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        綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃分析

        2023-06-29 01:17:14張濤柳錦寶楊翔
        熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年4期
        關(guān)鍵詞:綿陽市區(qū)劃權(quán)重

        張濤 柳錦寶 楊翔

        (成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 四川成都 610225)

        我國是農(nóng)業(yè)大國,糧食產(chǎn)量一直位居全世界前列,水稻是我國賴以生存的主要糧食作物之一,約占我國糧食總產(chǎn)量的1/2。同時(shí),我國也是糧食消費(fèi)大國,以大米作為主食,水稻的產(chǎn)量直接影響大米產(chǎn)量。近幾年我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高,人們對(duì)物質(zhì)生活的需求也越來越高,對(duì)糧食需求量日益增加,糧食產(chǎn)量能否滿足人們需求直接影響人們的生活水平和幸福感。

        近幾年,全球氣候變暖、自然災(zāi)害頻發(fā),全球生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、自然資源開發(fā)和利用發(fā)生了重大變革。在自然資源結(jié)構(gòu)變化背景下,我國種植環(huán)境惡化,極端氣象、地質(zhì)等災(zāi)害加劇,水稻種植區(qū)域不斷變化,需要不斷根據(jù)自然資源做出相應(yīng)的調(diào)整。建立準(zhǔn)確、有效的水稻種植區(qū)劃模型對(duì)提升水稻產(chǎn)量、改善人類生活質(zhì)量有重要意義。

        國內(nèi)外對(duì)水稻種植區(qū)劃研究方法多種多樣,最早是從氣候角度出發(fā),研究氣候和水稻生長之間的關(guān)系,后來加入土壤等因子綜合研究種植區(qū)劃適宜性模型。王德燕等[1]基于天長市氣候資源,通過分析生長季不同時(shí)期氣溫、積溫、降水等氣候因子對(duì)水稻生長影響的上下限,針對(duì)各個(gè)因子建立不同的適應(yīng)度模型。蔣茜等[2]研究顯示,影響水稻區(qū)劃評(píng)價(jià)的因素不僅僅只局限于氣候因子,地形因子和土壤因子對(duì)水稻生長的評(píng)價(jià)也有重要影響;同時(shí)使用主成分分析法篩選各個(gè)因子并確定權(quán)重,采用GridMet 模型進(jìn)行空間建模和ArcGIS 的疊置分析,計(jì)算出水稻適宜性區(qū)劃。

        四川省綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為14.7~17.3℃,降水量比較充沛,年均降水量825.8~1 417 mm。水稻作為綿陽市的主要糧食作物,以單季稻為主。近20 年來,綿陽市水稻種植面積一直維持在12 萬~13 萬hm2,種植面積和產(chǎn)量沒有明顯的提升。隨著農(nóng)業(yè)氣候資源、土地資源、地形資源和技術(shù)條件不斷改變,充分利用自然條件擴(kuò)大種植面積和提高水稻產(chǎn)量、合理規(guī)劃水稻種植區(qū)劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        層次分析法(AHP)是20 世紀(jì)70 年代由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty 提出,是對(duì)方案的多指標(biāo)進(jìn)行分析的一種層次化、結(jié)構(gòu)化的決策方法及定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)分析方法,常用于解決多要素、多目標(biāo)、多層次等復(fù)雜問題。本文以層次分析法對(duì)綿陽市水稻種植適應(yīng)性區(qū)劃進(jìn)行建模研究,分析其水稻種植適應(yīng)性。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        氣象資料來源于四川省1981—2021 年的165個(gè)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù),包括日平均氣溫、日平均日照時(shí)數(shù)、日平均相對(duì)濕度、日降雨量等。地形數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局(NASA)。土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)。

        1.2 方法

        1.2.1 農(nóng)作物生長因子確定前人對(duì)區(qū)劃的研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明,影響農(nóng)作物生長的因子包括氣候因子、地形因子和土壤因子[3-22]。結(jié)合前人對(duì)水稻的研究,本研究選擇的氣候因子為日平均氣溫、≥10℃活動(dòng)積溫、日照時(shí)長、相對(duì)濕度;地形因子選擇為海拔、高程;土壤因子主要為pH。通過上述幾項(xiàng)因子對(duì)綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃進(jìn)行分析。

        1.2.2 技術(shù)路線通過上述選擇的關(guān)鍵因子,將各個(gè)指標(biāo)劃分為:適宜性(2 分)、較適宜性(1分)和不適宜性(0 分)3 個(gè)指標(biāo)等級(jí)并打分;利用層次分析法(AHP)確定各項(xiàng)因子權(quán)重,最后結(jié)合ArcGIS 疊加分析的加權(quán)求和,計(jì)算出最終的區(qū)劃適宜性分布。具體技術(shù)路線如圖1 所示。氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)為“點(diǎn)”數(shù)據(jù),為了滿足區(qū)劃的“面”數(shù)據(jù)分析,需要將“點(diǎn)”數(shù)據(jù)向“面”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。為了準(zhǔn)確反映研究區(qū)的氣候時(shí)空變化特點(diǎn),采用全四川氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,然后提取出研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。

        圖1 綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃技術(shù)路線

        為了計(jì)算各個(gè)因子對(duì)水稻生長的影響,采用層次分析法(AHP)確定各個(gè)指標(biāo)因子權(quán)重,根據(jù)各項(xiàng)因子得分,利用ArcGIS 加權(quán)疊加分析,計(jì)算綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 指標(biāo)因子評(píng)價(jià)體系權(quán)重

        采用層次分析法,對(duì)氣象、地形和土壤指標(biāo)因子進(jìn)行層次劃分,第一層為二級(jí)指標(biāo)因子,第二層為一級(jí)指標(biāo)因子,具體的層次劃分見圖2。

        圖2 層次分析分層圖

        第一層為一級(jí)指標(biāo)因子所含的小類因子(二級(jí)指標(biāo))之間的權(quán)重確定,第二層為一級(jí)指標(biāo)因子之間的權(quán)重確定,目標(biāo)層為確定各個(gè)因子權(quán)重。根據(jù)層次劃分建立判斷矩陣,將矩陣內(nèi)各個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行兩兩比對(duì),并按其重要程度評(píng)定等級(jí)。兩兩指標(biāo)因子重要性比較結(jié)果公式見式(1):

        aij表示判斷矩陣中的第i列第j行指標(biāo)因子值,該值是第j列第i行倒數(shù),即其兩兩的比較結(jié)果。

        根據(jù)上述公式,各層判斷矩陣如表1~3。

        表1 第一層氣候判斷矩陣

        表2 第一層地形判斷矩陣

        計(jì)算各層之間相對(duì)權(quán)重,需要先按列進(jìn)行歸一化處理,公式見式(2):

        Hij為第i列第j行元素值歸一化后結(jié)果值,dij為原值。

        判斷矩陣按行求和,見式(3):

        Hi表示第i行指標(biāo)(同一指標(biāo))之和。

        權(quán)重計(jì)算公式見式(4):

        Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。

        為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn),分別為層次單排序一致性檢驗(yàn)和整個(gè)判斷矩陣一致性驗(yàn)證。

        層次單排序一致性檢驗(yàn)公式見式(5):

        λmax 為最大特征根,n為唯一非零特征根。CI=0,有完全的一致性;CI接近于0,有滿意的一致性;CI越大,不一致性越明顯。

        為衡量CI的大小,引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI,公式見式(6):

        檢驗(yàn)整個(gè)判斷矩陣是否具有滿意的一致性,需要計(jì)算檢驗(yàn)系統(tǒng)CR,見式(7):

        CR<0.1,則表示判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn),該判斷矩陣可用于計(jì)算各指標(biāo)因子的權(quán)重,否則還需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行重新打分比較。

        通過上述計(jì)算公式對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算并校驗(yàn),最終各因子權(quán)重用公式(8)進(jìn)行計(jì)算:

        Pi為對(duì)應(yīng)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重,Wi為對(duì)應(yīng)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重下的二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,Wfi為最終權(quán)重。

        最終指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表4。

        表4 各因子權(quán)重表

        2.2 適宜性區(qū)劃指標(biāo)

        結(jié)合前人研究結(jié)果和研究區(qū)的歷史種植經(jīng)驗(yàn)可知,綿陽以單季稻為主,水稻種植在每年5—10 月,全生育期150~170 d,整個(gè)生長周期分為:幼苗期、返青期、分蘗期、孕穗期、拔節(jié)期、揚(yáng)花灌漿期和成熟期。

        氣候條件方面,水稻在生長過程中最適宜溫度為20~32℃,不能低于12℃和高于38℃;≥10℃活動(dòng)積溫最佳值應(yīng)大于2 600℃,最低生長要求在2 500℃以上;年日照時(shí)數(shù)至少在1 050 h 以上,最適宜日照時(shí)數(shù)應(yīng)大于或等于1 100 h;最佳年降雨量應(yīng)在800~2 000 mm,最低不能少于400 mm,最高不超過2 400 mm;最佳年平均相對(duì)濕潤度在50%~81%,不可低于40%或高于90%[23]。

        地形條件方面,海拔和坡度對(duì)水稻同樣有著重要影響,最佳種植海拔高度應(yīng)在450 m 之下,最高不超過800m;坡度最佳種植范圍應(yīng)在9°及以下,最高應(yīng)不超過20°[23]。

        土壤影響水稻生長的因素主要是pH,最佳土壤pH 應(yīng)在6~7.5,最低為5,最高不超過8.5,這些范圍區(qū)間都能促進(jìn)水稻生長[23]。

        將水稻種植適宜性區(qū)劃劃分為3 個(gè)等級(jí):適宜性、較適宜性和不適宜性。具體區(qū)劃指標(biāo)見表5。

        表5 綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃指標(biāo)

        2.3 水稻種植適宜性區(qū)劃結(jié)果模擬

        2.3.1 基于ArcGIS 構(gòu)建區(qū)劃結(jié)果基于表5 區(qū)劃指標(biāo),利用ArcGIS 的柵格計(jì)算器提供的條件運(yùn)算符,對(duì)不同適宜等級(jí)按照 2 分(適宜性)、1分(較適宜性)和0 分(不適宜)進(jìn)行計(jì)算,得出各個(gè)因子的適應(yīng)區(qū)劃。綜合種植適宜性區(qū)劃,通過ArcGIS 加權(quán)疊加分析計(jì)算,得出綜合適宜性區(qū)劃。

        2.3.2 氣候區(qū)劃結(jié)果氣候數(shù)據(jù)主要基于氣象觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù),為了準(zhǔn)確反映研究區(qū)氣候數(shù)據(jù),采用ArcGIS 反距離插值分析將“點(diǎn)”數(shù)據(jù)向“面”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在氣候方面,綿陽絕大部分地區(qū)非常適合水稻的種植,生長季平均氣溫、≥10℃活動(dòng)積溫、濕度、年降雨量都在適宜范圍內(nèi);而年日照時(shí)數(shù)在綿陽西部北川、安州區(qū)和北川部分地區(qū)不足,對(duì)水稻生長會(huì)產(chǎn)生一定影響。

        2.3.3 地形區(qū)劃結(jié)果在地形條件下,水稻種植適宜性區(qū)劃分析結(jié)果得出,綿陽北部高海拔影響水稻生長,南部海拔較低,剛好屬于水稻種植適宜范圍;由于北部高海拔造成了北部坡度較陡,單純從坡度因子來看,北部同樣不適宜水稻種植。

        2.3.4 土壤區(qū)劃結(jié)果通過分析土壤pH 柵格地圖可知,水稻生長的適宜程度較為離散,但大部分地區(qū)都比較適合水稻種植。

        2.3.5 綜合區(qū)劃結(jié)果基于氣候、地形、土壤的區(qū)劃結(jié)果,利用ArcGIS 按照2.1 節(jié)所建立的權(quán)重以及各項(xiàng)因子的分?jǐn)?shù)對(duì)各項(xiàng)因子進(jìn)行加權(quán)求和,得出的綜合區(qū)劃結(jié)果圖3。綿陽水稻種植綜合區(qū)劃的適應(yīng)性受地形影響較大,北部不適合水稻生長,南部非常適合水稻種植。

        圖3 綜合種植適宜性區(qū)劃圖

        3 討論與結(jié)論

        綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候區(qū),由于受氣候影響,近幾十年來以單季稻為主。本研究利用近30 年綿陽市5—11 月的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合地形和土壤因子,采用層次分析法和疊加分析得到綿陽市水稻種植適宜性區(qū)劃。綿陽南部和東南部無論氣候條件、地形條件,還是土壤條件都有利于水稻的生長,非常適宜種植水稻;西南地區(qū)中部受日照不足影響,屬于較適宜種植水稻;西北地區(qū)受高海拔、陡坡地形影響,不適宜種植水稻。

        本研究的水稻種植適宜性區(qū)劃基于層次分析法,該方法是建立在人類主觀因素之上,通過判斷矩陣和一致性檢驗(yàn),在一定程度上減少了人類主觀因素的影響,雖然該方法是以人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)占主導(dǎo),結(jié)果存在一定誤差,但本研究選用氣候、地形、土壤多源數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,根據(jù)水稻所適宜的依賴性進(jìn)行綜合分析,研究結(jié)果對(duì)今后綿陽市調(diào)整水稻種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化布局、提高資源利用率、生產(chǎn)更多更優(yōu)質(zhì)水稻仍具有參考意義。

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