喀斯特高原山區刺梨種植空間格局變化與地形土壤影響因素——以貴州省盤州市為例

何志偉，于伯華，王 濤*，謝 濤

(1.貴州省測繪產品質量監督檢驗站, 貴陽 550004；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；3.盤州市地質災害防治中心, 盤州 561601)

貴州省地處中國西南喀斯特地區的腹心地帶，屬巖溶高原山區，生態環境背景復雜，地表切割劇烈，海拔落差大，坡度較陡，同時地處季風氣候區還伴有常年多云多雨現象。貴州省盤州市，地處貴州西部，主要以高原山地為主，地勢西北高、東南低，中部隆起,是典型的喀斯特高原山區地形地貌。為加強農村地區的經濟收入，對農村地區進行農業產業結構調整勢在必行，基于此，貴州各級政府投入大量精力要將刺梨產業要打造成千億級產業，對于刺梨種植貴州省主要有15個規模性種植區域，主要分布在六盤水市、畢節市、安順市和黔南州，盤州市就是其中一個較為典型的貴州省刺梨種植區域。

刺梨是貴州省的一種特色水果，享有美譽“維C之王”。刺梨產業是貴州省重要產業之一，對經濟發展有巨大影響，貴州省豐富的自然資源對其發展提供較大的有利條件[1-2]。刺梨是貴州省特色植物資源，具有藥食同源屬性，因其營養價值、保健價值、藥用價值明顯，屬薔薇科多年生落葉小灌木，含有豐富的營養，特別是維生素C[3]。楊皓等[4-6]對刺梨種植基地的土壤養分做了較為全面的研究，其研究為系統評價刺梨種植基地土壤營養狀況奠定了基礎，并給出了相應的補施肥料建議。楊皓等[7]采用空間替換時間的方法，對喀斯特山區無籽刺梨種植基地的土壤質量現狀進行全面分析與評價，研究不同種植年限的基地的土壤質量及其樹體特征對植被恢復的響應與機制，結果顯示：不同林齡的無籽刺梨種植基地的土壤化學、物理和生物學指標差異明顯。

對于刺梨的計算機自動識別方面，江梅等[8]融合K-means聚類分割算法與凸殼原理對遮擋蘋果進行目標識別和定位，該算法雖有一定效率的提升，但普適性和識別效率仍然需要做更進一步地研究和探討。計算機視覺在眾多領域應用廣泛，其中包括物體識別(如農作物[9]、人體行為[10]、巖石裂縫[11]、三維模型[12]、裂縫骨架拐點[13]等方面)、數字圖像匹配[14-16]、目標跟蹤等方面[17]。在刺梨識別方面業有科研人員進行研究，閆建偉等[18-19]利用深度學習算法對刺梨果實加以識別，其識別正確率均高于92%，說明深度學習算法對刺梨果實識別具有一定的優勢。但刺梨植株在發芽期、花期和結果期等階段顏色差異較大，且考慮到盤州市影像的數據量大，故主要采用人機交互和實地調研的方式對刺梨種植情況進行解譯。地形因子和土壤養分含量對種植業、經濟、人口分布等方面占據主導作用和制約性，是重要的衡量指標，地形因子和土壤養分含量對種植業的空間分布及變化影響較大，已有研究表明，土壤養分含量及空間分布對森林可持續經營、種植業的發展有著重要的影響因素。現階段，有學者研究了生態環境、農用設施、人文、經濟等方面空間格局問題[20-21]，與地形因子內在聯系的相關研究較多[22-26]，但同時考慮地形因子和土壤養分含量對刺梨種植業空間分布的相關研究仍較少。對喀斯特高原山區盤州市的刺梨種植空間分布格局變化進行研究，并深入探討刺梨種植空間分布格局變化和地形坡度、地形起伏度及土壤養分含量的影響機制，并挖掘其中的規律，為貴州省的其他種植區域提供一定的參考價值。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

盤州市是由貴州省直轄，六盤水市代管的縣級市，地處滇、黔交界，位于東經104°17′～104°57′，北緯25°19′～26°17′，東鄰普安，南接興義，西連云南省富源、宣威，北鄰水城，是貴州的西大門，被譽為滇黔鎖鑰、川黔要塞。盤州歷史文化悠久，民族風情深厚，境內有古人類文明遺址盤縣大洞，古銀杏、大洞竹海、烏蒙大草原3個貴州省級風景名勝區。盤州被稱為世界古銀杏之鄉，是云貴交通、能源、商貿、物流、旅游的重要節點，為畢水興經濟帶的中心腹地。盤州屬亞熱帶氣候，屬亞熱帶高原季風氣候區，冬無嚴寒，夏無酷暑，立體氣候明顯，年均氣溫15.2 ℃，年均無霜期271 d，日照時數1 593 h；年均降水量1 390 mm，雨熱基本同季，5—10月的降雨量占年降雨量的88%，現如今刺梨產業已經成為盤州市的地理標志性產業之一，選擇盤州市作為本文的研究區，開展喀斯特高原山區刺梨種植空間分布格局變化與地形土壤影響因素研究具有代表性，刺梨植被實物圖和盤州市在貴州省的地理位置如圖1所示。

圖1 刺梨植被實物圖和盤州市在貴州省的地理位置

1.2 試驗數據來源

所用的影像數據主要來源于分辨率為0.24～0.48的Google Earth高分衛星影像，以盤州市區域范圍矢量為邊界獲取相應的影像數據，利用GIS(geographic information system)技術對刺梨種植空間分布特征進行矢量化，獲取2017年和2019年刺梨種植區域矢量數據，分析統計盤州市刺梨種植的空間分布格局和變化情況，結合研究區2 m分辨率DEM(digital elevation model)識別刺梨種植的垂直分異特征。利用盤州市土壤取樣數據，其取樣主要考慮到土壤類型、海拔、經緯度和地域分布特點，通過內業設計，對設計的采樣點精確定位，再通過外業對盤州市進行土壤取樣，實驗室對采樣數據進行化學分析統計，得到相應的pH、土壤養分含量和土壤質地。所采用的DEM數據與土壤采樣點分布情況如圖2所示(由于本文中DEM數據保密性質，高程值不予列出)。

圖2 DEM數據與土壤采樣點分布情況

1.3 研究方法

1.3.1 刺梨種植空間分布及變化

為了直觀地表達出刺梨種植空間分布及其變化情況，通過圖像識別，人工解譯和實地調研等方法獲取盤州市2017年和2019年的刺梨空間分布矢量數據，分析其空間分布特征及變化，將兩期數據進行疊加分析，利用統計學知識表達出刺梨種植增長區域空間分布情況。

1.3.2 地形環境因子分析

提取的地形因子主要包括坡度和地形起伏度。坡度直接影響著災損率、耕地種植面積、規模發展刺梨種植和交通便利情況等方面，較大程度地制約著刺梨種植空間分布。基于此，坡度是影響盤州市刺梨種植空間分布的重要因素之一，文中采用三階差分算法對DEM數據進行坡度提取。地形起伏度反映了地形的起伏特征，其對盤州市的刺梨種植空間分布是一個重要的因子，文中采用窗口分析法計算盤州市的地形起伏度，由于地形起伏度的計算結果對窗口大小的選取較為敏感，文中根據盤州市喀斯特地貌高原山區的特征，選擇100×100(2 m分辨率的DEM下窗口大小為200 m×200 m)窗口大小，地形起伏度(m)的值為統計窗口中高程的最大值(m)和高程的最小值(m)之差。

1.3.3 土壤養分含量及質地分析

土壤質地[27-28]很大程度上支配土壤的各種耕作性能，施肥反應，以及持水、通氣等特性，其分類標準是土壤科學的重要問題之一，土壤中元素含量對刺梨種植的空間分布存在明顯的相關性，土壤質地利用土壤中顆粒組成情況對土壤類型進行劃分，其一般分為砂土、壤土和黏土三大類，分類的類型不僅繼承了成土母質特征，也受到耕作、施肥、排灌、平整土地等方面的人文活動影響，質地對土壤肥力起著十分重要的作用。例如，砂土缺少黏粒和有機質，抗旱能力弱，不易保水保肥，從而導致土壤中養分含量低，速效肥料容易被雨水沖刷而流失，并且采用速效肥料進行增肥時，效猛而持續時間短，故砂土類型的土壤要適時增施有機肥；黏土含土壤養分豐富，土壤中大部分的土壤養分不易被雨水和灌溉是而沖刷流失，故保肥性能好，但此類土壤在遇到雨天或灌溉時，由于其土壤自身的特性導致水分在土體中下滲率不佳，從而土壤中積水嚴重，進一步影響農作物根系生長和吸收土壤中的養分，故對此類土壤，應及時開溝排水，以避免或減輕澇害，對種植點應選擇適宜的土壤含水條件下精耕細作，以改善土壤結構，以促進土壤養分的釋放；壤土兼有砂土和黏土的優點，是較理想的土壤，其耕性優良，適種的農作物種類多。利用盤州市取樣土壤進行化學分析，統計取樣點土壤中各元素含量和質地，主要選取土壤pH和質地，有機質、全氮、有效磷、速效鉀等元素含量作為土壤和刺梨空間分布影響的重要因子。為進一步統計分析盤州市的土壤中相關元素含量和pH的分布(在某一特定的范圍里，土壤中所含元素含量和pH均存在較強的空間相關性)，需利用現有數據進行插值，現在常用的空間插值方法克里金插值方法，已有學者對普通克里金算法改進以至于實用性更佳[29-33]，在眾多的改進算法中，基于雙層規劃的普通克里金插值算法[34]將適合于本文，故采用此方法對土壤數據中的pH、有機質、全氮、有效磷和速效鉀等含量進行插值分析。該方法主要采用雙層規劃描述普通克里金法中理論變異函數模型參數求解問題，根據交叉驗證結果優化調整上層系統隨機給定的變異函數模型參數，減少變異函數模型參數求解過程中人為不確定等因素的影響，以此獲取合理的理論變異函數模型參數和較好的空間插值結果。

1.3.4 文中數據分類標準

土壤養分含量插值數據分類標準引用張珊珊等[35]的研究內容，貴州省刺梨種植的土壤pH分級標準如表1所示，土壤養分分級評價指標如表2所示。

表1 刺梨種植的土壤pH分級標準

表2 刺梨種植土壤養分分級評價指標

表1中，強酸性土壤和強堿性土壤極不適宜種植刺梨，偏酸性土壤和偏堿性土壤不適宜種植刺梨，微酸性土壤適宜種植刺梨。

根據盤州市的地形特點，坡度分類標準按文獻[35]中的盤州市坡度分類標準為參考，其分類標準如表3所示。

表3 盤州市坡度分類標準

據盤州市的地形特點，地形起伏度作為一個對人文、經濟等方面都起著重要作用的影響因子[36]，本文的地形起伏度分類標準引用楊曉等[37]的研究內容，盤州市地形起伏度分類標準如表4所示。

表4 盤州市地形起伏度分類標準

2 結果分析

2.1 刺梨空間分布及變化

考慮到刺梨的種植需要一定的生長周期，故對2017年和2019年的刺梨種植空間分布作統計分析。近年來，政府政策大力支持，加之有效的管理和科學種植模式，盤州市的刺梨種植面積呈增加之勢，幾乎無種植面積減少之地，故本文主要表示出盤州市刺梨種植空間分布特征和2019年相比較2017年的種植面積增長區域空間分布特征，其中盤州市2017年和2019年的刺梨種植空間分布特征如圖3所示。

利用GIS疊加分析原理，表示出盤州市刺梨種植面積增長空間分布特征，刺梨種植面積增長空間分布特征如圖4所示。

從圖3和圖4對比分析可知，2017年和2019年的刺梨種植空間分布特征布主要在除盤州市中部地區種植面積較少以外，均有較大面積的種植，其中南部和北部的種植面積較大。對其原因進行人文方面的分析，因為盤州市的主城區主要分布在中部，人口密集程度較大，人類活動對發展刺梨種植業存在制約，除中部以外的大部分地區以耕地和山區為主，利于刺梨種植業的開發和規模種植。通過將2017年和2019年刺梨空間分布特征圖矢量疊加之后，可以直觀地看出，盤州市的刺梨增長主要是以南部和北部為主，南部和北部主要是以山地和耕地為主，人口密集程度比中部小，利于發展刺梨種植業規模性擴展。

圖3 盤州市2017年和2019年刺梨種植空間分布

圖4 盤州市2019年較2017年刺梨種植空間分布增加量

2.2 地形因子分析

喀斯特高原山區的種植業、人文活動和經濟發展等方面均受地形起伏影響較大，坡度和地形起伏度是重要的評價因子，文中將坡度分為六級，坡度分級分類情況如表3所示。地形起伏度是指在一個特定的區域內，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值。它是描述一個區域地形特征的一個宏觀性的指標。從地形起伏度的定義可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定范圍內海拔高度的最大值和最小值，然后，對其求差值即可。地形起伏度最早源于蘇聯科學院地理所提出的地形切割深度，地形起伏度現在成為劃分地貌類型的一個重要指標，盤州市地形起伏度計算統計如圖5所示。

圖5 盤州市坡度分類與地形起伏度分類

分別利用兩期的刺梨種植矢量數據與盤州市坡度提取信息進行疊加分析，易獲取相關數據，其中盤州市各級坡度面積占該市的國土總面積的百分比、盤州市2017年和2019年的刺梨種植在各級坡度上的種植面積占對應年度種植總面積的百分比和2019年比2017年在各級坡度上種植的增長面積占增長總面積的百分比如圖6所示。

圖6 面積占比統計

由圖6(a)可以看出盤州市坡度分類中緩陡坡面積占全市總面積的百分比最大，其比值約為28.17%，對其余坡度類型面積占比從高到低進行排序，依次為陡坡(22.97%)、極陡坡(21.06%)、緩坡(17.58%)、平緩坡(5.20%)和平坦坡(5.01%)。由圖6(b)可以看出盤州市2017年在緩陡坡刺梨種植面積占全市刺梨種植面積的百分比最大，其值約為30.88%，對其余坡度類型種植面積占比從高到低進行排序，依次為陡坡(21.61%)、緩坡(20.96%)、極陡坡(16.22%)、平緩坡(5.96%)和平坦地(4.96%)。由圖6(c)可以得到2019年在每個坡度分類中刺梨種植面積分別占全市刺梨種植面積的百分比與2017年的種植情況具有相似的規律，其面積占比最大值仍在緩陡坡，其值約為31.01%，對其余坡度類型種植面積占比從高到低進行排序，依次為陡坡(21.71%)、緩坡(20.97%)、極陡坡(16.18%)、平緩坡(5.60%)和平坦地(4.53%)。由圖6(d)可以看出盤州市2019年刺梨種植增長的面積占全市增長總面積的百分比最大值也是在緩陡坡，其值約為35.34%，對其余坡度類型增長面積占比從高到低進行排序，依次為陡坡(25.36%)、緩坡(21.25%)、極陡坡(14.87%)、平緩坡(2.60%)和平坦坡(0.58%)。由圖3和圖5可以看出，盤州市的刺梨種植主要在地形起伏度為小起伏內，其值為70～200 m范圍內，在地形起伏度為平坦、微起伏和中起伏的刺梨種植面積均較少。

平坦地區主要集中在盤州市的中部，其是盤州市的城區范圍。盤州市是典型的喀斯特高原山區，平坦地和平緩坡分布較少，其主要是用于種植糧食和經濟農作物等，刺梨種植業發展所需土地不得不往緩陡坡及以上坡度類型的土地擴展。

2.3 土壤中各元素含量對刺梨空間分布影響

土壤養分含量指標，主要包括有機質、全氮、有效磷、速效鉀及各種中微量元素等。不同類型的農作物和果樹生長和形成單位產量所需的土壤中養分含量也不盡相同，由于植物的選擇性吸收，通常會引起一定范圍內的土壤缺乏某種養分元素，則會使植物出現缺素癥狀，使農作物和果樹未能正常生長發育，土壤中豐富的土壤養分含量能夠有效地防止果樹缺素癥的出現。因此，在種植刺梨是必須注意対種植土壤進行培肥改良，不斷地提高土壤養分的含量，走可持續、生態發展的路子。喀斯特高原山區的刺梨種植區域的表層土壤pH、有機質、全氮、有效磷和速效鉀等含量對刺梨種植起著重要作用，本文主要研究土壤表層的pH、有機質、全氮、有效磷和速效鉀的分布，采用雙層規劃克里金插值算法，分別研究土壤表層的pH及各元素含量的分布情況，插值后的pH、有機質、全氮、有效磷和速效鉀插值分析統計如表5所示。

從表5可以看出，盤州市的土壤質地主要以壤土為主，壤土具有砂土和黏土的優點，對于種植業的發展來說，壤土占據重要地位，是較理想的土壤。在土壤質地分類中占據盤州市土壤pH平均值約為5.98，屬于微酸性土壤，適宜種植刺梨，pH在5.5～6.5范圍內的面積約占82.5%，其余范圍pH所在區域面積約占7.5%，pH最小值為5.42，略小于5.5，為偏酸性，最大值為6.80，略高于6.5，為偏堿性。從pH來看，盤州市的大部分區域均適合種植刺梨。盤州市土壤有機質(OM)含量、全氮(TN)含量、有效磷(AP)含量和速效鉀(AK)含量通過雙層規劃克里金插值預測后進行統計分析，對比刺梨種植土壤養分分級評價指標，易看出盤州市土壤中有機質含量在30～40(豐富)范圍內的面積占比約為15%，在40以上(極豐富)范圍內的面積占比約為85%；全氮含量在1.5～2.0(豐富)范圍內的面積占比約為17.5%，在2以上(極豐富)范圍內的面積占比約為82.5%；有效磷含量在小于5(很低)的范圍內的面積占比約為7.5%，在5～15(較低)的范圍內的面積占比約為77.5%，在15～27.93(中等)的范圍內的面積占比約為15%，未見大于40的范圍區域；速效鉀含量在100～150(中等)的范圍內的面積占比約為25%,在150～200(豐富)的范圍內的面積占比約為32.5%，在200以上(極豐富)范圍內的面積占比約為40%，其余范圍區域面積約占2.5%。綜合而言，盤州市土壤養分含量除有效磷含量較低外，大部分區域的有機質、全氮、有效磷、有效鉀含量均處于豐富和極豐富的范圍。

表5 盤州市土壤養分含量插值數據統計

3 結論與討論

盤州市是典型的喀斯特高原山區，其刺梨種植經驗對貴州省其他同類地形地貌的種植區域有較大的參考價值，其余的種植區可以借鑒其種植經驗、發展模式和管理銷售方式。于盤州市而言，發展刺梨種植產業，是農業產業結構調整的一項重大舉措，不僅滿足部分勞動力就業，也對生態修復和環境保護起著重要作用。現如今，盤州市刺梨產業發展勢頭正勁，但科學種植、合理施肥、科學管理、銷售渠道、創新刺梨深加工制品等問題急需解決，此舉更加能促進刺梨生長長勢，提升畝產量，促進刺梨產業的鏈條式良性發展。通過研究盤州市2017年和2019年的刺梨空間分布格局變化和地形土壤之間的影響因素，給予盤州市刺梨種植產業發展一定的參考。

(1)盤州市2017年和2019年的刺梨種植空間分布特征為除中部城區之外，均有種植。盤州市2019年相較于2017年刺梨種植空間分布增長情況主要集中在南部和北部，刺梨種植的面積占比最大的區域主要集中在緩陡坡(坡度為15°～25°)，且刺梨種植增長面積最大的區域也集中在緩陡坡。在各級坡度分類中刺梨種植的空間分布符合盤州市各級坡度類型的面積占比。刺梨種植的空間分布主要在小起伏(70～200 m)的地形起伏度內，后期刺梨種植規模的擴大可以考慮在緩陡坡階段繼續發展，充分利用盤州市的空閑坡耕地，最大限度地發展當地刺梨種植業。

(2)盤州市2017年和2019年刺梨種植空間分布符合土壤中pH的分布，盤州市的平均PH為5.98，為適宜種植刺梨的微酸性土壤。有機質、全氮、有效磷和速效鉀等養分含量滿足刺梨的種植，但有效磷含量偏低，在種植過程中人為追加磷肥，注意刺梨種植土壤的培育改良，使土壤中的養分含量能持續不斷地提供刺梨生長，使刺梨成為貴州省可持續、綠色生態、高經濟作物的代名詞，走出一條屬于貴州省真正的特色水果建設道路。

(3)規模性種植刺梨可為盤州市的旅游觀光項目帶來一定基礎，對當地的農業經濟發展帶來更多可能，對解決當地農民就業和提升生活質量起著積極作用。盤州市由于是典型的喀斯特高原山區，在平坦地和平緩坡的面積小，其刺梨種植主要分布在緩坡、緩陡坡、陡坡和極陡坡，后期的刺梨種植業發展可以考慮繼續把緩陡坡和陡坡的林地及耕地充分利用起來。

(4)土壤數據取 樣點數量較少，未能完全均勻分布，后期研究應盡可能地對土壤取樣均勻，影像解譯方法有待該進。地形起伏度的分析窗口大小選取是計算地形起伏度的關鍵，文中憑經驗值而定，會造成一定的計算誤差，后期應選擇有效的算法對其改進，使其能更好地表達出盤州市的地形起伏。