山區農業園區選址評價方法研究及應用

陳奎棟 王心良

摘要 為加強農業經濟水平快速發展，因地制宜進行山區農業園區地選址，以臨沂市蒙陰縣農業園區選址為例進行適宜性評價分析。從水文分析、太陽輻射分析、坡度分析角度出發，利用GIS結合現有土地利用現狀疊加分析，加權總和，得到蒙陰縣農業園區適宜評價。結果表明，農業園區適宜面積約207.51 km2，占比約12.93%，主要分布在蒙陰縣西南部垛莊鎮、西北部聯城鎮；比較適宜面積約595.67 km2，占比約37.11%；一般適宜面積約427.93 km2，占比約26.62%；比較不適宜面積約223.28 km2，占比約13.92%；最不適宜面積約150.61 km2，占比約9.42%。水文分析、太陽輻射分析結果符合實際情況，表明水文分析、太陽輻射分析適宜山區河流復雜區域的農業園區選址工作。

關鍵詞 GIS；水文分析；太陽輻射分析；農業園區；選址評價

中圖分類號 F324? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）14-0058-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.015

作者簡介 陳奎棟 （1997—） ，男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：農業管理。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事土地資源管理、資源經濟學研究。

隨著經濟快速發展，農戶兼業化現象越來越普遍，很多耕地遭到拋荒或者撂荒，在加快其他行業發展的同時，又要繼續保障農業發展，在當地政府的支持、補貼下，出現大量農用地承包大戶。承包地的選擇多以面積連片為優選地，但這種方法并非最優選擇，特別是山區山脈縱橫，土地連片性本就不高，加上大山阻擋太陽光照，即使山腳下平原地段也不能高質量、高產能，再加上山川河流影響，給山區農業園區選址工作加大了困難程度。但隨著GIS技術發展，水文分析、太陽輻射分析廣泛用于農業園區選址分析。地理數據是地理信息系統的核心組成部分之一，數字高程模型（DEM）是地理數據的重要組成部分，已經被廣泛用于國家地理信息基礎、軍事地表三維顯示、景觀設計、地形特征提取、流域水文分析等諸多領域［ 1］。因此，該研究從水文分析、太陽輻射分析、坡度分析角度出發，結合現有土地利用現狀進行選址，以期因地制宜選出合適的大型農業園區，為研究受山川、河流影響嚴重的區域更好選址，達到方案最優化。以地形復雜的山東省臨沂市蒙陰縣為例，主要引入水文、太陽輻射分析方法進行創新，水文分析將水流方向、匯流累積量、各級水流長度、徑流量、分水嶺考慮在選址范圍內，太陽輻射分析將對每個要素位置或每個地形面中的位置重復計算直射日照量、散射日照量、總日照量，以便生成蒙陰縣整個地理區域的日照地圖。隨著GIS技術發展，數字高程DEM數據還能反映蒙陰縣坡度、地表徑流污染源位置、受氣象災害影響嚴重區、植被蓄水導水能力強弱區、土壤松軟程度區、受大氣污染影響區、高山投影嚴重區等，此方法為高山河流復雜區的農業園區選址提供了一種新的思路。

1 研究區現狀

蒙陰縣位于山東省臨沂市中北部，北鄰淄博沂源縣、濟南萊蕪區，南鄰臨沂市費縣，東鄰臨沂市沂南縣，西鄰臨沂市平邑縣，公路運輸發達，鐵路運輸不便。屬于暖溫帶季風大陸性氣候，夏季溫度20～33 ℃，最高可達39 ℃左右，日降水量可達36.5 mm，易發生洪澇，冬季溫度多為-5～5 ℃，最低可達-12 ℃左右，易受寒潮、干旱影響。地形受南邊的蒙山山脈、北邊的新甫山山脈和三大河流（梓河、汶河、蒙河）影響，海拔91～1 073 m，最低處位于垛莊鎮，最高處位于桃墟鄉冷峪頂，山川、丘陵、溝壑縱橫，因高山及丘陵占據全部面積的81%，也造就了蒙陰縣復雜密集的河網系統（圖1）。

2 數據來源

數字高程數據來自地理空間數據云，數據集選用柵格數據GDEMV3 30 m分辨數字高程數據，土地利用現狀數據來自全球30 m地表覆蓋（Globe Land 30）數據集，利用Arcgis與各柵格數據、文本數據結合，進行疊加分析，分等賦值，加權后再次分級，最后進行適宜區分析。為使圖層目標結果圖清晰一致，地理處理時在環境處理中統一使用投影坐標系高斯克呂格投影CGCS2000_GK_Zone_20，數據大多為30 m分辨率，處理范圍為臨沂市蒙陰縣行政區劃矢量圖，柵格分析時像元大小指定為30，按掩膜處理同為蒙陰縣行政區劃矢量圖。主要處理方法為核密度分析、水文分析法、太陽光照輻射法，裁剪、合并、融合、鑲嵌、按掩膜提取、重分類、加權總和。指標因子選取考量其典型性、相對獨立性、穩定性和可操作性［ 2］。需要綜合考慮立地條件、土壤特性、利用狀況、生態環境狀況等因素［ 3-7］。

3 研究方法及結果分析

3.1 水文分析

第一步，提取蒙陰縣數字高程。使用Fill工具統一進行洼地填充，以無洼地進行處理，利用處理好的洼地提取水流方向，水流方向以2的冪次方以左邊方向為起點順時針分布，如2的零次方為1，位于最左邊起點位置，沿著9宮格順時針方向類推，一共0～7次方，8個方向。

第二步，基于水流方向結果計算匯流累積量。原理是每一個數字高程模型所對應的規則格網都會有一個單位的流水量，根據自然規律，水流從高處向低處進行流淌，流過的柵格數量即為每個點流經的水量，當匯流逐漸增多時，就會形成地表徑流，進一步使用柵格計算器提取地表徑流量河網大于500的值，利用柵格重分類，只保存大于500的值，使用河網矢量化工具將大于500的柵格值轉換為矢量。

第三步，采用順流水流方向計算水流長度。是指沿著地面水流方向到出水口的實際距離長度，水流長度對地面徑流速度具有直接關系，對土壤侵蝕力也具有一定的影響，重分類，越長越適宜。

第四步，使用Stream Link工具從水流方向和大于500的河網中提取河流連接柵格。每一種不同顏色線條交接點都是不同河流的起點或終點，研究這些點的位置對于水量和水土流失具有重要意義。使用Strahler分級法對河網進行分級，方法原理是2個1級河網弧段匯聚在一起成為2級河網弧段，以此類推，直到出水口，1級為最低級，數值越大越高，低級的為支流，高級的為主流，將分級后的河網矢量化單獨提取出來，再要素折點轉點得到各級出水口。如圖1所示，各級河流匯集點即為出水口點，這些點反映的是該節點為周圍支流匯流量最大位置，水源最豐富，最適合農業園區選址區域，通過使用歐氏距離法得到距出水口距離空間插值，重分類，越近越好。綜合第三、四步，矢量化分級后的河流弧段，得到共6級河流；6級河流長度約12.44 km、5級河流長度約62.99 km、4級河流長度約94.22 km、3級河流長度約247.55 km、2級河流長度約393.96 km、1級河流長度約939.90 km。

第五步，使用Basin工具提取流域盆地。使用Watershed提取集水流域，流域盆地面積越大，集水流域面積越大，說明此區域匯流水量最大，進行重分類，面積越大越好。流域盆地分布如圖2所示，蒙陰縣主要分為3塊流域盆地，面積分別約為1 126.83、95.09、184.60 km2，流域盆地面積大反映了該區域降水量集中，支流量密集，河流徑流量大，地勢相對平坦，分水嶺的存在限制了河流流向以及流域，因此相鄰流域盆地周邊多為自然災害頻發地段也可通過預測河流流向提前做好防范措施，避免在該地區周圍進行大范圍作業。集水流域分布如圖3所示，集水區域最多的地方位于蒙陰縣最南部，此地隨著高程大小逐漸遞減，整體上自南向北越來越少，單條集水面積最大5.97 km，最小大于1.00 km2的有534條河流。水文地理綜合氣候、地質、地貌、土壤、植被等自然地理要素［ 8］，反映此區域河流或者水系周圍能夠貯集、利用水資源最多，淹沒區域最高的地方往往是氣象災害最少的地方，原因是氣象災害對河流匯水儲水能力具有較大的影響力，因此集水區域越穩定，反映蒙陰縣該區域受臺風、暴雨影響越小，生態越穩定，集水區域大的地方也多為地形坡度平坦區，土壤是水的儲蓄場所，是農作物生長的關鍵因素，集水區域高也能反映該區域土質地適宜、結構穩定、孔隙管道大、植被導水能力強，涵養水源能力強等。

第六步，按比重疊加總和。水流長度重分類0.24、出水口重分類0.33、流域盆地重分類0.17、集水流域重分類0.26，得到水文分析適宜圖。蒙陰縣水文分析評價如圖4所示，水文條件優越的區域整體上分布在河谷地段，西南優勢最高、中部較平均、東北較為劣勢，這是由于西南地區高級河流較多，所覆蓋的集水區域大、盆浴面積大，適宜農業園區選址。

3.2 太陽輻射分析 該方法考慮大氣效應、地點的緯度和高程、坡度和方位、太陽角度的日變化和季節性變化、周圍地形投影所產生的陰影等影響因素，廣泛應用于農業園區選址分析。使用工具Area Solar Radiation選取2021年3—9月08：00～15：00的光照強度，太陽光照強度分布如圖5所示，單位為（W·h）/m2，太陽光照是農作物光合作用的來源，是葉綠素形成的前提，將無機物變成有機物，促進細胞分裂，加快農作物生長。從圖5可知，蒙陰縣中北部光照強度最高，南部部分區域較高，造成同一地區太陽光照輻射強度不一的原因除了云量外，還與海拔有關，海拔越高，影響太陽光線經過大氣路徑，造成大氣光學厚度值變小，輻射越強。在實際應用中可通過對比兩點位置的柵格數量多少，從兩個位置中選出最合適位置。

3.3 坡度分析

利用數字高程提取出坡度，并進行重分類，蒙陰縣坡度評價如圖6所示，最低坡度0°，最高坡度59.28°，呈現出東北部高、中部低、西南高狀態，應充分利用地形特征，因地制宜，在東北部山區密集地帶發展符合當地特征的園地或林地作物，在中部平坦地區發揮機械化優勢，建立大型農業園區，利用現代化技術發展優勢農業，在西南部地區交叉種植適宜作物。

3.4 土地利用分析

重分類30 m遙感數據，蒙陰縣土地利用評價如圖7所示，加入土地利用現狀指標是對結果的一種修正，結合土地利用現狀，對原來的用地位置重新規劃，也為新的結果提供依據，對比水文、光照、坡度條件可知，耕地多分布在河流匯集區、太陽光照強、坡度適宜區，森林多分布在山地但森林覆蓋率明顯不足，草地也多分布在坡度較高地段，并沒有充分利用山體。

3.5 加權分析

將水文分析、太陽輻射分析、坡度分析、土地利用分析按比重加權總和，加權方法采用層次分析法。使用層次分析法具有高度的縝密性、系統性和實用性，是解決龐大系統中多層次、多目標決策問題的有效決策方法［ 9］。專家打分取平均值，并判斷矩陣通過一致性，這種定性與定量結合的辦法，能彌補數據殘缺或不準的不足，使結果更準確。單因子分級如表1所示，水文分析、太陽輻射分析、坡度分析、土地利用分析分別按照0.25、0.21、0.23、0.31權重加權，綜合評價結果按照自然間斷點法分級劃定適宜區等級，進一步修正，去掉重要水庫、國家級水產種質資源保護區等，將禁止開發的劃為最低級。農業園區適宜區分布如圖8所示，適宜面積約207.51 km2，占比約12.93%，主要分布在蒙陰縣西南部垛莊鎮、西北部聯城鎮;比較適宜面積約595.67 km2，占比約37.11%;一般適宜面積約427.93 km2，占比約26.62%;比較不適宜面積約223.28 km2，占比約13.92%;最不適宜面積約150.61 km2，占比約9.42%，主要分布在中部蒙陰街道、東北部岱崮鎮。

4 結論與討論

研究結果對比蒙陰縣實際情況后，適宜區評價結果符合當地結構，并且農用地質量相對較高，說明從水文、太陽日照角度分析方法適宜山區河流復雜區域的農業園區選址工作，并且研究水文地理、合理利用太陽日照對農業生產具有顯著作用，有助于促進農業農村發展。

（1）水文分析預測自然災害，防止危害農業生產。水文分析對農業園區選址評價具有重大意義，河流網絡中反映的是一塊區域內地形、地貌、氣候特征及對未來地表水文的預測，地表徑流污染源的確定，可減少氣象災害對農業造成的影響，在選址前將水文因素考慮其中，可大幅度避免洪澇、干旱發生。

（2）增加太陽日照強度，促進作物生長。日照時數和太陽總輻射變化原因主要有云、氣溶膠、水汽、城市化、太陽自身活動等［ 10］，其中最常見的原因有2種，云層越厚，天氣狀況對太陽輻射的削弱作用就越大，到達地面的太陽輻射點就越小，因而晴朗天氣云層少，太陽輻射到達地面就越多，隨著城市化發展，工業化產生的氣溶膠也對太陽輻射強度有一定影響。齊月等［ 11］還發現太陽日照強度變弱可能與人為活動有關。因此一方面是保護環境，另一方面是改變作物種植方式，采用單作、間作、套種結合方式，搭配不同種植行距，加大農作物對光照強度的截留，充分發揮不同品種作物的特征優勢，如枸杞與胡蘿卜進行間作，提高光合作用利用率，兩種作物發揮互補作用，促進光照存取與吸收。綜上，太陽輻射分析對農業園區選址具有重要作用，可為農業園區提供天然的光照基礎。

參考文獻

［1］王云，梁明，汪桂生.基于ArcGIS的流域水文特征分析［J］.西安科技大學學報，2012，32（5）：581-585.

［2］ 黃麗明，陳健飛.廣州市花都區城鎮建設用地適宜性評價研究：基于MCR面特征提取［J］.資源科學，2014，36（7）：1347-1355.

［3］ 張超，高璐璐，鄖文聚，等.遙感技術獲取耕地質量評價指標的研究進展分析［J］.農業機械學報，2022，53（1）：1-13.

［4］ 沈仁芳，陳美軍，孔祥斌，等.耕地質量的概念和評價與管理對策［J］.土壤學報，2012，49（6）：1210-1217.

［5］ 張蚌蚌，孔祥斌，鄖文聚，等.我國耕地質量與監控研究綜述［J］.中國農業大學學報，2015，20（2）：216-222.

［6］ 孔祥斌，張蚌蚌，溫良友，等.基于要素-過程-功能的耕地質量理論認識及其研究趨勢［J］.中國土地科學，2018，32（9）：14-20.

［7］ 楊建宇，趙龍，徐凡，等.基于耕地連片度的高標準基本農田建設劃區［J］.農業機械學報，2017，48（4）：142-148.

［8］ 劉昌明，劉璇，楊亞鋒，等.水文地理研究發展若干問題商榷［J］.地理學報，2022，77（1）：3-15.

［9］ 李婭，譚秋，王麗雙，等.縣域農業土地利用適宜性評價與優化研究：以山西省原平市為例［J］.中國農業資源與區劃，2022，43（1）：91-99.

［10］ 周秉榮，顏亮東，校瑞香.三江源地區太陽輻射與日照時空分布特征［J］.資源科學，2012，34（11）：2074-2079.

［11］ 齊月，房世波，周文佐.近50年來中國地面太陽輻射變化及其空間分布［J］.生態學報，2014，34（24）：7444-7453.