基于ArcGIS的臨汾市西山果樹區劃生態適宜性評價

王璽 李亮 李敏生 孫慧英 王達菲

摘?要：以臨汾市西山地區七縣各鄉鎮為評價單元，利用2007-2016年的氣象數據、土壤養分監測數據、地勢數據等基礎數據，根據果樹生態適宜性評價需要確定了8個評價指標，建立評價模型。通過專家咨詢法、多因素綜合分析法、基于Arcgis10.2軟件的Krigin插值法和疊加分析法，分別對蘋果、梨、核桃等3個主栽樹種進行了生態適宜性評價。根據綜合評價得分，將不同果樹的生態適宜性分為優生區（U≥0.8）、適宜區（0.7≤U<0.8）、次適宜區（0.5≤U<0.7）和非適宜區（U<0.5）4個等級。根據評價結果繪制2個樹種在臨汾市西山地區的適宜性分布圖，為果樹區劃提供科學參考。

關鍵詞：臨汾西山;果樹區劃;生態適宜性評價;Arcgis10.2

文章編號：1005-345X（2020）03-0047-06?中圖分類號：S162.2?文獻標識碼：A

Abstract：Taking towns of seven counties in western area of Linfen as the evaluation unit， using the basic data such as meteorological data from 2007 to 2016， soil nutrient monitoring data， topographic data and natural disaster incidence rate， 12 indexes of climate and soil were selected according to the ecological suitability evaluation requirements of Yuluxiang pear to Establish an evaluation model. Through the expert consultation method， multi-factor comprehensive evaluation method， Kriging interpolation method based on Arcgis10.2 software and superposition analysis method， the ecological suitability of Apple， Pear， Walnut in this area was comprehensively evaluated. The ecological suitability map of Yulu Xiang pear in western area of Linfen City was drawn according to the evaluation results. Results led to 4 different grades including the optimum area （U≥0.8）， suitable area （0.7≤U<0.8），and secondary suitable area （0.6≤U<0.7）， unsuitable area （U<0.6）.According to the evaluation results， the distribution map of the main tree species in the western area of Linfen was drawn， and provide scientific reference for fruit tree zoning.

Keywords：Western area of Linfen; Fruit tree zoning; Ecological suitability evaluation; Arcgis10.2

臨汾市西山地區是山西省最重要的優質水果產區，也是農業部規劃的優勢水果產區。在此地開展果樹生態適宜性評價研究，不但為該地區制定果樹產業升級轉型發展規劃提供可靠數據信息，對山西省果樹品種資源合理開發、利用和保護也具有現實指導意義。

基于GIS（地理信息系統）的適宜性評價最早用于土地資源的利用的綜合評價[1-3]，后拓展到農田種植規劃的區域評價[4-6]，并逐步發展到不同農作物品種對氣候生態環境的適宜性評價[7-9]。果樹區劃生態適宜性評價是果樹區劃的基礎工作，它是根據果樹的生態需要和不同地區的生態條件，通過評價不同地區果樹的生態適宜程度而做出的區劃建議。首先，要確定果樹的最適生態條件，其主要的依據是果樹的原產中心和優質高產區的自然生態條件。前者是這種果樹長期生存的必要條件，后者是提高該種果樹種植經濟效益的必要條件，通過對這兩種生態條件的綜合和驗證，即可確定某種果樹的最適生態條件。根據果樹區劃的適宜程度，一般分為優生區、適宜區、次適宜區和不適宜區4級[10-15]。在果樹生態適宜性評價方面，賈獻松利用地理信息系統軟件對10個果樹生長適宜性要素的基本圖件進行疊加，生成太行山地區主要果樹適宜種植范圍圖，進而生成主要果樹種植適宜性分級圖[16]。黃偉嬌等采用 GIS 技術，對杭州市山核桃種植進行生態適宜性評價[17]。本研究結合國內外農業區劃和果樹區劃的經驗、果樹的發展規律、果樹的生態環境需求和果樹栽培特點，以臨汾市西山地區七縣各鄉鎮為評價單元，選取了和果樹栽培密切相關的8個評價指標（日照時數、年平均氣溫、有效積溫、無霜期、有效降雨量、土壤酸堿度、土壤有機質含量、海拔高度），建立了生態適宜性評價指標體系，分別對蘋果、梨、核桃3個主栽樹種進行了生態適宜性評價，為該地區果樹品種資源合理開發與和果樹產業優化布局提供了科學依據，具有較強的現實指導意義。

1?材料與方法

1.1?研究區域概況

臨汾市西山片區地處臨汾市西北部，呂梁山西南部，位于東經110°22′45″～111°23′36″和北緯35°41′30″～36°56′45″之間，總面積9781.69 km2，其范圍包括永和、大寧、吉縣、鄉寧、隰縣、蒲縣、汾西7個縣。海拔多在1 100 m以上，光熱資源豐富，晝夜溫差大，降水資源不足。地貌屬黃土殘垣溝壑區，地形主要有粱、峁、丘陵、溝壑和不完整的破碎黃土塬。褐土是臨汾市西山地區農用地土壤的主要類型，土層深厚、土質均勻、耕性良好，是最好的耕作土壤之一[18]。目前，大面積種植的果樹樹種主要有蘋果、梨、核桃，根據各縣統計的各樹種種植面積數據，栽培面積最大的樹種是蘋果，達4.63萬hm2，占果樹栽培總面積的近70%，西山7縣均有栽培，栽培面積最大的是吉縣。其次是核桃和梨樹，栽培面積分別是1.83萬hm2和1.8萬hm2，蒲縣和鄉寧以核桃種植為主，隰縣梨樹栽培面積占該地區梨樹總面積的80%以上。

1.2?數據來源

生態指標數據一共選擇了3個方面的數據，包括氣候因子數據，土壤因子數據和地勢因子數據。其中氣候因子數據是通過臨汾市氣象局獲取臨汾市西山片區各縣鄉鎮級氣象站點10年（2007-2016年）的數據，根據研究需要，選擇光照、平均氣溫、有效積溫、降雨量，無霜期等5個指標基礎數據，根據基礎數據再計算出所需的5個氣象評價指標數據;土壤數據是在臨汾市西山片區各縣所有鄉鎮的果樹種植區域采集土壤樣本，經過專業機構化驗后，選取本研究需要的2個土壤指標數據;地勢數據來源于相關專業網站。地理信息數據基于GIS的1：25萬臨汾市西山7縣基礎地理信息矢量數據庫。

1.3?研究方法與相關軟件

1.3.1?Krigin插值法

采用Kriging插值法，將果樹生態適宜性評價指標涉及到的氣象環境因子數據插值成空間柵格數據，調入到多圖層模型中，進行區劃因子的空間運算得到氣象環境因子空間分布圖。Kriging 插值法是根據一個區域內外若干信息樣品的某些特征數據值，對該區域作出一種線性無偏和最小估計方差的估計方法，從數學角度來說，它是一種求最優線性無偏內插估計量的方法[19-20]。其表達式為：

式中：Z（x0）為未知樣點的數值，Z（xi）未知樣點周圍的已知樣點數值，λi為第 i 個已知樣本點對未知樣點的權重值，n為已知樣點的個數。

1.3.2?多因素綜合加權評價法

多因素綜合加權評價法是把各個環境因子作用程度的大小集中于一個數量化指標，進行綜合分析評價對象的優劣。該方法綜合考慮各個影響要素，將各要素分別賦予不同的權重，從而達到多因素綜合評價的目的[21]。其表達式為：

其中Qi表示某一評價指標的具體值，Wi表示該指標的權重，m表示指標數量，U表示該地區多指標環境因子綜合評價得分。采用打分模型賦值評判，根據打分將規劃區域不同樹種的生態適宜程度進行排序，將等級劃分標準的間斷點作為指標，對應為優生區、適宜區、次適宜區和非適宜區四個等級。

1.3.3?相關軟件

采用地理信息系統軟件ArcGIS10.2軟件通過Kriging插值法獲取氣象環境因子空間分布圖，然后進行多因素綜合加權評價分析，根據分析結果繪制區域適宜性評價結果分布圖。

1.4?評價過程

1.4.1?生態適宜性環境評價層次確定與標準化

根據臨汾市西山地區的生態環境基礎條件和果樹資源調查相關數據，以及研究數據的可獲得性，本研究選取了該地區栽培面積最大的蘋果、梨、核桃、棗、葡萄、桃、杏等樹種作為研究對象。根據專家和相關文獻的建議，果樹生態適宜性環境因子評價指標體系可分為兩個層次，第1層分為3大類：氣候因子、土壤因子和地勢因子;第2層包含8個評價要素：氣候因子（日照時數、年平均氣溫、有效積溫、無霜期、降雨量），土壤因子（土壤有機質含量、土壤pH值），地勢因子（海拔高度）。因所選環境因子的量綱不同，需要進行標準化處理。本研究采用區間賦值法，該方法是將規劃區域的環境因子不同樹種環境因子適宜性的匹配度賦予不同的分值，然后乘以各因子在整個評價模型中的權重，使結果落到[0，1]區間，將環境因子評價指標轉化為可比較的無量綱數值（表1-3）。

1.4.2?生態適宜性環境評價因子權重計算矩陣構建

決策因素權重確定的方法主要有客觀賦權法和主觀賦權法。客觀賦權法是按照一定的原則和計算方法對各影響因子自動賦權的方法，主觀賦權法是通過專家咨詢等方法，根據實踐經驗對各影響因子的重要性進行排序賦權，如模糊綜合分析法、德爾菲分析法等[24-25]。本研究采用的專家咨詢和模糊綜合分析法。分析層次構建以后，確定了環境因子的上下層歸屬關系，第1層是A為目標層，第2層B分為3種不同類型的影響因子（氣候、土壤、地勢），第3層是C，不同類型影響因子所包含的8個評價要素（日照時數、年平均氣溫、有效積溫、無霜期、降雨量、土壤pH值、土壤有機質、海拔高度）。通過專家咨詢法和文獻查閱法，根據3種影響因子以及其所包含評價要素的重要程度分別賦權，構建權重計算矩陣（表4）。

1.4.3?ArcGIS疊加分析

在ArcGIS10.2中導入3種果樹生態適宜性評價基礎數據庫，進行圖層疊加運算分析。計算模型如下：

其中G為代表各層次綜合評價得分，W代表個評價因子的權重，A、B、C分別代表不同的評價層次。

2?結果與分析

根據綜合評價得分，將不同果樹的生態適宜性分為優生區（U≥0.8）、適宜區（0.7≤U<0.8）、次適宜區（0.5≤U<0.7）和非適宜區（U<0.5）4個等級。根據評價結果繪制主要樹種在臨汾市西山地區的適宜性分布圖。

2.1?蘋果生態適宜性評價結果分析

通過生態適宜性綜合評價結果看（圖1），蘋果是臨汾市西山地區較為適宜的樹種。優生區和適宜區覆蓋的區域面積占到該區域的面積的75%以上，只有少量地區處于次適宜區，沒有非適宜區，優生區主要位于吉縣和鄉寧地區。

2.2?梨生態適宜性評價結果分析

通過生態適宜性綜合評價結果看（圖2），在選擇的樹種中，梨的優生區和適宜區覆蓋的范圍占該地區面積的80%以上，其中優生區覆蓋的區域主要分布在隰縣、大寧、吉縣、永和、鄉寧等地。

2.3?核桃生態適宜性評價結果分析

通過生態適宜性綜合評價結果看（圖3），核桃在該地區的生態適宜性區域有限，優生區和適宜區覆蓋區域不到一半。優生區和適宜區覆蓋的鄉鎮主要分布在汾西、蒲縣、大寧、鄉寧等地，其中優生區覆蓋的范圍只有大寧的少數鄉鎮。

3?結論與討論

從生態適宜性要素評價結果分析，蘋果種植在該地區的優勢環境因子主要有日照時數、年平均氣溫、有效積溫、無霜期和海拔高度，制約因素是降雨量、土壤有機質含量和酸堿度。從產業發展現狀看，蘋果產業在永和、汾西和鄉寧等地還有較大的發展空間。梨樹的生態適宜性評價結果顯示，其優生區和適宜區在該地區的分布范圍較廣，但目前梨樹種植目前主要集中在隰縣，其種植面積遠低于蘋果，梨樹產業的優勢遠沒有發揮出來，梨果生產在永和、大寧、吉縣、鄉寧和汾西等縣還有較大的增長空間。核桃種植在該地區的優勢環境因子有年平均氣溫和無霜期，但不利因素有有效積溫、日照時數和海拔高度等，制約因素有降雨量、土壤有機質含量和酸堿度。分析結果顯示，次適宜區和非適宜區的覆蓋面積在60%以上，因此核桃產業在該地區不宜繼續擴張。

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