基于GIS 的陜西省栽培牧草區劃

曹馨悅，李騰飛，王瑩瑩，靳旭妹，劉崇義，陳新義，劉夢云，龍明秀

（1. 西北農林科技大學草業與草原學院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100）

牧草區劃是根據生態環境、農業經濟、技術條件及畜牧業對牧草的需求而進行的區域性規劃[1-2]。科學的牧草區劃對我國草業和畜牧業的發展有重要的服務和指導作用。我國學者在植被區劃研究方面做了大量工作[3-10]。張麗君等[11]將我國苜蓿屬地方品種劃分為7 個生態類型，系統的栽培牧草區劃研究與單一草種相比較少。迄今為止，較為系統全面的栽培牧草區劃仍為1984 年編制完成的《中國多年生栽培草種區劃》[12]，近年來，學者們基于自然要素的分布適宜性評價模型和地理信息系統(Geographic Information System, GIS)，結合牧草生物學特性，綜合考慮各因子進行系統分析，對我國主要栽培牧草進行適宜性區劃，是我國栽培牧草區劃史上質的飛躍。但針對各省(市)精確到以縣為單位的牧草區劃方案和適宜性分區研究尚少。

牧草區劃是指導牧草引種和優質牧草生產的前提，對于促進陜西省草牧業的健康發展和生態環境建設更具重要意義。近年來，陜西省已建成一大批標準化現代畜牧業養殖和畜產品加工企業，秦川牛、關中奶山羊、陜北絨山羊等地方特色品種在全國享有盛名。隨著畜牧業的快速發展，對優質草產品的需求也大幅度增加。促進陜西草業的發展，準確解答在哪里？種什么？怎么種？這些問題成為關鍵。因此，有針對性地進行地域性牧草區劃十分必要。本研究以主要牧草生長發育的關鍵因子為指標，采用 GIS 技術和適宜性區劃模型分析，結合陜西省地形數據、主要氣象數據和土壤性狀指標，對陜西省主要栽培牧草進科學合理地區劃。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

陜西省(105°29′ - 111°15′ E, 31°42′ - 39°35′ N)位于西北內陸腹地，橫跨黃河和長江兩大流域中部，是連接中國東、中部地區和西北、西南的重要樞紐。自然區劃上因秦嶺-淮河一線而橫跨北方與南方。陜西省地跨北溫帶與亞熱帶，年均氣溫?3～17 ℃，年降水量340～1 240 mm，由北向南逐漸遞增，西部降水略多于東部。全省95%以上區域土壤的pH 5.6～8.5，適宜多種作物和牧草生長。近年來，陜西省將畜牧業作為農業結構調整的主攻方向，同時還是蒙牛、伊利以及銀橋等大型奶業企業的奶源基地，加之秦川牛肉牛業的發展，奶山羊、絨山羊的養殖特色，形成了陜西牧草需求的重大市場。為此大力推進糧改飼，發展商品化青貯飼料生產，全省年均調整糧改飼3.3 萬 hm2以上。以陜北、渭北為重點，建設牧草種子繁育基地，每年新增優質飼草保留面積0.13 萬 hm2以上[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

數字高程模型(digital elevation model, DEM)來自地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)的ASTER GDEM V2 數據集，原始分辨率為30 m × 30 m。根據陜西省的 DEM 數據提取坡度值，降水量、年均溫是根據2010-2016 年的年均數據，利用各氣象站點插值后計算而得，所有指標空間分辨率重采樣為120 m × 120 m。土壤pH 數據來源于1979 年全國第2 次土壤大普查，地形數據來自中國科學院資源環境科學數據中心(https://www.resdc.cn/)。各地方政府及當地草原站等單位在氣象、土壤、牧草引種試驗等方面提供了大量的原始牧草生物學特性有關數據，如每種牧草適宜年降水量、年均溫以及土壤pH 范圍等。陜西省矢量邊界數據是從全國1 ? 400 萬行政邊界數據中提取的。

1.2.2 區劃方法

本研究先基于因素層分別計算各指標的牧草適生圖層及得分，然后將評價結果進行加權求和，最后采用自然間斷點分級法對區劃結果進行等級劃分并以相應圖層展示，得分越高越適宜牧草種植。主要分為適宜、次適宜及不適宜3 個等級。研究中不適宜牧草種植地區河流、湖泊占地等都通過GIS圖層疊加去除，圖層展示空白部分即為去除部分。

1.2.3 指標體系

基于牧草生物學特性，選擇地貌類型、坡度、年均溫、年降水量、土壤pH 等構成決定牧草能否種植的主要指標體系作為適宜性評價的依據。具體指標包括：牧草能夠忍受的極端低溫(T-min)、極端高溫(T-max)，牧草最適宜的低溫(T-min1)、高溫(Tmax2)；牧草能夠忍受的極端最小降水量(P-min)、極端最大降水量(P-max)、牧草最適宜的最小降水量(P-min1)、最大降水量(P-max2)；牧草能夠忍受的極端最小pH (pH-min)、極端最大pH (pH-max)、牧草最適宜的最小pH (pH-min1)、最大pH (pH-max2)；以及地貌類型(Landforms)、坡度(Slope)。

1.2.4 主要影響指標隸屬函數的構建

牧草生長與其相應指標之間的關系是采用模糊數學的隸屬度理論和層次分析法[14-17]建立的，主要包括各指標隸屬函數的構建和各指標之間權重的確立。依據前人研究結論[18]，牧草對其生長環境的適應程度主要取決于牧草生物特性中的幾個主要指標與其生長環境之間的隸屬程度。根據文獻資料和專家指導采用模糊邏輯原理建立各指標之間的隸屬函數，再利用層次分析法[19-21]確定各個指標之間的權重，最后確立牧草的適宜性表達式。本研究選取紫花苜蓿(Medicago sativa)、紅豆草(Onobrychis viciaefolia) 兩種豆科牧草和多年生黑麥草(Lolium perenne)、冰草(Agropyron cristatum) 兩種禾本科牧草作為代表性樣例進行模型驗證與分析。

根據影響牧草生長發育的主要因素，在牧草生長指標極端值范圍內采用百分制對生長適宜性進行分數的賦值，按照指標適宜性取值范圍，適宜度越高分數越大，反之分數越小；然后利用MATLAB工具箱進行隸屬函數關系式擬合，建立隸屬函數(表1)。

表1 4 種牧草各區劃指標的隸屬關系式Table 1 The subordination formula of each division index of 4 kinds of forage

隸屬函數精度以R2作為相關評價系數，R2越高，說明模型擬合度越好。各函數的R2均超過了0.8，表明函數擬合優度較高，函數結果比較精確。構建地形地貌的隸屬函數需要根據模糊數學的隸屬度理論[22]把定性評價轉化為定量評價，在前人研究結果的基礎上，結合牧草生長對其環境的適應程度賦予陜西省地形地貌相應的隸屬度值(表2)。本模型中各種栽培牧草對地形地貌的適應程度采用一致的賦值方式。

表2 陜西省地形地貌相應隸屬度值Table 2 Corresponding membership degrees of topography and geomorphology in Shaanxi Province

1.2.5 牧草適宜性表達式的確立

確定牧草適宜性表達式的關鍵在于各個指標權重的確定，采用層次分析法與專家打分確定各個指標的權重。適宜性表達式的構建過程中，溫度、降水量、土壤酸堿度是影響牧草分布的主導因子，權重分別為0.24、0.36 和0.2。溫度是牧草生命活動最基本的生態因子，牧草只有在一定的溫度條件下才能生長發育，達到一定的產量和品質，同時牧草的生長只有在一定的細胞水分狀態下才能進行，細胞的增長和分裂離不開水，所以氣候占較大的權重。但是陜西省各個縣(區)溫度的變化整體差異不大，所以年均降水量的權重大于年均溫的權重。土壤pH 與土壤的理化性質、微生物活動、有機質和礦質元素的含量密切相關，直接影響著牧草的生長發育，而地形則是通過影響水分的分布、光照的長短、海拔的高低等間接影響牧草的生長，坡度和地形地貌的權重分別為0.1。

結合牧草的生物學特性，擬合得出的適宜性表達式為：

式中：F為適宜性綜合得分，P1為年降水量權重，Tp為年降水量適宜性得分；P2為年均溫權重，Tt為年均溫適宜性得分；P3為土壤酸堿度權重，TpH為土壤酸堿度適宜性得分；P4為地形地貌權重，Tl為地形地貌隸屬函數；P5為坡度權重，Ts為坡度適宜性得分；d 為“一票否決”控制系數，年降水量隸屬函數Tp、年均溫隸屬函數Tt、土壤酸堿度隸屬函數TpH、地形地貌隸屬函數Tl、坡度隸屬函數Ts符合“一票否決”。

建立綜合指標系數的隸屬函數：

最后根據適宜性綜合得分，將牧草區劃結果劃分為不適宜[0～30)、次適宜[30～70]和適宜(70～100] 3 個等級。

2 結果與分析

2.1 適宜性表達式驗證

牧草適宜性區劃模型涉及多個指標，為量化解析不同指標在模型中對牧草區劃適宜性得分的影響程度，以冰草為例，以適宜性區劃最終得分為被解釋變量，以年降水量、年均溫、土壤pH、地貌類型、坡度5 個指標為解釋變量進行RDA 方差分解，以期厘清不同類型的環境因素對冰草生長的貢獻程度以及它們之間的協同效應、純效應[23]。從圖1 可以看出，氣象要素和土壤pH 共同對冰草生長的影響最強(56%)，各指標組對冰草生長的解釋能力依次為氣象要素(64%) > 土壤pH (60%) > 地形要素(4%)。對于被解釋的部分，氣象要素的解釋能力最好，約5%的綜合得分為氣象要素引起；土壤pH 和地形要素對綜合得分均只有1%的解釋，表明冰草的分布對氣象要素最為敏感。這一結果符合牧草生物學特性。

圖1 環境變量對冰草生長的影響Figure 1 The influence of environmental variables on the growth of wheatgrass

2.2 適宜性區劃結果

2.2.1 紫花苜蓿、紅豆草適宜性區劃

利用GIS 空間分析技術對區劃指標柵格歸一化，再進行疊加分析、重分類等處理，得出陜西省栽培牧草適宜性得分。按照牧草種植適宜性等級劃分標準，生成陜西省牧草適宜性區劃圖。紫花苜蓿和紅豆草均為家畜的上等飼草，生物學特性較為接近，適宜性區劃分布區域大體上為陜西省南部不適宜，北部適宜。干燥溫暖的氣候均適宜2 種豆科牧草的生長，紅豆草抗旱性極強，抗旱能力超過紫花苜蓿，但抗寒能力不及紫花苜蓿。

西北為我國苜蓿主產區，溫度、土壤等都適宜苜蓿的生長，在綠洲區及有水源地區都為適宜區[24]。陜西關中平原是我國苜蓿最早種植的地區，陜北黃土高原區也比較適宜苜蓿生長。紫花苜蓿在陜西省全省范圍內適應性較廣，大部分地區處于適宜區和次適宜區，只有最南端的部分地區不適宜種植(圖2)。適宜區分為兩部分：一部分為陜北榆林市和延安市交界地帶，地處黃土高原丘陵溝壑區，黃土高原大部分地區都適宜苜蓿種植[25-26]。這一部分包括榆林市的定邊縣、靖邊縣、橫山縣、神木縣等長城沿線風沙地帶；還有聚集在無定河流域的佳縣、米脂縣、子洲縣、綏德縣、吳堡縣、清澗縣等；延安市主要聚集在吳起縣、志丹縣以及安塞縣、子長縣的最北部地區。一部分為關中平原一帶及與其接壤的漢中市、安康市小部分地區和商洛市大部分地區，關中地區主要包括寶雞市的除麟游縣之外大部分縣(區)，西安市主要是在周至縣，漢中市包括略陽縣及勉縣、留壩縣的北部地區，商洛市的7 個縣(區)均有分布。次適宜區占大部分，全省幾乎都有分布，但主要位于陜北黃土高原一帶，主要包括安塞縣、子長縣、清澗縣一線以南的縣(區)。不適宜區主要分布在陜南，其降水量均達1 000 mm 以上，包括南鄭縣和西鄉縣、石泉縣、寧陜縣、鎮安縣一線以南地區。

紅豆草在我國乃至全球的需求量都比較高[27-28]，在陜西省的適宜和不適宜分布地區較為集中(圖2)，黃土高原區大部分區域也是紅豆草適宜區。適宜區主要分布在陜北高原一帶及其與其相鄰的關中平原的北部部分。陜北高原包括榆林市和延安市的大部分地區，定邊縣、甘泉縣、富縣、黃陵縣、黃龍縣除外，關中一帶主要在寶雞市、咸陽市的北部地區，包括隴縣、千陽縣、麟游縣、鳳翔縣、岐山縣、長武縣、彬縣、旬邑縣、永壽縣等以及渭南市的大部分地區。次適宜區在全省范圍內零散分布，主要集中在關中與陜南的交界地帶。主要包括寶雞市、咸陽市的南端地區和銅川市、西安市的大部分地區，在陜南，主要在漢中市的略陽縣、留壩縣、佛坪縣等以及商洛市除柞水縣、鎮安縣以外的縣(區)。不適宜地區位于陜南的南端大部分地區，包括漢中市、安康市的大部分縣(區)，以及西安市、商洛市、安康市3 市接壤的縣(區)。秦嶺-淮河是我國800 mm 等降水量線分界線[29]，陜南地區地處秦嶺以南地區，降水量豐沛[30]，濕度較大，不適宜紅豆草種植。

圖2 4 種牧草在陜西省的適宜性區劃分布Figure 2 Layout of the suitable areas for 4 kinds of forage in Shaanxi Province

2.2.2 多年生黑麥草、冰草適宜性區劃

多年生黑麥草喜溫涼濕潤氣候，在年降水量500～1 500 mm 的地區良好生長；而冰草抗寒性和抗旱性極強，適合在寒冷和干燥年降水量為250～500 mm 的地區種植。陜西省土壤的pH 在北部較高呈堿性，南部較低呈酸性，冰草較耐鹽堿，耐酸能力極差，導致陜南區域冰草無法種植。所以兩種禾本科牧草適宜性區劃分布區域相差較大。目前我國多年生黑麥草的種植面積較大，陜西省位居全國第2 位[31]。多年生黑麥草在陜北高原的適應較差，不適宜種植。適宜區和次適宜區主要位于關中平原和陜南地區(圖2)。多年生黑麥草喜溫涼濕潤氣候，適宜區主要包括陜南的大部分地區，還有關中平原千陽縣、麟游縣、淳化縣、富平縣、蒲城縣一線以南的地區。適宜區在全省范圍內分散分布且占比較少，沒有大面積成片的存在。不適宜區幾乎覆蓋陜北高原的全部省(市)，還包括關中平原的銅川市、咸陽市和寶雞市的北部地區。

冰草適合在干旱荒原和荒漠草原種植[32]。冰草在陜西省全省范圍內適應性較差，適宜區主要在陜北高原最北端長城沿線風沙地帶，其余地區均為次適宜和不適宜種植地區(圖2)。適宜區主要在榆林市的定邊縣、靖邊縣、橫山縣、榆陽區、神木縣、府谷縣和佳縣等。次適宜區主要位于以長城沿線作為邊界以南的縣(區)。不適宜地區占據陜南的全部縣(區)，還包括關中一帶偏南的縣(區)，例如西安市，寶雞市的鳳縣、太白縣，咸陽市的興平市、渭城區、涇陽縣、三原縣、禮泉縣的南部等，渭南市的蒲城縣、大荔縣、華縣、華陰區、潼關縣等。

3 小結

本研究基于已有的全國栽培牧草區劃方案，借助數字化手段對陜西省栽培牧草進行區劃并以地圖形式呈現。在全國主要栽培牧草區劃方案中，辛曉平等[26]根據牧草生物學特性選取溫度、降水量和土壤等一級指標建立牧草生長適宜性表達式并獲得相應分布圖，然后通過二級指標體系，使用ArcGIS疊加分析獲得牧草適宜性分布圖，最后通過各指標有效柵格占總柵格的百分比對其結果進行精度驗證。本研究在陜西省牧草適宜性區劃時，結合實際情況選取影響牧草生長的年降水量、年均溫、土壤pH、地形地貌、坡度5 個主要指標根據表達式進行適宜性綜合得分計算并獲得相應分布圖。然而本研究中在適宜性表達式驗證的過程中，環境變量對冰草適宜性綜合得分的綜合解釋能力為66%左右，此外34%的信息未得解釋，需要進一步探究其他環境變量的作用。本研究僅在前人研究基礎上進行了陜西省栽培牧草區劃方案的初步探索，雖選取的指標不夠全面，但基本能代表影響牧草分布的主要因素，若條件允許，下一步將挖掘更多的相關資源和數據，對模型進一步優化完善。

區劃具有長期性和戰略性的特點。本研究以陜北、關中、陜南3 個不同的氣候區和立地類型，基于GIS 技術完成陜西省主要栽培牧草資源的梳理，制定出牧草生態適宜性區劃方案，突破了傳統的區劃方式，以大量的栽培案例、試驗數據和當地氣候、土壤等資料為基礎，對牧草適宜種植區域結合行政區劃進行描述和劃分；將空間數據作為不可缺少的因素與屬性數據進行綜合分析，改變了單一屬性數據分析的缺陷。決策方案可以對陜西省草業資源的空間屬性數據進行動態管理，在資源發生變化時，可隨時對資源數據進行更新，以便隨時為生產方案提供科學決策，為陜西省的草牧業發展提供科技支撐，也是智慧農業開發的基礎。