天水大櫻桃生產(chǎn)空間演變與優(yōu)化研究

王廣玉，李富民

（1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741020；2.天水師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741000）

21世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)科學(xué)得到了快速發(fā)展，地理信息科學(xué)在農(nóng)作物空間演化和種植適宜性評(píng)價(jià)中發(fā)揮了巨大的作用。如在農(nóng)業(yè)空間演變研究中，張聰穎、肖智等人應(yīng)用GIS和重心理論分別研究了中國(guó)蘋果生產(chǎn)區(qū)域[1]和中國(guó)茶葉空間演變[2]；朱啟榮研究了中國(guó)棉花主產(chǎn)區(qū)的空間演變[3]；葉志標(biāo)等研究了小麥空間布局演變[4]等。而在大櫻桃研究中，如羅玉恒等從天水地形進(jìn)行大櫻桃種植空間分析[5]；姚小英等人通過建立氣候適宜度模型的方式對(duì)隴東南旱作區(qū)大櫻桃的氣候適宜性進(jìn)行了研究[6]；楊杰運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)西安市灞橋區(qū)土壤肥力評(píng)價(jià)與大櫻桃施肥進(jìn)行了研究[7]；劉慶泰等探討了溫度對(duì)大櫻桃的影響[8]；郭文利等通過對(duì)氣候條件進(jìn)行觀測(cè)的方式對(duì)北京市櫻桃溝流域的小氣候探析[9]；陳波等人利用傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法和現(xiàn)代的T-RFLP技術(shù)做了生物有機(jī)肥對(duì)櫻桃生長(zhǎng)及根際土壤生物學(xué)特征影響的分析[10]。從上述情況可以看出對(duì)大櫻桃種植的研究多集中于生態(tài)氣候指標(biāo)、土壤養(yǎng)分、引種及氣候變化對(duì)產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)的影響，而多因子的果樹適宜性評(píng)價(jià)及其空間演變特征及規(guī)律研究則相對(duì)欠缺。文章基于ArcGIS10.2平臺(tái)，在大櫻桃生產(chǎn)空間演變特征基礎(chǔ)上，運(yùn)用加權(quán)疊加法等對(duì)氣候、土壤養(yǎng)分、立地條件和技術(shù)與管理等多重因子對(duì)天水市國(guó)土空間進(jìn)行大櫻桃種植適宜性評(píng)價(jià)。通過大櫻桃生產(chǎn)演化規(guī)律和適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)天水市未來大櫻桃種植布局給予科學(xué)指導(dǎo)，為國(guó)土空間規(guī)劃做貢獻(xiàn)。

1研究區(qū)概況

天水市位于甘肅省東南部，東經(jīng)104°35′~106°44′、北緯34°05′~35°10′，橫跨黃河和長(zhǎng)江兩大水系，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱氣候[11]，年均氣溫11℃，年平均降水量490 mm，自西北向東南逐漸增加。南部年降水量在700~900 mm，中東部降水量約在600 mm以上，而渭河北部地區(qū)則不及500 mm。年均日照時(shí)數(shù)2 100 h，無(wú)霜期約185 d。天水境內(nèi)土層深厚，光照富足，雨水適中，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)炎暑，四季分明。且晝夜溫差大，光、熱、水、氣、土等主要自然條件匹配合理，是落葉果樹的最適產(chǎn)區(qū)。天水市地貌南北分異明顯，東南部以山地為主；北部則以黃土丘陵為主；中部經(jīng)渭河侵蝕堆積形成河谷地貌[12]。耕地土壤以黑壚土、黃綿土為主的耕作土壤，能有效提供大櫻桃生長(zhǎng)所需要的土壤養(yǎng)分。在天水國(guó)土空間范圍內(nèi)，有蘋果和大櫻桃種植的悠久歷史，而且國(guó)家頒布的《關(guān)中——天水經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)中——天水城市群發(fā)展規(guī)劃》以及甘肅省政府頒布的《甘肅省主題功能區(qū)規(guī)劃》中，都將天水市規(guī)劃為特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)，天水市政府為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，制訂了大櫻桃栽培的科技創(chuàng)新戰(zhàn)略，大櫻桃成為加快天水市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動(dòng)因子。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)天水市大櫻桃種植所需條件，選取氣候因子、土壤養(yǎng)分條件、立地條件和技術(shù)管理?xiàng)l件等4個(gè)方面的因素作為評(píng)價(jià)因子，所收集的數(shù)據(jù)資料及來源如下。

研究中所需要的氣候數(shù)據(jù)如氣溫、降水量、光照時(shí)數(shù)、積溫等以及氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)（如霜凍等）來源于天水市氣象局，數(shù)據(jù)年限為1984年—2018年。其他所需的數(shù)據(jù)如，1∶5萬(wàn)天水市行政區(qū)劃圖來源于天水市國(guó)土資源局；1∶5萬(wàn)天水市土地利用現(xiàn)狀圖，1∶5萬(wàn)天水市土壤類型圖及土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)來源于2005年中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心發(fā)布的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)；天水市數(shù)字高程圖來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http:∥www.gscloud.cn/），分辯率為30 m；大櫻桃種植及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于天水市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局和天水果業(yè)產(chǎn)業(yè)化辦公室以及天水市各縣區(qū)農(nóng)業(yè)局，數(shù)據(jù)年限為1984年—2019年；訪談數(shù)據(jù)（種植年限、產(chǎn)量、產(chǎn)值等）來源于各大櫻桃種植戶。

因來源于天水市果業(yè)產(chǎn)業(yè)化辦公室的數(shù)據(jù)缺乏1984年到2002年大櫻桃種植的相關(guān)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，所以在本文中，只選取3個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)（即1984年、2005年以及2019年）做大櫻桃空間演化研究。

2.2 研究方法

2.2.1 疊置法

疊置法，是將具備相同比例尺的圖層進(jìn)行疊加，產(chǎn)生封閉的圖斑，該結(jié)果將原有的要素分割成新的要素，得到新的圖層，該圖層綜合了原來多層要素所具有的屬性。利用疊重法來確定天水市大櫻桃栽培的適宜性評(píng)價(jià)單元。

2.2.2 層次分析法

層次分析法（analytic hierarchy process）是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty在20世紀(jì)70年代提出的，它是一種集定性和定量于一身的決策分析法。層次分析法的重要理論是根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況并結(jié)合研究對(duì)象的生長(zhǎng)特性構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型[13]，適于研究的層次結(jié)構(gòu)模型見圖2。依據(jù)層次建構(gòu)模型、與研究有關(guān)的文獻(xiàn)資料、各種專著及專家經(jīng)驗(yàn)通過兩兩比較的方式來創(chuàng)建判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一般情況下，一致性檢驗(yàn)結(jié)果若小于0.1，說明構(gòu)建的判斷矩陣較為合理，其結(jié)果可以采納。

圖2 準(zhǔn)則層判斷 矩陣及權(quán)重 Fig.2 The criteria level judgment matrix and weights

（1）和積法。本文采用和積法計(jì)算判斷矩陣的最大特征根和它所對(duì)應(yīng)的特征向量，計(jì)算步驟如下。

2.2.3 重心理論

區(qū)域幾何重心是區(qū)域空間的均衡點(diǎn)，重心的移動(dòng)能夠反映大櫻桃種植區(qū)的地理空間位置變化?？臻g重心理論在農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用于種植業(yè)生產(chǎn)布局和重心的演變[1]。在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用空間重心理論和GIS技術(shù)，計(jì)算大櫻桃生產(chǎn)空間的空間重心坐標(biāo)，繪制空間重心移動(dòng)軌跡圖，結(jié)合圖分析大櫻桃生產(chǎn)空間重心移動(dòng)距離和移動(dòng)方向。

3 天水大櫻桃生產(chǎn)空間演變及其路徑

3.1 天水大櫻桃生產(chǎn)空間演變

3.1.1 天水市大櫻桃生產(chǎn)空間演化的軌跡

1984年天水市秦州區(qū)太京鎮(zhèn)馬家窯村村民石武魁從大連引進(jìn)大櫻桃樹苗開始試種，拉開了天水種植大櫻桃的序幕（見圖2）。1984年種植面積為0.133 hm2，產(chǎn)量為400 kg，產(chǎn)值為2 000元；到2005年，天水市大櫻桃種植區(qū)已從一戶擴(kuò)展到以秦州區(qū)太京鎮(zhèn)為核心的周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，如中梁、玉泉、皂郊和耤口等（見圖3），種植面積達(dá)到了881.2 hm2，產(chǎn)量140 t，產(chǎn)值達(dá)到了280×104元；截至2019年，經(jīng)過35年的發(fā)展，天水市大櫻桃種植空間范圍由2005年除了秦嶺鄉(xiāng)、汪川、大門之外的秦州全區(qū)擴(kuò)展到了麥積區(qū)、秦安縣、甘谷縣、武山縣、張家川回族自治縣等兩區(qū)五縣（見圖4），種植面積擴(kuò)展至5 800 hm2，產(chǎn)量增長(zhǎng)至5×104t，產(chǎn)值超過了10×108元。

圖3 氣候因子的判斷矩陣及權(quán)重Fig.3 The climatic factors judgment matrix and weights

圖4 土壤養(yǎng)分因子 的判斷矩陣及權(quán)重 Fig.4 The soil nutrient factors judgment matrix and weights

3.1.2 天水大櫻桃生產(chǎn)空間演變路徑

圖5為35年來天水大櫻桃種植演化示意圖，由此可見，天水市大櫻桃由最初的太京鎮(zhèn)向周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)擴(kuò)展。向北擴(kuò)展到秦安縣，向東擴(kuò)展到清水、麥積北部，向南擴(kuò)展到麥積西南部，向西擴(kuò)展到甘谷縣和武山縣。呈現(xiàn)出從中心向外圍擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)，符合古典農(nóng)業(yè)區(qū)位理論的發(fā)展模式。

圖5 立地條件因子判斷矩陣及權(quán)重Fig.5 The site condition factors judgment matrix and weights

1984年天水大櫻桃面積重心地理坐標(biāo)是105.547°E，34.560°N，2005年面積重心地理坐標(biāo)是105.608°E，34.543°N，向東南方向移動(dòng)了5 899.95 m，2019年天水大櫻桃面積重心地理坐標(biāo)是105.662°E，34.606°N，在2005年的基礎(chǔ)上，又向東北方向移動(dòng)了8 603.65 m；天水大櫻桃產(chǎn)值重心從1984年的105.547°E，34.560°N轉(zhuǎn)移至2005年的105.560°E，34.554°N，向東南方向移動(dòng)了1 380.53 m，截至2019年，大櫻桃產(chǎn)值的重心轉(zhuǎn)移至105.767°E，34.594°N，向東北轉(zhuǎn)移了19 470.44 m。

從天水大櫻桃面積重心移動(dòng)（見圖6）、產(chǎn)值重心移動(dòng)（如圖7）結(jié)合天水大櫻桃種植區(qū)的擴(kuò)展規(guī)律（見圖5），整體表現(xiàn)出1984年—2005年，天水大櫻桃呈現(xiàn)出向東南移動(dòng)趨勢(shì)，到2019年，呈現(xiàn)出向天水東部、北部和西部擴(kuò)展趨勢(shì)。

圖6 技術(shù)與管理因子 判斷矩陣及權(quán)重Fig.6 Technology and management factor judgment matrix and weight

圖7 適宜性等級(jí)分級(jí)表Fig.7 Suitability rating scale

3.2 天水大櫻桃生產(chǎn)空間適宜性評(píng)價(jià)

運(yùn)用GIS空間疊置方法，利用天水市行政區(qū)劃圖、氣候條件適宜性評(píng)價(jià)圖、土壤養(yǎng)分條件適宜性評(píng)價(jià)圖、立地條件適宜性評(píng)價(jià)圖、技術(shù)與管理?xiàng)l件適宜性圖進(jìn)行疊加（union），形成綜合性評(píng)價(jià)等級(jí)圖。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，劃分出大櫻桃種植非常適宜、較適宜、一般適宜、不適宜、極不適宜5個(gè)等級(jí)；再結(jié)合大櫻桃種植現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，使大櫻桃種植具有科學(xué)指導(dǎo)。結(jié)合大櫻桃的生長(zhǎng)特性，研究從氣候、土壤養(yǎng)分、立地條件及技術(shù)與管理方面所構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型如下。

表1 天水大櫻桃種植面積與產(chǎn)值重心移動(dòng)方向與移動(dòng)距離Tab.1 Large cherry planting areaand output valuecenter of gravity shift direction and distance

圖8 天水市大櫻桃土地適宜性評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Function structure model for land suitability evaluation of cherry in Tianshui

3.2.1 確定參評(píng)因子權(quán)重

本文選用AHP層次分析法確定權(quán)重，依據(jù)有關(guān)大櫻桃種植的各種專著、文獻(xiàn)，再加上專家經(jīng)驗(yàn)和果農(nóng)多年種植經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)兩兩比較給出數(shù)量化的估值，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法處理后再把最初的計(jì)算結(jié)果反饋給專家，然后經(jīng)過專家若干次的修改、確認(rèn)最后通過一致性檢驗(yàn)后形成適用的判斷矩陣。

表2 準(zhǔn)則層判斷矩陣及權(quán)重Tab.2 The Criteria Level Judgment Matrix and Weights

表3 氣候因子的判斷矩陣及權(quán)重Tab.3 The Climatic Factors Judgment Matrix and Weights

表4 土壤養(yǎng)分因子的判斷矩陣及權(quán)重Tab.4 The Soil Nutrient Factors Judgment Matrix and Weights

表5 立地條件因子判斷矩陣及權(quán)重Tab.5 The Site Condition Factors Judgment Matrix and Weights

表6 技術(shù)與管理因子判斷矩陣及權(quán)重Tab.6 Technology and Management Factor Judgment Matrix and Weight

根據(jù)判斷矩陣及權(quán)重并參照聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）中指出的土地適宜性評(píng)價(jià)的方法和原則[14-19]，并把天水市具體的氣候、水文、土壤養(yǎng)分環(huán)境、地形地形地勢(shì)以及技術(shù)與管理與大櫻桃的生長(zhǎng)習(xí)性結(jié)合，確定了評(píng)價(jià)對(duì)象即大櫻桃的適宜性等級(jí)。

根據(jù)上述對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦值，利用公式（5）在ArcGIS空間分析功能下柵格計(jì)算器中對(duì)氣候、土壤養(yǎng)分、立地條件和技術(shù)與管理進(jìn)行加權(quán)計(jì)算[20]，分別得到4個(gè)適宜性分布圖層（見圖9、10、11、12），在準(zhǔn)則層適宜性圖層的基礎(chǔ)上得到目標(biāo)層適宜性評(píng)價(jià)的總分值。在加權(quán)計(jì)算得到的柵格圖層基礎(chǔ)上，進(jìn)行重分類，使用自然間距分類法，根據(jù)分值變化的劇烈特征找出適宜性劃分的界限，進(jìn)行適宜型等級(jí)的劃分之后，就得到評(píng)價(jià)單元的適宜性分布圖。將適宜性結(jié)果分為五級(jí)，分別是：非常適宜、較適宜、一般適宜、不適宜和極不適宜，見圖13。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model

表7 適宜性等級(jí)分級(jí)表Tab.7 Suitability Rating Scale

3.2.2 結(jié)果與分析

本次大櫻桃土地適宜性評(píng)價(jià)是在對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算、模擬并分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，各個(gè)評(píng)價(jià)因子的綜合狀況決定了適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的分布情況。天水大櫻桃適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果中，天水市中部渭河河谷及其支流淺寬河谷川區(qū)、南部淺寬河谷川區(qū)為非常適宜區(qū)；中部與南部低海拔緩坡區(qū)為較適宜區(qū)；南部中山與北部河谷緩坡地區(qū)為一般適宜區(qū)；北部黃土丘陵地區(qū)為不適宜區(qū)；東北部與西部高山地區(qū)為極不適宜區(qū)（見圖13）。

總體而言，大櫻桃在天水市的實(shí)際分布情況與本文得到的評(píng)價(jià)結(jié)果相比有很大程度的一致性，天水市適宜種植大櫻桃的范圍大部分分布在秦州區(qū)，其次是麥積區(qū)，清水、甘谷和秦安部分地區(qū)適宜種植大櫻桃，不適宜區(qū)主要在西北和東北氣候條件、土壤養(yǎng)分條件和立地條件等較差的區(qū)域，主要是西秦嶺地區(qū)和東北的關(guān)山地區(qū)。

4 優(yōu)化方案

根據(jù)大櫻桃生產(chǎn)空間演變的研究結(jié)果和適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)未來大櫻桃的種植提出3個(gè)優(yōu)化方案：近期方案，增加通往大城市的航線，擴(kuò)大市場(chǎng)份額，拓寬銷售渠道，向未種植的非常適宜區(qū)擴(kuò)展，比如黨川、利橋、東岔、三岔以及元龍等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；中期方案，加大專業(yè)技術(shù)和管理人員的培訓(xùn)力度，向未種植的較適宜區(qū)擴(kuò)展，比如大門、秦嶺、渭南、新陽(yáng)、琥珀和永清等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；遠(yuǎn)期方案，加大培育新品種力度，增強(qiáng)大櫻桃對(duì)氣候、土壤和立地條件適應(yīng)能力，提高區(qū)域抵御氣象災(zāi)害的技術(shù)水平，向未種植的一般適宜區(qū)擴(kuò)展，比如：隴東、山門、草川、秦亭、黃門、新城、白駝、土門、云山和王伊、西川等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。