基于GIS的一季稻縣級精細化區劃

王銳婷 鄒雨伽 張玉芳

摘要：以四川省旺蒼縣為代表，基于旺蒼縣及周邊共30個氣象臺站1980—2018年氣象數據、旺蒼縣1 ∶ 25萬地理信息數據和數字化土壤圖，通過分析旺蒼及周邊區縣一季稻氣象產量與各生育期氣象條件關系，結合生產實際選取4個氣候因子、3個地形因子，1個土壤因子作為生態區劃指標進行旺蒼縣一季稻種植區劃。結果表明，旺蒼縣一季稻種植適宜區、次適宜區、不適宜區面積分別占縣域面積的33.96%、40.34%、25.70%，其中一季稻種植適宜區主要分布于東西向槽谷帶及東北西南向分布的正源鄉、英萃鎮、檬子鄉等部分低海拔地區，可利用這部分區域氣候資源、地形資源及土壤資源優勢，提高水稻種植水平，發展水稻現代化生產。

關鍵詞：一季稻;種植區劃;氣候因子;地形;土壤

中圖分類號： S127 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）15-0273-08

水稻是四川省旺蒼縣糧食生產主導產業之一，該縣常年水稻生產面積約0.87萬hm2，產量約6.8萬t[1]，但因旺蒼縣地形復雜，境內氣候差異大，水稻現代農業項目的開展推進受到了限制。作為因地制宜配置農業生產布局的科學依據，通過對氣候資源分析評定及分區描述，農業氣候區劃是保證農業生產高產穩產的關鍵[2-3]。前期農業氣候區劃研究主要通過包括聚類分析法、最優分割法、線性規劃法、模糊數學法和灰色系統關聯分析法等的數理方法開展[4]，現今隨著遙感及3S等技術的發展應用，區劃方法更加多樣，區劃精度也得到了極大提高。當前關于水稻種植的農業氣候區劃已有較多研究，杜朝正依托GIS技術對中國水稻產量時空變化進行了研究[5]。楊沈斌等分別利用模糊數學分層聚類方法和最大熵模型研究模擬了我國水稻種植分布[6-7]，張曉梅等分別就西南單季稻區、蘇皖鄂地區一季稻開展了較大片區的區劃[8-9]。相關學者針對不同?。ㄊ校┑貐^的水稻區劃也基于不同方法開展了眾多研究[10-17]。目前，水稻區劃研究多是針對省（市）一級，用以指導縣一級水稻生產布局較為粗糙。同時前人水稻種植區劃研究主要針對氣候因子，缺少影響作物生產的土壤因素的考慮，且隨著農業生產機械化發展，地形因子也是農業規范化生產需要考慮的重要一環。

本研究以四川省旺蒼縣為例，結合數理統計方法，綜合考慮氣象、土壤、地形對旺蒼一季稻生產的影響，構建旺蒼縣一季稻種植區劃指標，基于GIS平臺開展旺蒼縣一季稻種植區劃研究，旨在為旺蒼縣水稻產業布局及發展提供參考建議。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

旺蒼縣坐落于四川盆地北緣（105°58′24″～106°46′2″E，31°58′45″～32°42′24″N），海拔380～2 281 m，行政區域面積2 987 km2。旺蒼縣地形地貌復雜，高度懸殊，地勢北高南緩，腹部低平。其中部為河谷走廊，有一條東西走向的槽谷地帶橫貫全境;北部屬高寒山區，喀斯特地貌特征明顯;南部屬中山區，崇山突兀，壑谷縱橫。旺蒼氣候溫和，屬亞熱帶濕潤季風氣候，垂直氣候明顯，氣溫年、日差較小，四季分明。年平均氣溫為16.2 ℃，年平均降水量為1 136.1 mm，雨量充沛但時空分布不均，年平均無霜期為262.5 d，年平均日照時數為1 321.6 h。

1.2 數據資料來源

氣象資料取自旺蒼縣及周邊市（縣）共30個氣象站點1980—2018年逐日觀測數據，包括日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、日照時數、雨日數、降水量及各站點經度、緯度、海拔等地理屬性數據。一季稻生產數據包括旺蒼縣及周邊青川縣、蒼溪縣、劍閣縣4個站點1980—2017年產量數據及生育期觀測數據，其中產量數據來自《四川省統計年鑒》，一季稻生育期觀測數據來自《四川省農業氣象觀測檔案》。地理信息數據從四川省地理信息中心提供的 1 ∶ 25 萬數字高程模型（DEM）提取，土壤數據取自《旺蒼土壤》，通過ArcGIS平臺進行柵格化處理。

1.3 數據處理

根據水稻生育期觀測資料，將旺蒼縣一季稻全生育期劃分為5個主要生育階段（表1），并計算各生育階段對應氣象要素值。為消除造成作物產量波動，如品種特性、農業生產技術改變等非氣象因子的影響，本研究通過5點滑動平均法提取氣象產量并在此基礎上展開研究[18]。

1.4 指標確定

1.4.1 一季稻種植氣候指標 對旺蒼縣及青川縣、蒼溪縣、劍閣縣一季稻氣象產量及對應生育期氣象要素進行相關分析。分析結果（表2）表明，旺蒼縣一季稻氣象產量與拔節—孕穗期、孕穗—抽穗期平均氣溫、最低氣溫及最高氣溫均呈負相關，與抽穗—成熟期呈正相關，但除拔節—孕穗期平均氣溫及最高氣溫外均未達到顯著水平。此外，與氣象產量呈顯著正相關（P<0.05）的氣象要素有分蘗—拔節期雨日數及拔節—孕穗期降水量;拔節—孕穗期日照時數及抽穗—成熟期降水量、雨日數與一季稻氣象產量呈顯著負相關（P<0.05）。

與旺蒼縣一季稻氣象產量呈顯著相關的氣象因子共有7個，為簡化氣象指標數量，通過主成分分析提取出2個綜合能反映氣象條件對一季稻產量的影響的主成分（表3），累積方差貢獻率為77.296%。

從表4可以看出，第1主成分主要反映水稻生產拔節—孕穗期的熱量條件，其影響程度由大到小依次是拔節—孕穗期最高氣溫、拔節—孕穗期平均氣溫、拔節—孕穗期日照時數;第2主成分綜合反映抽穗—成熟期的降水情況，其影響較高因子為抽穗—成熟期降水量及雨日數。

綜合主成分分析結果，研究選取水稻拔節—孕穗期最高氣溫X1、拔節—孕穗期日照時數X2、抽穗—成熟期降水量X3、抽穗—成熟期雨日數X4作為旺蒼縣一季稻氣候區劃因子。結合旺蒼縣實際情況及水稻生長研究，選取氣候區劃指標見表5。

以旺蒼縣及周邊區縣共30個氣象站點氣象資料為基礎，結合對應站點經度、緯度、海拔高度，建立旺蒼縣一季稻區劃氣候要素空間小網格推算模型（表6），進行研究區域氣象要素插值處理。

1.4.2 水稻種植地形指標 地形對農業生產的影響主要通過海拔、坡度、坡向。水稻生育期隨海拔升高有一定程度延長[19-20]，產量、有效穗數和穗粒數隨著海拔的升高呈先增后減趨勢[21]。在一定范圍內，海拔升高可減少作物病蟲害發生，同時加大晝夜溫差，促進光合產物積累[22]，但海拔過高，熱量條件則不能滿足植物正常生長需要。研究指出不同坡向因接受的日照時間和太陽輻射強度不同產生小氣候差異，其中南坡和西南、東南向陽坡太陽輻射多，熱量多，晝夜溫差適宜，利于植物生長發育，北坡相反，東坡和西坡介于二者之間[23]。在地勢較低的平壩地區，田塊面積大，利于農事活動展開，但土壤質地相對黏重，田間通透性差，對流也差，在大水大肥田間管理下易受到病蟲害的襲擊;農業生產中坡度過大，不易保水保肥，肥水管理不易。綜上所述，結合旺蒼縣當地情況，水稻區劃地形因子指標見表7。

1.4.3 土壤酸堿度 土壤作為影響作物生產的重要因素之一，pH值低于5.0或高于7.0會顯著影響水稻的株高、每穗實粒數、結實率和單株產量，pH值在5.0～6.0時最適宜水稻生產[24]。

1.5 區劃等級評價方法

1.5.1 適宜度評價方法 研究評價方法采用基于GIS加權指數求和法[公式（1）]，將各要素適宜、次適宜和不適宜指標分別賦值1、2、3，得到不同因子層適宜度指數并標準化后計算旺蒼縣水稻綜合適宜度指數[25]，基于GIS平臺通過自然斷點分級法將旺蒼縣劃分為水稻種植適宜、次適宜、不適宜3個等級區域。

1.5.2.2 綜合指標權重確定 為綜合考慮各要素在旺蒼縣一季稻種植區劃中的貢獻，引入層次分析法（AHP）建立適宜度評價體系，通過構建判斷矩陣并對矩陣一致性進行檢驗，得到旺蒼縣一季稻種植區劃指標權重（表9）[27]。

2 結果與分析

2.1 氣候區劃

旺蒼縣一季稻種植氣候區劃見圖1，一季稻種植氣候不適宜區主要集中在旺蒼縣北部包括萬家鄉、天星鄉、福慶鄉、燕子鄉、鹽河鄉、國華鎮、鼓城鄉、檬子鄉、英萃鎮、正源鄉、水磨鄉、大河鄉等部分海拔較高區域。這部分地區水稻拔節—孕穗期內日照時數在65～80 h，熱量條件偏差，影響水稻幼穗分化，同時抽穗成熟期雨日數偏多，在25～30 d，對水稻揚花授粉有一定不利影響。水稻種植適宜區主要位于旺蒼縣東西走向的槽谷帶及北部海拔較低區域，該區域在水稻拔節孕穗期日照時數大于 80 h，且平均最高溫度低于31 ℃，光熱適宜且充足;同時降水充沛，能滿足水稻生長生殖對水分需求，抽穗成熟期的雨日數15～25 d，對水稻病蟲害發生發展無明顯促進作用，水熱匹配良好。

2.2 地形區劃

旺蒼縣一季稻種植地形區劃見圖2，整體南部較北部區域更利于一季稻種植，地形生產適宜區主要集中在東西向槽谷帶及以南部分地區，這部分地區海拔多介于400～600 m，陽坡為主，晝夜溫差較陰坡利于水稻干物質累積，有助于品質提升，坡度多介于5～15°，利于肥水控制及農事活動開展。不適宜區主要集中在旺蒼縣北部高寒山區，該區域海拔較高熱量條件差，尤其北坡為主向的陰坡最為明顯，坡度多介于30°～70°之間，地勢陡峭，不利于水肥保持及水稻集約化生產。

2.3 土壤區劃

旺蒼縣農業土壤主要分為中山黃壤土、中低山石灰性紫色土、低山中性紫色土、平壩灰棕潮田土、中山魚眼沙黃壤土5個類別。其中，中山魚眼沙黃壤土區分布在縣境東北部中山地區，pH值介于 5.5～6.5，該區域為水稻種植土壤適宜區;水稻種植土壤次適宜區包括位于縣境中部、西北部低中山區的中山黃壤土區以及廣泛分布于縣境中南部低山中性紫色土，其pH值分別為介于4.5～5.5及7～7.5。水稻種植不適宜區在縣境南部，土壤類型以中低山石灰性紫色土區為主，pH值大于7.9，堿性偏高（圖3、圖4）。

2.4 綜合區劃評述

基于GIS平臺對氣候、地形、土壤標準化指標進行加權計算后通過自然斷點法得到旺蒼縣水稻種植綜合區劃（圖5），并進行三維化讓區劃更為直觀（圖6）。統計可知，旺蒼縣水稻種植適宜區面積約1 014.33 km2，占全縣縣域面積的33.96%，主要位于中部東西向槽谷帶包括白水鎮、尚武鎮、嘉川鎮、東河鎮、黃洋鎮、普濟鎮、三江鎮、金溪鎮、大德鄉部分地區，及東北-西南向分布的正源鄉、英萃鎮、檬子鄉部分海拔較低地區。種植適宜區域一季稻生育期內各氣象要素匹配良好，土壤酸堿度適宜，地形地勢利于水土保持及農事活動開展，大面積地塊也利于機械化生產開展，正常年景下一季稻生產能獲得優質高產。

一季稻種植次適宜區面積約1 025.14 km2，占旺蒼縣面積的40.34%，分散較廣，主要分布在旺蒼縣槽谷帶周邊區域及西北-東南向萬家鄉、鹽河鄉、天星鄉、國華鎮、雙匯鎮、麻英鄉等部分地區。次適宜區相對于水稻生產適宜區，限制水稻生產的主要因素為地形地勢及土壤因子，該區域海拔多在600～1 200 m，熱量條件相對較差，坡度略陡，生產活動開展有一定限制，同時土壤pH值偏高，水稻生產相對適宜區不穩定。

一季稻種植不適宜區域面積占旺蒼縣面積的25.70%，約767.53 km2。該區域徑向分布于萬家鄉、天星鄉、福慶鄉、燕子鄉、鹽河鄉、國華鎮、鼓城鄉、檬子鄉、大河鄉、水磨鄉、英萃鎮、正源鄉、萬山鄉、大兩鄉等部分地區。不適宜地區海拔多高于 1 200 m，光熱資源差，在一季稻抽穗期—成熟期內氣象條件利于病蟲害發生發展，土壤pH值偏低，地勢較陡峭，水肥保持及管理不易，機械化生產困難，不適宜發展水稻生產。

3 結論與討論

一季稻是旺蒼縣主要糧食作物，本研究通過對旺蒼縣一季稻多年氣象產量及關鍵生育期氣象要素進行相關性分析，結合主成分分析選取水稻拔節—孕穗期最高氣溫、拔節—孕穗期日照時數、抽穗—成熟期降水量及抽穗—成熟期雨日數共4個氣象因子作為水稻種植區劃氣象指標，并建立氣象要素空間推算模型。綜合考慮氣象因子、地形因子及土壤類型，通過層次分析法確定各要素權重，基于GIS加權指數求和法及自然斷點法開展旺蒼縣水稻種植區劃研究。區劃結果，水稻種植適宜區、次適宜區、不適宜區面積分別占旺蒼縣域面積的33.96%、40.34%、25.70%，適宜區主要分布于東西向槽谷帶及東北-西南向分布的正源鄉、英萃鎮、檬子鄉部分地區，可利用這部分區域氣候資源、地形資源及土壤資源優勢，提高水稻生產種植水平，發展水稻現代化生產。次適宜區分布于旺蒼縣槽谷帶周邊區域及西北-東南向萬家鄉、鹽河鄉、天星鄉、國華鎮、雙匯鎮等部分地區，該區域水稻生產較適宜區不穩定，地形地勢及土壤類型是主要限制因子，可通過土壤改良提升生產力，但不適于大面積產業化水稻種植。不適宜區主要位于萬家鄉、天星鄉、福慶鄉、燕子鄉、鹽河鄉、國華鎮、鼓城鄉、檬子鄉、大河鄉、水磨鄉、英萃鎮、正源鄉等部分海拔較高區域，該區域熱量條件差，地勢較陡，農事活動開展不利，不利于水稻產業發展。

筆者通過開展旺蒼縣水稻種植區劃研究，以期為旺蒼縣水稻生產布局提供參考建議。研究選取區劃指標包括影響水稻生產的氣候、地形及土壤三大要素，較以往主要針對氣候因子開展的區劃研究更科學精細。同時指標等級劃分以縣一級單位為基礎，結合當地實際情況，相較于?。ㄊ校┮患壍膮^劃研究更有針對性。研究依托GIS平臺，對水稻生產區域進行分區討論，為旺蒼縣水稻農業生產規劃提供參考，有助于種植區域合理安排，提高經濟效益。

本研究中地形及土壤指標等級劃分主要參考了前人研究，后期還需要結合旺蒼縣實際生產情況不斷調整修改。同時旺蒼縣土壤類型數據年代較早且只考慮了土壤pH值，土壤質地、土壤肥力及土地利用類型等未加考慮，有待今后進一步補充完善。

參考文獻：

[1]史桂香，張明廣. 旺蒼縣水稻生產面臨的困境及對策[J]. 南方農業，2015，9（12）：119-120.

[2]王連喜，陳懷亮，李 琪，等. 農業氣候區劃方法研究進展[J]. 中國農業氣象，2010，31（2）：277-281.

[3]段居琦. 我國水稻種植分布及其對氣候變化的響應[D]. 南京：南京信息工程大學，2012.

[4]曹萌萌. 氣候變暖背景下黑龍江省水稻種植適宜性區劃[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2014.

[5]杜朝正. 基于GIS的中國水稻產量時空格局變化研究[D]. 濟南：山東師范大學，2010.

[6]楊沈斌，陳 德，任 俠，等. 基于模糊數學的中國水稻種植區劃研究[C]//推進氣象現代化——第29屆中國氣象學會年會. 北京，2012.

[7]段居琦，周廣勝. 我國單季稻種植區的氣候適宜性[J]. 應用生態學報，2012，23（2）：426-432.

[8]張曉梅，楊從黨，丁艷鋒，等. 西南單季稻區立體生態亞區劃分探討[J]. 中國稻米，2016，22（5）：10-14.

[9]黃 維. 蘇皖鄂地區一季稻適宜性種植區劃研究[D]. 南京：南京信息工程大學，2017.

[10]秦鵬程，萬素琴，鄧 環，等. 湖北省水稻種植布局精細化氣候區劃[J]. 湖北農業科學，2016，55（16）：4150-4153.

[11]李正金，李衛國，李 菁，等. 基于多因子分析的水稻種植適宜性研究[J]. 江蘇農業科學，2018，46（16）：271-275.

[12]姜麗霞，王 萍，南 瑞，等. 黑龍江省水稻區劃細劃的初步研究[J]. 東北農業大學學報，2005，36（4）：523-528.

[13]何 燕，王 斌，江立庚，等. 基于GIS的廣西水稻種植布局精細化氣候區劃[J]. 中國水稻科學，2013，27（6）：658-664.

[14]李亞春，黃文杰，謝志清，等. 江蘇省海安縣優質水稻精細化氣候區劃研究[J]. 江蘇農業科學，2012，40（2）：271-274.

[15]高 蓓，高茂盛，董金芳. 基于最大熵模型和ArcGIS的陜西省單季稻種植分布預測及適宜性[J]. 中國農業大學學報，2016，21（3）：8-15.

[16]方 文，羅文質，張景國. 四川再生稻的生態條件及區域適應性研究[J]. 西南農業學報，1994，7（3）：15.

[17]郭 際，施貝貝，徐凱迪，等. 江蘇省單季稻應對高溫熱害和低溫冷害的氣溫保險指數及風險區劃[J]. 江蘇農業科學，2019，47（2）：312-316.

[18]房世波. 分離趨勢產量和氣候產量的方法探討[J]. 自然災害學報，2011，20（6）：13-18.

[19]王泰倫，李繼由，虞孝感. 滇西北高寒壩區生態環境對水稻生育及產量結構的地區效應[J]. 南京農業大學學報，1984，7（3）：125-128.

[20]譚亞玲，洪汝科，陳金鳳，等. 海拔高度對不同水稻品種生長的影響研究[J]. 種子，2009，28（7）：27-30.

[21]李 靜，袁繼超，蔡光澤. 海拔對水稻產量和品質的影響研究進展[J]. 中國農學通報，2013，29（24）：1-4.

[22]王 昭. D縣雜交水稻制種基地選址適宜性評價研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2018：13-14.

[23]王 嬌，王 潔，強愛玲，等. 北方不同氣候條件對稻米品質性狀的影響[J]. 中國稻米，2015，21（6）：13-18.

[24]易亞科，周志波，陳光輝. 土壤酸堿度對水稻生長及稻米鎘含量的影響[J]. 農業環境科學學報，2017，36（3）：428-436.

[25]郭建茂，謝曉燕，吳 越，等. 安徽省一季稻產量災損風險評價[J]. 中國農業氣象，2017，38（8）：488-495.

[26]王丹丹，邱新法，曾 燕，等. 基于分布式模型模擬的茶樹種植適宜性區劃[J]. 氣象科學，2018，38（1）：121-129.

[27]金志鳳，鄧 睿，黃敬峰. 基于GIS的浙江楊梅種植區劃[J]. 農業工程學報，2008，24（8）：214-218.