綿陽市水稻種植適宜性區劃分析

張濤 柳錦寶 楊翔

（成都信息工程大學資源環境學院 四川成都 610225）

我國是農業大國，糧食產量一直位居全世界前列，水稻是我國賴以生存的主要糧食作物之一，約占我國糧食總產量的1/2。同時，我國也是糧食消費大國，以大米作為主食，水稻的產量直接影響大米產量。近幾年我國經濟發展水平的不斷提高，人們對物質生活的需求也越來越高，對糧食需求量日益增加，糧食產量能否滿足人們需求直接影響人們的生活水平和幸福感。

近幾年，全球氣候變暖、自然災害頻發，全球生態系統結構、功能、自然資源開發和利用發生了重大變革。在自然資源結構變化背景下，我國種植環境惡化，極端氣象、地質等災害加劇，水稻種植區域不斷變化，需要不斷根據自然資源做出相應的調整。建立準確、有效的水稻種植區劃模型對提升水稻產量、改善人類生活質量有重要意義。

國內外對水稻種植區劃研究方法多種多樣，最早是從氣候角度出發，研究氣候和水稻生長之間的關系，后來加入土壤等因子綜合研究種植區劃適宜性模型。王德燕等[1]基于天長市氣候資源，通過分析生長季不同時期氣溫、積溫、降水等氣候因子對水稻生長影響的上下限，針對各個因子建立不同的適應度模型。蔣茜等[2]研究顯示，影響水稻區劃評價的因素不僅僅只局限于氣候因子，地形因子和土壤因子對水稻生長的評價也有重要影響；同時使用主成分分析法篩選各個因子并確定權重，采用GridMet 模型進行空間建模和ArcGIS 的疊置分析，計算出水稻適宜性區劃。

四川省綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候區，年平均氣溫為14.7～17.3℃，降水量比較充沛，年均降水量825.8～1 417 mm。水稻作為綿陽市的主要糧食作物，以單季稻為主。近20 年來，綿陽市水稻種植面積一直維持在12 萬～13 萬hm2，種植面積和產量沒有明顯的提升。隨著農業氣候資源、土地資源、地形資源和技術條件不斷改變，充分利用自然條件擴大種植面積和提高水稻產量、合理規劃水稻種植區劃具有重要的現實意義。

層次分析法（AHP）是20 世紀70 年代由美國運籌學家T.L.Saaty 提出，是對方案的多指標進行分析的一種層次化、結構化的決策方法及定性與定量相結合的評價分析方法，常用于解決多要素、多目標、多層次等復雜問題。本文以層次分析法對綿陽市水稻種植適應性區劃進行建模研究，分析其水稻種植適應性。

1 材料與方法

1.1 材料

氣象資料來源于四川省1981—2021 年的165個氣象觀測站數據，包括日平均氣溫、日平均日照時數、日平均相對濕度、日降雨量等。地形數據來源于美國航空航天局（NASA）。土壤數據來源于世界土壤數據庫（HWSD）。

1.2 方法

1.2.1 農作物生長因子確定前人對區劃的研究和生產實踐證明，影響農作物生長的因子包括氣候因子、地形因子和土壤因子[3-22]。結合前人對水稻的研究，本研究選擇的氣候因子為日平均氣溫、≥10℃活動積溫、日照時長、相對濕度；地形因子選擇為海拔、高程；土壤因子主要為pH。通過上述幾項因子對綿陽市水稻種植適宜性區劃進行分析。

1.2.2 技術路線通過上述選擇的關鍵因子，將各個指標劃分為：適宜性（2 分）、較適宜性（1分）和不適宜性（0 分）3 個指標等級并打分；利用層次分析法（AHP）確定各項因子權重，最后結合ArcGIS 疊加分析的加權求和，計算出最終的區劃適宜性分布。具體技術路線如圖1 所示。氣象觀測站數據為“點”數據，為了滿足區劃的“面”數據分析，需要將“點”數據向“面”數據轉換。為了準確反映研究區的氣候時空變化特點，采用全四川氣象觀測站數據進行空間插值，然后提取出研究區的氣象數據。

圖1 綿陽市水稻種植適宜性區劃技術路線

為了計算各個因子對水稻生長的影響，采用層次分析法（AHP）確定各個指標因子權重，根據各項因子得分，利用ArcGIS 加權疊加分析，計算綿陽市水稻種植適宜性區劃。

2 結果與分析

2.1 指標因子評價體系權重

采用層次分析法，對氣象、地形和土壤指標因子進行層次劃分，第一層為二級指標因子，第二層為一級指標因子，具體的層次劃分見圖2。

圖2 層次分析分層圖

第一層為一級指標因子所含的小類因子（二級指標）之間的權重確定，第二層為一級指標因子之間的權重確定，目標層為確定各個因子權重。根據層次劃分建立判斷矩陣，將矩陣內各個指標因子進行兩兩比對，并按其重要程度評定等級。兩兩指標因子重要性比較結果公式見式（1）：

aij表示判斷矩陣中的第i列第j行指標因子值，該值是第j列第i行倒數，即其兩兩的比較結果。

根據上述公式，各層判斷矩陣如表1～3。

表1 第一層氣候判斷矩陣

表2 第一層地形判斷矩陣

計算各層之間相對權重，需要先按列進行歸一化處理，公式見式（2）：

Hij為第i列第j行元素值歸一化后結果值，dij為原值。

判斷矩陣按行求和，見式（3）：

Hi表示第i行指標（同一指標）之和。

權重計算公式見式（4）：

Wi為第i個指標的權重值。

為了驗證數據的準確性，需要對數據進行一致性檢驗，分別為層次單排序一致性檢驗和整個判斷矩陣一致性驗證。

層次單排序一致性檢驗公式見式（5）：

λmax 為最大特征根，n為唯一非零特征根。CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有滿意的一致性；CI越大，不一致性越明顯。

為衡量CI的大小，引入隨機一致性指標RI，公式見式（6）：

檢驗整個判斷矩陣是否具有滿意的一致性，需要計算檢驗系統CR，見式（7）：

CR＜0.1，則表示判斷矩陣通過一致性檢驗，該判斷矩陣可用于計算各指標因子的權重，否則還需要對判斷矩陣進行重新打分比較。

通過上述計算公式對判斷矩陣進行計算并校驗，最終各因子權重用公式（8）進行計算：

Pi為對應一級指標權重，Wi為對應一級指標權重下的二級指標的權重，Wfi為最終權重。

最終指標權重結果見表4。

表4 各因子權重表

2.2 適宜性區劃指標

結合前人研究結果和研究區的歷史種植經驗可知，綿陽以單季稻為主，水稻種植在每年5—10 月，全生育期150～170 d，整個生長周期分為：幼苗期、返青期、分蘗期、孕穗期、拔節期、揚花灌漿期和成熟期。

氣候條件方面，水稻在生長過程中最適宜溫度為20～32℃，不能低于12℃和高于38℃；≥10℃活動積溫最佳值應大于2 600℃，最低生長要求在2 500℃以上；年日照時數至少在1 050 h 以上，最適宜日照時數應大于或等于1 100 h；最佳年降雨量應在800～2 000 mm，最低不能少于400 mm，最高不超過2 400 mm；最佳年平均相對濕潤度在50%～81%，不可低于40%或高于90%[23]。

地形條件方面，海拔和坡度對水稻同樣有著重要影響，最佳種植海拔高度應在450 m 之下，最高不超過800m；坡度最佳種植范圍應在9°及以下，最高應不超過20°[23]。

土壤影響水稻生長的因素主要是pH，最佳土壤pH 應在6～7.5，最低為5，最高不超過8.5，這些范圍區間都能促進水稻生長[23]。

將水稻種植適宜性區劃劃分為3 個等級：適宜性、較適宜性和不適宜性。具體區劃指標見表5。

表5 綿陽市水稻種植適宜性區劃指標

2.3 水稻種植適宜性區劃結果模擬

2.3.1 基于ArcGIS 構建區劃結果基于表5 區劃指標，利用ArcGIS 的柵格計算器提供的條件運算符，對不同適宜等級按照 2 分（適宜性）、1分（較適宜性）和0 分（不適宜）進行計算，得出各個因子的適應區劃。綜合種植適宜性區劃，通過ArcGIS 加權疊加分析計算，得出綜合適宜性區劃。

2.3.2 氣候區劃結果氣候數據主要基于氣象觀測站點數據，為了準確反映研究區氣候數據，采用ArcGIS 反距離插值分析將“點”數據向“面”數據轉換。在氣候方面，綿陽絕大部分地區非常適合水稻的種植，生長季平均氣溫、≥10℃活動積溫、濕度、年降雨量都在適宜范圍內；而年日照時數在綿陽西部北川、安州區和北川部分地區不足，對水稻生長會產生一定影響。

2.3.3 地形區劃結果在地形條件下，水稻種植適宜性區劃分析結果得出，綿陽北部高海拔影響水稻生長，南部海拔較低，剛好屬于水稻種植適宜范圍；由于北部高海拔造成了北部坡度較陡，單純從坡度因子來看，北部同樣不適宜水稻種植。

2.3.4 土壤區劃結果通過分析土壤pH 柵格地圖可知，水稻生長的適宜程度較為離散，但大部分地區都比較適合水稻種植。

2.3.5 綜合區劃結果基于氣候、地形、土壤的區劃結果，利用ArcGIS 按照2.1 節所建立的權重以及各項因子的分數對各項因子進行加權求和，得出的綜合區劃結果圖3。綿陽水稻種植綜合區劃的適應性受地形影響較大，北部不適合水稻生長，南部非常適合水稻種植。

圖3 綜合種植適宜性區劃圖

3 討論與結論

綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候區，由于受氣候影響，近幾十年來以單季稻為主。本研究利用近30 年綿陽市5—11 月的氣候數據進行分析，并結合地形和土壤因子，采用層次分析法和疊加分析得到綿陽市水稻種植適宜性區劃。綿陽南部和東南部無論氣候條件、地形條件，還是土壤條件都有利于水稻的生長，非常適宜種植水稻；西南地區中部受日照不足影響，屬于較適宜種植水稻；西北地區受高海拔、陡坡地形影響，不適宜種植水稻。

本研究的水稻種植適宜性區劃基于層次分析法，該方法是建立在人類主觀因素之上，通過判斷矩陣和一致性檢驗，在一定程度上減少了人類主觀因素的影響，雖然該方法是以人的知識和經驗占主導，結果存在一定誤差，但本研究選用氣候、地形、土壤多源數據進行組合，根據水稻所適宜的依賴性進行綜合分析，研究結果對今后綿陽市調整水稻種植結構、優化布局、提高資源利用率、生產更多更優質水稻仍具有參考意義。