基于GIS的甘肅張家川縣耕地種植烏龍頭適宜性評(píng)價(jià)研究

黃文魁， 周曉芳， 徐 輝， 章 梅

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)，江蘇徐州 221000)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物的生長(zhǎng)狀況時(shí)常因地而異，表明作物的生長(zhǎng)狀況與所在地區(qū)的環(huán)境有密切關(guān)系[1]。種植適宜性評(píng)價(jià)就是通過對(duì)作物生長(zhǎng)所需環(huán)境與研究區(qū)區(qū)域環(huán)境進(jìn)行匹配分析，來評(píng)價(jià)研究區(qū)作物生長(zhǎng)的適宜程度，從而為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展與布局提供科學(xué)依據(jù)[2]。最初的土地適宜性評(píng)價(jià)只是簡(jiǎn)單地通過對(duì)土地基本屬性的調(diào)查來為土地的合理利用服務(wù)，后期隨著“3S”(GIS、GPS、RS)技術(shù)的發(fā)展，土地適宜性評(píng)價(jià)開始由定性轉(zhuǎn)為定量、精細(xì)化的方向發(fā)展，廣泛應(yīng)用于不同作物的種植適宜性評(píng)價(jià)上[2-12]。

張家川回族自治縣位于甘肅省東南部，天水市北部，隴山西麓，是中國(guó)煤炭地質(zhì)總局的對(duì)口扶貧單位，曾長(zhǎng)期作為國(guó)家的重點(diǎn)貧困縣，直至2020年才得以脫貧摘帽。當(dāng)?shù)靥厣魑餅觚堫^，學(xué)名楤木(Araliachinensis)，屬五加科楤木屬，其嫩芽可食用，具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景(圖1)[13-16]。目前由于大量采摘，致使張家川縣的野生烏龍頭資源貯量逐年減少，有的地方甚至資源枯竭，這既嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡，又不利于長(zhǎng)期開發(fā)，而人工培育產(chǎn)品數(shù)量仍然有限，且產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。為了充分利用當(dāng)?shù)馗刭Y源，達(dá)到烏龍頭高產(chǎn)的目的，本研究在GIS的支持下，運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法，對(duì)當(dāng)?shù)貫觚堫^的種植適宜性展開評(píng)價(jià)，以期為張家川縣烏龍頭種植生態(tài)區(qū)劃和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)東接陜西省隴縣，南與清水縣相接，西和秦安縣接壤，北靠華亭、莊浪縣。全境地勢(shì)由東北向西南傾斜，略呈斜三角形。東西長(zhǎng)62km，南北寬48km。全縣總面積1 311.8km2，下轄15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

張家川回族自治縣地處內(nèi)陸，屬典型大陸性季風(fēng)氣候。由于地形和海拔高度的影響，氣候差異較大。東北部隴山山地，森林茂密，地勢(shì)較高，氣候寒冷濕潤(rùn)；西部黃土峁梁溝壑山區(qū)，地勢(shì)較低，植被差，氣溫較高，為溫和半干旱區(qū)；中部為東西部的過渡地帶，地勢(shì)高于西部而低于東北部，植被覆蓋介于二者之間，為溫涼半濕潤(rùn)區(qū)。全縣年平均氣溫6.1～7.7℃，年降水量為599.3mm，但隨地區(qū)不同差異較大，氣溫從西部到中部再到東北部是逐漸降低的，而降水量卻是逐漸增多。年平均日照為2 080h，年平均蒸發(fā)量為1 409.5mm，年平均無霜期158d，海拔1 486～2 659.4m。

全縣耕地面積5.52萬hm2，約占全縣總面積的42%?？h域內(nèi)耕地土壤主要有潮土、沖積洪積土、淀土、褐土、黑壚土、黑土、紅黏土、黃綿土、山地草甸土、棕壤10個(gè)土壤類型，其中以潮土和褐土為主，分別占比39.9%和27.5%。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 氣象與地形數(shù)據(jù)

本研究收集了張家川縣的14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站點(diǎn)和張家川縣周邊的8個(gè)國(guó)家基本氣象站點(diǎn)的溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于張家川縣氣象局和中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。根據(jù)獲得的平均氣溫和降水等數(shù)據(jù)計(jì)算≥10℃積溫、年均降水量和晝夜溫差等數(shù)據(jù)，通過將站點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2軟件中生成監(jiān)測(cè)點(diǎn)矢量圖層，將≥10 °C積溫、年均降水量和晝夜溫差數(shù)據(jù)連接至各個(gè)氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，利用工具箱中“Geostatistical Analyst”進(jìn)行數(shù)據(jù)探索和檢驗(yàn)，并利用地統(tǒng)計(jì)向?qū)нM(jìn)行最優(yōu)插值方法的確定，通過對(duì)比各個(gè)插值方法的精確度后，最終選擇普通克里金法進(jìn)行空間插值分析，計(jì)算出張家川縣≥10 °C積溫、年均降水量和晝夜溫差的空間分布柵格數(shù)據(jù)。

研究區(qū)地形數(shù)據(jù)提取自30 m×30 m精度DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。在ArcGIS 10.2軟件中導(dǎo)入原始DEM圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影為坐標(biāo)系CGCS2000 3 Degree GK CM 105E，得到張家川縣海拔分布數(shù)據(jù)。而后使用“Spatial analyst tools”中“表面分析”的“坡度”和“坡向”提取研究區(qū)各像元內(nèi)z值的最大變化率，從而獲得張家川縣坡度和坡向分布數(shù)據(jù)。

2.2 土壤數(shù)據(jù)

本研究總共采集土壤樣品360個(gè)，采樣密度按照4個(gè)點(diǎn)/km2的網(wǎng)格化布設(shè)，實(shí)際點(diǎn)位由于地形和交通因素與布設(shè)點(diǎn)位略有偏差，樣點(diǎn)在張家川鎮(zhèn)、恭門鎮(zhèn)和閻家鄉(xiāng)較密集，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)位較稀疏(圖1)。土壤樣品全部采自農(nóng)田，深度0～20cm，采用5點(diǎn)法采集5個(gè)子樣混合成一個(gè)樣，避開了溝渠、路邊、田埂、房基和垃圾堆等地段。

圖1 采樣點(diǎn)位分布

土壤樣品分析測(cè)試項(xiàng)目包含pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀等。樣品分析工作由江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)生態(tài)環(huán)境中心承擔(dān)。

3 研究方法

3.1 評(píng)價(jià)單元賦值

選擇土地利用現(xiàn)狀圖中的耕地圖斑與30m×30m精度的柵格格網(wǎng)疊加產(chǎn)生的圖斑作為本次適宜性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)單元。整個(gè)張家川縣共劃分評(píng)價(jià)單元53 830個(gè)。當(dāng)圖斑中沒有評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)時(shí)，采用普通克里金插值法進(jìn)行賦值，對(duì)賦值結(jié)果進(jìn)行插值準(zhǔn)確性驗(yàn)證，結(jié)果顯示插值結(jié)果較準(zhǔn)確。

3.2 選取評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)張家川縣的基本地理環(huán)境，參考烏龍頭栽培相關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)與張家川縣烏龍頭種植專家探討，從氣候、地形、土壤3 個(gè)大類條件中分別擇優(yōu)選取指標(biāo)對(duì)烏龍頭的種植適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖2)。

圖2 適宜性評(píng)價(jià)因子層次結(jié)構(gòu)

3.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

本研究基于層次分析法(AHP)計(jì)算參評(píng)指標(biāo)的權(quán)重，通過工作區(qū)實(shí)際調(diào)研、參考相關(guān)文獻(xiàn)以及與張家川縣烏龍頭種植專家探討，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性比值，利用yaahp軟件進(jìn)行計(jì)算，并通過一致性檢驗(yàn)，最終確定張家川縣烏龍頭種植適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表1。

表1 適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

從表1可以看出，土壤條件對(duì)烏龍頭種植適宜性影響最大，其次是地形條件，氣候條件影響最小。綜合權(quán)重上坡向>有機(jī)質(zhì)>年均降水量>海拔>堿解氮>晝夜溫差=≥10 °C積溫>pH值>坡度>速效磷=速效鉀，坡向和土壤有機(jī)質(zhì)含量是烏龍頭種植適宜的關(guān)鍵因素。

3.4 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度

由于各指標(biāo)因子的單位不統(tǒng)一，因此需對(duì)各單項(xiàng)指標(biāo)因子不同的數(shù)據(jù)計(jì)量單位進(jìn)行統(tǒng)一無量綱化，方便不同指標(biāo)相互比較分析。本研究基于模糊數(shù)學(xué)理論，在所選指標(biāo)因子與烏龍頭種植適宜性程度之間建立模糊集的隸屬函數(shù)，根據(jù)烏龍頭生長(zhǎng)對(duì)各指標(biāo)因子的不同需求，采用戒上型、峰型和直線型 3 個(gè)隸屬函數(shù)模型，表達(dá)式如下：

隸屬函數(shù)戒上型

(1)

隸屬函數(shù)峰型

(2)

隸屬函數(shù)直線型

yi=axi+b

(3)

式中:yi為隸屬度；xi為指標(biāo)實(shí)際值；c為標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)；u2和u1分別為指標(biāo)上下限值；a和b為參數(shù)值。

根據(jù)烏龍頭生長(zhǎng)發(fā)育的適宜條件和張家川縣各指標(biāo)數(shù)值的分布范圍，采用特爾斐法(即專家打分法)對(duì)各指標(biāo)因子的一組實(shí)測(cè)值判斷評(píng)估一組對(duì)應(yīng)的隸屬度，進(jìn)而確定隸屬函數(shù)的參數(shù)值，各指標(biāo)隸屬函數(shù)參數(shù)值見表2。

表2 適宜性指標(biāo)隸屬函數(shù)

3.5 劃分適宜性等級(jí)

基于層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)法，根據(jù)已經(jīng)確定的各參評(píng)指標(biāo)因子權(quán)重與單因子模糊適宜性程度，加權(quán)累加這兩個(gè)指標(biāo)構(gòu)建種植適宜性評(píng)價(jià)綜合指數(shù)模型，具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(4)

式中:SI為種植適宜性指數(shù)；yi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度；wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重值。

在ArcGis 10.2中計(jì)算出各評(píng)價(jià)單元的適宜性綜合指數(shù)，為0.356～0.809。根據(jù)張家川縣烏龍頭種植適宜性指數(shù)分布特點(diǎn)，采用自然間斷法對(duì)適宜性區(qū)間進(jìn)行劃分。

4 結(jié)果與分析

經(jīng)過計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，張家川縣烏龍頭種植適宜性分布圖、各適宜區(qū)指數(shù)和面積如圖3所示。

圖3 適宜性分區(qū)

4.1 高度適宜區(qū)

區(qū)域面積81.443 km2，占全縣耕地面積的14.9%，集中分布在馬鹿鎮(zhèn)—閻家鄉(xiāng)一帶，其中馬鹿鎮(zhèn)高度適宜區(qū)面積占比超過50%，閻家鄉(xiāng)占比接近30%。該區(qū)域≥10 °C積溫在2 674～3 078°C，平均值為2 852°C，晝夜溫差平均值為11°C，平均降雨量為606mm，平均海拔1 900m，平均坡度15.6°，坡向主要朝南偏西，土壤pH值平均值為8.15，有機(jī)質(zhì)平均含量6.48g /kg，堿解氮平均含量105.9μg/g，有效磷平均含量16.84μg/g，速效鉀平均含量220.0μg/g。

4.2 中度適宜區(qū)

區(qū)域面積187.350 km2，占全縣耕地面積的34.2%，是占比最高的分區(qū)，主要分布于閻家鄉(xiāng)—恭門鎮(zhèn)一帶、大陽鄉(xiāng)—木河鄉(xiāng)—龍山鎮(zhèn)一帶和張棉鄉(xiāng)—連五鄉(xiāng)—川王鎮(zhèn)一帶。該區(qū)域≥10℃積溫平均值為2 912℃，晝夜溫差平均值為10.91℃，平均降雨量為596mm，平均海拔1 847m，平均坡度14.1°，坡向相比高度適宜區(qū)更偏南一些，土壤pH值平均值為8.22，有機(jī)質(zhì)平均含量6.19g /kg，堿解氮平均含量94.1μg/g，有效磷平均含量17.01μg/g，速效鉀平均含量211μg/g。相比高度適宜區(qū)，中度適宜區(qū)除積溫、土壤pH值和速效磷外，其余各指標(biāo)均值均有小幅下降，整體上看，差異并不明顯。

4.3 勉強(qiáng)適宜區(qū)

區(qū)域面積180.376 km2，占全縣耕地面積的33%，占比僅次于中度適宜區(qū)，主要分布于劉堡鄉(xiāng)—張家川鎮(zhèn)—胡川鄉(xiāng)一帶和梁山鄉(xiāng)—馬關(guān)鄉(xiāng)一帶。該區(qū)域≥10 °C積溫平均值為2 919°C，晝夜溫差平均值為10.85°C，平均降雨量為610mm，平均海拔1 840m，平均坡度13.6°，平均坡向184°，土壤pH值平均值為8.24，有機(jī)質(zhì)平均含量5.86g /kg，堿解氮平均含量90.1μg/g，速效磷平均含量17.28μg/g，速效鉀平均含量207μg/g。勉強(qiáng)適宜區(qū)有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀平均含量進(jìn)一步下降，其他指標(biāo)變化較小，表明土壤肥力是區(qū)分烏龍頭種植適宜性的關(guān)鍵因素。

4.4 不適宜區(qū)

區(qū)域面積98.262 km2，占全縣耕地面積的17.9%，主要分布于平安鄉(xiāng)—張家川鎮(zhèn)一帶。該區(qū)域≥10℃積溫平均值為2 916℃，晝夜溫差平均值為10.86℃，平均降雨量為628mm，平均海拔1 838m，平均坡度12.4°，坡向朝南，土壤pH值平均值為8.26，有機(jī)質(zhì)平均含量5.28g /kg，堿解氮平均含量85.6μg/g，有效磷平均含量17.21μg/g，速效鉀平均含量197μg/g。不適宜區(qū)海拔、坡度、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀等指標(biāo)為全縣最低，但土壤pH值最大，坡向離正南方最近，說明堿性越強(qiáng)的土壤、平地和陽坡不太適宜烏龍頭的生長(zhǎng)，規(guī)劃烏龍頭產(chǎn)業(yè)時(shí)應(yīng)避開此區(qū)域。

5 結(jié)論

在ArcGIS平臺(tái)的支持下，運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法，對(duì)張家川縣烏龍頭的種植適宜性展開評(píng)價(jià)，劃分了烏龍頭種植的各類適宜區(qū)，為烏龍頭種植生態(tài)區(qū)劃和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1)將張家川縣烏龍頭種植適宜性劃分為四個(gè)區(qū)域：高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜區(qū)。所對(duì)應(yīng)的區(qū)域面積分別為81.443 km2、187.350 km2、180.376 km2和98.262 km2，分別占全縣耕地面積的14.9%、34.2%；33.0%和17.9%。高度適宜和中度適宜區(qū)面積之和占比接近50%，說明張家川縣具備將烏龍頭產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件。

2)張家川縣烏龍頭種植以位于縣東南方的馬鹿鎮(zhèn)—閻家鄉(xiāng)一帶為最佳區(qū)域，不建議種植在位于縣中部的平安鄉(xiāng)—張家川鎮(zhèn)一帶。

3)從高度適宜到不適宜區(qū)，有機(jī)質(zhì)、堿解氮等土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化最大。表明土壤肥力是影響烏龍頭種植適宜性分區(qū)的關(guān)鍵因素，建議張家川縣優(yōu)先在高度適宜區(qū)和中度適宜區(qū)發(fā)展烏龍頭產(chǎn)業(yè)，在勉強(qiáng)適宜區(qū)通過施肥等措施提升耕地土壤質(zhì)量后，可進(jìn)一步加大烏龍頭種植區(qū)面積。