山區(qū)農(nóng)業(yè)園區(qū)選址評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用

陳奎棟 王心良

摘要 為加強(qiáng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展，因地制宜進(jìn)行山區(qū)農(nóng)業(yè)園區(qū)地選址，以臨沂市蒙陰縣農(nóng)業(yè)園區(qū)選址為例進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)分析。從水文分析、太陽輻射分析、坡度分析角度出發(fā)，利用GIS結(jié)合現(xiàn)有土地利用現(xiàn)狀疊加分析，加權(quán)總和，得到蒙陰縣農(nóng)業(yè)園區(qū)適宜評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)園區(qū)適宜面積約207.51 km2，占比約12.93%，主要分布在蒙陰縣西南部垛莊鎮(zhèn)、西北部聯(lián)城鎮(zhèn)；比較適宜面積約595.67 km2，占比約37.11%；一般適宜面積約427.93 km2，占比約26.62%；比較不適宜面積約223.28 km2，占比約13.92%；最不適宜面積約150.61 km2，占比約9.42%。水文分析、太陽輻射分析結(jié)果符合實(shí)際情況，表明水文分析、太陽輻射分析適宜山區(qū)河流復(fù)雜區(qū)域的農(nóng)業(yè)園區(qū)選址工作。

關(guān)鍵詞 GIS；水文分析；太陽輻射分析；農(nóng)業(yè)園區(qū)；選址評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) F324? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2023）14-0058-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.015

作者簡介 陳奎棟 （1997—） ，男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)管理。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事土地資源管理、資源經(jīng)濟(jì)學(xué)研究。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)戶兼業(yè)化現(xiàn)象越來越普遍，很多耕地遭到拋荒或者撂荒，在加快其他行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，又要繼續(xù)保障農(nóng)業(yè)發(fā)展，在當(dāng)?shù)卣闹С?、補(bǔ)貼下，出現(xiàn)大量農(nóng)用地承包大戶。承包地的選擇多以面積連片為優(yōu)選地，但這種方法并非最優(yōu)選擇，特別是山區(qū)山脈縱橫，土地連片性本就不高，加上大山阻擋太陽光照，即使山腳下平原地段也不能高質(zhì)量、高產(chǎn)能，再加上山川河流影響，給山區(qū)農(nóng)業(yè)園區(qū)選址工作加大了困難程度。但隨著GIS技術(shù)發(fā)展，水文分析、太陽輻射分析廣泛用于農(nóng)業(yè)園區(qū)選址分析。地理數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)的核心組成部分之一，數(shù)字高程模型（DEM）是地理數(shù)據(jù)的重要組成部分，已經(jīng)被廣泛用于國家地理信息基礎(chǔ)、軍事地表三維顯示、景觀設(shè)計(jì)、地形特征提取、流域水文分析等諸多領(lǐng)域［ 1］。因此，該研究從水文分析、太陽輻射分析、坡度分析角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行選址，以期因地制宜選出合適的大型農(nóng)業(yè)園區(qū)，為研究受山川、河流影響嚴(yán)重的區(qū)域更好選址，達(dá)到方案最優(yōu)化。以地形復(fù)雜的山東省臨沂市蒙陰縣為例，主要引入水文、太陽輻射分析方法進(jìn)行創(chuàng)新，水文分析將水流方向、匯流累積量、各級(jí)水流長度、徑流量、分水嶺考慮在選址范圍內(nèi)，太陽輻射分析將對(duì)每個(gè)要素位置或每個(gè)地形面中的位置重復(fù)計(jì)算直射日照量、散射日照量、總?cè)照樟?，以便生成蒙陰縣整個(gè)地理區(qū)域的日照地圖。隨著GIS技術(shù)發(fā)展，數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)還能反映蒙陰縣坡度、地表徑流污染源位置、受氣象災(zāi)害影響嚴(yán)重區(qū)、植被蓄水導(dǎo)水能力強(qiáng)弱區(qū)、土壤松軟程度區(qū)、受大氣污染影響區(qū)、高山投影嚴(yán)重區(qū)等，此方法為高山河流復(fù)雜區(qū)的農(nóng)業(yè)園區(qū)選址提供了一種新的思路。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀

蒙陰縣位于山東省臨沂市中北部，北鄰淄博沂源縣、濟(jì)南萊蕪區(qū)，南鄰臨沂市費(fèi)縣，東鄰臨沂市沂南縣，西鄰臨沂市平邑縣，公路運(yùn)輸發(fā)達(dá)，鐵路運(yùn)輸不便。屬于暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，夏季溫度20～33 ℃，最高可達(dá)39 ℃左右，日降水量可達(dá)36.5 mm，易發(fā)生洪澇，冬季溫度多為-5～5 ℃，最低可達(dá)-12 ℃左右，易受寒潮、干旱影響。地形受南邊的蒙山山脈、北邊的新甫山山脈和三大河流（梓河、汶河、蒙河）影響，海拔91～1 073 m，最低處位于垛莊鎮(zhèn)，最高處位于桃墟鄉(xiāng)冷峪頂，山川、丘陵、溝壑縱橫，因高山及丘陵占據(jù)全部面積的81%，也造就了蒙陰縣復(fù)雜密集的河網(wǎng)系統(tǒng)（圖1）。

2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)字高程數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，數(shù)據(jù)集選用柵格數(shù)據(jù)GDEMV3 30 m分辨數(shù)字高程數(shù)據(jù)，土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來自全球30 m地表覆蓋（Globe Land 30）數(shù)據(jù)集，利用Arcgis與各柵格數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)結(jié)合，進(jìn)行疊加分析，分等賦值，加權(quán)后再次分級(jí)，最后進(jìn)行適宜區(qū)分析。為使圖層目標(biāo)結(jié)果圖清晰一致，地理處理時(shí)在環(huán)境處理中統(tǒng)一使用投影坐標(biāo)系高斯克呂格投影CGCS2000_GK_Zone_20，數(shù)據(jù)大多為30 m分辨率，處理范圍為臨沂市蒙陰縣行政區(qū)劃矢量圖，柵格分析時(shí)像元大小指定為30，按掩膜處理同為蒙陰縣行政區(qū)劃矢量圖。主要處理方法為核密度分析、水文分析法、太陽光照輻射法，裁剪、合并、融合、鑲嵌、按掩膜提取、重分類、加權(quán)總和。指標(biāo)因子選取考量其典型性、相對(duì)獨(dú)立性、穩(wěn)定性和可操作性［ 2］。需要綜合考慮立地條件、土壤特性、利用狀況、生態(tài)環(huán)境狀況等因素［ 3-7］。

3 研究方法及結(jié)果分析

3.1 水文分析

第一步，提取蒙陰縣數(shù)字高程。使用Fill工具統(tǒng)一進(jìn)行洼地填充，以無洼地進(jìn)行處理，利用處理好的洼地提取水流方向，水流方向以2的冪次方以左邊方向?yàn)槠瘘c(diǎn)順時(shí)針分布，如2的零次方為1，位于最左邊起點(diǎn)位置，沿著9宮格順時(shí)針方向類推，一共0～7次方，8個(gè)方向。

第二步，基于水流方向結(jié)果計(jì)算匯流累積量。原理是每一個(gè)數(shù)字高程模型所對(duì)應(yīng)的規(guī)則格網(wǎng)都會(huì)有一個(gè)單位的流水量，根據(jù)自然規(guī)律，水流從高處向低處進(jìn)行流淌，流過的柵格數(shù)量即為每個(gè)點(diǎn)流經(jīng)的水量，當(dāng)匯流逐漸增多時(shí)，就會(huì)形成地表徑流，進(jìn)一步使用柵格計(jì)算器提取地表徑流量河網(wǎng)大于500的值，利用柵格重分類，只保存大于500的值，使用河網(wǎng)矢量化工具將大于500的柵格值轉(zhuǎn)換為矢量。

第三步，采用順流水流方向計(jì)算水流長度。是指沿著地面水流方向到出水口的實(shí)際距離長度，水流長度對(duì)地面徑流速度具有直接關(guān)系，對(duì)土壤侵蝕力也具有一定的影響，重分類，越長越適宜。

第四步，使用Stream Link工具從水流方向和大于500的河網(wǎng)中提取河流連接?xùn)鸥?。每一種不同顏色線條交接點(diǎn)都是不同河流的起點(diǎn)或終點(diǎn)，研究這些點(diǎn)的位置對(duì)于水量和水土流失具有重要意義。使用Strahler分級(jí)法對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)，方法原理是2個(gè)1級(jí)河網(wǎng)弧段匯聚在一起成為2級(jí)河網(wǎng)弧段，以此類推，直到出水口，1級(jí)為最低級(jí)，數(shù)值越大越高，低級(jí)的為支流，高級(jí)的為主流，將分級(jí)后的河網(wǎng)矢量化單獨(dú)提取出來，再要素折點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)得到各級(jí)出水口。如圖1所示，各級(jí)河流匯集點(diǎn)即為出水口點(diǎn)，這些點(diǎn)反映的是該節(jié)點(diǎn)為周圍支流匯流量最大位置，水源最豐富，最適合農(nóng)業(yè)園區(qū)選址區(qū)域，通過使用歐氏距離法得到距出水口距離空間插值，重分類，越近越好。綜合第三、四步，矢量化分級(jí)后的河流弧段，得到共6級(jí)河流；6級(jí)河流長度約12.44 km、5級(jí)河流長度約62.99 km、4級(jí)河流長度約94.22 km、3級(jí)河流長度約247.55 km、2級(jí)河流長度約393.96 km、1級(jí)河流長度約939.90 km。

第五步，使用Basin工具提取流域盆地。使用Watershed提取集水流域，流域盆地面積越大，集水流域面積越大，說明此區(qū)域匯流水量最大，進(jìn)行重分類，面積越大越好。流域盆地分布如圖2所示，蒙陰縣主要分為3塊流域盆地，面積分別約為1 126.83、95.09、184.60 km2，流域盆地面積大反映了該區(qū)域降水量集中，支流量密集，河流徑流量大，地勢相對(duì)平坦，分水嶺的存在限制了河流流向以及流域，因此相鄰流域盆地周邊多為自然災(zāi)害頻發(fā)地段也可通過預(yù)測河流流向提前做好防范措施，避免在該地區(qū)周圍進(jìn)行大范圍作業(yè)。集水流域分布如圖3所示，集水區(qū)域最多的地方位于蒙陰縣最南部，此地隨著高程大小逐漸遞減，整體上自南向北越來越少，單條集水面積最大5.97 km，最小大于1.00 km2的有534條河流。水文地理綜合氣候、地質(zhì)、地貌、土壤、植被等自然地理要素［ 8］，反映此區(qū)域河流或者水系周圍能夠貯集、利用水資源最多，淹沒區(qū)域最高的地方往往是氣象災(zāi)害最少的地方，原因是氣象災(zāi)害對(duì)河流匯水儲(chǔ)水能力具有較大的影響力，因此集水區(qū)域越穩(wěn)定，反映蒙陰縣該區(qū)域受臺(tái)風(fēng)、暴雨影響越小，生態(tài)越穩(wěn)定，集水區(qū)域大的地方也多為地形坡度平坦區(qū)，土壤是水的儲(chǔ)蓄場所，是農(nóng)作物生長的關(guān)鍵因素，集水區(qū)域高也能反映該區(qū)域土質(zhì)地適宜、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙管道大、植被導(dǎo)水能力強(qiáng)，涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)等。

第六步，按比重疊加總和。水流長度重分類0.24、出水口重分類0.33、流域盆地重分類0.17、集水流域重分類0.26，得到水文分析適宜圖。蒙陰縣水文分析評(píng)價(jià)如圖4所示，水文條件優(yōu)越的區(qū)域整體上分布在河谷地段，西南優(yōu)勢最高、中部較平均、東北較為劣勢，這是由于西南地區(qū)高級(jí)河流較多，所覆蓋的集水區(qū)域大、盆浴面積大，適宜農(nóng)業(yè)園區(qū)選址。

3.2 太陽輻射分析 該方法考慮大氣效應(yīng)、地點(diǎn)的緯度和高程、坡度和方位、太陽角度的日變化和季節(jié)性變化、周圍地形投影所產(chǎn)生的陰影等影響因素，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)園區(qū)選址分析。使用工具Area Solar Radiation選取2021年3—9月08：00～15：00的光照強(qiáng)度，太陽光照強(qiáng)度分布如圖5所示，單位為（W·h）/m2，太陽光照是農(nóng)作物光合作用的來源，是葉綠素形成的前提，將無機(jī)物變成有機(jī)物，促進(jìn)細(xì)胞分裂，加快農(nóng)作物生長。從圖5可知，蒙陰縣中北部光照強(qiáng)度最高，南部部分區(qū)域較高，造成同一地區(qū)太陽光照輻射強(qiáng)度不一的原因除了云量外，還與海拔有關(guān)，海拔越高，影響太陽光線經(jīng)過大氣路徑，造成大氣光學(xué)厚度值變小，輻射越強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中可通過對(duì)比兩點(diǎn)位置的柵格數(shù)量多少，從兩個(gè)位置中選出最合適位置。

3.3 坡度分析

利用數(shù)字高程提取出坡度，并進(jìn)行重分類，蒙陰縣坡度評(píng)價(jià)如圖6所示，最低坡度0°，最高坡度59.28°，呈現(xiàn)出東北部高、中部低、西南高狀態(tài)，應(yīng)充分利用地形特征，因地制宜，在東北部山區(qū)密集地帶發(fā)展符合當(dāng)?shù)靥卣鞯膱@地或林地作物，在中部平坦地區(qū)發(fā)揮機(jī)械化優(yōu)勢，建立大型農(nóng)業(yè)園區(qū)，利用現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢農(nóng)業(yè)，在西南部地區(qū)交叉種植適宜作物。

3.4 土地利用分析

重分類30 m遙感數(shù)據(jù)，蒙陰縣土地利用評(píng)價(jià)如圖7所示，加入土地利用現(xiàn)狀指標(biāo)是對(duì)結(jié)果的一種修正，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，對(duì)原來的用地位置重新規(guī)劃，也為新的結(jié)果提供依據(jù)，對(duì)比水文、光照、坡度條件可知，耕地多分布在河流匯集區(qū)、太陽光照強(qiáng)、坡度適宜區(qū)，森林多分布在山地但森林覆蓋率明顯不足，草地也多分布在坡度較高地段，并沒有充分利用山體。

3.5 加權(quán)分析

將水文分析、太陽輻射分析、坡度分析、土地利用分析按比重加權(quán)總和，加權(quán)方法采用層次分析法。使用層次分析法具有高度的縝密性、系統(tǒng)性和實(shí)用性，是解決龐大系統(tǒng)中多層次、多目標(biāo)決策問題的有效決策方法［ 9］。專家打分取平均值，并判斷矩陣通過一致性，這種定性與定量結(jié)合的辦法，能彌補(bǔ)數(shù)據(jù)殘缺或不準(zhǔn)的不足，使結(jié)果更準(zhǔn)確。單因子分級(jí)如表1所示，水文分析、太陽輻射分析、坡度分析、土地利用分析分別按照0.25、0.21、0.23、0.31權(quán)重加權(quán)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果按照自然間斷點(diǎn)法分級(jí)劃定適宜區(qū)等級(jí)，進(jìn)一步修正，去掉重要水庫、國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等，將禁止開發(fā)的劃為最低級(jí)。農(nóng)業(yè)園區(qū)適宜區(qū)分布如圖8所示，適宜面積約207.51 km2，占比約12.93%，主要分布在蒙陰縣西南部垛莊鎮(zhèn)、西北部聯(lián)城鎮(zhèn);比較適宜面積約595.67 km2，占比約37.11%;一般適宜面積約427.93 km2，占比約26.62%;比較不適宜面積約223.28 km2，占比約13.92%;最不適宜面積約150.61 km2，占比約9.42%，主要分布在中部蒙陰街道、東北部岱崮鎮(zhèn)。

4 結(jié)論與討論

研究結(jié)果對(duì)比蒙陰縣實(shí)際情況后，適宜區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果符合當(dāng)?shù)亟Y(jié)構(gòu)，并且農(nóng)用地質(zhì)量相對(duì)較高，說明從水文、太陽日照角度分析方法適宜山區(qū)河流復(fù)雜區(qū)域的農(nóng)業(yè)園區(qū)選址工作，并且研究水文地理、合理利用太陽日照對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有顯著作用，有助于促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展。

（1）水文分析預(yù)測自然災(zāi)害，防止危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。水文分析對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)選址評(píng)價(jià)具有重大意義，河流網(wǎng)絡(luò)中反映的是一塊區(qū)域內(nèi)地形、地貌、氣候特征及對(duì)未來地表水文的預(yù)測，地表徑流污染源的確定，可減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)造成的影響，在選址前將水文因素考慮其中，可大幅度避免洪澇、干旱發(fā)生。

（2）增加太陽日照強(qiáng)度，促進(jìn)作物生長。日照時(shí)數(shù)和太陽總輻射變化原因主要有云、氣溶膠、水汽、城市化、太陽自身活動(dòng)等［ 10］，其中最常見的原因有2種，云層越厚，天氣狀況對(duì)太陽輻射的削弱作用就越大，到達(dá)地面的太陽輻射點(diǎn)就越小，因而晴朗天氣云層少，太陽輻射到達(dá)地面就越多，隨著城市化發(fā)展，工業(yè)化產(chǎn)生的氣溶膠也對(duì)太陽輻射強(qiáng)度有一定影響。齊月等［ 11］還發(fā)現(xiàn)太陽日照強(qiáng)度變?nèi)蹩赡芘c人為活動(dòng)有關(guān)。因此一方面是保護(hù)環(huán)境，另一方面是改變作物種植方式，采用單作、間作、套種結(jié)合方式，搭配不同種植行距，加大農(nóng)作物對(duì)光照強(qiáng)度的截留，充分發(fā)揮不同品種作物的特征優(yōu)勢，如枸杞與胡蘿卜進(jìn)行間作，提高光合作用利用率，兩種作物發(fā)揮互補(bǔ)作用，促進(jìn)光照存取與吸收。綜上，太陽輻射分析對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)選址具有重要作用，可為農(nóng)業(yè)園區(qū)提供天然的光照基礎(chǔ)。

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