王 璽，李 亮，李敏生，孫慧英，王達(dá)菲

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，山西 太原 030031)

臨汾市西山地區(qū)是山西省最重要的優(yōu)質(zhì)水果產(chǎn)區(qū)，也是農(nóng)業(yè)部規(guī)劃的優(yōu)勢(shì)水果產(chǎn)區(qū)。在此地開展果樹生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)研究，不但為該地區(qū)制定果樹產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型發(fā)展規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)信息，對(duì)山西省果樹品種資源合理開發(fā)、利用和保護(hù)也具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

基于GIS(地理信息系統(tǒng))的適宜性評(píng)價(jià)最早用于土地資源的利用的綜合評(píng)價(jià)[1-3]，后拓展到農(nóng)田種植規(guī)劃的區(qū)域評(píng)價(jià)[4-6]，并逐步發(fā)展到不同農(nóng)作物品種對(duì)氣候生態(tài)環(huán)境的適宜性評(píng)價(jià)[7-9]。果樹區(qū)劃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)是果樹區(qū)劃的基礎(chǔ)工作，它是根據(jù)果樹的生態(tài)需要和不同地區(qū)的生態(tài)條件，通過評(píng)價(jià)不同地區(qū)果樹的生態(tài)適宜程度而做出的區(qū)劃建議。首先，要確定果樹的最適生態(tài)條件，其主要的依據(jù)是果樹的原產(chǎn)中心和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)區(qū)的自然生態(tài)條件。前者是這種果樹長(zhǎng)期生存的必要條件，后者是提高該種果樹種植經(jīng)濟(jì)效益的必要條件，通過對(duì)這兩種生態(tài)條件的綜合和驗(yàn)證，即可確定某種果樹的最適生態(tài)條件。根據(jù)果樹區(qū)劃的適宜程度，一般分為優(yōu)生區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)4級(jí)[10-15]。在果樹生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方面，賈獻(xiàn)松利用地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)10個(gè)果樹生長(zhǎng)適宜性要素的基本圖件進(jìn)行疊加，生成太行山地區(qū)主要果樹適宜種植范圍圖，進(jìn)而生成主要果樹種植適宜性分級(jí)圖[16]。黃偉嬌等采用 GIS 技術(shù)，對(duì)杭州市山核桃種植進(jìn)行生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)[17]。本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)區(qū)劃和果樹區(qū)劃的經(jīng)驗(yàn)、果樹的發(fā)展規(guī)律、果樹的生態(tài)環(huán)境需求和果樹栽培特點(diǎn)，以臨汾市西山地區(qū)七縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評(píng)價(jià)單元，選取了和果樹栽培密切相關(guān)的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無(wú)霜期、有效降雨量、土壤酸堿度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、海拔高度)，建立了生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別對(duì)蘋果、梨、核桃3個(gè)主栽樹種進(jìn)行了生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，為該地區(qū)果樹品種資源合理開發(fā)與和果樹產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局提供了科學(xué)依據(jù)，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

臨汾市西山片區(qū)地處臨汾市西北部，呂梁山西南部，位于東經(jīng)110°22′45″～111°23′36″和北緯35°41′30″～36°56′45″之間，總面積9781.69 km2，其范圍包括永和、大寧、吉縣、鄉(xiāng)寧、隰縣、蒲縣、汾西7個(gè)縣。海拔多在1 100 m以上，光熱資源豐富，晝夜溫差大，降水資源不足。地貌屬黃土殘?jiān)珳羡謪^(qū)，地形主要有粱、峁、丘陵、溝壑和不完整的破碎黃土塬。褐土是臨汾市西山地區(qū)農(nóng)用地土壤的主要類型，土層深厚、土質(zhì)均勻、耕性良好，是最好的耕作土壤之一[18]。目前，大面積種植的果樹樹種主要有蘋果、梨、核桃，根據(jù)各縣統(tǒng)計(jì)的各樹種種植面積數(shù)據(jù)，栽培面積最大的樹種是蘋果，達(dá)4.63萬(wàn)hm2，占果樹栽培總面積的近70%，西山7縣均有栽培，栽培面積最大的是吉縣。其次是核桃和梨樹，栽培面積分別是1.83萬(wàn)hm2和1.8萬(wàn)hm2，蒲縣和鄉(xiāng)寧以核桃種植為主，隰縣梨樹栽培面積占該地區(qū)梨樹總面積的80%以上。

1.2 數(shù)據(jù)來源

生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)一共選擇了3個(gè)方面的數(shù)據(jù)，包括氣候因子數(shù)據(jù)，土壤因子數(shù)據(jù)和地勢(shì)因子數(shù)據(jù)。其中氣候因子數(shù)據(jù)是通過臨汾市氣象局獲取臨汾市西山片區(qū)各縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)氣象站點(diǎn)10年(2007-2016年)的數(shù)據(jù)，根據(jù)研究需要，選擇光照、平均氣溫、有效積溫、降雨量，無(wú)霜期等5個(gè)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)再計(jì)算出所需的5個(gè)氣象評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)是在臨汾市西山片區(qū)各縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的果樹種植區(qū)域采集土壤樣本，經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)化驗(yàn)后，選取本研究需要的2個(gè)土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)；地勢(shì)數(shù)據(jù)來源于相關(guān)專業(yè)網(wǎng)站。地理信息數(shù)據(jù)基于GIS的1∶25萬(wàn)臨汾市西山7縣基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 研究方法與相關(guān)軟件

1.3.1 Krigin插值法

采用Kriging插值法，將果樹生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及到的氣象環(huán)境因子數(shù)據(jù)插值成空間柵格數(shù)據(jù)，調(diào)入到多圖層模型中，進(jìn)行區(qū)劃因子的空間運(yùn)算得到氣象環(huán)境因子空間分布圖。Kriging 插值法是根據(jù)一個(gè)區(qū)域內(nèi)外若干信息樣品的某些特征數(shù)據(jù)值，對(duì)該區(qū)域作出一種線性無(wú)偏和最小估計(jì)方差的估計(jì)方法，從數(shù)學(xué)角度來說，它是一種求最優(yōu)線性無(wú)偏內(nèi)插估計(jì)量的方法[19-20]。其表達(dá)式為：

式中：Z(x0)為未知樣點(diǎn)的數(shù)值，Z(xi)未知樣點(diǎn)周圍的已知樣點(diǎn)數(shù)值，λi為第 i 個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重值，n為已知樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

1.3.2 多因素綜合加權(quán)評(píng)價(jià)法

多因素綜合加權(quán)評(píng)價(jià)法是把各個(gè)環(huán)境因子作用程度的大小集中于一個(gè)數(shù)量化指標(biāo)，進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣。該方法綜合考慮各個(gè)影響要素，將各要素分別賦予不同的權(quán)重，從而達(dá)到多因素綜合評(píng)價(jià)的目的[21]。其表達(dá)式為：

其中Qi表示某一評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體值，Wi表示該指標(biāo)的權(quán)重，m表示指標(biāo)數(shù)量，U表示該地區(qū)多指標(biāo)環(huán)境因子綜合評(píng)價(jià)得分。采用打分模型賦值評(píng)判，根據(jù)打分將規(guī)劃區(qū)域不同樹種的生態(tài)適宜程度進(jìn)行排序，將等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的間斷點(diǎn)作為指標(biāo)，對(duì)應(yīng)為優(yōu)生區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和非適宜區(qū)四個(gè)等級(jí)。

1.3.3 相關(guān)軟件

采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.2軟件通過Kriging插值法獲取氣象環(huán)境因子空間分布圖，然后進(jìn)行多因素綜合加權(quán)評(píng)價(jià)分析，根據(jù)分析結(jié)果繪制區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分布圖。

1.4 評(píng)價(jià)過程

1.4.1 生態(tài)適宜性環(huán)境評(píng)價(jià)層次確定與標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)臨汾市西山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)條件和果樹資源調(diào)查相關(guān)數(shù)據(jù)，以及研究數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究選取了該地區(qū)栽培面積最大的蘋果、梨、核桃、棗、葡萄、桃、杏等樹種作為研究對(duì)象。根據(jù)專家和相關(guān)文獻(xiàn)的建議，果樹生態(tài)適宜性環(huán)境因子評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可分為兩個(gè)層次，第1層分為3大類：氣候因子、土壤因子和地勢(shì)因子；第2層包含8個(gè)評(píng)價(jià)要素：氣候因子(日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無(wú)霜期、降雨量)，土壤因子(土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH值)，地勢(shì)因子(海拔高度)。因所選環(huán)境因子的量綱不同，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用區(qū)間賦值法，該方法是將規(guī)劃區(qū)域的環(huán)境因子不同樹種環(huán)境因子適宜性的匹配度賦予不同的分值，然后乘以各因子在整個(gè)評(píng)價(jià)模型中的權(quán)重，使結(jié)果落到[0,1]區(qū)間，將環(huán)境因子評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可比較的無(wú)量綱數(shù)值(表1-3)。

表1 蘋果生態(tài)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)賦值

數(shù)據(jù)來源：根據(jù)《果樹氣象學(xué)》《果樹生態(tài)學(xué)》《果樹栽培學(xué)》相關(guān)內(nèi)容整理

表2 梨生態(tài)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)賦值

數(shù)據(jù)來源：根據(jù)《果樹氣象學(xué)》《果樹生態(tài)學(xué)》《果樹栽培學(xué)》相關(guān)內(nèi)容整理[21-23]

表3 核桃生態(tài)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)賦值

數(shù)據(jù)來源：根據(jù)《果樹氣象學(xué)》《果樹生態(tài)學(xué)》《果樹栽培學(xué)》相關(guān)內(nèi)容整理

1.4.2 生態(tài)適宜性環(huán)境評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算矩陣構(gòu)建

決策因素權(quán)重確定的方法主要有客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法?？陀^賦權(quán)法是按照一定的原則和計(jì)算方法對(duì)各影響因子自動(dòng)賦權(quán)的方法，主觀賦權(quán)法是通過專家咨詢等方法，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)各影響因子的重要性進(jìn)行排序賦權(quán)，如模糊綜合分析法、德爾菲分析法等[24-25]。本研究采用的專家咨詢和模糊綜合分析法。分析層次構(gòu)建以后，確定了環(huán)境因子的上下層歸屬關(guān)系，第1層是A為目標(biāo)層，第2層B分為3種不同類型的影響因子(氣候、土壤、地勢(shì))，第3層是C，不同類型影響因子所包含的8個(gè)評(píng)價(jià)要素(日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無(wú)霜期、降雨量、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、海拔高度)。通過專家咨詢法和文獻(xiàn)查閱法，根據(jù)3種影響因子以及其所包含評(píng)價(jià)要素的重要程度分別賦權(quán)，構(gòu)建權(quán)重計(jì)算矩陣(表4)。

1.4.3 ArcGIS疊加分析

在ArcGIS10.2中導(dǎo)入3種果樹生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行圖層疊加運(yùn)算分析。計(jì)算模型如下：

GA=GB1WB1+GB2WB2+GB3WB3

GB1=GC1WC1+GC2WC2+GC3WC3+GC4WC4+GC5WC5

表4 生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算矩陣

GB2=GC6WC6+GC7WC7

GB3=GC8WC8

其中G為代表各層次綜合評(píng)價(jià)得分，W代表個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，A、B、C分別代表不同的評(píng)價(jià)層次。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)得分，將不同果樹的生態(tài)適宜性分為優(yōu)生區(qū)(U≥0.8)、適宜區(qū)(0.7≤U<0.8)、次適宜區(qū)(0.5≤U<0.7)和非適宜區(qū)(U<0.5)4個(gè)等級(jí)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果繪制主要樹種在臨汾市西山地區(qū)的適宜性分布圖。

2.1 蘋果生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過生態(tài)適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果看(圖1)，蘋果是臨汾市西山地區(qū)較為適宜的樹種。優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋的區(qū)域面積占到該區(qū)域的面積的75%以上，只有少量地區(qū)處于次適宜區(qū)，沒有非適宜區(qū)，優(yōu)生區(qū)主要位于吉縣和鄉(xiāng)寧地區(qū)。

2.2 梨生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過生態(tài)適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果看(圖2)，在選擇的樹種中，梨的優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋的范圍占該地區(qū)面積的80%以上，其中優(yōu)生區(qū)覆蓋的區(qū)域主要分布在隰縣、大寧、吉縣、永和、鄉(xiāng)寧等地。

2.3 核桃生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過生態(tài)適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果看(圖3)，核桃在該地區(qū)的生態(tài)適宜性區(qū)域有限，優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋區(qū)域不到一半。優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在汾西、蒲縣、大寧、鄉(xiāng)寧等地，其中優(yōu)生區(qū)覆蓋的范圍只有大寧的少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3 結(jié)論與討論

從生態(tài)適宜性要素評(píng)價(jià)結(jié)果分析，蘋果種植在該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)環(huán)境因子主要有日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫、有效積溫、無(wú)霜期和海拔高度，制約因素是降雨量、土壤有機(jī)質(zhì)含量和酸堿度。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀看，蘋果產(chǎn)業(yè)在永和、汾西和鄉(xiāng)寧等地還有較大的發(fā)展空間。梨樹的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，其優(yōu)生區(qū)和適宜區(qū)在該地區(qū)的分布范圍較廣，但目前梨樹種植目前主要集中在隰縣，其種植面積遠(yuǎn)低于蘋果，梨樹產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來，梨果生產(chǎn)在永和、大寧、吉縣、鄉(xiāng)寧和汾西等縣還有較大的增長(zhǎng)空間。核桃種植在該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)環(huán)境因子有年平均氣溫和無(wú)霜期，但不利因素有有效積溫、日照時(shí)數(shù)和海拔高度等，制約因素有降雨量、土壤有機(jī)質(zhì)含量和酸堿度。分析結(jié)果顯示，次適宜區(qū)和非適宜區(qū)的覆蓋面積在60%以上，因此核桃產(chǎn)業(yè)在該地區(qū)不宜繼續(xù)擴(kuò)張。