綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃分析

張濤 柳錦寶 楊翔

（成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 四川成都 610225）

我國是農(nóng)業(yè)大國，糧食產(chǎn)量一直位居全世界前列，水稻是我國賴以生存的主要糧食作物之一，約占我國糧食總產(chǎn)量的1/2。同時(shí)，我國也是糧食消費(fèi)大國，以大米作為主食，水稻的產(chǎn)量直接影響大米產(chǎn)量。近幾年我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，人們對物質(zhì)生活的需求也越來越高，對糧食需求量日益增加，糧食產(chǎn)量能否滿足人們需求直接影響人們的生活水平和幸福感。

近幾年，全球氣候變暖、自然災(zāi)害頻發(fā)，全球生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、自然資源開發(fā)和利用發(fā)生了重大變革。在自然資源結(jié)構(gòu)變化背景下，我國種植環(huán)境惡化，極端氣象、地質(zhì)等災(zāi)害加劇，水稻種植區(qū)域不斷變化，需要不斷根據(jù)自然資源做出相應(yīng)的調(diào)整。建立準(zhǔn)確、有效的水稻種植區(qū)劃模型對提升水稻產(chǎn)量、改善人類生活質(zhì)量有重要意義。

國內(nèi)外對水稻種植區(qū)劃研究方法多種多樣，最早是從氣候角度出發(fā)，研究氣候和水稻生長之間的關(guān)系，后來加入土壤等因子綜合研究種植區(qū)劃適宜性模型。王德燕等[1]基于天長市氣候資源，通過分析生長季不同時(shí)期氣溫、積溫、降水等氣候因子對水稻生長影響的上下限，針對各個(gè)因子建立不同的適應(yīng)度模型。蔣茜等[2]研究顯示，影響水稻區(qū)劃評價(jià)的因素不僅僅只局限于氣候因子，地形因子和土壤因子對水稻生長的評價(jià)也有重要影響；同時(shí)使用主成分分析法篩選各個(gè)因子并確定權(quán)重，采用GridMet 模型進(jìn)行空間建模和ArcGIS 的疊置分析，計(jì)算出水稻適宜性區(qū)劃。

四川省綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為14.7～17.3℃，降水量比較充沛，年均降水量825.8～1 417 mm。水稻作為綿陽市的主要糧食作物，以單季稻為主。近20 年來，綿陽市水稻種植面積一直維持在12 萬～13 萬hm2，種植面積和產(chǎn)量沒有明顯的提升。隨著農(nóng)業(yè)氣候資源、土地資源、地形資源和技術(shù)條件不斷改變，充分利用自然條件擴(kuò)大種植面積和提高水稻產(chǎn)量、合理規(guī)劃水稻種植區(qū)劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

層次分析法（AHP）是20 世紀(jì)70 年代由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty 提出，是對方案的多指標(biāo)進(jìn)行分析的一種層次化、結(jié)構(gòu)化的決策方法及定性與定量相結(jié)合的評價(jià)分析方法，常用于解決多要素、多目標(biāo)、多層次等復(fù)雜問題。本文以層次分析法對綿陽市水稻種植適應(yīng)性區(qū)劃進(jìn)行建模研究，分析其水稻種植適應(yīng)性。

1 材料與方法

1.1 材料

氣象資料來源于四川省1981—2021 年的165個(gè)氣象觀測站數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日平均日照時(shí)數(shù)、日平均相對濕度、日降雨量等。地形數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局（NASA）。土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）。

1.2 方法

1.2.1 農(nóng)作物生長因子確定前人對區(qū)劃的研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，影響農(nóng)作物生長的因子包括氣候因子、地形因子和土壤因子[3-22]。結(jié)合前人對水稻的研究，本研究選擇的氣候因子為日平均氣溫、≥10℃活動積溫、日照時(shí)長、相對濕度；地形因子選擇為海拔、高程；土壤因子主要為pH。通過上述幾項(xiàng)因子對綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃進(jìn)行分析。

1.2.2 技術(shù)路線通過上述選擇的關(guān)鍵因子，將各個(gè)指標(biāo)劃分為：適宜性（2 分）、較適宜性（1分）和不適宜性（0 分）3 個(gè)指標(biāo)等級并打分；利用層次分析法（AHP）確定各項(xiàng)因子權(quán)重，最后結(jié)合ArcGIS 疊加分析的加權(quán)求和，計(jì)算出最終的區(qū)劃適宜性分布。具體技術(shù)路線如圖1 所示。氣象觀測站數(shù)據(jù)為“點(diǎn)”數(shù)據(jù)，為了滿足區(qū)劃的“面”數(shù)據(jù)分析，需要將“點(diǎn)”數(shù)據(jù)向“面”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。為了準(zhǔn)確反映研究區(qū)的氣候時(shí)空變化特點(diǎn)，采用全四川氣象觀測站數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，然后提取出研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。

圖1 綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃技術(shù)路線

為了計(jì)算各個(gè)因子對水稻生長的影響，采用層次分析法（AHP）確定各個(gè)指標(biāo)因子權(quán)重，根據(jù)各項(xiàng)因子得分，利用ArcGIS 加權(quán)疊加分析，計(jì)算綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)因子評價(jià)體系權(quán)重

采用層次分析法，對氣象、地形和土壤指標(biāo)因子進(jìn)行層次劃分，第一層為二級指標(biāo)因子，第二層為一級指標(biāo)因子，具體的層次劃分見圖2。

圖2 層次分析分層圖

第一層為一級指標(biāo)因子所含的小類因子（二級指標(biāo)）之間的權(quán)重確定，第二層為一級指標(biāo)因子之間的權(quán)重確定，目標(biāo)層為確定各個(gè)因子權(quán)重。根據(jù)層次劃分建立判斷矩陣，將矩陣內(nèi)各個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行兩兩比對，并按其重要程度評定等級。兩兩指標(biāo)因子重要性比較結(jié)果公式見式（1）：

aij表示判斷矩陣中的第i列第j行指標(biāo)因子值，該值是第j列第i行倒數(shù)，即其兩兩的比較結(jié)果。

根據(jù)上述公式，各層判斷矩陣如表1～3。

表1 第一層氣候判斷矩陣

表2 第一層地形判斷矩陣

計(jì)算各層之間相對權(quán)重，需要先按列進(jìn)行歸一化處理，公式見式（2）：

Hij為第i列第j行元素值歸一化后結(jié)果值，dij為原值。

判斷矩陣按行求和，見式（3）：

Hi表示第i行指標(biāo)（同一指標(biāo)）之和。

權(quán)重計(jì)算公式見式（4）：

Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，分別為層次單排序一致性檢驗(yàn)和整個(gè)判斷矩陣一致性驗(yàn)證。

層次單排序一致性檢驗(yàn)公式見式（5）：

λmax 為最大特征根，n為唯一非零特征根。CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有滿意的一致性；CI越大，不一致性越明顯。

為衡量CI的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，公式見式（6）：

檢驗(yàn)整個(gè)判斷矩陣是否具有滿意的一致性，需要計(jì)算檢驗(yàn)系統(tǒng)CR，見式（7）：

CR＜0.1，則表示判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，該判斷矩陣可用于計(jì)算各指標(biāo)因子的權(quán)重，否則還需要對判斷矩陣進(jìn)行重新打分比較。

通過上述計(jì)算公式對判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算并校驗(yàn)，最終各因子權(quán)重用公式（8）進(jìn)行計(jì)算：

Pi為對應(yīng)一級指標(biāo)權(quán)重，Wi為對應(yīng)一級指標(biāo)權(quán)重下的二級指標(biāo)的權(quán)重，Wfi為最終權(quán)重。

最終指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表4。

表4 各因子權(quán)重表

2.2 適宜性區(qū)劃指標(biāo)

結(jié)合前人研究結(jié)果和研究區(qū)的歷史種植經(jīng)驗(yàn)可知，綿陽以單季稻為主，水稻種植在每年5—10 月，全生育期150～170 d，整個(gè)生長周期分為：幼苗期、返青期、分蘗期、孕穗期、拔節(jié)期、揚(yáng)花灌漿期和成熟期。

氣候條件方面，水稻在生長過程中最適宜溫度為20～32℃，不能低于12℃和高于38℃；≥10℃活動積溫最佳值應(yīng)大于2 600℃，最低生長要求在2 500℃以上；年日照時(shí)數(shù)至少在1 050 h 以上，最適宜日照時(shí)數(shù)應(yīng)大于或等于1 100 h；最佳年降雨量應(yīng)在800～2 000 mm，最低不能少于400 mm，最高不超過2 400 mm；最佳年平均相對濕潤度在50%～81%，不可低于40%或高于90%[23]。

地形條件方面，海拔和坡度對水稻同樣有著重要影響，最佳種植海拔高度應(yīng)在450 m 之下，最高不超過800m；坡度最佳種植范圍應(yīng)在9°及以下，最高應(yīng)不超過20°[23]。

土壤影響水稻生長的因素主要是pH，最佳土壤pH 應(yīng)在6～7.5，最低為5，最高不超過8.5，這些范圍區(qū)間都能促進(jìn)水稻生長[23]。

將水稻種植適宜性區(qū)劃劃分為3 個(gè)等級：適宜性、較適宜性和不適宜性。具體區(qū)劃指標(biāo)見表5。

表5 綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃指標(biāo)

2.3 水稻種植適宜性區(qū)劃結(jié)果模擬

2.3.1 基于ArcGIS 構(gòu)建區(qū)劃結(jié)果基于表5 區(qū)劃指標(biāo)，利用ArcGIS 的柵格計(jì)算器提供的條件運(yùn)算符，對不同適宜等級按照 2 分（適宜性）、1分（較適宜性）和0 分（不適宜）進(jìn)行計(jì)算，得出各個(gè)因子的適應(yīng)區(qū)劃。綜合種植適宜性區(qū)劃，通過ArcGIS 加權(quán)疊加分析計(jì)算，得出綜合適宜性區(qū)劃。

2.3.2 氣候區(qū)劃結(jié)果氣候數(shù)據(jù)主要基于氣象觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)，為了準(zhǔn)確反映研究區(qū)氣候數(shù)據(jù)，采用ArcGIS 反距離插值分析將“點(diǎn)”數(shù)據(jù)向“面”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在氣候方面，綿陽絕大部分地區(qū)非常適合水稻的種植，生長季平均氣溫、≥10℃活動積溫、濕度、年降雨量都在適宜范圍內(nèi)；而年日照時(shí)數(shù)在綿陽西部北川、安州區(qū)和北川部分地區(qū)不足，對水稻生長會產(chǎn)生一定影響。

2.3.3 地形區(qū)劃結(jié)果在地形條件下，水稻種植適宜性區(qū)劃分析結(jié)果得出，綿陽北部高海拔影響水稻生長，南部海拔較低，剛好屬于水稻種植適宜范圍；由于北部高海拔造成了北部坡度較陡，單純從坡度因子來看，北部同樣不適宜水稻種植。

2.3.4 土壤區(qū)劃結(jié)果通過分析土壤pH 柵格地圖可知，水稻生長的適宜程度較為離散，但大部分地區(qū)都比較適合水稻種植。

2.3.5 綜合區(qū)劃結(jié)果基于氣候、地形、土壤的區(qū)劃結(jié)果，利用ArcGIS 按照2.1 節(jié)所建立的權(quán)重以及各項(xiàng)因子的分?jǐn)?shù)對各項(xiàng)因子進(jìn)行加權(quán)求和，得出的綜合區(qū)劃結(jié)果圖3。綿陽水稻種植綜合區(qū)劃的適應(yīng)性受地形影響較大，北部不適合水稻生長，南部非常適合水稻種植。

圖3 綜合種植適宜性區(qū)劃圖

3 討論與結(jié)論

綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，由于受氣候影響，近幾十年來以單季稻為主。本研究利用近30 年綿陽市5—11 月的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合地形和土壤因子，采用層次分析法和疊加分析得到綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃。綿陽南部和東南部無論氣候條件、地形條件，還是土壤條件都有利于水稻的生長，非常適宜種植水稻；西南地區(qū)中部受日照不足影響，屬于較適宜種植水稻；西北地區(qū)受高海拔、陡坡地形影響，不適宜種植水稻。

本研究的水稻種植適宜性區(qū)劃基于層次分析法，該方法是建立在人類主觀因素之上，通過判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)，在一定程度上減少了人類主觀因素的影響，雖然該方法是以人的知識和經(jīng)驗(yàn)占主導(dǎo)，結(jié)果存在一定誤差，但本研究選用氣候、地形、土壤多源數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，根據(jù)水稻所適宜的依賴性進(jìn)行綜合分析，研究結(jié)果對今后綿陽市調(diào)整水稻種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化布局、提高資源利用率、生產(chǎn)更多更優(yōu)質(zhì)水稻仍具有參考意義。