基于GIS的阜平縣北流河區域山杏生態適宜性區劃研究

張家琛 黨怡雯 陳亞恒

（河北農業大學國土資源學院，河北 保定 071000）

山杏（Armeniaca sibirica），薔薇目（Rosales）薔薇科（Rosaceae）杏屬（Armeniaca）植物，屬于落葉小喬木。生長快，萌蘗能力強，根系發達，是河北省干旱山區主要經濟林樹種和主要栽培果樹品種之一。山杏經濟價值高，杏仁又具有較高的營養價值和藥用價值，在中草藥中居重要地位；又具食用價值，山杏肉可食，杏仁還是高級的油漆涂料、化妝品及優質香皂的重要原料[1]，市場供不應求，發展前景廣闊。

近年來國外研究主要是對山杏作為新型木本能源植物可用于生物柴油的提取[2]。楊建偉等[3]的研究發現山杏與不同類型的植被混交搭配成喬灌草模式，具有較強的水源涵養能力；崔磊等[4]的研究表明，山杏的滯塵效果以及較強耐塵能力，可以有效附著空氣中的大氣顆粒物，改善大氣環境，減小大氣顆粒物對人體健康的影響；王艷兵[5]的研究表明果核是制作活性炭的一種優質原材料；楊柳[6]的研究表明山杏的表皮以及果核可以提取黑色素。山杏在干旱少雨和土層淺薄的荒山或是風沙嚴重的地區是防風固沙、保土和改善生態環境及造林的優良樹種。

阜平北流河區域天然的山杏林面積要高于阜平縣其他區域，且北流河區域海拔跨度大，在30 km的水平距離內，最低最高處的溫度相差12 ℃，區位和海拔因素導致了北流河區域的山杏的葉、花、果生長時間，隨著海拔的升高持續推遲。本研究在借鑒前人研究成果的基礎上，利用阜平縣12個氣象監測站5年氣候資料和地理信息數據，應用GIS技術將氣候要素進行空間插值處理，模擬阜平縣復雜地形下的氣候要素空間分布，再依據評價結果進行阜平縣試點區域山杏種植氣候精細化區劃，充分發揮生態、氣候資源合理利用的優勢，為阜平縣北流河區域山杏的合理種植布局、開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

阜平縣地處保定市西端，為全山區縣，下轄4鎮9鄉，209個行政村，縣域面積2 471 km2；研究區選取阜平縣以西的太行山區，位于東經113°45′～114°13′，北緯38°46′～38°59′。主要地貌類型為亞高山、中山及低山；地勢西北高，東南低；海拔為200～2 186 m；區域面積477.21 km2。行政區劃涉及阜平鎮、天生橋鎮以及龍泉關鎮，包括36個村莊；各鄉鎮由于海拔、地勢的影響，氣溫、降水等各氣象要素均有明顯的差異，西部深山區氣候寒冷，溫度低，縣城周邊溫度則較高。最熱為7月，月均溫26.1 ℃；最冷為1月，月均溫-3.3 ℃，研究區內平均氣溫為4.24～13.15 ℃，地區年降水量為440～650 mm。主要土壤類型為亞高山草甸土、棕壤類、褐土類等。植被類型主要包括寒溫性針葉林、溫性針葉林、落葉闊葉林、山地樺楊林、灌草叢、草地和亞高山草甸等。喬木種類以油松（Pinusta bulaeformis）、柞樹（Quercus mongolica）、速生楊（Populus tomentosa）和白樺（Betula platyphylla）為主；灌木種類以繡線菊（Spiraea Salicifolia）、六道木（Abelia biflora）、胡 枝 子（Lespedeza bicolor）、鼠 李（Rhamnus davurica）等；草本植物以地榆（Sanguisor baofficinalis）、白蒿（Artimisiae Sieversianae）、唐松草（Thalictrum aquilegiifolium）等為主。其中以天然山杏為優勢種的小喬木群落在不同海拔區域都有廣泛的分布。受海拔差距的影響，區域內山杏花果期隨高度增加花期逐次推遲。

2 材料與方法

2.1 數據來源

2.1.1 氣象數據

氣象數據來源于阜平縣氣象局統計資料，包括阜平縣城、北果園鄉、大臺鄉、沙窩鄉、臺峪鄉、夏莊鄉、吳王口鄉、史家寨鄉、南辛莊鎮、龍泉關鎮、平陽鎮以及天生橋鎮2014—2018年12個自動觀測氣象站逐時記錄的氣象數據（歷年日均溫、日最高最低溫度、月降雨量等氣象資料）。

2.1.2 土壤數據

土壤數據來源于阜平縣農業局土壤調查資料。

2.1.3 地理數據

30 m×30 m分辨率的DEM數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），其中包括經度、緯度、海拔等地理信息。

2.1.4 植被數據

山杏指標分級依據來源于《中國植物志》[7]等相關文獻資料以及北流河區域山杏實際生長環境進行確定。

2.2 研究方法

2.2.1 模糊綜合分析法

本研究采用的研究方法為模糊綜合分析法[8]。通過模糊數學的方法，采用隸屬度函數法對各個評價因子進行標準化處理。根據山杏適宜性各評價因子進行分級，構造線性分段函數[9-10]，確定其所屬適宜等級。

2.2.2 GIS空間分析法

在實地調研以及參考山杏相關文獻的基礎上，選取氣候、地形以及土壤條件中的8個指標因子作為山杏種植氣候的適宜性區劃的主要依據，應用ArcGIS 10.2中軟件對山杏種植氣候的適宜性評價因子進行分級，形成各指標因子適宜性區劃后導入評價基礎數據庫，進行圖層疊加運算分析[11-12]。公式如下：

式中：U為綜合評判值， μ(xi)為第i個指標的氣候隸屬度，i(i=1,2,3,···,αi)為相應指標的權重，0＜αi＜1，Σ αi=1。U值在0～1之間，用來評價阜平試點區山杏氣候綜合條件的優劣。

2.3 數據處理

研究區域范圍較小，地形地貌復雜，且只有3個氣象站點，獲取的氣象要素有限。本研究根據全縣12個氣象觀測站2014—2018年的觀測數據，從中提取4個氣候要素，基于多元線性回歸分析法將逐月及年氣候要素和各觀測站的緯度、經度和海拔高度建立細網格推算模型，再進行殘差訂正及空間內插，將均溫和積溫指標的推算值與殘差值疊加，進而修正回歸模型。表達式為[13-17]：

式中：Y為氣候因子，λ表示經度，β表示緯度，h表示海拔高度，ε表示殘差值。

應用ArcGIS 10.2軟件進行25 m柵格單元的空間插值模擬[18-19]，綜合考慮相關地理信息數據，建立空間柵格數據集。降雨量柵格數據采用ArcGIS 10.2軟件中管理工具的反距離內插法得到[20]。坡度、坡向以及高程圖通過ArcGIS 10.2軟件中Spatial Analyst工具對DEM數據進行提取。在實現區劃指標空間化基礎上根據要素隸屬度，建立單因子評價柵格圖層；利用GIS疊加功能，采用線性加權和法，將各指標評價柵格圖進行疊加后，進行重分類，得到山杏種植氣候綜合評價柵格圖。

3 結果與分析

3.1 山杏綜合適宜性分析

根據前人對北方山杏生長的氣候適宜性[21-26]的研究，以及對北流河條帶山杏生長區域進行實地調研等，選取包含年平均氣溫、≥10 ℃年積溫、3—4月極端低溫、降雨量、海拔高度、坡向、坡度、土壤質地8個指標進行分析，作為北流河區域山杏栽培的氣候區劃指標。

3.1.1 氣候適宜性分析

1）溫度。山杏抗寒耐高溫，山杏本身能在-30 ℃或者更低的溫度下安全過冬。此外，對于高溫的承受能力可高達43.9 ℃（絕對最高溫）[22-23]。杏果生長所需溫度在11 ℃左右，盛果期所需溫度在7.5～13.0 ℃，一般情況下在年均溫在5～12 ℃的條件下，阜平縣北流河海拔1 000 m以下區域的4月和以上部分的5月均溫均在11 ℃以上，滿足杏果所需的正常溫度，山杏可以保持正常生長。

2）積溫。光熱資源對山杏的產量和品質有著至關重要的作用，由于杏的生長發育主要是在日平均氣溫≥10 ℃的條件下完成，日平均氣溫穩定≥10 ℃是杏樹陸續進入開花、展葉、結實期的起始臨界溫度，≥10 ℃年積溫達到2 800 ℃以上才能保證杏樹的正常生長。

3）降雨量。山杏耐旱性極強，樹根系深廣，可以深入土壤深層吸收水分，對干旱少雨的氣候條件有很強的適應能力。在降雨量400～600 mm的無灌溉半干旱區域內也能正常結果，獲得良好產量。但在過于缺水或者雨水較多的地區同樣會影響果實的產量以及品質[13]。

4）3—4月極端溫度。山杏耐寒耐高溫，但是花蕾和果實對低溫特別敏感[26]。花蕾能在-4～-1.1 ℃左右的溫度范圍內存活；低于-2 ℃，花朵將不能存活；盛花期階段花朵可承受的最低溫度為-3 ℃；幼果可在-0.6 ℃的條件下生存；當溫度低于-0.6 ℃時，會有凍害產生[27]。通常情況下，花期如遇霜凍，可使產量降低于30%～70%，嚴重可導致山杏絕收[2]。阜平縣在2009—2018年10年間未出現過氣溫≤-25 ℃的情況，山杏在冬季除其他影響外，絕大部分可安全越冬。因此，山杏花期和幼果期前后低溫凍害問題，是影響果實品質的主要因子。不同生長階段，花果生存的溫度范圍不同。北流河地帶的山杏受海拔影響，隨著海拔的逐漸升高，開花時間持續推遲，根據野外實地勘察，阜平地區在海拔1 000 m以下，大部分山杏開花和初果主要發生在3月；海拔1 000 m以上，開花和形成初果的時間主要發生在4月到5月中旬。根據最明顯的變化節點，將該區域分為兩個部分對應3月、4—5月上旬分別進行研究。

綜上，阜平縣北流河區域山杏氣候區劃指標見表1。

表1 阜平縣北流河區域山杏氣候區劃指標Table 1 Climatic regionalization index of A. sibirica in Beiliuhe region of Fuping County

3.1.2 地形適宜性分析

1）海拔。根據2019—2020年在阜平縣開展的實地調查情況以及相關研究，發現阜平縣北流河區域的山杏在700～1 400 m長勢較好，最為密集。海拔2 000 m以下區域也存在小面積的山杏天然林和部分人工種植的單株山杏。

2）坡向。山杏喜光，對土壤要求不嚴，能在陽坡、半陽坡的巖石裸露地帶生長[28-30]。山杏根系可生長于巖石的縫隙中和土層瘠薄的沙地上，具有較強的固土能力和抗沖刷能力[31]。北流河區段陽坡光照充足，但是大面積的陽坡較為干旱，會限制山杏的產量，陰坡光照不足，影響花芽的形成，因此半陽半陰的環境更適宜山杏生長。

3）坡度。10°～15°最為適宜，坡度影響水分的吸收以及植物本身受光的均勻度，一般情況下，坡度15°以下，有利于作物的生長發育[32]。

綜上，阜平縣北流河區域山杏地形區劃指標見表2。

表2 阜平縣北流河區域山杏地形區劃指標Table 2 Topographic regionalization index of A. sibirica in Beiliuhe area of Fuping County

3.1.3土壤適宜性分析

沙壤土的耕性和肥力較好，其供肥保肥能力適中，耐旱耐澇，抗逆性強，適種性廣。排水性能良好，遇雨水天氣時更適宜山杏生長，壤土、沙土次之。綜上，阜平縣北流河區域山杏土壤區劃指標見表3。

表3 阜平縣北流河區域山杏土壤區劃指標Table 3 Soil regionalization index of A. sibirica in Beiliuhe area of Fuping County

3.2 評價因子權重確定

經計算并通過一致性檢驗（0≤一致性比率（CR）≤0.05，均小于0.1），得出區域內山杏的適應性評價因子的權重見表4。

根據表4計算出各單因素指標值，范圍在[0, 1]之間，各評價因子的具體隸屬度函數見式（3）～（10）。

表4 生態適宜性評價因子權重確定Table 4 Weight determination of ecological suitability evaluation factors

3.3 山杏綜合適宜性區劃

綜合評價值以滿足山杏適宜生長的界限為依據，結合阜平西部部分區域山杏生長分布狀況的實地調查，反復對比，確定U≥0.7、0.7～0.4、＜0.4依次為適宜、次適宜、不適宜3個等級，據此得出阜平北流河區域山杏生態氣候適宜性區劃（圖1）。

圖1 阜平縣北流河區域山杏種植適宜性區劃圖Fig. 1 Regionalization map of A. sibirica planting suitability in Beiliuhe area of Fuping County

3.3.1 適宜區

由圖1可知，山杏是阜平北流河區域較為適宜的樹種。適宜區面積346.95 km2占到該區域的面積的72.70%，該區域海拔在400～1 200 m，極端最低溫和最冷月均氣溫相對其他地區均較高，溫度適宜，適合山杏的成長和發育。年降水量適中，能夠滿足山杏成長和發育的需求，且這些地方光照充足可以加快山杏的生長。

3.3.2 次適宜區

次適宜地區123.813 km2，只占25.95%，次適宜區域分布面積小于適宜區，該區主要包括研究區的西部以及阜平縣城西部分區域，研究區西部，溫度在4～8 ℃，坡度較大，25°以上區域占比高。阜平縣西部，該區域溫度在11～13 ℃，兩區年降雨量均在600 mm以上，雨水較多，是限制山杏生長的主要影響因子。該區域不適宜集中連片大面積栽培并且難以統一種植、管理。

3.3.3 不適宜區

不適宜種植的區域占6.447 km2，只在黑崖溝村和駱駝灣村有少量的分布，該區域受制約因素較多，主要原因是海拔過高，坡度過大。海拔升高，輻射量降低，溫度低，會對山杏花果造成凍害，影響開花結實，降低產量。一般不建議在該區種植山杏，如果需要打造不同時段不同海拔山杏持續開花的景觀效果，可以在花前樹體噴水，提高樹體的抗寒力，增加林間空氣濕度，提高露點溫度，從而降低凍害程度和延遲開花時間；或者施硼酸1 500 mg/L溶液，可預防山杏花期遭遇凍害，提高坐果率[11]。該區段需要慎重規劃，加強管理，做好防凍工作，避免樹種死亡。

4 結論與討論

本研究通過野外調查、資料收集以及模糊綜合分析等方法，綜合選取年平均氣溫、≥10 ℃年積溫、3—4月低溫、降雨量、海拔高度、坡向、坡度、土壤質地8個指標對阜平縣北流河區域山杏種植適宜性進行評價。建立地形地貌、氣候條件以及土壤條件等影響因子的屬性和空間數據庫，結合層次分析和標準化處理，通過GIS的空間分析模塊對8個指標因子按權重進行疊加分析，得到山杏氣候適宜性區劃。區分為適宜、次適宜和不適宜3個等級，其中不適宜區域只有1.35%，海拔2 200 m以下都較為適宜山杏的生長，原理上可以通過海拔梯度來影響植被的物候期，使其具備垂直尺度上的觀賞價值，體現土地的景觀功能。將獲得的阜平試驗區適宜性評價圖與山杏的實際分布點進行比較發現，大多分布在適宜區和次適宜區，表明該評價體系具有一定的合理性、可靠性。

然而本研究還存在一些不足之處：

1）由于現有研究成果中未明確光照強度以及隨海拔的上升花蕾逐級開花所需的溫度，以及對區域分段的進一步細化，將在阜平試驗區開展進一步研究、分析光照強度對山杏生長、果實成分的影響，完善適宜性評價指標體系。

2）本次適宜性評價主要針對目前阜平常見的山杏品種，未考慮山杏品種對評價結果造成的影響。此外，在接下來的研究中應該考慮病蟲害對山杏適宜性生長造成的影響。適宜性評價所涉及的內容廣泛，不僅包括研究最多的氣候、地形、土壤等自然因子，還有經濟、交通、市場競爭等社會因子。該研究如果能結合土地利用現狀與植被覆蓋情況進行分析，可以建立更為科學的評價體系，得到更為準確的評價結果。

3）北流河區域明顯的垂直地帶性，可以利用物候期差異打造不同海拔梯度下的植物景觀，對于探索土地多功能利用模式、開展生態觀光旅游具有重要意義。