基于GIS耦合地理探測(cè)器模型的陜北紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃與驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析

何釗全 ，尚雪，張銅會(huì)，云建英

（1.陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室延安大學(xué)，陜西 延安 716000；2.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730030）

0 引言

【研究意義】棗樹（Jujube）原產(chǎn)于我國(guó)，是我國(guó)特有經(jīng)濟(jì)樹種之一，具有防風(fēng)、固沙和減輕干熱風(fēng)等作用。陜北黃土高原黃河沿岸是我國(guó)優(yōu)良制干紅棗中陽(yáng)木棗的主要栽培區(qū)域和適生區(qū)之一。陜北半干旱區(qū)夏季炎熱，日照較強(qiáng)、秋季有短促暴雨、冬季干冷，所產(chǎn)紅棗果大、營(yíng)養(yǎng)豐富、口味甘甜、富含維生素，是一種保健果品[1]。近年來(lái)，紅棗種植面積持續(xù)擴(kuò)大。截至2018年，陜北紅棗種植面積19×104hm2左右，產(chǎn)量74.87×104t，成為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益顯著[2]。進(jìn)而也出現(xiàn)了佳縣、延川和清澗等非常著名的全國(guó)紅棗重點(diǎn)縣。比如，1988年，陜西佳縣被命名為“中國(guó)紅棗名鄉(xiāng)”，是我國(guó)唯一認(rèn)證的有機(jī)紅棗產(chǎn)地，具有“天然極品、百果之王”的美譽(yù)[3]。因此，探究陜北紅棗的生態(tài)適宜性區(qū)劃特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理，對(duì)發(fā)展區(qū)域紅棗特色產(chǎn)業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

【研究進(jìn)展】近年來(lái)，該區(qū)域氣候因子、植被狀況等變化顯著，加之地貌形態(tài)、地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，會(huì)影響光、熱、水、氣等條件，對(duì)紅棗的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及其品質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響，最終嚴(yán)重阻礙紅棗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者采用不同的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)該地區(qū)氣候資源變化、氣溫降水時(shí)空變異、植被土壤特征等進(jìn)行了研究，較全面地揭示了該地區(qū)的氣候地理變化趨勢(shì)。比如，一方面，1960—2010年陜北地區(qū)年均氣溫和月均氣溫呈上升趨勢(shì)，變化傾向率達(dá)0.30 ℃/10a，年降水量呈下降趨勢(shì)，變化傾向率為-12.46 mm/10a[5]，導(dǎo)致陜北產(chǎn)生輕度干旱的頻率高達(dá)68.20%，因此，氣候總體上呈暖干化趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)速率逐步降低[6]。另一方面，自1999年我國(guó)啟動(dòng)退耕還林（草）的工程，至2015年，黃土高原造林面積已達(dá)8 954 km2[7]。在此背景下，2005—2019年，陜北地區(qū)增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）空間分布差異明顯，總體上表現(xiàn)為，東南丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度較高，西北風(fēng)沙區(qū)及城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)域植被覆蓋度較低，陜北地區(qū)的植被覆蓋整體呈顯著上升趨勢(shì)，植被增加的區(qū)域面積占區(qū)域面積的64.30%，植被不變的區(qū)域占31.10%，而植被減少的區(qū)域僅占4.60%[8-9]。此外，陜北黃土地貌正負(fù)地形存在明顯差異，地面坡度的個(gè)體和空間差異反映了黃土地貌形態(tài)的空間分異[10]。研究[6,8,10]表明，黃土高原不同地貌類型在結(jié)構(gòu)和分布上各有特點(diǎn)，尤其是以塬、梁、峁為典型代表的黃土地貌在地貌形態(tài)、地形結(jié)構(gòu)和水系發(fā)育程度等方面表現(xiàn)出明顯的地區(qū)性特征。然而，黃土地貌形態(tài)極其復(fù)雜，具有不規(guī)則性，許多研究指標(biāo)尺度依賴性大，不同尺度研究結(jié)果具有明顯差異性，是典型的土壤退化與水土流失區(qū)域。目前，通過(guò)對(duì)該區(qū)土地利用/覆被變化的氣候驅(qū)動(dòng)因素、土壤侵蝕、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化及脆弱生態(tài)的綜合整治，生態(tài)脆弱區(qū)條件得到顯著改善[11]。適宜的種植區(qū)域是保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。加之植被、地形生態(tài)類別多樣，氣候因子變化頻繁，紅棗的生長(zhǎng)狀況、品質(zhì)產(chǎn)量會(huì)在不同區(qū)域有顯著異同。

生態(tài)適宜性概念最早由美國(guó)景觀規(guī)劃師宗黎黎[4]提出，并隨著遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的持續(xù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法深入探究，使生態(tài)適宜性指標(biāo)類別日趨系統(tǒng)和全面[12]。GIS 技術(shù)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、藥業(yè)等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，評(píng)價(jià)對(duì)象愈發(fā)細(xì)化，且提高了區(qū)劃和評(píng)估結(jié)果的精度。整體上看，近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)各類作物生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)展開了大量研究，研究方向主要集中在方法、模型及應(yīng)用性研究方面。比如，王珊等[13]利用耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)高縣玉米種植區(qū)土地進(jìn)行了生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，明確了不同生態(tài)適宜性等級(jí)的區(qū)域分布面積，確定了生育期間≥10℃積溫和降水量為影響該區(qū)域玉米種植適宜性的主要指標(biāo)，為該縣今后的玉米種植生態(tài)區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)。賀征兵等[14]基于陜西省黃龍縣氣象資料，數(shù)字高程模型（DEM）以及土壤數(shù)據(jù)，利用GIS 逆距離權(quán)重法的綜合插值方法對(duì)核桃種植生態(tài)氣候適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定了種植適宜區(qū)，以期在核桃栽培過(guò)程中充分發(fā)揮生態(tài)氣候資源合理利用的優(yōu)勢(shì)。莫建國(guó)等[15]基于GIS技術(shù)，利用氣候因素（平均氣溫、降水量及日照時(shí)間），確立了獼猴桃種植的氣候適宜性區(qū)劃，為河源地區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大種植面積和提高品質(zhì)提供理論支撐。孫園園等[16]以四川省稻作區(qū)為分析樣區(qū)，利用GIS 空間差值法，研究了優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)的氣候生態(tài)條件適宜性及其空間分布格局，為科學(xué)規(guī)劃優(yōu)化優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)奠定案例基礎(chǔ)。王迅等[17]通過(guò)分析四川晚熟柑橘適宜性區(qū)劃，結(jié)合對(duì)代表性產(chǎn)區(qū)的實(shí)地調(diào)研，分析出四川發(fā)展晚熟柑橘的氣候優(yōu)勢(shì)點(diǎn)，并得到了晚熟柑橘氣候適宜性精細(xì)區(qū)劃圖。上述分析結(jié)論更加充分驗(yàn)證了作物生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)的必要性和現(xiàn)實(shí)意義。但是，評(píng)價(jià)因子側(cè)重點(diǎn)的差異性會(huì)影響評(píng)價(jià)方法的不同，最終導(dǎo)致評(píng)價(jià)方向和適用性范疇的不同。

【切入點(diǎn)】鑒于氣候、植被和立地條件是影響紅棗生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，而人們對(duì)陜北紅棗生長(zhǎng)在不同區(qū)域上的氣候、地理等限制性因子認(rèn)識(shí)有限，對(duì)具體的立地環(huán)境缺少研究，勢(shì)必影響了紅棗產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，氣候、地形、土壤等與紅棗生長(zhǎng)的關(guān)系極力促進(jìn)紅棗生態(tài)適宜性精細(xì)區(qū)劃和評(píng)價(jià)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本文采用GIS 技術(shù)和層次分析法，探討陜北地區(qū)紅棗分布與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，對(duì)紅棗生態(tài)適宜區(qū)進(jìn)行等級(jí)劃分，確定紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃圖；且通過(guò)地理探測(cè)器模型和生態(tài)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法篩選影響紅棗生態(tài)適宜性的主要生態(tài)因子及其影響機(jī)理。研究結(jié)果可為陜北紅棗合理引種栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜北地區(qū)位于黃土高原中部，地處35°02′—39°35′N，107°15′—110°15′E，總面積92 521.40 km2（圖1）。年均降水量約350～600 mm，年平均氣溫8～12 ℃，為典型的半干旱地區(qū)。土壤以栗鈣土、黃綿土為主。該區(qū)域平均海拔高，氣候干燥，且光照充足、晝夜溫差大，是我國(guó)優(yōu)質(zhì)紅棗的重要產(chǎn)區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的數(shù)據(jù)主要有數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、研究區(qū)縣級(jí)行政矢量邊界、年平均氣溫、年降水量、年積溫（≥10 ℃）、土地利用數(shù)據(jù)。其中，DEM收集于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）；研究區(qū)縣級(jí)行政矢量邊界來(lái)源于地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)；年平均氣溫、年降水量、年積溫（≥10 ℃）及土壤類型等柵格數(shù)據(jù)收集于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）。上述矢量和柵格數(shù)據(jù)均解譯完成。

1.3 研究方法

1.3.1 適宜性環(huán)境因子選取

本研究根據(jù)差異性、定量性原則，通過(guò)分析研究區(qū)地理和氣候資料，參考其他學(xué)者研究方法，選取地形、氣候、土壤和植被4 個(gè)尺度的生態(tài)環(huán)境因子作為陜北紅棗生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先，730～1 100 m被確定為適宜陜北紅棗生長(zhǎng)的海拔高程，東南、南、西南方向被選定為陽(yáng)坡，0～25°被選定為適宜坡度[18]。其次，9.6～11.10 ℃、3 000～3 200 ℃、430～580 mm依次被選定為適宜陜北紅棗生長(zhǎng)的年平均氣溫、年積溫（≥10 ℃）、年降水量[18]。此外，黃綿土、黑壚土和灰鈣土被選定為適宜土壤類型[19]，溫帶落葉闊葉林被選定為適合陜北紅棗生長(zhǎng)的地理類別[20]。其中，選擇溫帶落葉闊葉林作為植被因子，主要是因?yàn)?，相比灌木和草本植物，它們具有樹木種類一致性；保護(hù)灌木和草本植物所表征的生態(tài)景觀格局多樣性的同時(shí)，并能夠減弱不同樹種間的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)性[20]。

1.3.2 環(huán)境因子提取

利用ArcGIS10.6軟件將獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為30 m 分辨率，并獲得陜北DEM、氣象、土壤及土地利用柵格圖。通過(guò)該軟件的空間分析工具（Spatial Analyst）按照適宜紅棗生長(zhǎng)的環(huán)境因子的閾值范圍，對(duì)紅棗的10 個(gè)適宜性環(huán)境因子進(jìn)行空間化處理。在所有適宜性環(huán)境因子提取并柵格可視化后，依次通過(guò)“創(chuàng)建隨機(jī)點(diǎn)”和“多值提取至點(diǎn)”2 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)它們的點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取，以便后期統(tǒng)計(jì)分析使用。

選取極差法分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各個(gè)環(huán)境因子值域確定為[0-1]，具體計(jì)算式為：

正相關(guān)指標(biāo)：

負(fù)相關(guān)指標(biāo)：

式中：aij代表經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后第i個(gè)單元的第j個(gè)指標(biāo)的值；xij代表第i個(gè)單元的第j個(gè)指標(biāo)的原始值；xmax代表第i個(gè)單元的第j個(gè)指標(biāo)的最大值；xmin代表第i個(gè)單元的第j個(gè)指標(biāo)的最小值。

1.3.3 適宜性環(huán)境因子權(quán)重確定

采用層次分析法將適宜性環(huán)境因子按順序分解為不同層次結(jié)構(gòu)，采用1-9 標(biāo)度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)賦值建立判斷矩陣，確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（表1）。通過(guò)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)（一致性比率≤0.1），證實(shí)判斷矩陣一致性好，指標(biāo)權(quán)重結(jié)果合理。

表1 陜北紅棗生態(tài)適宜性的影響因子權(quán)重Table 1 Weight of influencing factors of ecological suitability of Jujube in Northern Shaanxi

1.3.4 空間疊加分析

基于各環(huán)境因子的權(quán)重大小，利用ArcGIS10.6軟件對(duì)上述提取的10 個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行空間綜合疊加分析，最終得出紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)（S）并進(jìn)行等級(jí)劃分，即優(yōu)適宜區(qū)（S≥90%）、次適宜區(qū)（90%＞S≥80%）、一般適宜區(qū)（80%＞S≥70%）及非適宜區(qū)（S＜70%）。紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的柵格圖可視化后，同樣通過(guò)“創(chuàng)建隨機(jī)點(diǎn)”和“多值提取至點(diǎn)”2 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)數(shù)值的獲取，用于地理探測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.5 地理探測(cè)分析

地理探測(cè)器（GeoDetector）是一種能夠探測(cè)空間分異性的新型統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[21]，主要從以下幾方面進(jìn)行空間探測(cè)。

因子探測(cè)方法是探測(cè)各因子的解釋力大小，模型如式（3）：

式中：q值代表各環(huán)境因子對(duì)研究區(qū)增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）的解釋力，值域?yàn)閇0-1]，該值越大，說(shuō)明該環(huán)境因子對(duì)EVI的解釋力越強(qiáng)；h=1，2，…，L為影響因子的分層數(shù)；Nh和N分別代表各環(huán)境因子的層h和整個(gè)研究區(qū)的樣本數(shù)；σh和σ分別代表層h和整個(gè)研究區(qū)的EVI值的方差。

生態(tài)探測(cè)方法是探究任意2 個(gè)環(huán)境因子x1和x2對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的影響是否有顯著差異。2 種因子之間，如果行因子和列因子有顯著性差異，則為Y，沒有為N。用F統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行衡量：

式中：Nx1和Nx2分別代表環(huán)境因子x1和x2的樣本數(shù)量；SSWx1和SSWx2分別代表由2 個(gè)環(huán)境因子形成分層的層內(nèi)方差之和；L1和L2分別代表變量x1和x2分層數(shù)目。

交互作用探測(cè)方法用于識(shí)別各因子共同作用（增強(qiáng)或減弱）或相互獨(dú)立作用對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的解釋力大小。在計(jì)算2 個(gè)環(huán)境因子交互的q值后比較q（x1）、q（x2）和q（x1∩x2）大小。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS 10.6 繪制紅棗適宜性區(qū)劃等級(jí)圖，采用地理探測(cè)器模型（Geographical detector model）和典型相關(guān)分析（CCA）探析環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的影響特征。利用Origin 2022 繪制主要環(huán)境因子和紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)之間的相關(guān)性，利用韋恩圖（Venn diagram）確定主要環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的解釋率大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜北紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃等級(jí)空間格局

圖2為陜北紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃等級(jí)的空間格局。由圖2可知，紅棗最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積小，均分布在陜北南部的富縣及鄰近區(qū)域；一般適宜區(qū)集中分布在陜北中南部沿黃河西岸區(qū)域，以綏德縣、清澗縣、延川縣及延長(zhǎng)縣為代表。最優(yōu)適宜區(qū)、次適宜區(qū)、一般適宜區(qū)的面積分別達(dá)到8 548.02、50 732.19、887 126.76 hm2?？梢钥闯觯话氵m宜區(qū)面積依次是最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積的103.80 倍和17.50 倍。充分說(shuō)明，陜北紅棗生長(zhǎng)主要表現(xiàn)為一般適宜區(qū)，而有利于紅棗生長(zhǎng)的最優(yōu)生態(tài)適宜區(qū)較少。

圖2 陜北紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃等級(jí)的空間格局Fig.2 Spatial pattern of zoning levels of ecological suitability of Jujube in Northern Shaanxi

2.2 陜北紅棗生態(tài)適宜性影響因子的地理探測(cè)

2.2.1 因子探測(cè)分析

通過(guò)計(jì)算各環(huán)境因子的q值，提取各環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性現(xiàn)狀的影響力，探測(cè)結(jié)果如表2所示。各環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響程度排序?yàn)椋耗攴e溫＞年平均氣溫＞年降水量＞高程＞坡度＞坡向＞其他（土壤因子和植被因子）。由此可見，年積溫、年平均氣溫、年降水量及高程的q值均大于0.50，解釋力均大于45%，是影響紅棗生態(tài)適宜性的主要環(huán)境因子；坡度和坡向的q值在0.20～0.40 區(qū)間，是紅棗生態(tài)適宜性的次要影響因子；土壤類型和植被因子的q值均小于0.10，對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響較小。

表2 各影響因子探測(cè)q 值Table 2 q values of factor detection

2.2.2 生態(tài)探測(cè)分析

通過(guò)生態(tài)探測(cè)分析（表3）得出，氣候因子（年降水量、年積溫、年平均氣溫）與地形因子（高程、坡度、坡向）對(duì)紅棗生態(tài)適宜性變化的影響存在顯著性差異，與土壤類別（黃綿土、黑壚土、灰鈣土）、植被類型（溫帶落葉闊葉林帶）對(duì)紅棗適宜性的影響無(wú)顯著性差異。這充分證實(shí)了因子探測(cè)結(jié)果的正確性，即可以表明，在影響陜北紅棗的主要生態(tài)環(huán)境因子方面，氣候因子（年降水量、年積溫、年平均氣溫）對(duì)陜北紅棗生態(tài)適宜性的影響最為突出，且其影響程度明顯高于地形因子中的坡度和坡向。此外，土壤類別（黃綿土、黑壚土、灰鈣土）與植被類型（溫帶落葉闊葉林帶）對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響也無(wú)顯著性差異。結(jié)合因子分析結(jié)果表明，土壤類別和植被類型對(duì)紅棗生態(tài)適宜性影響小且影響程度相近，因此，在后期的紅棗區(qū)域規(guī)模培育過(guò)程中不作為重點(diǎn)關(guān)注因素，而著重科學(xué)規(guī)劃氣候因子和地形因子中的高程。

表3 各環(huán)境因子影響紅棗生態(tài)適宜性的顯著性差異Table 3 Significant differences of environmental factors influencing ecological suitability of Jujube

2.2.3 交互探測(cè)分析

本文利用交互作用探測(cè)器對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行探測(cè)，獲取各因子之間的相互關(guān)系（表4）?？梢园l(fā)現(xiàn)，各環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響存在交互作用，不存在相互獨(dú)立起作用的因子（表5）。

由表4可發(fā)現(xiàn)，影響紅棗生態(tài)適宜性的主要和次要環(huán)境因子，即年降水量、高程、年平均氣溫、年積溫、坡度及坡向之間表現(xiàn)出極顯著的交互作用，而與其他環(huán)境因子間交互作用不顯著。由表5可知，絕大部分的環(huán)境因子交互q值大于其單因子的q值，因子互動(dòng)效應(yīng)呈相互增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)關(guān)系。其中，年降水量、年平均氣溫、高程、坡度、坡向與土壤類型的交互作用，均大于其因子間的簡(jiǎn)單加和作用，呈現(xiàn)出對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的非線性增強(qiáng)的影響效應(yīng)。而與其他環(huán)境因子的交互作用均小于因子加和作用，表現(xiàn)出相互增強(qiáng)的交互效應(yīng)。此外，年積溫、土壤類型、植被類型與其他環(huán)境因子的交互作用均小于其因子加和作用，說(shuō)明它們對(duì)陜北紅棗生態(tài)適宜性的影響形式表現(xiàn)為相互增強(qiáng)的交互效應(yīng)?？傊?，各環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響具有交互效應(yīng)，并非獨(dú)立存在的，也不是簡(jiǎn)單的疊加，而是呈相互增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)效應(yīng)。

表4 紅棗生態(tài)適宜性影響因子的交互作用Table 4 Interaction of factors influencing ecological suitability of Jujube

表5 影響紅棗生態(tài)適宜性的環(huán)境因子的交互效應(yīng)Table 5 Interaction effect of environmental factors influencing ecological suitability of Jujube

2.3 影響陜北紅棗生態(tài)適宜性的因子關(guān)系

本文在確定陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃特征的基礎(chǔ)上，采用因子探測(cè)明晰了各環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的影響差異特征。其中，年積溫、年平均氣溫、年降水量及高程的影響解釋率均大于45%，是調(diào)控紅棗生態(tài)適宜性的主要環(huán)境因子?；诘湫拖嚓P(guān)分析得出，年降水量、高程和年積溫極顯著影響紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)，而其他環(huán)境因子的影響程度較?。▓D3）。這充分證實(shí)了因子探測(cè)結(jié)果的正確性，確定了降水量和溫度對(duì)紅棗種植的重要性。

圖3 環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響Fig.3 Influence of environmental factors on ecological suitability of Jujube

通過(guò)相關(guān)性分析得出，年降水量、高程、年積溫及紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)存在極顯著的相關(guān)性。其中，年降水量和年積溫與紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)呈極顯著的非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，而高程和生態(tài)適宜性指標(biāo)呈現(xiàn)極顯著的非線性正相關(guān)關(guān)系（圖4）。說(shuō)明主要環(huán)境因子在不同數(shù)值范圍內(nèi)與紅棗的生態(tài)適宜性指數(shù)表現(xiàn)出不同的協(xié)同/權(quán)衡的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。其中，在0～340 mm 和大于475 mm 的年降水量閾值內(nèi)，生態(tài)適宜性指數(shù)會(huì)隨年降水量的增加而增大，表現(xiàn)出正向協(xié)同關(guān)系，在340～475 mm 閾值內(nèi)，生態(tài)適宜性分布指數(shù)會(huì)隨年降水量的增加而減小，權(quán)衡關(guān)系顯著；年積溫在0～2 600 ℃和大于3 750 ℃閾值內(nèi)，生態(tài)適宜性指數(shù)隨著年積溫的增加而增大，呈正向協(xié)同關(guān)系，2 600～3 750 ℃閾值內(nèi)，生態(tài)適宜性指數(shù)隨著年積溫的增加而減小，權(quán)衡關(guān)系亦顯著；高程在0～900 m 和大于1 300 m 閾值內(nèi)，適宜性分布指數(shù)隨著高程的增加而減小，二者為權(quán)衡關(guān)系，900～1 300 m 閾值內(nèi)，生態(tài)適宜性指數(shù)隨著高程的增加而增大，因此表現(xiàn)為明顯的正向協(xié)同關(guān)系。整體上看，紅棗生態(tài)適宜性與年降水量和年積溫均表現(xiàn)為顯著的權(quán)衡關(guān)系，而與高程呈顯著的正向協(xié)同關(guān)系。此外，可以看出，利于紅棗生態(tài)適宜性分布和利于紅棗生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子（年降水量、高程及年積溫）的適宜閾值范圍不同。這主要是由于生態(tài)適宜性指數(shù)是由文中選定的10 個(gè)環(huán)境因子（地形、氣候、土壤及植被因子）綜合疊加得到的表征紅棗生態(tài)適宜性分布環(huán)境狀況和面積的指數(shù)，更具全面性和復(fù)雜性；同時(shí)，生態(tài)適宜性指數(shù)與紅棗生長(zhǎng)是表征陜北紅棗種植培育狀況的2 類不同的影響途徑。因此，二者對(duì)主要環(huán)境因子的響應(yīng)節(jié)律表現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)性和差異性。

圖4 年降水量、年積溫及高程與紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationships between annual precipitation,annual accumulated temperature,elevation,and ecological suitability index of Jujube

進(jìn)一步利用韋恩圖發(fā)現(xiàn)，年降水量、高程及年積溫對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)具有明顯的單一和交互解釋率。三者單一的解釋率分別達(dá)22%、15%、11%，且年降水量與高程，年降水量與年積溫，及高程與年積溫對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的交互解釋率依次為11%、9%、7%。三者總共能夠解釋紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的78%（圖5），更加驗(yàn)證了它們作為主要環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的作用。

圖5 年降水量、年積溫和高程對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的解釋率Fig.5 Interpretation rate of annual precipitation,annual accumulated temperature and elevation to ecological suitability index of Jujube

3 討論

3.1 陜北紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃特征

研究區(qū)紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃等級(jí)在空間上從東南部到西北部由高到低遞減。本研究表明，陜北紅棗最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)為陜北南部區(qū)域，主要以富縣為代表；富縣鄰邊區(qū)域分布較少，或只有小植株零星分布。二者分布面積分別為8 548.02、50 732.19 hm2。一般適宜區(qū)集中分布在陜北中南部沿黃河西岸區(qū)域，主要以綏德縣、清澗縣、延川縣及延長(zhǎng)縣為代表，并向四周逐漸減少。一般適宜區(qū)面積顯著大于最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)，高達(dá)887 126.76 hm2，是陜北地區(qū)紅棗適宜性區(qū)劃的代表性特征。而陜北地區(qū)的北部（橫山區(qū)、榆陽(yáng)區(qū)、神木市、府谷縣）和西部區(qū)縣（定邊縣、吳起縣、志丹縣、靖邊縣）是紅棗非適宜區(qū)。

以往紅棗種植區(qū)劃指標(biāo)的選擇大多僅考慮了氣象因素，導(dǎo)致區(qū)劃結(jié)果粗略[22-23]。在分析紅棗與氣象要素關(guān)系的基礎(chǔ)上，綜合地形和土壤環(huán)境要素，以及植被的影響，實(shí)現(xiàn)了陜北地區(qū)紅棗種植生態(tài)適宜性的精細(xì)化區(qū)劃，有利于區(qū)域紅棗合理區(qū)劃和集約化經(jīng)營(yíng)管理。通過(guò)實(shí)地調(diào)研查證，確定該研究的評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合該地區(qū)紅棗種植的實(shí)際情況。優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)，棗林分布分散，種植面積小，需要發(fā)揮地理優(yōu)勢(shì)，大力培育，增加規(guī)模；一般適宜區(qū)棗林種植面積大，但是紅棗品質(zhì)仍需要著重提升。

3.2 陜北紅棗生態(tài)適宜性的驅(qū)動(dòng)機(jī)理

2000年以來(lái)，陜北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局變化顯著。主要表現(xiàn)為林木、草地的面積占比分別增加19%、7%。生態(tài)系統(tǒng)格局已由退耕還林（還草）生態(tài)工程實(shí)施前的耕地主導(dǎo)型轉(zhuǎn)化為林木主導(dǎo)型[11]。陜北棗樹作為該區(qū)域優(yōu)勢(shì)特色經(jīng)濟(jì)林木樹種之一，在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控方面發(fā)揮著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)因子探測(cè)分析和典型相關(guān)分析明晰了年積溫、年平均氣溫、年降水量及高程的影響解釋率均大于45%，對(duì)陜北紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)具有極顯著的影響，是調(diào)控紅棗生態(tài)適宜性的主要環(huán)境因子。陜北地區(qū)的降水量和溫度在生態(tài)系統(tǒng)格局變化過(guò)程中波動(dòng)顯著，相互制約，主導(dǎo)著區(qū)域氣象節(jié)律。1960—2017年，陜北地區(qū)年際地溫、氣溫顯著上升（P＜0.01），同時(shí)氣溫通過(guò)地-氣的熱量交換調(diào)控地溫變化[24]。這很大程度上因?yàn)橥烁€林（還草）生態(tài)工程的實(shí)施。該地區(qū)造林引起微弱的增溫（（0.03±0.22）℃）和地表溫度季節(jié)性變化。春季及夏季的降溫程度較大，冬季降溫作用微弱。春季白天地表降溫最強(qiáng)，其次是夏季，秋冬季節(jié)降溫較弱[25]。地表溫度變化與降水梯度密切相關(guān)。年降水量、年平均氣溫增加趨勢(shì)的氣候傾向率分別達(dá)到 14.73 mm/（10 a）、0.25 ℃/（10 a）（P＞0.05）[2]。季節(jié)上，陜北地區(qū)夏季和秋季氣象干旱頻率高，春季和冬季氣象干旱頻率相對(duì)較低[26]。夏季極端降水約占夏季總降水量的54%，且極端降水占比在將近70%的站點(diǎn)表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)[27]。由此可見，陜北地區(qū)雖然具有植被和季節(jié)性降水量增加所導(dǎo)致的濕潤(rùn)化氣候特征的發(fā)展趨勢(shì)，且有利于地表林木生長(zhǎng)和恢復(fù)。但是由于氣溫仍然處于年際持續(xù)升高趨勢(shì)，所以該區(qū)域的氣候節(jié)律整體上仍然處于暖干化狀態(tài)[5]。因此，在陜北半干旱地區(qū)，主要以旱生植被和樹種為主。紅棗耐旱性較強(qiáng)，在熱量充足的條件下，降水對(duì)其生長(zhǎng)的影響顯得更為重要。降水可以緩解水分脅迫，使得生長(zhǎng)季末期延遲[28]，且降水和溫度對(duì)棗樹生長(zhǎng)的影響占主導(dǎo)位置，這與劉靜等[29]和吉珍霞等[30]的觀點(diǎn)一致。故氣象的年際和季節(jié)性變化更替，對(duì)棗林的生長(zhǎng)產(chǎn)生定期、不定量的影響。

溫度和降水的變化能夠顯著解釋林木覆蓋的變化。其中，溫度與陜北地區(qū)林木覆蓋度之間呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域占84%，極顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域占14%；降水與林木覆蓋度之間呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域占54%，極顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域占37%[31]。這一點(diǎn)與本研究結(jié)果相似，即年降水量和年積溫與生態(tài)適宜性指數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)（權(quán)衡關(guān)系），而高程和生態(tài)適宜性指數(shù)極顯著正相關(guān)（正向協(xié)同關(guān)系）。此外，陜北地區(qū)林木對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在明顯的空間差異性，不同氣候因子對(duì)不同林木覆蓋類型的影響程度不同[32—33]。這主要是因?yàn)殛儽钡貐^(qū)氣候特征本身具有顯著的區(qū)域差異性。陜北北部和中部黃河沿岸的府谷縣、神木縣、吳堡縣及綏德縣等區(qū)域，近年來(lái)降水量增多，尤其在紅棗成熟采摘期的集中降水現(xiàn)象的增加；加之黃河支流水域的區(qū)域微氣候特征的影響，使得紅棗出現(xiàn)裂果和棗果含水量增加的現(xiàn)象，直接減弱了紅棗的甜度和芳香風(fēng)味[20]。因此，紅棗的生態(tài)適宜性指數(shù)呈從陜北南部和東部區(qū)縣向西部和北部區(qū)縣遞減的空間布局差異性。結(jié)合各環(huán)境因子，進(jìn)行地理探測(cè)中的生態(tài)探測(cè)分析，進(jìn)一步得出，年降水量、年積溫、年平均氣溫與高程、坡度、坡向?qū)t棗生態(tài)適宜性的影響存在顯著性差異，與土壤類別（黃綿土、黑壚土、灰鈣土）、植被類型對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響無(wú)顯著性差異。這與梁軼等[20]的研究結(jié)果一致，即基于陜北紅棗的喜光和耐旱的氣候特性，坡向和坡度也會(huì)顯著影響紅棗的產(chǎn)量和品質(zhì)，所以需要對(duì)坡向類型（陽(yáng)坡、陰坡）進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)坡度適宜性進(jìn)行人工修定。由此可知，在栽培種植過(guò)程中，需要穩(wěn)定造林面積，同時(shí)根據(jù)環(huán)境因子對(duì)紅棗的影響差異性和相關(guān)性，協(xié)同穩(wěn)定調(diào)控區(qū)域氣象變化幅度，以期實(shí)現(xiàn)棗林的平穩(wěn)生長(zhǎng)。

進(jìn)一步交互探測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，年降水量、年平均氣溫、高程、坡度、坡向與土壤類型呈對(duì)紅棗適宜性的非線性增強(qiáng)的影響效應(yīng)。而與其他環(huán)境因子呈相互增強(qiáng)的交互效應(yīng)。這主要是因?yàn)榈匦?、植被、氣候及土壤因子之間的關(guān)系本身具有時(shí)空復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性[5-6,8,10]。地形通過(guò)影響植被和氣候分布格局，來(lái)影響土壤類型，進(jìn)而綜合性調(diào)控紅棗生態(tài)適宜性生長(zhǎng)和分布區(qū)域及態(tài)勢(shì)。此外，年降水量、高程和年積溫對(duì)紅棗適宜性具有明顯的單一和交互解釋率。三者能夠整體性解釋紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的78%，足以證實(shí)它們對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的顯著作用。因此，各環(huán)境因子交互作用對(duì)紅生態(tài)棗適宜性的影響是相互增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)效應(yīng)，并非獨(dú)立存在和簡(jiǎn)單疊加?；诃h(huán)境因子和林木、植被的交互關(guān)系，生態(tài)環(huán)境的持續(xù)規(guī)?；G化，也會(huì)促進(jìn)環(huán)境因子的良性循環(huán)。比如，2000年以來(lái)，植被恢復(fù)對(duì)陜北地區(qū)局地降水量的增加顯現(xiàn)了積極效應(yīng)。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2000—2015年該區(qū)域降水量以7.84 mm/a2的速率顯著增加，大規(guī)模植被恢復(fù)對(duì)研究區(qū)降水量增加速率的貢獻(xiàn)高達(dá)37.40%[34]。

陜北地區(qū)退耕還林還草工程實(shí)施效果顯著，工程實(shí)施后共有297 066.15 hm2耕地轉(zhuǎn)化為林地和草地，林草覆蓋率由57.30%增長(zhǎng)至60.50%[35]。該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局已從耕地型轉(zhuǎn)化為林木和草地型[11,36]。充分說(shuō)明，2000年以來(lái)，人為對(duì)植被、林地覆蓋的影響也向正作用方向發(fā)展。張翀等[37]利用地理探測(cè)器分析得出，土地利用變化就是影響林地、植被覆蓋變化的重要人為主導(dǎo)因子。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997—2018年，陜北地區(qū)未利用地面積占比減少5%[11]。在后續(xù)的土地利用規(guī)劃中，可以進(jìn)一步調(diào)整區(qū)域土地利用模式和結(jié)構(gòu)，在適宜區(qū)開發(fā)未利用地，增加紅棗的規(guī)模栽培，促進(jìn)土地利用結(jié)構(gòu)的生態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)程。這對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善具有現(xiàn)實(shí)意義。

綜上分析認(rèn)為，對(duì)于陜北優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)，由于實(shí)地考察證實(shí)，該2 類區(qū)域紅棗種植密度和面積小，需要提升生產(chǎn)培育面積和規(guī)模，引領(lǐng)優(yōu)質(zhì)紅棗發(fā)展形成優(yōu)勢(shì)突出和特色鮮明的紅棗產(chǎn)業(yè)帶；一般適宜區(qū)域，應(yīng)以培肥地力為重點(diǎn)，通過(guò)提升耕地肥力和質(zhì)量促進(jìn)紅棗生長(zhǎng)。非適宜區(qū)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改種其他作物或退耕還林；亦或根據(jù)影響因子作用大小，針對(duì)性地進(jìn)行溫室紅棗種植培育。通過(guò)主要影響因子的人工合理調(diào)控，并配合水肥等農(nóng)藝措施，達(dá)到陜北紅棗生長(zhǎng)和品質(zhì)的改善。

4 結(jié)論

1）陜北紅棗生態(tài)適宜性區(qū)劃等級(jí)從東南部到西北部由高到低遞減。最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)集中分布在富縣，分布面積達(dá)8 548.02 hm2；一般適宜區(qū)分布在綏德縣、清澗縣及延川縣等陜北沿黃河西岸區(qū)域，面積顯著高于最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)。

2）氣候因子（年降水量、年積溫、年平均氣溫）和地形因子（高程、坡度、坡向）對(duì)紅棗生態(tài)適宜性影響較大，且存在顯著性差異。其中，年降水量、高程和年積溫（≥10 ℃）為主要驅(qū)動(dòng)因子，三者對(duì)紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)的解釋率分別達(dá)到22%、15%、11%，且總和解釋率高達(dá)78%。

3）各環(huán)境因子對(duì)紅棗生態(tài)適宜性的影響并非獨(dú)立存在的，也不是簡(jiǎn)單的疊加，而是呈相互增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)的交互作用效應(yīng)。其中，年降水量和年積溫與紅棗生態(tài)適宜性指數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)（權(quán)衡關(guān)系），高程與生態(tài)適宜性指數(shù)極顯著正相關(guān)（正向協(xié)同關(guān)系）。