喀斯特高原山区刺梨种植空间格局变化与地形土壤影响因素——以贵州省盘州市为例

何志伟，于伯华，王 涛*，谢 涛

(1.贵州省测绘产品质量监督检验站, 贵阳 550004；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3.盘州市地质灾害防治中心, 盘州 561601)

贵州省地处中国西南喀斯特地区的腹心地带，属岩溶高原山区，生态环境背景复杂，地表切割剧烈，海拔落差大，坡度较陡，同时地处季风气候区还伴有常年多云多雨现象。贵州省盘州市，地处贵州西部，主要以高原山地为主，地势西北高、东南低，中部隆起,是典型的喀斯特高原山区地形地貌。为加强农村地区的经济收入，对农村地区进行农业产业结构调整势在必行，基于此，贵州各级政府投入大量精力要将刺梨产业要打造成千亿级产业，对于刺梨种植贵州省主要有15个规模性种植区域，主要分布在六盘水市、毕节市、安顺市和黔南州，盘州市就是其中一个较为典型的贵州省刺梨种植区域。

刺梨是贵州省的一种特色水果，享有美誉“维C之王”。刺梨产业是贵州省重要产业之一，对经济发展有巨大影响，贵州省丰富的自然资源对其发展提供较大的有利条件[1-2]。刺梨是贵州省特色植物资源，具有药食同源属性，因其营养价值、保健价值、药用价值明显，属蔷薇科多年生落叶小灌木，含有丰富的营养，特别是维生素C[3]。杨皓等[4-6]对刺梨种植基地的土壤养分做了较为全面的研究，其研究为系统评价刺梨种植基地土壤营养状况奠定了基础，并给出了相应的补施肥料建议。杨皓等[7]采用空间替换时间的方法，对喀斯特山区无籽刺梨种植基地的土壤质量现状进行全面分析与评价，研究不同种植年限的基地的土壤质量及其树体特征对植被恢复的响应与机制，结果显示：不同林龄的无籽刺梨种植基地的土壤化学、物理和生物学指标差异明显。

对于刺梨的计算机自动识别方面，江梅等[8]融合K-means聚类分割算法与凸壳原理对遮挡苹果进行目标识别和定位，该算法虽有一定效率的提升，但普适性和识别效率仍然需要做更进一步地研究和探讨。计算机视觉在众多领域应用广泛，其中包括物体识别(如农作物[9]、人体行为[10]、岩石裂缝[11]、三维模型[12]、裂缝骨架拐点[13]等方面)、数字图像匹配[14-16]、目标跟踪等方面[17]。在刺梨识别方面业有科研人员进行研究，闫建伟等[18-19]利用深度学习算法对刺梨果实加以识别，其识别正确率均高于92%，说明深度学习算法对刺梨果实识别具有一定的优势。但刺梨植株在发芽期、花期和结果期等阶段颜色差异较大，且考虑到盘州市影像的数据量大，故主要采用人机交互和实地调研的方式对刺梨种植情况进行解译。地形因子和土壤养分含量对种植业、经济、人口分布等方面占据主导作用和制约性，是重要的衡量指标，地形因子和土壤养分含量对种植业的空间分布及变化影响较大，已有研究表明，土壤养分含量及空间分布对森林可持续经营、种植业的发展有着重要的影响因素。现阶段，有学者研究了生态环境、农用设施、人文、经济等方面空间格局问题[20-21]，与地形因子内在联系的相关研究较多[22-26]，但同时考虑地形因子和土壤养分含量对刺梨种植业空间分布的相关研究仍较少。对喀斯特高原山区盘州市的刺梨种植空间分布格局变化进行研究，并深入探讨刺梨种植空间分布格局变化和地形坡度、地形起伏度及土壤养分含量的影响机制，并挖掘其中的规律，为贵州省的其他种植区域提供一定的参考价值。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

盘州市是由贵州省直辖，六盘水市代管的县级市，地处滇、黔交界，位于东经104°17′～104°57′，北纬25°19′～26°17′，东邻普安，南接兴义，西连云南省富源、宣威，北邻水城，是贵州的西大门，被誉为滇黔锁钥、川黔要塞。盘州历史文化悠久，民族风情深厚，境内有古人类文明遗址盘县大洞，古银杏、大洞竹海、乌蒙大草原3个贵州省级风景名胜区。盘州被称为世界古银杏之乡，是云贵交通、能源、商贸、物流、旅游的重要节点，为毕水兴经济带的中心腹地。盘州属亚热带气候，属亚热带高原季风气候区，冬无严寒，夏无酷暑，立体气候明显，年均气温15.2 ℃，年均无霜期271 d，日照时数1 593 h；年均降水量1 390 mm，雨热基本同季，5—10月的降雨量占年降雨量的88%，现如今刺梨产业已经成为盘州市的地理标志性产业之一，选择盘州市作为本文的研究区，开展喀斯特高原山区刺梨种植空间分布格局变化与地形土壤影响因素研究具有代表性，刺梨植被实物图和盘州市在贵州省的地理位置如图1所示。

图1 刺梨植被实物图和盘州市在贵州省的地理位置

1.2 试验数据来源

所用的影像数据主要来源于分辨率为0.24～0.48的Google Earth高分卫星影像，以盘州市区域范围矢量为边界获取相应的影像数据，利用GIS(geographic information system)技术对刺梨种植空间分布特征进行矢量化，获取2017年和2019年刺梨种植区域矢量数据，分析统计盘州市刺梨种植的空间分布格局和变化情况，结合研究区2 m分辨率DEM(digital elevation model)识别刺梨种植的垂直分异特征。利用盘州市土壤取样数据，其取样主要考虑到土壤类型、海拔、经纬度和地域分布特点，通过内业设计，对设计的采样点精确定位，再通过外业对盘州市进行土壤取样，实验室对采样数据进行化学分析统计，得到相应的pH、土壤养分含量和土壤质地。所采用的DEM数据与土壤采样点分布情况如图2所示(由于本文中DEM数据保密性质，高程值不予列出)。

图2 DEM数据与土壤采样点分布情况

1.3 研究方法

1.3.1 刺梨种植空间分布及变化

为了直观地表达出刺梨种植空间分布及其变化情况，通过图像识别，人工解译和实地调研等方法获取盘州市2017年和2019年的刺梨空间分布矢量数据，分析其空间分布特征及变化，将两期数据进行叠加分析，利用统计学知识表达出刺梨种植增长区域空间分布情况。

1.3.2 地形环境因子分析

提取的地形因子主要包括坡度和地形起伏度。坡度直接影响着灾损率、耕地种植面积、规模发展刺梨种植和交通便利情况等方面，较大程度地制约着刺梨种植空间分布。基于此，坡度是影响盘州市刺梨种植空间分布的重要因素之一，文中采用三阶差分算法对DEM数据进行坡度提取。地形起伏度反映了地形的起伏特征，其对盘州市的刺梨种植空间分布是一个重要的因子，文中采用窗口分析法计算盘州市的地形起伏度，由于地形起伏度的计算结果对窗口大小的选取较为敏感，文中根据盘州市喀斯特地貌高原山区的特征，选择100×100(2 m分辨率的DEM下窗口大小为200 m×200 m)窗口大小，地形起伏度(m)的值为统计窗口中高程的最大值(m)和高程的最小值(m)之差。

1.3.3 土壤养分含量及质地分析

土壤质地[27-28]很大程度上支配土壤的各种耕作性能，施肥反应，以及持水、通气等特性，其分类标准是土壤科学的重要问题之一，土壤中元素含量对刺梨种植的空间分布存在明显的相关性，土壤质地利用土壤中颗粒组成情况对土壤类型进行划分，其一般分为砂土、壤土和黏土三大类，分类的类型不仅继承了成土母质特征，也受到耕作、施肥、排灌、平整土地等方面的人文活动影响，质地对土壤肥力起着十分重要的作用。例如，砂土缺少黏粒和有机质，抗旱能力弱，不易保水保肥，从而导致土壤中养分含量低，速效肥料容易被雨水冲刷而流失，并且采用速效肥料进行增肥时，效猛而持续时间短，故砂土类型的土壤要适时增施有机肥；黏土含土壤养分丰富，土壤中大部分的土壤养分不易被雨水和灌溉是而冲刷流失，故保肥性能好，但此类土壤在遇到雨天或灌溉时，由于其土壤自身的特性导致水分在土体中下渗率不佳，从而土壤中积水严重，进一步影响农作物根系生长和吸收土壤中的养分，故对此类土壤，应及时开沟排水，以避免或减轻涝害，对种植点应选择适宜的土壤含水条件下精耕细作，以改善土壤结构，以促进土壤养分的释放；壤土兼有砂土和黏土的优点，是较理想的土壤，其耕性优良，适种的农作物种类多。利用盘州市取样土壤进行化学分析，统计取样点土壤中各元素含量和质地，主要选取土壤pH和质地，有机质、全氮、有效磷、速效钾等元素含量作为土壤和刺梨空间分布影响的重要因子。为进一步统计分析盘州市的土壤中相关元素含量和pH的分布(在某一特定的范围里，土壤中所含元素含量和pH均存在较强的空间相关性)，需利用现有数据进行插值，现在常用的空间插值方法克里金插值方法，已有学者对普通克里金算法改进以至于实用性更佳[29-33]，在众多的改进算法中，基于双层规划的普通克里金插值算法[34]将适合于本文，故采用此方法对土壤数据中的pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等含量进行插值分析。该方法主要采用双层规划描述普通克里金法中理论变异函数模型参数求解问题，根据交叉验证结果优化调整上层系统随机给定的变异函数模型参数，减少变异函数模型参数求解过程中人为不确定等因素的影响，以此获取合理的理论变异函数模型参数和较好的空间插值结果。

1.3.4 文中数据分类标准

土壤养分含量插值数据分类标准引用张珊珊等[35]的研究内容，贵州省刺梨种植的土壤pH分级标准如表1所示，土壤养分分级评价指标如表2所示。

表1 刺梨种植的土壤pH分级标准

表2 刺梨种植土壤养分分级评价指标

表1中，强酸性土壤和强碱性土壤极不适宜种植刺梨，偏酸性土壤和偏碱性土壤不适宜种植刺梨，微酸性土壤适宜种植刺梨。

根据盘州市的地形特点，坡度分类标准按文献[35]中的盘州市坡度分类标准为参考，其分类标准如表3所示。

表3 盘州市坡度分类标准

据盘州市的地形特点，地形起伏度作为一个对人文、经济等方面都起着重要作用的影响因子[36]，本文的地形起伏度分类标准引用杨晓等[37]的研究内容，盘州市地形起伏度分类标准如表4所示。

表4 盘州市地形起伏度分类标准

2 结果分析

2.1 刺梨空间分布及变化

考虑到刺梨的种植需要一定的生长周期，故对2017年和2019年的刺梨种植空间分布作统计分析。近年来，政府政策大力支持，加之有效的管理和科学种植模式，盘州市的刺梨种植面积呈增加之势，几乎无种植面积减少之地，故本文主要表示出盘州市刺梨种植空间分布特征和2019年相比较2017年的种植面积增长区域空间分布特征，其中盘州市2017年和2019年的刺梨种植空间分布特征如图3所示。

利用GIS叠加分析原理，表示出盘州市刺梨种植面积增长空间分布特征，刺梨种植面积增长空间分布特征如图4所示。

从图3和图4对比分析可知，2017年和2019年的刺梨种植空间分布特征布主要在除盘州市中部地区种植面积较少以外，均有较大面积的种植，其中南部和北部的种植面积较大。对其原因进行人文方面的分析，因为盘州市的主城区主要分布在中部，人口密集程度较大，人类活动对发展刺梨种植业存在制约，除中部以外的大部分地区以耕地和山区为主，利于刺梨种植业的开发和规模种植。通过将2017年和2019年刺梨空间分布特征图矢量叠加之后，可以直观地看出，盘州市的刺梨增长主要是以南部和北部为主，南部和北部主要是以山地和耕地为主，人口密集程度比中部小，利于发展刺梨种植业规模性扩展。

图3 盘州市2017年和2019年刺梨种植空间分布

图4 盘州市2019年较2017年刺梨种植空间分布增加量

2.2 地形因子分析

喀斯特高原山区的种植业、人文活动和经济发展等方面均受地形起伏影响较大，坡度和地形起伏度是重要的评价因子，文中将坡度分为六级，坡度分级分类情况如表3所示。地形起伏度是指在一个特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。它是描述一个区域地形特征的一个宏观性的指标。从地形起伏度的定义可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值，然后，对其求差值即可。地形起伏度最早源于苏联科学院地理所提出的地形切割深度，地形起伏度现在成为划分地貌类型的一个重要指标，盘州市地形起伏度计算统计如图5所示。

图5 盘州市坡度分类与地形起伏度分类

分别利用两期的刺梨种植矢量数据与盘州市坡度提取信息进行叠加分析，易获取相关数据，其中盘州市各级坡度面积占该市的国土总面积的百分比、盘州市2017年和2019年的刺梨种植在各级坡度上的种植面积占对应年度种植总面积的百分比和2019年比2017年在各级坡度上种植的增长面积占增长总面积的百分比如图6所示。

图6 面积占比统计

由图6(a)可以看出盘州市坡度分类中缓陡坡面积占全市总面积的百分比最大，其比值约为28.17%，对其余坡度类型面积占比从高到低进行排序，依次为陡坡(22.97%)、极陡坡(21.06%)、缓坡(17.58%)、平缓坡(5.20%)和平坦坡(5.01%)。由图6(b)可以看出盘州市2017年在缓陡坡刺梨种植面积占全市刺梨种植面积的百分比最大，其值约为30.88%，对其余坡度类型种植面积占比从高到低进行排序，依次为陡坡(21.61%)、缓坡(20.96%)、极陡坡(16.22%)、平缓坡(5.96%)和平坦地(4.96%)。由图6(c)可以得到2019年在每个坡度分类中刺梨种植面积分别占全市刺梨种植面积的百分比与2017年的种植情况具有相似的规律，其面积占比最大值仍在缓陡坡，其值约为31.01%，对其余坡度类型种植面积占比从高到低进行排序，依次为陡坡(21.71%)、缓坡(20.97%)、极陡坡(16.18%)、平缓坡(5.60%)和平坦地(4.53%)。由图6(d)可以看出盘州市2019年刺梨种植增长的面积占全市增长总面积的百分比最大值也是在缓陡坡，其值约为35.34%，对其余坡度类型增长面积占比从高到低进行排序，依次为陡坡(25.36%)、缓坡(21.25%)、极陡坡(14.87%)、平缓坡(2.60%)和平坦坡(0.58%)。由图3和图5可以看出，盘州市的刺梨种植主要在地形起伏度为小起伏内，其值为70～200 m范围内，在地形起伏度为平坦、微起伏和中起伏的刺梨种植面积均较少。

平坦地区主要集中在盘州市的中部，其是盘州市的城区范围。盘州市是典型的喀斯特高原山区，平坦地和平缓坡分布较少，其主要是用于种植粮食和经济农作物等，刺梨种植业发展所需土地不得不往缓陡坡及以上坡度类型的土地扩展。

2.3 土壤中各元素含量对刺梨空间分布影响

土壤养分含量指标，主要包括有机质、全氮、有效磷、速效钾及各种中微量元素等。不同类型的农作物和果树生长和形成单位产量所需的土壤中养分含量也不尽相同，由于植物的选择性吸收，通常会引起一定范围内的土壤缺乏某种养分元素，则会使植物出现缺素症状，使农作物和果树未能正常生长发育，土壤中丰富的土壤养分含量能够有效地防止果树缺素症的出现。因此，在种植刺梨是必须注意対种植土壤进行培肥改良，不断地提高土壤养分的含量，走可持续、生态发展的路子。喀斯特高原山区的刺梨种植区域的表层土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等含量对刺梨种植起着重要作用，本文主要研究土壤表层的pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾的分布，采用双层规划克里金插值算法，分别研究土壤表层的pH及各元素含量的分布情况，插值后的pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾插值分析统计如表5所示。

从表5可以看出，盘州市的土壤质地主要以壤土为主，壤土具有砂土和黏土的优点，对于种植业的发展来说，壤土占据重要地位，是较理想的土壤。在土壤质地分类中占据盘州市土壤pH平均值约为5.98，属于微酸性土壤，适宜种植刺梨，pH在5.5～6.5范围内的面积约占82.5%，其余范围pH所在区域面积约占7.5%，pH最小值为5.42，略小于5.5，为偏酸性，最大值为6.80，略高于6.5，为偏碱性。从pH来看，盘州市的大部分区域均适合种植刺梨。盘州市土壤有机质(OM)含量、全氮(TN)含量、有效磷(AP)含量和速效钾(AK)含量通过双层规划克里金插值预测后进行统计分析，对比刺梨种植土壤养分分级评价指标，易看出盘州市土壤中有机质含量在30～40(丰富)范围内的面积占比约为15%，在40以上(极丰富)范围内的面积占比约为85%；全氮含量在1.5～2.0(丰富)范围内的面积占比约为17.5%，在2以上(极丰富)范围内的面积占比约为82.5%；有效磷含量在小于5(很低)的范围内的面积占比约为7.5%，在5～15(较低)的范围内的面积占比约为77.5%，在15～27.93(中等)的范围内的面积占比约为15%，未见大于40的范围区域；速效钾含量在100～150(中等)的范围内的面积占比约为25%,在150～200(丰富)的范围内的面积占比约为32.5%，在200以上(极丰富)范围内的面积占比约为40%，其余范围区域面积约占2.5%。综合而言，盘州市土壤养分含量除有效磷含量较低外，大部分区域的有机质、全氮、有效磷、有效钾含量均处于丰富和极丰富的范围。

表5 盘州市土壤养分含量插值数据统计

3 结论与讨论

盘州市是典型的喀斯特高原山区，其刺梨种植经验对贵州省其他同类地形地貌的种植区域有较大的参考价值，其余的种植区可以借鉴其种植经验、发展模式和管理销售方式。于盘州市而言，发展刺梨种植产业，是农业产业结构调整的一项重大举措，不仅满足部分劳动力就业，也对生态修复和环境保护起着重要作用。现如今，盘州市刺梨产业发展势头正劲，但科学种植、合理施肥、科学管理、销售渠道、创新刺梨深加工制品等问题急需解决，此举更加能促进刺梨生长长势，提升亩产量，促进刺梨产业的链条式良性发展。通过研究盘州市2017年和2019年的刺梨空间分布格局变化和地形土壤之间的影响因素，给予盘州市刺梨种植产业发展一定的参考。

(1)盘州市2017年和2019年的刺梨种植空间分布特征为除中部城区之外，均有种植。盘州市2019年相较于2017年刺梨种植空间分布增长情况主要集中在南部和北部，刺梨种植的面积占比最大的区域主要集中在缓陡坡(坡度为15°～25°)，且刺梨种植增长面积最大的区域也集中在缓陡坡。在各级坡度分类中刺梨种植的空间分布符合盘州市各级坡度类型的面积占比。刺梨种植的空间分布主要在小起伏(70～200 m)的地形起伏度内，后期刺梨种植规模的扩大可以考虑在缓陡坡阶段继续发展，充分利用盘州市的空闲坡耕地，最大限度地发展当地刺梨种植业。

(2)盘州市2017年和2019年刺梨种植空间分布符合土壤中pH的分布，盘州市的平均PH为5.98，为适宜种植刺梨的微酸性土壤。有机质、全氮、有效磷和速效钾等养分含量满足刺梨的种植，但有效磷含量偏低，在种植过程中人为追加磷肥，注意刺梨种植土壤的培育改良，使土壤中的养分含量能持续不断地提供刺梨生长，使刺梨成为贵州省可持续、绿色生态、高经济作物的代名词，走出一条属于贵州省真正的特色水果建设道路。

(3)规模性种植刺梨可为盘州市的旅游观光项目带来一定基础，对当地的农业经济发展带来更多可能，对解决当地农民就业和提升生活质量起着积极作用。盘州市由于是典型的喀斯特高原山区，在平坦地和平缓坡的面积小，其刺梨种植主要分布在缓坡、缓陡坡、陡坡和极陡坡，后期的刺梨种植业发展可以考虑继续把缓陡坡和陡坡的林地及耕地充分利用起来。

(4)土壤数据取 样点数量较少，未能完全均匀分布，后期研究应尽可能地对土壤取样均匀，影像解译方法有待该进。地形起伏度的分析窗口大小选取是计算地形起伏度的关键，文中凭经验值而定，会造成一定的计算误差，后期应选择有效的算法对其改进，使其能更好地表达出盘州市的地形起伏。