基于GIS的桂林市羅漢果種植土地適宜性評價

賈艷紅，謝明翅

(廣西師范大學 a.環(huán)境與資源學院，b.可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新研究院，廣西 桂林 541006)

被譽為“神仙果”的羅漢果(Siraitiagrosvenorii)在我國湖南、廣東、廣西和貴州等地均有種植，但以廣西桂林為主產(chǎn)地。羅漢果在桂林已有近三百年的種植歷史，是廣西桂林代表性土特產(chǎn)之一[1]。隨著“十九大”鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，農(nóng)產(chǎn)品“質(zhì)量增優(yōu)”需求增加，為了科學合理規(guī)劃農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)域，促進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)向好發(fā)展，針對農(nóng)產(chǎn)品種植適宜性條件的研究工作逐漸增多。將地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與傳統(tǒng)評價方法有機結(jié)合，對農(nóng)產(chǎn)品種植地進行生境評價，已成為農(nóng)產(chǎn)品種植適宜性評價研究的有效途徑。陳濤和徐瑤[2]利用RS和GIS技術(shù)建立綜合評價模型評定四川區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合等級。謝國雪等[3]通過選取影響農(nóng)作物種植適宜性因子，采用GIS和層次分析法對廣西崇左市江州區(qū)甘蔗種植地進行了適宜性評價。曾欽文等[4]在GIS技術(shù)支持下，采用層次分析法和加權(quán)指數(shù)求和法，構(gòu)建評價指標體系，對廣東省河源市獼猴桃種植土地進行了評價。此外，也出現(xiàn)了針對柑橘、玉米和茉莉花等作物種植適宜性的評價，根據(jù)評價結(jié)果將作物種植適宜性劃分為不同等級，為調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局提供了科學依據(jù)[5-7]。截至目前，國內(nèi)外學者對羅漢果種植的土地適宜性研究甚少，多數(shù)為羅漢果種植現(xiàn)狀的調(diào)查與分析，如寧錦嵩[8]調(diào)查了羅漢果野生資源現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的保護建議。在羅漢果生態(tài)適宜性研究方面，魏小琴等[9]采用藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性信息系統(tǒng)分析羅漢果全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性。以往學者的研究尺度較廣，對局部尤其是縣域尺度的羅漢果種植的指導(dǎo)作用有限。為更加科學合理地規(guī)劃桂林羅漢果種植區(qū)域，使桂林羅漢果產(chǎn)業(yè)持續(xù)向好發(fā)展，本研究結(jié)合羅漢果種植的自然屬性指標，綜合地形和土壤環(huán)境要素，借助GIS平臺對桂林羅漢果種植土地適宜性進行評價，以期為進一步擴大羅漢果種植面積和提高種植品質(zhì)提供科學依據(jù)。

1 方 法

1.1 研究區(qū)概況

桂林市為廣西壯族自治區(qū)地級市，地處109°36′50″—111°29′30″E，24°15′23″—26°23′30″N，下轄6個區(qū)11個縣(市)(圖1)。北接湖南省，西南臨靠柳州市，東至賀州市。桂林市位于南嶺山系西南部，地處湘桂走廊南端，以中山、低中山地形為主，西部、北部及東南部高，中部較低。緯度較低，屬亞熱帶季風氣候，熱量豐富，無霜期長，光照充足，夏長冬短。土壤類型屬紅壤土帶，以紅壤為主。森林資源豐富，森林覆蓋率70.91%，各縣森林覆蓋率達55.30%～78.80%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

地形數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)平臺中的ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS軟件完成拼接。研究區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)下載自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.webmap.cn/)，并轉(zhuǎn)換坐標系。研究區(qū)土壤質(zhì)地、土壤類型以及土壤侵蝕度數(shù)據(jù)來自于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。利用研究區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)對數(shù)字高程數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地、土壤類型以及土壤侵蝕度數(shù)據(jù)進行配準及研究區(qū)范圍提取，利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)獲取坡度與坡向數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 評價因子選取

通過實地調(diào)研獲取桂林市羅漢果種植適宜性條件資料，并通過文獻檢索查閱羅漢果相關(guān)背景資料?？紤]到評價因子的相關(guān)性與穩(wěn)定性及各因子數(shù)據(jù)的可獲得性[10]，選取海拔、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型、土壤侵蝕度與土壤酸堿度作為評價因子。經(jīng)采樣分析得知，桂林市各地土壤pH差別較小，平均值為6.06，標準差為0.032。因此，最終選取海拔、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型與土壤侵蝕度為桂林市羅漢果種植土地適宜性評價因子。

1.3.2 層次分析法

考慮到各因子對羅漢果種植的土地適宜性影響程度不同，需要確定各因子權(quán)重。采用AHP層次分析法[11-13]通過建立層次結(jié)構(gòu)、成對比較構(gòu)建判斷矩陣、對權(quán)重進行單排序、總排序及一致性檢驗，最終確定各評價因子權(quán)重[14]。在層次分析法確定權(quán)重過程中，聘請從事植物生態(tài)與植物地理、國土資源與區(qū)域發(fā)展等研究領(lǐng)域的教授及桂林市羅漢果專業(yè)種植人員30余人對各評價因子重要性進行打分。根據(jù)專家打分結(jié)果構(gòu)建判斷矩陣，利用和積法進行歸一化處理，獲得特征向量值(CW)，并計算最大特征根(λmax)。為避免由于主觀判斷造成的前后矛盾，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。將一致性指標(IC)與隨機一致性指標(IR)進行比較，計算一致性比率RC=IC/IR，若計算得到非負數(shù)RC<0.1，該判斷矩陣滿足一致性檢驗，計算所得具有一致性，可作為權(quán)向量用于表示指標權(quán)重；否則，未通過一致性檢驗，不可作為指標權(quán)向量，需重新構(gòu)造判斷矩陣。

1.3.3 評價體系建構(gòu)

在確定各評價因子權(quán)重值后，應(yīng)對各參評因子的影響程度進行分級，確定各參評因子的極限臨界值及中間值，據(jù)此劃分土地適宜性等級[15]。結(jié)合于浩然等[16]、溫慶元[17]、石天廣[18]的研究，并參考羅漢果種植產(chǎn)業(yè)園技術(shù)人員經(jīng)驗，根據(jù)桂林市實際土壤性質(zhì)和立地條件，對海拔、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型及土壤侵蝕度6個因子進行等級劃分(表1)。

表1 桂林市羅漢果種植土地適宜性評價因子評分標準

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的《土地評價綱要》中對特定用途的土地適宜性程度評價等級劃分要求和桂林市羅漢果種植的自然條件[19]，將土地適宜性分為適宜、中度適宜和不適宜3個等級[20]，分級指標如表2所示。

表2 羅漢果種植土地適宜性分級標準

1.3.4 GIS空間分析法

利用ArcGIS軟件對各參評因子進行可視化處理，得到海拔、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型及土壤侵蝕度指標空間分布圖。利用GIS加權(quán)疊加法并結(jié)合各評價因子評分標準與其權(quán)重，對羅漢果種植土地適宜性單評價因子的空間分布圖進行疊置分析，并按照適宜性分級指標進行重分類，獲得適宜性等級的綜合評價結(jié)果，將其與桂林市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)進行疊加。運用監(jiān)督分類工具[21]將桂林遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分為6大類，得到土地利用柵格數(shù)據(jù)并將其與評價結(jié)果進行運算，提取出水域及建設(shè)用地區(qū)域，獲得桂林市各縣區(qū)羅漢果種植土地適宜性等級分布圖。

利用GIS空間統(tǒng)計工具對綜合評價等級圖內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)進行自然斷點統(tǒng)計與分析，統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)不同等級適宜種植羅漢果地區(qū)的地區(qū)，定量顯示桂林市羅漢果種植土地適宜性各等級類型空間面域占比信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 羅漢果種植土地適宜性評價因子空間分布

按表2所示各評價因子劃分標準，利用ArcGIS軟件進行重分類，得到海拔、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型及土壤侵蝕度的空間分布圖(圖2)。

2.2 羅漢果種植土地適宜性評價因子權(quán)重確定

由層次分析法計算可知，最大特征根值λmax=6.20，一致性比率RC為0.03<0.1，結(jié)果表明，計算所得CW具有一致性，可作為權(quán)向量用于表示指標權(quán)重。最終確定海拔、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型以及土壤侵蝕度權(quán)重值如表3所示。

表3 桂林市羅漢果種植土地適宜性評價指標及權(quán)重

2.3 羅漢果種植土地綜合適宜性評價

經(jīng)遙感數(shù)據(jù)提取得到2020年桂林市土地利用柵格數(shù)據(jù)如圖3所示。通過GIS加權(quán)疊加可獲得桂林市各縣區(qū)羅漢果種植土地適宜性等級分布圖(圖4)。對圖4內(nèi)各等級區(qū)域進行統(tǒng)計分析可知各評價類型空間面域占比信息(表4)。結(jié)果顯示，研究區(qū)域面積為27 798 km2，與桂林實際面積(27 809 km2)基本吻合。研究區(qū)內(nèi)適宜種植羅漢果的地區(qū)約為9 767 km2，占總面積的35.13 %；中度適宜種植地區(qū)的面積約為9 634 km2，占比34.66 %；不適宜種植地區(qū)的面積較小，約為7 689 km2，占比27.66 %。水域及建設(shè)用地面積約708 km2，占2.55%。

表4 研究區(qū)羅漢果種植土地適宜性統(tǒng)計結(jié)果

整體上，桂林市約有2/3的地區(qū)可種植羅漢果，并可獲得一定的經(jīng)濟效益。桂林市適宜種植羅漢果的縣區(qū)為永?？h和興安縣的大部分地區(qū)、龍勝各族自治縣的西南部、靈川縣的北部地區(qū)、荔浦市和全州縣的西北部及平樂縣的西南部地區(qū)；不適宜種植羅漢果的縣區(qū)為桂林市區(qū)與陽朔縣的大部分地區(qū)、全州縣東部、灌陽縣的西部以及資源縣的西南部地區(qū)。

導(dǎo)致上述差異的原因主要是由羅漢果生態(tài)習性和種植區(qū)立地條件及土壤性質(zhì)決定。陽朔縣多為喀斯特地貌，土壤腐殖質(zhì)含量較低，土壤侵蝕較為嚴重；全州縣東南部與灌陽縣西部多為海拔達1 000 m以上的山地；桂林市區(qū)為城區(qū)，土地利用類型多為城鎮(zhèn)建設(shè)用地；在個別縣區(qū)內(nèi)分布的小斑塊化土地——荔浦市中部地區(qū)，盡管海拔偏低，但土壤侵蝕較為嚴重，也不宜種植羅漢果。

3 結(jié)論與討論

研究借助GIS技術(shù)，對桂林市羅漢果種植土地適宜性進行了評價。研究表明，桂林市羅漢果種植環(huán)境較好，種植土地以適宜和中度適宜為主。經(jīng)實地調(diào)查核實和對比分析，各適宜區(qū)的劃分符合當?shù)貙嶋H[22]。針對不適宜種植羅漢果的地區(qū)，可考慮發(fā)展其他產(chǎn)業(yè)，使土地得到更合理的利用；對于羅漢果種植中度適宜地區(qū)，建議應(yīng)開展相應(yīng)土地工程，以培肥地力，提升土地質(zhì)量；同時在適宜種植區(qū)，應(yīng)完善現(xiàn)有羅漢果小鎮(zhèn)等種植園區(qū)，創(chuàng)新種植技術(shù)和生產(chǎn)模式，發(fā)展羅漢果深加工，延長產(chǎn)業(yè)鏈，增強輻射帶動作用，打造桂林市優(yōu)勢突出和特色鮮明的羅漢果產(chǎn)業(yè)。本研究可為桂林市羅漢果種植產(chǎn)業(yè)土地利用合理規(guī)劃與開發(fā)提供技術(shù)支持，進而完善桂林市羅漢果種植標準體系，為桂林市羅漢果種植區(qū)劃及其可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

據(jù)后期實地調(diào)查對比發(fā)現(xiàn)，羅漢果產(chǎn)出質(zhì)量還受到小氣候類型影響[23]，其銷售產(chǎn)業(yè)也同社會、經(jīng)濟及交通等條件密切相關(guān)。種植適宜性評價是一個動態(tài)變化的過程。因此，應(yīng)更加重視動態(tài)化研究和監(jiān)督，在后續(xù)研究中，將致力于完善現(xiàn)有評價指標體系，加強對桂林市羅漢果種植區(qū)進行實時調(diào)研與監(jiān)測，注重羅漢果種植動態(tài)科學管理，為提高桂林市羅漢果種植品質(zhì)提供更為準確的科學依據(jù)。