基于GIS 的紅蕓豆種植適宜性綜合分析

秦明星，張賽茹，馮美臣

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)工程研究所，山西太谷030801）

作物種植適宜性評(píng)價(jià)是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)劃的重要手段，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。基于GIS 的紅蕓豆種植適宜性研究，對(duì)指導(dǎo)晉西北高寒地區(qū)作物種植、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)區(qū)域作物種植適宜性進(jìn)行了大量研究，并得到有效應(yīng)用。楊武德等[1]依據(jù)地形地貌、氣象、土壤等因素差異，分析了現(xiàn)代雜糧的生產(chǎn)及區(qū)劃；張海龍等[2]采用生態(tài)位模型和GIS方法，結(jié)合連翹生長和分布的環(huán)境因子，定量分析了我國連翹的潛在分布；翟海翔等[3]基于GIS 技術(shù)和層次分析法對(duì)葡萄進(jìn)行了種植適宜性分析，并對(duì)葡萄園的選址進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)；李應(yīng)桃等[4]采用主成分分析方法和聚類方法對(duì)金沙鄉(xiāng)鎮(zhèn)茶樹種植氣候適宜特征進(jìn)行種植適宜區(qū)域劃分；何奇瑾等[5]使用最大熵模型和ArcGIS 空間分析技術(shù)，研究了我國玉米種植區(qū)分布的氣候適宜性；劉少軍等[6]采用最大熵模型和模糊綜合評(píng)價(jià)模型分析了我國橡膠樹種植氣候適宜性區(qū)劃；楊江濤等[7]采用權(quán)重計(jì)算法，通過地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)荔枝種植進(jìn)行綜合適宜性評(píng)價(jià)；曾欽文等[8]基于GIS 技術(shù)，利用層次分析法、綜合指數(shù)法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并分析了河源地區(qū)茶樹種植適宜性；楊帆等[9]在GIS 技術(shù)支持下，采用層次分析法和專家經(jīng)驗(yàn)法構(gòu)建白芷生態(tài)因子評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析道地藥材生境適宜性；朱大威等[10]基于層次分析法和多因子加權(quán)疊加法評(píng)價(jià)了江蘇省蔬菜種植土地適宜性，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了全局、局部空間自相關(guān)分析；龔謹(jǐn)[11]依據(jù)岢嵐縣農(nóng)戶種植蕓豆調(diào)研數(shù)據(jù)，對(duì)比生產(chǎn)成本與收益，構(gòu)建模型分析農(nóng)戶種植蕓豆行為的影響因素，并提出蕓豆良性發(fā)展建議；范娟[12]采用土壤資源普查數(shù)據(jù)和人文地理數(shù)據(jù)，以層次分析法和德爾菲法構(gòu)建評(píng)價(jià)因子并確定權(quán)重，建立了縣級(jí)耕地適宜性評(píng)價(jià)控制指標(biāo)體系及權(quán)重等級(jí)劃分；李全勝[13]基于氣象指標(biāo)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判方法分析了龍泉山區(qū)的柑桔、茶樹2 種農(nóng)作物在不同海拔高度的種植適宜性；趙小敏等[14]應(yīng)用GIS 技術(shù)，以土地資源單位為評(píng)價(jià)單元，運(yùn)用主成分分析法、層次分析法對(duì)南豐縣蜜桔種植適宜程度和空間分布進(jìn)行了有效判別；唐嘉平等[15]結(jié)合GIS 的空間分析功能和種植適宜性評(píng)價(jià)模型對(duì)瀾滄江下游地區(qū)多種特色經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行種植適宜性空間分布研究；史舟等[16]使用遙感和GIS相結(jié)合對(duì)黃巖區(qū)柑橘的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，使得農(nóng)作物適宜性分析的精確度和準(zhǔn)確性得到了大大的提升；WANG 等[17]結(jié)合GIS 和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)法建立了四川大馬士革帶刺玫瑰的生態(tài)適宜模型，并對(duì)其不同生態(tài)適宜度進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，總結(jié)了該物種的適宜土地面積和空間分布格局；楊洋等[18]基于GIS技術(shù)，以云南全省栽培型普洱茶樹為研究對(duì)象，結(jié)合氣象、DEM、遙感影像等多種數(shù)據(jù)，建立了普洱茶樹綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)其大規(guī)模種植用地進(jìn)行適宜性等級(jí)劃分和分析；李亞東[19]以地貌、坡度、有效土層厚度、道路通達(dá)度、水源保證率、居民點(diǎn)輻射影響度6 個(gè)因子構(gòu)建耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)黃陵縣占補(bǔ)平衡耕地進(jìn)行了有效評(píng)價(jià)。綜上所述，基于GIS 的區(qū)域作物種植適宜性分析可以高效合理規(guī)劃農(nóng)作物種植布局，充分發(fā)揮天然資源優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本研究采用GIS 技術(shù)，結(jié)合層次分析法，并綜合氣象、土壤類型分布和遙感影像數(shù)據(jù)，按照土地適宜性評(píng)價(jià)流程，有效選取8 個(gè)種植適宜性指標(biāo)，從自然因素和社會(huì)地理因素對(duì)山西省岢嵐縣紅蕓豆種植適宜性進(jìn)行綜合深入研究，以期為山西省西北高寒地區(qū)紅蕓豆生產(chǎn)基地確定和區(qū)域化、規(guī)模化種植提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

岢嵐縣位于山西省忻州市西南部，地勢(shì)西北低、東南高，水土流失嚴(yán)重。地處東經(jīng)111°13′～111°52′，北緯38°29′～38°58′。氣候?qū)俸疁貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季秋高氣爽，冬季漫長寒冷，四季分明。年平均氣溫5 ℃，年均降水量約450 mm，無霜期110 d，境內(nèi)多沙壤土。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，30 m 分辨率；氣象數(shù)據(jù)來源于山西省氣象局，主要包括岢嵐縣在內(nèi)的23 個(gè)氣象站30 a（1988—2018 年）的生育期（5 月中下旬至9 月上旬）日均溫度等氣象數(shù)據(jù)。岢嵐縣土壤類型分布圖來源于岢嵐縣農(nóng)業(yè)局。岢嵐縣行政區(qū)劃采用國土資源部門提供的岢嵐縣行政圖。

1.3 研究方法

1.3.1 層次分析法 層次分析法能將抽象的概念用直觀的數(shù)據(jù)表示出來，可用于本研究簡化分層影響因素處理。

首先，構(gòu)建層次模型，將所選因素分類。按照從上到下的順序依次將指標(biāo)分為3 類：最上層為目標(biāo)層，是本研究的最終目的，即紅蕓豆種植適宜性分析，中間層是準(zhǔn)則層，由地形條件、土壤條件、氣象條件和社會(huì)地理?xiàng)l件組成，最后一層是指標(biāo)層，細(xì)化為8 個(gè)紅蕓豆種植適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，即坡度、坡向、高程、土壤分類、生育期平均溫度、與河流的距離、與鄉(xiāng)鎮(zhèn)的距離和與道路的距離。由此形成從上而下的層次結(jié)構(gòu)，可以直觀清楚地看出各因素之間的關(guān)聯(lián)和區(qū)別。

其次，以矩陣的形式表示本層元素對(duì)上層元素兩兩比較的重要性，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。通過采用實(shí)地發(fā)放調(diào)查問卷、QQ 群和微信群線上填寫等方法，對(duì)每個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分。本研究一共收到有效問卷135 份，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算各個(gè)選項(xiàng)具體得分，可以統(tǒng)計(jì)得到判斷矩陣，經(jīng)過調(diào)整后矩陣都具有一致性。

最后，計(jì)算層次合成的重要性，并排序，同時(shí)進(jìn)行滿意一致性檢驗(yàn)，進(jìn)而得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。記地形條件為B1，土壤條件為B2，氣象條件為B3，社會(huì)地理?xiàng)l件為B4，它們的值依次記為b1、b2、b3、b4，以此類推，將上述8 個(gè)指標(biāo)分別記為C1、C2、…、C8，它們的值為c1、c2、…、c8，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重＝（i＝1，2，3）。再進(jìn)行層次的總排序來說明各個(gè)指標(biāo)的優(yōu)先順序，且符合滿意一致性。

1.3.2 種植適宜性評(píng)價(jià) 以30 m×30 m 的柵格作為評(píng)價(jià)單元，從自然因素和社會(huì)地理因素2 個(gè)方面選取指標(biāo)構(gòu)建模型。為了提高結(jié)果的準(zhǔn)確度，嚴(yán)格遵循指標(biāo)選取原則，結(jié)合農(nóng)作物本身的生長條件和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，篩取了8 個(gè)具有代表性并且對(duì)紅蕓豆影響較大的指標(biāo)（表1），建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于層次分析法得到了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，獲取指標(biāo)分值，通過GIS 空間分析處理得到綜合適宜性結(jié)果。

表1 指標(biāo)權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值

2.1.1 自然地理因素不同指標(biāo)分級(jí)賦值 以農(nóng)業(yè)耕作需求為參照，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，自然地理因素可分為坡度、坡向、高程、土壤類型、生育期平均溫度等因素。本研究采用高度適宜、較適宜、適宜、不適宜4 個(gè)級(jí)別表示適宜性程度，并賦值為1，2，3，4，如表2 和圖1 所示。

表2 自然地理因素不同指標(biāo)分級(jí)賦值

2.1.2 人文地理因素不同指標(biāo)分級(jí)賦值 紅蕓豆栽種受地理區(qū)位、交通便利程度、經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的差異較大。本研究采用種植區(qū)與河流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、道路的距離為影響因素進(jìn)行研究。人文地理因素指標(biāo)分級(jí)賦值和分級(jí)圖如表3 和圖2 所示。其中，種植區(qū)與河流距離直接影響農(nóng)作物進(jìn)行灌溉方便程度和費(fèi)用，離水源越近，灌溉措施越便利。種植區(qū)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離則關(guān)乎土地價(jià)值，離城鎮(zhèn)越近，土地商用價(jià)值越高，在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的地方種植紅蕓豆，種植成本可有效降低。以種植區(qū)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)距離進(jìn)行分級(jí)賦值，可有效合理對(duì)土地進(jìn)行配置，符合農(nóng)戶的利益選擇。交通便利程度對(duì)農(nóng)戶日常生活影響很大，種植區(qū)與道路的距離越近越容易進(jìn)行農(nóng)業(yè)操作及管 理，并有利于進(jìn)行機(jī)械化栽種及農(nóng)業(yè)活動(dòng)。

表3 人文地理因素不同指標(biāo)分級(jí)賦值

2.2 種植適宜性分析

采用GIS 中柵格計(jì)算操作，按照不同權(quán)重進(jìn)行累計(jì)重新分類得出，研究區(qū)高度適宜區(qū)面積為370.42 km2，占總面積18.67%，較適宜區(qū)面積為699.95 km2，占總面積35.28%，適宜區(qū)面積為650.95 km2，占總面積32.81%，不適宜區(qū)面積為262.68 km2，占總面積13.24%。

2.2.1 高度適宜區(qū) 從圖3 可以看出，純淺色區(qū)域?yàn)楦叨冗m宜區(qū)，主要分布在溫泉鄉(xiāng)的中部，大澗鄉(xiāng)、高家會(huì)鄉(xiāng)中部，陽坪鄉(xiāng)、嵐漪鎮(zhèn)東部、李家溝鄉(xiāng)東部、宋家溝鄉(xiāng)北部、神堂坪鄉(xiāng)西部、三井鎮(zhèn)中部。該區(qū)域地勢(shì)平緩，交通便利，臨近水源，土壤大多為黃綿土和栗褐土，溫度偏高，條件優(yōu)越，是紅蕓豆種植最適宜區(qū)域。

2.2.2 較適宜區(qū) 較淺色區(qū)域?yàn)檩^適宜區(qū)（圖3），主要分布在李家溝鄉(xiāng)東部，水峪貫鄉(xiāng)中部，西豹峪鄉(xiāng)、溫泉鄉(xiāng)、陽坪鄉(xiāng)和大澗鄉(xiāng)周邊，嵐漪鎮(zhèn)和神堂坪鄉(xiāng)中部。該地區(qū)普遍坡度較緩，與鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離較遠(yuǎn)，高程較低，離水源較近，受到交通的局部限制，溫度均處于適宜范圍內(nèi)，該區(qū)域?yàn)榉N植適宜區(qū)域。

2.2.3 適宜區(qū) 深色區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū)，主要分布在李家溝鄉(xiāng)、水峪貫鄉(xiāng)、宋家溝鄉(xiāng)、高家會(huì)鄉(xiāng)和三井鎮(zhèn)西部（圖3）。該區(qū)域與鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離較遠(yuǎn)，靠近水域和道路，溫度適宜，但是高程較高，坡度較大，土壤質(zhì)地適中，種植適宜性相對(duì)偏低。

2.2.4 不適宜區(qū) 較深色區(qū)域?yàn)椴贿m宜區(qū)，主要分布在神堂坪鄉(xiāng)和王家岔鄉(xiāng)的東部、宋家溝鄉(xiāng)的東部和西南部、李家溝鄉(xiāng)西南部和水峪貫鄉(xiāng)北部，分布集中但種植面積較小（圖3）。該區(qū)域高程、坡度均不適宜耕作，與道路和河流距離遠(yuǎn)，溫度偏低，適宜性等級(jí)最低。

3 結(jié)論與討論

作為北方常規(guī)作物的玉米，雖然大面積種植，但由于氣溫偏低，玉米生長的最適宜溫度為25～29 ℃，不能獲得預(yù)期最優(yōu)產(chǎn)量，且玉米受降雨量等自然條件影響很大。而紅蕓豆抗旱性好，即使在降雨量較少的年份，仍能保持一定的產(chǎn)量水平，因此從經(jīng)濟(jì)視角考慮，種植紅蕓豆產(chǎn)量穩(wěn)定，農(nóng)民收益高，已成為岢嵐縣支柱產(chǎn)業(yè)。但隨著紅蕓豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)戶急于擺脫貧困現(xiàn)狀，盲目擴(kuò)張種植區(qū)，出現(xiàn)了土地利用和耕作方式管理局部不到位等多種不良現(xiàn)象。本研究從自然地理因素和人文地理因素綜合視角對(duì)紅蕓豆種植適宜性進(jìn)行分析，選取坡度、坡向、高程、土壤類型、生長期平均溫度以及種植區(qū)與河流距離、鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離和道路距離為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法構(gòu)建適宜性評(píng)價(jià)模型，對(duì)岢嵐縣紅蕓豆種植適宜性空間分布進(jìn)行合理分析。通過實(shí)地調(diào)研和整理調(diào)查問卷，適宜性分布結(jié)果與實(shí)際狀況基本符合，研究結(jié)果可為岢嵐縣紅蕓豆種植的科學(xué)規(guī)劃、合理布局提供技術(shù)支持，可有效發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而促進(jìn)紅蕓豆產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

影響紅蕓豆種植的因素還有很多，比如播種量、施肥水平、病蟲害等栽培管理措施，本研究僅從自然地理因素和人文地理因素出發(fā)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)分析，使得評(píng)價(jià)模型與生產(chǎn)實(shí)踐還存在著一定程度的差距，今后將不斷完善評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步提升模型實(shí)用性。