地形因素對廣西水稻分布和產(chǎn)量的影響研究

吳 婧， 梁 巧， 童新華*

(1.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 廣西 南寧 530001; 2.玉林市玉州區(qū)名山街道國土規(guī)建環(huán)保安監(jiān)站， 廣西 玉林 537000)

中國是人口大國，全國有65%以上的人口以稻米為主食[1]。作為人民生活的必需品，糧食安全必須得到保障?！笆濉睍r期是全面建成小康社會的決勝時期，隨著經(jīng)濟(jì)、消費及人口的持續(xù)增長，糧食需求量不斷增長[2]。因此，研究影響糧食產(chǎn)量的各種因素，對保證糧食產(chǎn)量具有重要意義。

水稻在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位極為重要，明晰水稻生產(chǎn)的影響因素是保證糧食安全的重要前提。已有學(xué)者從土壤水分、氣候、氮肥管理等方面對水稻產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，如鄭桂萍等[3]討論了土壤水分對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響；譚詩琪等[4]探討氣象災(zāi)害對湖南省水稻影響研究；賀帆等[5]探究氮肥管理對水稻產(chǎn)量的影響；而針對環(huán)境因子對水稻產(chǎn)量影響的研究卻鮮有報道。地形通過影響人類生產(chǎn)生活直接影響水稻生產(chǎn)活動空間分布，而且還通過影響區(qū)域的水、熱、養(yǎng)分的再分配，間接影響作物的產(chǎn)量和物候[6]。國外關(guān)于地形因素與作物產(chǎn)量的影響研究較為普遍，Kravchenko等[7]研究發(fā)現(xiàn)，坡度影響著作物的分布，農(nóng)作物多分布在海拔較低且坡度較緩的區(qū)域；Godwin[8]則認(rèn)為地形影響了作物的產(chǎn)量高低；Marques等[9]認(rèn)為作物平均產(chǎn)量與地形因素存在相關(guān)性。而國內(nèi)更多的是研究地形與耕地的動態(tài)變化，韋樂章等[10]研究發(fā)現(xiàn)耕地的空間分布與變化對地形十分敏感；臧玉珠等[11]研究了井岡山耕地變化格局與地形梯度效應(yīng)；李欣等[12]分析了鄱陽湖地區(qū)耕地格局變化與地形因子的影響。上述學(xué)者更多的是關(guān)注地形因子與土地利用格局變化之間的影響，耕地作為其中的一部分被討論，缺乏地形因素對水稻生產(chǎn)、分布影響的研究。因此，了解地形因素對水稻空間分布及水稻產(chǎn)量之間的關(guān)系對糧食安全具有重要意義。但目前，僅有就氣候變化、水稻品種對廣西水稻產(chǎn)量的影響方面的研究[13-14]，缺乏地形因子對水稻產(chǎn)量影響的研究報道，而廣西作為典型的喀斯特地區(qū)，山地眾多，地形復(fù)雜，更具有研究意義。因此，評估地形因素對廣西水稻分布和產(chǎn)量的影響顯得尤為必要。

水稻是糧食安全的重要保證，研究水稻產(chǎn)量的影響對糧食安全具有重要的意義，尤其是種植條件較為惡劣的喀斯特地區(qū)。因此，本文以廣西為例，基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、水稻種植區(qū)及水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)，嘗試采用空間分析方法探討地形因素對廣西水稻分布和產(chǎn)量的影響。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置示意圖

廣西壯族自治區(qū)，簡稱“桂”，截至2017年，下轄110個縣級行政區(qū)，位于中國華南地區(qū)。廣西西北部與云貴高原接壤，中部與南部多為丘陵平地，地勢自西北向東南傾斜，呈現(xiàn)四周高中間低，素有“廣西盆地”之稱。廣西處于低緯度地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光熱充沛，降水充足，年均降雨量1500 mm以上，此外，廣西境內(nèi)河流眾多，水利資源豐富，為水稻的種植提供了有利的自然條件。水稻是廣西最主要的糧食作物，在廣西農(nóng)作物類別中種植面積第一[15]，根據(jù)《2017廣西統(tǒng)計年鑒》[16]的數(shù)據(jù)，2017年全區(qū)水稻播種面積為218.04萬公頃，多分布于桂南、桂東南及沿河地帶，水稻總產(chǎn)量達(dá)1 482.72萬噸。圖1為研究區(qū)位置示意圖。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)據(jù)、水稻種植區(qū)及水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云[17]，空間分辨率為30 m，由于潿洲島部分的DEM未能獲取到，因此不對潿洲島進(jìn)行研究。本文認(rèn)為水田即為水稻種植區(qū)，水田數(shù)據(jù)來源于課題組從各縣市收集的2017年土地利用變更數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件，提取水田數(shù)據(jù)，用以分析水稻種植區(qū)與地形因素的影響。水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《2017廣西統(tǒng)計年鑒》[16]。

2.2 研究方法

2.2.1 地形因子的選擇與提取

地形因子是一個包括高程、坡度、坡向等因子在內(nèi)的多維變量[18]，這些不同維度上的變量都對區(qū)域內(nèi)的水、熱、養(yǎng)分有再分配的作用，并且都與地表物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)換有著直接聯(lián)系[19]。地形特征可以通過不同的地形因子側(cè)面反映，同時地形因子也包含了不同的地形信息。參考前人的研究成果，同時結(jié)合研究區(qū)域的實際情況，按照微觀因子和宏觀因子分類，本文初步選取了高程、坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、高程變異系數(shù)6種地形指數(shù)進(jìn)行研究。其中高程、坡度、坡向可以通過Arcgis 10.2表面分析進(jìn)行獲取，地形起伏度、地表粗糙度及高程變異系數(shù)則通過以下公式計算獲得。

地形起伏度指一定范圍內(nèi)高程差值，即最大值和最小值的差值[20]，是描述地貌形態(tài)的定量指標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)公式為

R=Zmax-Zmin，

(1)

其中R代表一定區(qū)域范圍內(nèi)的地形起伏度，Zmax表示該范圍內(nèi)最高點的高程值，Zmin則表示該范圍內(nèi)最低點的高程值。

粗糙度可以用來衡量地表起伏變化與侵蝕程度，同時也能反映地表抗風(fēng)蝕的能力強(qiáng)弱，對分析和評價地表的侵蝕程度具有不可或缺的參考作用[21]。其計算公式為

(2)

其中M代表地表粗糙度，slope代表同一DEM圖層的坡度，π是圓周率(在計算中保留兩位小數(shù)，取3.14)。

在一定距離范圍內(nèi)，區(qū)域高程的相對變化可以用高程變異系數(shù)來表示，其值為高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，高程變異系數(shù)計算公式為

VCEi=Si/Zi，

(3)

其中VCEi表示某區(qū)域的高程變異系數(shù)，Si表示該區(qū)域的高程標(biāo)準(zhǔn)差，Zi表示平均高程，i表示某區(qū)域的編號。在ArcGIS中，通常運(yùn)用鄰域分析工具提取高程變異系數(shù)。

根據(jù)地區(qū)特點及數(shù)據(jù)的可定量性對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級[12]，為便于分析高程，基于常規(guī)的地貌類型劃分及廣西的實際情況，將>1000 m和≤200 m以下各分為一級，>200～≤1000 m高程每隔200 m分為一級，將其分為6級；從廣西DEM中提取的坡度中可以獲取信息，廣西的坡度在0°～86.191 4°范圍內(nèi)，本文結(jié)合了國際地理學(xué)聯(lián)合會提出的六級坡度分類法和實際情況，將廣西的坡度分成6個等級；坡向由正北方向起算，以0°為正北方向，然后按順時針方向旋轉(zhuǎn)，取值在0°～360°范圍內(nèi)，將坡向由0°～360°分為5個等級；由公式(1)計算可得廣西地形起伏度，按照我國數(shù)字地貌制圖規(guī)范，對其進(jìn)行重分類并劃分為5個級別；由于地表粗糙度和高程變異系數(shù)沒有相關(guān)研究，因此本文采用自然斷點法進(jìn)行分級，與高程相對應(yīng)的也分為6級。具體結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 地形因子數(shù)據(jù)分類依據(jù)

2.2.2 相關(guān)性分析

以縣級行政區(qū)為分類區(qū)，對地形因子進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，再運(yùn)用SPSS的分析功能分析2017年的縣級水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)與各地形因子的平均值的相關(guān)性，以Person相關(guān)系數(shù)判斷相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行雙側(cè)顯著性檢驗。

3 結(jié)果分析

3.1 水稻種植區(qū)與地形指數(shù)的關(guān)系

3.1.1 高程對水稻種植區(qū)分布的影響

通過ArcGIS的疊加分析，將高程的分級圖與廣西的水田分布圖進(jìn)行疊加(圖3(a))，對疊加結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析，得到高程與水稻的種植分布之間的關(guān)系(表2)。從圖3(a)及統(tǒng)計表2可以看出，水稻種植區(qū)的面積在第Ⅰ類高程(高程≤200 m)上的分布最廣，占比最高，達(dá)到了全廣西區(qū)域水田種植面積的68.21%，面積約為1 487 118.24 hm2，表明水田大多分布在高程200 m以下，而海拔200 m以下多為丘陵、平原，地勢平坦，土壤肥沃，利于水稻種植，同時也方便人們進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動；在第Ⅱ類別高程(200 m,400 m]中，水稻種植區(qū)的面積約為378 133.83 hm2，共占全區(qū)水田面積的17.34%；在第Ⅲ類別高程(400 m,600 m]中，水稻種植區(qū)的面積約為140 091.93 hm2，共占全區(qū)水田面積的6.43%；在第Ⅳ類(600 m,800 m]、第Ⅴ類(800 m,1000 m]占比比較接近，而第Ⅵ類(高程>1000 m)的高程中，幾乎沒有水田分布，其主要原因為廣西海拔400～800 m為低山，海拔800 m以上為中山，而山地廣泛分布著石灰土，不利于水稻的種植。

圖2 地形因子分級圖

圖3 地形因素與水田空間分布圖

表2 水田與高程空間分布結(jié)果統(tǒng)計表

3.1.2 坡度對水稻種植區(qū)分布的影響

廣西的水稻種植區(qū)域與坡度的分級圖疊加后(圖3(b))，得到水稻種植分布與坡度之間的關(guān)系。從統(tǒng)計結(jié)果來看，在第Ⅱ類(5°,15°]的坡度中水稻的種植面積最大，共計1 002 719.34 hm2，占全部水田面積的45.99%，第Ⅰ類[0°,5°]的面積共占821 198.16 hm2。相較而言，坡度在[0°,15°]范圍內(nèi)的區(qū)域更適合種植水稻；處于(15°,25°]和(25°,35°]范圍內(nèi)的次之，面積分別為266 050.17、74 287.62 hm2。坡度大于35°則水田分布較少，面積約為13 593.51 hm2，而在坡度大于45°的區(qū)域，水田分布更少，面積僅為2 296.71 hm2。坡度越大，坡面就越陡，降水時更容易造成水土流失，不利于水稻種植。

表3 水田與坡度空間分布結(jié)果統(tǒng)計表

3.1.3 坡向?qū)λ痉N植區(qū)分布的影響

圖3(c)為水稻種植區(qū)和坡向的疊加結(jié)果，對疊加結(jié)果進(jìn)行屬性的統(tǒng)計分析，可以得到坡向和水稻種植之間的關(guān)系。統(tǒng)計結(jié)果見表4。

從屬性統(tǒng)計表可以看出，水稻種植區(qū)在不同坡向類別上的差異并不大，占比也比較接近，在20%～30%之間波動。其中，位于半陰坡的面積最多，共計714 112.20 hm2，平坡的最少，共計23 231.16 hm2，在其余的3個類別坡向中，水田的面積相差并不大，差值僅在小范圍內(nèi)。綜合以上，在廣西區(qū)域內(nèi)，坡向?qū)τ谒痉N植區(qū)的分布雖然存在著一定的影響，但這種影響并不大。所以在種植水稻時，對坡向進(jìn)行適當(dāng)考慮即可。

3.1.4 地形起伏度對水稻種植區(qū)分布的影響

將地形起伏度與水稻種植區(qū)圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到的結(jié)果如圖3(d)所示，對其進(jìn)行屬性的統(tǒng)計匯總，結(jié)果見表5。

表5 水田與地形起伏度空間分布結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果及圖3(d)可以看出，水稻種植區(qū)域的分布在中起伏地區(qū)(70 m,200 m]最多，約占39.68%，面積約為865 092.33 hm2，中起伏地區(qū)多分布于桂南、桂中及桂東南地區(qū)，與水田種植區(qū)域分布相一致；其次，分布在大起伏地區(qū)(200 m,600 m]和小起伏地區(qū)(20 m,70 m]的面積分別排第二和第三，分布在大起伏地區(qū)的面積約為668 037.78 hm2，占全區(qū)水田種植面積的30.64%，分布在小起伏地區(qū)的面積約為628 626.15 hm2，占全區(qū)水田種植面積的28.83%；分布在極大起伏地區(qū)(>600 m)和平坦地區(qū)[0,20 m]的水田面積極少，占比均不到總面積的1%。由此可得，地形起伏度較為平坦緩和的地區(qū)(起伏度在200 m以下的地區(qū))水田的分布更為廣泛；地形起伏度在200 m以上的地區(qū)，水田的分布逐漸減少，尤其是地形起伏度大于600 m的地區(qū)，極少有水田的分布。其主要原因為地形起伏度的大小反映了地表的平整和破碎程度，影響農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度，不利于大規(guī)模農(nóng)業(yè)。

3.1.5 地表粗糙度對水稻種植區(qū)分布的影響

地表粗糙度的分級圖與水田分布圖進(jìn)行疊加(圖3(e))，將疊加得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表6)可以發(fā)現(xiàn)，水田幾乎都集中分布在第Ⅰ類[1,1.054 4]粗糙度上，占比89.53%，面積約為1 952 060.94 hm2；分布在第Ⅱ類、第Ⅲ類水田較少，僅占8.88%和1.44%；而第Ⅴ類和Ⅵ類幾乎沒有水田分布。地表粗糙度可以用來反映地表起伏和侵蝕程度，粗糙度越高，地形起伏越復(fù)雜，受侵蝕程度越高，會造成土壤流失，基巖裸露，不利于水稻種植。因此，地表粗糙度在[1,1.054 4]范圍內(nèi)的土地更適合水稻的種植。

表6 水田與粗糙度空間分布結(jié)果統(tǒng)計

3.1.6 高程變異系數(shù)對水稻種植區(qū)分布的影響

高程變異系數(shù)經(jīng)重分類后，與水稻種植區(qū)進(jìn)行疊加，結(jié)果如圖3(f)所示，將其屬性表信息進(jìn)行統(tǒng)計(表7)，可對高程變異系數(shù)與水稻種植區(qū)域的分布關(guān)系進(jìn)行分析。

表7 水田與變異系數(shù)空間分布結(jié)果統(tǒng)計

由圖3(f)及表7可以明顯地看出，分布在第Ⅱ類別(0.0713,2.2756]上的水田面積最廣，達(dá)到了1 819 691.82 hm2，占比高達(dá)83.46%；分布在第Ⅰ類別[0,0.0713]上的水田面積占比為16.54%；第Ⅲ(2.275 6,7.786 3]、第Ⅳ(7.786 3,16.603 4]類別上的水田面積分別是2.07、25.56 hm2，占比皆小于0.01%；而在第Ⅴ和Ⅵ類更是沒有水田分布。由此可以得出：高程變異系數(shù)在(0.071 3,2.275 6]范圍內(nèi)更利于水稻的種植，水稻種植應(yīng)多選在高程變異系數(shù)在此范圍內(nèi)的區(qū)域。

3.2 水稻產(chǎn)量與地形因子的相關(guān)性分析

運(yùn)用SPSS的分析功能對水稻產(chǎn)量和地形指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，以Person相關(guān)系數(shù)判斷相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行雙側(cè)顯著性檢驗(表8)。結(jié)果顯示，高程、坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、高程變異系數(shù)都與水稻產(chǎn)量存在相關(guān)關(guān)系。其中，高程、坡度、地形起伏度、地表粗糙度與水稻產(chǎn)量負(fù)相關(guān)，高程與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性是最強(qiáng)的，相關(guān)系數(shù)為-0.273，接下來相關(guān)性由強(qiáng)到弱依次是地表粗糙度、地形起伏度、坡度，相關(guān)系數(shù)分別是-0.266、-0.231、-0.205。而坡向和高程變異系數(shù)則與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，但二者與水稻產(chǎn)量之間的相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)分別是0.09和0.032?？傮w來說，高程、坡度、地形起伏度和地表粗糙度與水稻產(chǎn)量顯著相關(guān)，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；坡向和高程變異系數(shù)對水稻產(chǎn)量之間相關(guān)性不顯著，且呈正相關(guān)關(guān)系。

表8 水稻產(chǎn)量與地形指數(shù)的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

本文在GIS及SPSS技術(shù)支持下，通過提取地形因子，分析地形因素對水田分布及水稻產(chǎn)量的影響，得出以下結(jié)論。

(1)地形因素對廣西水田空間分布格局的影響呈現(xiàn)出較為顯著的特征。廣西水田主要分布在海拔200 m以下，坡度(5°,15°]，起伏度小于200 m，地面粗糙度[1,1.054 4]，高程變異系數(shù)(0.071 3,2.275 6]的桂南和桂東南低山丘陵的平原地區(qū)。同時，坡向因素對廣西的水田分布不明顯。

(2)在6個地形因子中，高程、坡度、地形起伏度、地表粗糙度與水稻產(chǎn)量顯著相關(guān)，且屬于負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，高程與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性是最強(qiáng)的，相關(guān)系數(shù)為-0.273，地表粗糙度、地形起伏度、坡度的相關(guān)程度依次減弱。坡向和高程變異系數(shù)與水稻產(chǎn)量正相關(guān)，但二者與水稻產(chǎn)量之間的相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)分別是0.09和0.032。

總而言之，水稻產(chǎn)量和高程、坡度、地形起伏度、地表粗糙度顯著相關(guān)，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；與坡向和高程變異系數(shù)的相關(guān)性并不顯著。

通過研究地形因素對廣西水稻分布和產(chǎn)量的影響，廣西水稻分布和產(chǎn)量受地形因素影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，從高程、坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)與水稻產(chǎn)量的關(guān)系來看，高程對水稻產(chǎn)量的影響最大，地表粗糙度、地形起伏度依次減弱，坡度最小。因此，在選擇水稻種植區(qū)域時，應(yīng)因地制宜地采取措施，根據(jù)區(qū)域特點及種植方式，應(yīng)將高程和地表粗糙度結(jié)合起來，優(yōu)先選擇二者組合最優(yōu)的區(qū)域。受數(shù)據(jù)可獲得性影響，本文僅對一個年份的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了研究，所能呈現(xiàn)的研究成果仍然有待擴(kuò)展。后續(xù)研究可以考慮增加研究的年期，從時空序列上進(jìn)行分析，更深刻地揭示地形因素對水稻分布和產(chǎn)量的影響規(guī)律。