王凌,吳春曉,2*,李響

基于GIS和AHP的山東省蘋果種植區(qū)適宜性評價(jià)

王凌1,吳春曉1,2*,李響1

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100083

本文探討了山東省蘋果種植區(qū)適宜性的空間分布，旨在指導(dǎo)當(dāng)?shù)匾虻刂埔说匕l(fā)展蘋果種植產(chǎn)業(yè)。在地理信息系統(tǒng)（GIS）的支持下，通過德爾菲法選取了地形、土壤、氣候中的10個(gè)因子，利用層次分析法（AHP）得到各個(gè)因子的權(quán)重并構(gòu)建評價(jià)模型，充分考慮“短板效應(yīng)”將單因素不適宜區(qū)劃入綜合不適宜區(qū)，確定不同區(qū)域的適宜程度，實(shí)現(xiàn)對山東省蘋果種植區(qū)適宜性的評價(jià)。結(jié)果表明，山東省蘋果種植的最適宜區(qū)和適宜區(qū)分別占全省土地面積的38.63%和40.72%，主要集中分布于山東省西北部、西南部和山東丘陵區(qū)；較適宜區(qū)和不適宜區(qū)分別占16.07%和4.58%，主要散布在山東丘陵海拔較高的薄土層地區(qū)。研究結(jié)果符合山東省蘋果種植現(xiàn)狀，可為當(dāng)?shù)靥O果種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供參考依據(jù)。

山東省種植區(qū); 蘋果; 適宜性評價(jià)

土地適宜性評價(jià)用來評定土地對某種特定用途是否適宜及其相應(yīng)的適宜程度，科學(xué)地進(jìn)行土地適宜性評價(jià)有利于實(shí)現(xiàn)土地資源的高效利用和合理配置[1,2]。進(jìn)行蘋果種植區(qū)適宜性分析，可促進(jìn)蘋果因地制宜種植，并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和產(chǎn)量上的提高。迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)作物種植適宜性評價(jià)的研究大多偏向于小區(qū)域。然而較大范圍的種植適宜性研究，便于進(jìn)行大規(guī)模的統(tǒng)籌規(guī)劃，有利于政府指導(dǎo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營工作。

山東省是中國栽培蘋果的主要省份之一，種植歷史悠久。蘋果種植業(yè)已成為省內(nèi)多地重要產(chǎn)業(yè)之一[3,4]。因此明確山東省蘋果種植區(qū)適宜性分布，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展，指導(dǎo)當(dāng)?shù)卣_展精準(zhǔn)扶貧工作[5]。

本文在借鑒前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，選取地形、土壤、氣候3個(gè)對蘋果種植影響較大的因子，綜合運(yùn)用層次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP），借助GIS平臺(tái)，確定適宜性評價(jià)體系，并按適宜程度劃分適宜性等級(jí)，為山東省蘋果種植的空間布局提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況山東省位于中國東部沿海，介于34°22.9′N-38°24.01′N，114°47.5′E-122°42.3′E之間，總面積15.79萬km2，分布有丘陵、平原、山地和盆地四種地形，屬暖溫帶季風(fēng)氣候。為深入實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，充分發(fā)揮山東省蘋果產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)優(yōu)勢，加快蘋果產(chǎn)業(yè)改良提質(zhì)增效，預(yù)計(jì)2025年全省蘋果種植面積穩(wěn)定在2.67×109m2左右[6]。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源與處理地形數(shù)據(jù)：來自SRTM（Shuttle Radar Topography Mission），由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的90 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)，經(jīng)鑲嵌、校正、裁剪得到山東省全境90 m分辨率DEM，利用ArcGIS地理處理工具，得到坡度、坡向數(shù)據(jù)。

（1）土壤數(shù)據(jù)：源自聯(lián)合國糧農(nóng)組織（http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/）中的世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）土壤數(shù)據(jù)集(v1.2) Harmonized World Soil Database v 1.2。利用ArcGIS將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，得到土壤類型、土壤PH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量900 m分辨率的柵格圖。

圖 1 氣象站點(diǎn)圖

（2）氣象數(shù)據(jù)：來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://cnma.gov.cn）山東省及其周圍地市共70個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1）2008-2017年共10年的4～9月逐日日照時(shí)數(shù)，7～9月逐日降水量，7～10月逐日平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫。將逐日日照時(shí)數(shù)累積得4～9月累積日照時(shí)數(shù)，逐日降水量累積得7～9月累積降水量,逐日氣溫日較差為當(dāng)日最高氣溫與最低氣溫的差值，年氣溫日較差為逐日氣溫日較差的平均，有效積溫為4～10月逐日平均氣溫≥10 ℃的累積值，取10年平均。前三項(xiàng)用克里金插值生成500 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，有效積溫使用以經(jīng)度、緯度和海拔為自變量的多元逐步回歸法（2=0.8939）插值生成500 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 方法

本文技術(shù)路線如圖2所示，包括AHP模型的構(gòu)建、隸屬度分析、GIS分析等[7]。

圖 2 技術(shù)路線

1.3 評價(jià)因子體系模型的構(gòu)建

本文從山東省實(shí)地狀況及相關(guān)資料[8,9]等出發(fā)，利用德爾菲法從地形、土壤、氣候三個(gè)方面選取了共10個(gè)對蘋果種植密切相關(guān)的因子[3]進(jìn)行定性和定量分析，包括海拔、坡度、坡向、土壤類型、土壤pH、土壤肥力、4～9月日照時(shí)數(shù)、7～9月降水量、7～10月平均氣溫日較差、4～10月≥10 ℃有效積溫，如圖3所示。

圖 3 山東省蘋果種植區(qū)適宜性評價(jià)因子體系模型

1.4 適宜性范圍的確定

通過相關(guān)資料[10-14]和山東省蘋果產(chǎn)地的地形、土壤、氣候條件，確定不同適宜性程度（最適宜、適宜、較適宜和不適宜[15-17]）的因子層范圍（表1）[3,18]。

表 1 適宜性范圍及其選取依據(jù)

1.5 評價(jià)矩陣的建立和檢驗(yàn)

利用AHP模型和德爾菲法[19]，對每一層次的因子進(jìn)行兩兩比對，確定其對目標(biāo)的影響程度，得到判斷矩陣（表2）[20]。在MATLAB中，求出判斷矩陣的最大特征值max所在的特征向量。一致性指標(biāo)通過公式（1）計(jì)算得出，其中為判斷矩陣階數(shù)。

因?yàn)榈拇笮Q定了判斷矩陣是否一致，因此引入隨機(jī)一致性指標(biāo)[21](表3)檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性。一致性比率由公式（2）計(jì)算得出[22]。

一般認(rèn)為，<0.1時(shí)判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內(nèi)，通過一致性檢驗(yàn)。此時(shí)判斷矩陣的特征向量為指標(biāo)權(quán)重，否則就要調(diào)整影響程度，重新構(gòu)造判斷矩陣，直到滿足<0.1(表3)。

表 2 評價(jià)因子的判斷矩陣

表 3 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI和一致性分析

1.6 評價(jià)模型的確定

本文根據(jù)表2中評價(jià)因子及其權(quán)重，采用加權(quán)平均的方法，得到影響因子的綜合評價(jià)模型：

式中，為適宜性，C為第個(gè)影響因子的分值，W為第個(gè)影響因子的權(quán)重，為影響因子總個(gè)數(shù)[23,24]。

1.7 評價(jià)結(jié)果分級(jí)

根據(jù)評價(jià)結(jié)果所得適宜性指標(biāo)的取值，劃分相應(yīng)的適宜性等級(jí)，如表4所示[25]。

表 4 適宜性等級(jí)范圍

需要說明的是，根據(jù)木桶效應(yīng)，處于劣勢的因素往往起到?jīng)Q定性作用。同樣地，如果影響蘋果生長的單個(gè)因素適宜性低，則必將成為蘋果種植的限制性因子。因此本研究將準(zhǔn)則層中的不適宜區(qū)直接劃入綜合適宜性評價(jià)中的不適宜區(qū)，不再參與綜合適宜性計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 地形適宜性

利用海拔、坡度、坡向三個(gè)因子進(jìn)行的地形適宜性評價(jià)分布結(jié)果和各等級(jí)所占比例分別由圖4(a)和圖6所示。

山東省82.91%的土地面積為最適宜區(qū)，約129 172.30 km2，主要集中于西北部、西南部、中東部地區(qū)，大部分最適宜區(qū)以平原和丘陵為主，坡度及海拔非常適宜，中部和南部為突起的魯中南山地丘陵區(qū)，東部是起伏和緩的波狀丘陵區(qū)，西部和北部為平原區(qū)。適宜區(qū)約24 146.37 km2，主要分布于中部以及沿海岸線部分地區(qū)，大部分以平原為主，占山東省土地面積的15.50%。較適宜區(qū)約1 691.58 km2，零散分布在中部、東南沿海等地區(qū)，占山東省土地面積的1.08%。不適宜區(qū)主要集中于泰安市部分地勢偏高的地區(qū)，約789.75 km2，占山東省土地面積的0.51%。

2.2 土壤適宜性

山東省土壤類型較豐富，不同的土壤類型其性質(zhì)有很大差異。本文從土壤類型、PH和有機(jī)質(zhì)方面進(jìn)行的土壤適宜性評價(jià)結(jié)果（圖4(b)）表明，其與土壤類型有著很大的關(guān)聯(lián)，各等級(jí)所占比例由圖6所示。

山東省西北部和西南部有大片最適宜區(qū)，約48 091.72 km2，占山東省總面積的30.87%，山東省的土地類型中，潮土所占面積最大，占山東省總面積的38.53%，主要分布于魯西北黃泛平原區(qū)，與研究所得最適宜區(qū)基本吻合。適宜區(qū)約30 512.18km2，占山東省土地面積的19.58%，大部分地區(qū)有褐土分布，褐土占全省總面積的14.66%，主要集中于魯中南低山丘陵部分。較適宜區(qū)約75 209.25 km2，占山東省土地面積的48.27%，主要分布于山東省中部一些土層較薄和北部鹽堿土地帶，鹽堿土占全省土地總面積的3.1%，主要集中于魯北沿海地區(qū)及魯南低洼地帶，由于濱州市北部和東營市的絕大部分地區(qū)有鹽堿地存在，所以不太適宜蘋果生長。不適宜區(qū)主要分布于土壤鹽漬化嚴(yán)重的沿海地區(qū)及中部丘陵土層淺薄、海拔較高的地區(qū)，約1 986.85 km2，占山東省土地面積的1.28%。

2.3 氣候適宜性

利用4～9月日照時(shí)數(shù)、7～9月降水量、7～10月平均氣溫日較差、4～10月≥10 ℃有效積溫所進(jìn)行的氣候適宜性評價(jià)結(jié)果和各等級(jí)所占比例分別由圖4(c)和圖6所示。山東省在溫帶季風(fēng)氣候的影響下，整體上是對蘋果生長有利的[19]。

最適宜區(qū)約31 676.50 km2，主要分布在山東省西北部、東北部分沿海區(qū)域以及中南部等地區(qū)，占山東省土地面積的20.33%。適宜區(qū)所占面積最大，約122 582.80 km2，占山東省土地面積的78.68%。較適宜區(qū)面積最小，約758.25 km2，主要分布在中部、東南沿海的部分區(qū)域，約占山東省土地面積的0.49%。不適宜區(qū)約782.45km2，占山東省土地面積的0.50%。

圖 4 山東省蘋果種植區(qū)單因子適宜性等級(jí)分布圖

2.4 綜合適宜性

山東省蘋果種植區(qū)綜合適宜性分布及所占比例分別由圖5和圖6表示。最適宜區(qū)主要集中于西北部、西南部、中北部以及東北沿海等地區(qū)，約60 183.56 km2，占山東省土地面積的38.63%，以平原為主的菏澤市、濱州市、德州市雖水系發(fā)達(dá)，有充足的灌溉資源，但山東省大部分平原地區(qū)并沒有大面積種植蘋果，因?yàn)樽鳛榧Z食主產(chǎn)區(qū)的大部分平原地區(qū)受國家政策的影響被劃入18億畝耕地紅線中，且相較于糧食作物，蘋果生產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較低，人力成本相對較高。適宜區(qū)占據(jù)著山東省大部分區(qū)域，主要分布在丘陵地區(qū)居多的山東半島及中部和南部大部分區(qū)域，約63 436.16 km2，占山東省土地面積的40.72%，山東省擁有著大面積的丘陵地區(qū)，并且其四季分明，季風(fēng)性顯著的氣候類型以及潮土廣泛分布的自然條件是蘋果生長需求的關(guān)鍵，煙臺(tái)市是中國蘋果種植培育最早的地區(qū)，種植歷史悠久，品種優(yōu)良，其中煙臺(tái)棲霞市蘋果最適宜和適宜種植面積僅占棲霞市總面積的23.04%，但其充分利用了有限的最佳種植區(qū)域，結(jié)合先進(jìn)的種植管理技術(shù)，使棲霞市成為山東省優(yōu)質(zhì)蘋果主產(chǎn)區(qū)之一[3]。較適宜區(qū)約25 046.02 km2，占山東省土地面積的16.07%，主要分散在泰安市、濟(jì)南市等地勢較陡，土層較薄，不利于蘋果樹扎根的部分地區(qū)。不適宜區(qū)相對較少，零散分布在泰安市海拔較高的地區(qū)及濱州市、東營市、濰坊市等一些土壤鹽漬化較嚴(yán)重的沿海灘涂地區(qū)，約7 134.26 km2，占山東省土地面積的4.58%。

圖 5 山東省蘋果種植區(qū)綜合適宜性等級(jí)分布圖

圖 6 地形、土壤、氣候和綜合適宜性等級(jí)分布比例

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用GIS和AHP得到的評價(jià)結(jié)果符合山東省蘋果種植現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論：

（1）山東省絕大部分地區(qū)進(jìn)行蘋果種植的適宜性程度較高，最適宜區(qū)和適宜區(qū)分別占全省總陸域面積的38.63%和40.72%。

（2）山東省蘋果種植區(qū)適宜性與當(dāng)?shù)氐匦?、土壤、氣候緊密相關(guān)，最適宜區(qū)和適宜區(qū)主要分布在起伏和緩的丘陵地區(qū)、土層深厚的潮土地帶以及有充足灌溉資源的地區(qū)。較適宜區(qū)和不適宜區(qū)主要分布在地勢過高、土壤肥力水平較低、水資源不充足的地區(qū)。

研究表明最適宜區(qū)以及適宜區(qū)的分布與山東省主要蘋果產(chǎn)區(qū)一致，集中于膠東半島、泰沂山區(qū)、膠濰平原區(qū)、魯中山丘區(qū)、魯西南平洼區(qū)和魯西北平原區(qū)六大地區(qū)，與王金政在2017年的山東省蘋果種植現(xiàn)狀研究結(jié)果基本吻合[26]，說明本文的研究方法合理可行，可實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)蘋果種植適宜性程度的準(zhǔn)確定位預(yù)測。

3.2 討論

本文在前人傳統(tǒng)適宜性評價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，充分考慮到“短板”對蘋果種植產(chǎn)業(yè)的影響，選擇將單因子的不適宜區(qū)看作綜合不適宜區(qū)，并且利用AHP和MATLAB中的數(shù)學(xué)方法確定評價(jià)因子的權(quán)重，避免了人為賦值主觀性帶來的誤差，更具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

由于省內(nèi)氣象站數(shù)據(jù)較少，在空間插值過程中可能存在小范圍的誤差。另外，影響蘋果生長的因素很多，本研究選取了蘋果種植過程中的主導(dǎo)因素（地形、土壤和氣候），可能考慮不夠全面，后續(xù)研究中需進(jìn)一步探討因素間的相互聯(lián)系。

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Suitability Evaluation of Apple Planting Area in Shandong Province Based on GIS and AHP

WANG Ling1, WU Chun-xiao1,2*, LI Xiang1

1.271018,2.100083,

In this paper, the spatial distribution of the suitability of apple planting areas in Shandong Province was discussed in order to guide the development of apple planting according to local conditions. With the support of Geographic Information System (GIS), 10 factors were selected from terrain, soil, and climate by Delphi method. The Analytic Hierarchy Process (AHP) were used to get the weight of each factor and build the evaluation model.The "short board effect" was fully considered to divide single-factor unsuitable areas into comprehensively unsuitable areas, and the suitability levels of different regions were determined for apple planting areas in Shandong Province. The results showed that the area proportions of the most suitable areas and suitable areas for the apple planting in Shandong were 38.63% and 40.72%, mainly distributed in the northwest, southwest and hilly areas; those of less suitable areas and unsuitable areas were 16.07% and 4.58%, which mainly distributed in the thin soil layer area with high elevation on the hills. The results are consistent with the current situation of apple planting in Shandong Province, and could provide a reference for the development of local apple planting.

Planting Area in Shandong Province; apple; suitability evaluation

S17/S661.1

A

1000-2324(2022)04-0531-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.005

2022-03-05

2022-04-07

國家自然科學(xué)基金(42171378,41877003);“雙一流”獎(jiǎng)補(bǔ)資金(SYL2017XTTD02)

王凌(1975-),女,博士,副教授,研究方向:土地資源與信息技術(shù). E-mail:lingwang@sdau.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:cxwu99@cau.edu.cn