基于GIS的云南省蘋果種植適宜性區(qū)域劃分研究

吳星雨，楊林楠，費(fèi) 凡

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院/云南省農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心/綠色農(nóng)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)智能信息處理工程研究中心，昆明 650201）

土地資源是人們賴以生存和發(fā)展的基本保障，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最根本的物質(zhì)要求［1］。作物種植的土地適宜性評價是指某個特定區(qū)域內(nèi)土地類型對該作物的適應(yīng)狀況程度，可通過分析特定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因素，來評價土地對某種作物種植是否適宜和適宜的程度［2］。隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，人口日益增多，自然環(huán)境發(fā)生了巨大變化。在這種背景下，對土地適宜性進(jìn)行評價，指導(dǎo)科學(xué)合理利用土地資源、節(jié)省人力物力就顯得尤為迫切和重要［3］。在傳統(tǒng)的適宜性評價研究工作中，通常需要研究人員去研究區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研和考察，人為來測量和計(jì)算，具有極大的局限性和不確定性。同時，還會受地形變化、氣候變化、交通和通訊條件等外來因素的限制和影響，極大地制約了大范圍區(qū)域的作物種植適宜性評價和規(guī)劃［4，5］。

本研究以蘋果種植為實(shí)例，在團(tuán)隊(duì)前期研究基礎(chǔ)上，以云南省為研究區(qū)域，采用GIS空間分析和建模技術(shù)，通過對影響蘋果生長狀態(tài)條件的調(diào)查和云南省當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，綜合分析多種因素對蘋果種植的影響，選取降水量、氣溫、日照時間、積溫、坡度、坡向、海拔、有機(jī)質(zhì)、土層厚度、pH 10個環(huán)境影響因子作為評價云南省蘋果種植適宜性評價因子。結(jié)合反距離權(quán)重柵格插值法、層次分析法，對蘋果種植適宜性的空間分布規(guī)律進(jìn)行分析，研究確定蘋果種植適宜性區(qū)域分級標(biāo)準(zhǔn)和云南省不同地區(qū)蘋果種植的適宜性程度，為云南省蘋果科學(xué)種植提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)域云南省，簡稱云或滇，省會昆明市，位于北緯21°8′—29°15′，東經(jīng)97°31′—106°11′。由于云南省特殊地理位置，區(qū)域內(nèi)光照充足、晝夜溫差大、無霜期長，有利于蘋果的生長發(fā)育。2018年云南省蘋果種植面積已達(dá)5.2萬hm2，種植面積全國第六，蘋果產(chǎn)量全國第十。云南省現(xiàn)已成為全國主要的蘋果生產(chǎn)地之一，其中昭通蘋果在云南省最為著名。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

1）氣象數(shù)據(jù)。本研究所涉及的氣象數(shù)據(jù)主要來源于云南省109個氣象觀測站點(diǎn)所釆集的30年（1981—2010年）基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，包括每日采集125個縣市的降水量、氣溫和積溫等氣象數(shù)據(jù)。氣象觀測站點(diǎn)分布如圖1所示。云南省降水量、氣溫和≥10℃積溫的分布情況如圖2至圖4所示。

圖1 云南省109個氣象觀測站點(diǎn)的空間分布

圖2 云南省≥10℃積溫分布

圖3 云南省年降水量分布

圖4 云南省平均氣溫分布

2）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。本研究所用基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括全國90 m的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件處理得到云南省125個縣市的坡度、坡向、海拔高度等柵格數(shù)據(jù)。其中，云南省海拔高度情況如圖5所示。

圖5 云南省海拔分布

3）土壤類型數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)由云南省測土施肥工程項(xiàng)目所采集，包括云南省125個縣市土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和土層厚度。其中，云南省土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的分布如圖6、圖7所示。

圖6 云南省土壤p H分布

圖7 云南省土壤有機(jī)質(zhì)分布

1.2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

蘋果的生長發(fā)育依賴于氣溫的變化，氣溫越高開花時節(jié)越早［6］。蘋果在日照時間充足、無霜期長、降水量多和土地肥力好的地區(qū)更適宜成長。依據(jù)劉捍中［7］的研究成果，結(jié)合云南省當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，對影響蘋果生長發(fā)育的環(huán)境因子進(jìn)行比較分析，最終確定了土壤、氣候和地形3個維度，共計(jì)10個評價指標(biāo)，作為蘋果種植適宜性評價因子，具體包括≥10℃積溫、年降水量、坡度、年均氣溫、土壤有機(jī)質(zhì)、土層厚度、坡向、土壤pH、海拔高度和日照時數(shù)。

首先，利用反距離權(quán)重法（IDW）計(jì)算預(yù)評價指標(biāo)因子。反距離權(quán)重法是農(nóng)業(yè)區(qū)劃中常用的方法，是描述氣象數(shù)據(jù)空間分布特征的一種確定性內(nèi)插方法。反距離權(quán)重法對每個離散點(diǎn)周圍都進(jìn)行平均計(jì)算，最后得出插值點(diǎn)數(shù)據(jù)，插值點(diǎn)和采樣點(diǎn)兩者之間的間距標(biāo)記為權(quán)重，然后加權(quán)平均，距離插值點(diǎn)越近的采樣點(diǎn)權(quán)重被賦予的值就越大［8］。對應(yīng)的公式如下。

式中，d2i=(X-X i)2+(Y-Y i)2，X i、Y i、Z i為離散點(diǎn)的坐標(biāo)和數(shù)值，Z為插值點(diǎn)的數(shù)值。

其次，利用GIS技術(shù)完成各影響因子權(quán)重計(jì)算，各權(quán)重值加權(quán)疊加分析得到最后的適宜性數(shù)據(jù)，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)［7］公式如下。

式中，C為適宜性總和；Ci為第i個影響因子的分值；Wi為第i個影響因子的權(quán)重；n為影響因子總個數(shù)。

最后，采用層次分析法［9］，計(jì)算出各因子的權(quán)重值［10］，將各因子的適宜性等級劃分為4個類別：最適宜、適宜、次適宜、不適宜。劃分各評價因子適宜范圍，如表1所示。年均降水量、年均溫度、日照時數(shù)、≥10℃積溫、坡度、坡向、海拔、有機(jī)質(zhì)、土層厚度、pH的權(quán)重分別為0.273、0.213、0.092、0.071、0.101、0.032、0.048、0.049、0.089、0.032。

表1 指標(biāo)體系

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因子的GIS處理結(jié)果

2.1.1 氣象影響因子收集云南省109個氣象站點(diǎn)1981—2010年的氣象數(shù)據(jù)，利用反距離權(quán)重柵格插值法分析計(jì)算。由于距離采樣點(diǎn)越遠(yuǎn)權(quán)重越小，越近權(quán)重越大。所以本研究采用反距離權(quán)重法進(jìn)行柵格插值計(jì)算，處理結(jié)果如圖8所示。

積溫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。作物生長發(fā)育都需要考慮積溫的影響，當(dāng)積溫達(dá)不到作物生長發(fā)育所要求的范圍時，作物無法生長或者影響農(nóng)作物產(chǎn)量，所以積溫是農(nóng)作物生長不可或缺的一個重要指標(biāo)。從圖8a可以看出，云南省≥10℃年活動積溫從南到北逐漸降低，蘋果適宜在3 200～3 800（d·℃）生長，云南省大部分地區(qū)的積溫符合標(biāo)準(zhǔn)和要求，西北少部分地區(qū)≥10℃年積溫較低，所以不太適合蘋果種植。

日照時間在農(nóng)作物生長中占有十分重要的地位。蘋果屬于喜光果樹，日照時間的長短直接決定了蘋果果實(shí)的品質(zhì)和色澤。當(dāng)日照時數(shù)超過2 200 h時，有利于蘋果花芽分化和果實(shí)發(fā)育。特別是在海拔較高的地區(qū)，充足的日照時間能夠提高蘋果糖分和維生素的含量。此外，時長多可以讓蘋果果皮更加緊密，方便儲藏和運(yùn)輸。從圖8b可以看出，昭通、劍川等地日照時間充沛，非常適宜栽種。德欽、富寧、綏江等地因光照時間不足，在這些地區(qū)栽種蘋果要注意光照時間不足的因素，增加人為補(bǔ)光。

適宜的溫度是農(nóng)作物生長發(fā)育的必要條件，蘋果的生長發(fā)育同樣離不開溫度，氣溫越高蘋果的開花時節(jié)越早。蘋果在無霜期長、溫度適宜的情況下更適宜生長。在平均氣溫8.5～11.5℃時最適合蘋果生長，劍川、昭通、魯?shù)榈炔糠值貐^(qū)是蘋果平均氣溫最適合生長區(qū)域（圖8c）。

充沛的降雨量對農(nóng)作物來說非常重要，農(nóng)作物的生長發(fā)育離不開水。只有水分達(dá)到一定的程度，農(nóng)作物才能正常光合作用并保持水分平衡。蘋果的生長發(fā)育對水分的要求比較高，一般降水量在600 mm以上才比較適合蘋果種植。從圖8d可以看出，云南省降水量為855.73～1 427.45 mm，且云南省降水量由南向北呈下降趨勢。最適合蘋果種植的降水量為600～750 mm，適宜種植的區(qū)域要求降水量大于750 mm。云南省的降水量比較適宜蘋果種植。

圖8 氣象影響因子

2.1.2 地形影響因子將全國90 m的DEM數(shù)據(jù)對照已有云南省氣象數(shù)據(jù)在Arcmap軟件中按掩膜提取裁剪，得到完全覆蓋云南省的高程數(shù)據(jù)，再經(jīng)過ArcGIS 10.4軟件中3D Analyst工具計(jì)算得到坡度、坡向數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖9所示。

坡度影響農(nóng)作物對水分的吸收，相比于坡度下方，坡上的農(nóng)作物吸收的水分較少。坡度越大越容易引起水土流失，坡下肥沃，坡上貧瘠。如果坡度夠大，坡上方接收到的紫外線和藍(lán)光也會高于坡下，強(qiáng)紫外線會造成植株矮小。坡度對溫度和風(fēng)力也有一定的影響。當(dāng)坡度小于15°時最適宜蘋果的生長。當(dāng)坡度大于30°時不利于蘋果的生長。從圖9a可以看出，云南省的坡度分布非常不均勻，地勢起伏較大。昭通、昆明、曲靖等地的坡度適宜蘋果的生長，西北地區(qū)坡度較大，不適宜蘋果生長。

海拔對蘋果的生長有重要的影響。海拔高的地區(qū)空氣壓力低，溫度會隨著海拔升高而下降，且植株所需的碳含量也大大減少。當(dāng)海拔小于1 300 m時是蘋果的最適宜生長地區(qū)，如陜西省的蘋果產(chǎn)區(qū)海拔就在800～1 200 m。從圖9b可以看出，云南省海拔差異明顯，北部地區(qū)海拔較高，大部分地區(qū)不適宜蘋果生長；而南部地區(qū)海拔偏低，適宜蘋果生長。

坡向?qū)μO果的生長也有影響。坡向有向陽坡和背光坡，向陽坡和背光坡兩坡之間的溫度差異很大。坡向也決定著不同的降水量，有的一山之隔降水量可能相差幾倍。當(dāng)坡向在135～225時，最適宜蘋果的生長；當(dāng)坡向在315～360時，不適宜蘋果的生長。從圖9c可以看出，云南省坡向變化起伏大，各地區(qū)都有適宜生長的坡向區(qū)間。

圖9 地形影響因子處理結(jié)果

2.1.3 土壤影響因子從云南省測土施肥項(xiàng)目工程數(shù)據(jù)里提取土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量和pH數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)輸入軟件并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，用Arcmap軟件對3種數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，得到各因子重分類圖，用于后續(xù)各個因子的加權(quán)疊加分析，結(jié)果如圖10所示。

pH是體現(xiàn)某溶液或物質(zhì)酸堿度的表示方法。一般作物生長較喜歡弱酸性土壤，有些比較喜歡偏中性或者弱堿性土壤，而蘋果喜歡生長在微酸性土壤中。云南省土壤pH為4.4～8.5，即沒有強(qiáng)堿性土壤，同時也沒有強(qiáng)酸性土壤，從北到南土壤pH逐漸減小，由弱堿性土壤逐漸過渡到弱酸性土壤，其中偏酸性土壤較偏堿性土壤面積大一些，可能是由于云南省降水充足，腐殖質(zhì)較多而引起的。蘋果適宜種植的pH為5.4～6.8和6.8～8.2。從圖10a可以看出，滇中昆明，滇東北昭通、魯?shù)?，滇西北麗江等地區(qū)的土壤pH范圍都比較適合蘋果種植。個別地區(qū)的土壤pH不適宜進(jìn)行蘋果種植，可以適量使用調(diào)節(jié)土壤pH的肥料將土壤pH調(diào)整到適宜的區(qū)間之后再進(jìn)行蘋果種植。

圖10 土壤影響因子

深厚的土層結(jié)構(gòu)可以使植株的根系發(fā)達(dá)、分布變廣，讓植株生長旺盛，增強(qiáng)根系的吸收能力。同時能讓植株枝干粗壯，抵御不良環(huán)境的侵襲。云南省土層厚度較好，絕大部分地區(qū)都滿足了蘋果栽種對土層厚度的需求，在土層厚度大于1 m時，最適宜栽種蘋果。從圖10b可以看出，云南省除了北部少部分地區(qū)不適合栽種外，絕大部分地區(qū)都適宜栽種蘋果。

有機(jī)質(zhì)是植物養(yǎng)分的主要來源。有機(jī)質(zhì)中有植物所需的各種營養(yǎng)元素，特別是土壤中的氮有95%的狀態(tài)是以有機(jī)質(zhì)存在，有機(jī)質(zhì)同時可以促進(jìn)作物的生長發(fā)育，改良土壤結(jié)構(gòu)。云南省土壤肥沃，有機(jī)質(zhì)含量高。蘋果在土壤有機(jī)質(zhì)含量大于1.5 g/kg的土壤中可以得到很好的生長。從圖10c可以看出，云南省土壤有機(jī)質(zhì)含量適合進(jìn)行蘋果栽種。

2.2 云南省蘋果適宜性區(qū)劃

針對不同的作物和影響指標(biāo)，使用不同的分類方法才更具有準(zhǔn)確性［11，12］。在Arcmap軟件中，將10個影響因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類后加權(quán)疊加得到最后蘋果的適宜性，依靠適宜性的高低劃分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)4類。將得到的4類區(qū)域賦予不同的顏色，最后進(jìn)入布局視圖狀態(tài)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 云南省蘋果適宜性區(qū)劃示意

2.2.1 最適宜區(qū)和適宜區(qū)云南省蘋果種植最適宜和適宜的地區(qū)主要集中在昭通、曲靖、麗江、大理、昆明、劍川等地。這些地區(qū)降水量豐沛，≥10℃積溫在2 400℃以上，溫度適宜，海拔較低，土層較厚，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，滿足了蘋果的生長需求，可大規(guī)模進(jìn)行蘋果種植。

2.2.2 次適宜區(qū)域云南省蘋果種植次適宜區(qū)主要集中在文山、紅河的大部分區(qū)域，昭通、曲靖、玉溪、保山的小部分區(qū)域。這些地區(qū)年均氣溫為7.5℃或13.5℃左右，積溫為2 000（d·℃）左右，坡度為15°～30°，海拔為1 600～2 100 m。這些區(qū)域雖然可以進(jìn)行蘋果種植，但是相同種植規(guī)模下的產(chǎn)量會比最適宜區(qū)和適宜區(qū)要小。

2.2.3 不適宜區(qū)云南省不適宜種植蘋果的區(qū)域主要在迪慶的北部、普洱西南、德宏、西雙版納、紅河的部分地區(qū)。由于年均氣溫、日照時數(shù)、積溫、海拔和土壤因子達(dá)不到蘋果生長發(fā)育的要求，因此，不建議在此地盲目進(jìn)行蘋果種植。

3 討論

針對蘋果種植適宜性區(qū)劃問題，雖然國內(nèi)外已有部分研究人員開展了相關(guān)研究工作。黃杏元等［10］將GIS原理和方法用于土地適宜性評價；程振龍等［13］利用GIS空間分析與建模技術(shù)對棲霞市蘋果種植適宜性進(jìn)行評價；何可杰等［14］基于GIS對寶雞市蘋果氣候區(qū)劃進(jìn)行了研究；吉志紅等［15］基于GIS對三門峽市蘋果種植氣候適宜性區(qū)劃進(jìn)行了研究。李東穎等［16］基于GIS對天水市蘋果種植適宜性決策進(jìn)行了分析。以上研究成果表明，利用GIS技術(shù)對蘋果種植進(jìn)行適宜性評價比傳統(tǒng)人工評價更系統(tǒng)、科學(xué)，特別是針對大范圍區(qū)域的蘋果種植適宜性評價優(yōu)勢更為明顯。但是，由于影響蘋果種植的環(huán)境因素復(fù)雜，每種環(huán)境因素對蘋果種植的影響程度不同。如何科學(xué)地選取影響蘋果種植的環(huán)境影響因子，并確定各環(huán)境影響因子的權(quán)重，成為決定蘋果種植適宜性評價效果的關(guān)鍵問題。目前，在蘋果種植適宜性區(qū)劃研究中，針對蘋果種植的環(huán)境影響因子的選取還處在研究階段，尤其是各環(huán)境影響因子權(quán)重的計(jì)算方法，尚存在諸多問題需要解決，更需要實(shí)例加以證明。本研究選取的環(huán)境影響因子涵蓋土壤、氣候和地形3個維度10個因子，包括了現(xiàn)有研究成果中已知對蘋果種植起主要影響的環(huán)境因子，且所用到的原始數(shù)據(jù)時間跨度較長，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較多，所以對云南省蘋果種植環(huán)境描述更準(zhǔn)確、全面，區(qū)劃分析結(jié)果更科學(xué)、可信。結(jié)果表明，云南省蘋果種植適宜區(qū)面積大于現(xiàn)有實(shí)際蘋果種植面積，除傳統(tǒng)的蘋果主產(chǎn)區(qū)（麗江、昭通、曲靖、昆明）外，大理、玉溪等地區(qū)也適宜進(jìn)行蘋果生產(chǎn)，所以可以適當(dāng)擴(kuò)大這些地區(qū)的蘋果種植面積。這些研究成果對云南省蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

4 小結(jié)

本研究將云南省氣候、地形、土壤3方面的數(shù)據(jù)資源和蘋果生長發(fā)育所需的環(huán)境要求相結(jié)合，確定了10個環(huán)境影響因子作為云南省蘋果種植區(qū)劃評價指標(biāo)。利用反距離權(quán)重插值法，通過重分類得到各環(huán)境影響因子的柵格圖；然后，疊加各環(huán)境影響因子?xùn)鸥駡D；最終得到云南省內(nèi)適合蘋果種植的區(qū)域，形成云南省蘋果種植適宜性區(qū)劃圖。區(qū)劃結(jié)果表明，云南省具有種植蘋果的潛力，可進(jìn)一步發(fā)展蘋果種植產(chǎn)業(yè)。本研究原始數(shù)據(jù)豐富，區(qū)劃指標(biāo)選取合理，給出了云南省各地區(qū)針對蘋果種植的不同適宜度，以期為云南省蘋果產(chǎn)業(yè)科學(xué)布局提供理論依據(jù)。