基于GIS的岱岳区小麦精细化综合区划

冷冰,周显信,宁波,王培涛,林修栋,张瑜洁

1.南京信息工程大学,江苏南京210044

2.山东省气象局,山东济南250031

3.滨州市气象局,山东滨州256600

4.石岛气象台,山东威海264309

5.烟台市气象局,山东烟台264003

基于GIS的岱岳区小麦精细化综合区划

冷冰1,2,周显信1*,宁波2,王培涛3,林修栋4,张瑜洁5

1.南京信息工程大学,江苏南京210044

2.山东省气象局,山东济南250031

3.滨州市气象局,山东滨州256600

4.石岛气象台,山东威海264309

5.烟台市气象局,山东烟台264003

本文采用山东省泰安市岱岳区5年（2005年10月2日～2010年6月10日）各乡镇月降水、日平均气温、日最高温、最低温等气象平均数据，结合土壤资料数据和地形数据，采用气象因子的地统计插值法—Kriging插值法、加权综合评价法、层次分析法等方法研究了岱岳区地形因子空间分布特征和土壤因子空间分布特征，在此基础上得出了冬小麦精细化农业区划。结果表明：岱岳区适宜种植冬小麦的地区，主要分布在中部和西南部乡镇，及零星分布在其他乡镇的部分地区；海拔较高的徂徕镇一带、下港乡、黄前镇、泰山区以北为不适宜种植冬小麦的区域。为当地优化小麦生产布局、改进种植制度、制定小麦种植布局应对气候变化政策提供参考。

岱岳区;Kriging插值法;GIS;因子提取;冬小麦

我国农业人口众多，社会经济的发展和人民生活水平的提高对农业经济增长的规模和效益要求越来越高，需要实现农业经济的机构转变。中共中央、国务院2014年印发《关于全面深化农村改革加快推进农业现代化的若干意见》[1],将“完善国家粮食安全保障体系”放在首位,并从强化农业支持保护制度、建立农业可持续发展长效机制、深化农村土地制度改革、构建新型农业经营体系、加快农村金融制度创新、健全城乡发展一体化体制机制、改善乡村治理机制等多个方面,全面部署深化农村改革工作。小麦是世界上分布最广泛的粮食作物，全球大约有2/5的人口以麦类为主食。在我国小麦种植区域广泛，全国从南到北、从平原到山区，均有小麦种植。而由于城镇化、工业化发展的原因，通过增加耕地面积来提高粮食产量这一途径比较困难[2]，提高复种指数则是增加粮食产量的效途[3]。因此,充分利用农业气候资源,优化作物布局、科学提高复种指数,就成为当前增加粮食种植面积、提高粮食产值的效途径之一。作为作物布局和种植制度基础的作物气候适宜性研究也就有了非常重要的意义。

本文通过多种区划方法，研究了泰安市岱岳区地形因子空间分布特征和土壤因子空间分布特征，在此基础上得出了泰安市岱岳区冬小麦精细化农业区划结果，分析了小麦对气候变化的响应，以期为当地优化小麦生产布局、改进种植制度和制定小麦种植布局应对气候变化提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

泰安市岱岳区地处山东省中部，北依省会泉城济南，南临孔子故里曲阜。总面积1750 km2，总人口达97×104人，气候条件属温带大陆性半湿润季风气候。下辖16个乡镇和两个街道办事处。岱岳区地势北高南低、东高西低，全区山地、丘陵、平原各占三分之一。属于温带大陆性半湿润季风气候区，年平均日照2536 h，气温年平均值13℃，年平均降水量688 mm，降水东部多于西部、山区多于平原[4]。

1.2 资料来源

本文中气象数据采用泰安市岱岳区5年（2005年10月2日～2010年6月10日）各乡镇气象站降水和温度的平均值作为各个指标的插值样本数据各乡镇月降水数据、日平均气温、日最高温、最低温数据（数据来源于岱岳区气象局）。因本文基于岱岳区进行分析，而泰山区处于岱岳区中心位置，考虑到区划的完整性，所以将岱岳区气象站资料赋予泰山区。土壤资料数据为山东省土壤类型、土壤质地和腐殖质层厚度（数据均来源于山东省气象局）。地形数据为岱岳区海拔高度、坡度、坡向，数据来自CGIAR-CSI提供的SRTM全球高程数据[5]。冬小麦生物学资料来源和生育期数据来源于山东省泰安农业气象试验站历年观测资料。

1.3 数据处理方法

1.3.1 气象因子的地统计插值法—Kriging插值法Kriging插值法以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏差最优估计，通过对已知样本点赋权重来算得未知样点值[6,7]。

采用Kriging插值法可以由岱岳区各乡镇的已知气象因子样本点获得岱岳区区域内的所有气象因子栅格数据，根据岱岳区区域面积的大小将栅格分辨率定为90×90 m。

1.3.2 地形因子和土壤因子的提取地形因子的提取主要是指将CGIAR-CSI提供的SRTM全球高程数据用ARCGIS的表面分析中的地形因子提取功能进行海拔值、坡度以及坡向的提取[8,9]。

土壤因子的提取主要是将山东省全省土壤类型、土壤质地以及腐殖质层厚度的矢量图进行栅格化，并用ARCGIS栅格数据掩膜提取法提取岱岳区土壤因子[10,11]。

1.3.3 各因子标准化根据具体情况，本文采用极大值标准化和极差标准化方法[12]。

1.3.4 加权综合评价法加权综合评价法根据各个因子对总体对象的影响的重要程度的不同，把各个具体的指标的优劣综合起来，用一个相应的系数与被评价对象的各个指标加以集中，表示整个评价对象的优劣，因此，这种方法是对技术、策略或方案进行综合分析评价和优选的常用计算方法之一[13,14]。

1.3.5 层次分析法层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP），是美国运筹学家、匹兹堡大学萨第（T.L.Saaty）教授于20世纪70年代初提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法[15,16]。其特点是思路简单明了，它将决策者的思维过程条理化、数量化，便于计算。

1.3.6 样本点气象资料插值方法本区划根据实际情况，对于缺少数据的乡镇气象站样本点分别采用线性回归方法、趋势面拟合方法进行插值[17]。

2 结果与分析

2.1 地形因子和土壤因子的空间分布

2.1.1 岱岳区海拔高度空间分布海拔高度作为重要的地形因子，对农作物有着重要的影响。岱岳区海拔高度空间分布见图1 a。可知，岱岳区海拔高度起伏较大，最高处为徂徕山下的徂徕镇，海拔达到957.5 m，其次为下港乡、黄前镇及泰山区（泰山不是小麦种植区域，因此本文不考虑泰山的高度），海拔高度均在200 m以上；化马湾乡、范镇、山口镇、粥店镇、道朗镇、祝阳镇、天平街道等海拔也在150 m以上；海拔小于100 m的为马庄镇、夏张镇、大汶口乡。

2.1.2 岱岳区坡度空间分布坡度对农作物的影响至关重要，一般作物均在平原地区或山间平地生长较好，当坡度大于10°时，对农作物的生长就会有一定影响，当坡度大于30°时，则完全不适宜种植作物。岱岳区坡度空间分布如图1b。可以看出，岱岳区绝大部分地区坡度在10°以下，大于30°的以山区为主，徂徕镇、下港乡、黄前镇、泰山区北部、及道朗镇、夏张镇的部分区域坡度均大于30°。

2.1.3 岱岳区坡向空间分布坡向对于农作物的影响主要是间接影响，坡向通过影响光照和温度来影响作物的生长，一般越靠近南向的坡，光照和温度条件越好，对作物的生长也越有利。岱岳区坡向空间分布如图1c，其坡向西北部及东南部的北坡较多，其他地区坡向为交错分布。

2.1.4 岱岳区土壤类型空间分布岱岳区土壤类型如图1d所示。岱岳区主要土壤类型以褐土、砂浆黑土、棕壤为主，具体土壤类型为24种其中下港乡、黄前镇、泰山区北部、徂徕镇以南主要为黄土质石灰性褐土，大汶口乡及马庄镇以冲积潮棕壤为主，其他土壤类型分布错综复杂，无明显区域性。

2.1.5 岱岳区土壤质地空间分布土壤质地是根据土壤的颗粒组成划分的土壤类型。土壤质地一般分为砂土、壤土和粘土三类。岱岳区土壤质地如图1e所示，土壤性质有壤土、砂壤土、粉砂壤土、粘壤土、砂质粘壤土5种，其中，壤土、砂壤土分布面积较广，粉砂壤土面积最小。

2.1.6 岱岳区土壤腐殖质厚度空间分布腐殖质层是指富含腐殖质的土壤表层，含有较多的为植物生长所必需的营养元素，特别是氮素。土壤肥力的高低与腐殖质层的厚度和腐殖质的含量密切相关，因此腐殖质层的状况，常作为评价土壤肥力的标准之一。岱岳区腐殖质厚度空间分布如图1f，总体而言，岱岳区腐殖质厚度较差，10 cm以上的仅位于泰山区、粥店街道及下港乡的部分地区；5～10 cm的分布在夏张镇、大汶口镇、马庄镇南部、范镇、泰山区南部，及徂徕镇、良庄镇的部分地区；0～3 cm、3～5 cm的分布范围较大。

图1 岱岳区海拔高度空间分布图（a）、坡度空间分布图（b）、坡向空间分布图（c）、土壤类型空间分布图（d）、土壤质地空间分布图（e）及土壤腐殖质厚度空间分布图（f）Fig.1 The spatial distribution map of altitude(a),space distribution map of gradient(b),the spatial distribution map of the slope(c),space distribution map of soil type(d),distribution of soil texture space map(e)and the space distribution map about thickness of soil humus(f)in Daiyue District

2.2 岱岳区冬小麦精细化农业区划

2.2.1 岱岳区冬小麦精细化农业因子的选择与权重确定冬小麦是岱岳区重要的粮食作物，其全生育期各个阶段的日期如表1。小麦生育期采用的是泰安农业气象试验站2005～2010年历年平均值。

表1 冬小麦生育期各阶段日期Table 1Date of each stage in winter wheat growth period

根据冬小麦生育期各阶段所需气象条件不同，选择了最可能影响小麦生长的8个气象要素作为冬小麦种植区的影响因子，并根据影响程度不同用层次分析法（AHP）赋予不同权重（图略）。全生育期指由播种期的10月7日至次年的成熟期6月10日。

2.2.2 岱岳区冬小麦精细化农业区划所选因子的关系及处理气象因子与小麦种植适宜程度成正相关的采用极大值标准化，而成反相关的则采用极差标准化；12月至2月≤0℃负积温由于存在着适宜范围，采用的是根据适宜范围和适宜程度综合评分的处理方法。为了更精确样本点气象数据值，本文选取了近5年（2005年10月2日～2010年6月10日）各乡镇气象站降水和温度的平均值作为各个指标的插值样本数据。

地形因子方面，海拔高度和坡度均与冬小麦精细化种植适宜程度成反关系，采用极差标准化进行处理。

土壤因子方面，腐殖质层越厚越有利于冬小麦的生长，故腐殖质层厚度与冬小麦精细化种植适宜程度成正关系。而冬小麦在保水性较好的潮土、粘土上生长最为合适，壤质性土壤次之，沙质性最不适应。

2.2.3 岱岳区冬小麦精细化农业气候因子空间分布

图2 岱岳区冬小麦全生育期积温空间分布图（a&b）、全生育期降水空间分布图（c&d）、4月平均低温空间分布图（e&f）及5月下旬至成熟期降水量空间分布图（g&h）Fig.2 Spatial distribution of the accumulated temperature in the whole stages map(a&b),the spatial distribution of precipitation in the whole stages map(c&d),the average spatial distribution in low temperature map in April(e&f), precipitation spatial distribution map(g&h)from late May to mature period in Daiyue District

积温是农作物生长中最重要的气候因子，绝大多数农作物均必须在气温稳定大于10℃时才能积累有机物，而且积温越高，农作物生长状况越好，所以积温越高的地区对于作物的生长就越适宜[15,16]。冬小麦全生育期的积温分为二部分，一是从播种期到越冬之前≥10℃的积温；二是返青后到成熟期≥10℃的积温，全生育期积温为二者之和。

岱岳区冬小麦全生育期积温空间分布见图2a和2b。如图所示，山东省泰安市岱岳区冬小麦全生育期积温，除下港乡、徂徕镇积温较低外，大部分乡镇积温都在1691～1911℃之间。总体而言，自西南部至东北部积温有降低趋势。

岱岳区冬小麦全生育期降水量空间分布见图2c和2d。可见，泰安市岱岳区冬小麦全生育期降水量呈明显的环带状分布，从北部至南部降水量逐渐增加。

4月是冬小麦的拔节期，温度过低会直接影响冬小麦拔节，从而影响小麦的正常生长，故4月极端最低温越低的地区越不适宜小麦生长，反之则越有利于小麦生长。岱岳区4月极端最低温空间分布见图2e和2f。如图所示，岱岳区4月平均低温，以粥店街道、下港乡、大汶口镇、化马湾乡为中心的四个低温区域，道朗镇、马庄镇、良庄镇、泰山区为高值区。

5月下旬正值冬小麦乳熟期，过多的降水会影响小麦灌浆成熟，故与全生育期降水量不同，此时期降水量越少，对于小麦成熟越有利。岱岳区5月下旬至成熟期降水量空间分布见图2g-h。如图所示，岱岳区5月下旬至成熟期降水量由北向南呈环带状分布，且降水量逐渐增加。

图3 岱岳区冬小麦乳熟期至成熟期最高温≥28℃日数分布图（a&b）、抽穗期至成熟期日均温在22～28℃日数空间分布图（c&d）、12月至2月0℃以下负积温分布图（e）及12月至2月0℃以下负积温适宜情况分布图（f）Fig.3 The most high temperature being no less than 28℃from milk stage to mature stage in Daiyue District(a&b), the space distribution of daily average temperature in 22 to 28℃from the heading stage to mature stage(c&d),the negative accumulated temperature distribution(e)and the negative accumulated temperature suitable situation under 0℃from Dec.to Feb.in Daiyue District(f)

同降水一样，冬小麦乳熟期最高温度不能超过28℃，否则会影响正常的灌浆成熟。因而该阶段最高温度≥28℃的天数越少，越有利于小麦成熟。岱岳区乳熟期至成熟期最高温≥28℃的日数空间分布见图3a和3b。岱岳区乳熟期至成熟期最高温≥28℃的日数，由北向南逐渐增加，大部分地区都在12～13 d，粥店街道及下港乡东北部为9～10 d。

与极端高温会破坏小麦灌浆成熟不同，自小麦抽穗期起，22～28℃的日均温更有利于小麦有机物的积累，因而此阶段日均温在22～28℃的日数越多，对小麦的生长越有利。

岱岳区抽穗期至成熟期日均温在22～28℃的日数空间分布见图3c和3d。岱岳区抽穗期至成熟期日均温为22～28℃的日数普遍在15～18 d，日数为18～20 d的主要在南部地区。总体趋势由东北部向西南部天数呈增加趋势。

12月至2月为冬小麦的越冬期，在此期间，0℃以下的负积温多少对冬小麦返青后的生长有着不同程度的影响，负积温过少，小麦抗寒能力弱，对于返青期后的小麦生长不利，但过多的负积温又会造成冻害，因而对于冬小麦的负积温有一定的适宜范围。

岱岳区冬小麦12月至2月0℃以下的负积温空间分布见图3e和3f。如图所示，岱岳区冬小麦12月至2月0℃以下的负积温多数在-140℃～-101.4℃之间，总体上呈北低南高的带状分布。根据冬小麦对负积温的适宜范围划分结果来看，中部泰山区、黄前镇和山口镇南部，及西南部一些乡镇为冬小麦种植的最适宜区，东部、东南部、粥店街道、天平街道及东北部为冬小麦种植的适宜区，下港乡北部为冬小麦种植的一般适宜区。

2.3 冬小麦精细化区划结果

2.3.1 岱岳区冬小麦精细化农业气候区划结果冬小麦适宜程度是以上所有的气象要素的综合，是8个因子标准化后乘以对应权重后的总和，其表达式为：

式中Y气象表示冬小麦种植适宜程度，X为精细化气候因子，λ为权重，X1-X8分别为标准化后的全生育期≥10℃的积温、全生育期降水量、4月极端最低温、5月中旬日照时数、5月下旬至成熟期降水量、乳熟期至成熟期最高温≥28℃日数、抽穗期至成熟期日均温22～28℃日数和12月至2月≤0℃负积温。

由于X8是经过综合评分得到的结果，为了统一量纲，将X8除以3后再参与计算。

根据公式（1）所计算出的结果，在GIS软件均等分级下，将Y气象＜0.545的区域定义为冬小麦的一般适宜种植区；将0.545≤Y气象＜0.584的区域定义为冬小麦的适宜种植区；将Y气象≥0.584的区域定义为冬小麦的最适宜种植区。

岱岳区冬小麦精细化农业气候区划结果见图4a。

图4 岱岳区冬小麦精细化农业气候区划图（a）及精细化农业综合区划图（b）Fig.4Agricultural climate map of winter wheat refinement (a) and comprehensive map of fine agricultural (b) in Daiyue District

如图4a所示，岱岳区不适宜种植冬小麦的地区位于道朗镇、泰山区南部、满庄镇、马庄镇，大汶口镇西部、徂徕镇及良庄镇；适宜的地区则主要分布在夏张镇、山口镇、泰山区东部及北部、角峪乡、化马湾乡、大汶口镇及房村镇的大部分区域；最适宜种植小麦的地区分布在北部的下港乡、黄前镇东部、范镇、祝阳的大部分区域，以及粥店街道、天平街道。总体来看，岱岳区中北部及东北部为冬小麦种植的主要适宜区，由于岱岳区海拔总体较高，所以，仍有近三分之一的乡镇不适宜种植冬小麦。

2.3.2 岱岳区冬小麦精细化综合区划结果岱岳区地形因素区划结果是所有地形因子的综合，是所有地形因子标准化并乘对应权重后的加和，其表达式为：

公式（2）中，X1表示标准化后的海拔高度，λ1则表示其对应的权重0.3；X2表示标准化后的坡度，λ2表示对应权重0.4；X3表示坡向，λ3表示对应权重0.3，由于坡向经过综合评分，为统一量纲，将X3除以6后参与计算。岱岳区土壤因素区划结果是所有土壤因子的综合，是所有土壤因子标准化并乘对应权重后的加和，其表达式为：

公式（3）中，X1表示土壤类型，λ1则表示其对应的权重0.35；X2表示土壤质地，λ2表示对应权重0.15；X3表示标准化后的土壤腐殖质层厚度，λ3表示对应权重0.5，由于土壤类型和土壤质地都经过综合评分，为统一量纲，将X1和X2分别除以3和6后参与计算。

山东省岱岳区冬小麦精细化综合区划结果，综合了气候、地形、土壤三大因子，其计算公式为

公式（4）中λ1=0.45；λ2=0.2；λ3=0.35。

为了使区划更加精确，在精细化综合区划的基础上，利用ARCGIS软件的空间叠加功能，将岱岳区内河流叠加入综合区划中。

岱岳区冬小麦精细化综合区划结果如图4b。如图，岱岳区适宜种植冬小麦的地区主要分布在中部和西南部乡镇，及零星分布在各乡镇的部分地区。明显看出，海拔较高徂徕镇一带、下港乡、黄前镇、泰山区以北为不适宜种植冬小麦的区域。

3 结论

本文利用岱岳区各乡镇的有关气象资料，结合土壤资料数据和地形数据，采用Kriging插值法、加权综合评价法、层次分析法、GIS技术等研究了岱岳区，对岱岳区冬小麦进行了精细化的综合区划。本文主要研究结果如下:

(l)对岱岳区冬小麦精细化农业气候因子，包括冬小麦全生育期积温、冬小麦全生育期降水量、4月平均最低温度、5月下旬至成熟期降水量和小麦成熟过程温度等进行了空间分布研究，并指出了小麦生长的气象条件最佳地区。

(2)冬小麦适宜程度是以上多个的气象要素的综合，是8个因子标准化后乘以对应权重后的总和，通过公式计算，对比分析可以看出岱岳区中北部及东北部为冬小麦种植的主要适宜区，由于岱岳区海拔总体较高，所以，仍有近三分之一的乡镇不适宜种植冬小麦。最终，综合各类因子，得出岱岳区冬小麦精细化农业综合区划岱岳区适宜种植冬小麦的地区，主要分布在中部和西南部乡镇，及零星分布在各乡镇的部分地区；海拔较高的徂徕镇一带、下港乡、黄前镇、泰山区以北为不适宜种植冬小麦的区域。

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The Comprehensive Regionalization of Refined Wheat in Daiyue District Based on GIS

LENGBing1,2,ZHOUXian-xin1*,NINGBo2,WANGPei-tao3,LINXiu-dong4,ZHANGYu-jie5
1.Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjin 210044,China
2.Shandong Meteorological Bureau,Jinan 250031,China
3.Binzhou Meteorological Bureau,Binzhou 256600,China

4.Shidao Meteorological station,Shidao 264309,China

5.Yantai Meteorological Bureau,Yantai 264003,China

This paper took the meteorological data for 5 years(namely from October 2,2005 to June 10,2010),such as monthly precipitation data,daily mean temperature,daily maximum temperature,minimum temperature data and other meteorological data from various villages and towns in Daiyue District Tai'an City,Shandong Province to combine with the information on soil data and terrain data and tried to employ Geo-statistical interpolation method of meteorological factors—Kriging interpolation method,the weighted comprehensive evaluation method,AHP and other methods to study the features of spatial distribution relating to terrain factor and soil factors,and thus figured out the agricultural regionalization of refined wheat on them.The results showed that the areas suiting for planting winter wheat mainly located in central and southwestern towns and scattered parts of other towns in Daiyue District.However,it was unsuitable area to plant winter wheat in the higher altitudes around the Culai town,Xiagang,Huangqian,the north region of Taishan District.This paper could help to optimize production layout for the local wheat,improve cropping systems and give out a reference for wheat layout of tackling climate change policy.

Daiyue District;Kriging interpolation method;GIS;factor extraction;winter wheat

P49

A

1000-2324(2015)05-0701-07

2015-05-13

2015-05-21

冷冰(1984-),女,山东济南人,助理工程师,从事气象法规、防灾减灾政策研究等工作.E-mail:lengb0008@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:jhyu@nuist.edu.cn