基于地块单元的甘蔗种植适宜性评价

谢国雪　曾志康　李宇翔　覃泽林　兰宗宝　张秀龙　谢福倩　苏秋群　张家玫

摘要：【目的】对广西崇左市江州区甘蔗种植适宜性进行评价，为甘蔗产业布局的调整提供科学依据。【方法】基于广西崇左市江州区2016年甘蔗作物地块矢量数据，选取土壤、地形、气象和经济4个因子共16个评价指标，利用层次分析法及加权指数和模型评价江州区甘蔗种植适宜性，根据评价结果采用GIS技术将甘蔗种植划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜区域。【结果】将甘蔗种植最适宜和适宜面积与部分“双高”基地（高产高糖糖料蔗基地）面积进行比较，结果显示二者差异较小，评价结果与实际情况基本吻合。崇左市江州区濑湍镇甘蔗种植最适宜区面积为3799.80 ha，占最适宜区总面积的36.90%；崇左市新和镇甘蔗种植不适宜区面积共177.85 ha，占不适宜区总面积的28.84%。【结论】为了科学、合理及有效地利用土地资源，提高甘蔗产量，建议新增“双高”基地，可调整广西崇左市江州区甘蔗布局区域向濑湍镇、罗白乡、太平街道、驮卢镇和左州镇等地发展。

关键词： 甘蔗；种植适宜性；评价；地块单元；GIS技术

中图分类号： S566.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）02-0361-07

Abstract：【Objective】Sugarcane planting suitability evaluation in Jiangzhou district， Chongzuo city， Guangxi provided a scientific basis for adjustment of sugarcane industry distribution for relevant authorities. 【Method】Taking Jiangzhou district， Chongzuo city in Guangxi as an example and selecting 16 evaluation indexes in categories of soil factors， topography factors， meteorological factors and economic factors， analytic hierarchy process（AHP） and the weighted index model were used to evaluate planting suitability based on vector data of sugarcane crop plot in 2016. The sugarcane cultivation areas were divided into the most suitable area， suitable area， suboptimal area and inappropriate area using GIS technology. 【Result】The sum of the most suitable area and suitable area was close to that of high-yield and high-sugar-content sugarcane base， which indicated that the results of the evaluation were in good agreement with the actual situation. The most suitable area for sugarcane planting in Laituan township， Jiangzhou district， Chongzuo city was 3799.80 ha， accounting for 36.90% of the total most suitable area； while the unsuitable area for sugarcane planting in Xinhe township， Jiangzhou district， Chongzuo city was 177.85 ha， accounting for 28.84% of total unsuitable area. 【Conclusion】In order to utilize the land resources scientifically， rationally and effectively， and increase sugarcane production， it is proposed to construct new high-yield and high-sugar-content sugarcane base and adjust the layout area innJiangzhou district， Chongzuo city， Guangxi to townships such as Laituan， Luobai， Taipingjiedao， Tuolu and Zuozhou.

Key words： sugarcane； planting suitability； evaluation； block unit； geographic information system（GIS） technology

0 引言

【研究意義】甘蔗是我国糖料生产的基本原料之一，在国民经济和食品生产中占据极其重要的地位，其种植面积及产量直接影响糖料生产的稳定性。人多地少、自然灾害频发、甘蔗种植投资大收益小、劳动力成本高、机械化水平低等因素严重制约了我国甘蔗产业的发展（覃泽林等，2015）；同时，长期种植单一作物、不合理种植作物、过度使用化学肥料等因素引发了一系列环境问题。因此，科学评价甘蔗种植适宜性，不仅能够为有关部门调整甘蔗种植布局提供可靠数据，还对于解决人地矛盾、合理利用土地资源、提高甘蔗产量、改善环境具有重大意义。【前人研究进展】至今，国内外学者已就不同作物种植适宜性进行了评价。何鹏等（2013）运用层次分析法确定各评价因子的权重，对宜宾市早茶种植生态适宜性进行综合评价并提供茶业资源的合理分配与规划；叶延琼等（2013）应用GIS技术与层次分析法，对广东省水稻进行种植适宜性评价，并运用特尔菲法和专家咨询法选取各生态因子评价指标，从地形因素等9个指标评价广东省水稻种植生态适宜性程度；Bagherzadeh和Daneshvar（2014）根据粮农组织在伊朗东北部Khorasan-Razavi 39个平原上的土壤评估框架，选定作物的气候和土地质量因子，基于多标准方法参数法对小麦、玉米作物进行土地种植适宜性评价；Manandhar等（2014）通过研究尼泊尔西部卡利甘达基流域的山区苹果栽培的生物物理和社会经济适宜性，从主要和次要来源收集必要的数据和信息，使用可变和相等权重的指标评价苹果种植适宜性；王路明等（2014）以陕西省定边县为例，通过野外采集数据和综合分析，运用GIS技术将土壤图、土地利用现状图和行政区划图叠加确定评价单元，综合层次分析法与模糊评价法对土壤质地、立地条件等因子进行评价，分析影响该地区种植玉米的主要因素；王丽等（2016）运用模糊数学与生态位对江苏省的冬小麦进行种植适宜性评价，选取影响小麦种植的主要气象（降水、日照时数等）和土壤质地（有机质、氮磷钾含量等）生态因子建立适宜度模型，结合GIS空间分析和空间插值，计算江苏省冬小麦种植适宜度并进行等级划分；Yalew等（2016）从全球数据、文献综述和现场调查确定农地适宜性评价指标，运用层次分析法和GIS计算埃塞俄比亚的Abbay盆地农业的最适宜和次适宜区。分析前人研究发现，综合使用GIS技术、层次分析法、数学模型及模糊评价等方法评价作物种植适宜性更具科学性和准确性，而选取评价指标的全面性、合理性是评判评价结果可靠与否的关键所在。【本研究切入点】现有的文献中评价甘蔗种植适宜性的研究报道甚少。【拟解决的关键问题】基于广西崇州市江州区2016年甘蔗种植地块数据，选取土壤（土壤类型、pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾）、地形（高程、坡度、坡向）、气象（年降雨量、年积温、日照时数）及经济（道路、水域、村庄、糖厂）4个因子共16个评价指标，利用层次分析法及加权指数和模型评价适宜性，根据评价结果采用GIS技术将甘蔗种植划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜区域，并评估非甘蔗种植区的甘蔗种植适宜性，为有关部门调整甘蔗产业布局提供科学依据。

1 数据来源及研究方法

1. 1 研究区概况

江州区位于广西崇左市中部，东连扶绥、西接龙州、南靠宁明、北邻大新，地处北回归线以南，属亚热带季风气候区，年平均年平均气温21.0～22.3 ℃，年平均降雨量1150 mm，年平均日照时数1634.4 h。其优越的自然条件适合农业生产，主要农作物有甘蔗、水稻、木薯、香蕉、柑橙和红瓜子等。境内土壤类型有水稻土、砖红壤土、石灰岩土、紫色土、冲积土和沼泽土，砖红壤所占比例较大，耕地土壤pH偏酸性。

1. 2 数据来源

采集数据包括：①利用多时相GF-1影像上获取的2016年研究区农作物地块（包括香蕉、玉米和木薯等作物，已剔除水稻和甘蔗）、甘蔗作物地块及水域、村庄、道路、糖厂等的矢量数据；②由广西崇左市农业局提供的2011年研究区土壤相关专题图（包括土壤类型、pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾）及2014～2016年研究区的“双高”基地（高产高糖糖料蔗基地）矢量数据；③《崇左市统计年鉴（2011～2015年）》中有关气象数据（包括年平均降雨量、年平均日照时数、年累积积温等）；④30 m的DEM（数字高程模型）数据。

1. 3 研究方法

1. 3. 1 数据处理 由于土壤因子相关信息仅获取了图片格式的专题图，本研究以面向对象分类方将专题图中不同内容进行提取，将矢量信息转换为点信息，在此基础上人工加密样本点，进而在ARCGIS 10.3平台上利用最邻近加权法内插计算获得土壤因子栅格数据。该方法能够保证样本点自身值不变，根据距离权重内插计算未知点值。同理，气象数据根据各乡（镇）点值内插计算生成气象因子栅格数据。坡度和坡向分别基于DEM利用ARCGIS 10.3平台的Slope、Aspect工具计算生成求取。

1. 3. 2 评价因子 甘蔗作物原产于热带和亚热带地区，整个生长过程需要较高的温度和充沛的雨量，具有喜高温、耗水量大、吸肥多等特点（李杨瑞，2010），虽然其对土壤类型无过多要求，但土壤pH及有机质、氮、磷、钾含量对其生长具有重要影响。本研究根据甘蔗作物生长的特性，结合研究区实际情况及现有的资料，从自然条件和社会经济条件两大方面综合评价甘蔗种植适宜性，其中，自然条件包括土壤因子（土壤类型、pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾）、地形因子（高程、坡度、坡向）和气象因子（年降雨量、年积温、日照时数），社会经济条件用经济因子表示，包括道路、水域、村庄和糖厂等因素。

1. 3. 3 因子权重计算及检验 本研究使用层次分析法计算评价指标的权重值，以土壤因子、地形因子、气象因子和经济因子构建准则层，以具体细化的16个评价指标建立子准则层，最后构建层次结构模型（图1）。

根据层次结构模型构建判断矩阵，聘请有关专家对准则层的因子进行权重打分，以专家打分值的众数作为该因子的得分值，利用方根法计算各指标权重值；分别利用一致性指标（CI）和判断矩阵的随机一致性比例（CR）检验判断矩阵的一致性及一致性的满意程度，当CI=0时，说明判断矩阵具有完全的一致性，值越大反映判断矩阵一致性越差，当CR<0.100时，说明判断矩阵具有令人满意的一致性，否则需要调整判断矩阵，重新计算。CI和CR的计算参考徐建华（2002）的方法。

1. 3. 4 加权指数和模型评价适宜性 甘蔗种植适宜性区域划分选择加权指数和模型评价因子的适宜性，其实质是将评价因子各指标权重累加求和的过程，并依据求得的评价因子总分值进行适宜性等级划分，表达式如下：

S=WiPi

式中，S为评价因子的综合分值，Wi为第i个评价因子得分值（无量纲），Pi为第i个评价因子权重，i为评价因子编号，n为评价因子数量。S越高说明对应的地块越适宜种植甘蔗，反之则不适宜。

2 结果与分析

2. 1 权重与检验结果

本研究根据层次结构模型建立了5个判断矩阵，并计算各矩阵中各指标重要性次序的权重值（层次单排序），同时要求各判断矩阵通过一致性检验，且均具有令人满意的一致性。如表1所示，所有的判断矩阵均通过一致性检验，说明判断矩阵构建符合要求，计算的层次单排序结果可用于计算层次总排序。层次总排序实际是利用准则层和子准则层的权重，计算子准则各因子的重要性排序（权重），即子准则层与准则层的权重乘积和。层次总排序计算得到的权重之和为1。层次总排序及一致性检验结果如表2所示。

2. 2 评价指标阈值与分值

本研究将甘蔗种植适宜程度划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜区，根据专家对指标体系范围值划定及4个适宜区打分结果，参考《现代甘蔗学》（李杨瑞，2010）、《云南高原特色甘蔗产业发展与技术战略研究》（张跃彬等，2013）及相关学术论文（刘建波等，2009），结合甘蔗生长所需条件，最终确定各评价指标的适宜性阈值及分值（表3）。本研究将评价指标阈值划分为4个等级，并以2、4、6和8分评定阈值重要性，即最适宜种植甘蔗的閾值得分（8分）最高。在最适宜区等级内的16个评价指标阈值均满足最适合种植甘蔗的要求，如pH为6.50～7.50，则极利于甘蔗生长，pH过高或过低将抑制甘蔗生长。土壤因子、地形因子和气象因子的阈值划定严格按照甘蔗生长所需自然条件要求进行细分，经济因子则根据研究区实地情况完成划分。

2. 3 甘蔗种植适宜性评价结果与检验

2. 3. 1 评价结果 本研究在ARCGIS 10.3平台的Model模块上，将评价指标统一转换为无量纲栅格数据，进而根据加权值指数和模型计算结果评价甘蔗种植适宜性。由图2可知，最适宜区分布较集中，主要分布在濑湍镇、罗白乡和太平街道；适宜区面积最大，分布相对较均匀，其中驮卢镇、左州镇和太平街道所占面积较多；次适宜区主要集中在左州镇和新和镇；不适宜区面积极少，主要位于左州镇、新和镇和罗白乡。

2. 3. 2 评价结果检验 为验证上述评价结果的准确性，随机选取崇左市江州区10个“双高”基地作为样本。“双高”基地多建设于地势平坦、甘蔗成片种植且产量较高的区域。分别以10个“双高”基地边界为范围，统计该范围内的最适宜及适宜区面积，进而比较“双高”基地面积和评价结果总面积。由表4可知，“双高”基地甘蔗种植面积和最适宜区及适宜区面积总和极为相近，说明本研究结果较可靠，评价结果可进一步用于指导甘蔗产业规划。

2. 4 江州区甘蔗产业布局合理性分析结果

2. 4. 1 甘蔗生产布局合理性分析 根据崇左市江州区2016年甘蔗种植适宜性评价结果（图2），对4个适宜区评价面积进行统计，最适宜、适宜、次适宜和不适宜区面积分别为10297.71、42705.42、19791.80和616.75 ha，最适宜区和适宜区面积占甘蔗种植总面积的72.20%，说明江州区甘蔗布局基本合理。分别统计各乡（镇）最适宜区和适宜区的评价结果，可得知濑湍镇、太平街道、罗白乡和驮卢镇的甘蔗种植最适宜区面积较大，分别为3799.80、1871.52、1773.49和906.45 ha；驮卢镇、太平街道、左州镇、新和镇、濑湍镇和江州镇的甘蔗种植适宜区面积较大，分别为8717.45、6693.17、5689.72、5087.87、4621.65和4523.38 ha。因此，新增“双高”基地可向这些区域发展。

2. 4. 2 产业布局调整建议 为促进甘蔗产业的可持续发展，科学调整甘蔗产业布局，改善不科学种植引起的环境问题，本研究对2016年崇左市江州区甘蔗种植适宜性评价的不适宜区域进行统计，记录主要涉及的村庄（表5）。种植不适宜区域大多存在坡度过大、道路交通不便利、土壤贫瘠等现象，有关部门应当积极引导农户退耕还林或改种果树，避免不科学种植引起滑坡灾害。如表6所示，本研究利用甘蔗适宜性评价模型评价耕地地块（种植非甘蔗作物）的甘蔗种植适宜性，统计出最适宜和适宜区面积，列举出涉及的主要村庄。由于长期种植甘蔗作物容易引起土地疲劳，本研究成果为规划轮耕区域指明了方向，新增或规划轮耕区域可向濑湍镇、罗白乡、驮卢镇、左州镇、那隆镇等区域发展。

2. 4. 3 发展甘蔗机械化作业 崇左市江州区属于广西甘蔗种植重点区域，为提高工作效率，减少劳动力和资金投入，有关部门及企业应当大力推进甘蔗种植、管理、收割、装载、加工机械化作业，以促进农户种植甘蔗的积极性，提高甘蔗产业竞争力。一般认为甘蔗种植地0～6°属于缓坡耕地，适合发展大型机械；6～15°属于中坡耕地，通过坡改梯拓宽耕地面宽达7～10 m的条件下，可发展中小型机械化（张跃彬等，2013）。目前，崇左市江州区甘蔗种植分布在以上两种坡度区域的面积较多（1）<6°甘蔗种植面积为34550.76 ha，占其种植总面积的47.06%，其中，驮卢镇、太平街道、左州镇、濑湍镇、新和镇、罗白乡、江州镇、板利乡和那隆镇的种植面积分别为6151.81、5250.70、4644.10、4527.34、4059.26、3629.82、3389.01、1898.13和1000.59 ha，主要涉及渠立村、灶瓦村和渠邦村等32个村庄；（2）6～15°甘蔗种植面积为32164.99 ha，占其种植总面积的43.82%，其中，驮卢镇、新和镇、江州镇和左州镇所占比例较大，分别为4693.43、4590.29、4355.84和4186.14 ha，主要涉及灶瓦村、渠邦村和逐盎村等35个村庄。统计结果表明，崇左市江州区具有较大发展机械化作业的潜力，提高机械化水平对于甘蔗产业发展具有积极的促进作用，应当列入甘蔗产业规划的重要内容当中。

3 讨论

目前，国内已有学者就甘蔗种植适宜评价进行研究，如刘建波等（2009）以14个气象站点1971～2005年实测资料，评价海南甘蔗种植的气候适宜性；古丽等（2011）研究了广西南宁蔗区气象与产量的关系，结果表明大气湿度降低将导致甘蔗产量下降；王飞和邢世和（2012）以GIS技术与数据模型集成的方法，根据68个气象站地理位置及近30年气象要素观测资料对福建省甘蔗气候适宜性进行评价。这些学者的研究结果表明气候因素对甘蔗的生长具有较大的影响。本研究与上述研究具有相同观点，认为气象因子是评价甘蔗种植适宜性必不可少的评价指标，并结合土壤、地形和经济等多方面因素综合评价种植适宜性，其评价指标更加全面、科学。另外，本研究对象以地块为单元，做到了精细化；利用评价结果与“双高”基地面积进行比较，以进一步验证评价结果的准确性。但本研究未能利用近30年的气象数据完成评价，虽然崇左市江州区气候条件较符合甘蔗作物生长，但数据收集的不完整性，同样会对评价结果的准确性产生一定影响，因此，后期需增加气象数据的收集，提高气象因子的准确度。

本研究评价指标的权重采用层次分析法进行计算，该方法已被许多学者应用于多领域进行评价研究，如赵建军等（2012）利用层次分析法计算评价耕地质量指标权重值；马丽丽等（2013）对昌平地区建筑用砂矿区进行环境评价，利用层次分析法计算6项指标權重值；庄倩（2016）基于AHP法对江苏省高标准农田综合生产能力进行了评价。以上学者的研究成果说明层次分析法用于适宜性评价具有可行性，其能够将复杂问题层次化、简单化，因此受到广大学者青睐；但构造的判断矩阵分值主要取决于有关专家的经验，存在一定的人为因素，为了提高结果的准确性，减少人为因素，后期需要在专家打分的基础上进行实地检验，确定评价指标的分值。

4 结论

为了科学、合理及有效地利用土地资源，提高甘蔗产量，建议新增“双高”基地，可调整广西崇左市江州区甘蔗布局区域向濑湍镇、罗白乡、太平街道、驮卢镇和左州镇等地发展。

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（责任编辑 邓慧灵）