何釗全, 尚雪, 張銅會

基于GIS的陜北紅棗生態(tài)適宜性空間分布格局研究

何釗全1,*, 尚雪1, 張銅會2

1. 陜西省紅棗重點實驗室, 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 延安 716000 2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 蘭州 730000

作物的生態(tài)適宜性空間分布格局對于掌握作物生長適宜區(qū)域具有重要的作用。陜北紅棗, 作為該地區(qū)的特色經(jīng)濟作物, 其生態(tài)適宜性分布特征尚不明晰。因此, 本文基于層次分析法確定適宜地形、氣候、土壤及植被因子權(quán)重, 通過地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)確定陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性空間分布等級和面積。結(jié)果表明, 陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜區(qū)自陜北南部和東南部向西北和北部地區(qū)遞減, 年降雨量、年積溫及高程是限制紅棗在陜北西北部適宜生長的主要環(huán)境因子; 紅棗最佳生態(tài)適宜區(qū)和次適宜區(qū)主要集中于富縣、黃龍縣、甘泉縣及宜川縣。其中, 紅棗最佳適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積在富縣分別達(dá)到5036.58 hm2、23114.25 hm2, 即富縣是陜北紅棗生態(tài)適宜性分布的最優(yōu)區(qū)縣。一般適宜區(qū)主要集中于延長縣、綏德縣、清澗縣、延川縣、宜川縣、子洲縣及寶塔區(qū)。因此, 未來可以在紅棗優(yōu)適宜區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)培育種植, 著重提升紅棗品質(zhì)。在一般適宜區(qū)增加紅棗種植面積, 提高紅棗總產(chǎn)量。以期為該地區(qū)紅棗優(yōu)化生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù), 實現(xiàn)陜北精品紅棗規(guī)模化發(fā)展。

陜北紅棗; GIS; 生態(tài)適宜性; 空間格局

0 前言

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)屬于溫帶半干旱氣候, 因其干燥少雨, 陽光充足, 溫差顯著, 成為世界紅棗起源地之一[1], 也是我國優(yōu)質(zhì)紅棗的主要栽培區(qū)。該地區(qū)的紅棗因其酸甜可口、富含蛋白質(zhì)和維生素而聞名于世, 同時, 種植面積持續(xù)擴大[2], 已成為當(dāng)?shù)氐奶厣?jīng)濟產(chǎn)業(yè), 經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益顯著。近年, 隨著氣候變化加劇, 夏秋季持續(xù)降雨等氣象災(zāi)害明顯增多, 對紅棗產(chǎn)量和品質(zhì)的危害日益加重[3], 紅棗質(zhì)量和數(shù)量已不能滿足市場需求。因此, 關(guān)于陜北黃土丘陵區(qū)紅棗生態(tài)適宜性分布探究成為當(dāng)前紅棗研究的重點和熱點, 具有促進(jìn)區(qū)域紅棗產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的適宜性分布研究采用野外實地調(diào)查與歷史資料考證相結(jié)合的方法, 耗時耗力, 結(jié)果缺乏一定科學(xué)性。因此, 利用新技術(shù)探究紅棗生態(tài)適宜性分布成為目前面臨的首要問題。

GIS技術(shù)因其快速便捷, 理論方法切實可行, 近年發(fā)展迅速, 前景良好。國內(nèi)外諸多專家學(xué)者運用GIS技術(shù)研究了多種果樹的生態(tài)適宜性分布, 成果顯著。比如, 屈振江等[4]、Qu等[5]構(gòu)建了蘋果種植分布與氣候因子的關(guān)系模型, 確立了蘋果種植適宜區(qū)響應(yīng)氣候變化的敏感區(qū)域分布特征。李紅英等[6]、劉明春等[7]采用集優(yōu)法和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法, 綜合考慮了氣候和土壤條件, 研究了不同熟性的釀酒葡萄的生態(tài)適宜性區(qū)劃, 確立了早、中、晚熟葡萄的生態(tài)最適宜區(qū), 為釀酒葡萄對區(qū)域優(yōu)勢生態(tài)資源的充分利用提供了依據(jù)。金志鳳等[8]篩選了楊梅種植的氣候區(qū)劃指標(biāo)后, 建立了區(qū)劃指標(biāo)與經(jīng)度、緯度和海拔高度的空間分析模型, 為區(qū)域特色作物的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。車秀芬等[9]、Qiu等[10]對比了氣候變化下海南島香蕉種植氣候適宜性, 得出了各要素和氣候適宜性的空間變化圖, 為香蕉的種植合理布局提供了決策支持。何鵬等[11]、莫建國等[12]、屈振江等[13]分析了四川省主要獼猴桃產(chǎn)區(qū)氣候特點和影響獼猴桃生長的關(guān)鍵氣象因子, 劃分了四川省獼猴桃種植的氣候適宜區(qū), 為確定獼猴桃限制生長的關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境因子指明了方向。此外, 田家碩等[14]、Putinicǎ等[15]建立了適宜性評價的技術(shù)路線和方法, 評價了核桃的適宜性分布, 明確了最適宜區(qū)的比例, 并驗證了研究結(jié)果與實際生長狀況的吻合度。董光等[16]、Peng等[17]結(jié)合了MaxEnt生態(tài)位模型和GIS技術(shù), 劃分了桔梗在全國范圍內(nèi)的生態(tài)適宜性區(qū)域, 確立了桔梗適宜區(qū)面積和規(guī)?；斯ぴ耘嗟暮侠韰^(qū)域, 也確定了桔梗生長的影響因子閾值, 驗證了模型精度。上述研究均具有一定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性, 而且證實了GIS技術(shù)省時省力, 具有在各類果樹適宜性分布研究方面的理論和實踐可行性。

目前, 關(guān)于紅棗的適宜性分布研究主要基于氣候因子[18–21]、水分因子[22]、立地條件[23]和坡度地貌[24]等方面, 但是關(guān)于結(jié)合地形、氣候、土壤和植被四種環(huán)境因子的紅棗生態(tài)適宜性分布及其驅(qū)動機制的研究很少。作為黃土丘陵溝壑區(qū)紅棗產(chǎn)地的代表種植區(qū), 陜北地區(qū)紅棗產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢突出、特色鮮明、市場前景廣闊。但是, 該地區(qū)地形復(fù)雜, 傳統(tǒng)的調(diào)查方法難以準(zhǔn)確得到其分布范圍。因此, 本研究選取適宜陜北地區(qū)紅棗生長的生態(tài)環(huán)境因子(地形、氣候、土壤、植被), 采用遙感矢量數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)建陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性分布指標(biāo)體系, 確定紅棗生態(tài)適宜性分布區(qū)域等級、范圍及面積。同時, 結(jié)合GPS定位儀野外實地調(diào)查采樣, 驗證模型精度, 確保研究結(jié)果準(zhǔn)確性。項目研究旨在合理科學(xué)的反映陜北地區(qū)紅棗分布狀況, 為栽培種植和保護(hù)陜北紅棗資源提供理論依據(jù)。同時, 為擴大當(dāng)?shù)丶t棗規(guī)模化人工栽培面積, 促進(jìn)區(qū)域紅棗科技示范基地和園區(qū)建設(shè), 發(fā)展地方優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟鏈, 促進(jìn)陜北地區(qū)紅棗產(chǎn)業(yè)高效、健康發(fā)展指明方向。

1 研究區(qū)概況

陜北地區(qū)位于黃土高原中部, 地處35°02′ N—39°35′ N, 107°15′ E—110°15′ E, 總面積92 521.4 km2, 主要包括延安市和榆林市(圖1), 處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候向溫帶半干旱氣候的過渡地區(qū), 年平均氣溫8 ℃—12 ℃, 年平均降水量約350—600 mm。土壤以栗鈣土、黃綿土為主。氣候干燥、光照充足, 而且晝夜溫差大, 非常適合紅棗生長發(fā)育, 因此是我國優(yōu)質(zhì)紅棗主要分布地和重要產(chǎn)區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)主要有DEM數(shù)據(jù)、研究區(qū)縣級行政矢量邊界、氣象柵格數(shù)據(jù)(年平均氣溫、年降水量、積溫≥10 ℃)、研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。其中, DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于USGS; 研究區(qū)縣級行政矢量邊界來源于地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng); 氣象柵格數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及陜西省土地利用矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/); 手持GPS野外實地調(diào)研采樣數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 適宜性環(huán)境因子選取

陜北紅棗的分布主要受到地形、氣候、土壤、植被、水文等因素的影響[25]。本研究結(jié)合川牛膝的生長特性和文獻(xiàn)資料, 選取直接影響陜北紅棗生長的地形、氣候、土壤、植被4個評價指標(biāo)作為劃分依據(jù)。其中, 地形顯著影響陜北紅棗的生長和分布。本文依照文獻(xiàn)[25–26], 將適宜紅棗生長的海拔定為730—1100 m, 陽坡定為東南、南、西南方向。另外, 由于我國政府要求坡度大于25°的土地不得發(fā)展種植業(yè), 鑒于考慮到發(fā)展紅棗規(guī)?；斯しN植, 本文將適宜坡度定為緩坡(0—25°)[27]。氣候是紅棗生長發(fā)育的保障。依據(jù)文獻(xiàn)記錄[25], 將適合紅棗生長的年均氣溫定為9.6 ℃—11.1 ℃, ≥10 ℃積溫定為3000 ℃—3200 ℃, 年降水量定為430—580 mm。陜北紅棗對土壤的適應(yīng)能力強。根據(jù)陜北棗區(qū)的土壤類型及相關(guān)文獻(xiàn)報道, 確定黃綿土、黑壚土及灰鈣土均適應(yīng)于陜北紅棗生長[28]。此外, 基于文獻(xiàn)記載, 灌木地、林地以及草地均適于紅棗生長?？紤]到陜北地區(qū)近年來退耕還林(還草)生態(tài)保護(hù)工程的實施, 需要持續(xù)保護(hù)草地生態(tài), 因此確定陜北紅棗適合生長的地理類別為該區(qū)域溫帶落葉闊葉林[21]。

圖1 研究區(qū)位置

Figure 1 Location of the study area

2.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用ArcGIS10.6軟件的resample工具, 將獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為30 m分辨率。然后利用陜北地區(qū)的縣級行政矢量邊界圖對重采樣的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪, 依次得到陜北地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)、氣象柵格數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)及土壤類型數(shù)據(jù)柵格圖。

2.2.3 環(huán)境因子提取

通過ArcGIS10.6軟件的空間分析工具(Spatial Analyst)提取紅棗適宜性環(huán)境因子, 分別從獲得的陜北地區(qū)DEM圖上提取適宜高程、坡度及坡向數(shù)據(jù)。氣象柵格數(shù)據(jù)上提取適宜年平均氣溫、年降水量及積溫≥10 ℃。從陜北地區(qū)土壤數(shù)據(jù)提取適宜土壤柵格數(shù)據(jù), 從土地利用數(shù)據(jù)提取適宜的林地信息。

由于本次研究選取的適宜性指標(biāo)量綱不同, 無法直接進(jìn)行陜北地區(qū)紅棗分布適宜性指數(shù)的計算。因此選取極差法分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 將各個環(huán)境因子值域確定為[0-1], 具體公式如下:

正相關(guān)指標(biāo):

式(1)中,a代表經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后第個單元的第個指標(biāo)的值;x代表第個單元的第個指標(biāo)的原始值;x代表第個單元的第個指標(biāo)的最大值;x代表第個單元的第個指標(biāo)的最小值。

2.2.4 空間疊加分析

利用ArcGIS10.6軟件的柵格計算器工具(Raster Calculator)對提取的10個環(huán)境因子進(jìn)行空間疊加分析, 得出適宜性數(shù)S。本次研究通過確定各環(huán)境因子的權(quán)重, 對計算結(jié)果進(jìn)行等級劃分[29], 即適宜區(qū)(S≥90%)、次適宜區(qū)(90%>S≥80%)、一般區(qū)(80%>S≥70%)及非適宜區(qū)(S<70%)。尋找陜北地區(qū)紅棗生長適宜區(qū)分布, 同時剔除適宜區(qū)范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地、水域及未利用地, 最后對適宜區(qū)的面積進(jìn)行統(tǒng)計。

2.2.5 適宜性環(huán)境因子權(quán)重確定

采用層次分析法將影響陜北紅棗生態(tài)適宜性分布的環(huán)境因子按順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu), 采用1—9標(biāo)度評分標(biāo)準(zhǔn)賦值建立判斷矩陣, 求出其最大特征值, 及其所對應(yīng)的特征向量, 再經(jīng)過歸一化處理得到各個指標(biāo)的權(quán)重。最終對矩陣進(jìn)行一致性檢驗。由此得出各環(huán)境因子權(quán)重(表1)。本文中, CR(一致性比率) ≤0.1, 說明判斷矩陣一致性好, 所得的指標(biāo)權(quán)重是可以接受。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響陜北紅棗生態(tài)適宜性分布的環(huán)境因子分析

利用ArcGIS10.6, 從本文獲取的地形、氣候、土壤及植被因子中提取出適宜陜北紅棗生長的高程范圍、坡向范圍和坡度范圍、年均氣溫范圍、≥10 ℃積溫范圍及年降水量范圍。同時, 從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取土壤類型柵格數(shù)據(jù)和陜西省土地利用數(shù)據(jù)中, 利用ArcGIS10.6, 提取適宜陜北紅棗生長的幾種土壤類型數(shù)據(jù)和林帶、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、水域、未利用地等信息(圖2)。根據(jù)表1中各個環(huán)境因子的權(quán)重大小可知, 各環(huán)境因子對陜北紅棗的綜合評估順序為年均降雨量>≥10 ℃積溫>海拔>其他。說明陜北紅棗生態(tài)適宜性空間分布應(yīng)首先考慮氣候因子和地形因子。由圖2可知, 適宜年均降雨量分布在陜北中南部地區(qū)。適宜年積溫分布在陜北南部, 主要以富縣為中心向周邊散狀線式擴張。適宜海拔分布在陜北沿黃河西岸諸縣。

3.2 陜北紅棗生態(tài)適宜性分布等級劃分

分析圖3可知, 紅棗生長最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積小, 均分布在陜北南部區(qū)域, 主要以富縣為代表; 一般適宜區(qū)面積顯著大于最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū), 分布在陜北中南部沿黃河西岸區(qū)域, 主要以綏德縣、清澗縣、延川縣及延長縣為代表。進(jìn)一步統(tǒng)計可知, 陜北地區(qū)紅棗生長最優(yōu)適宜區(qū)、次適宜區(qū)、一般適宜區(qū)的面積分別為8548.02 hm2、50732.19 hm2、887126.76 hm2。紅棗一般適宜區(qū)面積依次是最優(yōu)適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積的104倍和17倍。這充分說明鑒于陜北地區(qū)的地形、氣候、土壤及植被特征等生態(tài)環(huán)境因素所影響, 該地區(qū)紅棗生長主要表現(xiàn)為一般適宜區(qū), 有利于紅棗生長的最優(yōu)生態(tài)適宜區(qū)較少。進(jìn)一步結(jié)合圖2分析可知, 限制紅棗在陜北西北和北部地區(qū)適宜生長發(fā)育的原因主要是溫帶落葉闊葉林帶的缺失, 年均溫、年積溫、年降雨量及高程的不適宜性。

表1 紅棗適宜性分布評估因子權(quán)重

注: CI和RI表示一致性檢驗指標(biāo); CR表示隨機一致性比率; CR<0.1, 說明層次總排序通過一致性檢驗。

圖2 影響陜北紅棗生態(tài)適宜性分布的適宜環(huán)境因子分布特征

Figure 2 The distribution characteristics of suitable environmental factors influencing the ecological suitability distribution of red jujube in northern Shaanxi

圖3 陜北紅棗生態(tài)適宜性等級劃分(圖3A表示紅棗生態(tài)適宜性總體分布格局; 圖3B、圖3C及圖3D分別表示紅棗優(yōu)適宜區(qū)、次適宜區(qū)及一般適宜區(qū))

Figure 3 Classification of ecological suitability of red jujube in northern Shaanxi (Figure 3A represents the overall distribution pattern of ecological suitability of red jujube. Figure 3B, 3C and 3D represent the optimal, sub-optimal, as well as general appropriate zones of red jujube, respectively)

3.3 陜北紅棗生態(tài)適宜性分布面積特征

由圖4A可知, 整體性來看, 紅棗總適宜區(qū)(包括最優(yōu)適宜區(qū)、次適宜區(qū)及一般適宜區(qū))主要分布在宜川縣、寶塔區(qū)及富縣。大小次序為宜川縣>寶塔區(qū)>富縣, 且顯著大于其他區(qū)縣。說明宜川縣、寶塔區(qū)及富縣相比其他區(qū)縣, 是極有利于陜北紅棗生態(tài)生長的區(qū)域。從不同適宜區(qū)等級劃分看, 首先, 紅棗最佳適宜區(qū)和次適宜區(qū)均主要集中于富縣、黃龍縣、甘泉縣及宜川縣, 且以富縣面積最為顯著。進(jìn)一步統(tǒng)計可得, 富縣中紅棗最佳適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積分別達(dá)到5036.58 hm2、23114.25 hm2, 分別達(dá)到陜北地區(qū)紅棗最佳適宜區(qū)和次適宜區(qū)總面積的58.92%、45.56%(圖4B、圖4C)。這充分說明, 陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性生長的最佳區(qū)域為富縣, 其次為黃龍縣、甘泉縣和宜川縣。其次, 由圖4D可知, 紅棗生長的一般適宜區(qū)的優(yōu)略次序為延長(121809.78 hm2)>綏德(116037.00 hm2)>清澗(110462.22 hm2)>延川(102105.99 hm2)>宜川(99577.44 hm2)>子洲(77638.41 hm2)>寶塔區(qū)(75665.61 hm2)>其他。上述區(qū)縣的適宜區(qū)面積總和占比一般適宜區(qū)總面積的79.28%。說明, 陜北地區(qū)紅棗一般生態(tài)適宜性生長區(qū)域主要集中于延長縣、綏德縣、清澗縣、延川縣、宜川縣、子洲縣及寶塔區(qū)。

3.4 結(jié)果驗證

野外實地調(diào)研是對該文結(jié)果準(zhǔn)確性的有力驗證。因此, 本文通過對本文得出的陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜區(qū)(最優(yōu)適宜區(qū)、次適宜區(qū)、一般適宜區(qū))進(jìn)行實地考察(圖 5)。本次陜北地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性分布通過利用手持 GPS 進(jìn)行精確定位和樣地數(shù)據(jù)采集, 主要通過觀測實地樣地紅棗實際種植規(guī)模和生長狀況驗證研究結(jié)果。通過GIS OFFICE 將野外測量所采集到的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入 ArcGIS10.6 中, 發(fā)現(xiàn)所選取的區(qū)域與通過 ArcGIS 軟件分析所得的適宜分布范圍結(jié)果基本一致。富縣棗樹的生長態(tài)勢最好, 體積高大、葉綠叢生, 其次為甘泉。但是, 該兩縣的棗樹呈現(xiàn)明顯的分散態(tài)勢, 棗樹種植密度小, 并沒有形成規(guī)模。延長縣、清澗縣以及延川縣棗樹整體的生長狀況一般, 棗樹體積和葉片面積較小。但是該三縣棗樹實際種植面積和種植密度明顯大于富縣和甘泉縣。這種不同區(qū)縣棗樹之間的差異也很有可能與當(dāng)?shù)氐墓芾泶胧┯嘘P(guān), 但是能夠在很大程度上從側(cè)面進(jìn)一步證實本文結(jié)果的精確性。目前, 陜北紅棗主要著重在延長縣、清澗縣、延川縣、清澗縣及綏德縣等一般適宜區(qū)穩(wěn)步種植, 而忽略了富縣、甘泉等優(yōu)適宜區(qū)。因此, 由此驗證結(jié)果更加充分說明, 在陜北地區(qū), 紅棗產(chǎn)業(yè)需要在優(yōu)適宜區(qū)和一般適宜區(qū)均衡種植、發(fā)展。

圖4 紅棗生態(tài)適宜性空間分布面積(圖4A、圖4B、圖4C及圖4D分別表示紅棗總適宜區(qū)面積、最佳適宜區(qū)面積、次適宜區(qū)面積及一般適宜區(qū)面積)

Figure 4 The spatial distribution area of ecological suitability of red jujube (Figure 4A, 4B, 4C and 4D represent the total area, the optimal area, the secondary area and the general area of red jujube, respectively)

圖5 紅棗生態(tài)適宜區(qū)野外調(diào)查

Figure 5 Field survey of ecological suitable area of red jujube

4 討論

陜北黃土高原丘陵棗區(qū)光照充足, 氣候偏涼, 年降水少, 是我國主要的紅棗適生區(qū)之一。近年來, 隨著陜北紅棗產(chǎn)業(yè)的規(guī)模發(fā)展, 陜北紅棗種植面積不斷擴大, 紅棗生態(tài)適宜性空間分布評估及探究顯得尤為重要。綜合近幾十年陜北紅棗種植區(qū)氣候變化特征及其對物候期的影響, 陜北紅棗種植區(qū)氣候資源總體適宜紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展[30]。紅棗的生長發(fā)育對氣候條件變化非常敏感。尤其強降雨量會對紅棗品質(zhì)及產(chǎn)量均產(chǎn)生較大的影響[30]。本文通過層次分析法也得出, 在陜北紅棗生態(tài)適宜性空間分布評估中, 年降雨量是首先需要考慮的環(huán)境因子, 且適宜年均降雨量分布在陜北中南部地區(qū)。其次為年積溫和海拔。

利用年均溫、年降雨量、年積溫及年日照時數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行陜北紅棗氣候區(qū)劃, 紅棗優(yōu)生區(qū)從陜北東部向西區(qū)劃類型由適宜區(qū)向次適宜、不適宜逐漸過渡, 熱量不足是限制陜北西部紅棗發(fā)展的主要因子[18]。適宜區(qū)主要分布在宜川中東部、延長、延川、清澗、綏德、吳堡、佳縣東部、神木東部、府谷東部, 延安部分地區(qū)、子長東南部、子洲部分地區(qū)等。主要原因是該地區(qū)降雨量氣溫適中且光照充足, 有利于紅棗的生長和產(chǎn)量品質(zhì)形成。在該研究的基礎(chǔ)上, 我們兼顧考慮了適宜地形、氣候、土壤及植被因子, 結(jié)合遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)精準(zhǔn)綜合區(qū)劃了陜北紅棗生態(tài)適宜性空間分布特征后發(fā)現(xiàn), 紅棗生長最優(yōu)生態(tài)適宜區(qū)較少, 分布在陜北南部地區(qū), 主要集中于富縣、黃龍縣、甘泉縣及宜川縣。其中, 最佳適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積在富縣分別達(dá)到5036.58 hm2、23114.25 hm2, 是該地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性分布的最優(yōu)區(qū)域。一般適宜區(qū)大, 面積達(dá)887126.76 hm2, 分布在陜北中南部沿黃河西岸區(qū)域, 主要集中于延長縣、綏德縣、清澗縣、延川縣、宜川縣、子洲縣及寶塔區(qū)。因此, 一般適宜區(qū)是陜北紅棗生態(tài)適宜性分布的最主要的表現(xiàn)形式。綜合不同生態(tài)適宜區(qū)(包括最優(yōu)適宜區(qū)、次適宜區(qū)及一般適宜區(qū))發(fā)現(xiàn), 宜川縣、寶塔區(qū)及富縣, 顯著大于其他區(qū)縣, 是極有利于陜北紅棗生態(tài)生長的的區(qū)域。和前者研究結(jié)果中適宜區(qū)表現(xiàn)不同主要是因為區(qū)劃方法和評估環(huán)境因子的差異所導(dǎo)致。郭兆夏主要采用評分函數(shù)結(jié)合氣候因子得出綜合區(qū)劃等級。我們是通過對諸多環(huán)境因子的空間疊加得到的適宜性指數(shù)等級區(qū)劃。雖然方法不同, 但是整體性結(jié)果是相近的, 即陜北中南部沿黃河諸縣均為紅棗適宜性生長的區(qū)域。最終通過野外實地驗證, 陜北生態(tài)適宜性分布評估結(jié)果精度高, 與實際區(qū)域特征相符。整體來看, 陜北紅棗生態(tài)適宜性分布區(qū)從陜北西南部、東南部向西北和北部地區(qū)遞減。限制紅棗在陜北西北和北部地區(qū)適宜生長發(fā)育的原因主要是溫帶落葉闊葉林帶的缺失, 年均溫、年積溫、年降雨量及高程的不適宜性。

目前, 陜北地區(qū)紅棗產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀主要有: 品種結(jié)構(gòu)單一, 主要以‘木棗’和‘油棗’等傳統(tǒng)制干品種為主, 優(yōu)良品種占比較低; 病蟲危害嚴(yán)重, 紅棗產(chǎn)量和品質(zhì)較低[31]。同時, 由于氣候變化和育種技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步, 區(qū)域特色作物的適宜種植范圍在不斷擴大。因此, 在紅棗產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；N植過程中, 應(yīng)充分利用陜北地區(qū)不同生態(tài)適宜性等級區(qū)域的特征, 加大推廣、種植力度, 因地適宜, 在生態(tài)適宜區(qū)科學(xué)合理發(fā)展陜北精品紅棗新品種、種植面積, 實現(xiàn)傳統(tǒng)棗業(yè)向現(xiàn)代棗業(yè)的轉(zhuǎn)變。在最優(yōu)適宜區(qū)通過精準(zhǔn)新品種培育種植, 著重提升紅棗品質(zhì)。在一般適宜區(qū)發(fā)展紅棗種植規(guī)模增加紅棗總產(chǎn)量。通過不同生態(tài)適宜性等級區(qū)域的合理利用和開發(fā)為該地區(qū)陜北紅棗的產(chǎn)業(yè)化精準(zhǔn)培育提供科學(xué)依據(jù)。此外, 陜北地區(qū)近年來, 經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)穩(wěn)進(jìn), 生態(tài)型社會形態(tài)穩(wěn)步推進(jìn), 而且我國在“十四五”時期經(jīng)濟社會發(fā)展的主題就是推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展。因此, 在我國和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展條件的要求下, 該地區(qū)需要逐步建立陜北精品紅棗產(chǎn)業(yè)示范園, 通過均衡開展紅棗新技術(shù)研發(fā)示范和科技推廣服務(wù), 實現(xiàn)紅棗優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)種植和產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟一體化可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。同時, 需要持續(xù)關(guān)注限制紅棗在陜北西北部生長的環(huán)境因子變化動態(tài), 為陜北紅棗生態(tài)適宜性分布的驅(qū)動機制探究奠定數(shù)據(jù)支撐, 有利于下一步深入科學(xué)研究。

5 結(jié)論

陜北紅棗生態(tài)適宜性分布存在不同適宜性等級的現(xiàn)象。整體性而言, 該地區(qū)紅棗生態(tài)優(yōu)適宜區(qū)(包括最佳適宜區(qū)、次適宜區(qū)及一般適宜區(qū))表現(xiàn)出自陜北南部及東南部向西北和北部地區(qū)遞減的趨勢, 這主要是因為西北和北部地區(qū)的年降雨量、年均溫、年積溫及高程的不適宜性所導(dǎo)致。

紅棗生長優(yōu)生態(tài)適宜區(qū)較少, 分布在陜北南部地區(qū), 主要集中于富縣、黃龍縣、甘泉縣及宜川縣。其中, 最佳適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積在富縣分別達(dá)到5036.58 hm2、23114.25 hm2, 是該地區(qū)紅棗生態(tài)適宜性分布的最優(yōu)區(qū)域。而一般適宜區(qū)大, 面積達(dá)887126.76 hm2, 分布在陜北中南部沿黃河西岸區(qū)域, 主要集中于延長縣、綏德縣、清澗縣、延川縣、宜川縣、子洲縣及寶塔區(qū)。

針對陜北紅棗品種單一和產(chǎn)量品質(zhì)低的主要現(xiàn)狀, 今后, 在紅棗產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；N植過程中, 最優(yōu)適宜區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)品種培育種植, 著重提升紅棗品質(zhì)。一般適宜區(qū)增加紅棗種植面積, 提高紅棗總產(chǎn)量。通過不同生態(tài)適宜性等級區(qū)域的綜合性均衡、合理開墾種植, 在該地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展條件的要求下, 建立陜北精品紅棗產(chǎn)業(yè)示范園, 逐步實現(xiàn)陜北特色精品紅棗在區(qū)域適宜生長的諸縣均衡發(fā)展, 同步達(dá)到紅棗產(chǎn)業(yè)示范園的規(guī)?；瘧B(tài)勢和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)目標(biāo)。

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Study on spatial distribution pattern of ecological suitability of red jujube in Northern Shaanxi based on GIS

HE Zhaoquan1,*, SHANG Xue1, ZHANG Tonghui2

1. Shaanxi Key Laboratory of Chinese Jujube, College of Life Science, Yan’an University, Yan’an, 716000, China 2. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, 730000, China

Exploring the spatial distribution pattern of the ecological suitability of crop in northern Shaanxihas an important role in understanding the suitable region of crop growth. Jujube in northern Shaanxi, as a special cash crop in this region, its ecological suitability distribution characteristics is still fuzzy. As a result, the weight of the suitable terrain, climate, and soil for growing red jujube as well as vegetation factors were determined by the analytic hierarchy process in our study. The spatial distribution level and area of the ecological suitability of red jujube was determined based on geographic information system (GIS) technology. The results showed that the region with ecological suitability for growing red jujube in northern Shaanxi decreased from south and southeast to northwest and north. The annual rainfall, annual cumulative temperature and elevation were the main environmental factors restricting the suitable growth of red jujube in northwest and northern Shaanxi. The suitable region and sub-suitable region for growing red jujube were mainly concentrated in Fu County, Huanglong County, Ganquan County, and Yichuan County. In Fuxian County, the suitable and sub-suitable areas for growing red jujube were 5,036.58 hm2and 23,114.25 hm2, respectively; these two counties were considered the most suitable for growing red jujube in northern Shaanxi. Regions that were moderately suitable for growing red jujube were mainly concentrated in Yanchang County, Suide County, Qingjian County, Yanchuan County, Yichuan County, Zizhou County, and Baota District. In the future, in order to develop high-quality land for growing red jujube in northern Shaanxi, cultivation should occur in the optimum suitable region to improve the quality of red jujube. In addition, the area in which red jujube is cultivated should be increased in the general suitable region to increase the total production of red jujube.The aim is to provide scientific basis for the optimal production of jujube in this region and to realize the large-scale development of high-quality jujube in northern Shaanxi.

red jujube of northern Shaanxi; GIS; ecological suitability; spatial distribution pattern

何釗全, 尚雪, 張銅會. 基于GIS的陜北紅棗生態(tài)適宜性空間分布格局研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(5): 177–186.

HE Zhaoquan, SHANG Xue, ZHANG Tonghui. Study on spatial distribution pattern of ecological suitability of red jujube in Northern Shaanxi based on GIS[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 177–186.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.022

S157.2

A

1008-8873(2022)05-177-10

2020-09-03;

2020-11-18

國家自然科學(xué)基金項目(41371053, 30972422); 陜西省教育廳重點實驗室項目(20JS150)

何釗全(1990—), 男, 甘肅慶陽人, 博士,講師, 主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究, E-mail: hzq@yau.edu.cn

何釗全