基于ＧＩＳ和ＮＦＭ的江西省土地茶葉種植適宜性評價

陳蕾　郭熙

摘要：在考慮區域自然氣候、地理環境以及茶葉生長規律的基礎上，選擇立地條件、土壤條件、理化性狀、土壤管理等4個方面的11個因子作為評價指標，運用生態位適宜度模型，通過層次分析法確定權重，對江西省土地茶葉種植適宜性進行評價。結果表明，江西省生境條件整體較好，茶葉的種植以高度適宜和較適宜兩級為主，分別占到44.72%和38.23%，主要分布在一些位于水域周圍的低海拔山脈以及緩坡丘陵處;而不適宜區和勉強適宜區分布區域較少，分別約占16.94%和0.11%，主要分布在海拔較高、土質較差、土層營養含量較低處。

關鍵詞：江西省;GIS;生態位適宜度模型;茶葉;適宜性評價

中圖分類號：P208;S571? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）22-0083-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.019? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Suitability evaluation of land tea planting in Jiangxi province based on GIS and NFM

CHEN Lei1，2，GUO Xi1，2

（1.College of Land Resources and Environment，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China;

2.Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province，Nanchang 330045，China）

Abstract： Considering the regional natural weather， geographical environment and tea growth rule， on the basis of the choice of site conditions， soil conditions and physical and chemical properties， soil management and so on four aspects of the 11 factors as evaluation indexes， niche-fitness model was used to determine the weight by analytic hierarchy process and evaluate the suitability of tea planting land in Jiangxi province. The suitability grade of tea was mainly high and relative suitability， accounting for 44.72% and 38.23% of the cultivated area， respectively， which is mainly distributed in some low-elevation mountains and gentle hills around the water area. The unfitted area and the barely suitable area were less distributed， accounting for about 16.94% and 0.11%， respectively， mainly distributed at higher altitude， poor soil quality and low soil nutrient content.

Key words： Jiangxi province; GIS; niche-fitness model; tea; suitability evaluation

如何合理利用土地和因地制宜地發展區域特色產業，最終實現土地資源的優化配置，已經成為當今土地可持續利用背景下的關鍵問題。為了讓有限的土地資源得到充分合理的利用，進行土地資源的優化配置是必不可少的，而這一過程的關鍵就在于作好土地的適宜性評價，實現自然生態與社會經濟目標的和諧統一。

近年來有學者在進行作物適宜性評價時引入生態位適宜度模型（Niche-fitness Model，NFM）的概念，現在其被越來越廣泛地應用于各種用地的適宜性評價中。歐陽志云等[1]是國內較早將生態適宜度模型引入到土地利用適宜性評價中的;之后多位學者將生態適宜度應用到適宜性評價中，于婧等[2]應用生態位適宜度理論定量探討漢江平原多種農作物的生態適宜度，并由此提出了發揮最大資源優勢和獲取最高經濟收益方案下各評價單元的最優推薦輪作模式;李晉明等[3]基于GIS結合生態位適宜度的分析法對鄱陽湖進行經濟林地的適宜性評價，為經濟林產業的結構布局進行優化調整。目前對評價單元進行網格化細分的研究比較少，尤其是在省域尺度上，而多數學者側重于小尺度。

基于此，本研究以江西省為研究對象，將評價區域劃分為13萬個1 000 m×1 000 m的網格，采用GIS和NFM對研究區茶葉種植的適宜性進行評價，科學合理地優化當前茶園的布局，為江西省茶葉產業發展帶來更大的經濟效益。

1? 研究區概況

江西省位于北緯24°29′14″—30°04′41″，東經113°34′36″—118°28′58″，地形主要以丘陵和山地為主，兩種地形約占江西全省面積的3/4。羅霄山、武夷山、南嶺、懷玉山、九嶺山脈等五大山脈及其支脈貫穿其中，氣候濕潤，云霧繚繞，陽光的散射作用強，得天獨厚的氣候條件與優勢的地形條件為茶葉的生長提供了良好的環境。

根據江西省統計年鑒（2011—2017年）茶葉相關資料統計，2010—2015年江西省茶葉產量由2.98萬t增加到5.18萬t，年均增長11.69%。2016年江西省茶葉產量達到5.75萬t，相比2015年茶葉產量增長率達10.90%。2016年江西省茶園面積達到9.00萬hm2，較2015年面積增長了5.88%。在全省茶園面積和茶葉總產量增幅的背景下，農民收入也得到了較大程度的提高，茶葉種植收入成為當地農民的重要經濟來源。江西省政府將茶產業作為“十大農業支柱”產業[4]，致力于茶葉產業的創新，茶葉產業也逐漸在江西省經濟發展的進程中越來越具有難以小覷的地位。

2? 研究數據與方法

2.1? 生態位適宜度模型（NFM）的應用

生態位（Niche）[5]最早被定義為生物棲息地所占據的單元，后續在Hutchinson的“n維超體積”生態位概念的基礎上生態位適宜度（Niche-fitness）開始發展起來，其指生物現實資源位與其最適生態位之間的匹配程度，用于表征生物對其生境條件的適宜程度。生物生長對資源環境的需求可以分為以下3種類型[1]：

第1類是資源必須滿足生物生長的最低要求，而且在此基礎上越豐富越好，具體例如土壤中有機質的含量以及有效的土層厚度。第2類是資源可供給的范圍有一個適宜區間，不能低于下限值同時也不能高于閾值，資源供給過多或者過少都會成為生物生長限制性因素，在此區間內有一個資源的最適值，例如pH。第3類資源現狀值則是越低越好，例如土壤侵蝕等。當現實資源完全滿足生物生長所需時，其生態位適宜度為1，反之當現實資源完全不能滿足生物生長所需時，其生態位適宜度為0。通過生態位適宜度可以直觀地反映現實資源位和所需求資源位之間的耦合程度。

當然存在部分資源類型適宜度難以用連續的數值來表達，對于這類資源只能依據間接的方法或直接的經驗進行判斷。例如土壤的質地、灌排條件這類資源類型，在種植時壤土為最好、沙壤次之、黏壤勉強適宜、黏土不宜等，其生態位適宜度可以分別用1.00、0.75、0.50、0來表示，同理灌排條件一級、二級、三級其適宜度可以分別用1.00、0.70、0.50來表示。而其他有具體值的因子的適宜度可以通過以下數學模型計算[6]：

式中，Xi為第i種因子的生態位適宜度;Si為第i種因子的實測值;Di opt為第i種因子的最適宜值;Di min為第i種因子適宜區間內的最小值;Di max為第i種因子適宜區間內的最大值。

生物資源需求的生態位是由多種資源構成的多維空間，因此一種生物的生態位指數受到多種單個資源的綜合影響[7，8]。以茶葉為例，其種植適宜性是多種因子協同作用的結果，包括土層厚度、pH、海拔高度等，這些因子的實測值構成了茶葉的一個現實資源位，將各因子實測值記作x1，x2，x3，…，xn用Xi=（x1，x2，x3，…，xn）表示茶葉一個現實資源位;因此，與茶葉生長需求相關的全部資源X構成n維資源空間中的一個“超體積”（En），其中存在某點Xk=（x1k，x2k，…，xnk）達到該生物需求的最佳需求，則Xk為該生物的最適生態位。則生態位適宜度NF=Φ（Xk，Xi），其中，Xk，Xi∈En;Φ（Xk，Xi）表示Xk和Xi的貼進度，NF∈[0，1]，NF越大表示其生態位適宜度越高，反之則越低。計算NF的數學模型有多種，根據本次茶葉適宜性評價的需求，采用加權平均的方法計算匯總NF：

式中，i=1，2，3，…，n為評價單元數量，j=1，2，3，…，m為評價因子數量，Wj為評價因子權重，Xij為評價單元i第j個評價因子的生態位適宜度，NFi為評價單元i的生態位適宜度指數。

2.2? 劃分定級單元

定級單元是茶葉適宜性級別評定的基本空間單位，也是各定級因素分值計算的基礎。單元劃分與指標取樣正確與否直接影響到茶葉適宜性級別界線的劃定。研究在劃分評價單元時采用單元網格法，利用ArcGIS軟件平臺數據管理模塊（Data management）中的創建漁網工具（Creat fishnet），將江西省農業生產空間評價劃分為13萬個1 000 m×1 000 m的網格（在16萬個網格單元的基礎上除去了非農業空間、不宜農作區以及水域）。利用網格法也保證了單元內土地質量相對均一性，為茶葉適宜性評價結果的科學性、精確性和可操作性奠定了基礎。

2.3? 選擇評價因子并確定權重及最適值

影響茶葉適宜性的因子有很多，但只有最具有穩定性和主導型的因子能夠反映評價區內土地適宜性的差異，在全面分析江西省農業用地的自然環境狀況以及用地特點后，結合茶葉種植的相關特點，結合特爾菲法（Delphi）和層次分析法（AHP）建立層次結構模型，構造相應的權重判斷矩陣，最后得到江西省茶葉適宜性評價因子層次結構以及評價因子的權重體系（表1）。對于茶葉而言，影響其生長的各個指標有一個最適生態位值或者最適區間，參照FAO土地適宜性評價的原則，考慮到江西省茶葉生長的實際情況[3，9]，結合相關農業資料、專家建議，最終確定最適值如表1所示。

2.4? 茶葉生態位適宜度計算

1）在ArcGIS 10.5中將已經處理好的各個評價因子的屬性數據鏈接到空的漁網上，包括地形數據（坡度、海拔、坡向），土壤數據（全氮、全鉀、全磷、有機質、pH、土層厚度、土壤質地）以及灌溉分區數據。其中，地形數據由江西省海拔高程空間分布數據提取;土壤數據來源于2012年測土配方施肥數據;灌溉分區數據來源于江西省農用地分等專題調查數據。

2）在鏈接好各因子屬性值的漁網里創建新字段Xj（單因子j因子的適宜度），用字段計算器計算各個因子的生態位適宜度，具體按照適宜度的式（1）、式（2）、式（3）的要求，根據實際情況將茶葉指標體系中各個評價因子進行分類，利用其對應的數學模型計算單個因子對應的適宜度。

3）在屬性表中創建新字段NF（代表評價單元i的生態位適宜度），應用字段計算器對各個評價因子的適宜度按照其相應的權重進行總分值的計算，將得到的總分值賦給NF。

4）得到相應的生態位適宜度指數后，根據聯合國糧農組織（FOA）規定的土地評價綱要標準中所確定的評價體系，采用自然斷點法通過ArcGIS的柵格重分類（Raster classification）功能自動化分為4級，整個評價體系中可將各作物適宜性等級分為4個等級：高度適宜、較適宜、勉強適宜、不適宜，將得到的結果進行圖面整飾，添加比例尺、圖例等要素，輸出江西省茶葉適宜性評價結果。

5）最后利用ArcGIS提供的空間統計功能中的實用工具計算出相應的面積以及所占的比例大小。

3? 結果與分析

3.1? 茶園適宜性面積統計與空間分布

由表2可知，江西省茶葉適宜性分區分為高度適宜、較為適宜、勉強適宜和不適宜4個等級。其中高度適宜區面積為598.00 km2，占可種植區的44.72%;較適宜區面積為511.23 km2，占可種植區的38.23%，高度適宜區面積和較適宜區面積較大，達到了1 109.23 km2，占江西省可種植區域的82.95%，而不太適宜區面積僅占到17.05%，由此顯示江西省整體茶葉適宜性程度較高。從圖1可以看出，江西省大部分茶葉適宜性較高的區域分布在沿水域的山體周圍，勉強適宜區較為零散的分布在江西省的各個區域，原因是只有在臨近水域一定高度的山體周圍，才易出現云霧多、空氣濕度大、漫射光強的情況，這對茶樹生育有利，因而高山出好茶。

3.2? 茶葉種植適宜性分析與建議

1）高度適宜區。主要分布在靠近水域的低山，土壤質地大多屬于壤土，土壤酸堿度適宜，同時擁有良好的地質形態以及豐富的有機質及其他養分，光照條件和水分情況相比其他地方較為優越，形成了云霧繚繞的自然狀態，漫射光強，是茶葉種植的最適宜區域，可實現穩定的茶葉產量，憑借先天自然條件，在投入成本較少的情況下可以帶來較大的經濟效益。對于這些地區可以集中發展茶葉種植產業并且實現統一的管理，加大科技投入力量，實現機械化水平，提高經營管理水平，從而提高茶葉產業的經濟效益[10]。

2）較適宜區。主要分布在離水域較遠的緩坡丘陵、低山，在此類地段，分布較為零散。影響茶葉栽培的主要不利因素是水分，由于遠離河流流域，空氣濕度不太大，光照漫射作用較弱;其次是土壤狀況，土層營養物質含量較低。對于這些地區，應大力加強植物綠肥增強有機肥，改善土壤的營養成分以此來消除茶葉生長的不利因素。

3）勉強適宜區。廣泛分布于高海拔山區附近，不宜進行耕種，土質大多屬重壤，沙土、黏土，土層多礫石，而不是利于茶葉生長的壤土，土壤肥力保持能力較弱，種植茶葉的適宜性較差，只能說勉強適宜茶葉的種植，帶來的經濟效益很低。在這些地區可以在維持生態平衡的情況下，適當增加施肥以促進土壤的肥力，保持水土，提高茶葉產量和品質。

4）不適宜區。在江西省種植茶葉的不宜區域較少，主要分布在水域附近，易遭受到河水的沖刷，導致土壤侵蝕造成的土層肥力差，土壤的穩定性差，很難滿足茶樹正常生長要求，對于此類地區不要進行茶葉產業的發展，否則投入所需會遠遠超過收益所得，還有可能會破壞原有的生態環境。

4? 小結與啟發

4.1? 小結

1）研究區域內生境整體環境較好，土壤養分含量較高，水分充足，土壤有效層厚，整體上來看對于茶葉種植的適宜性較強，各單元對茶葉的適宜性主要以高度適宜和較適宜為主，適宜種植區域面積達1 109.23 km2，不太適宜區面積較小，僅為228.07 km2，可適當施肥改善勉強適宜區的肥力，挖掘茶葉種植的潛力區。

2）與傳統的評價方法相比，生態位適宜度模型更加重視生物生長所需資源與現實生態資源的耦合程度，具有明確的生態意義，使得評價要求更加具有目標性和準確性，且通過因素疊合模擬，層次模型比較，降低了傳統評價過程中的主觀性，保證了評價結果的客觀性和科學性，但是目前來看該模型的完善還依賴于資源定量化評價的發展。

4.2? 啟發

1）在進行江西省茶葉產業評價指標體系構建時，僅考慮到了一些自然因素從而構建了茶葉適宜性評價的指標體系，而在真正的實踐分析中，這些因素不能全面地反映茶葉的適宜性，評價指標體系中還應包括更多的經濟和社會因素，這樣才能更加合理地反映實際情況，因此在此方面要開展更多相關學科資料的研究，完善現有指標體系，使得評價結果更加符合生產實踐。

2）生態位適宜度模型的應用還不夠成熟，尤其體現在最適值的確定對研究者的專業素養要求較高，在此過程中又存在一定程度上的主觀性，后續應該在實際工作中進行進一步的研究和大量數據的檢驗，構建更為合理的生態位適宜度模型，優化現有的模型。

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