基于ＧＩＳ和ＮＦＭ的江西省土地茶葉種植適宜性評價

陳蕾　郭熙

摘要：在考慮區(qū)域自然氣候、地理環(huán)境以及茶葉生長規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇立地條件、土壤條件、理化性狀、土壤管理等4個方面的11個因子作為評價指標，運用生態(tài)位適宜度模型，通過層次分析法確定權(quán)重，對江西省土地茶葉種植適宜性進行評價。結(jié)果表明，江西省生境條件整體較好，茶葉的種植以高度適宜和較適宜兩級為主，分別占到44.72%和38.23%，主要分布在一些位于水域周圍的低海拔山脈以及緩坡丘陵處;而不適宜區(qū)和勉強適宜區(qū)分布區(qū)域較少，分別約占16.94%和0.11%，主要分布在海拔較高、土質(zhì)較差、土層營養(yǎng)含量較低處。

關(guān)鍵詞：江西省;GIS;生態(tài)位適宜度模型;茶葉;適宜性評價

中圖分類號：P208;S571? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）22-0083-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.019? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（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(fā)展區(qū)域特色產(chǎn)業(yè)，最終實現(xiàn)土地資源的優(yōu)化配置，已經(jīng)成為當今土地可持續(xù)利用背景下的關(guān)鍵問題。為了讓有限的土地資源得到充分合理的利用，進行土地資源的優(yōu)化配置是必不可少的，而這一過程的關(guān)鍵就在于作好土地的適宜性評價，實現(xiàn)自然生態(tài)與社會經(jīng)濟目標的和諧統(tǒng)一。

近年來有學(xué)者在進行作物適宜性評價時引入生態(tài)位適宜度模型（Niche-fitness Model，NFM）的概念，現(xiàn)在其被越來越廣泛地應(yīng)用于各種用地的適宜性評價中。歐陽志云等[1]是國內(nèi)較早將生態(tài)適宜度模型引入到土地利用適宜性評價中的;之后多位學(xué)者將生態(tài)適宜度應(yīng)用到適宜性評價中，于婧等[2]應(yīng)用生態(tài)位適宜度理論定量探討漢江平原多種農(nóng)作物的生態(tài)適宜度，并由此提出了發(fā)揮最大資源優(yōu)勢和獲取最高經(jīng)濟收益方案下各評價單元的最優(yōu)推薦輪作模式;李晉明等[3]基于GIS結(jié)合生態(tài)位適宜度的分析法對鄱陽湖進行經(jīng)濟林地的適宜性評價，為經(jīng)濟林產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)布局進行優(yōu)化調(diào)整。目前對評價單元進行網(wǎng)格化細分的研究比較少，尤其是在省域尺度上，而多數(shù)學(xué)者側(cè)重于小尺度。

基于此，本研究以江西省為研究對象，將評價區(qū)域劃分為13萬個1 000 m×1 000 m的網(wǎng)格，采用GIS和NFM對研究區(qū)茶葉種植的適宜性進行評價，科學(xué)合理地優(yōu)化當前茶園的布局，為江西省茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來更大的經(jīng)濟效益。

1? 研究區(qū)概況

江西省位于北緯24°29′14″—30°04′41″，東經(jīng)113°34′36″—118°28′58″，地形主要以丘陵和山地為主，兩種地形約占江西全省面積的3/4。羅霄山、武夷山、南嶺、懷玉山、九嶺山脈等五大山脈及其支脈貫穿其中，氣候濕潤，云霧繚繞，陽光的散射作用強，得天獨厚的氣候條件與優(yōu)勢的地形條件為茶葉的生長提供了良好的環(huán)境。

根據(jù)江西省統(tǒng)計年鑒（2011—2017年）茶葉相關(guān)資料統(tǒng)計，2010—2015年江西省茶葉產(chǎn)量由2.98萬t增加到5.18萬t，年均增長11.69%。2016年江西省茶葉產(chǎn)量達到5.75萬t，相比2015年茶葉產(chǎn)量增長率達10.90%。2016年江西省茶園面積達到9.00萬hm2，較2015年面積增長了5.88%。在全省茶園面積和茶葉總產(chǎn)量增幅的背景下，農(nóng)民收入也得到了較大程度的提高，茶葉種植收入成為當?shù)剞r(nóng)民的重要經(jīng)濟來源。江西省政府將茶產(chǎn)業(yè)作為“十大農(nóng)業(yè)支柱”產(chǎn)業(yè)[4]，致力于茶葉產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新，茶葉產(chǎn)業(yè)也逐漸在江西省經(jīng)濟發(fā)展的進程中越來越具有難以小覷的地位。

2? 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1? 生態(tài)位適宜度模型（NFM）的應(yīng)用

生態(tài)位（Niche）[5]最早被定義為生物棲息地所占據(jù)的單元，后續(xù)在Hutchinson的“n維超體積”生態(tài)位概念的基礎(chǔ)上生態(tài)位適宜度（Niche-fitness）開始發(fā)展起來，其指生物現(xiàn)實資源位與其最適生態(tài)位之間的匹配程度，用于表征生物對其生境條件的適宜程度。生物生長對資源環(huán)境的需求可以分為以下3種類型[1]：

第1類是資源必須滿足生物生長的最低要求，而且在此基礎(chǔ)上越豐富越好，具體例如土壤中有機質(zhì)的含量以及有效的土層厚度。第2類是資源可供給的范圍有一個適宜區(qū)間，不能低于下限值同時也不能高于閾值，資源供給過多或者過少都會成為生物生長限制性因素，在此區(qū)間內(nèi)有一個資源的最適值，例如pH。第3類資源現(xiàn)狀值則是越低越好，例如土壤侵蝕等。當現(xiàn)實資源完全滿足生物生長所需時，其生態(tài)位適宜度為1，反之當現(xiàn)實資源完全不能滿足生物生長所需時，其生態(tài)位適宜度為0。通過生態(tài)位適宜度可以直觀地反映現(xiàn)實資源位和所需求資源位之間的耦合程度。

當然存在部分資源類型適宜度難以用連續(xù)的數(shù)值來表達，對于這類資源只能依據(jù)間接的方法或直接的經(jīng)驗進行判斷。例如土壤的質(zhì)地、灌排條件這類資源類型，在種植時壤土為最好、沙壤次之、黏壤勉強適宜、黏土不宜等，其生態(tài)位適宜度可以分別用1.00、0.75、0.50、0來表示，同理灌排條件一級、二級、三級其適宜度可以分別用1.00、0.70、0.50來表示。而其他有具體值的因子的適宜度可以通過以下數(shù)學(xué)模型計算[6]：

式中，Xi為第i種因子的生態(tài)位適宜度;Si為第i種因子的實測值;Di opt為第i種因子的最適宜值;Di min為第i種因子適宜區(qū)間內(nèi)的最小值;Di max為第i種因子適宜區(qū)間內(nèi)的最大值。

生物資源需求的生態(tài)位是由多種資源構(gòu)成的多維空間，因此一種生物的生態(tài)位指數(shù)受到多種單個資源的綜合影響[7，8]。以茶葉為例，其種植適宜性是多種因子協(xié)同作用的結(jié)果，包括土層厚度、pH、海拔高度等，這些因子的實測值構(gòu)成了茶葉的一個現(xiàn)實資源位，將各因子實測值記作x1，x2，x3，…，xn用Xi=（x1，x2，x3，…，xn）表示茶葉一個現(xiàn)實資源位;因此，與茶葉生長需求相關(guān)的全部資源X構(gòu)成n維資源空間中的一個“超體積”（En），其中存在某點Xk=（x1k，x2k，…，xnk）達到該生物需求的最佳需求，則Xk為該生物的最適生態(tài)位。則生態(tài)位適宜度NF=Φ（Xk，Xi），其中，Xk，Xi∈En;Φ（Xk，Xi）表示Xk和Xi的貼進度，NF∈[0，1]，NF越大表示其生態(tài)位適宜度越高，反之則越低。計算NF的數(shù)學(xué)模型有多種，根據(jù)本次茶葉適宜性評價的需求，采用加權(quán)平均的方法計算匯總NF：

式中，i=1，2，3，…，n為評價單元數(shù)量，j=1，2，3，…，m為評價因子數(shù)量，Wj為評價因子權(quán)重，Xij為評價單元i第j個評價因子的生態(tài)位適宜度，NFi為評價單元i的生態(tài)位適宜度指數(shù)。

2.2? 劃分定級單元

定級單元是茶葉適宜性級別評定的基本空間單位，也是各定級因素分值計算的基礎(chǔ)。單元劃分與指標取樣正確與否直接影響到茶葉適宜性級別界線的劃定。研究在劃分評價單元時采用單元網(wǎng)格法，利用ArcGIS軟件平臺數(shù)據(jù)管理模塊（Data management）中的創(chuàng)建漁網(wǎng)工具（Creat fishnet），將江西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間評價劃分為13萬個1 000 m×1 000 m的網(wǎng)格（在16萬個網(wǎng)格單元的基礎(chǔ)上除去了非農(nóng)業(yè)空間、不宜農(nóng)作區(qū)以及水域）。利用網(wǎng)格法也保證了單元內(nèi)土地質(zhì)量相對均一性，為茶葉適宜性評價結(jié)果的科學(xué)性、精確性和可操作性奠定了基礎(chǔ)。

2.3? 選擇評價因子并確定權(quán)重及最適值

影響茶葉適宜性的因子有很多，但只有最具有穩(wěn)定性和主導(dǎo)型的因子能夠反映評價區(qū)內(nèi)土地適宜性的差異，在全面分析江西省農(nóng)業(yè)用地的自然環(huán)境狀況以及用地特點后，結(jié)合茶葉種植的相關(guān)特點，結(jié)合特爾菲法（Delphi）和層次分析法（AHP）建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造相應(yīng)的權(quán)重判斷矩陣，最后得到江西省茶葉適宜性評價因子層次結(jié)構(gòu)以及評價因子的權(quán)重體系（表1）。對于茶葉而言，影響其生長的各個指標有一個最適生態(tài)位值或者最適區(qū)間，參照FAO土地適宜性評價的原則，考慮到江西省茶葉生長的實際情況[3，9]，結(jié)合相關(guān)農(nóng)業(yè)資料、專家建議，最終確定最適值如表1所示。

2.4? 茶葉生態(tài)位適宜度計算

1）在ArcGIS 10.5中將已經(jīng)處理好的各個評價因子的屬性數(shù)據(jù)鏈接到空的漁網(wǎng)上，包括地形數(shù)據(jù)（坡度、海拔、坡向），土壤數(shù)據(jù)（全氮、全鉀、全磷、有機質(zhì)、pH、土層厚度、土壤質(zhì)地）以及灌溉分區(qū)數(shù)據(jù)。其中，地形數(shù)據(jù)由江西省海拔高程空間分布數(shù)據(jù)提取;土壤數(shù)據(jù)來源于2012年測土配方施肥數(shù)據(jù);灌溉分區(qū)數(shù)據(jù)來源于江西省農(nóng)用地分等專題調(diào)查數(shù)據(jù)。

2）在鏈接好各因子屬性值的漁網(wǎng)里創(chuàng)建新字段Xj（單因子j因子的適宜度），用字段計算器計算各個因子的生態(tài)位適宜度，具體按照適宜度的式（1）、式（2）、式（3）的要求，根據(jù)實際情況將茶葉指標體系中各個評價因子進行分類，利用其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計算單個因子對應(yīng)的適宜度。

3）在屬性表中創(chuàng)建新字段NF（代表評價單元i的生態(tài)位適宜度），應(yīng)用字段計算器對各個評價因子的適宜度按照其相應(yīng)的權(quán)重進行總分值的計算，將得到的總分值賦給NF。

4）得到相應(yīng)的生態(tài)位適宜度指數(shù)后，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FOA）規(guī)定的土地評價綱要標準中所確定的評價體系，采用自然斷點法通過ArcGIS的柵格重分類（Raster classification）功能自動化分為4級，整個評價體系中可將各作物適宜性等級分為4個等級：高度適宜、較適宜、勉強適宜、不適宜，將得到的結(jié)果進行圖面整飾，添加比例尺、圖例等要素，輸出江西省茶葉適宜性評價結(jié)果。

5）最后利用ArcGIS提供的空間統(tǒng)計功能中的實用工具計算出相應(yīng)的面積以及所占的比例大小。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 茶園適宜性面積統(tǒng)計與空間分布

由表2可知，江西省茶葉適宜性分區(qū)分為高度適宜、較為適宜、勉強適宜和不適宜4個等級。其中高度適宜區(qū)面積為598.00 km2，占可種植區(qū)的44.72%;較適宜區(qū)面積為511.23 km2，占可種植區(qū)的38.23%，高度適宜區(qū)面積和較適宜區(qū)面積較大，達到了1 109.23 km2，占江西省可種植區(qū)域的82.95%，而不太適宜區(qū)面積僅占到17.05%，由此顯示江西省整體茶葉適宜性程度較高。從圖1可以看出，江西省大部分茶葉適宜性較高的區(qū)域分布在沿水域的山體周圍，勉強適宜區(qū)較為零散的分布在江西省的各個區(qū)域，原因是只有在臨近水域一定高度的山體周圍，才易出現(xiàn)云霧多、空氣濕度大、漫射光強的情況，這對茶樹生育有利，因而高山出好茶。

3.2? 茶葉種植適宜性分析與建議

1）高度適宜區(qū)。主要分布在靠近水域的低山，土壤質(zhì)地大多屬于壤土，土壤酸堿度適宜，同時擁有良好的地質(zhì)形態(tài)以及豐富的有機質(zhì)及其他養(yǎng)分，光照條件和水分情況相比其他地方較為優(yōu)越，形成了云霧繚繞的自然狀態(tài)，漫射光強，是茶葉種植的最適宜區(qū)域，可實現(xiàn)穩(wěn)定的茶葉產(chǎn)量，憑借先天自然條件，在投入成本較少的情況下可以帶來較大的經(jīng)濟效益。對于這些地區(qū)可以集中發(fā)展茶葉種植產(chǎn)業(yè)并且實現(xiàn)統(tǒng)一的管理，加大科技投入力量，實現(xiàn)機械化水平，提高經(jīng)營管理水平，從而提高茶葉產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益[10]。

2）較適宜區(qū)。主要分布在離水域較遠的緩坡丘陵、低山，在此類地段，分布較為零散。影響茶葉栽培的主要不利因素是水分，由于遠離河流流域，空氣濕度不太大，光照漫射作用較弱;其次是土壤狀況，土層營養(yǎng)物質(zhì)含量較低。對于這些地區(qū)，應(yīng)大力加強植物綠肥增強有機肥，改善土壤的營養(yǎng)成分以此來消除茶葉生長的不利因素。

3）勉強適宜區(qū)。廣泛分布于高海拔山區(qū)附近，不宜進行耕種，土質(zhì)大多屬重壤，沙土、黏土，土層多礫石，而不是利于茶葉生長的壤土，土壤肥力保持能力較弱，種植茶葉的適宜性較差，只能說勉強適宜茶葉的種植，帶來的經(jīng)濟效益很低。在這些地區(qū)可以在維持生態(tài)平衡的情況下，適當增加施肥以促進土壤的肥力，保持水土，提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。

4）不適宜區(qū)。在江西省種植茶葉的不宜區(qū)域較少，主要分布在水域附近，易遭受到河水的沖刷，導(dǎo)致土壤侵蝕造成的土層肥力差，土壤的穩(wěn)定性差，很難滿足茶樹正常生長要求，對于此類地區(qū)不要進行茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，否則投入所需會遠遠超過收益所得，還有可能會破壞原有的生態(tài)環(huán)境。

4? 小結(jié)與啟發(fā)

4.1? 小結(jié)

1）研究區(qū)域內(nèi)生境整體環(huán)境較好，土壤養(yǎng)分含量較高，水分充足，土壤有效層厚，整體上來看對于茶葉種植的適宜性較強，各單元對茶葉的適宜性主要以高度適宜和較適宜為主，適宜種植區(qū)域面積達1 109.23 km2，不太適宜區(qū)面積較小，僅為228.07 km2，可適當施肥改善勉強適宜區(qū)的肥力，挖掘茶葉種植的潛力區(qū)。

2）與傳統(tǒng)的評價方法相比，生態(tài)位適宜度模型更加重視生物生長所需資源與現(xiàn)實生態(tài)資源的耦合程度，具有明確的生態(tài)意義，使得評價要求更加具有目標性和準確性，且通過因素疊合模擬，層次模型比較，降低了傳統(tǒng)評價過程中的主觀性，保證了評價結(jié)果的客觀性和科學(xué)性，但是目前來看該模型的完善還依賴于資源定量化評價的發(fā)展。

4.2? 啟發(fā)

1）在進行江西省茶葉產(chǎn)業(yè)評價指標體系構(gòu)建時，僅考慮到了一些自然因素從而構(gòu)建了茶葉適宜性評價的指標體系，而在真正的實踐分析中，這些因素不能全面地反映茶葉的適宜性，評價指標體系中還應(yīng)包括更多的經(jīng)濟和社會因素，這樣才能更加合理地反映實際情況，因此在此方面要開展更多相關(guān)學(xué)科資料的研究，完善現(xiàn)有指標體系，使得評價結(jié)果更加符合生產(chǎn)實踐。

2）生態(tài)位適宜度模型的應(yīng)用還不夠成熟，尤其體現(xiàn)在最適值的確定對研究者的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，在此過程中又存在一定程度上的主觀性，后續(xù)應(yīng)該在實際工作中進行進一步的研究和大量數(shù)據(jù)的檢驗，構(gòu)建更為合理的生態(tài)位適宜度模型，優(yōu)化現(xiàn)有的模型。

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