基于GIS的云南省蘋果種植適宜性區域劃分研究

吳星雨，楊林楠，費 凡

（云南農業大學大數據學院/云南省農業大數據工程技術研究中心/綠色農產品大數據智能信息處理工程研究中心，昆明 650201）

土地資源是人們賴以生存和發展的基本保障，也是農業生產最根本的物質要求［1］。作物種植的土地適宜性評價是指某個特定區域內土地類型對該作物的適應狀況程度，可通過分析特定區域內的環境因素，來評價土地對某種作物種植是否適宜和適宜的程度［2］。隨著經濟社會的不斷發展，人口日益增多，自然環境發生了巨大變化。在這種背景下，對土地適宜性進行評價，指導科學合理利用土地資源、節省人力物力就顯得尤為迫切和重要［3］。在傳統的適宜性評價研究工作中，通常需要研究人員去研究區域實地調研和考察，人為來測量和計算，具有極大的局限性和不確定性。同時，還會受地形變化、氣候變化、交通和通訊條件等外來因素的限制和影響，極大地制約了大范圍區域的作物種植適宜性評價和規劃［4，5］。

本研究以蘋果種植為實例，在團隊前期研究基礎上，以云南省為研究區域，采用GIS空間分析和建模技術，通過對影響蘋果生長狀態條件的調查和云南省當地的自然環境，綜合分析多種因素對蘋果種植的影響，選取降水量、氣溫、日照時間、積溫、坡度、坡向、海拔、有機質、土層厚度、pH 10個環境影響因子作為評價云南省蘋果種植適宜性評價因子。結合反距離權重柵格插值法、層次分析法，對蘋果種植適宜性的空間分布規律進行分析，研究確定蘋果種植適宜性區域分級標準和云南省不同地區蘋果種植的適宜性程度，為云南省蘋果科學種植提供決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域及數據來源

1.1.1 研究區域云南省，簡稱云或滇，省會昆明市，位于北緯21°8′—29°15′，東經97°31′—106°11′。由于云南省特殊地理位置，區域內光照充足、晝夜溫差大、無霜期長，有利于蘋果的生長發育。2018年云南省蘋果種植面積已達5.2萬hm2，種植面積全國第六，蘋果產量全國第十。云南省現已成為全國主要的蘋果生產地之一，其中昭通蘋果在云南省最為著名。

1.1.2 數據來源

1）氣象數據。本研究所涉及的氣象數據主要來源于云南省109個氣象觀測站點所釆集的30年（1981—2010年）基礎氣象數據，包括每日采集125個縣市的降水量、氣溫和積溫等氣象數據。氣象觀測站點分布如圖1所示。云南省降水量、氣溫和≥10℃積溫的分布情況如圖2至圖4所示。

圖1 云南省109個氣象觀測站點的空間分布

圖2 云南省≥10℃積溫分布

圖3 云南省年降水量分布

圖4 云南省平均氣溫分布

2）基礎地理信息數據。本研究所用基礎地理信息數據主要包括全國90 m的數字高程模型（DEM）數據，通過ArcGIS軟件處理得到云南省125個縣市的坡度、坡向、海拔高度等柵格數據。其中，云南省海拔高度情況如圖5所示。

圖5 云南省海拔分布

3）土壤類型數據。土壤數據由云南省測土施肥工程項目所采集，包括云南省125個縣市土壤pH、有機質含量和土層厚度。其中，云南省土壤pH和有機質含量的分布如圖6、圖7所示。

圖6 云南省土壤p H分布

圖7 云南省土壤有機質分布

1.2 數據處理與研究方法

蘋果的生長發育依賴于氣溫的變化，氣溫越高開花時節越早［6］。蘋果在日照時間充足、無霜期長、降水量多和土地肥力好的地區更適宜成長。依據劉捍中［7］的研究成果，結合云南省當地實際情況，對影響蘋果生長發育的環境因子進行比較分析，最終確定了土壤、氣候和地形3個維度，共計10個評價指標，作為蘋果種植適宜性評價因子，具體包括≥10℃積溫、年降水量、坡度、年均氣溫、土壤有機質、土層厚度、坡向、土壤pH、海拔高度和日照時數。

首先，利用反距離權重法（IDW）計算預評價指標因子。反距離權重法是農業區劃中常用的方法，是描述氣象數據空間分布特征的一種確定性內插方法。反距離權重法對每個離散點周圍都進行平均計算，最后得出插值點數據，插值點和采樣點兩者之間的間距標記為權重，然后加權平均，距離插值點越近的采樣點權重被賦予的值就越大［8］。對應的公式如下。

式中，d2i=(X-X i)2+(Y-Y i)2，X i、Y i、Z i為離散點的坐標和數值，Z為插值點的數值。

其次，利用GIS技術完成各影響因子權重計算，各權重值加權疊加分析得到最后的適宜性數據，其數學基礎［7］公式如下。

式中，C為適宜性總和；Ci為第i個影響因子的分值；Wi為第i個影響因子的權重；n為影響因子總個數。

最后，采用層次分析法［9］，計算出各因子的權重值［10］，將各因子的適宜性等級劃分為4個類別：最適宜、適宜、次適宜、不適宜。劃分各評價因子適宜范圍，如表1所示。年均降水量、年均溫度、日照時數、≥10℃積溫、坡度、坡向、海拔、有機質、土層厚度、pH的權重分別為0.273、0.213、0.092、0.071、0.101、0.032、0.048、0.049、0.089、0.032。

表1 指標體系

2 結果與分析

2.1 影響因子的GIS處理結果

2.1.1 氣象影響因子收集云南省109個氣象站點1981—2010年的氣象數據，利用反距離權重柵格插值法分析計算。由于距離采樣點越遠權重越小，越近權重越大。所以本研究采用反距離權重法進行柵格插值計算，處理結果如圖8所示。

積溫在農業生產中占有十分重要的地位。作物生長發育都需要考慮積溫的影響，當積溫達不到作物生長發育所要求的范圍時，作物無法生長或者影響農作物產量，所以積溫是農作物生長不可或缺的一個重要指標。從圖8a可以看出，云南省≥10℃年活動積溫從南到北逐漸降低，蘋果適宜在3 200～3 800（d·℃）生長，云南省大部分地區的積溫符合標準和要求，西北少部分地區≥10℃年積溫較低，所以不太適合蘋果種植。

日照時間在農作物生長中占有十分重要的地位。蘋果屬于喜光果樹，日照時間的長短直接決定了蘋果果實的品質和色澤。當日照時數超過2 200 h時，有利于蘋果花芽分化和果實發育。特別是在海拔較高的地區，充足的日照時間能夠提高蘋果糖分和維生素的含量。此外，時長多可以讓蘋果果皮更加緊密，方便儲藏和運輸。從圖8b可以看出，昭通、劍川等地日照時間充沛，非常適宜栽種。德欽、富寧、綏江等地因光照時間不足，在這些地區栽種蘋果要注意光照時間不足的因素，增加人為補光。

適宜的溫度是農作物生長發育的必要條件，蘋果的生長發育同樣離不開溫度，氣溫越高蘋果的開花時節越早。蘋果在無霜期長、溫度適宜的情況下更適宜生長。在平均氣溫8.5～11.5℃時最適合蘋果生長，劍川、昭通、魯甸等部分地區是蘋果平均氣溫最適合生長區域（圖8c）。

充沛的降雨量對農作物來說非常重要，農作物的生長發育離不開水。只有水分達到一定的程度，農作物才能正常光合作用并保持水分平衡。蘋果的生長發育對水分的要求比較高，一般降水量在600 mm以上才比較適合蘋果種植。從圖8d可以看出，云南省降水量為855.73～1 427.45 mm，且云南省降水量由南向北呈下降趨勢。最適合蘋果種植的降水量為600～750 mm，適宜種植的區域要求降水量大于750 mm。云南省的降水量比較適宜蘋果種植。

圖8 氣象影響因子

2.1.2 地形影響因子將全國90 m的DEM數據對照已有云南省氣象數據在Arcmap軟件中按掩膜提取裁剪，得到完全覆蓋云南省的高程數據，再經過ArcGIS 10.4軟件中3D Analyst工具計算得到坡度、坡向數據，結果如圖9所示。

坡度影響農作物對水分的吸收，相比于坡度下方，坡上的農作物吸收的水分較少。坡度越大越容易引起水土流失，坡下肥沃，坡上貧瘠。如果坡度夠大，坡上方接收到的紫外線和藍光也會高于坡下，強紫外線會造成植株矮小。坡度對溫度和風力也有一定的影響。當坡度小于15°時最適宜蘋果的生長。當坡度大于30°時不利于蘋果的生長。從圖9a可以看出，云南省的坡度分布非常不均勻，地勢起伏較大。昭通、昆明、曲靖等地的坡度適宜蘋果的生長，西北地區坡度較大，不適宜蘋果生長。

海拔對蘋果的生長有重要的影響。海拔高的地區空氣壓力低，溫度會隨著海拔升高而下降，且植株所需的碳含量也大大減少。當海拔小于1 300 m時是蘋果的最適宜生長地區，如陜西省的蘋果產區海拔就在800～1 200 m。從圖9b可以看出，云南省海拔差異明顯，北部地區海拔較高，大部分地區不適宜蘋果生長；而南部地區海拔偏低，適宜蘋果生長。

坡向對蘋果的生長也有影響。坡向有向陽坡和背光坡，向陽坡和背光坡兩坡之間的溫度差異很大。坡向也決定著不同的降水量，有的一山之隔降水量可能相差幾倍。當坡向在135～225時，最適宜蘋果的生長；當坡向在315～360時，不適宜蘋果的生長。從圖9c可以看出，云南省坡向變化起伏大，各地區都有適宜生長的坡向區間。

圖9 地形影響因子處理結果

2.1.3 土壤影響因子從云南省測土施肥項目工程數據里提取土層厚度、有機質含量和pH數據，將得到的數據輸入軟件并進行格式轉換，用Arcmap軟件對3種數據進行重分類，得到各因子重分類圖，用于后續各個因子的加權疊加分析，結果如圖10所示。

pH是體現某溶液或物質酸堿度的表示方法。一般作物生長較喜歡弱酸性土壤，有些比較喜歡偏中性或者弱堿性土壤，而蘋果喜歡生長在微酸性土壤中。云南省土壤pH為4.4～8.5，即沒有強堿性土壤，同時也沒有強酸性土壤，從北到南土壤pH逐漸減小，由弱堿性土壤逐漸過渡到弱酸性土壤，其中偏酸性土壤較偏堿性土壤面積大一些，可能是由于云南省降水充足，腐殖質較多而引起的。蘋果適宜種植的pH為5.4～6.8和6.8～8.2。從圖10a可以看出，滇中昆明，滇東北昭通、魯甸，滇西北麗江等地區的土壤pH范圍都比較適合蘋果種植。個別地區的土壤pH不適宜進行蘋果種植，可以適量使用調節土壤pH的肥料將土壤pH調整到適宜的區間之后再進行蘋果種植。

圖10 土壤影響因子

深厚的土層結構可以使植株的根系發達、分布變廣，讓植株生長旺盛，增強根系的吸收能力。同時能讓植株枝干粗壯，抵御不良環境的侵襲。云南省土層厚度較好，絕大部分地區都滿足了蘋果栽種對土層厚度的需求，在土層厚度大于1 m時，最適宜栽種蘋果。從圖10b可以看出，云南省除了北部少部分地區不適合栽種外，絕大部分地區都適宜栽種蘋果。

有機質是植物養分的主要來源。有機質中有植物所需的各種營養元素，特別是土壤中的氮有95%的狀態是以有機質存在，有機質同時可以促進作物的生長發育，改良土壤結構。云南省土壤肥沃，有機質含量高。蘋果在土壤有機質含量大于1.5 g/kg的土壤中可以得到很好的生長。從圖10c可以看出，云南省土壤有機質含量適合進行蘋果栽種。

2.2 云南省蘋果適宜性區劃

針對不同的作物和影響指標，使用不同的分類方法才更具有準確性［11，12］。在Arcmap軟件中，將10個影響因子的數據進行重分類后加權疊加得到最后蘋果的適宜性，依靠適宜性的高低劃分為最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區4類。將得到的4類區域賦予不同的顏色，最后進入布局視圖狀態，結果如圖11所示。

圖11 云南省蘋果適宜性區劃示意

2.2.1 最適宜區和適宜區云南省蘋果種植最適宜和適宜的地區主要集中在昭通、曲靖、麗江、大理、昆明、劍川等地。這些地區降水量豐沛，≥10℃積溫在2 400℃以上，溫度適宜，海拔較低，土層較厚，土壤有機質含量高，滿足了蘋果的生長需求，可大規模進行蘋果種植。

2.2.2 次適宜區域云南省蘋果種植次適宜區主要集中在文山、紅河的大部分區域，昭通、曲靖、玉溪、保山的小部分區域。這些地區年均氣溫為7.5℃或13.5℃左右，積溫為2 000（d·℃）左右，坡度為15°～30°，海拔為1 600～2 100 m。這些區域雖然可以進行蘋果種植，但是相同種植規模下的產量會比最適宜區和適宜區要小。

2.2.3 不適宜區云南省不適宜種植蘋果的區域主要在迪慶的北部、普洱西南、德宏、西雙版納、紅河的部分地區。由于年均氣溫、日照時數、積溫、海拔和土壤因子達不到蘋果生長發育的要求，因此，不建議在此地盲目進行蘋果種植。

3 討論

針對蘋果種植適宜性區劃問題，雖然國內外已有部分研究人員開展了相關研究工作。黃杏元等［10］將GIS原理和方法用于土地適宜性評價；程振龍等［13］利用GIS空間分析與建模技術對棲霞市蘋果種植適宜性進行評價；何可杰等［14］基于GIS對寶雞市蘋果氣候區劃進行了研究；吉志紅等［15］基于GIS對三門峽市蘋果種植氣候適宜性區劃進行了研究。李東穎等［16］基于GIS對天水市蘋果種植適宜性決策進行了分析。以上研究成果表明，利用GIS技術對蘋果種植進行適宜性評價比傳統人工評價更系統、科學，特別是針對大范圍區域的蘋果種植適宜性評價優勢更為明顯。但是，由于影響蘋果種植的環境因素復雜，每種環境因素對蘋果種植的影響程度不同。如何科學地選取影響蘋果種植的環境影響因子，并確定各環境影響因子的權重，成為決定蘋果種植適宜性評價效果的關鍵問題。目前，在蘋果種植適宜性區劃研究中，針對蘋果種植的環境影響因子的選取還處在研究階段，尤其是各環境影響因子權重的計算方法，尚存在諸多問題需要解決，更需要實例加以證明。本研究選取的環境影響因子涵蓋土壤、氣候和地形3個維度10個因子，包括了現有研究成果中已知對蘋果種植起主要影響的環境因子，且所用到的原始數據時間跨度較長，數據采集點較多，所以對云南省蘋果種植環境描述更準確、全面，區劃分析結果更科學、可信。結果表明，云南省蘋果種植適宜區面積大于現有實際蘋果種植面積，除傳統的蘋果主產區（麗江、昭通、曲靖、昆明）外，大理、玉溪等地區也適宜進行蘋果生產，所以可以適當擴大這些地區的蘋果種植面積。這些研究成果對云南省蘋果產業發展起到了積極的促進作用。

4 小結

本研究將云南省氣候、地形、土壤3方面的數據資源和蘋果生長發育所需的環境要求相結合，確定了10個環境影響因子作為云南省蘋果種植區劃評價指標。利用反距離權重插值法，通過重分類得到各環境影響因子的柵格圖；然后，疊加各環境影響因子柵格圖；最終得到云南省內適合蘋果種植的區域，形成云南省蘋果種植適宜性區劃圖。區劃結果表明，云南省具有種植蘋果的潛力，可進一步發展蘋果種植產業。本研究原始數據豐富，區劃指標選取合理，給出了云南省各地區針對蘋果種植的不同適宜度，以期為云南省蘋果產業科學布局提供理論依據。