基于GIS的陜北農(nóng)作物適宜性精細(xì)化評(píng)價(jià)及布局研究

張靜怡，王雙銀，王正中,2，馬冠華

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2．西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

在農(nóng)業(yè)資源環(huán)境約束越來(lái)越緊的背景下，研究區(qū)域農(nóng)作物與水土光熱等自然資源稟賦條件之間的關(guān)系，可為農(nóng)作物的優(yōu)勢(shì)挖掘提供科學(xué)依據(jù)，是特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整的基礎(chǔ)，有利于推動(dòng)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)興旺和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)繁榮，對(duì)促進(jìn)鄉(xiāng)村振興和區(qū)域高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-3]。

近年來(lái)，依據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求對(duì)作物適宜性評(píng)價(jià)研究不斷發(fā)展，Patanè等[4]選取蓖麻生長(zhǎng)的關(guān)鍵光熱因素為影響因子在西西里島范圍進(jìn)行區(qū)劃分析；Nabati等[5]基于GIS分析氣候特征、地形、土壤和土地利用情況，在伊朗半干旱區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)鷹嘴豆進(jìn)行適宜區(qū)的劃分；de Oliveira Aparecido等[6]利用氣溫和降雨量對(duì)巴西竹子適宜性區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)；李超等[7]采用GIS技術(shù)對(duì)縣域內(nèi)氣象、土壤和地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到玉米適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。綜合來(lái)看，自然資源條件是評(píng)價(jià)作物適宜性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵性因素，針對(duì)區(qū)域多種作物適宜性定量分析和綜合布局研究較少[8-11]。目前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型需要更多作物綜合適宜性的研究成果作為科學(xué)依據(jù)，尤其是地處黃土高原地帶的陜北地區(qū)地形破碎，水資源緊缺，不適合大規(guī)模耕種，因此在當(dāng)?shù)亻_(kāi)展農(nóng)作物區(qū)域綜合布局研究尤為重要。

本研究基于自然資源條件中水土光熱因素，運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)陜北地區(qū)谷子、馬鈴薯、蘋(píng)果3種主要農(nóng)作物的適宜性進(jìn)行500 m×500 m精細(xì)化計(jì)算分析和定量評(píng)價(jià)，以期獲得各作物的適宜度空間分布和精細(xì)化布局結(jié)果。研究可為該地區(qū)農(nóng)業(yè)布局結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，并豐富農(nóng)業(yè)區(qū)劃理論。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜北地區(qū)地處陜西省北部，包括陜西省榆林市和延安市的25個(gè)縣(區(qū))，地處黃河中游黃土高原中心地帶，屬我國(guó)九大農(nóng)業(yè)區(qū)中的黃土高原區(qū)，橫跨中溫帶和暖溫帶兩大季風(fēng)氣候區(qū)，位于35°21′～39°34′N(xiāo)、107°15′～111°15′E，總面積7.995×104km2。東部以黃河為界并與呂梁山脈相望，西北部的白于山是無(wú)定河、延河、北洛河的河源區(qū)，西南部的子午嶺是涇河和北洛河的分水嶺；南部排列著一系列以灰?guī)r為主的石質(zhì)山區(qū)，俗稱(chēng)“北山”，是陜北黃土高原與關(guān)中盆地的分界。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高、東南低。長(zhǎng)城以北為毛烏素沙漠，以沙丘為主，零星分布內(nèi)陸海子和鹽堿灘地；長(zhǎng)城以南以原、梁、峁、溝壑地貌為主。

陜北地區(qū)2020年總?cè)丝诩s568萬(wàn)，其中農(nóng)村人口占38.66%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展對(duì)于當(dāng)?shù)鼐哂兄匾饬x。農(nóng)業(yè)常用耕地面積1.05×106hm2，其中具備灌溉條件的耕地僅占總面積的17.65%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以旱作物為主，主要農(nóng)作物有玉米、谷子、糜子、馬鈴薯、大棗和蘋(píng)果等[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 層次分析法 層次分析法是一種層次權(quán)重決策分析方法。首先建立層次結(jié)構(gòu)模型，采用9標(biāo)度對(duì)各因素重要性進(jìn)行比較打分并構(gòu)造判斷矩陣，再計(jì)算矩陣的特征值λ、一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR，通過(guò)一致性檢驗(yàn)后得到權(quán)重，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

1.2.2 適宜度模型 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物生長(zhǎng)條件的最適值大多情況下不是一個(gè)數(shù)值而是一個(gè)區(qū)間范圍；當(dāng)現(xiàn)實(shí)條件因子的數(shù)值低于或高于此范圍時(shí)便會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生不同程度的不利影響[14]。

(1)

多因子的綜合適宜度NF采用加權(quán)平均模型計(jì)算：

(2)

式中，ωi為第i個(gè)自然條件因子的權(quán)重。

1.2.3 基于ArcGIS技術(shù)的數(shù)據(jù)處理 反距離加權(quán)插值法是GIS插值處理的主要方法之一，該方法允許數(shù)據(jù)各向異性，計(jì)算速度快易于實(shí)現(xiàn)。其原理是通過(guò)各已知點(diǎn)與預(yù)測(cè)位置的距離確定各已知點(diǎn)的影響程度，距離越近則程度越大，從而插值計(jì)算得到預(yù)測(cè)位置的數(shù)值[15]。

自然斷點(diǎn)法即自然斷點(diǎn)分級(jí)法，運(yùn)用聚類(lèi)的思維，最大限度地?cái)U(kuò)大數(shù)據(jù)各等級(jí)之間的差異，縮小各等級(jí)內(nèi)的差異[16]。在ArcGIS工具中的自然斷點(diǎn)算法作為柵格重分類(lèi)工具，計(jì)算效率高[17]。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

陜北地區(qū)DEM30 m×30 m分辨率數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)；各氣象站點(diǎn)(圖1)1981—2010年逐日的平均氣溫、降水量、日照時(shí)長(zhǎng)、最高氣溫、最低氣溫從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn)獲取；太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)來(lái)自于“NASA POWER | Data Access Viewer”(https://power.larc.nasa.gov)；土地覆蓋遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。

2 作物適宜性評(píng)價(jià)體系

結(jié)合陜北兩市鄉(xiāng)村振興規(guī)劃中對(duì)糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物及特色發(fā)展的指標(biāo)，選取谷子、馬鈴薯和蘋(píng)果3種主要農(nóng)作物作為研究對(duì)象。針對(duì)農(nóng)業(yè)自然條件中的水土光熱因素選取坡度、坡向及生育期降水量、日照時(shí)長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射、平均氣溫、≥10℃積溫7個(gè)影響因子，由于生育期溫度日較差對(duì)蘋(píng)果品質(zhì)影響較大，因此對(duì)蘋(píng)果增加了6—9月溫度日較差這一影響因子。

依據(jù)層次分析法原理和計(jì)算步驟，設(shè)置調(diào)查問(wèn)卷請(qǐng)從事農(nóng)業(yè)研究的教授和生產(chǎn)實(shí)踐的技術(shù)人員打分，確立了陜北作物適宜性評(píng)價(jià)層次矩陣，檢驗(yàn)一致性比率CR均小于0.1，最終確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。從各作物權(quán)重可以看出，谷子的適宜性主要受降水量、積溫和平均氣溫影響，馬鈴薯主要受到積溫、平均氣溫和降水量影響，而蘋(píng)果的適宜性主要受到降水量、平均氣溫和6—9月溫度日較差的影響。據(jù)此構(gòu)建的陜北作物適宜性評(píng)價(jià)體系詳見(jiàn)表1。

由于式(1)不能用于計(jì)算坡度和坡向的適宜度，結(jié)合文獻(xiàn)[18-22]，確定3種作物在不同坡度和坡向情況下的適宜度，詳見(jiàn)表2和表3。

表1 作物適宜性評(píng)價(jià)體系Table 1 Suitability evaluation system of characteristic crops

表2 坡度適宜度賦值Table 2 NFi value of slope

表3 坡向適宜度賦值 Table 3 NFi value of aspect

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用GIS技術(shù)中的“創(chuàng)建漁網(wǎng)”將陜北地區(qū)矢量圖劃分為500 m×500 m的“陜北漁網(wǎng)”，并對(duì)點(diǎn)和面進(jìn)行“連接”建立起定點(diǎn)定位的柵格單元。首先需要排除水域、沙漠、城鄉(xiāng)居民區(qū)和坡度大于25°等不能進(jìn)行評(píng)價(jià)的柵格單元[23-24]。通過(guò)GIS技術(shù)對(duì)陜北地區(qū)DEM圖采用“投影變換”，并用坡度、坡向構(gòu)造工具得到坡度和坡向，利用“漁網(wǎng)提取”對(duì)坡度和土地覆蓋柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行“漁網(wǎng)提取”，得出評(píng)價(jià)區(qū)域范圍(面積6.22×104km2，占總面積的77.8%)的評(píng)價(jià)單元248958個(gè)(見(jiàn) 圖2)。

在確定可評(píng)價(jià)區(qū)域范圍后，對(duì)平均氣溫、≥10℃積溫、降水量建立多元線性回歸方程并用GIS中的屬性表“字段計(jì)算器”計(jì)算后提取得到“陜北漁網(wǎng)”對(duì)應(yīng)柵格單元數(shù)值；日照時(shí)長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射和溫度日較差采用“反距離權(quán)重插值法”分析得出“陜北漁網(wǎng)”對(duì)應(yīng)的精細(xì)化柵格單元數(shù)值。

3.2 作物適宜度

通過(guò)分析計(jì)算，評(píng)價(jià)區(qū)域每一個(gè)柵單元3種作物的適宜度都在0.70以上。谷子的適宜度在0.8299～0.9955之間(均值0.9070)，大體呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸降低的空間分布特點(diǎn)，但東南部黃龍山區(qū)最低，且與周?chē)鷧^(qū)域的適宜度反差強(qiáng)烈(圖3a)。馬鈴薯的適宜度在0.7057～0.8933之間(均值0.7855)，且對(duì)海拔較為敏感；東南部黃龍山區(qū)、西南部子午嶺和西部白于山區(qū)的適宜度最大，而東部沿黃地區(qū)的適宜度整體較低，表現(xiàn)出從西南向東北逐漸降低的分布特點(diǎn)(圖3b)。蘋(píng)果的適宜度在0.7162～0.9316之間(均值0.8267)，適宜度最高的部分位于東南部的黃龍山區(qū)和西南部的子午嶺山區(qū)，中部的大部分地區(qū)適宜度略低于南部，西部和北部的數(shù)值最低，呈現(xiàn)出南部高于北部的特點(diǎn)(圖3c)。

圖1 氣象站點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution map of meteorological stations

圖2 陜北地區(qū)評(píng)價(jià)區(qū)域Fig.2 Evaluable land in Northern Shaanxi

圖3 作物適宜度空間分布Fig.3 Spatial distribution of crop NF

綜合3種作物的適宜度空間分布特點(diǎn)可以看出，雖然南部均為各作物的適宜度最高的區(qū)域，但3種作物的適宜度之間仍存在差異，谷子的適宜度明顯比馬鈴薯和蘋(píng)果大。從單因素看，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)谷子對(duì)影響因素中的因子計(jì)算出的適宜度高，尤其是水因子中的降水量對(duì)谷子表現(xiàn)出的適宜度較馬鈴薯和蘋(píng)果數(shù)值較高。雖然谷子受降水的影響較大，但是其需水量是3種主要農(nóng)作物中最小的，谷子以其耐旱的特性在3種作物中優(yōu)勢(shì)突出。東南部的黃龍山區(qū)降水量較多，馬鈴薯和蘋(píng)果在此處適宜度較高，也反映出水因子是陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的最主要制約因素。但在此處谷子適宜度較低，這是因?yàn)辄S龍山地區(qū)雖雨水較多但溫度較低，光熱條件不滿(mǎn)足谷子的生長(zhǎng)需求，卻能滿(mǎn)足馬鈴薯和蘋(píng)果的需水情況。從分布趨勢(shì)來(lái)看，谷子適宜度分布從東南到西北逐漸減小，隨地形地勢(shì)變化不明顯；而馬鈴薯和蘋(píng)果分布與地形和流域分布有相似之處，兩者在南部適宜度分布特點(diǎn)是山區(qū)的適宜度較高、位于地勢(shì)較低的北洛河流域一帶適宜度較低。

3.3 作物適宜性評(píng)價(jià)

利用自然斷點(diǎn)法分別對(duì)各作物的適宜度進(jìn)行聚類(lèi)分析，最終劃分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)四個(gè)等級(jí)，各作物分級(jí)情況具體見(jiàn)表4。

從表4可以看出，各個(gè)作物中的適宜度1級(jí)占比最大的是谷子，表現(xiàn)出谷子在研究區(qū)域內(nèi)優(yōu)越的適宜性；2級(jí)和3級(jí)綜合占比最大的是蘋(píng)果；各作物中3級(jí)均占比最高的是馬鈴薯且面積最大。

為綜合分析各作物適宜性，依據(jù)單作物適宜度數(shù)值和分級(jí)，對(duì)陜北地區(qū)各作物評(píng)價(jià)級(jí)別中的1級(jí)地區(qū)進(jìn)行識(shí)別，將不同作物的重合部分合理劃分，形成陜北主要農(nóng)作物最適種植區(qū)域圖(圖4a,見(jiàn)230頁(yè))。同時(shí)，將各作物評(píng)價(jià)級(jí)別中的1、2、3級(jí)作為作物布局的主要等級(jí)類(lèi)型，協(xié)調(diào)各作物的空間分布關(guān)系，形成主要農(nóng)作物布局圖(圖4b，見(jiàn)230頁(yè))。

依據(jù)劃分方法可知某地區(qū)作物種類(lèi)越多則表明此地作物分布重合度越高，意味著對(duì)當(dāng)?shù)刈魑镎w生長(zhǎng)條件滿(mǎn)足程度越好，從布局結(jié)果可以得出陜北地區(qū)水土光熱條件基本能滿(mǎn)足3種作物生長(zhǎng)需求。

由作物最適種植區(qū)域分布結(jié)果可以看出，作物適宜性較好的區(qū)域零散分布于研究區(qū)域的西部，集中分布在研究區(qū)域的東南部。西部的適宜性較好的作物是馬鈴薯，且該作物主要位于白于山地區(qū)的定邊縣和靖邊縣；東部沿黃地區(qū)分布的作物為谷子；南部比其他地區(qū)的作物分布多樣性更強(qiáng)，其中表現(xiàn)最明顯的是黃龍山地區(qū)，雖然此處的光熱條件不如陜北地區(qū)北部，但由于降水量相比于北部地區(qū)稍高，所以主要農(nóng)作物適宜性最好的區(qū)域集中于此處。

由陜北主要農(nóng)作物布局圖(圖4)可以看出，作物重合度最高的區(qū)域位于研究區(qū)域的中部和南部的大部分以及東北部的小部分，其面積占研究區(qū)域面積的一半以上且分布比較集中。東南部黃龍山區(qū)有一小部分區(qū)域的布局作物為馬鈴薯和蘋(píng)果，該區(qū)域與周?chē)牟町惐憩F(xiàn)為谷子在此區(qū)域內(nèi)的適宜性較低，而與此區(qū)域相鄰的區(qū)域谷子適宜性明顯提升。結(jié)合地勢(shì)地形，此區(qū)域位置與黃龍山地勢(shì)相對(duì)較高的地區(qū)位置相一致，也充分表明了作物谷子適宜度在山區(qū)的適宜性較差。西部布局作物面積最小的是馬鈴薯，主要分布在吳起縣境內(nèi)，其周?chē)牟季肿魑锸邱R鈴薯和蘋(píng)果。東部沿黃地區(qū)布局作物是谷子和蘋(píng)果，分布形狀呈鋸齒狀且邊界凸出部分與河流走向特點(diǎn)接近。研究區(qū)東北角的小范圍布局作物為谷子。西北部是作物的不適宜區(qū)，因?yàn)榇颂幉豢煞N植區(qū)域分布廣泛且相連。

表4 作物適宜性等級(jí)劃分Table 4 Classification of suitability degree of crops

3.4 作物精細(xì)化布局

為更有力地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，依據(jù)作物適宜性等級(jí)情況比較3種主要農(nóng)作物的優(yōu)勢(shì)(當(dāng)?shù)燃?jí)相同時(shí)選取適宜度較大的作物)，形成了主要農(nóng)作物精細(xì)化布局，結(jié)果見(jiàn)表5和圖5。

從流域來(lái)看，位于研究區(qū)域東北部的清水川、孤山川、窟野河和禿尾河流域附近優(yōu)勢(shì)作物主要是谷子；在清水川和孤山川中間的地區(qū)以及窟野河流域附近是馬鈴薯在北部地區(qū)主要分布區(qū)域。黃河沿岸地區(qū)及其支流，包括延河、無(wú)定河全流域所在區(qū)域的優(yōu)勢(shì)作物均為谷子。榆溪河全流域的優(yōu)勢(shì)作物以谷子和馬鈴薯為主，在無(wú)定河上游左岸部分與榆溪河右岸之間的地區(qū)馬鈴薯和蘋(píng)果分布較多。北洛河流域的上游地區(qū)，定邊縣和吳起縣境內(nèi)的優(yōu)勢(shì)作物是馬鈴薯，志丹縣境內(nèi)的優(yōu)勢(shì)作物是蘋(píng)果；中游地區(qū)的優(yōu)勢(shì)作物是谷子且該作物分布情況與河流及其支流的分布相同。整體來(lái)看，谷子主要分布在研究區(qū)域南部的北洛河流域和東部的黃河沿岸地區(qū)；馬鈴薯集中分布在西部的白于山區(qū)，在北部的縣(區(qū))內(nèi)分布在河流周?chē)惶O(píng)果主要分布在東南部的黃龍山區(qū)、西南部的子午嶺山區(qū)、中部及北部的部分縣區(qū)。

4 討 論

論文以通過(guò)GIS技術(shù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)3種作物適宜性進(jìn)行500 m×500 m精細(xì)化柵格單元?jiǎng)澐植⑦M(jìn)行研究，得到各作物適宜性空間分布情況及布局。本研究未考慮土壤類(lèi)型、土壤肥力和灌溉補(bǔ)水等因子，一方面是由于評(píng)價(jià)范圍內(nèi)土壤以黑壚土為主，土地改良面積少，耕地上的土壤肥力空間差異不大，對(duì)3種作物的適應(yīng)性影響較為一致；另一方面是由于研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀灌溉面積僅占常用耕地面積的17.65%，僅為評(píng)價(jià)面積的3%，整個(gè)研究區(qū)仍以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主。后續(xù)將以本次布局成果為基礎(chǔ)，以區(qū)域可利用水資源量為約束，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源配置和灌區(qū)規(guī)劃建設(shè)進(jìn)行研究。

表5 優(yōu)勢(shì)作物分布Table 5 Distribution of dominant crop

圖4 陜北主要農(nóng)作物布局Fig.4 Distribution of main crops in Northern Shaanxi

圖5 陜北主要農(nóng)作物精細(xì)化布局Fig.5 Fine layout of main crops in Northern Shaanxi

該研究為分析作物布局將3種作物適宜性等級(jí)均劃分為4級(jí)，由于作物之間適宜度數(shù)值差距大，導(dǎo)致等級(jí)劃分結(jié)果中谷子的1、2級(jí)均高于馬鈴薯的1級(jí)數(shù)值。文中的等級(jí)劃分避免了不同作物適宜度差距大無(wú)法比較，縮小各作物適宜性差距；雖然適用于本研究，但對(duì)此仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

1)陜北3種主要農(nóng)作物生長(zhǎng)受降水和溫度影響程度較大，水資源是陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵制約性因素。

2)3種作物的適宜度均值從大到小依次是谷子、蘋(píng)果、馬鈴薯。其中谷子整體適宜度最高，由東南到西北逐漸減小；馬鈴薯適宜度較高地區(qū)分散且主要分布在海拔較高的白于山區(qū)、子午嶺山區(qū)、黃龍山區(qū)。蘋(píng)果的適宜度跨度最大為0.2154，其優(yōu)勢(shì)區(qū)主要在南部，呈現(xiàn)出從南向北依次減小的趨勢(shì)。

3)在自然條件情況下，主要農(nóng)作物布局中最適宜區(qū)域分布面積約為研究區(qū)域面積的1/4，主要位于東部沿黃地區(qū)，南部的黃龍山區(qū)，子午嶺山區(qū)，以及西部的白于山區(qū),其中黃龍山地區(qū)作物種植的適宜性最強(qiáng)。

4)主要農(nóng)作物精細(xì)化布局中，谷子主要位于東部的縣區(qū)和南部的北洛河流域地區(qū)；馬鈴薯主要位于西部的定邊縣，在北部的榆陽(yáng)區(qū)、神木市和府谷縣內(nèi)主要分布在河流周?chē)惶O(píng)果主要分布在南部黃龍山區(qū)、子午嶺山區(qū)以及中部和北部的部分縣區(qū)。