李東穎，尤曉妮，周蘇剛，高 慧，張 林

（天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741000）

土地適宜性評價是指某種土地類型對特定用途或作物的適應(yīng)狀況，該過程通過對土地自然和社會經(jīng)濟(jì)屬性的綜合鑒定，闡明土地屬性所具有的生產(chǎn)潛力以及對農(nóng)、林、草等各業(yè)的適宜性、限制性及其程度差異的評定。[1-3]近年來，土地適宜性評價在指導(dǎo)土地資源利用方面起到積極的作用，人們越來越重視對特定用途的土地進(jìn)行適宜性評價，其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，評價體系更為豐富。[2－3]

蘋果種植適宜性評價即通過對區(qū)域土地自然和社會特征的分析，評價土地資源對蘋果種植的適宜性及適宜程度，并對適宜性結(jié)果進(jìn)行等級劃分的過程。對于蘋果種植適宜性評價問題，國內(nèi)許多學(xué)者做了大量的探討與研究，如鐘德燕等[4]借助GIS技術(shù)，綜合運(yùn)用層次分析法、模糊數(shù)學(xué)方法對安塞縣耕地蘋果適宜性定量評價，為該區(qū)的蘋果種植起到了科學(xué)的指導(dǎo)；程振龍等[5]利用GIS空間分析與建模技術(shù)對煙臺棲霞市蘋果種植適宜性進(jìn)行評價，分析了該地蘋果種植適宜性的空間分布規(guī)律，并為該區(qū)蘋果生產(chǎn)布局提出了優(yōu)化建議；唐磊等[6]以沈陽市東陵區(qū)為研究區(qū)，采用GIS技術(shù)和模糊評價等方法相結(jié)合，對該區(qū)紅樹莓、寒富蘋果適宜性及空間布局進(jìn)行研究，為未來該區(qū)的紅樹莓、寒富蘋果的科學(xué)種植提供依據(jù)。但是現(xiàn)有關(guān)于蘋果種植適宜性評價研究普遍存在評價方法單一、確定、靜態(tài)，且在分析過程中由于多因素復(fù)雜關(guān)系不利于快速有效的提取適宜區(qū)域。[7-10]基于此，本文以甘肅省天水市為例，在對天水市土地利用現(xiàn)狀診斷基礎(chǔ)之上，借助ArcGIS空間分析與建模技術(shù)優(yōu)勢，綜合分析多種因素對蘋果種植的影響，提取出蘋果種植適宜性分級區(qū)域，為該區(qū)果樹種植科學(xué)決策提供依據(jù)。

一、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

（一）研究區(qū)概況

天水市是全國北方落葉果樹栽培的最適宜地區(qū)之一，也是國內(nèi)公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)基地，所產(chǎn)蘋果品質(zhì)優(yōu)良，[11]位于甘肅省東南部，總面積達(dá)14325 km2，屬暖溫帶半濕潤半干旱氣候，年平均氣溫為11℃，年平均降水量為491.7mm，境內(nèi)渭河縱貫東西，地勢西北高東南低，土壤類型為黃綿土、黑壚土、褐土、棕壤、紅粘土等12個土類，其中以黃綿土、黑壚土為主，土層深厚，有機(jī)質(zhì)含量高，適宜蘋果大面積種植。由于天水市地處隴中黃土高原腹地典型的季風(fēng)帶氣候和隴東南地區(qū)北亞熱帶氣候交匯區(qū)，南部的秦嶺山地和東北部的隴山山地構(gòu)成了天然屏障，光熱充足，晝夜溫差大，有利于蘋果著色和糖分積累。

（二）數(shù)據(jù)源

氣象與行政區(qū)劃數(shù)據(jù)：從中國國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺（http://data.cma.cn/）、天水市市志、各縣區(qū)市志資料獲取1981～2010年天水市30年間各氣象站點(diǎn)年值數(shù)據(jù)及各縣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)。

土壤數(shù)據(jù)：從地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺-寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取甘肅省1:10萬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，再依據(jù)天水市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖和高分辨率影像提取土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、PH值、土層厚度等數(shù)據(jù)。

地形數(shù)據(jù)：從中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）下載分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)。

二、研究方法及建模

（一）指標(biāo)體系建立及權(quán)重確定

蘋果生長對氣候、土壤、地形等有較高的要求，蘋果適宜氣候涼爽、光照充足、晝夜溫差大、土壤肥沃、土層深厚、水量較好的環(huán)境。研究者通過參閱各專家、學(xué)者對蘋果種植適宜性因子范圍的劃分，在選擇評價指標(biāo)時，綜合考慮蘋果生長及天水市土地資源現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際情況，遵循主導(dǎo)性、空間變異性、穩(wěn)定性和可獲取性原則，運(yùn)用文獻(xiàn)關(guān)鍵詞（蘋果種植相關(guān)因子）排序法，最終選取了氣候、土壤、地形3方面共12個指標(biāo)作為評價因子，包括年均降水量、年均氣溫、日照時數(shù)、≥10℃積溫、土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤PH值、坡度、坡向、海拔高度，并通過研究區(qū)專家和果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)打分得出指標(biāo)權(quán)重，[12]將各因子的適宜等級劃分為4個等級，最適宜、適宜、次適宜、不適宜，對應(yīng)的符號分別為I、II、III、IV.劃分各評價因子適宜范圍如表1，為后續(xù)分析提供依據(jù)。

（二）模型構(gòu)建及過程

在深入研究蘋果種植適宜性問題的基礎(chǔ)上，獲取相關(guān)領(lǐng)域知識、數(shù)據(jù)和規(guī)則，基于土地現(xiàn)狀診斷的《土地評價綱要》[13]（即改進(jìn)FAO在1976年頒布的《土地評價綱要》）進(jìn)行天水市蘋果種植適宜性分析，實(shí)現(xiàn)主要過程為土地現(xiàn)狀診斷分析和評價單元生成、研究區(qū)土地質(zhì)量與蘋果種植匹配、優(yōu)化與種植區(qū)規(guī)劃。

充分利用ArcGIS ModelBuilder模型構(gòu)建器的優(yōu)點(diǎn)（只需將數(shù)據(jù)、地理分析工具拖到模型構(gòu)建器界面中，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并有序的將其連接起來，點(diǎn)擊驗(yàn)證模型，驗(yàn)證無誤后即可運(yùn)行模型，可實(shí)現(xiàn)空間問題的快速處理與分析[14-16]），實(shí)現(xiàn)研究區(qū)蘋果種植適宜性的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理與分析。

1.土地現(xiàn)狀診斷分析和評價單元生成

土地現(xiàn)狀診斷分析重點(diǎn)關(guān)注土地系統(tǒng)內(nèi)部特殊情況，如荒漠化、自然災(zāi)害區(qū)等可以直接劃分為不宜，作為后續(xù)優(yōu)化處理結(jié)果的有力數(shù)據(jù)，還可作為匹配過程中的極限條件，能加快匹配速度；土地區(qū)域尺度判斷分析可為后續(xù)評價單元確定服務(wù)；土地調(diào)查時段分析可幫助果農(nóng)做短中長期的規(guī)劃服務(wù)，是基于蘋果種植對土地的適應(yīng)是過程性的。

評價單元是對土地適宜性具有關(guān)鍵影響的各要素組成的空間實(shí)體，是適宜性評價的基本單位、和基礎(chǔ)圖斑?；趩卧獌?nèi)部穩(wěn)定性和一致性原則，選擇以土地大類作為評價單元，需將土地類型按屬性選擇選出小類，將小類歸為大類確定評價單元，模型如圖1.

2.研究區(qū)土地質(zhì)量與蘋果種植條件匹配

通過對研究區(qū)現(xiàn)狀診斷的土地質(zhì)量數(shù)據(jù)（地形、土壤、氣候氣象等）和蘋果種植條件（即指標(biāo)體系）進(jìn)行匹配，主要運(yùn)用差值法和比值法根據(jù)指標(biāo)權(quán)重加權(quán)得出基于研究區(qū)現(xiàn)狀診斷土地的蘋果種植適宜性分級結(jié)果。

圖1 現(xiàn)狀土地分析與評價單元生成模型

在匹配之前需要進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，首先對30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪、投影轉(zhuǎn)換得到天水市高程，再利用slope、Aspect工具提取出坡度、坡向；并將1:10萬土壤類型、土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、PH值、全磷矢量圖層進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換，便于后續(xù)進(jìn)行疊加分析；最后對天水市1981～2010年各氣象站點(diǎn)降水、溫度、日照時數(shù)、≥10℃積溫數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離權(quán)重插值（IDW），得到所需圖層。

蘋果種植各影響因子在特定范圍內(nèi)的適宜程度不同，運(yùn)用匹配工具對評價單元適宜性范圍進(jìn)行劃分。例如將坡度按5～15度為最適宜、＜5度為適宜、15～30度為次適宜、＞30度為不適宜進(jìn)行匹配，將有機(jī)質(zhì)含量按1.5～2為最適宜、1～1.5為適宜、0.6～1為次適宜、＜0.6為不適宜等進(jìn)行匹配（圖2為氣象數(shù)據(jù)匹配模型），由于每個影響因子對評價內(nèi)容的貢獻(xiàn)大小和適宜程度不同分別得出氣候適宜等級結(jié)果圖、地形適宜等級圖、土壤適宜等級圖，在此基礎(chǔ)上對氣候、地形、土壤適宜等級圖進(jìn)行疊加得到基于研究區(qū)現(xiàn)狀診斷土地的蘋果種植適宜性分級結(jié)果，分析過程如圖3.

3.精度分析與模型優(yōu)化

圖2 氣象數(shù)據(jù)匹配模型

圖3 基于現(xiàn)狀診斷的蘋果種植土地適宜性加權(quán)匹配模型

圖4 精度結(jié)果圖

通過結(jié)果精度分析和進(jìn)一步優(yōu)化可使得研究結(jié)果更加準(zhǔn)確。因評價單元是基于土地類型生成的，故分析評價結(jié)果與之呈正向關(guān)聯(lián)，在柵格計(jì)算器里用公式“%適宜性等級%”/“%評價單元面積%”得到初步精度圖（圖4），其中精度值為0、1、2的區(qū)域精度較高，占總區(qū)域的92%，精度值為3、4、5精度較低，占比8%，據(jù)此在柵格計(jì)算器工具中用公式選取“%結(jié)果精度%”＞=3即精度小的區(qū)域進(jìn)一步優(yōu)化，得出較高精度適宜性分級結(jié)果，精度優(yōu)化模型如圖5.

三、結(jié)果與分析

（一）各適宜等級面積統(tǒng)計(jì)

結(jié)合研究結(jié)果表2、表3和研究區(qū)行政區(qū)劃可以看出：最適宜區(qū)面積為3395.1km2，占總面積的24.40%；適宜區(qū)面積為4379.8 km2，占區(qū)域面積的31.48%；次適宜區(qū)面積為4102.6 km2，占區(qū)域面積的29.49%；不適宜區(qū)面積為2035.6 km2，占區(qū)域面積的14.63%.最適宜區(qū)分布在水熱條件較好、土壤肥力較高的河谷地區(qū)；適宜區(qū)和次適宜區(qū)分布在土壤肥力、水熱條件一般的低山丘陵地區(qū)，該區(qū)域應(yīng)做好土壤追肥、引水灌溉，加強(qiáng)果園管理；不適宜區(qū)分布在土壤質(zhì)地過沙、過黏造成的土壤水汽、肥力不協(xié)調(diào)的河谷灘涂區(qū)域，以及海拔過高的山地?？傊?，天水市絕大部分區(qū)域適宜蘋果種植，其適宜面積達(dá)80%以上。

圖5 精度優(yōu)化模型

表2 各適宜等級面積統(tǒng)計(jì)

（二）各適宜等級行政區(qū)域分布

各縣區(qū)蘋果適宜性如表3所示。最適宜蘋果種植區(qū)主要位于麥積區(qū)、甘谷縣、秦州區(qū)，其中以麥積區(qū)和甘谷縣最大，分別有739.4km2、611.8 km2、609.8 km2，其中張家川分布面積最小，僅有95.2 km2.各縣區(qū)最適宜蘋果種植的面積比例均不大，其中武山縣、張家川縣分布面積在該等級面積中不足10%；各縣區(qū)適宜蘋果種植區(qū)域差異較小，主要位于麥積區(qū)、秦州區(qū)、清水縣，面積為873.3 km2、754.1 km2、657.4 km2，張 家 川 縣面積最小，不到總面積的10%，其他各縣區(qū)在10%～20%之間；次適宜蘋果種植區(qū)域差異較大，麥積區(qū)次適宜區(qū)域最多，有1155 km2，占次適宜面積的28.18%，其余各縣次適宜面積在300～700 km2之間，秦安縣和甘谷縣面積最少，不到該等級的10%；不適宜區(qū)主要為麥積區(qū)、武山縣、秦州區(qū)、張家川縣，面積為607.9 km2、343.9 km2、321.8 km2、318.9 km2，其 中麥積區(qū)分布最多，占該等級的29.84%，甘谷縣面積最小，為55.9 km2，僅占該等級的2.75%.

四、結(jié)語和討論

本研究以天水市蘋果種植作為評價對象，應(yīng)用GIS數(shù)據(jù)處理和空間分析工具，基于天水市土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行了蘋果種植適宜性決策分析。本研究創(chuàng)新之處首先在于在遙感影像上提取了蘋果種植適宜區(qū)域并獲取了各分區(qū)對應(yīng)面積，其研究結(jié)果與天水市實(shí)際種植區(qū)域基本相符，能夠相互印證，再有運(yùn)用ArcGIS建模工具可實(shí)現(xiàn)較高效率的自動化數(shù)據(jù)決策分析，可指導(dǎo)多地蘋果種植規(guī)劃；本研究不足之處在于分析尺度為縣級行政區(qū)劃，對于指導(dǎo)細(xì)節(jié)種植有待做更多補(bǔ)充研究，蘋果種植影響因素眾多且動態(tài)可變，多因素之間關(guān)系較為復(fù)雜，因此需通過長時間的實(shí)踐對結(jié)果模型進(jìn)行優(yōu)化。

表3 各縣區(qū)適宜性等級面積