基于GIS 的红芸豆种植适宜性综合分析

秦明星，张赛茹，冯美臣

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西农业大学旱作农业工程研究所，山西太谷030801）

作物种植适宜性评价是进行农业生产区划的重要手段，广泛应用于农业领域。基于GIS 的红芸豆种植适宜性研究，对指导晋西北高寒地区作物种植、优化产业布局具有重要意义。

近年来，国内外许多学者对区域作物种植适宜性进行了大量研究，并得到有效应用。杨武德等[1]依据地形地貌、气象、土壤等因素差异，分析了现代杂粮的生产及区划；张海龙等[2]采用生态位模型和GIS方法，结合连翘生长和分布的环境因子，定量分析了我国连翘的潜在分布；翟海翔等[3]基于GIS 技术和层次分析法对葡萄进行了种植适宜性分析，并对葡萄园的选址进行科学评价；李应桃等[4]采用主成分分析方法和聚类方法对金沙乡镇茶树种植气候适宜特征进行种植适宜区域划分；何奇瑾等[5]使用最大熵模型和ArcGIS 空间分析技术，研究了我国玉米种植区分布的气候适宜性；刘少军等[6]采用最大熵模型和模糊综合评价模型分析了我国橡胶树种植气候适宜性区划；杨江涛等[7]采用权重计算法，通过地球化学实验方法，对荔枝种植进行综合适宜性评价；曾钦文等[8]基于GIS 技术，利用层次分析法、综合指数法构建评价指标体系，并分析了河源地区茶树种植适宜性；杨帆等[9]在GIS 技术支持下，采用层次分析法和专家经验法构建白芷生态因子评价指标，分析道地药材生境适宜性；朱大威等[10]基于层次分析法和多因子加权叠加法评价了江苏省蔬菜种植土地适宜性，并对评价结果进行了全局、局部空间自相关分析；龚谨[11]依据岢岚县农户种植芸豆调研数据，对比生产成本与收益，构建模型分析农户种植芸豆行为的影响因素，并提出芸豆良性发展建议；范娟[12]采用土壤资源普查数据和人文地理数据，以层次分析法和德尔菲法构建评价因子并确定权重，建立了县级耕地适宜性评价控制指标体系及权重等级划分；李全胜[13]基于气象指标，运用模糊综合评判方法分析了龙泉山区的柑桔、茶树2 种农作物在不同海拔高度的种植适宜性；赵小敏等[14]应用GIS 技术，以土地资源单位为评价单元，运用主成分分析法、层次分析法对南丰县蜜桔种植适宜程度和空间分布进行了有效判别；唐嘉平等[15]结合GIS 的空间分析功能和种植适宜性评价模型对澜沧江下游地区多种特色经济作物进行种植适宜性空间分布研究；史舟等[16]使用遥感和GIS相结合对黄岩区柑橘的种植结构进行研究分析，使得农作物适宜性分析的精确度和准确性得到了大大的提升；WANG 等[17]结合GIS 和农业生态区法建立了四川大马士革带刺玫瑰的生态适宜模型，并对其不同生态适宜度进行等级评价，总结了该物种的适宜土地面积和空间分布格局；杨洋等[18]基于GIS技术，以云南全省栽培型普洱茶树为研究对象，结合气象、DEM、遥感影像等多种数据，建立了普洱茶树综合评价指标体系，并对其大规模种植用地进行适宜性等级划分和分析；李亚东[19]以地貌、坡度、有效土层厚度、道路通达度、水源保证率、居民点辐射影响度6 个因子构建耕地适宜性评价指标体系，对黄陵县占补平衡耕地进行了有效评价。综上所述，基于GIS 的区域作物种植适宜性分析可以高效合理规划农作物种植布局，充分发挥天然资源优势，从而促进产业发展。

本研究采用GIS 技术，结合层次分析法，并综合气象、土壤类型分布和遥感影像数据，按照土地适宜性评价流程，有效选取8 个种植适宜性指标，从自然因素和社会地理因素对山西省岢岚县红芸豆种植适宜性进行综合深入研究，以期为山西省西北高寒地区红芸豆生产基地确定和区域化、规模化种植提供理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

岢岚县位于山西省忻州市西南部，地势西北低、东南高，水土流失严重。地处东经111°13′～111°52′，北纬38°29′～38°58′。气候属寒温带半干旱大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，秋季秋高气爽，冬季漫长寒冷，四季分明。年平均气温5 ℃，年均降水量约450 mm，无霜期110 d，境内多沙壤土。

1.2 数据来源与处理

DEM 数据来源于地理空间数据云，30 m 分辨率；气象数据来源于山西省气象局，主要包括岢岚县在内的23 个气象站30 a（1988—2018 年）的生育期（5 月中下旬至9 月上旬）日均温度等气象数据。岢岚县土壤类型分布图来源于岢岚县农业局。岢岚县行政区划采用国土资源部门提供的岢岚县行政图。

1.3 研究方法

1.3.1 层次分析法 层次分析法能将抽象的概念用直观的数据表示出来，可用于本研究简化分层影响因素处理。

首先，构建层次模型，将所选因素分类。按照从上到下的顺序依次将指标分为3 类：最上层为目标层，是本研究的最终目的，即红芸豆种植适宜性分析，中间层是准则层，由地形条件、土壤条件、气象条件和社会地理条件组成，最后一层是指标层，细化为8 个红芸豆种植适宜性评价指标，即坡度、坡向、高程、土壤分类、生育期平均温度、与河流的距离、与乡镇的距离和与道路的距离。由此形成从上而下的层次结构，可以直观清楚地看出各因素之间的关联和区别。

其次，以矩阵的形式表示本层元素对上层元素两两比较的重要性，并进行一致性检验。通过采用实地发放调查问卷、QQ 群和微信群线上填写等方法，对每个选项进行评分。本研究一共收到有效问卷135 份，经过统计分析计算各个选项具体得分，可以统计得到判断矩阵，经过调整后矩阵都具有一致性。

最后，计算层次合成的重要性，并排序，同时进行满意一致性检验，进而得到各个指标的权重。记地形条件为B1，土壤条件为B2，气象条件为B3，社会地理条件为B4，它们的值依次记为b1、b2、b3、b4，以此类推，将上述8 个指标分别记为C1、C2、…、C8，它们的值为c1、c2、…、c8，各个指标的权重＝（i＝1，2，3）。再进行层次的总排序来说明各个指标的优先顺序，且符合满意一致性。

1.3.2 种植适宜性评价 以30 m×30 m 的栅格作为评价单元，从自然因素和社会地理因素2 个方面选取指标构建模型。为了提高结果的准确度，严格遵循指标选取原则，结合农作物本身的生长条件和当地的环境条件，筛取了8 个具有代表性并且对红芸豆影响较大的指标（表1），建立评价指标体系，基于层次分析法得到了各个指标的权重，获取指标分值，通过GIS 空间分析处理得到综合适宜性结果。

表1 指标权重

2 结果与分析

2.1 评价指标赋值

2.1.1 自然地理因素不同指标分级赋值 以农业耕作需求为参照，结合实地调研，自然地理因素可分为坡度、坡向、高程、土壤类型、生育期平均温度等因素。本研究采用高度适宜、较适宜、适宜、不适宜4 个级别表示适宜性程度，并赋值为1，2，3，4，如表2 和图1 所示。

表2 自然地理因素不同指标分级赋值

2.1.2 人文地理因素不同指标分级赋值 红芸豆栽种受地理区位、交通便利程度、经济条件等因素影响的差异较大。本研究采用种植区与河流、乡镇、道路的距离为影响因素进行研究。人文地理因素指标分级赋值和分级图如表3 和图2 所示。其中，种植区与河流距离直接影响农作物进行灌溉方便程度和费用，离水源越近，灌溉措施越便利。种植区与乡镇距离则关乎土地价值，离城镇越近，土地商用价值越高，在远离城镇的地方种植红芸豆，种植成本可有效降低。以种植区远离城镇距离进行分级赋值，可有效合理对土地进行配置，符合农户的利益选择。交通便利程度对农户日常生活影响很大，种植区与道路的距离越近越容易进行农业操作及管 理，并有利于进行机械化栽种及农业活动。

表3 人文地理因素不同指标分级赋值

2.2 种植适宜性分析

采用GIS 中栅格计算操作，按照不同权重进行累计重新分类得出，研究区高度适宜区面积为370.42 km2，占总面积18.67%，较适宜区面积为699.95 km2，占总面积35.28%，适宜区面积为650.95 km2，占总面积32.81%，不适宜区面积为262.68 km2，占总面积13.24%。

2.2.1 高度适宜区 从图3 可以看出，纯浅色区域为高度适宜区，主要分布在温泉乡的中部，大涧乡、高家会乡中部，阳坪乡、岚漪镇东部、李家沟乡东部、宋家沟乡北部、神堂坪乡西部、三井镇中部。该区域地势平缓，交通便利，临近水源，土壤大多为黄绵土和栗褐土，温度偏高，条件优越，是红芸豆种植最适宜区域。

2.2.2 较适宜区 较浅色区域为较适宜区（图3），主要分布在李家沟乡东部，水峪贯乡中部，西豹峪乡、温泉乡、阳坪乡和大涧乡周边，岚漪镇和神堂坪乡中部。该地区普遍坡度较缓，与乡镇距离较远，高程较低，离水源较近，受到交通的局部限制，温度均处于适宜范围内，该区域为种植适宜区域。

2.2.3 适宜区 深色区域为适宜区，主要分布在李家沟乡、水峪贯乡、宋家沟乡、高家会乡和三井镇西部（图3）。该区域与乡镇距离较远，靠近水域和道路，温度适宜，但是高程较高，坡度较大，土壤质地适中，种植适宜性相对偏低。

2.2.4 不适宜区 较深色区域为不适宜区，主要分布在神堂坪乡和王家岔乡的东部、宋家沟乡的东部和西南部、李家沟乡西南部和水峪贯乡北部，分布集中但种植面积较小（图3）。该区域高程、坡度均不适宜耕作，与道路和河流距离远，温度偏低，适宜性等级最低。

3 结论与讨论

作为北方常规作物的玉米，虽然大面积种植，但由于气温偏低，玉米生长的最适宜温度为25～29 ℃，不能获得预期最优产量，且玉米受降雨量等自然条件影响很大。而红芸豆抗旱性好，即使在降雨量较少的年份，仍能保持一定的产量水平，因此从经济视角考虑，种植红芸豆产量稳定，农民收益高，已成为岢岚县支柱产业。但随着红芸豆产业的发展，农户急于摆脱贫困现状，盲目扩张种植区，出现了土地利用和耕作方式管理局部不到位等多种不良现象。本研究从自然地理因素和人文地理因素综合视角对红芸豆种植适宜性进行分析，选取坡度、坡向、高程、土壤类型、生长期平均温度以及种植区与河流距离、乡镇距离和道路距离为评价指标，采用层次分析法构建适宜性评价模型，对岢岚县红芸豆种植适宜性空间分布进行合理分析。通过实地调研和整理调查问卷，适宜性分布结果与实际状况基本符合，研究结果可为岢岚县红芸豆种植的科学规划、合理布局提供技术支持，可有效发挥区域优势，进而促进红芸豆产业可持续发展。

影响红芸豆种植的因素还有很多，比如播种量、施肥水平、病虫害等栽培管理措施，本研究仅从自然地理因素和人文地理因素出发进行适宜性评价分析，使得评价模型与生产实践还存在着一定程度的差距，今后将不断完善评价指标，进一步提升模型实用性。