基于GIS的江苏省蔬菜种植土地适宜性评价及其空间异质性分析

朱大威 朱方林

摘要：【目的】评价江苏省各区域蔬菜种植土地适宜性，分析其空间异质性，为优化省域范围蔬菜种植布局提供决策依据。【方法】在建立蔬菜种植土地适宜性评价指标体系的基础上，基于地理信息系统（GIS）和层次分析法，采用多因子加权叠加法评价江苏省蔬菜种植土地适宜性，并对评价结果进行全局、局部空间自相关分析及热点分析。【结果】江苏省各区域蔬菜种植土地适宜性评分高值区集中在太湖农区、里下河农区的部分地区，评分低值区主要分布在徐淮农区、沿海农区及沿江农区的部分地区。高度适宜、适宜、勉强适宜、不适宜等级的地块分别占地块面积的9.79%、56.07%、32.00%、2.13%。全局空间自相关分析表明，江苏省蔬菜种植土地适宜性相似的地区趋于空间集聚;局部空间自相关分析将聚类区域分为3类不同区域。热点分析表明，适宜种植蔬菜的热点区域分布在里下河农区和太湖农区部分地区，不适宜种植蔬菜的冷点区域分布在徐淮农区和沿海农区的部分地区。【建议】应进一步提升蔬菜种植决策的科技含量，加强农业区划研究及蔬菜产业经济研究的深度与广度。

关键词： 蔬菜种植;土地适宜性;GIS;空间;自相关;江苏省

中图分类号： S127                              文獻标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）08-1878-07

Suitability evaluation and spatial heterogeneity analysis of vegetable planting land in Jiangsu Province based on GIS

ZHU Da-wei， ZHU Fang-lin*

（Institute of Agricultural Economics and Development， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Jiangsu Agricultural Science and Technology Innovation Decision Consulting Research Base， Nanjing  210014， China）

Abstract：【Objective】To evaluate the suitability of vegetable planting land in Jiangsu Province and analyze its spatial heterogeneity， so as to provide decision-making basis for optimizing vegetable planting layout in provincial scope. 【Me-thod】On the basis of establishing the evaluation index system of vegetable planting land suitability， the multi-factor weigh-ted superposition method was used to evaluate the vegetable planting land suitability in Jiangsu Province based on geographical information system（GIS） and analytic hierarchy process. The global and local spatial autocorrelation analysis and hot spot analysis of the evaluation results were carried out. 【Result】The high value areas of vegetable planting land suitability score in Jiangsu Province were concentrated in some areas of Taihu Lake and Lixia River agricultural regions， while the low value areas were mainly distributed in Xuhuai agricultural region， coastal agricultural region and Yangtze River agricultural region. Highly suitable， suitable， barely suitable and inappropriate grades accounted for 9.79%， 56.07%， 32.00% and 2.13% respectively. The global spatial autocorrelation analysis showed that the areas with similar vegetable planting land suitability in Jiangsu Province tended to agglomerate in space. Hot spot analysis showed that the hot spot areas suitable for vegetable cultivation were distributed in Lixia River agricultural region and Taihu Lake agricultural region， and the cold spot areas unsuitable for vegetable cultivation were distributed in Xuhuai agricultural region and coastal agricultural region. 【Suggestion】The scientific and technological content of vegetable planting decision-making should be improved and agricultural regionalization and economic research of vegetable industry should be strengthened and broadened.

Key words： vegetables planting; land suitability; GIS; space; autocorrelation; Jiangsu Province

0 引言

【研究意义】当前我国蔬菜产值已经超过粮食产值，成为种植业的第一大产业（王静和曾玉珍，2017）。发展蔬菜产业对促进农民致富增收，提高城乡居民生活质量具有重要意义。传统上菜农种植决策受到市场、风险、种植习惯及自然条件等因素的支配（宋雨河，2018），蔬菜种植布局具有一定的盲目性，特别是缺乏基于定量化的土壤养分、立地条件等自然资源信息指导种植决策。因此，研究蔬菜种植土地适宜性，对解决在资源禀赋基础上因地制宜进行蔬菜种植决策，优化蔬菜生产的投入产出效率及产业布局，实现江苏省蔬菜产业科学发展有一定的实践指导意义。【前人研究进展】地理信息系统（GIS）技术是蔬菜种植土地适宜性评价研究的有力工具，该技术具有强大的空间分析能力，将GIS与蔬菜种植土地适宜性的传统评价方法相结合，可实现评价的区域化、定量化、精准化及可视化。信息技术的迅速发展极大地推动了蔬菜种植布局研究，近年来，一些学者开始探索将灰色关联度法、层次分析法、模糊評价法等方法与GIS技术相结合，开展区域蔬菜种植布局研究。例如，王京文等（2004）在GIS技术支持下利用加权指数求和评价模型，对浙江省慈溪市周巷镇的蔬菜地进行分等;游娟等（2010）借助GIS技术的空间分析方法，对北京市大兴区蔬菜种植基地的合理选址及布局进行了定量评价;罗志军等（2012）以江西省安义县为例，通过选取影响蔬菜地适宜性的15个因子，采用GIS和层次分析法对县域内蔬菜地的适宜性进行评价;童倩倩等（2013）采用GIS技术、层次分析法建立蔬菜适宜性评价模型，分别对喜温型和喜凉型蔬菜进行了适宜性评价。此外，也有学者对牧草、烟草和甘蔗等其他作物种植的适宜性进行评价，根据评价结果将种植适宜性划分为不同等级，为农业产业布局调整提供科学依据（陈颖等，2010;石媛媛等，2014;谢国雪等，2017）。总的来说，以往研究有两个方面的不足，一是仅对评价结果作描述性统计分析，缺乏利用GIS内置工具对评价结果进行空间统计和地统计学等更深入的分析;二是仅限于较小尺度即具体田块水平或镇域、县域尺度上的评价研究，对于管理部门在更高层面上的宏观决策有局限性。【本研究切入点】目前，以省域范围作为研究区域，利用GIS内置工具对作物土地适应性评价结果进行空间自相关分析的研究较少见。【拟解决的关键问题】以江苏省为例，建立蔬菜种植土地适宜性评价指标体系，基于GIS和层次分析法，采用多因子加权叠加法评价蔬菜种植土地适宜性，并利用GIS的空间统计工具对评价结果进行空间自相关分析，以期为优化省域范围蔬菜种植布局提供决策依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区域概况

江苏省地处我国东部的南北气候过渡地带，水热充足，土壤肥沃，发展蔬菜产业兼具南北之长。江苏省是蔬菜生产大省，2017年其蔬菜产量位居全国第3位，蔬菜资源丰富、品种繁多（朱方林，2018）。江苏省各地农业资源具有鲜明的地域特色，业已划分为徐淮、里下河、沿海、沿江、宁镇扬丘陵和太湖六大农区，具有良好的蔬菜种植布局基础。

1. 2 数据来源

土壤性状资料包括土壤质地、pH、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷、耕层厚度、阳离子交换量（CEC）、交换性钙、交换性镁等，以土种为基本单位，来自江苏省第二次土壤普查的县土壤志。对土壤剖面点数据进行准确的经纬度坐标定位，用Gauss插值算法（朱大威等，2008）实现空间化。江苏省县级行政区划矢量图（1∶10万）来源于国家测绘局。江苏省数字地面高程（DEM）数据来源于谷歌地球软件（等高线地形图，1∶25万），通过地面高程模型进行计算。

1. 3 研究方法

1. 3. 1 适宜性评价方法 采用多因子加权叠加法计算蔬菜种植土地适宜性综合评分（S）。选择若干指标，按不同指标的评价标准分别评分，再求加权平均数：

S=[i=1nPiWi]

式中，Pi为第i个指标的评分，Wi为第i个指标的权重，n为评价指标数量。

参考以往研究（黄河，2004;王京文等，2004;罗志军等，2012;童倩倩等，2013）和专家经验，本研究在影响蔬菜产量和品质的指标中，选取两大类共13个蔬菜种植土地适宜性评价指标，其中土壤性状指标包括土壤质地、pH、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷、耕层厚度、CEC、交换性钙和交换性镁，立地条件指标包括坡度、坡向和海拔（表1）。

采用层次分析法确定各评价指标权重：首先，建立蔬菜种植土地适宜性评价指标的判断矩阵，由专家进行相对重要性的比较;然后利用和积法计算判断矩阵的最大特征向量，进行层次单排序;最后进行一致性检验，通过检验后确定各指标权重（W）（表1）。选取7名蔬菜种植及土壤领域专家，对蔬菜种植土地适宜性评价指标进行经验评分，取平均值（P）（表1）。

1. 3. 2 GIS软件应用 采用ESRI公司的ArcGIS 9.3进行投影转换、矢量图匹配、矢量数据栅格化、DEM建立、栅格叠加运算、无效数据去除、区域边界融合、自然断点统计、运算结果分析及专题图输出等操作。利用GIS空间统计工具识别具有统计显著性的蔬菜适宜性评价结果空间聚类或异常值，从而直观展示出邻域、区域或其他空间关系，以便深入理解其空间分布、模式和关系。分别利用全局莫兰指数（Global Moran’ I）、局部莫兰指数（Anselin Local Moran’ I）及Gi指数识别具有统计显著性的热点、冷点和空间异常值（Wang et al.，2018），将识别结果用于度量区域间的关联程度。

2 江苏省蔬菜种植土地适宜性评价及其空间异质性分析

2. 1 江苏省蔬菜种植土地适宜性评价

2. 1. 1 蔬菜种植土地适宜性综合评分结果 经专家评价得出，江苏省各地区蔬菜种植土地适宜性综合评分最低5.50分，最高93.51分，平均63.21分，标准差为13.17分，共划分为87761个网格。由图1可知，江苏省蔬菜种植土地适宜性评分高值区集中在太湖农区的苏州市、无锡市一带以及里下河农区的盐都区、兴化市、建湖县、高邮市、宝应县一带，这些地区土地肥沃、地势平坦，农业生产条件优越，适宜开展蔬菜种植。蔬菜种植土地适宜性评分低值区主要分布在徐淮农区和沿黄海农区的徐州市、淮安市、连云港市以及盐城市北部和西部地区，对各影响因子的栅格图层进行比较分析发现，上述地区的土壤尽管速效钾含量普遍较高，但土壤有机质、碱解氮、CEC和交换性镁含量较低，成为蔬菜种植的限制性因子。此外，沿江农区的如皋市、泰兴市一带评价分值也较低，分析发现该地区的土壤酸碱度条件很好，但土壤质地、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷、CEC、交换性钙及交换性镁含量条件不适于种植蔬菜;宁镇扬丘陵农区的土壤条件较好，但立地条件相对较差，其种植蔬菜的适宜性属于居中水平。

2. 1. 2 蔬菜种植土地适宜性分级 利用自然断点法将蔬菜种植土地适宜性分为高度适宜、适宜、勉强适宜和不适宜4个等级，绘制出江苏省蔬菜种植土地适宜性等级分布图（图2），适宜性等级的空间分布规律与图1一致。空间统计表明，适宜等级的地块数量最多，占地块面积的56.07%;其次是勉强适宜等级的地块，占地块面积的32.00%;高度适宜和不适宜等级的地块分别占地块面积的9.79%和2.13%（表2）。

2. 2 江苏省蔬菜种植土地适宜性的空间自相关分析

2. 2. 1 全局空间分析 全局空间分析即从总体上判断要素的分布狀态，用于衡量整个区域范围的空间关联及差异。本研究采用全局莫兰指数作为表征全局空间自相关的指标，用标准化统计量Z得分和P检验空间自相关关系（表3），当Z得分或P指示统计显著时，全局莫兰指数（取值范围是-1～1）为正值，表示要素分布为聚集分布，反之为分散分布;Z得分越高，聚集程度越显著。通过GIS的内置工具得出，江苏省蔬菜种植土地适宜性的全局莫兰指数为0.41，Z得分为5.33，在99%置信度上呈空间聚集模式，表明蔬菜种植土地适宜性相似的地区趋于空间集聚，其集聚形态和分布规律是针对性地开展蔬菜种植布局的重要科学指导依据。

2. 2. 2 局部空间分析 在分析局部莫兰指数结果时，将具有统计显著性（P>0.05）的聚类区域分为3类（HH、LL、LH），其中，HH表示高高值聚集，LL代表低低值聚集，LH表示低值被高值包围。如图3所示，HH区域包括常州市的武进区和溧阳市，扬州市的江都区和高邮市，无锡市的江阴市和锡山区，泰州市的兴化市和靖江市，以及苏州市的吴江区、太仓市、常熟市和昆山市等，表明该区域及其周边的HH区域均适宜种植蔬菜，空间差异程度较小;LL区域包括宿迁市的宿城区、宿豫区、沭阳县和泗阳县，徐州市的丰县、新沂市、沛县、睢宁县、邳州市和铜山区，连云港市的东海县、灌云县和赣榆区等，表明该区域及其周边的LL区域均不适宜种植蔬菜，且空间差异程度较小;LH区域包括启东市、如皋市和泰兴市，表明该区域不适宜种植蔬菜，但周边地区适宜性较高;其他地区局部空间差异不显著。

2. 2. 3 热点分析 江苏省蔬菜种植土地适宜性的热点分析（图4）表明，适宜种植蔬菜的热点区域分布在里下河农区和太湖农区的部分地区，其中，在1%水平上显著的地区有太仓市、昆山市、兴化市和盐都区，在5%水平上显著的地区有武进区、锡山区、常熟市和建湖县，在10%水平上显著的地区有高邮市、金湖县和宝应县。不适宜种植蔬菜的冷点区域分布在江苏省北部的徐淮农区和沿海农区，其中，在5%水平上显著的地区有泗阳县、宿城区、响水县、滨海县、宿豫区、灌云县和灌南县，在10%水平上显著的地区有丰县、沛县、睢宁县和邳州市。可见，热点分析结果与蔬菜种植土地适宜性分布的结果一致。

3 讨论

本研究利用多学科交叉融合研究作物种植适宜性，特别是将GIS技术应用到农作物空间分布研究中，符合当今研究发展方向。与以往研究相比，本研究的创新性主要在于两个方面：一是使用GIS内置工具对评价结果进行空间自相关分析，使研究结果被更直观展示、更容易被采纳应用;二是以省域范围作为研究区域，比以往研究单元更宏观，使研究结果更有利于指导省域范围的农业结构调整，该研究方法同样可用于其他地区蔬菜生产布局。

本研究中有关蔬菜种植土地适宜性的空间分布与江苏省蔬菜实际生产情况分布，在局部地区尚未达到较好的匹配关系，表明实际生产中未能因地制宜地开展蔬菜种植布局。比较明显的地区是徐州地区，本研究中该市的蔬菜适宜性评分在13个市中最低，然而现实情况下该市却有较大的蔬菜种植规模，是江苏省根茎类、叶菜类及茄果类等蔬菜的主产区（朱方林等，2017），该市常年蔬菜播种面积在30万ha左右，位居全省首位。出现这种实际生产与资源禀赋相背离情况的原因可能是，在苏北欠发达地区一定程度上忽略了资源禀赋的适宜性，过多地考虑促进农民致富增收，优先发展附加值相对较高的蔬菜产业，加大对蔬菜产业的财政支持力度，在高能耗、高投入条件下，使勉强适宜等级的蔬菜种植区变成了蔬菜主产区。再如，本研究结果中太湖农区较适宜种植蔬菜，然而现实情况下该地区种植蔬菜面积偏少，原因可能是该地区农民的收入主要来源于非农产业，从事农业生产的积极性不高。

本研究中，江苏省蔬菜种植土地适宜性等级为高度适宜和适宜的地块面积占65.86%，表明研究区域种植蔬菜的适宜度总体较高，与罗志军等（2012）对江西省安义县的蔬菜地适宜性评价结果（66.46%的耕地适宜种植蔬菜）类似，但该比值结果在其他区域的普适性问题有待进一步探讨。

本研究采用专家评分法和层次分析法分别进行经验评分和确定指标权重，是一种主观与客观相结合的方法。与以往研究比较，本研究采用的蔬菜适宜性评价指标的评分标准及权重数值一般居中，例如在评分标准方面，当某地块pH为7.8时，赋分为80分，而黄河（2004）、王京文等（2004）、童倩倩等（2013）对其赋分分别为84、75和78分（按百分制折算）;再如，在指标权重方面，本研究中土壤有机质的权重是0.1931，而黄河（2004）、王京文等（2004）、童倩倩等（2013）研究中的土壤有机质权重分别是0.0512、0.3000、0.1031。在本研究评价体系下，可能会使研究结果更接近实际。

蔬菜作物资源丰富、种类繁多，种植方式复杂多样，不同种类蔬菜对生长环境的要求也不尽相同，考虑到数据的可获取性和研究目标的可达性，本研究在计算时适当地进行了简化处理，在一定程度上影响了研究结果的准确性和指导生产实践的普适性，这也是今后研究需要继续努力的方向。例如，本研究设置土壤性状和立地条件作为主要评价指标，评价结果中针对的是有土栽培条件下的蔬菜种植土地适宜性，尚未涵盖作为八大类蔬菜之一的水生类蔬菜的评价，这类蔬菜的种植适宜性评价工作，需要设置专门的评价指标体系另作研究。再如，气候条件对蔬菜生产有明显影响，但本研究未将气候条件作为蔬菜种植土地适宜性的评价指标，主要是基于两个方面的考量，一是江苏省设施蔬菜面积较大，占一半以上（朱方林，2018），即大部分面积为反季节蔬菜，可通过增加设施来调节蔬菜生长温度;二是考虑蔬菜特性，喜温型蔬菜（茄果类、瓜类等）和喜凉型蔬菜（茎类、叶菜类等）对气候条件的需求不一，较难用统一的指标进行评价，因此，本研究做了简化处理。

4 建议

4. 1 提升蔬菜种植决策的科技含量

加强研究成果的转化应用，以信息技术为指导，提升蔬菜种植决策的科技含量，进一步调整蔬菜生产布局，推动耕地资源的合理配置，促进区域蔬菜产业健康可持续发展。从江苏省各地蔬菜种植土地适宜性评分结果来看，太湖农区的苏州市、无锡市一带分值较高，建议进一步发挥该地区的资源禀赋优势和交通优势，重点发展精品蔬菜，以绿色、优质、品牌为核心，满足长江经济带各大城市居民的高端消费需要;里下河农区的盐都区、兴化市、建湖县、高邮市、宝应县一带的评分也较高，建议该地区立足自身的地方特色蔬菜和區位特点，一方面考虑本地市场，另一方面注重对接上海、南京等大城市的蔬菜消费需求，重点发展具有本地特色的水生类蔬菜及叶菜类、茄果类蔬菜，打造水生蔬菜特色品牌，进一步拓展周边大城市及出口市场;徐淮农区特别是徐州地区的分值较低，建议该地区既要正视蔬菜生产资源禀赋的不足，也要考虑蔬菜产业已成为支柱产业的现实，重新审视本地区发展蔬菜产业的基础和前景，调整好蔬菜生产布局。

4. 2 加强江苏省农业区划研究

20世纪70年代，江苏省已划分出六大农业区，在农业生产布局调整中发挥了重要作用，至今该农业区划仍是江苏省指导农业生产的基本单元。然而，该农业区划是否适应农业生产新形势、新任务、新问题，值得深入研究和思考。建议采用新理论、新思想、新技术重新开展江苏省农业区划工作，与时俱进，科学发展。就蔬菜种植布局而言，可大致将江苏省划分为3类区域：高度适宜区，包括苏南地区的苏州市、无锡市及苏中地区的兴化市、建湖县、高邮市、宝应县一带;适宜区，主要位于南京市、扬州市、南通市、盐城市等地;勉强适宜区，主要包括苏北地区的徐州市、宿迁市、淮安市、连云港市及滨海盐土地区。

4. 3 加强蔬菜产业经济研究的深度与广度

将计量模型方法、GIS技术拓展到蔬菜生产的温室气体减排、肥料运筹管理、区域生产优势度、生产重心迁移曲线等研究中，进而拓展到其他作物及不同地区，在更大范围、更高层面上为宏观决策提供科学依据。同时，应加强多学科的交叉融合。本研究综合运用了蔬菜学、信息学、经济学、土壤学、地理学等多方面的理论和方法，是学科交叉融合形成的研究成果，对解决综合性、跨学科的农业生产问题具有重要意义。建议加强交叉研究创新，开辟科学生长点，促进交叉科学扩展与产业发展同频共振，服务和促进经济社会协调发展。

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（責任编辑 邓慧灵）