GIS在果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃的應(yīng)用概述

王達(dá)菲，王 璽，李敏生，孫慧英，李 亮

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹(shù)研究所，山西 太原 030031)

1 GIS的概念及特點(diǎn)

GIS(geographic information system)，全稱(chēng)地理信息系統(tǒng)，是一種采集、存儲(chǔ)、分析、管理、顯示、應(yīng)用數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測(cè)繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的新興邊緣學(xué)科[1,2]。GIS用于地理數(shù)據(jù)采集時(shí)，以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，通過(guò)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行豐富、補(bǔ)充，使得GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變得連貫、完整、全面。也可用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，原始數(shù)據(jù)入庫(kù)之后發(fā)生轉(zhuǎn)化進(jìn)行合理性修正，可有效篩選無(wú)效數(shù)據(jù)，使整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)合理化、更富有邏輯，提供多種空間的、動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究及地理決策服務(wù)[3]。

2 GIS在果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃分析的應(yīng)用

果樹(shù)的生態(tài)適應(yīng)性，主要包括果樹(shù)對(duì)氣候、土壤和地形的適應(yīng)性。GIS在國(guó)外果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃的研究已十分成熟廣泛，我國(guó)也逐步開(kāi)始將GIS應(yīng)用于研究果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃。研究范圍涉及到原產(chǎn)中國(guó)各地及從國(guó)外引種馴化的果樹(shù)樹(shù)種。研究方向除了果樹(shù)的適生區(qū)規(guī)劃，還包括某些品種與生態(tài)適應(yīng)性相關(guān)的環(huán)境變異、對(duì)某地區(qū)域化的自然災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)、對(duì)長(zhǎng)期研究過(guò)程中可能發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行研究等。這些研究的方向更加動(dòng)態(tài)化、全面化、立體化，研究的結(jié)果也更具有參考價(jià)值。

2.1 GIS在果樹(shù)用地規(guī)劃的應(yīng)用

果樹(shù)用地規(guī)劃，需要對(duì)預(yù)栽果樹(shù)的適生條件加以研究，并對(duì)規(guī)劃地的生態(tài)特征進(jìn)行分析。根據(jù)規(guī)劃地滿(mǎn)足預(yù)栽果樹(shù)適生條件的程度、社會(huì)因素和相關(guān)政策進(jìn)行區(qū)域等級(jí)劃分，達(dá)到因地制宜、合理規(guī)劃、提質(zhì)增產(chǎn)的目的。

在整個(gè)果樹(shù)用地規(guī)劃過(guò)程中，GIS的作用主要為：1)對(duì)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到柵格圖層數(shù)據(jù)；2)對(duì)柵格圖層進(jìn)行矩陣加權(quán)運(yùn)算，生成多因素的完整果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃示意圖。

梁軼[4]等通過(guò)分析中陽(yáng)木棗對(duì)黃土高原氣候的適應(yīng)性、黃土高原中陽(yáng)木棗在典型豐產(chǎn)年和受災(zāi)年的氣象條件，選擇年平均氣溫、≥10 ℃積溫、年降水量、脆熟采收期降水量和花期降水量5個(gè)因子為區(qū)劃指標(biāo)，建立黃土高原丘陵區(qū)中陽(yáng)木棗的氣候適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系；再使用GIS技術(shù)，完成研究區(qū)域內(nèi)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的精細(xì)空間小網(wǎng)格模擬推算，結(jié)合地形柵格數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加分析，為黃土高原丘陵區(qū)中陽(yáng)木棗的生產(chǎn)提供用地規(guī)劃和評(píng)價(jià)。

秦公偉[5]等選擇海拔、坡度、年均降水量、年均氣溫、≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫、土壤類(lèi)型、土壤質(zhì)地、植被覆蓋指數(shù)、土壤侵蝕程度等10個(gè)指標(biāo)，綜合應(yīng)用線性加權(quán)求和法、判斷矩陣法、GIS空間分析法和聚類(lèi)分析法對(duì)陜南地區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)劃分，得分最高的為陜南地區(qū)藍(lán)莓潛在適生區(qū)，為產(chǎn)業(yè)管理部門(mén)提供了科學(xué)種植意見(jiàn)和規(guī)劃方法。

2.2 GIS在果樹(shù)性狀環(huán)境變異研究的應(yīng)用

果樹(shù)的目標(biāo)性狀除了受多基因控制、可通過(guò)遺傳育種手段改良之外，還受不同環(huán)境因素顯著影響，適宜的種植環(huán)境可以大大提升果樹(shù)的品質(zhì)和產(chǎn)量。因此，研究果樹(shù)目標(biāo)性狀對(duì)環(huán)境因子的變異響應(yīng)機(jī)制十分必要。

研究果樹(shù)性狀的環(huán)境變異，需要從不同的環(huán)境中取樣，通過(guò)公式分析出變異的規(guī)律，篩選引起變異的關(guān)鍵環(huán)境因子，建立綜合區(qū)劃評(píng)估模型。GIS的作用主要為：1)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到柵格數(shù)據(jù)；2)用空間分析模塊進(jìn)行計(jì)算，得到柵格單元環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)；3)運(yùn)用空間分析模塊制圖，計(jì)算不同環(huán)境種植地的分布面積。

王少雄[6]在全國(guó)山杏分布地采集了75個(gè)具有代表性的地理種源樣本，并收集這些樣本對(duì)應(yīng)種源地的環(huán)境因子，分析引起山杏種實(shí)性狀、油脂含量、脂肪酸組成、生物柴油特征值變異的9個(gè)關(guān)鍵環(huán)境因子：1月均溫、7月均溫、≥10℃積溫、年均溫、年降水量、海拔、坡度、坡向、土壤pH值，闡明其影響規(guī)律，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型。利用GIS技術(shù)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和重采樣預(yù)處理，得到統(tǒng)一坐標(biāo)的柵格數(shù)據(jù)；利用GIS技術(shù)對(duì)選取的9個(gè)因子的柵格屬性運(yùn)用RECLASSIFY命令重新劃分因子適應(yīng)性等級(jí)，生成各因子精細(xì)化空間適宜分布圖；最后運(yùn)用GIS空間分析模塊，生成不同生長(zhǎng)環(huán)境的面積分布圖，并與我國(guó)土地邊際圖疊加，確定我國(guó)山杏的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 GIS在果樹(shù)區(qū)域化自然災(zāi)害預(yù)測(cè)的應(yīng)用

自然災(zāi)害對(duì)果樹(shù)的產(chǎn)量和品質(zhì)有巨大的影響。使用GIS對(duì)災(zāi)害區(qū)劃因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對(duì)可能遭受的自然災(zāi)害繪制風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃專(zhuān)題圖，預(yù)測(cè)種植地自然災(zāi)害的發(fā)生，適時(shí)做好防護(hù)措施；也可據(jù)此調(diào)整種植區(qū)域，預(yù)防或減少損失。

李敬源[7]等對(duì)蒼梧各縣進(jìn)行低溫冷害分析，篩選影響該地砂糖桔生產(chǎn)的4個(gè)低溫冷害區(qū)劃關(guān)鍵氣候因子：年極端最低氣溫、1-3月日平均氣溫、1-3月日平均氣溫≤12 ℃持續(xù)天數(shù)、≤8 ℃的積寒量。利用GIS對(duì)經(jīng)過(guò)歸一化和加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法處理的4個(gè)因子進(jìn)行不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分，繪制蒼梧縣砂糖桔低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃專(zhuān)題圖。并分別對(duì)各低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了具體評(píng)述，提出相應(yīng)預(yù)防辦法和保護(hù)措施，包括加強(qiáng)低溫冷害預(yù)報(bào)、合理選擇品種、搞好種植園基本建設(shè)、采取現(xiàn)代人工智能和生物防治技術(shù)等。

2.4 GIS在果樹(shù)區(qū)劃動(dòng)態(tài)變化特征研究的應(yīng)用

適宜區(qū)并不是一成不變的，長(zhǎng)期研究的適宜區(qū)分界線會(huì)發(fā)生變化，氣候變化直接影響種植地果樹(shù)的產(chǎn)量和品質(zhì)。研究果樹(shù)區(qū)劃的動(dòng)態(tài)變化特征，適時(shí)調(diào)整種植方案，使區(qū)域規(guī)劃過(guò)程更加嚴(yán)謹(jǐn)。

馬麗娜[8]以1981年、2001年為界，將1961-2010年的時(shí)間序列分為3個(gè)時(shí)段，對(duì)比分析了這3個(gè)時(shí)段我國(guó)龍眼適宜區(qū)南北界線的地理位移、演變特征和影響因素。利用GIS對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格計(jì)算，進(jìn)行氣候傾向率的檢驗(yàn)，對(duì)溫度指標(biāo)進(jìn)行多元線性回歸和檢驗(yàn)，采用空間分析方法，建立溫度適宜性模型。并利用GIS獲取溫度要素的空間分布圖、經(jīng)緯度圖層、殘差圖層，對(duì)中國(guó)南部龍眼等溫線的時(shí)空變動(dòng)和適宜區(qū)的南北界線發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。

3 存在問(wèn)題及解決方案

有關(guān)GIS在果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性的研究，主要還存在以下問(wèn)題。

第一，在與GIS相關(guān)的果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃研究中，對(duì)于相應(yīng)指標(biāo)的確定還不夠科學(xué)、系統(tǒng)、合理。由于氣象站建設(shè)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)年系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)也有缺失，總存在必要數(shù)據(jù)不全不準(zhǔn)確的問(wèn)題。相關(guān)的經(jīng)費(fèi)、人力和時(shí)間投入還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要引起足夠重視。

第二，對(duì)指標(biāo)因子的篩選過(guò)于粗略，考慮的指標(biāo)大多為最常見(jiàn)的靜態(tài)因子，基本很少考慮到自然災(zāi)害對(duì)生態(tài)適應(yīng)性的潛在影響，也經(jīng)常忽略一些影響力較小的因子，但這些因子很可能在一些地區(qū)的生態(tài)適應(yīng)性中起著非常重要的作用。

第三，很多研究?jī)H僅局限于自然因素，而不去考慮具體的社會(huì)因素，如交通便利性、與政策的對(duì)接、種植地密集程度、人口密度等等，使得相關(guān)的研究停留在了理論層面，無(wú)法指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)。

針對(duì)存在的問(wèn)題，提出以下解決辦法。

第一，豐富數(shù)據(jù)來(lái)源渠道。除了查閱相關(guān)官方數(shù)據(jù)庫(kù)，還應(yīng)結(jié)合實(shí)地調(diào)研，使用GPS儀獲取樣點(diǎn)最真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和補(bǔ)足。無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)，不要隨便找其他數(shù)據(jù)代替，而應(yīng)該利用Google Earth等網(wǎng)站進(jìn)行重新定位，并盡可能落實(shí)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單位。對(duì)于極個(gè)別站點(diǎn)某些日期或連續(xù)一段時(shí)間無(wú)觀測(cè)值的情況，可采用附近時(shí)間或站點(diǎn)的數(shù)據(jù)回歸補(bǔ)插[7]。最關(guān)鍵的是加強(qiáng)相關(guān)測(cè)量基地的建設(shè)，定期維護(hù)保養(yǎng)，這需要更多相關(guān)領(lǐng)域科技工作者的努力和相關(guān)政策資金的大力支持，真正做到實(shí)現(xiàn)果樹(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、精細(xì)化、系統(tǒng)化。

第二，不要輕易刪去自認(rèn)為不重要的數(shù)據(jù)和指標(biāo)，要多查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外研究，全方位考慮各種因素對(duì)果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性的影響?？赡苎芯康墓ぷ髁繒?huì)變大，但不能輕易地降低研究的準(zhǔn)確性。

第三，要緊密與實(shí)踐相結(jié)合，了解GIS在其他領(lǐng)域的優(yōu)秀應(yīng)用并加以學(xué)習(xí)。了解當(dāng)?shù)嘏c果樹(shù)生態(tài)適應(yīng)性相關(guān)的政策，并結(jié)合城鄉(xiāng)居民對(duì)果樹(shù)的市場(chǎng)需求，進(jìn)行合理范圍內(nèi)的調(diào)整。如建立相關(guān)保護(hù)設(shè)施、建立觀光采摘園，改善當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境、地形環(huán)境、小氣候環(huán)境等，真正地做到因地制宜。