基于AHP+ArcGIS 縣域內(nèi)黨參栽培適宜性區(qū)劃*

陳玉玲，謝愛(ài)萍

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

黨 參[Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf.]為 傳統(tǒng)中草藥，桔梗科黨參屬，多年生草本植物，主要藥用價(jià)值為根部，具有養(yǎng)血生津、健脾益肺等功效，在中藥處方中廣泛使用，為常用大宗藥材。目前，市場(chǎng)供應(yīng)黨參主要為栽培品種，產(chǎn)地主要分布在我國(guó)西北和西南地區(qū)[1]。黨參以根條粗長(zhǎng)、氣味香甜、皮細(xì)肉緊、質(zhì)柔潤(rùn)為佳，市場(chǎng)對(duì)黨參的品質(zhì)主要通過(guò)根部粗度和長(zhǎng)度評(píng)價(jià)[2-3]，而且品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入影響較大，所以，如何選擇適宜地塊栽培出高品質(zhì)的黨參，對(duì)每一個(gè)黨參種植者尤為重要。以往研究是大范圍研究，精細(xì)程度不夠，在小區(qū)域內(nèi)，由于受地形、土壤等小環(huán)境因素的影響，地塊的種植適宜性也存在較大差異。所以，研究精準(zhǔn)到每一農(nóng)戶的每個(gè)地塊，對(duì)栽培出高品質(zhì)的藥材是很重要的。借助地理信息系統(tǒng)（GIS）和多層次分析法（AHP）以地塊為基本單元展開(kāi)研究，能夠科學(xué)評(píng)估每個(gè)地塊黨參生長(zhǎng)的適宜性，為農(nóng)民選地、種植黨參提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘谷縣隸屬甘肅省天水市，地處104°58′～105°31′E，34°31′～35°03′N，海拔1 220～2 716.9 m，全縣可耕作土地面積841.76 km2。縣域全境渭河自西向東橫穿，形成南北兩山，中間河谷，地表溝谷密布，地形破碎，屬隴中黃土丘陵區(qū)。氣候?qū)俦睖貛В箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均日照2 350 h，年日照率50%；年平均氣溫11.5 ℃，活動(dòng)積溫3 000～3 350 ℃，極端最低氣溫為-19.2 ℃，無(wú)霜期190 d 左右；年平均降水量478.1 mm，平均變化率14%，綜合條件適宜黨參生長(zhǎng)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

地形數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云GDEMV2 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，地塊數(shù)據(jù)為2016 年甘谷縣農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)登記數(shù)據(jù)庫(kù)，土壤數(shù)據(jù)來(lái)自縣農(nóng)業(yè)局土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，黨參栽植樣本數(shù)據(jù)來(lái)自2019 年、2020 年野外實(shí)地調(diào)查。

1.3 研究方法

（1）評(píng)價(jià)方法的選取。黨參產(chǎn)量的高低及品質(zhì)的好壞與生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)，一般由光、溫、水、肥等因素決定。適宜性評(píng)價(jià)模型通常有Maxent、層次分析法（AHP）、CLIMEX 模型和GAM 模型等。Maxent模型需要自然條件下優(yōu)質(zhì)植物的較多分布點(diǎn)，本研究區(qū)黨參都進(jìn)行施肥，樣本缺乏自然狀態(tài)，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差大，而AHP 法是根據(jù)植物生長(zhǎng)的適宜性因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，不需要樣本，準(zhǔn)確性也較高［4-5］。通過(guò)分析對(duì)黨參生長(zhǎng)的光、溫、水、肥條件產(chǎn)生影響的環(huán)境因素，確定坡向、坡度、海拔、地塊類型（平地、坡地）、土壤有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地、厚度、pH 等為生長(zhǎng)適宜性評(píng)價(jià)的影響因子，建立敏感度等級(jí)體系，采用AHP 法，確定黨參生長(zhǎng)適宜性影響因子的權(quán)重值，利用GIS 技術(shù)進(jìn)行空間分析，因子加權(quán)疊置綜合分析，將甘谷縣黨參適宜栽培區(qū)分為高適宜區(qū)、適宜區(qū)、低適宜區(qū)和不適宜區(qū)4 個(gè)等級(jí)。最后，與實(shí)地栽培的黨參調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證結(jié)果在研究區(qū)黨參生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃的準(zhǔn)確性。

（2）評(píng)價(jià)因子及其分級(jí)。縣域范圍內(nèi)，受地形坡向、坡度、海拔、地塊類型和土壤條件等影響，露地栽培黨參光照、溫度、降水和土壤條件存在差異性。黨參喜涼爽溫濕氣候，成苗雖喜陽(yáng)，但光不能太強(qiáng)，所以，半陰半陽(yáng)坡更適宜生長(zhǎng)；高溫對(duì)黨參生長(zhǎng)不利，一般海拔1 700～3 000 m 的高山地區(qū)更適宜生長(zhǎng)；黨參喜水又不耐澇，一般要求年降水量500～650 mm適宜區(qū)。本區(qū)域?yàn)榘敫珊档貐^(qū)，保水能力強(qiáng)也是重要因素。黨參適宜在土質(zhì)疏松、土層深厚、有機(jī)質(zhì)高、pH 為6.5～7.0 最佳[6]。根據(jù)以上分析，結(jié)合黨參栽培專家咨詢，建立對(duì)光、溫、水、肥因素影響的二級(jí)因子敏感度等級(jí)體系（表1）。

表1 甘谷縣黨參生長(zhǎng)適宜性因子類別及等級(jí)體系

（3）AHP 法確定影響因子的權(quán)值。將黨參生長(zhǎng)的光、溫、水、肥因素作為一級(jí)影響因子，對(duì)其一級(jí)影響因子產(chǎn)生作用的坡向、坡度、海拔、地塊類型、厚度、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地、pH 等作為二級(jí)因子，依據(jù)因子層次關(guān)系，建立兩級(jí)層次結(jié)構(gòu)黨參生長(zhǎng)適宜性因子評(píng)估模型，根據(jù)當(dāng)?shù)攸h參栽培專家打分，采用AHP 法，確定單一準(zhǔn)則下影響因子的相對(duì)重要性，計(jì)算各單一層次影響因子的權(quán)值，并對(duì)各層次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，其單層次CR 均小于0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，最后，根據(jù)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算各因子的總權(quán)重[7]，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 甘谷縣黨參生長(zhǎng)適宜性因子權(quán)重表

（4）建立研究區(qū)黨參生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)研究區(qū)2016 年農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)調(diào)查數(shù)據(jù)，以地塊為區(qū)劃基本單元，在ArcGIS 平臺(tái)建立黨參生長(zhǎng)適宜性評(píng)價(jià)區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇保留權(quán)屬、面積、地塊類型等字段，添加評(píng)估二級(jí)因子得分字段；根據(jù)DEM 應(yīng)用ArcGIS 3D 分析和空間分析獲得坡度、坡向、海拔分級(jí)值，根據(jù)土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，獲得土壤的有機(jī)質(zhì)、厚度、pH、質(zhì)地分布圖數(shù)據(jù)，統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，利用ArcGIS 的空間連接和屬性連接功能，將各因子分值賦值到區(qū)劃單元。

（5）黨參生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃分級(jí)。應(yīng)用因子加權(quán)疊置綜合分析法，計(jì)算適宜性評(píng)價(jià)綜合指數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：F 為適宜性評(píng)價(jià)單元綜合指數(shù)，Wi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子權(quán)重值，Xi為第i 項(xiàng)因子的等級(jí)值。

利用ArcGIS 在黨參生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃圖層的屬性表中添加綜合評(píng)價(jià)指數(shù)F 字段，計(jì)算出各地塊的F 值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合相關(guān)資料和規(guī)定，對(duì)甘谷縣區(qū)黨參生長(zhǎng)適宜性指數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)判，將其區(qū)劃為四級(jí)，F(xiàn)≥8 為高適宜區(qū)，6≤F＜8 為適宜區(qū)，3＜F＜6為低適宜區(qū)，F(xiàn)≤3 為不適宜區(qū)[7]，然后生成區(qū)劃圖，如圖1 所示。

圖1 甘谷縣黨參生長(zhǎng)適宜性區(qū)劃圖

2 結(jié)果與分析

甘谷縣耕地總面積為84 072.47 hm2，黨參種植高適宜區(qū)面積為24 323.20 hm2，適宜區(qū)面積為45 063.73 hm2，低適宜區(qū)面積為14 685.54 hm2，沒(méi)有不適宜區(qū)，分別占地塊總面積的28.93%、53.60%和17.47%。GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)可查詢每一地塊栽培黨參的適宜程度，也可以查詢每個(gè)地塊的影響因子得分，據(jù)此改善環(huán)境條件，提高栽培質(zhì)量。

2.1 研究區(qū)種植點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)比分析

甘谷縣黨參種植歷史悠久，栽培面積受市場(chǎng)影響變化較大。2019—2020 年實(shí)地調(diào)查，兩年共調(diào)查樣地154 塊，主要調(diào)查地理位置、降水情況、施肥情況、鼢鼠危害、黨參質(zhì)量分級(jí)產(chǎn)量[8]，剔除2019 年降水不均衡地塊13 塊，施肥差異較大樣本11 塊，2020 年降水不均衡6 塊，施肥差異較大樣本9，形成有效樣本115 塊。對(duì)有效樣本黨參質(zhì)量根據(jù)市場(chǎng)分為大、中、小三級(jí)[9]，扣除鼢鼠危害面積，分別計(jì)算產(chǎn)量，根據(jù)歷年市場(chǎng)價(jià)格均值，計(jì)算每公傾的經(jīng)濟(jì)效益，將樣地經(jīng)濟(jì)效益分為三級(jí)，每公頃7.5 萬(wàn)元以上的為高收益樣地，每公頃在4.5 萬(wàn)～7.5 萬(wàn)元的為中收益樣地，每公頃4.5 萬(wàn)元以下的為低收益樣地。最后，根據(jù)位置將樣地點(diǎn)位展繪在區(qū)劃圖上，結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 野外調(diào)查樣點(diǎn)分布情況

通過(guò)表3 分析，高收益樣點(diǎn)分布在高適宜區(qū)的占比為86.3%，中收益樣點(diǎn)分布在適宜區(qū)的占比為73.5%，低收益樣點(diǎn)分布在低適宜區(qū)的占比為80.0%，外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)與區(qū)劃結(jié)果基本吻合。

2.2 黨參生長(zhǎng)適宜性地域分析

通過(guò)地形與區(qū)劃的疊置，甘谷縣黨參種植高適宜區(qū)主要分布在北山區(qū)海拔1 500～2 000 m 以內(nèi)的半陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡區(qū)域，海拔2 000～2 400 m 以上的土壤狀況較好的陽(yáng)坡區(qū)域；適宜區(qū)主要分布在南北山海拔2 000～2 400 m 以內(nèi)的半陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡和陰坡區(qū)域以及海拔1 500～2 000 m 以內(nèi)陰坡和陽(yáng)坡區(qū)域；低適宜區(qū)主要分布在海拔1 600 m 以下的山谷下部和渭河河谷、散渡河河谷地帶，甘谷全境范圍沒(méi)有不適宜種植黨參的耕地區(qū)域。

2.3 區(qū)劃影響因子分析

從各區(qū)劃影響因子及其等級(jí)透視分析表（表4）看出，研究區(qū)地形坡度在6°～25°，占耕地75.1%，其中高適宜區(qū)占23.33%，適宜區(qū)占39.31%，是選擇栽培的坡度適合區(qū)間。坡向?yàn)殛?yáng)坡地塊占耕地面積的11.88%，其中，高適宜區(qū)為0，適宜區(qū)占6.43%，低適宜區(qū)占5.45%，所以，不建議在陽(yáng)坡和山梁地塊栽培黨參。縣區(qū)主要耕地海拔在2 000 m 以下占總耕地面積的98.14%，其中高適宜區(qū)占28.81%,適宜區(qū)占52.62%，低適宜區(qū)占16.71%。海拔在1 700 m 以下低適宜區(qū)占12.67%，主要分布在渭河兩岸的川區(qū)，一般不推薦栽培黨參。從土壤情況看，甘谷縣主要在黃土丘陵區(qū)，土層厚度較厚，pH 差異小，均適宜黨參栽培，但存在部分黏土和礫質(zhì)土，不建議栽培，縣區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，栽培黨參的地塊應(yīng)加強(qiáng)施肥管理，尤其是有機(jī)肥。

表4 影響因子分級(jí)與適宜性種植區(qū)劃的分布情況占比表

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用AHP+ArcGIS 對(duì)縣區(qū)黨參栽培適宜性進(jìn)行區(qū)劃，通過(guò)成果與實(shí)地調(diào)查對(duì)比，數(shù)據(jù)基本吻合，分析結(jié)果基本符合客觀事實(shí)，該方法具有一定的可行性。

基于GIS 的縣區(qū)黨參栽培適宜性區(qū)劃成果可精準(zhǔn)到每一個(gè)地塊，為農(nóng)民選地栽培黨參提供科學(xué)依據(jù)，也可以根據(jù)栽培地塊查詢每個(gè)地塊的影響因子得分，補(bǔ)齊弱項(xiàng)，為栽培管理提出建議。

AHP 法在影響因子選擇、因子分值和權(quán)重等方面主觀因素較強(qiáng)，在研究過(guò)程中，應(yīng)選擇多名黨參栽培技術(shù)能手和專家參與分析，力求數(shù)據(jù)客觀、準(zhǔn)確，以獲得正確的區(qū)劃結(jié)果。