基于GIS的云南省苹果种植适宜性区域划分研究

吴星雨，杨林楠，费 凡

（云南农业大学大数据学院/云南省农业大数据工程技术研究中心/绿色农产品大数据智能信息处理工程研究中心，昆明 650201）

土地资源是人们赖以生存和发展的基本保障，也是农业生产最根本的物质要求［1］。作物种植的土地适宜性评价是指某个特定区域内土地类型对该作物的适应状况程度，可通过分析特定区域内的环境因素，来评价土地对某种作物种植是否适宜和适宜的程度［2］。随着经济社会的不断发展，人口日益增多，自然环境发生了巨大变化。在这种背景下，对土地适宜性进行评价，指导科学合理利用土地资源、节省人力物力就显得尤为迫切和重要［3］。在传统的适宜性评价研究工作中，通常需要研究人员去研究区域实地调研和考察，人为来测量和计算，具有极大的局限性和不确定性。同时，还会受地形变化、气候变化、交通和通讯条件等外来因素的限制和影响，极大地制约了大范围区域的作物种植适宜性评价和规划［4，5］。

本研究以苹果种植为实例，在团队前期研究基础上，以云南省为研究区域，采用GIS空间分析和建模技术，通过对影响苹果生长状态条件的调查和云南省当地的自然环境，综合分析多种因素对苹果种植的影响，选取降水量、气温、日照时间、积温、坡度、坡向、海拔、有机质、土层厚度、pH 10个环境影响因子作为评价云南省苹果种植适宜性评价因子。结合反距离权重栅格插值法、层次分析法，对苹果种植适宜性的空间分布规律进行分析，研究确定苹果种植适宜性区域分级标准和云南省不同地区苹果种植的适宜性程度，为云南省苹果科学种植提供决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域及数据来源

1.1.1 研究区域云南省，简称云或滇，省会昆明市，位于北纬21°8′—29°15′，东经97°31′—106°11′。由于云南省特殊地理位置，区域内光照充足、昼夜温差大、无霜期长，有利于苹果的生长发育。2018年云南省苹果种植面积已达5.2万hm2，种植面积全国第六，苹果产量全国第十。云南省现已成为全国主要的苹果生产地之一，其中昭通苹果在云南省最为著名。

1.1.2 数据来源

1）气象数据。本研究所涉及的气象数据主要来源于云南省109个气象观测站点所釆集的30年（1981—2010年）基础气象数据，包括每日采集125个县市的降水量、气温和积温等气象数据。气象观测站点分布如图1所示。云南省降水量、气温和≥10℃积温的分布情况如图2至图4所示。

图1 云南省109个气象观测站点的空间分布

图2 云南省≥10℃积温分布

图3 云南省年降水量分布

图4 云南省平均气温分布

2）基础地理信息数据。本研究所用基础地理信息数据主要包括全国90 m的数字高程模型（DEM）数据，通过ArcGIS软件处理得到云南省125个县市的坡度、坡向、海拔高度等栅格数据。其中，云南省海拔高度情况如图5所示。

图5 云南省海拔分布

3）土壤类型数据。土壤数据由云南省测土施肥工程项目所采集，包括云南省125个县市土壤pH、有机质含量和土层厚度。其中，云南省土壤pH和有机质含量的分布如图6、图7所示。

图6 云南省土壤p H分布

图7 云南省土壤有机质分布

1.2 数据处理与研究方法

苹果的生长发育依赖于气温的变化，气温越高开花时节越早［6］。苹果在日照时间充足、无霜期长、降水量多和土地肥力好的地区更适宜成长。依据刘捍中［7］的研究成果，结合云南省当地实际情况，对影响苹果生长发育的环境因子进行比较分析，最终确定了土壤、气候和地形3个维度，共计10个评价指标，作为苹果种植适宜性评价因子，具体包括≥10℃积温、年降水量、坡度、年均气温、土壤有机质、土层厚度、坡向、土壤pH、海拔高度和日照时数。

首先，利用反距离权重法（IDW）计算预评价指标因子。反距离权重法是农业区划中常用的方法，是描述气象数据空间分布特征的一种确定性内插方法。反距离权重法对每个离散点周围都进行平均计算，最后得出插值点数据，插值点和采样点两者之间的间距标记为权重，然后加权平均，距离插值点越近的采样点权重被赋予的值就越大［8］。对应的公式如下。

式中，d2i=(X-X i)2+(Y-Y i)2，X i、Y i、Z i为离散点的坐标和数值，Z为插值点的数值。

其次，利用GIS技术完成各影响因子权重计算，各权重值加权叠加分析得到最后的适宜性数据，其数学基础［7］公式如下。

式中，C为适宜性总和；Ci为第i个影响因子的分值；Wi为第i个影响因子的权重；n为影响因子总个数。

最后，采用层次分析法［9］，计算出各因子的权重值［10］，将各因子的适宜性等级划分为4个类别：最适宜、适宜、次适宜、不适宜。划分各评价因子适宜范围，如表1所示。年均降水量、年均温度、日照时数、≥10℃积温、坡度、坡向、海拔、有机质、土层厚度、pH的权重分别为0.273、0.213、0.092、0.071、0.101、0.032、0.048、0.049、0.089、0.032。

表1 指标体系

2 结果与分析

2.1 影响因子的GIS处理结果

2.1.1 气象影响因子收集云南省109个气象站点1981—2010年的气象数据，利用反距离权重栅格插值法分析计算。由于距离采样点越远权重越小，越近权重越大。所以本研究采用反距离权重法进行栅格插值计算，处理结果如图8所示。

积温在农业生产中占有十分重要的地位。作物生长发育都需要考虑积温的影响，当积温达不到作物生长发育所要求的范围时，作物无法生长或者影响农作物产量，所以积温是农作物生长不可或缺的一个重要指标。从图8a可以看出，云南省≥10℃年活动积温从南到北逐渐降低，苹果适宜在3 200～3 800（d·℃）生长，云南省大部分地区的积温符合标准和要求，西北少部分地区≥10℃年积温较低，所以不太适合苹果种植。

日照时间在农作物生长中占有十分重要的地位。苹果属于喜光果树，日照时间的长短直接决定了苹果果实的品质和色泽。当日照时数超过2 200 h时，有利于苹果花芽分化和果实发育。特别是在海拔较高的地区，充足的日照时间能够提高苹果糖分和维生素的含量。此外，时长多可以让苹果果皮更加紧密，方便储藏和运输。从图8b可以看出，昭通、剑川等地日照时间充沛，非常适宜栽种。德钦、富宁、绥江等地因光照时间不足，在这些地区栽种苹果要注意光照时间不足的因素，增加人为补光。

适宜的温度是农作物生长发育的必要条件，苹果的生长发育同样离不开温度，气温越高苹果的开花时节越早。苹果在无霜期长、温度适宜的情况下更适宜生长。在平均气温8.5～11.5℃时最适合苹果生长，剑川、昭通、鲁甸等部分地区是苹果平均气温最适合生长区域（图8c）。

充沛的降雨量对农作物来说非常重要，农作物的生长发育离不开水。只有水分达到一定的程度，农作物才能正常光合作用并保持水分平衡。苹果的生长发育对水分的要求比较高，一般降水量在600 mm以上才比较适合苹果种植。从图8d可以看出，云南省降水量为855.73～1 427.45 mm，且云南省降水量由南向北呈下降趋势。最适合苹果种植的降水量为600～750 mm，适宜种植的区域要求降水量大于750 mm。云南省的降水量比较适宜苹果种植。

图8 气象影响因子

2.1.2 地形影响因子将全国90 m的DEM数据对照已有云南省气象数据在Arcmap软件中按掩膜提取裁剪，得到完全覆盖云南省的高程数据，再经过ArcGIS 10.4软件中3D Analyst工具计算得到坡度、坡向数据，结果如图9所示。

坡度影响农作物对水分的吸收，相比于坡度下方，坡上的农作物吸收的水分较少。坡度越大越容易引起水土流失，坡下肥沃，坡上贫瘠。如果坡度够大，坡上方接收到的紫外线和蓝光也会高于坡下，强紫外线会造成植株矮小。坡度对温度和风力也有一定的影响。当坡度小于15°时最适宜苹果的生长。当坡度大于30°时不利于苹果的生长。从图9a可以看出，云南省的坡度分布非常不均匀，地势起伏较大。昭通、昆明、曲靖等地的坡度适宜苹果的生长，西北地区坡度较大，不适宜苹果生长。

海拔对苹果的生长有重要的影响。海拔高的地区空气压力低，温度会随着海拔升高而下降，且植株所需的碳含量也大大减少。当海拔小于1 300 m时是苹果的最适宜生长地区，如陕西省的苹果产区海拔就在800～1 200 m。从图9b可以看出，云南省海拔差异明显，北部地区海拔较高，大部分地区不适宜苹果生长；而南部地区海拔偏低，适宜苹果生长。

坡向对苹果的生长也有影响。坡向有向阳坡和背光坡，向阳坡和背光坡两坡之间的温度差异很大。坡向也决定着不同的降水量，有的一山之隔降水量可能相差几倍。当坡向在135～225时，最适宜苹果的生长；当坡向在315～360时，不适宜苹果的生长。从图9c可以看出，云南省坡向变化起伏大，各地区都有适宜生长的坡向区间。

图9 地形影响因子处理结果

2.1.3 土壤影响因子从云南省测土施肥项目工程数据里提取土层厚度、有机质含量和pH数据，将得到的数据输入软件并进行格式转换，用Arcmap软件对3种数据进行重分类，得到各因子重分类图，用于后续各个因子的加权叠加分析，结果如图10所示。

pH是体现某溶液或物质酸碱度的表示方法。一般作物生长较喜欢弱酸性土壤，有些比较喜欢偏中性或者弱碱性土壤，而苹果喜欢生长在微酸性土壤中。云南省土壤pH为4.4～8.5，即没有强碱性土壤，同时也没有强酸性土壤，从北到南土壤pH逐渐减小，由弱碱性土壤逐渐过渡到弱酸性土壤，其中偏酸性土壤较偏碱性土壤面积大一些，可能是由于云南省降水充足，腐殖质较多而引起的。苹果适宜种植的pH为5.4～6.8和6.8～8.2。从图10a可以看出，滇中昆明，滇东北昭通、鲁甸，滇西北丽江等地区的土壤pH范围都比较适合苹果种植。个别地区的土壤pH不适宜进行苹果种植，可以适量使用调节土壤pH的肥料将土壤pH调整到适宜的区间之后再进行苹果种植。

图10 土壤影响因子

深厚的土层结构可以使植株的根系发达、分布变广，让植株生长旺盛，增强根系的吸收能力。同时能让植株枝干粗壮，抵御不良环境的侵袭。云南省土层厚度较好，绝大部分地区都满足了苹果栽种对土层厚度的需求，在土层厚度大于1 m时，最适宜栽种苹果。从图10b可以看出，云南省除了北部少部分地区不适合栽种外，绝大部分地区都适宜栽种苹果。

有机质是植物养分的主要来源。有机质中有植物所需的各种营养元素，特别是土壤中的氮有95%的状态是以有机质存在，有机质同时可以促进作物的生长发育，改良土壤结构。云南省土壤肥沃，有机质含量高。苹果在土壤有机质含量大于1.5 g/kg的土壤中可以得到很好的生长。从图10c可以看出，云南省土壤有机质含量适合进行苹果栽种。

2.2 云南省苹果适宜性区划

针对不同的作物和影响指标，使用不同的分类方法才更具有准确性［11，12］。在Arcmap软件中，将10个影响因子的数据进行重分类后加权叠加得到最后苹果的适宜性，依靠适宜性的高低划分为最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区4类。将得到的4类区域赋予不同的颜色，最后进入布局视图状态，结果如图11所示。

图11 云南省苹果适宜性区划示意

2.2.1 最适宜区和适宜区云南省苹果种植最适宜和适宜的地区主要集中在昭通、曲靖、丽江、大理、昆明、剑川等地。这些地区降水量丰沛，≥10℃积温在2 400℃以上，温度适宜，海拔较低，土层较厚，土壤有机质含量高，满足了苹果的生长需求，可大规模进行苹果种植。

2.2.2 次适宜区域云南省苹果种植次适宜区主要集中在文山、红河的大部分区域，昭通、曲靖、玉溪、保山的小部分区域。这些地区年均气温为7.5℃或13.5℃左右，积温为2 000（d·℃）左右，坡度为15°～30°，海拔为1 600～2 100 m。这些区域虽然可以进行苹果种植，但是相同种植规模下的产量会比最适宜区和适宜区要小。

2.2.3 不适宜区云南省不适宜种植苹果的区域主要在迪庆的北部、普洱西南、德宏、西双版纳、红河的部分地区。由于年均气温、日照时数、积温、海拔和土壤因子达不到苹果生长发育的要求，因此，不建议在此地盲目进行苹果种植。

3 讨论

针对苹果种植适宜性区划问题，虽然国内外已有部分研究人员开展了相关研究工作。黄杏元等［10］将GIS原理和方法用于土地适宜性评价；程振龙等［13］利用GIS空间分析与建模技术对栖霞市苹果种植适宜性进行评价；何可杰等［14］基于GIS对宝鸡市苹果气候区划进行了研究；吉志红等［15］基于GIS对三门峡市苹果种植气候适宜性区划进行了研究。李东颖等［16］基于GIS对天水市苹果种植适宜性决策进行了分析。以上研究成果表明，利用GIS技术对苹果种植进行适宜性评价比传统人工评价更系统、科学，特别是针对大范围区域的苹果种植适宜性评价优势更为明显。但是，由于影响苹果种植的环境因素复杂，每种环境因素对苹果种植的影响程度不同。如何科学地选取影响苹果种植的环境影响因子，并确定各环境影响因子的权重，成为决定苹果种植适宜性评价效果的关键问题。目前，在苹果种植适宜性区划研究中，针对苹果种植的环境影响因子的选取还处在研究阶段，尤其是各环境影响因子权重的计算方法，尚存在诸多问题需要解决，更需要实例加以证明。本研究选取的环境影响因子涵盖土壤、气候和地形3个维度10个因子，包括了现有研究成果中已知对苹果种植起主要影响的环境因子，且所用到的原始数据时间跨度较长，数据采集点较多，所以对云南省苹果种植环境描述更准确、全面，区划分析结果更科学、可信。结果表明，云南省苹果种植适宜区面积大于现有实际苹果种植面积，除传统的苹果主产区（丽江、昭通、曲靖、昆明）外，大理、玉溪等地区也适宜进行苹果生产，所以可以适当扩大这些地区的苹果种植面积。这些研究成果对云南省苹果产业发展起到了积极的促进作用。

4 小结

本研究将云南省气候、地形、土壤3方面的数据资源和苹果生长发育所需的环境要求相结合，确定了10个环境影响因子作为云南省苹果种植区划评价指标。利用反距离权重插值法，通过重分类得到各环境影响因子的栅格图；然后，叠加各环境影响因子栅格图；最终得到云南省内适合苹果种植的区域，形成云南省苹果种植适宜性区划图。区划结果表明，云南省具有种植苹果的潜力，可进一步发展苹果种植产业。本研究原始数据丰富，区划指标选取合理，给出了云南省各地区针对苹果种植的不同适宜度，以期为云南省苹果产业科学布局提供理论依据。