山区农业园区选址评价方法研究及应用

陈奎栋 王心良

摘要 为加强农业经济水平快速发展，因地制宜进行山区农业园区地选址，以临沂市蒙阴县农业园区选址为例进行适宜性评价分析。从水文分析、太阳辐射分析、坡度分析角度出发，利用GIS结合现有土地利用现状叠加分析，加权总和，得到蒙阴县农业园区适宜评价。结果表明，农业园区适宜面积约207.51 km2，占比约12.93%，主要分布在蒙阴县西南部垛庄镇、西北部联城镇；比较适宜面积约595.67 km2，占比约37.11%；一般适宜面积约427.93 km2，占比约26.62%；比较不适宜面积约223.28 km2，占比约13.92%；最不适宜面积约150.61 km2，占比约9.42%。水文分析、太阳辐射分析结果符合实际情况，表明水文分析、太阳辐射分析适宜山区河流复杂区域的农业园区选址工作。

关键词 GIS；水文分析；太阳辐射分析；农业园区；选址评价

中图分类号 F324  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）14-0058-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.015

作者简介 陈奎栋 （1997—） ，男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向：农业管理。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事土地资源管理、资源经济学研究。

随着经济快速发展，农户兼业化现象越来越普遍，很多耕地遭到抛荒或者撂荒，在加快其他行业发展的同时，又要继续保障农业发展，在当地政府的支持、补贴下，出现大量农用地承包大户。承包地的选择多以面积连片为优选地，但这种方法并非最优选择，特别是山区山脉纵横，土地连片性本就不高，加上大山阻挡太阳光照，即使山脚下平原地段也不能高质量、高产能，再加上山川河流影响，给山区农业园区选址工作加大了困难程度。但随着GIS技术发展，水文分析、太阳辐射分析广泛用于农业园区选址分析。地理数据是地理信息系统的核心组成部分之一，数字高程模型（DEM）是地理数据的重要组成部分，已经被广泛用于国家地理信息基础、军事地表三维显示、景观设计、地形特征提取、流域水文分析等诸多领域［ 1］。因此，该研究从水文分析、太阳辐射分析、坡度分析角度出发，结合现有土地利用现状进行选址，以期因地制宜选出合适的大型农业园区，为研究受山川、河流影响严重的区域更好选址，达到方案最优化。以地形复杂的山东省临沂市蒙阴县为例，主要引入水文、太阳辐射分析方法进行创新，水文分析将水流方向、汇流累积量、各级水流长度、径流量、分水岭考虑在选址范围内，太阳辐射分析将对每个要素位置或每个地形面中的位置重复计算直射日照量、散射日照量、总日照量，以便生成蒙阴县整个地理区域的日照地图。随着GIS技术发展，数字高程DEM数据还能反映蒙阴县坡度、地表径流污染源位置、受气象灾害影响严重区、植被蓄水导水能力强弱区、土壤松软程度区、受大气污染影响区、高山投影严重区等，此方法为高山河流复杂区的农业园区选址提供了一种新的思路。

1 研究区现状

蒙阴县位于山东省临沂市中北部，北邻淄博沂源县、济南莱芜区，南邻临沂市费县，东邻临沂市沂南县，西邻临沂市平邑县，公路运输发达，铁路运输不便。属于暖温带季风大陆性气候，夏季温度20～33 ℃，最高可达39 ℃左右，日降水量可达36.5 mm，易发生洪涝，冬季温度多为-5～5 ℃，最低可达-12 ℃左右，易受寒潮、干旱影响。地形受南边的蒙山山脉、北边的新甫山山脉和三大河流（梓河、汶河、蒙河）影响，海拔91～1 073 m，最低处位于垛庄镇，最高处位于桃墟乡冷峪顶，山川、丘陵、沟壑纵横，因高山及丘陵占据全部面积的81%，也造就了蒙阴县复杂密集的河网系统（图1）。

2 数据来源

数字高程数据来自地理空间数据云，数据集选用栅格数据GDEMV3 30 m分辨数字高程数据，土地利用现状数据来自全球30 m地表覆盖（Globe Land 30）数据集，利用Arcgis与各栅格数据、文本数据结合，进行叠加分析，分等赋值，加权后再次分级，最后进行适宜区分析。为使图层目标结果图清晰一致，地理处理时在环境处理中统一使用投影坐标系高斯克吕格投影CGCS2000_GK_Zone_20，数据大多为30 m分辨率，处理范围为临沂市蒙阴县行政区划矢量图，栅格分析时像元大小指定为30，按掩膜处理同为蒙阴县行政区划矢量图。主要处理方法为核密度分析、水文分析法、太阳光照辐射法，裁剪、合并、融合、镶嵌、按掩膜提取、重分类、加权总和。指标因子选取考量其典型性、相对独立性、稳定性和可操作性［ 2］。需要综合考虑立地条件、土壤特性、利用状况、生态环境状况等因素［ 3-7］。

3 研究方法及结果分析

3.1 水文分析

第一步，提取蒙阴县数字高程。使用Fill工具统一进行洼地填充，以无洼地进行处理，利用处理好的洼地提取水流方向，水流方向以2的幂次方以左边方向为起点顺时针分布，如2的零次方为1，位于最左边起点位置，沿着9宫格顺时针方向类推，一共0～7次方，8个方向。

第二步，基于水流方向结果计算汇流累积量。原理是每一个数字高程模型所对应的规则格网都会有一个单位的流水量，根据自然规律，水流从高处向低处进行流淌，流过的栅格数量即为每个点流经的水量，当汇流逐渐增多时，就会形成地表径流，进一步使用栅格计算器提取地表径流量河网大于500的值，利用栅格重分类，只保存大于500的值，使用河网矢量化工具将大于500的栅格值转换为矢量。

第三步，采用顺流水流方向计算水流长度。是指沿着地面水流方向到出水口的实际距离长度，水流长度对地面径流速度具有直接关系，对土壤侵蚀力也具有一定的影响，重分类，越长越适宜。

第四步，使用Stream Link工具从水流方向和大于500的河网中提取河流连接栅格。每一种不同颜色线条交接点都是不同河流的起点或终点，研究这些点的位置对于水量和水土流失具有重要意义。使用Strahler分级法对河网进行分级，方法原理是2个1级河网弧段汇聚在一起成为2级河网弧段，以此类推，直到出水口，1级为最低级，数值越大越高，低级的为支流，高级的为主流，将分级后的河网矢量化单独提取出来，再要素折点转点得到各级出水口。如图1所示，各级河流汇集点即为出水口点，这些点反映的是该节点为周围支流汇流量最大位置，水源最丰富，最适合农业园区选址区域，通过使用欧氏距离法得到距出水口距离空间插值，重分类，越近越好。综合第三、四步，矢量化分级后的河流弧段，得到共6級河流；6级河流长度约12.44 km、5级河流长度约62.99 km、4级河流长度约94.22 km、3级河流长度约247.55 km、2级河流长度约393.96 km、1级河流长度约939.90 km。

第五步，使用Basin工具提取流域盆地。使用Watershed提取集水流域，流域盆地面积越大，集水流域面积越大，说明此区域汇流水量最大，进行重分类，面积越大越好。流域盆地分布如图2所示，蒙阴县主要分为3块流域盆地，面积分别约为1 126.83、95.09、184.60 km2，流域盆地面积大反映了该区域降水量集中，支流量密集，河流径流量大，地势相对平坦，分水岭的存在限制了河流流向以及流域，因此相邻流域盆地周边多为自然灾害频发地段也可通过预测河流流向提前做好防范措施，避免在该地区周围进行大范围作业。集水流域分布如图3所示，集水区域最多的地方位于蒙阴县最南部，此地随着高程大小逐渐递减，整体上自南向北越来越少，单条集水面积最大5.97 km，最小大于1.00 km2的有534条河流。水文地理综合气候、地质、地貌、土壤、植被等自然地理要素［ 8］，反映此区域河流或者水系周围能够贮集、利用水资源最多，淹没区域最高的地方往往是气象灾害最少的地方，原因是气象灾害对河流汇水储水能力具有较大的影响力，因此集水区域越稳定，反映蒙阴县该区域受台风、暴雨影响越小，生态越稳定，集水区域大的地方也多为地形坡度平坦区，土壤是水的储蓄场所，是农作物生长的关键因素，集水区域高也能反映该区域土质地适宜、结构稳定、孔隙管道大、植被导水能力强，涵养水源能力强等。

第六步，按比重叠加总和。水流长度重分类0.24、出水口重分类0.33、流域盆地重分类0.17、集水流域重分类0.26，得到水文分析适宜图。蒙阴县水文分析评价如图4所示，水文条件优越的区域整体上分布在河谷地段，西南优势最高、中部较平均、东北较为劣势，这是由于西南地区高级河流较多，所覆盖的集水区域大、盆浴面积大，适宜农业园区选址。

3.2 太阳辐射分析 该方法考虑大气效应、地点的纬度和高程、坡度和方位、太阳角度的日变化和季节性变化、周围地形投影所产生的阴影等影响因素，广泛应用于农业园区选址分析。使用工具Area Solar Radiation选取2021年3—9月08：00～15：00的光照强度，太阳光照强度分布如图5所示，单位为（W·h）/m2，太阳光照是农作物光合作用的来源，是叶绿素形成的前提，将无机物变成有机物，促进细胞分裂，加快农作物生长。从图5可知，蒙阴县中北部光照强度最高，南部部分区域较高，造成同一地区太阳光照辐射强度不一的原因除了云量外，还与海拔有关，海拔越高，影响太阳光线经过大气路径，造成大气光学厚度值变小，辐射越强。在实际应用中可通过对比两点位置的栅格数量多少，从两个位置中选出最合适位置。

3.3 坡度分析

利用数字高程提取出坡度，并进行重分类，蒙阴县坡度评价如图6所示，最低坡度0°，最高坡度59.28°，呈现出东北部高、中部低、西南高状态，应充分利用地形特征，因地制宜，在东北部山区密集地带发展符合当地特征的园地或林地作物，在中部平坦地区发挥机械化优势，建立大型农业园区，利用现代化技术发展优势农业，在西南部地区交叉种植适宜作物。

3.4 土地利用分析

重分类30 m遥感数据，蒙阴县土地利用评价如图7所示，加入土地利用现状指标是对结果的一种修正，结合土地利用现状，对原来的用地位置重新规划，也为新的结果提供依据，对比水文、光照、坡度条件可知，耕地多分布在河流汇集区、太阳光照强、坡度适宜区，森林多分布在山地但森林覆盖率明显不足，草地也多分布在坡度较高地段，并没有充分利用山体。

3.5 加权分析

将水文分析、太阳辐射分析、坡度分析、土地利用分析按比重加权总和，加权方法采用层次分析法。使用层次分析法具有高度的缜密性、系统性和实用性，是解决庞大系统中多层次、多目标决策问题的有效决策方法［ 9］。专家打分取平均值，并判断矩阵通过一致性，这种定性与定量结合的办法，能弥补数据残缺或不准的不足，使结果更准确。单因子分级如表1所示，水文分析、太阳辐射分析、坡度分析、土地利用分析分别按照0.25、0.21、0.23、0.31权重加权，综合评价结果按照自然间断点法分级划定适宜区等级，进一步修正，去掉重要水库、国家级水产种质资源保护区等，将禁止开发的划为最低级。农业园区适宜区分布如图8所示，适宜面积约207.51 km2，占比约12.93%，主要分布在蒙阴县西南部垛庄镇、西北部联城镇;比较适宜面积约595.67 km2，占比约37.11%;一般适宜面积约427.93 km2，占比约26.62%;比较不适宜面积约223.28 km2，占比约13.92%;最不适宜面积约150.61 km2，占比约9.42%，主要分布在中部蒙阴街道、东北部岱崮镇。

4 结论与讨论

研究结果对比蒙阴县实际情况后，适宜区评价结果符合当地结构，并且农用地质量相对较高，说明从水文、太阳日照角度分析方法适宜山区河流复杂区域的农业园区选址工作，并且研究水文地理、合理利用太阳日照对农业生产具有显著作用，有助于促进农业农村发展。

（1）水文分析预测自然灾害，防止危害农业生产。水文分析对农业园区选址评价具有重大意义，河流网络中反映的是一块区域内地形、地貌、气候特征及对未来地表水文的预测，地表径流污染源的确定，可减少气象灾害对农业造成的影响，在选址前将水文因素考虑其中，可大幅度避免洪涝、干旱发生。

（2）增加太阳日照强度，促进作物生长。日照时数和太阳总辐射变化原因主要有云、气溶胶、水汽、城市化、太阳自身活动等［ 10］，其中最常见的原因有2种，云层越厚，天气状况对太阳辐射的削弱作用就越大，到达地面的太阳辐射点就越小，因而晴朗天气云层少，太阳辐射到达地面就越多，随着城市化发展，工业化产生的气溶胶也对太阳辐射强度有一定影响。齐月等［ 11］还发现太阳日照强度变弱可能与人为活动有关。因此一方面是保护环境，另一方面是改变作物种植方式，采用单作、间作、套种结合方式，搭配不同种植行距，加大农作物对光照强度的截留，充分发挥不同品种作物的特征优势，如枸杞与胡萝卜进行间作，提高光合作用利用率，两种作物发挥互补作用，促进光照存取与吸收。综上，太阳辐射分析对农业园区选址具有重要作用，可为农业园区提供天然的光照基础。

参考文献

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