基于GIS的陜北農作物適宜性精細化評價及布局研究

張靜怡，王雙銀，王正中,2，馬冠華

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2．西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

在農業資源環境約束越來越緊的背景下，研究區域農作物與水土光熱等自然資源稟賦條件之間的關系，可為農作物的優勢挖掘提供科學依據，是特色農業產業鏈延伸和農業結構戰略調整的基礎，有利于推動農村產業興旺和農村經濟繁榮，對促進鄉村振興和區域高質量可持續發展具有重要意義[1-3]。

近年來，依據農業發展需求對作物適宜性評價研究不斷發展，Patanè等[4]選取蓖麻生長的關鍵光熱因素為影響因子在西西里島范圍進行區劃分析；Nabati等[5]基于GIS分析氣候特征、地形、土壤和土地利用情況，在伊朗半干旱區域范圍內對鷹嘴豆進行適宜區的劃分；de Oliveira Aparecido等[6]利用氣溫和降雨量對巴西竹子適宜性區域進行分類；李超等[7]采用GIS技術對縣域內氣象、土壤和地形數據進行處理得到玉米適宜性評價結果。綜合來看，自然資源條件是評價作物適宜性的基礎和關鍵性因素，針對區域多種作物適宜性定量分析和綜合布局研究較少[8-11]。目前我國農業發展轉型需要更多作物綜合適宜性的研究成果作為科學依據，尤其是地處黃土高原地帶的陜北地區地形破碎，水資源緊缺，不適合大規模耕種，因此在當地開展農作物區域綜合布局研究尤為重要。

本研究基于自然資源條件中水土光熱因素，運用GIS技術對陜北地區谷子、馬鈴薯、蘋果3種主要農作物的適宜性進行500 m×500 m精細化計算分析和定量評價，以期獲得各作物的適宜度空間分布和精細化布局結果。研究可為該地區農業布局結構調整提供科學依據，并豐富農業區劃理論。

1 研究方法

1.1 研究區概況

陜北地區地處陜西省北部，包括陜西省榆林市和延安市的25個縣(區)，地處黃河中游黃土高原中心地帶，屬我國九大農業區中的黃土高原區，橫跨中溫帶和暖溫帶兩大季風氣候區，位于35°21′～39°34′N、107°15′～111°15′E，總面積7.995×104km2。東部以黃河為界并與呂梁山脈相望，西北部的白于山是無定河、延河、北洛河的河源區，西南部的子午嶺是涇河和北洛河的分水嶺；南部排列著一系列以灰巖為主的石質山區，俗稱“北山”，是陜北黃土高原與關中盆地的分界。區內地勢西北高、東南低。長城以北為毛烏素沙漠，以沙丘為主，零星分布內陸海子和鹽堿灘地；長城以南以原、梁、峁、溝壑地貌為主。

陜北地區2020年總人口約568萬，其中農村人口占38.66%，農業生產發展對于當地具有重要意義。農業常用耕地面積1.05×106hm2，其中具備灌溉條件的耕地僅占總面積的17.65%，農業生產以旱作物為主，主要農作物有玉米、谷子、糜子、馬鈴薯、大棗和蘋果等[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 層次分析法 層次分析法是一種層次權重決策分析方法。首先建立層次結構模型，采用9標度對各因素重要性進行比較打分并構造判斷矩陣，再計算矩陣的特征值λ、一致性指標CI和一致性比率CR，通過一致性檢驗后得到權重，具體參見文獻[13]。

1.2.2 適宜度模型 在農業生產中，作物生長條件的最適值大多情況下不是一個數值而是一個區間范圍；當現實條件因子的數值低于或高于此范圍時便會對作物生長狀況產生不同程度的不利影響[14]。

(1)

多因子的綜合適宜度NF采用加權平均模型計算：

(2)

式中，ωi為第i個自然條件因子的權重。

1.2.3 基于ArcGIS技術的數據處理 反距離加權插值法是GIS插值處理的主要方法之一，該方法允許數據各向異性，計算速度快易于實現。其原理是通過各已知點與預測位置的距離確定各已知點的影響程度，距離越近則程度越大，從而插值計算得到預測位置的數值[15]。

自然斷點法即自然斷點分級法，運用聚類的思維，最大限度地擴大數據各等級之間的差異，縮小各等級內的差異[16]。在ArcGIS工具中的自然斷點算法作為柵格重分類工具，計算效率高[17]。

1.3 數據來源

陜北地區DEM30 m×30 m分辨率數據來源于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn)；各氣象站點(圖1)1981—2010年逐日的平均氣溫、降水量、日照時長、最高氣溫、最低氣溫從中國氣象數據網(https://data.cma.cn)獲取；太陽輻射數據來自于“NASA POWER | Data Access Viewer”(https://power.larc.nasa.gov)；土地覆蓋遙感監測數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn)。

2 作物適宜性評價體系

結合陜北兩市鄉村振興規劃中對糧食作物、經濟作物及特色發展的指標，選取谷子、馬鈴薯和蘋果3種主要農作物作為研究對象。針對農業自然條件中的水土光熱因素選取坡度、坡向及生育期降水量、日照時長、太陽輻射、平均氣溫、≥10℃積溫7個影響因子，由于生育期溫度日較差對蘋果品質影響較大，因此對蘋果增加了6—9月溫度日較差這一影響因子。

依據層次分析法原理和計算步驟，設置調查問卷請從事農業研究的教授和生產實踐的技術人員打分，確立了陜北作物適宜性評價層次矩陣，檢驗一致性比率CR均小于0.1，最終確定評價指標權重見表1。從各作物權重可以看出，谷子的適宜性主要受降水量、積溫和平均氣溫影響，馬鈴薯主要受到積溫、平均氣溫和降水量影響，而蘋果的適宜性主要受到降水量、平均氣溫和6—9月溫度日較差的影響。據此構建的陜北作物適宜性評價體系詳見表1。

由于式(1)不能用于計算坡度和坡向的適宜度，結合文獻[18-22]，確定3種作物在不同坡度和坡向情況下的適宜度，詳見表2和表3。

表1 作物適宜性評價體系Table 1 Suitability evaluation system of characteristic crops

表2 坡度適宜度賦值Table 2 NFi value of slope

表3 坡向適宜度賦值 Table 3 NFi value of aspect

3 結果與分析

3.1 數據處理

運用GIS技術中的“創建漁網”將陜北地區矢量圖劃分為500 m×500 m的“陜北漁網”，并對點和面進行“連接”建立起定點定位的柵格單元。首先需要排除水域、沙漠、城鄉居民區和坡度大于25°等不能進行評價的柵格單元[23-24]。通過GIS技術對陜北地區DEM圖采用“投影變換”，并用坡度、坡向構造工具得到坡度和坡向，利用“漁網提取”對坡度和土地覆蓋柵格數據進行“漁網提取”，得出評價區域范圍(面積6.22×104km2，占總面積的77.8%)的評價單元248958個(見 圖2)。

在確定可評價區域范圍后，對平均氣溫、≥10℃積溫、降水量建立多元線性回歸方程并用GIS中的屬性表“字段計算器”計算后提取得到“陜北漁網”對應柵格單元數值；日照時長、太陽輻射和溫度日較差采用“反距離權重插值法”分析得出“陜北漁網”對應的精細化柵格單元數值。

3.2 作物適宜度

通過分析計算，評價區域每一個柵單元3種作物的適宜度都在0.70以上。谷子的適宜度在0.8299～0.9955之間(均值0.9070)，大體呈現出從東南向西北逐漸降低的空間分布特點，但東南部黃龍山區最低，且與周圍區域的適宜度反差強烈(圖3a)。馬鈴薯的適宜度在0.7057～0.8933之間(均值0.7855)，且對海拔較為敏感；東南部黃龍山區、西南部子午嶺和西部白于山區的適宜度最大，而東部沿黃地區的適宜度整體較低，表現出從西南向東北逐漸降低的分布特點(圖3b)。蘋果的適宜度在0.7162～0.9316之間(均值0.8267)，適宜度最高的部分位于東南部的黃龍山區和西南部的子午嶺山區，中部的大部分地區適宜度略低于南部，西部和北部的數值最低，呈現出南部高于北部的特點(圖3c)。

圖1 氣象站點分布示意圖Fig.1 Distribution map of meteorological stations

圖2 陜北地區評價區域Fig.2 Evaluable land in Northern Shaanxi

圖3 作物適宜度空間分布Fig.3 Spatial distribution of crop NF

綜合3種作物的適宜度空間分布特點可以看出，雖然南部均為各作物的適宜度最高的區域，但3種作物的適宜度之間仍存在差異，谷子的適宜度明顯比馬鈴薯和蘋果大。從單因素看，評價區內谷子對影響因素中的因子計算出的適宜度高，尤其是水因子中的降水量對谷子表現出的適宜度較馬鈴薯和蘋果數值較高。雖然谷子受降水的影響較大，但是其需水量是3種主要農作物中最小的，谷子以其耐旱的特性在3種作物中優勢突出。東南部的黃龍山區降水量較多，馬鈴薯和蘋果在此處適宜度較高，也反映出水因子是陜北地區農業發展的最主要制約因素。但在此處谷子適宜度較低，這是因為黃龍山地區雖雨水較多但溫度較低，光熱條件不滿足谷子的生長需求，卻能滿足馬鈴薯和蘋果的需水情況。從分布趨勢來看，谷子適宜度分布從東南到西北逐漸減小，隨地形地勢變化不明顯；而馬鈴薯和蘋果分布與地形和流域分布有相似之處，兩者在南部適宜度分布特點是山區的適宜度較高、位于地勢較低的北洛河流域一帶適宜度較低。

3.3 作物適宜性評價

利用自然斷點法分別對各作物的適宜度進行聚類分析，最終劃分為1級、2級、3級和4級四個等級，各作物分級情況具體見表4。

從表4可以看出，各個作物中的適宜度1級占比最大的是谷子，表現出谷子在研究區域內優越的適宜性；2級和3級綜合占比最大的是蘋果；各作物中3級均占比最高的是馬鈴薯且面積最大。

為綜合分析各作物適宜性，依據單作物適宜度數值和分級，對陜北地區各作物評價級別中的1級地區進行識別，將不同作物的重合部分合理劃分，形成陜北主要農作物最適種植區域圖(圖4a,見230頁)。同時，將各作物評價級別中的1、2、3級作為作物布局的主要等級類型，協調各作物的空間分布關系，形成主要農作物布局圖(圖4b，見230頁)。

依據劃分方法可知某地區作物種類越多則表明此地作物分布重合度越高，意味著對當地作物整體生長條件滿足程度越好，從布局結果可以得出陜北地區水土光熱條件基本能滿足3種作物生長需求。

由作物最適種植區域分布結果可以看出，作物適宜性較好的區域零散分布于研究區域的西部，集中分布在研究區域的東南部。西部的適宜性較好的作物是馬鈴薯，且該作物主要位于白于山地區的定邊縣和靖邊縣；東部沿黃地區分布的作物為谷子；南部比其他地區的作物分布多樣性更強，其中表現最明顯的是黃龍山地區，雖然此處的光熱條件不如陜北地區北部，但由于降水量相比于北部地區稍高，所以主要農作物適宜性最好的區域集中于此處。

由陜北主要農作物布局圖(圖4)可以看出，作物重合度最高的區域位于研究區域的中部和南部的大部分以及東北部的小部分，其面積占研究區域面積的一半以上且分布比較集中。東南部黃龍山區有一小部分區域的布局作物為馬鈴薯和蘋果，該區域與周圍的差異表現為谷子在此區域內的適宜性較低，而與此區域相鄰的區域谷子適宜性明顯提升。結合地勢地形，此區域位置與黃龍山地勢相對較高的地區位置相一致，也充分表明了作物谷子適宜度在山區的適宜性較差。西部布局作物面積最小的是馬鈴薯，主要分布在吳起縣境內，其周圍的布局作物是馬鈴薯和蘋果。東部沿黃地區布局作物是谷子和蘋果，分布形狀呈鋸齒狀且邊界凸出部分與河流走向特點接近。研究區東北角的小范圍布局作物為谷子。西北部是作物的不適宜區，因為此處不可種植區域分布廣泛且相連。

表4 作物適宜性等級劃分Table 4 Classification of suitability degree of crops

3.4 作物精細化布局

為更有力地指導農業生產，依據作物適宜性等級情況比較3種主要農作物的優勢(當等級相同時選取適宜度較大的作物)，形成了主要農作物精細化布局，結果見表5和圖5。

從流域來看，位于研究區域東北部的清水川、孤山川、窟野河和禿尾河流域附近優勢作物主要是谷子；在清水川和孤山川中間的地區以及窟野河流域附近是馬鈴薯在北部地區主要分布區域。黃河沿岸地區及其支流，包括延河、無定河全流域所在區域的優勢作物均為谷子。榆溪河全流域的優勢作物以谷子和馬鈴薯為主，在無定河上游左岸部分與榆溪河右岸之間的地區馬鈴薯和蘋果分布較多。北洛河流域的上游地區，定邊縣和吳起縣境內的優勢作物是馬鈴薯，志丹縣境內的優勢作物是蘋果；中游地區的優勢作物是谷子且該作物分布情況與河流及其支流的分布相同。整體來看，谷子主要分布在研究區域南部的北洛河流域和東部的黃河沿岸地區；馬鈴薯集中分布在西部的白于山區，在北部的縣(區)內分布在河流周圍；蘋果主要分布在東南部的黃龍山區、西南部的子午嶺山區、中部及北部的部分縣區。

4 討 論

論文以通過GIS技術對研究區內3種作物適宜性進行500 m×500 m精細化柵格單元劃分并進行研究，得到各作物適宜性空間分布情況及布局。本研究未考慮土壤類型、土壤肥力和灌溉補水等因子，一方面是由于評價范圍內土壤以黑壚土為主，土地改良面積少，耕地上的土壤肥力空間差異不大，對3種作物的適應性影響較為一致；另一方面是由于研究區內現狀灌溉面積僅占常用耕地面積的17.65%，僅為評價面積的3%，整個研究區仍以雨養農業為主。后續將以本次布局成果為基礎，以區域可利用水資源量為約束，對農業水資源配置和灌區規劃建設進行研究。

表5 優勢作物分布Table 5 Distribution of dominant crop

圖4 陜北主要農作物布局Fig.4 Distribution of main crops in Northern Shaanxi

圖5 陜北主要農作物精細化布局Fig.5 Fine layout of main crops in Northern Shaanxi

該研究為分析作物布局將3種作物適宜性等級均劃分為4級，由于作物之間適宜度數值差距大，導致等級劃分結果中谷子的1、2級均高于馬鈴薯的1級數值。文中的等級劃分避免了不同作物適宜度差距大無法比較，縮小各作物適宜性差距；雖然適用于本研究，但對此仍需進一步研究。

5 結 論

1)陜北3種主要農作物生長受降水和溫度影響程度較大，水資源是陜北地區農業發展的關鍵制約性因素。

2)3種作物的適宜度均值從大到小依次是谷子、蘋果、馬鈴薯。其中谷子整體適宜度最高，由東南到西北逐漸減小；馬鈴薯適宜度較高地區分散且主要分布在海拔較高的白于山區、子午嶺山區、黃龍山區。蘋果的適宜度跨度最大為0.2154，其優勢區主要在南部，呈現出從南向北依次減小的趨勢。

3)在自然條件情況下，主要農作物布局中最適宜區域分布面積約為研究區域面積的1/4，主要位于東部沿黃地區，南部的黃龍山區，子午嶺山區，以及西部的白于山區,其中黃龍山地區作物種植的適宜性最強。

4)主要農作物精細化布局中，谷子主要位于東部的縣區和南部的北洛河流域地區；馬鈴薯主要位于西部的定邊縣，在北部的榆陽區、神木市和府谷縣內主要分布在河流周圍；蘋果主要分布在南部黃龍山區、子午嶺山區以及中部和北部的部分縣區。