

土地適宜性評價(jià)指對特定區(qū)域一定土地相對于某種利用方式，評估其利用適宜程度高低的特性。它是確定最適宜的土地利用方式、充分發(fā)揮土地生產(chǎn)潛力以及科學(xué)編制土地利用規(guī)劃的基本依據(jù) [1]。河南省新鄭市是“中國紅棗之鄉(xiāng)”，新鄭大棗以其皮薄、肉厚、核小、味甜倍受人們青睞，成為棗類中的佼佼者。近年來，新鄭市充分挖掘紅棗的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、文化價(jià)值，制定了符合地區(qū)實(shí)際的政策、發(fā)展規(guī)劃，形成了育種、種植、加工、銷售、生態(tài)旅游為一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈。孟莊鎮(zhèn)是新鄭大棗的主要種植區(qū)域，是原生態(tài)棗樹種植區(qū)，因此，探討該鎮(zhèn)種植棗樹的土地適宜性，有利于充分利用土地資源、開發(fā)土地潛力、實(shí)現(xiàn)棗樹增產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)化棗樹種植總體布局。近年來，GIS技術(shù) [2]、RS技術(shù) [3]在土地評價(jià)中得到廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者對耕地適宜性評價(jià)進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果。楊奇勇等以山東省禹城市為例，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法與Delphi法結(jié)合篩選參評因素，建立土壤適宜性綜合評價(jià)模型，進(jìn)行了鹽漬土改良區(qū)耕地土壤適宜性評價(jià)研究 [4]。楊洋等基于GIS空間分析技術(shù)，綜合考慮普洱茶樹的自然立地條件與大規(guī)模種植的便利條件，建立種植栽培型普洱茶樹用地適宜性評價(jià)模型，劃分適宜性等級，分析統(tǒng)計(jì)適宜地區(qū)的土地?cái)?shù)量和空間分布規(guī)律 [5]。王江思等基于GIS空間分析技術(shù)，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，依據(jù)因子的貢獻(xiàn)率調(diào)整BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值，建立評價(jià)模型，對中原城市群的農(nóng)用地適宜性評價(jià)方法進(jìn)行研究 [6]。但是多數(shù)學(xué)者在綜合評價(jià)指標(biāo)的篩選方面不夠重視。由于影響耕地適宜性的指標(biāo)很多，評價(jià)指標(biāo)對耕地適宜性的影響程度也不同，因此，在選擇評價(jià)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)地區(qū)實(shí)際，選擇具有代表性的評價(jià)指標(biāo)，從而使耕地適宜性更具實(shí)際意義。本研究結(jié)合耕地地力調(diào)查結(jié)果，以孟莊鎮(zhèn)為研究區(qū)域，利用ArcGIS等相關(guān)軟件，對耕地種植棗樹適宜性進(jìn)行評價(jià)，將適宜性評價(jià)結(jié)果與插值分析進(jìn)行疊置分析，旨在為孟莊鎮(zhèn)棗樹種植的總體布局與區(qū)域劃分提供參考。

1 材料與方法

1 1 研究區(qū)概況

孟莊鎮(zhèn)位于新鄭市東北部，東臨鄭州市新鄭綜合保稅區(qū)，北靠鄭州市區(qū)，西接龍湖宜居教育城，是新鄭市加快城市化進(jìn)程的重點(diǎn)鎮(zhèn)。全鎮(zhèn)總面積76 km2，耕地總面積6 343 2 hm2，轄23個(gè)行政村，35個(gè)自然村，總?cè)丝? 3萬。孟莊鎮(zhèn)是新鄭紅棗的核心主產(chǎn)區(qū)，紅棗主要品種為灰棗、雞心棗、冬棗，是著名的“優(yōu)質(zhì)大棗基地”和“紅棗之鄉(xiāng)”，棗林面積2 800 hm2，年產(chǎn)大棗15 000 t。

1 2 數(shù)據(jù)來源

1 2 1 圖件與空間數(shù)據(jù) 采用2012年新鄭市測土配方施肥項(xiàng)目耕地調(diào)查獲得的地形數(shù)據(jù)、基本耕種情況、城鎮(zhèn)中心、道路數(shù)據(jù)等資料以及2012年年底新鄭市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、土壤圖、DEM高程圖。

1 2 2 方法 選擇孟莊鎮(zhèn)不同村的10塊不同類型棗樹地，每20 cm為1個(gè)層次，采集0～100 cm土層土壤樣品，每個(gè)點(diǎn)共5個(gè)層次。將采集樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)，測定土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、pH值、可溶性總氮含量、硝態(tài)氮含量。采用Excel軟件分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

本研究以新鄭市耕地地力調(diào)查項(xiàng)目為基礎(chǔ)，應(yīng)用GIS技術(shù)，對新鄭市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、土壤圖進(jìn)行數(shù)字化，從中提取有效數(shù)據(jù)。結(jié)合耕地地力調(diào)查項(xiàng)目實(shí)地農(nóng)田采樣點(diǎn)的養(yǎng)分值以及相關(guān)的地圖資料，進(jìn)行空間內(nèi)插，得到土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分分布柵格圖。將養(yǎng)分分布柵格圖與新鄭市DEM高程數(shù)據(jù)相疊加，取得高程、坡度等數(shù)據(jù)。最后確定評價(jià)單元，建立評價(jià)體系，對種植棗樹土地進(jìn)行耕地種植適宜性評價(jià)，探明耕地種植棗樹適宜性與各影響因素之間的關(guān)系。

2 1 評價(jià)單元確定

耕地適宜性評價(jià)單元是對耕地質(zhì)量影響較大的要素構(gòu)成的空間實(shí)體，是土地評價(jià)的最基本單位 [7-8]。確定評價(jià)單元是否合理，決定了工作量大小并直接影響評價(jià)結(jié)果質(zhì)量 [9]。綜合考慮各影響因素?cái)?shù)據(jù)間的統(tǒng)一性、研究區(qū)域面積大小，本研究利用ArcGIS 10 2軟件的Intersect功能，將土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)和土壤圖進(jìn)行疊加，提取空間屬性為耕地的地塊作為評價(jià)單元，共生成2 704個(gè)評價(jià)單元。

2 2 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

由于研究區(qū)域?yàn)猷l(xiāng)鎮(zhèn)范圍，氣候要素大致相同，因此，本研究根據(jù)新鄭市棗樹種植實(shí)際情況，在充分利用現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，綜合考慮對棗樹生長栽培具有長期且直接影響的主要因素，確定了立地條件、土壤性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤管理4個(gè)方面共10個(gè)評價(jià)指標(biāo)，從而揭示其潛在生產(chǎn)力水平。在土壤性質(zhì)指標(biāo)選取方面，選用土壤pH值、可溶性總氮含量、硝態(tài)氮含量3項(xiàng)指標(biāo)。

2 3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

目前，關(guān)于適宜性評價(jià)指標(biāo)確定權(quán)重的方法較多，如回歸分析法、層次分析法、Delphi法、關(guān)聯(lián)度分析法、模糊綜合評判法等 [10-12]。本研究針對孟莊鎮(zhèn)棗樹種植條件，采用專家打分法、層次分析法結(jié)合求取各指標(biāo)因子的權(quán)重，依據(jù)所選取的10個(gè)評價(jià)指標(biāo)間的相互關(guān)系，通過建立層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序及其一致性檢驗(yàn)，得到評價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重（表1）。

由表1可見，組合權(quán)重值最高的是坡度，其次是地貌、灌溉能力、土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、硝態(tài)氮含量。這6項(xiàng)的組合權(quán)重和占組合總權(quán)重的84 85%。其他評價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重較低。

2 4 評價(jià)模型

評價(jià)模型是否科學(xué)合理，對于整個(gè)評價(jià)結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性有較大影響 [13]。結(jié)合孟莊鎮(zhèn)實(shí)際情況，選擇加權(quán)指數(shù)和模型作為評價(jià)分析模型。加權(quán)指數(shù)和法評價(jià)的實(shí)質(zhì)是將評價(jià)單元各指標(biāo)權(quán)重值累加求和的過程，依據(jù)求得的評價(jià)單元總分值進(jìn)行適宜性等級劃分 [14-15]。

N=∑[DD（]m[]i=1[DD）]wiEij。[JZ）]

式中：N為評價(jià)單元最終的指數(shù)和；Eij為第i個(gè)因素中第j個(gè)等級的評分值；wi為第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重；m為評價(jià)指標(biāo)的數(shù)量。

將10個(gè)評價(jià)指標(biāo)量化分級賦權(quán)值后的圖層疊加，對各因子權(quán)重進(jìn)行累加求和，最終求得各評價(jià)單元的總分值。在該模型基礎(chǔ)上，采用等差序列法確定各適宜性等級的臨界值，并依據(jù)臨界值對評價(jià)單元進(jìn)行分級評價(jià)。采用等差序列法劃分耕地種植棗樹適宜性等級臨界值，具體方法如下：

首先，確定各評價(jià)區(qū)間的平均值：

計(jì)算結(jié)果顯示，孟莊鎮(zhèn)耕地種植棗樹適宜性綜合指數(shù)最大值為87，最小值為38。綜合考慮限制性因素如坡度、地貌類型等，將種植適宜性劃分為3級，分別是最適宜、較適宜、次適宜?；覘?、雞心棗是新鄭棗區(qū)的主栽品種，其中灰棗適合大面積種植，故將其定為最適宜；雞心棗則為較適宜；冬棗是引進(jìn)品種，適應(yīng)性強(qiáng)，因此將其劃分為次適宜。

2 5 空間插值分析

土壤pH值、硝態(tài)氮含量、可溶性總氮含量對大棗品質(zhì)影響較大。其中，土壤pH值對灰棗生長影響較大，硝態(tài)氮含量、可溶性總氮含量分別對雞心棗、冬棗生長影響較大。因此，首先將土壤類型圖與采樣點(diǎn)分布圖疊置，計(jì)算落在同一土壤類型斑塊內(nèi)各采樣點(diǎn)的土壤pH值、硝態(tài)氮含量平均值、可溶性總氮含量平均值，生成1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)。分別對土壤pH值、硝態(tài)氮含量、可溶性總氮含量進(jìn)行cokriging插值分析，得到1 km×1 km分辨率的土壤pH值、硝態(tài)氮含量、可溶性總氮含量空間模擬數(shù)據(jù)。

3 評價(jià)結(jié)果與分區(qū)

將耕地種植棗樹適宜性評價(jià)結(jié)果與土壤pH值、硝態(tài)氮含量、可溶性總氮含量空間模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行多圖層疊置分析，得到孟莊鎮(zhèn)耕地種植棗樹品種分區(qū)圖（圖1）。對圖1中各分區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，孟莊鎮(zhèn)灰棗、雞心棗、冬棗適宜種植面積分別為2 323 78、1 785 42 、2 233 99 hm2，占耕地總面積比例分別為36 63%、28 15%、35 22%（表2）。

由圖1可以看出，孟莊鎮(zhèn)適宜種植灰棗的耕地集中分布在鎮(zhèn)西南部區(qū)域，適宜種植雞心棗的耕地區(qū)域主要分布在西北部，適宜種植冬棗主要集中分布在鎮(zhèn)東部?？傮w來看，所采用的分區(qū)方法較為合理，符合研究區(qū)域?qū)嶋H。

3 1 灰棗適宜種植區(qū)

孟莊鎮(zhèn)種植灰棗適宜區(qū)耕地面積為2 323 78 hm2，主要分布在鎮(zhèn)西北部地區(qū)的城后馬村、?？诖?、唐河村等8個(gè)村。該區(qū)域?yàn)闆_積平原，地勢平坦，土層厚達(dá)80 cm以上，土壤疏松，澆灌、排水條件良好，土質(zhì)為沙壤土、黏壤土，土壤pH值為8 1左右，有機(jī)質(zhì)含量大于1%。

3 2 雞心棗適宜種植區(qū)

該區(qū)域面積為1 785 42 hm2，主要分布在鎮(zhèn)東部中劉村、谷莊村、寺后張村等10個(gè)村。該區(qū)域與灰棗適宜種植區(qū)地形相似，土層厚76 cm左右，土壤比較肥沃，土質(zhì)多為壤土、黏壤土，土壤pH值略低于灰棗種植區(qū)，硝態(tài)氮含量最高，有機(jī)質(zhì)含量0 9%左右，較為適宜種植雞心棗。

3 3 冬棗適宜種植區(qū)

冬棗適宜種植區(qū)面積為2 233 99 hm2，主要分布在鎮(zhèn)西南栗園史村、洪府村、曹莊村等9個(gè)村。該區(qū)域?yàn)樯狡?、丘陵地帶，地勢略高，壤土、沙壤土占大部分，土層?2 cm以上。土壤疏松，澆灌、排水條件好，土壤pH值接近雞心棗適宜種植區(qū)，可溶性總氮含量最高，有機(jī)質(zhì)含量0 8%左右，適宜種植冬棗。

4 結(jié)論

本研究利用GIS技術(shù)和空間插值方法，結(jié)合棗樹種植的實(shí)際需要，綜合考慮影響其生長的自然立地條件、土壤性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤管理等，建立土壤適宜性評價(jià)模型，對新鄭市孟莊鎮(zhèn)耕地種植棗樹進(jìn)行適宜性評價(jià)，并將適宜性評價(jià)結(jié)果與空間模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行多圖層疊置分析，劃分孟莊鎮(zhèn)耕地種植棗樹品種適宜性分區(qū)。結(jié)果表明，孟莊鎮(zhèn)耕地種植棗樹適宜性綜合指數(shù)最大值為87，最小值為38。綜合考慮坡度、地貌類型等限制性因素，將孟莊鎮(zhèn)耕地適宜種植棗樹地區(qū)依次劃分為最適宜、較適宜、次適宜。將適宜性評價(jià)結(jié)果與土壤pH值，硝態(tài)氮、可溶性總氮含量空間模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行多圖層疊置分析，孟莊鎮(zhèn)灰棗、雞心棗、冬棗種植適宜區(qū)面積分別為2 323 78、1 785 42、2 233 99 hm2，分別占耕地總面積比例為36 63%、28 15%、35 22%。孟莊鎮(zhèn)適宜種植灰棗的耕地集中分布在鎮(zhèn)西北部區(qū)域，適宜種植雞心棗的耕地區(qū)域主要分布在鎮(zhèn)東部，適宜種植冬棗主要集中分布在鎮(zhèn)西南部?？傮w來看，所采用的分區(qū)方法較為合理，符合研究區(qū)域?qū)嶋H。

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