基于ＧＩＳ和ＮＦＭ的江西省土地茶叶种植适宜性评价

陈蕾　郭熙

摘要：在考虑区域自然气候、地理环境以及茶叶生长规律的基础上，选择立地条件、土壤条件、理化性状、土壤管理等4个方面的11个因子作为评价指标，运用生态位适宜度模型，通过层次分析法确定权重，对江西省土地茶叶种植适宜性进行评价。结果表明，江西省生境条件整体较好，茶叶的种植以高度适宜和较适宜两级为主，分别占到44.72%和38.23%，主要分布在一些位于水域周围的低海拔山脉以及缓坡丘陵处;而不适宜区和勉强适宜区分布区域较少，分别约占16.94%和0.11%，主要分布在海拔较高、土质较差、土层营养含量较低处。

关键词：江西省;GIS;生态位适宜度模型;茶叶;适宜性评价

中图分类号：P208;S571         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）22-0083-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.019           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Suitability evaluation of land tea planting in Jiangxi province based on GIS and NFM

CHEN Lei1，2，GUO Xi1，2

（1.College of Land Resources and Environment，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China;

2.Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province，Nanchang 330045，China）

Abstract： Considering the regional natural weather， geographical environment and tea growth rule， on the basis of the choice of site conditions， soil conditions and physical and chemical properties， soil management and so on four aspects of the 11 factors as evaluation indexes， niche-fitness model was used to determine the weight by analytic hierarchy process and evaluate the suitability of tea planting land in Jiangxi province. The suitability grade of tea was mainly high and relative suitability， accounting for 44.72% and 38.23% of the cultivated area， respectively， which is mainly distributed in some low-elevation mountains and gentle hills around the water area. The unfitted area and the barely suitable area were less distributed， accounting for about 16.94% and 0.11%， respectively， mainly distributed at higher altitude， poor soil quality and low soil nutrient content.

Key words： Jiangxi province; GIS; niche-fitness model; tea; suitability evaluation

如何合理利用土地和因地制宜地發展区域特色产业，最终实现土地资源的优化配置，已经成为当今土地可持续利用背景下的关键问题。为了让有限的土地资源得到充分合理的利用，进行土地资源的优化配置是必不可少的，而这一过程的关键就在于作好土地的适宜性评价，实现自然生态与社会经济目标的和谐统一。

近年来有学者在进行作物适宜性评价时引入生态位适宜度模型（Niche-fitness Model，NFM）的概念，现在其被越来越广泛地应用于各种用地的适宜性评价中。欧阳志云等[1]是国内较早将生态适宜度模型引入到土地利用适宜性评价中的;之后多位学者将生态适宜度应用到适宜性评价中，于婧等[2]应用生态位适宜度理论定量探讨汉江平原多种农作物的生态适宜度，并由此提出了发挥最大资源优势和获取最高经济收益方案下各评价单元的最优推荐轮作模式;李晋明等[3]基于GIS结合生态位适宜度的分析法对鄱阳湖进行经济林地的适宜性评价，为经济林产业的结构布局进行优化调整。目前对评价单元进行网格化细分的研究比较少，尤其是在省域尺度上，而多数学者侧重于小尺度。

基于此，本研究以江西省为研究对象，将评价区域划分为13万个1 000 m×1 000 m的网格，采用GIS和NFM对研究区茶叶种植的适宜性进行评价，科学合理地优化当前茶园的布局，为江西省茶叶产业发展带来更大的经济效益。

1  研究区概况

江西省位于北纬24°29′14″—30°04′41″，东经113°34′36″—118°28′58″，地形主要以丘陵和山地为主，两种地形约占江西全省面积的3/4。罗霄山、武夷山、南岭、怀玉山、九岭山脉等五大山脉及其支脉贯穿其中，气候湿润，云雾缭绕，阳光的散射作用强，得天独厚的气候条件与优势的地形条件为茶叶的生长提供了良好的环境。

根据江西省统计年鉴（2011—2017年）茶叶相关资料统计，2010—2015年江西省茶叶产量由2.98万t增加到5.18万t，年均增长11.69%。2016年江西省茶叶产量达到5.75万t，相比2015年茶叶产量增长率达10.90%。2016年江西省茶园面积达到9.00万hm2，较2015年面积增长了5.88%。在全省茶园面积和茶叶总产量增幅的背景下，农民收入也得到了较大程度的提高，茶叶种植收入成为当地农民的重要经济来源。江西省政府将茶产业作为“十大农业支柱”产业[4]，致力于茶叶产业的创新，茶叶产业也逐渐在江西省经济发展的进程中越来越具有难以小觑的地位。

2  研究数据与方法

2.1  生态位适宜度模型（NFM）的应用

生态位（Niche）[5]最早被定义为生物栖息地所占据的单元，后续在Hutchinson的“n维超体积”生态位概念的基础上生态位适宜度（Niche-fitness）开始发展起来，其指生物现实资源位与其最适生态位之间的匹配程度，用于表征生物对其生境条件的适宜程度。生物生长对资源环境的需求可以分为以下3种类型[1]：

第1类是资源必须满足生物生长的最低要求，而且在此基础上越丰富越好，具体例如土壤中有机质的含量以及有效的土层厚度。第2类是资源可供给的范围有一个适宜区间，不能低于下限值同时也不能高于阈值，资源供给过多或者过少都会成为生物生长限制性因素，在此区间内有一个资源的最适值，例如pH。第3类资源现状值则是越低越好，例如土壤侵蚀等。当现实资源完全满足生物生长所需时，其生态位适宜度为1，反之当现实资源完全不能满足生物生长所需时，其生态位适宜度为0。通过生态位适宜度可以直观地反映现实资源位和所需求资源位之间的耦合程度。

当然存在部分资源类型适宜度难以用连续的数值来表达，对于这类资源只能依据间接的方法或直接的经验进行判断。例如土壤的质地、灌排条件这类资源类型，在种植时壤土为最好、沙壤次之、黏壤勉强适宜、黏土不宜等，其生态位适宜度可以分别用1.00、0.75、0.50、0来表示，同理灌排条件一级、二级、三级其适宜度可以分别用1.00、0.70、0.50来表示。而其他有具体值的因子的适宜度可以通过以下数学模型计算[6]：

式中，Xi为第i种因子的生态位适宜度;Si为第i种因子的实测值;Di opt为第i种因子的最适宜值;Di min为第i种因子适宜区间内的最小值;Di max为第i种因子适宜区间内的最大值。

生物資源需求的生态位是由多种资源构成的多维空间，因此一种生物的生态位指数受到多种单个资源的综合影响[7，8]。以茶叶为例，其种植适宜性是多种因子协同作用的结果，包括土层厚度、pH、海拔高度等，这些因子的实测值构成了茶叶的一个现实资源位，将各因子实测值记作x1，x2，x3，…，xn用Xi=（x1，x2，x3，…，xn）表示茶叶一个现实资源位;因此，与茶叶生长需求相关的全部资源X构成n维资源空间中的一个“超体积”（En），其中存在某点Xk=（x1k，x2k，…，xnk）达到该生物需求的最佳需求，则Xk为该生物的最适生态位。则生态位适宜度NF=Φ（Xk，Xi），其中，Xk，Xi∈En;Φ（Xk，Xi）表示Xk和Xi的贴进度，NF∈[0，1]，NF越大表示其生态位适宜度越高，反之则越低。计算NF的数学模型有多种，根据本次茶叶适宜性评价的需求，采用加权平均的方法计算汇总NF：

式中，i=1，2，3，…，n为评价单元数量，j=1，2，3，…，m为评价因子数量，Wj为评价因子权重，Xij为评价单元i第j个评价因子的生态位适宜度，NFi为评价单元i的生态位适宜度指数。

2.2  划分定级单元

定级单元是茶叶适宜性级别评定的基本空间单位，也是各定级因素分值计算的基础。单元划分与指标取样正确与否直接影响到茶叶适宜性级别界线的划定。研究在划分评价单元时采用单元网格法，利用ArcGIS软件平台数据管理模块（Data management）中的创建渔网工具（Creat fishnet），将江西省农业生产空间评价划分为13万个1 000 m×1 000 m的网格（在16万个网格单元的基础上除去了非农业空间、不宜农作区以及水域）。利用网格法也保证了单元内土地质量相对均一性，为茶叶适宜性评价结果的科学性、精确性和可操作性奠定了基础。

2.3  选择评价因子并确定权重及最适值

影响茶叶适宜性的因子有很多，但只有最具有稳定性和主导型的因子能够反映评价区内土地适宜性的差异，在全面分析江西省农业用地的自然环境状况以及用地特点后，结合茶叶种植的相关特点，结合特尔菲法（Delphi）和层次分析法（AHP）建立层次结构模型，构造相应的权重判断矩阵，最后得到江西省茶叶适宜性评价因子层次结构以及评价因子的权重体系（表1）。对于茶叶而言，影响其生长的各个指标有一个最适生态位值或者最适区间，参照FAO土地适宜性评价的原则，考虑到江西省茶叶生长的实际情况[3，9]，结合相关农业资料、专家建议，最终确定最适值如表1所示。

2.4  茶叶生态位适宜度计算

1）在ArcGIS 10.5中将已经处理好的各个评价因子的属性数据链接到空的渔网上，包括地形数据（坡度、海拔、坡向），土壤数据（全氮、全钾、全磷、有机质、pH、土层厚度、土壤质地）以及灌溉分区数据。其中，地形数据由江西省海拔高程空间分布数据提取;土壤数据来源于2012年测土配方施肥数据;灌溉分区数据来源于江西省农用地分等专题调查数据。

2）在链接好各因子属性值的渔网里创建新字段Xj（单因子j因子的适宜度），用字段计算器计算各个因子的生态位适宜度，具体按照适宜度的式（1）、式（2）、式（3）的要求，根据实际情况将茶叶指标体系中各个评价因子进行分类，利用其对应的数学模型计算单个因子对应的适宜度。

3）在属性表中创建新字段NF（代表评价单元i的生态位适宜度），应用字段计算器对各个评价因子的适宜度按照其相应的权重进行总分值的计算，将得到的总分值赋给NF。

4）得到相应的生态位适宜度指数后，根据联合国粮农组织（FOA）规定的土地评价纲要标准中所确定的评价体系，采用自然断点法通过ArcGIS的栅格重分类（Raster classification）功能自动化分为4级，整个评价体系中可将各作物适宜性等级分为4个等级：高度适宜、较适宜、勉强适宜、不适宜，将得到的结果进行图面整饰，添加比例尺、图例等要素，输出江西省茶叶适宜性评价结果。

5）最后利用ArcGIS提供的空间统计功能中的实用工具计算出相应的面积以及所占的比例大小。

3  结果与分析

3.1  茶园适宜性面积统计与空间分布

由表2可知，江西省茶叶适宜性分区分为高度适宜、较为适宜、勉强适宜和不适宜4个等级。其中高度适宜区面积为598.00 km2，占可种植区的44.72%;较适宜区面积为511.23 km2，占可种植区的38.23%，高度适宜区面积和较适宜区面积较大，达到了1 109.23 km2，占江西省可种植区域的82.95%，而不太适宜区面积仅占到17.05%，由此显示江西省整体茶叶适宜性程度较高。从图1可以看出，江西省大部分茶叶适宜性较高的区域分布在沿水域的山体周围，勉强适宜区较为零散的分布在江西省的各个区域，原因是只有在临近水域一定高度的山体周围，才易出现云雾多、空气湿度大、漫射光强的情况，这对茶树生育有利，因而高山出好茶。

3.2  茶叶种植适宜性分析与建议

1）高度适宜区。主要分布在靠近水域的低山，土壤质地大多属于壤土，土壤酸碱度适宜，同时拥有良好的地质形态以及丰富的有机质及其他养分，光照条件和水分情况相比其他地方较为优越，形成了云雾缭绕的自然状态，漫射光强，是茶叶种植的最适宜区域，可实现稳定的茶叶产量，凭借先天自然条件，在投入成本较少的情况下可以带来较大的经济效益。对于这些地区可以集中发展茶叶种植产业并且实现统一的管理，加大科技投入力量，实现机械化水平，提高经营管理水平，从而提高茶叶产业的经济效益[10]。

2）较适宜区。主要分布在离水域较远的缓坡丘陵、低山，在此类地段，分布较为零散。影响茶叶栽培的主要不利因素是水分，由于远离河流流域，空气湿度不太大，光照漫射作用较弱;其次是土壤状况，土层营养物质含量较低。对于这些地区，应大力加强植物绿肥增强有机肥，改善土壤的营养成分以此来消除茶叶生长的不利因素。

3）勉强适宜区。广泛分布于高海拔山区附近，不宜进行耕种，土质大多属重壤，沙土、黏土，土层多砾石，而不是利于茶叶生长的壤土，土壤肥力保持能力较弱，种植茶叶的适宜性较差，只能说勉强适宜茶叶的种植，带来的经济效益很低。在这些地区可以在维持生态平衡的情况下，适当增加施肥以促进土壤的肥力，保持水土，提高茶叶产量和品质。

4）不适宜区。在江西省种植茶叶的不宜区域较少，主要分布在水域附近，易遭受到河水的冲刷，导致土壤侵蚀造成的土层肥力差，土壤的稳定性差，很难满足茶树正常生长要求，对于此类地区不要进行茶叶产业的发展，否则投入所需会远远超过收益所得，还有可能会破坏原有的生态环境。

4  小结与启发

4.1  小结

1）研究区域内生境整体环境较好，土壤养分含量较高，水分充足，土壤有效层厚，整体上来看对于茶叶种植的适宜性较强，各单元对茶叶的适宜性主要以高度适宜和较适宜为主，适宜种植区域面积达1 109.23 km2，不太适宜区面积较小，仅为228.07 km2，可适当施肥改善勉强适宜区的肥力，挖掘茶叶种植的潜力区。

2）与传统的评价方法相比，生态位适宜度模型更加重视生物生长所需资源与现实生态资源的耦合程度，具有明确的生态意义，使得评价要求更加具有目标性和准确性，且通过因素叠合模拟，层次模型比较，降低了传统评价过程中的主观性，保证了评价结果的客观性和科学性，但是目前来看该模型的完善还依赖于资源定量化评价的发展。

4.2  启发

1）在進行江西省茶叶产业评价指标体系构建时，仅考虑到了一些自然因素从而构建了茶叶适宜性评价的指标体系，而在真正的实践分析中，这些因素不能全面地反映茶叶的适宜性，评价指标体系中还应包括更多的经济和社会因素，这样才能更加合理地反映实际情况，因此在此方面要开展更多相关学科资料的研究，完善现有指标体系，使得评价结果更加符合生产实践。

2）生态位适宜度模型的应用还不够成熟，尤其体现在最适值的确定对研究者的专业素养要求较高，在此过程中又存在一定程度上的主观性，后续应该在实际工作中进行进一步的研究和大量数据的检验，构建更为合理的生态位适宜度模型，优化现有的模型。

参考文献：

[1] 欧阳志云，王如松，符贵南.生态位适宜度模型及其在土地利用适宜性评价中的应用[J].生态学报，1996，16（2）：113-120.

[2] 于  婧，聂  艳，周  勇，等.生态位适宜度方法在基于GIS的耕地多宜性评价中的应用[J].土壤学报，2006，43（2）：190-196.

[3] 李晋明，赵小敏，乐丽红.基于GIS和NFM的鄱阳湖地区经济林地的适宜性评价[J].林业科学，2012，48（3）：154-159.

[4] 孔柠檬，张剑锋.江西茶叶产业发展现状及转型升级研究[J].农业考古，2017（5）：242-245.

[5] HUTCHINSON G E. Concluding remarks[J].Cold Spring Harbor Symp Quant Biol，1957，22：415-427.

[6] 付  清，赵小敏，乐丽红，等.基于GIS和生态位适宜度模型的耕地多适宜性评价[J].农业工程学报，2009，25（2）：208-213，318.=

[7] LI Z Z，LIN H. The niche-fitness model of crop population and its application[J].Ecological modelling，1997，104（2-3）：199-203.

[8] 张光明，谢寿昌.生态位概念演变与展望[J].生态学杂志，1997， 16（6）：46-51.

[9] 吴明龙，潘方平，毛小荣.我国南方山区茶叶种植土地适宜性评价指标体系的构建研究[J].河南农业，2016（11）：30.

[10] YE Y，HE F，ZHANG X Y，et al. A GIS-based study on suitability estimation of tea cultivation in Qimen county[J].Agricultural science & technology，2011，12（1）：149-152.