基于GIS 的紅蕓豆種植適宜性綜合分析

秦明星，張賽茹，馮美臣

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學旱作農(nóng)業(yè)工程研究所，山西太谷030801）

作物種植適宜性評價是進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)劃的重要手段，廣泛應用于農(nóng)業(yè)領域?；贕IS 的紅蕓豆種植適宜性研究，對指導晉西北高寒地區(qū)作物種植、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外許多學者對區(qū)域作物種植適宜性進行了大量研究，并得到有效應用。楊武德等[1]依據(jù)地形地貌、氣象、土壤等因素差異，分析了現(xiàn)代雜糧的生產(chǎn)及區(qū)劃；張海龍等[2]采用生態(tài)位模型和GIS方法，結合連翹生長和分布的環(huán)境因子，定量分析了我國連翹的潛在分布；翟海翔等[3]基于GIS 技術和層次分析法對葡萄進行了種植適宜性分析，并對葡萄園的選址進行科學評價；李應桃等[4]采用主成分分析方法和聚類方法對金沙鄉(xiāng)鎮(zhèn)茶樹種植氣候適宜特征進行種植適宜區(qū)域劃分；何奇瑾等[5]使用最大熵模型和ArcGIS 空間分析技術，研究了我國玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性；劉少軍等[6]采用最大熵模型和模糊綜合評價模型分析了我國橡膠樹種植氣候適宜性區(qū)劃；楊江濤等[7]采用權重計算法，通過地球化學實驗方法，對荔枝種植進行綜合適宜性評價；曾欽文等[8]基于GIS 技術，利用層次分析法、綜合指數(shù)法構建評價指標體系，并分析了河源地區(qū)茶樹種植適宜性；楊帆等[9]在GIS 技術支持下，采用層次分析法和專家經(jīng)驗法構建白芷生態(tài)因子評價指標，分析道地藥材生境適宜性；朱大威等[10]基于層次分析法和多因子加權疊加法評價了江蘇省蔬菜種植土地適宜性，并對評價結果進行了全局、局部空間自相關分析；龔謹[11]依據(jù)岢嵐縣農(nóng)戶種植蕓豆調(diào)研數(shù)據(jù)，對比生產(chǎn)成本與收益，構建模型分析農(nóng)戶種植蕓豆行為的影響因素，并提出蕓豆良性發(fā)展建議；范娟[12]采用土壤資源普查數(shù)據(jù)和人文地理數(shù)據(jù)，以層次分析法和德爾菲法構建評價因子并確定權重，建立了縣級耕地適宜性評價控制指標體系及權重等級劃分；李全勝[13]基于氣象指標，運用模糊綜合評判方法分析了龍泉山區(qū)的柑桔、茶樹2 種農(nóng)作物在不同海拔高度的種植適宜性；趙小敏等[14]應用GIS 技術，以土地資源單位為評價單元，運用主成分分析法、層次分析法對南豐縣蜜桔種植適宜程度和空間分布進行了有效判別；唐嘉平等[15]結合GIS 的空間分析功能和種植適宜性評價模型對瀾滄江下游地區(qū)多種特色經(jīng)濟作物進行種植適宜性空間分布研究；史舟等[16]使用遙感和GIS相結合對黃巖區(qū)柑橘的種植結構進行研究分析，使得農(nóng)作物適宜性分析的精確度和準確性得到了大大的提升；WANG 等[17]結合GIS 和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)法建立了四川大馬士革帶刺玫瑰的生態(tài)適宜模型，并對其不同生態(tài)適宜度進行等級評價，總結了該物種的適宜土地面積和空間分布格局；楊洋等[18]基于GIS技術，以云南全省栽培型普洱茶樹為研究對象，結合氣象、DEM、遙感影像等多種數(shù)據(jù)，建立了普洱茶樹綜合評價指標體系，并對其大規(guī)模種植用地進行適宜性等級劃分和分析；李亞東[19]以地貌、坡度、有效土層厚度、道路通達度、水源保證率、居民點輻射影響度6 個因子構建耕地適宜性評價指標體系，對黃陵縣占補平衡耕地進行了有效評價。綜上所述，基于GIS 的區(qū)域作物種植適宜性分析可以高效合理規(guī)劃農(nóng)作物種植布局，充分發(fā)揮天然資源優(yōu)勢，從而促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本研究采用GIS 技術，結合層次分析法，并綜合氣象、土壤類型分布和遙感影像數(shù)據(jù)，按照土地適宜性評價流程，有效選取8 個種植適宜性指標，從自然因素和社會地理因素對山西省岢嵐縣紅蕓豆種植適宜性進行綜合深入研究，以期為山西省西北高寒地區(qū)紅蕓豆生產(chǎn)基地確定和區(qū)域化、規(guī)?；N植提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

岢嵐縣位于山西省忻州市西南部，地勢西北低、東南高，水土流失嚴重。地處東經(jīng)111°13′～111°52′，北緯38°29′～38°58′。氣候屬寒溫帶半干旱大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，秋季秋高氣爽，冬季漫長寒冷，四季分明。年平均氣溫5 ℃，年均降水量約450 mm，無霜期110 d，境內(nèi)多沙壤土。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，30 m 分辨率；氣象數(shù)據(jù)來源于山西省氣象局，主要包括岢嵐縣在內(nèi)的23 個氣象站30 a（1988—2018 年）的生育期（5 月中下旬至9 月上旬）日均溫度等氣象數(shù)據(jù)。岢嵐縣土壤類型分布圖來源于岢嵐縣農(nóng)業(yè)局。岢嵐縣行政區(qū)劃采用國土資源部門提供的岢嵐縣行政圖。

1.3 研究方法

1.3.1 層次分析法 層次分析法能將抽象的概念用直觀的數(shù)據(jù)表示出來，可用于本研究簡化分層影響因素處理。

首先，構建層次模型，將所選因素分類。按照從上到下的順序依次將指標分為3 類：最上層為目標層，是本研究的最終目的，即紅蕓豆種植適宜性分析，中間層是準則層，由地形條件、土壤條件、氣象條件和社會地理條件組成，最后一層是指標層，細化為8 個紅蕓豆種植適宜性評價指標，即坡度、坡向、高程、土壤分類、生育期平均溫度、與河流的距離、與鄉(xiāng)鎮(zhèn)的距離和與道路的距離。由此形成從上而下的層次結構，可以直觀清楚地看出各因素之間的關聯(lián)和區(qū)別。

其次，以矩陣的形式表示本層元素對上層元素兩兩比較的重要性，并進行一致性檢驗。通過采用實地發(fā)放調(diào)查問卷、QQ 群和微信群線上填寫等方法，對每個選項進行評分。本研究一共收到有效問卷135 份，經(jīng)過統(tǒng)計分析計算各個選項具體得分，可以統(tǒng)計得到判斷矩陣，經(jīng)過調(diào)整后矩陣都具有一致性。

最后，計算層次合成的重要性，并排序，同時進行滿意一致性檢驗，進而得到各個指標的權重。記地形條件為B1，土壤條件為B2，氣象條件為B3，社會地理條件為B4，它們的值依次記為b1、b2、b3、b4，以此類推，將上述8 個指標分別記為C1、C2、…、C8，它們的值為c1、c2、…、c8，各個指標的權重＝（i＝1，2，3）。再進行層次的總排序來說明各個指標的優(yōu)先順序，且符合滿意一致性。

1.3.2 種植適宜性評價 以30 m×30 m 的柵格作為評價單元，從自然因素和社會地理因素2 個方面選取指標構建模型。為了提高結果的準確度，嚴格遵循指標選取原則，結合農(nóng)作物本身的生長條件和當?shù)氐沫h(huán)境條件，篩取了8 個具有代表性并且對紅蕓豆影響較大的指標（表1），建立評價指標體系，基于層次分析法得到了各個指標的權重，獲取指標分值，通過GIS 空間分析處理得到綜合適宜性結果。

表1 指標權重

2 結果與分析

2.1 評價指標賦值

2.1.1 自然地理因素不同指標分級賦值 以農(nóng)業(yè)耕作需求為參照，結合實地調(diào)研，自然地理因素可分為坡度、坡向、高程、土壤類型、生育期平均溫度等因素。本研究采用高度適宜、較適宜、適宜、不適宜4 個級別表示適宜性程度，并賦值為1，2，3，4，如表2 和圖1 所示。

表2 自然地理因素不同指標分級賦值

2.1.2 人文地理因素不同指標分級賦值 紅蕓豆栽種受地理區(qū)位、交通便利程度、經(jīng)濟條件等因素影響的差異較大。本研究采用種植區(qū)與河流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、道路的距離為影響因素進行研究。人文地理因素指標分級賦值和分級圖如表3 和圖2 所示。其中，種植區(qū)與河流距離直接影響農(nóng)作物進行灌溉方便程度和費用，離水源越近，灌溉措施越便利。種植區(qū)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離則關乎土地價值，離城鎮(zhèn)越近，土地商用價值越高，在遠離城鎮(zhèn)的地方種植紅蕓豆，種植成本可有效降低。以種植區(qū)遠離城鎮(zhèn)距離進行分級賦值，可有效合理對土地進行配置，符合農(nóng)戶的利益選擇。交通便利程度對農(nóng)戶日常生活影響很大，種植區(qū)與道路的距離越近越容易進行農(nóng)業(yè)操作及管 理，并有利于進行機械化栽種及農(nóng)業(yè)活動。

表3 人文地理因素不同指標分級賦值

2.2 種植適宜性分析

采用GIS 中柵格計算操作，按照不同權重進行累計重新分類得出，研究區(qū)高度適宜區(qū)面積為370.42 km2，占總面積18.67%，較適宜區(qū)面積為699.95 km2，占總面積35.28%，適宜區(qū)面積為650.95 km2，占總面積32.81%，不適宜區(qū)面積為262.68 km2，占總面積13.24%。

2.2.1 高度適宜區(qū) 從圖3 可以看出，純淺色區(qū)域為高度適宜區(qū)，主要分布在溫泉鄉(xiāng)的中部，大澗鄉(xiāng)、高家會鄉(xiāng)中部，陽坪鄉(xiāng)、嵐漪鎮(zhèn)東部、李家溝鄉(xiāng)東部、宋家溝鄉(xiāng)北部、神堂坪鄉(xiāng)西部、三井鎮(zhèn)中部。該區(qū)域地勢平緩，交通便利，臨近水源，土壤大多為黃綿土和栗褐土，溫度偏高，條件優(yōu)越，是紅蕓豆種植最適宜區(qū)域。

2.2.2 較適宜區(qū) 較淺色區(qū)域為較適宜區(qū)（圖3），主要分布在李家溝鄉(xiāng)東部，水峪貫鄉(xiāng)中部，西豹峪鄉(xiāng)、溫泉鄉(xiāng)、陽坪鄉(xiāng)和大澗鄉(xiāng)周邊，嵐漪鎮(zhèn)和神堂坪鄉(xiāng)中部。該地區(qū)普遍坡度較緩，與鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離較遠，高程較低，離水源較近，受到交通的局部限制，溫度均處于適宜范圍內(nèi)，該區(qū)域為種植適宜區(qū)域。

2.2.3 適宜區(qū) 深色區(qū)域為適宜區(qū)，主要分布在李家溝鄉(xiāng)、水峪貫鄉(xiāng)、宋家溝鄉(xiāng)、高家會鄉(xiāng)和三井鎮(zhèn)西部（圖3）。該區(qū)域與鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離較遠，靠近水域和道路，溫度適宜，但是高程較高，坡度較大，土壤質地適中，種植適宜性相對偏低。

2.2.4 不適宜區(qū) 較深色區(qū)域為不適宜區(qū)，主要分布在神堂坪鄉(xiāng)和王家岔鄉(xiāng)的東部、宋家溝鄉(xiāng)的東部和西南部、李家溝鄉(xiāng)西南部和水峪貫鄉(xiāng)北部，分布集中但種植面積較小（圖3）。該區(qū)域高程、坡度均不適宜耕作，與道路和河流距離遠，溫度偏低，適宜性等級最低。

3 結論與討論

作為北方常規(guī)作物的玉米，雖然大面積種植，但由于氣溫偏低，玉米生長的最適宜溫度為25～29 ℃，不能獲得預期最優(yōu)產(chǎn)量，且玉米受降雨量等自然條件影響很大。而紅蕓豆抗旱性好，即使在降雨量較少的年份，仍能保持一定的產(chǎn)量水平，因此從經(jīng)濟視角考慮，種植紅蕓豆產(chǎn)量穩(wěn)定，農(nóng)民收益高，已成為岢嵐縣支柱產(chǎn)業(yè)。但隨著紅蕓豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)戶急于擺脫貧困現(xiàn)狀，盲目擴張種植區(qū)，出現(xiàn)了土地利用和耕作方式管理局部不到位等多種不良現(xiàn)象。本研究從自然地理因素和人文地理因素綜合視角對紅蕓豆種植適宜性進行分析，選取坡度、坡向、高程、土壤類型、生長期平均溫度以及種植區(qū)與河流距離、鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離和道路距離為評價指標，采用層次分析法構建適宜性評價模型，對岢嵐縣紅蕓豆種植適宜性空間分布進行合理分析。通過實地調(diào)研和整理調(diào)查問卷，適宜性分布結果與實際狀況基本符合，研究結果可為岢嵐縣紅蕓豆種植的科學規(guī)劃、合理布局提供技術支持，可有效發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，進而促進紅蕓豆產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

影響紅蕓豆種植的因素還有很多，比如播種量、施肥水平、病蟲害等栽培管理措施，本研究僅從自然地理因素和人文地理因素出發(fā)進行適宜性評價分析，使得評價模型與生產(chǎn)實踐還存在著一定程度的差距，今后將不斷完善評價指標，進一步提升模型實用性。