基于地塊單元的甘蔗種植適宜性評價

謝國雪　曾志康　李宇翔　覃澤林　蘭宗寶　張秀龍　謝福倩　蘇秋群　張家玫

摘要：【目的】對廣西崇左市江州區甘蔗種植適宜性進行評價，為甘蔗產業布局的調整提供科學依據。【方法】基于廣西崇左市江州區2016年甘蔗作物地塊矢量數據，選取土壤、地形、氣象和經濟4個因子共16個評價指標，利用層次分析法及加權指數和模型評價江州區甘蔗種植適宜性，根據評價結果采用GIS技術將甘蔗種植劃分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜區域。【結果】將甘蔗種植最適宜和適宜面積與部分“雙高”基地（高產高糖糖料蔗基地）面積進行比較，結果顯示二者差異較小，評價結果與實際情況基本吻合。崇左市江州區瀨湍鎮甘蔗種植最適宜區面積為3799.80 ha，占最適宜區總面積的36.90%；崇左市新和鎮甘蔗種植不適宜區面積共177.85 ha，占不適宜區總面積的28.84%。【結論】為了科學、合理及有效地利用土地資源，提高甘蔗產量，建議新增“雙高”基地，可調整廣西崇左市江州區甘蔗布局區域向瀨湍鎮、羅白鄉、太平街道、馱盧鎮和左州鎮等地發展。

關鍵詞： 甘蔗；種植適宜性；評價；地塊單元；GIS技術

中圖分類號： S566.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）02-0361-07

Abstract：【Objective】Sugarcane planting suitability evaluation in Jiangzhou district， Chongzuo city， Guangxi provided a scientific basis for adjustment of sugarcane industry distribution for relevant authorities. 【Method】Taking Jiangzhou district， Chongzuo city in Guangxi as an example and selecting 16 evaluation indexes in categories of soil factors， topography factors， meteorological factors and economic factors， analytic hierarchy process（AHP） and the weighted index model were used to evaluate planting suitability based on vector data of sugarcane crop plot in 2016. The sugarcane cultivation areas were divided into the most suitable area， suitable area， suboptimal area and inappropriate area using GIS technology. 【Result】The sum of the most suitable area and suitable area was close to that of high-yield and high-sugar-content sugarcane base， which indicated that the results of the evaluation were in good agreement with the actual situation. The most suitable area for sugarcane planting in Laituan township， Jiangzhou district， Chongzuo city was 3799.80 ha， accounting for 36.90% of the total most suitable area； while the unsuitable area for sugarcane planting in Xinhe township， Jiangzhou district， Chongzuo city was 177.85 ha， accounting for 28.84% of total unsuitable area. 【Conclusion】In order to utilize the land resources scientifically， rationally and effectively， and increase sugarcane production， it is proposed to construct new high-yield and high-sugar-content sugarcane base and adjust the layout area innJiangzhou district， Chongzuo city， Guangxi to townships such as Laituan， Luobai， Taipingjiedao， Tuolu and Zuozhou.

Key words： sugarcane； planting suitability； evaluation； block unit； geographic information system（GIS） technology

0 引言

【研究意義】甘蔗是我國糖料生產的基本原料之一，在國民經濟和食品生產中占據極其重要的地位，其種植面積及產量直接影響糖料生產的穩定性。人多地少、自然災害頻發、甘蔗種植投資大收益小、勞動力成本高、機械化水平低等因素嚴重制約了我國甘蔗產業的發展（覃澤林等，2015）；同時，長期種植單一作物、不合理種植作物、過度使用化學肥料等因素引發了一系列環境問題。因此，科學評價甘蔗種植適宜性，不僅能夠為有關部門調整甘蔗種植布局提供可靠數據，還對于解決人地矛盾、合理利用土地資源、提高甘蔗產量、改善環境具有重大意義。【前人研究進展】至今，國內外學者已就不同作物種植適宜性進行了評價。何鵬等（2013）運用層次分析法確定各評價因子的權重，對宜賓市早茶種植生態適宜性進行綜合評價并提供茶業資源的合理分配與規劃；葉延瓊等（2013）應用GIS技術與層次分析法，對廣東省水稻進行種植適宜性評價，并運用特爾菲法和專家咨詢法選取各生態因子評價指標，從地形因素等9個指標評價廣東省水稻種植生態適宜性程度；Bagherzadeh和Daneshvar（2014）根據糧農組織在伊朗東北部Khorasan-Razavi 39個平原上的土壤評估框架，選定作物的氣候和土地質量因子，基于多標準方法參數法對小麥、玉米作物進行土地種植適宜性評價；Manandhar等（2014）通過研究尼泊爾西部卡利甘達基流域的山區蘋果栽培的生物物理和社會經濟適宜性，從主要和次要來源收集必要的數據和信息，使用可變和相等權重的指標評價蘋果種植適宜性；王路明等（2014）以陜西省定邊縣為例，通過野外采集數據和綜合分析，運用GIS技術將土壤圖、土地利用現狀圖和行政區劃圖疊加確定評價單元，綜合層次分析法與模糊評價法對土壤質地、立地條件等因子進行評價，分析影響該地區種植玉米的主要因素；王麗等（2016）運用模糊數學與生態位對江蘇省的冬小麥進行種植適宜性評價，選取影響小麥種植的主要氣象（降水、日照時數等）和土壤質地（有機質、氮磷鉀含量等）生態因子建立適宜度模型，結合GIS空間分析和空間插值，計算江蘇省冬小麥種植適宜度并進行等級劃分；Yalew等（2016）從全球數據、文獻綜述和現場調查確定農地適宜性評價指標，運用層次分析法和GIS計算埃塞俄比亞的Abbay盆地農業的最適宜和次適宜區。分析前人研究發現，綜合使用GIS技術、層次分析法、數學模型及模糊評價等方法評價作物種植適宜性更具科學性和準確性，而選取評價指標的全面性、合理性是評判評價結果可靠與否的關鍵所在。【本研究切入點】現有的文獻中評價甘蔗種植適宜性的研究報道甚少。【擬解決的關鍵問題】基于廣西崇州市江州區2016年甘蔗種植地塊數據，選取土壤（土壤類型、pH、有機質、全氮、有效磷、速效鉀）、地形（高程、坡度、坡向）、氣象（年降雨量、年積溫、日照時數）及經濟（道路、水域、村莊、糖廠）4個因子共16個評價指標，利用層次分析法及加權指數和模型評價適宜性，根據評價結果采用GIS技術將甘蔗種植劃分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜區域，并評估非甘蔗種植區的甘蔗種植適宜性，為有關部門調整甘蔗產業布局提供科學依據。

1 數據來源及研究方法

1. 1 研究區概況

江州區位于廣西崇左市中部，東連扶綏、西接龍州、南靠寧明、北鄰大新，地處北回歸線以南，屬亞熱帶季風氣候區，年平均年平均氣溫21.0～22.3 ℃，年平均降雨量1150 mm，年平均日照時數1634.4 h。其優越的自然條件適合農業生產，主要農作物有甘蔗、水稻、木薯、香蕉、柑橙和紅瓜子等。境內土壤類型有水稻土、磚紅壤土、石灰巖土、紫色土、沖積土和沼澤土，磚紅壤所占比例較大，耕地土壤pH偏酸性。

1. 2 數據來源

采集數據包括：①利用多時相GF-1影像上獲取的2016年研究區農作物地塊（包括香蕉、玉米和木薯等作物，已剔除水稻和甘蔗）、甘蔗作物地塊及水域、村莊、道路、糖廠等的矢量數據；②由廣西崇左市農業局提供的2011年研究區土壤相關專題圖（包括土壤類型、pH、有機質、全氮、有效磷、速效鉀）及2014～2016年研究區的“雙高”基地（高產高糖糖料蔗基地）矢量數據；③《崇左市統計年鑒（2011～2015年）》中有關氣象數據（包括年平均降雨量、年平均日照時數、年累積積溫等）；④30 m的DEM（數字高程模型）數據。

1. 3 研究方法

1. 3. 1 數據處理 由于土壤因子相關信息僅獲取了圖片格式的專題圖，本研究以面向對象分類方將專題圖中不同內容進行提取，將矢量信息轉換為點信息，在此基礎上人工加密樣本點，進而在ARCGIS 10.3平臺上利用最鄰近加權法內插計算獲得土壤因子柵格數據。該方法能夠保證樣本點自身值不變，根據距離權重內插計算未知點值。同理，氣象數據根據各鄉（鎮）點值內插計算生成氣象因子柵格數據。坡度和坡向分別基于DEM利用ARCGIS 10.3平臺的Slope、Aspect工具計算生成求取。

1. 3. 2 評價因子 甘蔗作物原產于熱帶和亞熱帶地區，整個生長過程需要較高的溫度和充沛的雨量，具有喜高溫、耗水量大、吸肥多等特點（李楊瑞，2010），雖然其對土壤類型無過多要求，但土壤pH及有機質、氮、磷、鉀含量對其生長具有重要影響。本研究根據甘蔗作物生長的特性，結合研究區實際情況及現有的資料，從自然條件和社會經濟條件兩大方面綜合評價甘蔗種植適宜性，其中，自然條件包括土壤因子（土壤類型、pH、有機質、全氮、有效磷、速效鉀）、地形因子（高程、坡度、坡向）和氣象因子（年降雨量、年積溫、日照時數），社會經濟條件用經濟因子表示，包括道路、水域、村莊和糖廠等因素。

1. 3. 3 因子權重計算及檢驗 本研究使用層次分析法計算評價指標的權重值，以土壤因子、地形因子、氣象因子和經濟因子構建準則層，以具體細化的16個評價指標建立子準則層，最后構建層次結構模型（圖1）。

根據層次結構模型構建判斷矩陣，聘請有關專家對準則層的因子進行權重打分，以專家打分值的眾數作為該因子的得分值，利用方根法計算各指標權重值；分別利用一致性指標（CI）和判斷矩陣的隨機一致性比例（CR）檢驗判斷矩陣的一致性及一致性的滿意程度，當CI=0時，說明判斷矩陣具有完全的一致性，值越大反映判斷矩陣一致性越差，當CR<0.100時，說明判斷矩陣具有令人滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣，重新計算。CI和CR的計算參考徐建華（2002）的方法。

1. 3. 4 加權指數和模型評價適宜性 甘蔗種植適宜性區域劃分選擇加權指數和模型評價因子的適宜性，其實質是將評價因子各指標權重累加求和的過程，并依據求得的評價因子總分值進行適宜性等級劃分，表達式如下：

S=WiPi

式中，S為評價因子的綜合分值，Wi為第i個評價因子得分值（無量綱），Pi為第i個評價因子權重，i為評價因子編號，n為評價因子數量。S越高說明對應的地塊越適宜種植甘蔗，反之則不適宜。

2 結果與分析

2. 1 權重與檢驗結果

本研究根據層次結構模型建立了5個判斷矩陣，并計算各矩陣中各指標重要性次序的權重值（層次單排序），同時要求各判斷矩陣通過一致性檢驗，且均具有令人滿意的一致性。如表1所示，所有的判斷矩陣均通過一致性檢驗，說明判斷矩陣構建符合要求，計算的層次單排序結果可用于計算層次總排序。層次總排序實際是利用準則層和子準則層的權重，計算子準則各因子的重要性排序（權重），即子準則層與準則層的權重乘積和。層次總排序計算得到的權重之和為1。層次總排序及一致性檢驗結果如表2所示。

2. 2 評價指標閾值與分值

本研究將甘蔗種植適宜程度劃分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜區，根據專家對指標體系范圍值劃定及4個適宜區打分結果，參考《現代甘蔗學》（李楊瑞，2010）、《云南高原特色甘蔗產業發展與技術戰略研究》（張躍彬等，2013）及相關學術論文（劉建波等，2009），結合甘蔗生長所需條件，最終確定各評價指標的適宜性閾值及分值（表3）。本研究將評價指標閾值劃分為4個等級，并以2、4、6和8分評定閾值重要性，即最適宜種植甘蔗的閾值得分（8分）最高。在最適宜區等級內的16個評價指標閾值均滿足最適合種植甘蔗的要求，如pH為6.50～7.50，則極利于甘蔗生長，pH過高或過低將抑制甘蔗生長。土壤因子、地形因子和氣象因子的閾值劃定嚴格按照甘蔗生長所需自然條件要求進行細分，經濟因子則根據研究區實地情況完成劃分。

2. 3 甘蔗種植適宜性評價結果與檢驗

2. 3. 1 評價結果 本研究在ARCGIS 10.3平臺的Model模塊上，將評價指標統一轉換為無量綱柵格數據，進而根據加權值指數和模型計算結果評價甘蔗種植適宜性。由圖2可知，最適宜區分布較集中，主要分布在瀨湍鎮、羅白鄉和太平街道；適宜區面積最大，分布相對較均勻，其中馱盧鎮、左州鎮和太平街道所占面積較多；次適宜區主要集中在左州鎮和新和鎮；不適宜區面積極少，主要位于左州鎮、新和鎮和羅白鄉。

2. 3. 2 評價結果檢驗 為驗證上述評價結果的準確性，隨機選取崇左市江州區10個“雙高”基地作為樣本。“雙高”基地多建設于地勢平坦、甘蔗成片種植且產量較高的區域。分別以10個“雙高”基地邊界為范圍，統計該范圍內的最適宜及適宜區面積，進而比較“雙高”基地面積和評價結果總面積。由表4可知，“雙高”基地甘蔗種植面積和最適宜區及適宜區面積總和極為相近，說明本研究結果較可靠，評價結果可進一步用于指導甘蔗產業規劃。

2. 4 江州區甘蔗產業布局合理性分析結果

2. 4. 1 甘蔗生產布局合理性分析 根據崇左市江州區2016年甘蔗種植適宜性評價結果（圖2），對4個適宜區評價面積進行統計，最適宜、適宜、次適宜和不適宜區面積分別為10297.71、42705.42、19791.80和616.75 ha，最適宜區和適宜區面積占甘蔗種植總面積的72.20%，說明江州區甘蔗布局基本合理。分別統計各鄉（鎮）最適宜區和適宜區的評價結果，可得知瀨湍鎮、太平街道、羅白鄉和馱盧鎮的甘蔗種植最適宜區面積較大，分別為3799.80、1871.52、1773.49和906.45 ha；馱盧鎮、太平街道、左州鎮、新和鎮、瀨湍鎮和江州鎮的甘蔗種植適宜區面積較大，分別為8717.45、6693.17、5689.72、5087.87、4621.65和4523.38 ha。因此，新增“雙高”基地可向這些區域發展。

2. 4. 2 產業布局調整建議 為促進甘蔗產業的可持續發展，科學調整甘蔗產業布局，改善不科學種植引起的環境問題，本研究對2016年崇左市江州區甘蔗種植適宜性評價的不適宜區域進行統計，記錄主要涉及的村莊（表5）。種植不適宜區域大多存在坡度過大、道路交通不便利、土壤貧瘠等現象，有關部門應當積極引導農戶退耕還林或改種果樹，避免不科學種植引起滑坡災害。如表6所示，本研究利用甘蔗適宜性評價模型評價耕地地塊（種植非甘蔗作物）的甘蔗種植適宜性，統計出最適宜和適宜區面積，列舉出涉及的主要村莊。由于長期種植甘蔗作物容易引起土地疲勞，本研究成果為規劃輪耕區域指明了方向，新增或規劃輪耕區域可向瀨湍鎮、羅白鄉、馱盧鎮、左州鎮、那隆鎮等區域發展。

2. 4. 3 發展甘蔗機械化作業 崇左市江州區屬于廣西甘蔗種植重點區域，為提高工作效率，減少勞動力和資金投入，有關部門及企業應當大力推進甘蔗種植、管理、收割、裝載、加工機械化作業，以促進農戶種植甘蔗的積極性，提高甘蔗產業競爭力。一般認為甘蔗種植地0～6°屬于緩坡耕地，適合發展大型機械；6～15°屬于中坡耕地，通過坡改梯拓寬耕地面寬達7～10 m的條件下，可發展中小型機械化（張躍彬等，2013）。目前，崇左市江州區甘蔗種植分布在以上兩種坡度區域的面積較多（1）<6°甘蔗種植面積為34550.76 ha，占其種植總面積的47.06%，其中，馱盧鎮、太平街道、左州鎮、瀨湍鎮、新和鎮、羅白鄉、江州鎮、板利鄉和那隆鎮的種植面積分別為6151.81、5250.70、4644.10、4527.34、4059.26、3629.82、3389.01、1898.13和1000.59 ha，主要涉及渠立村、灶瓦村和渠邦村等32個村莊；（2）6～15°甘蔗種植面積為32164.99 ha，占其種植總面積的43.82%，其中，馱盧鎮、新和鎮、江州鎮和左州鎮所占比例較大，分別為4693.43、4590.29、4355.84和4186.14 ha，主要涉及灶瓦村、渠邦村和逐盎村等35個村莊。統計結果表明，崇左市江州區具有較大發展機械化作業的潛力，提高機械化水平對于甘蔗產業發展具有積極的促進作用，應當列入甘蔗產業規劃的重要內容當中。

3 討論

目前，國內已有學者就甘蔗種植適宜評價進行研究，如劉建波等（2009）以14個氣象站點1971～2005年實測資料，評價海南甘蔗種植的氣候適宜性；古麗等（2011）研究了廣西南寧蔗區氣象與產量的關系，結果表明大氣濕度降低將導致甘蔗產量下降；王飛和邢世和（2012）以GIS技術與數據模型集成的方法，根據68個氣象站地理位置及近30年氣象要素觀測資料對福建省甘蔗氣候適宜性進行評價。這些學者的研究結果表明氣候因素對甘蔗的生長具有較大的影響。本研究與上述研究具有相同觀點，認為氣象因子是評價甘蔗種植適宜性必不可少的評價指標，并結合土壤、地形和經濟等多方面因素綜合評價種植適宜性，其評價指標更加全面、科學。另外，本研究對象以地塊為單元，做到了精細化；利用評價結果與“雙高”基地面積進行比較，以進一步驗證評價結果的準確性。但本研究未能利用近30年的氣象數據完成評價，雖然崇左市江州區氣候條件較符合甘蔗作物生長，但數據收集的不完整性，同樣會對評價結果的準確性產生一定影響，因此，后期需增加氣象數據的收集，提高氣象因子的準確度。

本研究評價指標的權重采用層次分析法進行計算，該方法已被許多學者應用于多領域進行評價研究，如趙建軍等（2012）利用層次分析法計算評價耕地質量指標權重值；馬麗麗等（2013）對昌平地區建筑用砂礦區進行環境評價，利用層次分析法計算6項指標權重值；莊倩（2016）基于AHP法對江蘇省高標準農田綜合生產能力進行了評價。以上學者的研究成果說明層次分析法用于適宜性評價具有可行性，其能夠將復雜問題層次化、簡單化，因此受到廣大學者青睞；但構造的判斷矩陣分值主要取決于有關專家的經驗，存在一定的人為因素，為了提高結果的準確性，減少人為因素，后期需要在專家打分的基礎上進行實地檢驗，確定評價指標的分值。

4 結論

為了科學、合理及有效地利用土地資源，提高甘蔗產量，建議新增“雙高”基地，可調整廣西崇左市江州區甘蔗布局區域向瀨湍鎮、羅白鄉、太平街道、馱盧鎮和左州鎮等地發展。

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（責任編輯 鄧慧靈）