基于ArcGIS的临汾市西山果树区划生态适宜性评价

王 玺，李 亮，李敏生，孙慧英，王达菲

(山西省农业科学院果树研究所，山西 太原 030031)

临汾市西山地区是山西省最重要的优质水果产区，也是农业部规划的优势水果产区。在此地开展果树生态适宜性评价研究，不但为该地区制定果树产业升级转型发展规划提供可靠数据信息，对山西省果树品种资源合理开发、利用和保护也具有现实指导意义。

基于GIS(地理信息系统)的适宜性评价最早用于土地资源的利用的综合评价[1-3]，后拓展到农田种植规划的区域评价[4-6]，并逐步发展到不同农作物品种对气候生态环境的适宜性评价[7-9]。果树区划生态适宜性评价是果树区划的基础工作，它是根据果树的生态需要和不同地区的生态条件，通过评价不同地区果树的生态适宜程度而做出的区划建议。首先，要确定果树的最适生态条件，其主要的依据是果树的原产中心和优质高产区的自然生态条件。前者是这种果树长期生存的必要条件，后者是提高该种果树种植经济效益的必要条件，通过对这两种生态条件的综合和验证，即可确定某种果树的最适生态条件。根据果树区划的适宜程度，一般分为优生区、适宜区、次适宜区和不适宜区4级[10-15]。在果树生态适宜性评价方面，贾献松利用地理信息系统软件对10个果树生长适宜性要素的基本图件进行叠加，生成太行山地区主要果树适宜种植范围图，进而生成主要果树种植适宜性分级图[16]。黄伟娇等采用 GIS 技术，对杭州市山核桃种植进行生态适宜性评价[17]。本研究结合国内外农业区划和果树区划的经验、果树的发展规律、果树的生态环境需求和果树栽培特点，以临汾市西山地区七县各乡镇为评价单元，选取了和果树栽培密切相关的8个评价指标(日照时数、年平均气温、有效积温、无霜期、有效降雨量、土壤酸碱度、土壤有机质含量、海拔高度)，建立了生态适宜性评价指标体系，分别对苹果、梨、核桃3个主栽树种进行了生态适宜性评价，为该地区果树品种资源合理开发与和果树产业优化布局提供了科学依据，具有较强的现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

临汾市西山片区地处临汾市西北部，吕梁山西南部，位于东经110°22′45″～111°23′36″和北纬35°41′30″～36°56′45″之间，总面积9781.69 km2，其范围包括永和、大宁、吉县、乡宁、隰县、蒲县、汾西7个县。海拔多在1 100 m以上，光热资源丰富，昼夜温差大，降水资源不足。地貌属黄土残垣沟壑区，地形主要有粱、峁、丘陵、沟壑和不完整的破碎黄土塬。褐土是临汾市西山地区农用地土壤的主要类型，土层深厚、土质均匀、耕性良好，是最好的耕作土壤之一[18]。目前，大面积种植的果树树种主要有苹果、梨、核桃，根据各县统计的各树种种植面积数据，栽培面积最大的树种是苹果，达4.63万hm2，占果树栽培总面积的近70%，西山7县均有栽培，栽培面积最大的是吉县。其次是核桃和梨树，栽培面积分别是1.83万hm2和1.8万hm2，蒲县和乡宁以核桃种植为主，隰县梨树栽培面积占该地区梨树总面积的80%以上。

1.2 数据来源

生态指标数据一共选择了3个方面的数据，包括气候因子数据，土壤因子数据和地势因子数据。其中气候因子数据是通过临汾市气象局获取临汾市西山片区各县乡镇级气象站点10年(2007-2016年)的数据，根据研究需要，选择光照、平均气温、有效积温、降雨量，无霜期等5个指标基础数据，根据基础数据再计算出所需的5个气象评价指标数据；土壤数据是在临汾市西山片区各县所有乡镇的果树种植区域采集土壤样本，经过专业机构化验后，选取本研究需要的2个土壤指标数据；地势数据来源于相关专业网站。地理信息数据基于GIS的1∶25万临汾市西山7县基础地理信息矢量数据库。

1.3 研究方法与相关软件

1.3.1 Krigin插值法

采用Kriging插值法，将果树生态适宜性评价指标涉及到的气象环境因子数据插值成空间栅格数据，调入到多图层模型中，进行区划因子的空间运算得到气象环境因子空间分布图。Kriging 插值法是根据一个区域内外若干信息样品的某些特征数据值，对该区域作出一种线性无偏和最小估计方差的估计方法，从数学角度来说，它是一种求最优线性无偏内插估计量的方法[19-20]。其表达式为：

式中：Z(x0)为未知样点的数值，Z(xi)未知样点周围的已知样点数值，λi为第 i 个已知样本点对未知样点的权重值，n为已知样点的个数。

1.3.2 多因素综合加权评价法

多因素综合加权评价法是把各个环境因子作用程度的大小集中于一个数量化指标，进行综合分析评价对象的优劣。该方法综合考虑各个影响要素，将各要素分别赋予不同的权重，从而达到多因素综合评价的目的[21]。其表达式为：

其中Qi表示某一评价指标的具体值，Wi表示该指标的权重，m表示指标数量，U表示该地区多指标环境因子综合评价得分。采用打分模型赋值评判，根据打分将规划区域不同树种的生态适宜程度进行排序，将等级划分标准的间断点作为指标，对应为优生区、适宜区、次适宜区和非适宜区四个等级。

1.3.3 相关软件

采用地理信息系统软件ArcGIS10.2软件通过Kriging插值法获取气象环境因子空间分布图，然后进行多因素综合加权评价分析，根据分析结果绘制区域适宜性评价结果分布图。

1.4 评价过程

1.4.1 生态适宜性环境评价层次确定与标准化

根据临汾市西山地区的生态环境基础条件和果树资源调查相关数据，以及研究数据的可获得性，本研究选取了该地区栽培面积最大的苹果、梨、核桃、枣、葡萄、桃、杏等树种作为研究对象。根据专家和相关文献的建议，果树生态适宜性环境因子评价指标体系可分为两个层次，第1层分为3大类：气候因子、土壤因子和地势因子；第2层包含8个评价要素：气候因子(日照时数、年平均气温、有效积温、无霜期、降雨量)，土壤因子(土壤有机质含量、土壤pH值)，地势因子(海拔高度)。因所选环境因子的量纲不同，需要进行标准化处理。本研究采用区间赋值法，该方法是将规划区域的环境因子不同树种环境因子适宜性的匹配度赋予不同的分值，然后乘以各因子在整个评价模型中的权重，使结果落到[0,1]区间，将环境因子评价指标转化为可比较的无量纲数值(表1-3)。

表1 苹果生态环境适宜性评价指标分级赋值

数据来源：根据《果树气象学》《果树生态学》《果树栽培学》相关内容整理

表2 梨生态环境适宜性评价指标分级赋值

数据来源：根据《果树气象学》《果树生态学》《果树栽培学》相关内容整理[21-23]

表3 核桃生态环境适宜性评价指标分级赋值

数据来源：根据《果树气象学》《果树生态学》《果树栽培学》相关内容整理

1.4.2 生态适宜性环境评价因子权重计算矩阵构建

决策因素权重确定的方法主要有客观赋权法和主观赋权法。客观赋权法是按照一定的原则和计算方法对各影响因子自动赋权的方法，主观赋权法是通过专家咨询等方法，根据实践经验对各影响因子的重要性进行排序赋权，如模糊综合分析法、德尔菲分析法等[24-25]。本研究采用的专家咨询和模糊综合分析法。分析层次构建以后，确定了环境因子的上下层归属关系，第1层是A为目标层，第2层B分为3种不同类型的影响因子(气候、土壤、地势)，第3层是C，不同类型影响因子所包含的8个评价要素(日照时数、年平均气温、有效积温、无霜期、降雨量、土壤pH值、土壤有机质、海拔高度)。通过专家咨询法和文献查阅法，根据3种影响因子以及其所包含评价要素的重要程度分别赋权，构建权重计算矩阵(表4)。

1.4.3 ArcGIS叠加分析

在ArcGIS10.2中导入3种果树生态适宜性评价基础数据库，进行图层叠加运算分析。计算模型如下：

GA=GB1WB1+GB2WB2+GB3WB3

GB1=GC1WC1+GC2WC2+GC3WC3+GC4WC4+GC5WC5

表4 生态适宜性评价因子权重计算矩阵

GB2=GC6WC6+GC7WC7

GB3=GC8WC8

其中G为代表各层次综合评价得分，W代表个评价因子的权重，A、B、C分别代表不同的评价层次。

2 结果与分析

根据综合评价得分，将不同果树的生态适宜性分为优生区(U≥0.8)、适宜区(0.7≤U<0.8)、次适宜区(0.5≤U<0.7)和非适宜区(U<0.5)4个等级。根据评价结果绘制主要树种在临汾市西山地区的适宜性分布图。

2.1 苹果生态适宜性评价结果分析

通过生态适宜性综合评价结果看(图1)，苹果是临汾市西山地区较为适宜的树种。优生区和适宜区覆盖的区域面积占到该区域的面积的75%以上，只有少量地区处于次适宜区，没有非适宜区，优生区主要位于吉县和乡宁地区。

2.2 梨生态适宜性评价结果分析

通过生态适宜性综合评价结果看(图2)，在选择的树种中，梨的优生区和适宜区覆盖的范围占该地区面积的80%以上，其中优生区覆盖的区域主要分布在隰县、大宁、吉县、永和、乡宁等地。

2.3 核桃生态适宜性评价结果分析

通过生态适宜性综合评价结果看(图3)，核桃在该地区的生态适宜性区域有限，优生区和适宜区覆盖区域不到一半。优生区和适宜区覆盖的乡镇主要分布在汾西、蒲县、大宁、乡宁等地，其中优生区覆盖的范围只有大宁的少数乡镇。

3 结论与讨论

从生态适宜性要素评价结果分析，苹果种植在该地区的优势环境因子主要有日照时数、年平均气温、有效积温、无霜期和海拔高度，制约因素是降雨量、土壤有机质含量和酸碱度。从产业发展现状看，苹果产业在永和、汾西和乡宁等地还有较大的发展空间。梨树的生态适宜性评价结果显示，其优生区和适宜区在该地区的分布范围较广，但目前梨树种植目前主要集中在隰县，其种植面积远低于苹果，梨树产业的优势远没有发挥出来，梨果生产在永和、大宁、吉县、乡宁和汾西等县还有较大的增长空间。核桃种植在该地区的优势环境因子有年平均气温和无霜期，但不利因素有有效积温、日照时数和海拔高度等，制约因素有降雨量、土壤有机质含量和酸碱度。分析结果显示，次适宜区和非适宜区的覆盖面积在60%以上，因此核桃产业在该地区不宜继续扩张。