基于GIS 的陜西省栽培牧草區(qū)劃

曹馨悅，李騰飛，王瑩瑩，靳旭妹，劉崇義，陳新義，劉夢云，龍明秀

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

牧草區(qū)劃是根據(jù)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件及畜牧業(yè)對牧草的需求而進(jìn)行的區(qū)域性規(guī)劃[1-2]?？茖W(xué)的牧草區(qū)劃對我國草業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展有重要的服務(wù)和指導(dǎo)作用。我國學(xué)者在植被區(qū)劃研究方面做了大量工作[3-10]。張麗君等[11]將我國苜蓿屬地方品種劃分為7 個(gè)生態(tài)類型，系統(tǒng)的栽培牧草區(qū)劃研究與單一草種相比較少。迄今為止，較為系統(tǒng)全面的栽培牧草區(qū)劃仍為1984 年編制完成的《中國多年生栽培草種區(qū)劃》[12]，近年來，學(xué)者們基于自然要素的分布適宜性評價(jià)模型和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)，結(jié)合牧草生物學(xué)特性，綜合考慮各因子進(jìn)行系統(tǒng)分析，對我國主要栽培牧草進(jìn)行適宜性區(qū)劃，是我國栽培牧草區(qū)劃史上質(zhì)的飛躍。但針對各省(市)精確到以縣為單位的牧草區(qū)劃方案和適宜性分區(qū)研究尚少。

牧草區(qū)劃是指導(dǎo)牧草引種和優(yōu)質(zhì)牧草生產(chǎn)的前提，對于促進(jìn)陜西省草牧業(yè)的健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)更具重要意義。近年來，陜西省已建成一大批標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)代畜牧業(yè)養(yǎng)殖和畜產(chǎn)品加工企業(yè)，秦川牛、關(guān)中奶山羊、陜北絨山羊等地方特色品種在全國享有盛名。隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)草產(chǎn)品的需求也大幅度增加。促進(jìn)陜西草業(yè)的發(fā)展，準(zhǔn)確解答在哪里？種什么？怎么種？這些問題成為關(guān)鍵。因此，有針對性地進(jìn)行地域性牧草區(qū)劃十分必要。本研究以主要牧草生長發(fā)育的關(guān)鍵因子為指標(biāo)，采用 GIS 技術(shù)和適宜性區(qū)劃模型分析，結(jié)合陜西省地形數(shù)據(jù)、主要?dú)庀髷?shù)據(jù)和土壤性狀指標(biāo)，對陜西省主要栽培牧草進(jìn)科學(xué)合理地區(qū)劃。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省(105°29′ - 111°15′ E, 31°42′ - 39°35′ N)位于西北內(nèi)陸腹地，橫跨黃河和長江兩大流域中部，是連接中國東、中部地區(qū)和西北、西南的重要樞紐。自然區(qū)劃上因秦嶺-淮河一線而橫跨北方與南方。陜西省地跨北溫帶與亞熱帶，年均氣溫?3～17 ℃，年降水量340～1 240 mm，由北向南逐漸遞增，西部降水略多于東部。全省95%以上區(qū)域土壤的pH 5.6～8.5，適宜多種作物和牧草生長。近年來，陜西省將畜牧業(yè)作為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主攻方向，同時(shí)還是蒙牛、伊利以及銀橋等大型奶業(yè)企業(yè)的奶源基地，加之秦川牛肉牛業(yè)的發(fā)展，奶山羊、絨山羊的養(yǎng)殖特色，形成了陜西牧草需求的重大市場。為此大力推進(jìn)糧改飼，發(fā)展商品化青貯飼料生產(chǎn)，全省年均調(diào)整糧改飼3.3 萬 hm2以上。以陜北、渭北為重點(diǎn)，建設(shè)牧草種子繁育基地，每年新增優(yōu)質(zhì)飼草保留面積0.13 萬 hm2以上[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)的ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù)集，原始分辨率為30 m × 30 m。根據(jù)陜西省的 DEM 數(shù)據(jù)提取坡度值，降水量、年均溫是根據(jù)2010-2016 年的年均數(shù)據(jù)，利用各氣象站點(diǎn)插值后計(jì)算而得，所有指標(biāo)空間分辨率重采樣為120 m × 120 m。土壤pH 數(shù)據(jù)來源于1979 年全國第2 次土壤大普查，地形數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。各地方政府及當(dāng)?shù)夭菰镜葐挝辉跉庀蟆⑼寥?、牧草引種試驗(yàn)等方面提供了大量的原始牧草生物學(xué)特性有關(guān)數(shù)據(jù)，如每種牧草適宜年降水量、年均溫以及土壤pH 范圍等。陜西省矢量邊界數(shù)據(jù)是從全國1 ? 400 萬行政邊界數(shù)據(jù)中提取的。

1.2.2 區(qū)劃方法

本研究先基于因素層分別計(jì)算各指標(biāo)的牧草適生圖層及得分，然后將評價(jià)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和，最后采用自然間斷點(diǎn)分級法對區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行等級劃分并以相應(yīng)圖層展示，得分越高越適宜牧草種植。主要分為適宜、次適宜及不適宜3 個(gè)等級。研究中不適宜牧草種植地區(qū)河流、湖泊占地等都通過GIS圖層疊加去除，圖層展示空白部分即為去除部分。

1.2.3 指標(biāo)體系

基于牧草生物學(xué)特性，選擇地貌類型、坡度、年均溫、年降水量、土壤pH 等構(gòu)成決定牧草能否種植的主要指標(biāo)體系作為適宜性評價(jià)的依據(jù)。具體指標(biāo)包括：牧草能夠忍受的極端低溫(T-min)、極端高溫(T-max)，牧草最適宜的低溫(T-min1)、高溫(Tmax2)；牧草能夠忍受的極端最小降水量(P-min)、極端最大降水量(P-max)、牧草最適宜的最小降水量(P-min1)、最大降水量(P-max2)；牧草能夠忍受的極端最小pH (pH-min)、極端最大pH (pH-max)、牧草最適宜的最小pH (pH-min1)、最大pH (pH-max2)；以及地貌類型(Landforms)、坡度(Slope)。

1.2.4 主要影響指標(biāo)隸屬函數(shù)的構(gòu)建

牧草生長與其相應(yīng)指標(biāo)之間的關(guān)系是采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論和層次分析法[14-17]建立的，主要包括各指標(biāo)隸屬函數(shù)的構(gòu)建和各指標(biāo)之間權(quán)重的確立。依據(jù)前人研究結(jié)論[18]，牧草對其生長環(huán)境的適應(yīng)程度主要取決于牧草生物特性中的幾個(gè)主要指標(biāo)與其生長環(huán)境之間的隸屬程度。根據(jù)文獻(xiàn)資料和專家指導(dǎo)采用模糊邏輯原理建立各指標(biāo)之間的隸屬函數(shù)，再利用層次分析法[19-21]確定各個(gè)指標(biāo)之間的權(quán)重，最后確立牧草的適宜性表達(dá)式。本研究選取紫花苜蓿(Medicago sativa)、紅豆草(Onobrychis viciaefolia) 兩種豆科牧草和多年生黑麥草(Lolium perenne)、冰草(Agropyron cristatum) 兩種禾本科牧草作為代表性樣例進(jìn)行模型驗(yàn)證與分析。

根據(jù)影響牧草生長發(fā)育的主要因素，在牧草生長指標(biāo)極端值范圍內(nèi)采用百分制對生長適宜性進(jìn)行分?jǐn)?shù)的賦值，按照指標(biāo)適宜性取值范圍，適宜度越高分?jǐn)?shù)越大，反之分?jǐn)?shù)越??；然后利用MATLAB工具箱進(jìn)行隸屬函數(shù)關(guān)系式擬合，建立隸屬函數(shù)(表1)。

表1 4 種牧草各區(qū)劃指標(biāo)的隸屬關(guān)系式Table 1 The subordination formula of each division index of 4 kinds of forage

隸屬函數(shù)精度以R2作為相關(guān)評價(jià)系數(shù)，R2越高，說明模型擬合度越好。各函數(shù)的R2均超過了0.8，表明函數(shù)擬合優(yōu)度較高，函數(shù)結(jié)果比較精確。構(gòu)建地形地貌的隸屬函數(shù)需要根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論[22]把定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，在前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合牧草生長對其環(huán)境的適應(yīng)程度賦予陜西省地形地貌相應(yīng)的隸屬度值(表2)。本模型中各種栽培牧草對地形地貌的適應(yīng)程度采用一致的賦值方式。

表2 陜西省地形地貌相應(yīng)隸屬度值Table 2 Corresponding membership degrees of topography and geomorphology in Shaanxi Province

1.2.5 牧草適宜性表達(dá)式的確立

確定牧草適宜性表達(dá)式的關(guān)鍵在于各個(gè)指標(biāo)權(quán)重的確定，采用層次分析法與專家打分確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。適宜性表達(dá)式的構(gòu)建過程中，溫度、降水量、土壤酸堿度是影響牧草分布的主導(dǎo)因子，權(quán)重分別為0.24、0.36 和0.2。溫度是牧草生命活動最基本的生態(tài)因子，牧草只有在一定的溫度條件下才能生長發(fā)育，達(dá)到一定的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)牧草的生長只有在一定的細(xì)胞水分狀態(tài)下才能進(jìn)行，細(xì)胞的增長和分裂離不開水，所以氣候占較大的權(quán)重。但是陜西省各個(gè)縣(區(qū))溫度的變化整體差異不大，所以年均降水量的權(quán)重大于年均溫的權(quán)重。土壤pH 與土壤的理化性質(zhì)、微生物活動、有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素的含量密切相關(guān)，直接影響著牧草的生長發(fā)育，而地形則是通過影響水分的分布、光照的長短、海拔的高低等間接影響牧草的生長，坡度和地形地貌的權(quán)重分別為0.1。

結(jié)合牧草的生物學(xué)特性，擬合得出的適宜性表達(dá)式為：

式中：F為適宜性綜合得分，P1為年降水量權(quán)重，Tp為年降水量適宜性得分；P2為年均溫權(quán)重，Tt為年均溫適宜性得分；P3為土壤酸堿度權(quán)重，TpH為土壤酸堿度適宜性得分；P4為地形地貌權(quán)重，Tl為地形地貌隸屬函數(shù)；P5為坡度權(quán)重，Ts為坡度適宜性得分；d 為“一票否決”控制系數(shù)，年降水量隸屬函數(shù)Tp、年均溫隸屬函數(shù)Tt、土壤酸堿度隸屬函數(shù)TpH、地形地貌隸屬函數(shù)Tl、坡度隸屬函數(shù)Ts符合“一票否決”。

建立綜合指標(biāo)系數(shù)的隸屬函數(shù)：

最后根據(jù)適宜性綜合得分，將牧草區(qū)劃結(jié)果劃分為不適宜[0～30)、次適宜[30～70]和適宜(70～100] 3 個(gè)等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜性表達(dá)式驗(yàn)證

牧草適宜性區(qū)劃模型涉及多個(gè)指標(biāo)，為量化解析不同指標(biāo)在模型中對牧草區(qū)劃適宜性得分的影響程度，以冰草為例，以適宜性區(qū)劃最終得分為被解釋變量，以年降水量、年均溫、土壤pH、地貌類型、坡度5 個(gè)指標(biāo)為解釋變量進(jìn)行RDA 方差分解，以期厘清不同類型的環(huán)境因素對冰草生長的貢獻(xiàn)程度以及它們之間的協(xié)同效應(yīng)、純效應(yīng)[23]。從圖1 可以看出，氣象要素和土壤pH 共同對冰草生長的影響最強(qiáng)(56%)，各指標(biāo)組對冰草生長的解釋能力依次為氣象要素(64%) > 土壤pH (60%) > 地形要素(4%)。對于被解釋的部分，氣象要素的解釋能力最好，約5%的綜合得分為氣象要素引起；土壤pH 和地形要素對綜合得分均只有1%的解釋，表明冰草的分布對氣象要素最為敏感。這一結(jié)果符合牧草生物學(xué)特性。

圖1 環(huán)境變量對冰草生長的影響Figure 1 The influence of environmental variables on the growth of wheatgrass

2.2 適宜性區(qū)劃結(jié)果

2.2.1 紫花苜蓿、紅豆草適宜性區(qū)劃

利用GIS 空間分析技術(shù)對區(qū)劃指標(biāo)柵格歸一化，再進(jìn)行疊加分析、重分類等處理，得出陜西省栽培牧草適宜性得分。按照牧草種植適宜性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，生成陜西省牧草適宜性區(qū)劃圖。紫花苜蓿和紅豆草均為家畜的上等飼草，生物學(xué)特性較為接近，適宜性區(qū)劃分布區(qū)域大體上為陜西省南部不適宜，北部適宜。干燥溫暖的氣候均適宜2 種豆科牧草的生長，紅豆草抗旱性極強(qiáng)，抗旱能力超過紫花苜蓿，但抗寒能力不及紫花苜蓿。

西北為我國苜蓿主產(chǎn)區(qū)，溫度、土壤等都適宜苜蓿的生長，在綠洲區(qū)及有水源地區(qū)都為適宜區(qū)[24]。陜西關(guān)中平原是我國苜蓿最早種植的地區(qū)，陜北黃土高原區(qū)也比較適宜苜蓿生長。紫花苜蓿在陜西省全省范圍內(nèi)適應(yīng)性較廣，大部分地區(qū)處于適宜區(qū)和次適宜區(qū)，只有最南端的部分地區(qū)不適宜種植(圖2)。適宜區(qū)分為兩部分：一部分為陜北榆林市和延安市交界地帶，地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，黃土高原大部分地區(qū)都適宜苜蓿種植[25-26]。這一部分包括榆林市的定邊縣、靖邊縣、橫山縣、神木縣等長城沿線風(fēng)沙地帶；還有聚集在無定河流域的佳縣、米脂縣、子洲縣、綏德縣、吳堡縣、清澗縣等；延安市主要聚集在吳起縣、志丹縣以及安塞縣、子長縣的最北部地區(qū)。一部分為關(guān)中平原一帶及與其接壤的漢中市、安康市小部分地區(qū)和商洛市大部分地區(qū)，關(guān)中地區(qū)主要包括寶雞市的除麟游縣之外大部分縣(區(qū))，西安市主要是在周至縣，漢中市包括略陽縣及勉縣、留壩縣的北部地區(qū)，商洛市的7 個(gè)縣(區(qū))均有分布。次適宜區(qū)占大部分，全省幾乎都有分布，但主要位于陜北黃土高原一帶，主要包括安塞縣、子長縣、清澗縣一線以南的縣(區(qū))。不適宜區(qū)主要分布在陜南，其降水量均達(dá)1 000 mm 以上，包括南鄭縣和西鄉(xiāng)縣、石泉縣、寧陜縣、鎮(zhèn)安縣一線以南地區(qū)。

紅豆草在我國乃至全球的需求量都比較高[27-28]，在陜西省的適宜和不適宜分布地區(qū)較為集中(圖2)，黃土高原區(qū)大部分區(qū)域也是紅豆草適宜區(qū)。適宜區(qū)主要分布在陜北高原一帶及其與其相鄰的關(guān)中平原的北部部分。陜北高原包括榆林市和延安市的大部分地區(qū)，定邊縣、甘泉縣、富縣、黃陵縣、黃龍縣除外，關(guān)中一帶主要在寶雞市、咸陽市的北部地區(qū)，包括隴縣、千陽縣、麟游縣、鳳翔縣、岐山縣、長武縣、彬縣、旬邑縣、永壽縣等以及渭南市的大部分地區(qū)。次適宜區(qū)在全省范圍內(nèi)零散分布，主要集中在關(guān)中與陜南的交界地帶。主要包括寶雞市、咸陽市的南端地區(qū)和銅川市、西安市的大部分地區(qū)，在陜南，主要在漢中市的略陽縣、留壩縣、佛坪縣等以及商洛市除柞水縣、鎮(zhèn)安縣以外的縣(區(qū))。不適宜地區(qū)位于陜南的南端大部分地區(qū)，包括漢中市、安康市的大部分縣(區(qū))，以及西安市、商洛市、安康市3 市接壤的縣(區(qū))。秦嶺-淮河是我國800 mm 等降水量線分界線[29]，陜南地區(qū)地處秦嶺以南地區(qū)，降水量豐沛[30]，濕度較大，不適宜紅豆草種植。

圖2 4 種牧草在陜西省的適宜性區(qū)劃分布Figure 2 Layout of the suitable areas for 4 kinds of forage in Shaanxi Province

2.2.2 多年生黑麥草、冰草適宜性區(qū)劃

多年生黑麥草喜溫涼濕潤氣候，在年降水量500～1 500 mm 的地區(qū)良好生長；而冰草抗寒性和抗旱性極強(qiáng)，適合在寒冷和干燥年降水量為250～500 mm 的地區(qū)種植。陜西省土壤的pH 在北部較高呈堿性，南部較低呈酸性，冰草較耐鹽堿，耐酸能力極差，導(dǎo)致陜南區(qū)域冰草無法種植。所以兩種禾本科牧草適宜性區(qū)劃分布區(qū)域相差較大。目前我國多年生黑麥草的種植面積較大，陜西省位居全國第2 位[31]。多年生黑麥草在陜北高原的適應(yīng)較差，不適宜種植。適宜區(qū)和次適宜區(qū)主要位于關(guān)中平原和陜南地區(qū)(圖2)。多年生黑麥草喜溫涼濕潤氣候，適宜區(qū)主要包括陜南的大部分地區(qū)，還有關(guān)中平原千陽縣、麟游縣、淳化縣、富平縣、蒲城縣一線以南的地區(qū)。適宜區(qū)在全省范圍內(nèi)分散分布且占比較少，沒有大面積成片的存在。不適宜區(qū)幾乎覆蓋陜北高原的全部省(市)，還包括關(guān)中平原的銅川市、咸陽市和寶雞市的北部地區(qū)。

冰草適合在干旱荒原和荒漠草原種植[32]。冰草在陜西省全省范圍內(nèi)適應(yīng)性較差，適宜區(qū)主要在陜北高原最北端長城沿線風(fēng)沙地帶，其余地區(qū)均為次適宜和不適宜種植地區(qū)(圖2)。適宜區(qū)主要在榆林市的定邊縣、靖邊縣、橫山縣、榆陽區(qū)、神木縣、府谷縣和佳縣等。次適宜區(qū)主要位于以長城沿線作為邊界以南的縣(區(qū))。不適宜地區(qū)占據(jù)陜南的全部縣(區(qū))，還包括關(guān)中一帶偏南的縣(區(qū))，例如西安市，寶雞市的鳳縣、太白縣，咸陽市的興平市、渭城區(qū)、涇陽縣、三原縣、禮泉縣的南部等，渭南市的蒲城縣、大荔縣、華縣、華陰區(qū)、潼關(guān)縣等。

3 小結(jié)

本研究基于已有的全國栽培牧草區(qū)劃方案，借助數(shù)字化手段對陜西省栽培牧草進(jìn)行區(qū)劃并以地圖形式呈現(xiàn)。在全國主要栽培牧草區(qū)劃方案中，辛?xí)云降萚26]根據(jù)牧草生物學(xué)特性選取溫度、降水量和土壤等一級指標(biāo)建立牧草生長適宜性表達(dá)式并獲得相應(yīng)分布圖，然后通過二級指標(biāo)體系，使用ArcGIS疊加分析獲得牧草適宜性分布圖，最后通過各指標(biāo)有效柵格占總柵格的百分比對其結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。本研究在陜西省牧草適宜性區(qū)劃時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況選取影響牧草生長的年降水量、年均溫、土壤pH、地形地貌、坡度5 個(gè)主要指標(biāo)根據(jù)表達(dá)式進(jìn)行適宜性綜合得分計(jì)算并獲得相應(yīng)分布圖。然而本研究中在適宜性表達(dá)式驗(yàn)證的過程中，環(huán)境變量對冰草適宜性綜合得分的綜合解釋能力為66%左右，此外34%的信息未得解釋，需要進(jìn)一步探究其他環(huán)境變量的作用。本研究僅在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了陜西省栽培牧草區(qū)劃方案的初步探索，雖選取的指標(biāo)不夠全面，但基本能代表影響牧草分布的主要因素，若條件允許，下一步將挖掘更多的相關(guān)資源和數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)一步優(yōu)化完善。

區(qū)劃具有長期性和戰(zhàn)略性的特點(diǎn)。本研究以陜北、關(guān)中、陜南3 個(gè)不同的氣候區(qū)和立地類型，基于GIS 技術(shù)完成陜西省主要栽培牧草資源的梳理，制定出牧草生態(tài)適宜性區(qū)劃方案，突破了傳統(tǒng)的區(qū)劃方式，以大量的栽培案例、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貧夂?、土壤等資料為基礎(chǔ)，對牧草適宜種植區(qū)域結(jié)合行政區(qū)劃進(jìn)行描述和劃分；將空間數(shù)據(jù)作為不可缺少的因素與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，改變了單一屬性數(shù)據(jù)分析的缺陷。決策方案可以對陜西省草業(yè)資源的空間屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)管理，在資源發(fā)生變化時(shí)，可隨時(shí)對資源數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，以便隨時(shí)為生產(chǎn)方案提供科學(xué)決策，為陜西省的草牧業(yè)發(fā)展提供科技支撐，也是智慧農(nóng)業(yè)開發(fā)的基礎(chǔ)。