基于GIS的甘肃张家川县耕地种植乌龙头适宜性评价研究

黄文魁， 周晓芳， 徐 辉， 章 梅

(江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏徐州 221000)

农业生产中，作物的生长状况时常因地而异，表明作物的生长状况与所在地区的环境有密切关系[1]。种植适宜性评价就是通过对作物生长所需环境与研究区区域环境进行匹配分析，来评价研究区作物生长的适宜程度，从而为当地农业发展与布局提供科学依据[2]。最初的土地适宜性评价只是简单地通过对土地基本属性的调查来为土地的合理利用服务，后期随着“3S”(GIS、GPS、RS)技术的发展，土地适宜性评价开始由定性转为定量、精细化的方向发展，广泛应用于不同作物的种植适宜性评价上[2-12]。

张家川回族自治县位于甘肃省东南部，天水市北部，陇山西麓，是中国煤炭地质总局的对口扶贫单位，曾长期作为国家的重点贫困县，直至2020年才得以脱贫摘帽。当地特色作物乌龙头，学名楤木(Araliachinensis)，属五加科楤木属，其嫩芽可食用，具有良好的市场发展前景(图1)[13-16]。目前由于大量采摘，致使张家川县的野生乌龙头资源贮量逐年减少，有的地方甚至资源枯竭，这既严重破坏生态平衡，又不利于长期开发，而人工培育产品数量仍然有限，且产量远远不能满足市场需求。为了充分利用当地耕地资源，达到乌龙头高产的目的，本研究在GIS的支持下，运用层次分析法和模糊数学评价法，对当地乌龙头的种植适宜性展开评价，以期为张家川县乌龙头种植生态区划和农业产业高质量发展提供科学依据。

1 研究区概况

研究区东接陕西省陇县，南与清水县相接，西和秦安县接壤，北靠华亭、庄浪县。全境地势由东北向西南倾斜，略呈斜三角形。东西长62km，南北宽48km。全县总面积1 311.8km2，下辖15个乡镇。

张家川回族自治县地处内陆，属典型大陆性季风气候。由于地形和海拔高度的影响，气候差异较大。东北部陇山山地，森林茂密，地势较高，气候寒冷湿润；西部黄土峁梁沟壑山区，地势较低，植被差，气温较高，为温和半干旱区；中部为东西部的过渡地带，地势高于西部而低于东北部，植被覆盖介于二者之间，为温凉半湿润区。全县年平均气温6.1～7.7℃，年降水量为599.3mm，但随地区不同差异较大，气温从西部到中部再到东北部是逐渐降低的，而降水量却是逐渐增多。年平均日照为2 080h，年平均蒸发量为1 409.5mm，年平均无霜期158d，海拔1 486～2 659.4m。

全县耕地面积5.52万hm2，约占全县总面积的42%。县域内耕地土壤主要有潮土、冲积洪积土、淀土、褐土、黑垆土、黑土、红黏土、黄绵土、山地草甸土、棕壤10个土壤类型，其中以潮土和褐土为主，分别占比39.9%和27.5%。

2 数据来源

2.1 气象与地形数据

本研究收集了张家川县的14个乡镇自动气象站点和张家川县周边的8个国家基本气象站点的温度、降水数据。气象数据来源于张家川县气象局和中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心。根据获得的平均气温和降水等数据计算≥10℃积温、年均降水量和昼夜温差等数据，通过将站点经纬度数据导入ArcGIS 10.2软件中生成监测点矢量图层，将≥10 °C积温、年均降水量和昼夜温差数据连接至各个气象监测点位，利用工具箱中“Geostatistical Analyst”进行数据探索和检验，并利用地统计向导进行最优插值方法的确定，通过对比各个插值方法的精确度后，最终选择普通克里金法进行空间插值分析，计算出张家川县≥10 °C积温、年均降水量和昼夜温差的空间分布栅格数据。

研究区地形数据提取自30 m×30 m精度DEM数据，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台。在ArcGIS 10.2软件中导入原始DEM图，数据统一投影为坐标系CGCS2000 3 Degree GK CM 105E，得到张家川县海拔分布数据。而后使用“Spatial analyst tools”中“表面分析”的“坡度”和“坡向”提取研究区各像元内z值的最大变化率，从而获得张家川县坡度和坡向分布数据。

2.2 土壤数据

本研究总共采集土壤样品360个，采样密度按照4个点/km2的网格化布设，实际点位由于地形和交通因素与布设点位略有偏差，样点在张家川镇、恭门镇和阎家乡较密集，其他乡镇点位较稀疏(图1)。土壤样品全部采自农田，深度0～20cm，采用5点法采集5个子样混合成一个样，避开了沟渠、路边、田埂、房基和垃圾堆等地段。

图1 采样点位分布

土壤样品分析测试项目包含pH值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等。样品分析工作由江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)生态环境中心承担。

3 研究方法

3.1 评价单元赋值

选择土地利用现状图中的耕地图斑与30m×30m精度的栅格格网叠加产生的图斑作为本次适宜性评价的评价单元。整个张家川县共划分评价单元53 830个。当图斑中没有评价数据时，采用普通克里金插值法进行赋值，对赋值结果进行插值准确性验证，结果显示插值结果较准确。

3.2 选取评价指标

根据张家川县的基本地理环境，参考乌龙头栽培相关文献，经与张家川县乌龙头种植专家探讨，从气候、地形、土壤3 个大类条件中分别择优选取指标对乌龙头的种植适宜性进行评价(图2)。

图2 适宜性评价因子层次结构

3.3 确定评价指标权重

本研究基于层次分析法(AHP)计算参评指标的权重，通过工作区实际调研、参考相关文献以及与张家川县乌龙头种植专家探讨，确定各评价指标的重要性比值，利用yaahp软件进行计算，并通过一致性检验，最终确定张家川县乌龙头种植适宜性评价指标权重见表1。

表1 适宜性评价指标权重

从表1可以看出，土壤条件对乌龙头种植适宜性影响最大，其次是地形条件，气候条件影响最小。综合权重上坡向>有机质>年均降水量>海拔>碱解氮>昼夜温差=≥10 °C积温>pH值>坡度>速效磷=速效钾，坡向和土壤有机质含量是乌龙头种植适宜的关键因素。

3.4 确定评价指标的隶属度

由于各指标因子的单位不统一，因此需对各单项指标因子不同的数据计量单位进行统一无量纲化，方便不同指标相互比较分析。本研究基于模糊数学理论，在所选指标因子与乌龙头种植适宜性程度之间建立模糊集的隶属函数，根据乌龙头生长对各指标因子的不同需求，采用戒上型、峰型和直线型 3 个隶属函数模型，表达式如下：

隶属函数戒上型

(1)

隶属函数峰型

(2)

隶属函数直线型

yi=axi+b

(3)

式中:yi为隶属度；xi为指标实际值；c为标准指标；u2和u1分别为指标上下限值；a和b为参数值。

根据乌龙头生长发育的适宜条件和张家川县各指标数值的分布范围，采用特尔斐法(即专家打分法)对各指标因子的一组实测值判断评估一组对应的隶属度，进而确定隶属函数的参数值，各指标隶属函数参数值见表2。

表2 适宜性指标隶属函数

3.5 划分适宜性等级

基于层次分析的模糊综合评价法，根据已经确定的各参评指标因子权重与单因子模糊适宜性程度，加权累加这两个指标构建种植适宜性评价综合指数模型，具体的数学表达式：

(4)

式中:SI为种植适宜性指数；yi为第i个评价指标的隶属度；wi为第i个评价指标的组合权重值。

在ArcGis 10.2中计算出各评价单元的适宜性综合指数，为0.356～0.809。根据张家川县乌龙头种植适宜性指数分布特点，采用自然间断法对适宜性区间进行划分。

4 结果与分析

经过计算和统计，张家川县乌龙头种植适宜性分布图、各适宜区指数和面积如图3所示。

图3 适宜性分区

4.1 高度适宜区

区域面积81.443 km2，占全县耕地面积的14.9%，集中分布在马鹿镇—阎家乡一带，其中马鹿镇高度适宜区面积占比超过50%，阎家乡占比接近30%。该区域≥10 °C积温在2 674～3 078°C，平均值为2 852°C，昼夜温差平均值为11°C，平均降雨量为606mm，平均海拔1 900m，平均坡度15.6°，坡向主要朝南偏西，土壤pH值平均值为8.15，有机质平均含量6.48g /kg，碱解氮平均含量105.9μg/g，有效磷平均含量16.84μg/g，速效钾平均含量220.0μg/g。

4.2 中度适宜区

区域面积187.350 km2，占全县耕地面积的34.2%，是占比最高的分区，主要分布于阎家乡—恭门镇一带、大阳乡—木河乡—龙山镇一带和张棉乡—连五乡—川王镇一带。该区域≥10℃积温平均值为2 912℃，昼夜温差平均值为10.91℃，平均降雨量为596mm，平均海拔1 847m，平均坡度14.1°，坡向相比高度适宜区更偏南一些，土壤pH值平均值为8.22，有机质平均含量6.19g /kg，碱解氮平均含量94.1μg/g，有效磷平均含量17.01μg/g，速效钾平均含量211μg/g。相比高度适宜区，中度适宜区除积温、土壤pH值和速效磷外，其余各指标均值均有小幅下降，整体上看，差异并不明显。

4.3 勉强适宜区

区域面积180.376 km2，占全县耕地面积的33%，占比仅次于中度适宜区，主要分布于刘堡乡—张家川镇—胡川乡一带和梁山乡—马关乡一带。该区域≥10 °C积温平均值为2 919°C，昼夜温差平均值为10.85°C，平均降雨量为610mm，平均海拔1 840m，平均坡度13.6°，平均坡向184°，土壤pH值平均值为8.24，有机质平均含量5.86g /kg，碱解氮平均含量90.1μg/g，速效磷平均含量17.28μg/g，速效钾平均含量207μg/g。勉强适宜区有机质、碱解氮、速效钾平均含量进一步下降，其他指标变化较小，表明土壤肥力是区分乌龙头种植适宜性的关键因素。

4.4 不适宜区

区域面积98.262 km2，占全县耕地面积的17.9%，主要分布于平安乡—张家川镇一带。该区域≥10℃积温平均值为2 916℃，昼夜温差平均值为10.86℃，平均降雨量为628mm，平均海拔1 838m，平均坡度12.4°，坡向朝南，土壤pH值平均值为8.26，有机质平均含量5.28g /kg，碱解氮平均含量85.6μg/g，有效磷平均含量17.21μg/g，速效钾平均含量197μg/g。不适宜区海拔、坡度、有机质、碱解氮、速效钾等指标为全县最低，但土壤pH值最大，坡向离正南方最近，说明碱性越强的土壤、平地和阳坡不太适宜乌龙头的生长，规划乌龙头产业时应避开此区域。

5 结论

在ArcGIS平台的支持下，运用层次分析法和模糊数学评价法，对张家川县乌龙头的种植适宜性展开评价，划分了乌龙头种植的各类适宜区，为乌龙头种植生态区划和农业产业高质量发展提供科学依据。主要结论有以下几点：

1)将张家川县乌龙头种植适宜性划分为四个区域：高度适宜、中度适宜、勉强适宜和不适宜区。所对应的区域面积分别为81.443 km2、187.350 km2、180.376 km2和98.262 km2，分别占全县耕地面积的14.9%、34.2%；33.0%和17.9%。高度适宜和中度适宜区面积之和占比接近50%，说明张家川县具备将乌龙头产业化发展的条件。

2)张家川县乌龙头种植以位于县东南方的马鹿镇—阎家乡一带为最佳区域，不建议种植在位于县中部的平安乡—张家川镇一带。

3)从高度适宜到不适宜区，有机质、碱解氮等土壤养分指标变化最大。表明土壤肥力是影响乌龙头种植适宜性分区的关键因素，建议张家川县优先在高度适宜区和中度适宜区发展乌龙头产业，在勉强适宜区通过施肥等措施提升耕地土壤质量后，可进一步加大乌龙头种植区面积。