基于ArcGIS的臨汾市西山果樹區(qū)劃生態(tài)適宜性評價

王璽 李亮 李敏生 孫慧英 王達菲

摘?要：以臨汾市西山地區(qū)七縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評價單元，利用2007-2016年的氣象數(shù)據(jù)、土壤養(yǎng)分監(jiān)測數(shù)據(jù)、地勢數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)果樹生態(tài)適宜性評價需要確定了8個評價指標(biāo)，建立評價模型。通過專家咨詢法、多因素綜合分析法、基于Arcgis10.2軟件的Krigin插值法和疊加分析法，分別對蘋果、梨、核桃等3個主栽樹種進行了生態(tài)適宜性評價。根據(jù)綜合評價得分，將不同果樹的生態(tài)適宜性分為優(yōu)生區(qū)（U≥0.8）、適宜區(qū)（0.7≤U<0.8）、次適宜區(qū)（0.5≤U<0.7）和非適宜區(qū)（U<0.5）4個等級。根據(jù)評價結(jié)果繪制2個樹種在臨汾市西山地區(qū)的適宜性分布圖，為果樹區(qū)劃提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：臨汾西山;果樹區(qū)劃;生態(tài)適宜性評價;Arcgis10.2

文章編號：1005-345X（2020）03-0047-06?中圖分類號：S162.2?文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：Taking towns of seven counties in western area of Linfen as the evaluation unit， using the basic data such as meteorological data from 2007 to 2016， soil nutrient monitoring data， topographic data and natural disaster incidence rate， 12 indexes of climate and soil were selected according to the ecological suitability evaluation requirements of Yuluxiang pear to Establish an evaluation model. Through the expert consultation method， multi-factor comprehensive evaluation method， Kriging interpolation method based on Arcgis10.2 software and superposition analysis method， the ecological suitability of Apple， Pear， Walnut in this area was comprehensively evaluated. The ecological suitability map of Yulu Xiang pear in western area of Linfen City was drawn according to the evaluation results. Results led to 4 different grades including the optimum area （U≥0.8）， suitable area （0.7≤U<0.8），and secondary suitable area （0.6≤U<0.7）， unsuitable area （U<0.6）.According to the evaluation results， the distribution map of the main tree species in the western area of Linfen was drawn， and provide scientific reference for fruit tree zoning.

Keywords：Western area of Linfen; Fruit tree zoning; Ecological suitability evaluation; Arcgis10.2

臨汾市西山地區(qū)是山西省最重要的優(yōu)質(zhì)水果產(chǎn)區(qū)，也是農(nóng)業(yè)部規(guī)劃的優(yōu)勢水果產(chǎn)區(qū)。在此地開展果樹生態(tài)適宜性評價研究，不但為該地區(qū)制定果樹產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型發(fā)展規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)信息，對山西省果樹品種資源合理開發(fā)、利用和保護也具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的適宜性評價最早用于土地資源的利用的綜合評價[1-3]，后拓展到農(nóng)田種植規(guī)劃的區(qū)域評價[4-6]，并逐步發(fā)展到不同農(nóng)作物品種對氣候生態(tài)環(huán)境的適宜性評價[7-9]。果樹區(qū)劃生態(tài)適宜性評價是果樹區(qū)劃的基礎(chǔ)工作，它是根據(jù)果樹的生態(tài)需要和不同地區(qū)的生態(tài)條件，通過評價不同地區(qū)果樹的生態(tài)適宜程度而做出的區(qū)劃建議。首先，要確定果樹的最適生態(tài)條件，其主要的依據(jù)是果樹的原產(chǎn)中心和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)區(qū)的自然生態(tài)條件。前者是這種果樹長期生存的必要條件，后者是提高該種果樹種植經(jīng)濟效益的必要條件，通過對這兩種生態(tài)條件的綜合和驗證，即可確定某種果樹的最適生態(tài)條件。根據(jù)果樹區(qū)劃的適宜程度，一般分為優(yōu)生區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)4級[10-15]。在果樹生態(tài)適宜性評價方面，賈獻松利用地理信息系統(tǒng)軟件對10個果樹生長適宜性要素的基本圖件進行疊加，生成太行山地區(qū)主要果樹適宜種植范圍圖，進而生成主要果樹種植適宜性分級圖[16]。黃偉嬌等采用 GIS 技術(shù)，對杭州市山核桃種植進行生態(tài)適宜性評價[17]。本研究結(jié)合國內(nèi)外農(nóng)業(yè)區(qū)劃和果樹區(qū)劃的經(jīng)驗、果樹的發(fā)展規(guī)律、果樹的生態(tài)環(huán)境需求和果樹栽培特點，以臨汾市西山地區(qū)七縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評價單元，選取了和果樹栽培密切相關(guān)的8個評價指標(biāo)（日照時數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無霜期、有效降雨量、土壤酸堿度、土壤有機質(zhì)含量、海拔高度），建立了生態(tài)適宜性評價指標(biāo)體系，分別對蘋果、梨、核桃3個主栽樹種進行了生態(tài)適宜性評價，為該地區(qū)果樹品種資源合理開發(fā)與和果樹產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局提供了科學(xué)依據(jù)，具有較強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)域概況

臨汾市西山片區(qū)地處臨汾市西北部，呂梁山西南部，位于東經(jīng)110°22′45″～111°23′36″和北緯35°41′30″～36°56′45″之間，總面積9781.69 km2，其范圍包括永和、大寧、吉縣、鄉(xiāng)寧、隰縣、蒲縣、汾西7個縣。海拔多在1 100 m以上，光熱資源豐富，晝夜溫差大，降水資源不足。地貌屬黃土殘垣溝壑區(qū)，地形主要有粱、峁、丘陵、溝壑和不完整的破碎黃土塬。褐土是臨汾市西山地區(qū)農(nóng)用地土壤的主要類型，土層深厚、土質(zhì)均勻、耕性良好，是最好的耕作土壤之一[18]。目前，大面積種植的果樹樹種主要有蘋果、梨、核桃，根據(jù)各縣統(tǒng)計的各樹種種植面積數(shù)據(jù)，栽培面積最大的樹種是蘋果，達4.63萬hm2，占果樹栽培總面積的近70%，西山7縣均有栽培，栽培面積最大的是吉縣。其次是核桃和梨樹，栽培面積分別是1.83萬hm2和1.8萬hm2，蒲縣和鄉(xiāng)寧以核桃種植為主，隰縣梨樹栽培面積占該地區(qū)梨樹總面積的80%以上。

1.2?數(shù)據(jù)來源

生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)一共選擇了3個方面的數(shù)據(jù)，包括氣候因子數(shù)據(jù)，土壤因子數(shù)據(jù)和地勢因子數(shù)據(jù)。其中氣候因子數(shù)據(jù)是通過臨汾市氣象局獲取臨汾市西山片區(qū)各縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)級氣象站點10年（2007-2016年）的數(shù)據(jù)，根據(jù)研究需要，選擇光照、平均氣溫、有效積溫、降雨量，無霜期等5個指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)再計算出所需的5個氣象評價指標(biāo)數(shù)據(jù);土壤數(shù)據(jù)是在臨汾市西山片區(qū)各縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的果樹種植區(qū)域采集土壤樣本，經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)化驗后，選取本研究需要的2個土壤指標(biāo)數(shù)據(jù);地勢數(shù)據(jù)來源于相關(guān)專業(yè)網(wǎng)站。地理信息數(shù)據(jù)基于GIS的1：25萬臨汾市西山7縣基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)庫。

1.3?研究方法與相關(guān)軟件

1.3.1?Krigin插值法

采用Kriging插值法，將果樹生態(tài)適宜性評價指標(biāo)涉及到的氣象環(huán)境因子數(shù)據(jù)插值成空間柵格數(shù)據(jù)，調(diào)入到多圖層模型中，進行區(qū)劃因子的空間運算得到氣象環(huán)境因子空間分布圖。Kriging 插值法是根據(jù)一個區(qū)域內(nèi)外若干信息樣品的某些特征數(shù)據(jù)值，對該區(qū)域作出一種線性無偏和最小估計方差的估計方法，從數(shù)學(xué)角度來說，它是一種求最優(yōu)線性無偏內(nèi)插估計量的方法[19-20]。其表達式為：

式中：Z（x0）為未知樣點的數(shù)值，Z（xi）未知樣點周圍的已知樣點數(shù)值，λi為第 i 個已知樣本點對未知樣點的權(quán)重值，n為已知樣點的個數(shù)。

1.3.2?多因素綜合加權(quán)評價法

多因素綜合加權(quán)評價法是把各個環(huán)境因子作用程度的大小集中于一個數(shù)量化指標(biāo)，進行綜合分析評價對象的優(yōu)劣。該方法綜合考慮各個影響要素，將各要素分別賦予不同的權(quán)重，從而達到多因素綜合評價的目的[21]。其表達式為：

其中Qi表示某一評價指標(biāo)的具體值，Wi表示該指標(biāo)的權(quán)重，m表示指標(biāo)數(shù)量，U表示該地區(qū)多指標(biāo)環(huán)境因子綜合評價得分。采用打分模型賦值評判，根據(jù)打分將規(guī)劃區(qū)域不同樹種的生態(tài)適宜程度進行排序，將等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的間斷點作為指標(biāo)，對應(yīng)為優(yōu)生區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和非適宜區(qū)四個等級。

1.3.3?相關(guān)軟件

采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.2軟件通過Kriging插值法獲取氣象環(huán)境因子空間分布圖，然后進行多因素綜合加權(quán)評價分析，根據(jù)分析結(jié)果繪制區(qū)域適宜性評價結(jié)果分布圖。

1.4?評價過程

1.4.1?生態(tài)適宜性環(huán)境評價層次確定與標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)臨汾市西山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)條件和果樹資源調(diào)查相關(guān)數(shù)據(jù)，以及研究數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究選取了該地區(qū)栽培面積最大的蘋果、梨、核桃、棗、葡萄、桃、杏等樹種作為研究對象。根據(jù)專家和相關(guān)文獻的建議，果樹生態(tài)適宜性環(huán)境因子評價指標(biāo)體系可分為兩個層次，第1層分為3大類：氣候因子、土壤因子和地勢因子;第2層包含8個評價要素：氣候因子（日照時數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無霜期、降雨量），土壤因子（土壤有機質(zhì)含量、土壤pH值），地勢因子（海拔高度）。因所選環(huán)境因子的量綱不同，需要進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用區(qū)間賦值法，該方法是將規(guī)劃區(qū)域的環(huán)境因子不同樹種環(huán)境因子適宜性的匹配度賦予不同的分值，然后乘以各因子在整個評價模型中的權(quán)重，使結(jié)果落到[0，1]區(qū)間，將環(huán)境因子評價指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可比較的無量綱數(shù)值（表1-3）。

1.4.2?生態(tài)適宜性環(huán)境評價因子權(quán)重計算矩陣構(gòu)建

決策因素權(quán)重確定的方法主要有客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法?？陀^賦權(quán)法是按照一定的原則和計算方法對各影響因子自動賦權(quán)的方法，主觀賦權(quán)法是通過專家咨詢等方法，根據(jù)實踐經(jīng)驗對各影響因子的重要性進行排序賦權(quán)，如模糊綜合分析法、德爾菲分析法等[24-25]。本研究采用的專家咨詢和模糊綜合分析法。分析層次構(gòu)建以后，確定了環(huán)境因子的上下層歸屬關(guān)系，第1層是A為目標(biāo)層，第2層B分為3種不同類型的影響因子（氣候、土壤、地勢），第3層是C，不同類型影響因子所包含的8個評價要素（日照時數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無霜期、降雨量、土壤pH值、土壤有機質(zhì)、海拔高度）。通過專家咨詢法和文獻查閱法，根據(jù)3種影響因子以及其所包含評價要素的重要程度分別賦權(quán)，構(gòu)建權(quán)重計算矩陣（表4）。

1.4.3?ArcGIS疊加分析

在ArcGIS10.2中導(dǎo)入3種果樹生態(tài)適宜性評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，進行圖層疊加運算分析。計算模型如下：

其中G為代表各層次綜合評價得分，W代表個評價因子的權(quán)重，A、B、C分別代表不同的評價層次。

2?結(jié)果與分析

根據(jù)綜合評價得分，將不同果樹的生態(tài)適宜性分為優(yōu)生區(qū)（U≥0.8）、適宜區(qū)（0.7≤U<0.8）、次適宜區(qū)（0.5≤U<0.7）和非適宜區(qū)（U<0.5）4個等級。根據(jù)評價結(jié)果繪制主要樹種在臨汾市西山地區(qū)的適宜性分布圖。

2.1?蘋果生態(tài)適宜性評價結(jié)果分析

通過生態(tài)適宜性綜合評價結(jié)果看（圖1），蘋果是臨汾市西山地區(qū)較為適宜的樹種。優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋的區(qū)域面積占到該區(qū)域的面積的75%以上，只有少量地區(qū)處于次適宜區(qū)，沒有非適宜區(qū)，優(yōu)生區(qū)主要位于吉縣和鄉(xiāng)寧地區(qū)。

2.2?梨生態(tài)適宜性評價結(jié)果分析

通過生態(tài)適宜性綜合評價結(jié)果看（圖2），在選擇的樹種中，梨的優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋的范圍占該地區(qū)面積的80%以上，其中優(yōu)生區(qū)覆蓋的區(qū)域主要分布在隰縣、大寧、吉縣、永和、鄉(xiāng)寧等地。

2.3?核桃生態(tài)適宜性評價結(jié)果分析

通過生態(tài)適宜性綜合評價結(jié)果看（圖3），核桃在該地區(qū)的生態(tài)適宜性區(qū)域有限，優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋區(qū)域不到一半。優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在汾西、蒲縣、大寧、鄉(xiāng)寧等地，其中優(yōu)生區(qū)覆蓋的范圍只有大寧的少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3?結(jié)論與討論

從生態(tài)適宜性要素評價結(jié)果分析，蘋果種植在該地區(qū)的優(yōu)勢環(huán)境因子主要有日照時數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無霜期和海拔高度，制約因素是降雨量、土壤有機質(zhì)含量和酸堿度。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀看，蘋果產(chǎn)業(yè)在永和、汾西和鄉(xiāng)寧等地還有較大的發(fā)展空間。梨樹的生態(tài)適宜性評價結(jié)果顯示，其優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)在該地區(qū)的分布范圍較廣，但目前梨樹種植目前主要集中在隰縣，其種植面積遠低于蘋果，梨樹產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢遠沒有發(fā)揮出來，梨果生產(chǎn)在永和、大寧、吉縣、鄉(xiāng)寧和汾西等縣還有較大的增長空間。核桃種植在該地區(qū)的優(yōu)勢環(huán)境因子有年平均氣溫和無霜期，但不利因素有有效積溫、日照時數(shù)和海拔高度等，制約因素有降雨量、土壤有機質(zhì)含量和酸堿度。分析結(jié)果顯示，次適宜區(qū)和非適宜區(qū)的覆蓋面積在60%以上，因此核桃產(chǎn)業(yè)在該地區(qū)不宜繼續(xù)擴張。

參考文獻

[1]戴?旭.農(nóng)業(yè)土地評價的理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，1995：20-21.

[2]Kear B S，Dent D，Young A. Soil survey and land evaluation[J].J Ecol，1982，70（3）：911.

[3]裴新富.萬家寨水利樞紐區(qū)土地適宜性評價系統(tǒng)模型研究[J].中國水土保持，1996（6）：44-49.

[4]日高修吾，黃智敏，黃?璟，等.四湖地區(qū)澇漬地農(nóng)用土地適宜性評價[J].長江流域資源與環(huán)境，2002，11 （1）：52-55.

[5]尹啟后，何勁耘.四川省涪陵市未利用土地適宜性評價和開發(fā)利用研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） ，1995， 20（6）：693-699.

[6]王學(xué)雷，李蓉蓉. 江漢平原農(nóng)用土地適宜性評價的方 法及其應(yīng)用研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2000，22 （S1）：84-87.

[7]張建明，郁光磊，璩向?qū)? 寧夏南部黃土高原地區(qū)土地適宜性評價研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） ， 1999， 20（2）：154-156.

[8]張兆福，王新懷.丘陵地區(qū)土地適宜性評價的理論與實踐[J].四川師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版） ，1996，17 （2）：61-65.

[9]張小川，賈善剛，聶鳳英.國外農(nóng)業(yè)區(qū)域?qū)I(yè)化發(fā)展進程及其政策措施[J].期中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2003，24（6）：1-7.

[10]郭煥成.國外農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究現(xiàn)狀、特點及發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，1989（2）：51-55.

[11]陶紅軍，陳體珠.農(nóng)業(yè)區(qū)劃理論和實踐研究文獻綜述[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2014，35（2）：51-55.

[12]于彥亮.關(guān)于 “農(nóng)業(yè)區(qū)劃”概念的現(xiàn)代思考[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，1993（1）：37-39.

[13]李?曉，林正雨，何?鵬，等.區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)劃理論與方法研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，23（3）：953-958.

[14]陳善沐.關(guān)于農(nóng)業(yè)區(qū)劃學(xué)科若干理論問題探討[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，1989（2）：44-47.

[15]吳光林.果樹生態(tài)學(xué)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1990，45-57.

[16]賈獻松.河北省太行山區(qū)主要果樹種植適宜性與優(yōu)化布局研究[D].河北保定，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[17]黃偉嬌，黃炎和，金志鳳.基于 GIS 的杭州市山核桃種植生態(tài)適宜性評價[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，25（4）：845-851.

[18]山西省農(nóng)業(yè)自然資源叢書（臨汾地區(qū)卷）[M].北京：中國地圖出版社，1991，27-39.

[19]敖?芹，谷曉平，于?飛，等.貴州刺梨氣候適宜性研究[J].中國農(nóng)學(xué)通通報，2013，29（34）：177-185.

[20]徐保根，薛繼斌.區(qū)域土地生態(tài)適宜性可拓評價模型及其應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)報，2006，14（2）：210-212.

[21]陳尚謨，黃壽波，溫福光.果樹果樹氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，1988，18-42.

[22]張玉星.果樹栽培學(xué)總論（第四版）[M]﹒北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2011，117-141.

[23]張玉星.果樹栽培學(xué)各論（第三版）[M]﹒北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003，11-299.

[24]史春彥，張前東，張艷菲.基于GIS的紫薯種植適宜性氣候分析—以濟南市長清區(qū)為例[J]. 青海氣象，54-58.

[25]李志洲.基于 GIS 技術(shù)的福建若干果樹用地區(qū)劃[D].福建福州，福建農(nóng)林大學(xué)，2010.