黃土高原區(qū)蘋果種植適宜性評價
——以陜西省永壽縣為例

陳鵬羽，朱隴強，王紫薇，高義民

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

土地適宜性評價是根據(jù)土地的自然和社會經(jīng)濟屬性，研究土地對預(yù)定用途的適宜與否、適宜程度及其限制狀況[1,2]。在當(dāng)前經(jīng)濟快速發(fā)展、人地矛盾日益突出的現(xiàn)狀下，科學(xué)合理的開展相關(guān)適宜性種植評價，不僅有利于提高土地的利用效率而且可以科學(xué)合理配置土地資源。

黃土高原地區(qū)氣候干燥、土壤質(zhì)地疏松，是中國最適宜蘋果種植的地區(qū)，蘋果面積達到了7.83 000 hm2(包括陜西、山西、青海、寧夏和甘肅)，大約占黃土高原耕地總面積的4.7%[3～5]。但由于黃土高原面積廣闊、自然生態(tài)條件復(fù)雜多變，不同地區(qū)由于地形、氣候等生態(tài)條件的巨大差異，引起蘋果生產(chǎn)條件及產(chǎn)量、品質(zhì)存在明顯的不同。傳統(tǒng)的果樹種植規(guī)劃[6]由于對優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)所需的自然生態(tài)條件難以做到精確、定量的描述而存在很大的盲目性，導(dǎo)致很多地區(qū)的蘋果種植分布很不合理，造成蘋果品質(zhì)良莠不齊現(xiàn)象普遍存在，蘋果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展深受影響。

目前隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，GIS被普遍應(yīng)用在耕地質(zhì)量評價及作物適宜性評價研究中[7～9]，并取得了顯著的進步。如王麗、李陽煦等利用GIS的分析功能并結(jié)合生態(tài)位和模糊數(shù)學(xué)建立了冬小麥適宜性的新型評價方法[10]；國外作者Seffino等在GIS空間決策支持系統(tǒng)的支持下，對圣保羅州的甘蔗種植進行適宜性評價[11]；程振龍等在GIS技術(shù)的支持下，對山東棲霞市蘋果種植進行合理布局及定量評價，對相關(guān)部門提供參考[12]；常慶瑞等人則對商南縣小麥進行種植適宜性評價[13]。

筆者以黃土高于地區(qū)的陜西省永壽縣為例，應(yīng)用GIS技術(shù)，定量評價該縣域范圍內(nèi)基于地形、土壤及肥力狀況等自然資源狀況的優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性程度，從而為因地制宜發(fā)展蘋果產(chǎn)業(yè)和資源的優(yōu)化配置提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永壽縣地處陜西省中部偏西，渭北高原南緣。地理位置介于107°56′-108°21′E、34°29′-34°85′N之間，總面積898 km2，南北長52.7 km，東西寬37.3 km，境內(nèi)溝谷縱橫，山、塬、溝、川地貌類型俱全，地形整體北高南低。土壤類型主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃土性土(黃綿土、黃繕土)，土層深厚，質(zhì)地結(jié)構(gòu)良好，容易培肥。永壽縣屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，全年總?cè)照諘r數(shù)2 166.2 h，多年平均降水為606.1 mm。

1.2 所需數(shù)據(jù)及處理過程

本研究所需數(shù)據(jù)主要分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和果園調(diào)查數(shù)據(jù)三大部分。其中，空間數(shù)據(jù)包括1：5萬永壽縣土壤類型圖(來源于農(nóng)業(yè)局)、1：5萬永壽縣地形圖(測繪局)、1：5萬永壽縣土地利用現(xiàn)狀圖(規(guī)劃局)、行政區(qū)劃圖(村級)等相關(guān)基礎(chǔ)地理圖件，所有圖件經(jīng)掃描后數(shù)字化，形成矢量圖。屬性數(shù)據(jù)主要是研究區(qū)域的土壤采樣點屬性數(shù)據(jù)(帶GPS定位)，共采集土壤樣點4 351個(采樣點分布如圖1所示)。果園調(diào)查數(shù)據(jù)來源于部分土壤采樣點所處果園的蘋果產(chǎn)量和蘋果品質(zhì)調(diào)查結(jié)果，共計300個果園。

圖1 土壤采樣點分布圖

1.3 評價方法

1.3.1 評價單元的確定 評價單元是承載各項地理要素及其屬性，進行作物種植適宜性的基本空間實體，本研究以2016年永壽縣土地利用現(xiàn)狀圖中的旱地、水澆地和園地圖斑為基礎(chǔ)評價單元，本文中統(tǒng)稱為農(nóng)用地，結(jié)合村級行政區(qū)劃圖及土壤類型圖進行GIS空間疊置分析，最終獲得13 805個評價單元。

1.3.2 評價指標的選取及賦值 蘋果健康生長所需的最適自然條件包括光、溫、水、土壤、地形等生態(tài)因子[14]，地形特征、土壤條件和小氣候等皆是影響蘋果生長的重要因素[11]。在縣域空間尺度下，宏觀氣候條件相對單調(diào)，同時，局部微域的氣象因子主要受到海拔高度、坡度、坡向的影響存在一定的差異，依據(jù)科學(xué)性和主導(dǎo)性原則[15],從影響蘋果生長的主要因子出發(fā)，參照相關(guān)研究結(jié)果[12,16]，確定了3個主導(dǎo)因素9個評價因子，包括立地條件(坡度、坡向、海拔高度)、土壤條件(pH值、土壤類型)、肥力狀況(土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷)，建立研究區(qū)縣域級別的蘋果適宜性評價指標體系。然后將各因素賦值給評價單元，其中土壤類型直接賦值給評價單元，坡度、坡向采用“面積優(yōu)先”方法，賦值給評價單元，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷及pH采用空間插值法將點位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，再疊加到評價單元，海拔高度通過等高線生成的DEM與評價因子疊加提取給各評價單元。

1.3.3 評價指標的權(quán)重確定 影響蘋果種植的因具有多樣性、復(fù)雜性[17]，不同因子對蘋果適宜性影響和重要性不同，為增加結(jié)果的科學(xué)性和合理性，在查閱文獻與實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用AHP法建立評價指標的層次分析模型，通過各層次矩陣運算及檢驗，對準則層和指標層的權(quán)重進行確定，最終獲得各評價因子的組合權(quán)重(表1)。

表1 優(yōu)質(zhì)蘋果適宜性評價的因子組合權(quán)重

1.3.4 各評價指標的隸屬度的確定 按照模糊數(shù)學(xué)的理論，依據(jù)定性及定量特征將選定的9個評價指標與蘋果產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)系分為數(shù)值型和概念型2種類型的隸屬函數(shù)，其中土壤有機質(zhì)等含量采用戒上型隸屬函數(shù)，土壤pH和坡度采用負直線型隸屬函數(shù)，海拔高度采用正直線型隸屬函數(shù)(表2)，坡向和土壤類型采用特爾斐法，由專家打分直接獲得隸屬度(表3)。

表2 數(shù)值型評價指標的隸屬函數(shù)

注：Y為評價指標的評價得分，C為評價指標標準值，U1和U2分別為指標的上限值和下限值。

表3 概念型評價指標的隸屬度

1.3.5 優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性綜合指數(shù)的計算及分級 為了綜合考慮各個影響因子對評價單元的影響程度，采用加權(quán)累加模型計算最終的適宜性綜合得分。模型如下：

其中，G為最終適宜性得分，Wi為第i個因子的權(quán)重，Si為第i個因子的隸屬度，n為影響因子的個數(shù)。

最終計算結(jié)果顯示，永壽縣農(nóng)用地的優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性綜合指數(shù)得分最大值為0.72，最小值0.38。以此為依據(jù)采用自然斷點法，同時結(jié)合部分實地調(diào)查結(jié)果及當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)蘋果產(chǎn)區(qū)的實際分布等現(xiàn)實情況，將蘋果適宜性劃分為高度適宜、適宜、勉強適宜、不適宜四個等級[17]，劃分結(jié)果見表4。

表4 基于綜合性指數(shù)的優(yōu)質(zhì)蘋果適宜性級別劃分標準

2 結(jié)果與分析

2.1 永壽縣優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性的評價結(jié)果

根據(jù)評價結(jié)果，永壽縣農(nóng)用地中優(yōu)質(zhì)蘋果各適宜性等級的面積及其占全縣農(nóng)用地面積百分比統(tǒng)計結(jié)果列于表4。從表4可以看出，永壽縣高度適宜和適宜種植蘋果的地區(qū)面積分別為6 835 km2和8 656 km2，占比分別為18.50%和23.43%，合計占41.93%；勉強適宜面積為17 308 km2，面積占比為46.85%，不適宜面積為4 141 km2，面積占比為11.21%。截至目前，全縣實際蘋果種植面積為26 700 km2，可見永壽縣適宜優(yōu)質(zhì)蘋果種植的農(nóng)用地面積占比較高，且仍有較大的發(fā)展空間和潛力。

表5 蘋果適宜性級別面積及百分比

2.2 永壽縣優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性的分布特征

永壽縣優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性的空間分布特征和鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布統(tǒng)計結(jié)果分別列于圖2和表6，下文按照不同適宜性等級分別進行敘述。

最適宜種植區(qū)：由圖2和表6可知，永壽縣蘋果最適宜種植區(qū)域主要位于西南區(qū)域，包括店頭鎮(zhèn)、儀井鎮(zhèn)以及永平鄉(xiāng)和馬坊鎮(zhèn)。該區(qū)域地貌類型主要為破碎塬區(qū)，海拔高度低于1 000 m。該區(qū)域光照充足，熱量適宜；6月至入冬前的氣溫適宜蘋果花芽分化。本區(qū)是蘋果的重點發(fā)展區(qū)應(yīng)該加大保護力度防止面積縮小。

適宜種植區(qū)：適宜種植區(qū)域主要集中在永壽縣的中部地區(qū)，包括監(jiān)軍鎮(zhèn)、馬坊鎮(zhèn)、御駕宮鄉(xiāng)。這些地區(qū)自然資源充沛。但主要處在中部殘垣溝壑區(qū)，其中有些地區(qū)溝壑較多容易發(fā)生水土侵蝕，不利于果樹的生長。由于海拔高度相對較高，1 月氣溫較低、霜凍天數(shù)較多，易造成大面積的果實凍災(zāi)。所以，本區(qū)種植蘋果時，應(yīng)選擇地勢相對平坦，向陽山坡。

圖2 永壽縣優(yōu)質(zhì)蘋果適宜性分布

表6 永壽縣優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布統(tǒng)計結(jié)果

勉強適宜區(qū)：勉強適宜區(qū)所占比例最大并且分布范圍較廣，包括中部殘垣溝壑區(qū)的甘井鎮(zhèn)、監(jiān)軍鎮(zhèn)、御駕宮鄉(xiāng)、渡馬鄉(xiāng)、馬坊鎮(zhèn)；東部梁源溝壑區(qū)的永太鄉(xiāng)、渠子鄉(xiāng)、常寧鎮(zhèn)、上邑鄉(xiāng)、豆家鎮(zhèn)。該區(qū)東北部冬季寒冷干燥，降水稀少；夏季炎熱干旱，易誘發(fā)災(zāi)害，不利于作物正常生長。蘋果各個物候期對不同生態(tài)因子反應(yīng)敏感，因此，該區(qū)應(yīng)該因地制宜，合理科學(xué)利用自然條件開展種植。

不適宜區(qū)：由圖2和表6可知，永壽縣蘋果不適宜種植區(qū)主要分布于東北部地區(qū)的渠子鄉(xiāng)、常寧鎮(zhèn)、永泰鄉(xiāng)等。該區(qū)地貌類型為梁塬溝壑區(qū)，由于永壽梁的阻隔，初春有極端寒冷天氣出現(xiàn)，容易造成蘋果授花傳粉受到阻礙，且夏季易發(fā)冰雹或高溫災(zāi)害，影響蘋果的生長。氣候條件不適宜蘋果生長。

3 討論與結(jié)論

本文中關(guān)于優(yōu)質(zhì)蘋果種植的適宜性因子評價分級是根據(jù)永壽縣的調(diào)查和采樣情況并參照了前人的研究成果[12,17]，由于調(diào)查數(shù)據(jù)的有限性和客觀情況的復(fù)雜性，在權(quán)重賦值等方面可能存在一定的主觀和人為因素影響；另一方面，隨著對優(yōu)質(zhì)蘋果的標準及要求的變化，各指標分級標準及分級因子可能隨著時代發(fā)展會有一些變化，因此評價結(jié)果可能會有相應(yīng)的變化。

由于不同等級適宜區(qū)域面臨的問題不同，所以應(yīng)當(dāng)因地制宜采用針對性的措施來保護以及提高蘋果的生產(chǎn)水平[17]。對于高度適宜區(qū)域，由于面積較少應(yīng)該加大保護力度防止面積縮小，并且應(yīng)當(dāng)加大高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果示范園建設(shè)，引進先進人才進行指導(dǎo)，因地制宜，從施肥到灌溉到全方位管理，形成一套較為完善的蘋果規(guī)范化高產(chǎn)種植體系[18]，并積極進行推廣。對于適宜以及勉強適宜種植區(qū)，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定或者逐步減少蘋果種植面積，積極采取蘋果規(guī)范化高產(chǎn)種植技術(shù)，加大精準施肥[18]，和耕地質(zhì)量保護的投入，以提高蘋果種植效益。對于不適宜種植區(qū)域，要放棄種植蘋果，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)。其次，要進一步提高永壽縣蘋果的產(chǎn)品質(zhì)量，建議應(yīng)將今后的管理重點放在土壤的管理，采取土壤質(zhì)量保育措施[19]，從而提高黃土高原地區(qū)土地的優(yōu)質(zhì)蘋果適宜性水平。

本研究選取的9個評價因子，可以較客觀地反映蘋果適宜性空間分布的特點。運用GIS技術(shù)并通過各因子加權(quán)疊加方法實現(xiàn)對永壽縣蘋果適宜性的分析，揭示整個地區(qū)蘋果適宜性的空間格局[20]，為未來永壽縣蘋果的種植布局提供了科學(xué)依據(jù)。

綜上所述，筆者得到以下結(jié)論：

(1)本研究以永壽縣耕地、園地為評價單元，建立了基于立地條件(坡度、坡向、海拔高度)、土壤條件(pH值、土壤類型)、肥力狀況(土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷)的黃土高原地區(qū)優(yōu)質(zhì)蘋果種植適宜性評價體系，評價結(jié)果較為客觀、有效，為縣域空間尺度和復(fù)雜地形條件下土地資源的高效利用和合理規(guī)劃提供了較好的途徑。

(2)評價結(jié)果表明，永壽縣適宜種植優(yōu)質(zhì)蘋果的農(nóng)用地面積達到15 491 hm2，占總農(nóng)用地總面積的41.9%，其中最適宜區(qū)主要分布在店頭鎮(zhèn)與儀景鎮(zhèn)，而不適宜區(qū)主要分布在渠子鄉(xiāng)，該縣優(yōu)質(zhì)蘋果種植仍有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>