王凌,吴春晓,2*,李响

基于GIS和AHP的山东省苹果种植区适宜性评价

王凌1,吴春晓1,2*,李响1

1. 山东农业大学 资源与环境学院, 山东 泰安 271018 2. 中国农业大学 土地科学与技术学院, 北京 100083

本文探讨了山东省苹果种植区适宜性的空间分布，旨在指导当地因地制宜地发展苹果种植产业。在地理信息系统（GIS）的支持下，通过德尔菲法选取了地形、土壤、气候中的10个因子，利用层次分析法（AHP）得到各个因子的权重并构建评价模型，充分考虑“短板效应”将单因素不适宜区划入综合不适宜区，确定不同区域的适宜程度，实现对山东省苹果种植区适宜性的评价。结果表明，山东省苹果种植的最适宜区和适宜区分别占全省土地面积的38.63%和40.72%，主要集中分布于山东省西北部、西南部和山东丘陵区；较适宜区和不适宜区分别占16.07%和4.58%，主要散布在山东丘陵海拔较高的薄土层地区。研究结果符合山东省苹果种植现状，可为当地苹果种植产业的发展规划提供参考依据。

山东省种植区; 苹果; 适宜性评价

土地适宜性评价用来评定土地对某种特定用途是否适宜及其相应的适宜程度，科学地进行土地适宜性评价有利于实现土地资源的高效利用和合理配置[1,2]。进行苹果种植区适宜性分析，可促进苹果因地制宜种植，并实现质量和产量上的提高。迄今为止，国内外有关作物种植适宜性评价的研究大多偏向于小区域。然而较大范围的种植适宜性研究，便于进行大规模的统筹规划，有利于政府指导农业产业化经营工作。

山东省是中国栽培苹果的主要省份之一，种植历史悠久。苹果种植业已成为省内多地重要产业之一[3,4]。因此明确山东省苹果种植区适宜性分布，能够促进农业产业结构升级，加速经济发展，指导当地政府开展精准扶贫工作[5]。

本文在借鉴前人相关研究的基础上，选取地形、土壤、气候3个对苹果种植影响较大的因子，综合运用层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP），借助GIS平台，确定适宜性评价体系，并按适宜程度划分适宜性等级，为山东省苹果种植的空间布局提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况山东省位于中国东部沿海，介于34°22.9′N-38°24.01′N，114°47.5′E-122°42.3′E之间，总面积15.79万km2，分布有丘陵、平原、山地和盆地四种地形，属暖温带季风气候。为深入实施乡村振兴战略，充分发挥山东省苹果产业传统优势，加快苹果产业改良提质增效，预计2025年全省苹果种植面积稳定在2.67×109m2左右[6]。

1.1.2 数据来源与处理地形数据：来自SRTM（Shuttle Radar Topography Mission），由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量的90 m分辨率数字高程模型(DEM)，经镶嵌、校正、裁剪得到山东省全境90 m分辨率DEM，利用ArcGIS地理处理工具，得到坡度、坡向数据。

（1）土壤数据：源自联合国粮农组织（http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/）中的世界土壤数据库（HWSD）土壤数据集(v1.2) Harmonized World Soil Database v 1.2。利用ArcGIS将矢量数据转化为栅格数据，得到土壤类型、土壤PH值、土壤有机质含量900 m分辨率的栅格图。

图 1 气象站点图

（2）气象数据：来自于中国气象数据网（http://cnma.gov.cn）山东省及其周围地市共70个气象站点（图1）2008-2017年共10年的4～9月逐日日照时数，7～9月逐日降水量，7～10月逐日平均气温、最低气温、最高气温。将逐日日照时数累积得4～9月累积日照时数，逐日降水量累积得7～9月累积降水量,逐日气温日较差为当日最高气温与最低气温的差值，年气温日较差为逐日气温日较差的平均，有效积温为4～10月逐日平均气温≥10 ℃的累积值，取10年平均。前三项用克里金插值生成500 m分辨率的栅格数据，有效积温使用以经度、纬度和海拔为自变量的多元逐步回归法（2=0.8939）插值生成500 m分辨率的栅格数据。

1.2 方法

本文技术路线如图2所示，包括AHP模型的构建、隶属度分析、GIS分析等[7]。

图 2 技术路线

1.3 评价因子体系模型的构建

本文从山东省实地状况及相关资料[8,9]等出发，利用德尔菲法从地形、土壤、气候三个方面选取了共10个对苹果种植密切相关的因子[3]进行定性和定量分析，包括海拔、坡度、坡向、土壤类型、土壤pH、土壤肥力、4～9月日照时数、7～9月降水量、7～10月平均气温日较差、4～10月≥10 ℃有效积温，如图3所示。

图 3 山东省苹果种植区适宜性评价因子体系模型

1.4 适宜性范围的确定

通过相关资料[10-14]和山东省苹果产地的地形、土壤、气候条件，确定不同适宜性程度（最适宜、适宜、较适宜和不适宜[15-17]）的因子层范围（表1）[3,18]。

表 1 适宜性范围及其选取依据

1.5 评价矩阵的建立和检验

利用AHP模型和德尔菲法[19]，对每一层次的因子进行两两比对，确定其对目标的影响程度，得到判断矩阵（表2）[20]。在MATLAB中，求出判断矩阵的最大特征值max所在的特征向量。一致性指标通过公式（1）计算得出，其中为判断矩阵阶数。

因为的大小决定了判断矩阵是否一致，因此引入随机一致性指标[21](表3)检验判断矩阵是否具有满意的一致性。一致性比率由公式（2）计算得出[22]。

一般认为，<0.1时判断矩阵的不一致程度在容许范围之内，通过一致性检验。此时判断矩阵的特征向量为指标权重，否则就要调整影响程度，重新构造判断矩阵，直到满足<0.1(表3)。

表 2 评价因子的判断矩阵

表 3 随机一致性指标RI和一致性分析

1.6 评价模型的确定

本文根据表2中评价因子及其权重，采用加权平均的方法，得到影响因子的综合评价模型：

式中，为适宜性，C为第个影响因子的分值，W为第个影响因子的权重，为影响因子总个数[23,24]。

1.7 评价结果分级

根据评价结果所得适宜性指标的取值，划分相应的适宜性等级，如表4所示[25]。

表 4 适宜性等级范围

需要说明的是，根据木桶效应，处于劣势的因素往往起到决定性作用。同样地，如果影响苹果生长的单个因素适宜性低，则必将成为苹果种植的限制性因子。因此本研究将准则层中的不适宜区直接划入综合适宜性评价中的不适宜区，不再参与综合适宜性计算。

2 结果与分析

2.1 地形适宜性

利用海拔、坡度、坡向三个因子进行的地形适宜性评价分布结果和各等级所占比例分别由图4(a)和图6所示。

山东省82.91%的土地面积为最适宜区，约129 172.30 km2，主要集中于西北部、西南部、中东部地区，大部分最适宜区以平原和丘陵为主，坡度及海拔非常适宜，中部和南部为突起的鲁中南山地丘陵区，东部是起伏和缓的波状丘陵区，西部和北部为平原区。适宜区约24 146.37 km2，主要分布于中部以及沿海岸线部分地区，大部分以平原为主，占山东省土地面积的15.50%。较适宜区约1 691.58 km2，零散分布在中部、东南沿海等地区，占山东省土地面积的1.08%。不适宜区主要集中于泰安市部分地势偏高的地区，约789.75 km2，占山东省土地面积的0.51%。

2.2 土壤适宜性

山东省土壤类型较丰富，不同的土壤类型其性质有很大差异。本文从土壤类型、PH和有机质方面进行的土壤适宜性评价结果（图4(b)）表明，其与土壤类型有着很大的关联，各等级所占比例由图6所示。

山东省西北部和西南部有大片最适宜区，约48 091.72 km2，占山东省总面积的30.87%，山东省的土地类型中，潮土所占面积最大，占山东省总面积的38.53%，主要分布于鲁西北黄泛平原区，与研究所得最适宜区基本吻合。适宜区约30 512.18km2，占山东省土地面积的19.58%，大部分地区有褐土分布，褐土占全省总面积的14.66%，主要集中于鲁中南低山丘陵部分。较适宜区约75 209.25 km2，占山东省土地面积的48.27%，主要分布于山东省中部一些土层较薄和北部盐碱土地带，盐碱土占全省土地总面积的3.1%，主要集中于鲁北沿海地区及鲁南低洼地带，由于滨州市北部和东营市的绝大部分地区有盐碱地存在，所以不太适宜苹果生长。不适宜区主要分布于土壤盐渍化严重的沿海地区及中部丘陵土层浅薄、海拔较高的地区，约1 986.85 km2，占山东省土地面积的1.28%。

2.3 气候适宜性

利用4～9月日照时数、7～9月降水量、7～10月平均气温日较差、4～10月≥10 ℃有效积温所进行的气候适宜性评价结果和各等级所占比例分别由图4(c)和图6所示。山东省在温带季风气候的影响下，整体上是对苹果生长有利的[19]。

最适宜区约31 676.50 km2，主要分布在山东省西北部、东北部分沿海区域以及中南部等地区，占山东省土地面积的20.33%。适宜区所占面积最大，约122 582.80 km2，占山东省土地面积的78.68%。较适宜区面积最小，约758.25 km2，主要分布在中部、东南沿海的部分区域，约占山东省土地面积的0.49%。不适宜区约782.45km2，占山东省土地面积的0.50%。

图 4 山东省苹果种植区单因子适宜性等级分布图

2.4 综合适宜性

山东省苹果种植区综合适宜性分布及所占比例分别由图5和图6表示。最适宜区主要集中于西北部、西南部、中北部以及东北沿海等地区，约60 183.56 km2，占山东省土地面积的38.63%，以平原为主的菏泽市、滨州市、德州市虽水系发达，有充足的灌溉资源，但山东省大部分平原地区并没有大面积种植苹果，因为作为粮食主产区的大部分平原地区受国家政策的影响被划入18亿亩耕地红线中，且相较于粮食作物，苹果生产农业机械化程度较低，人力成本相对较高。适宜区占据着山东省大部分区域，主要分布在丘陵地区居多的山东半岛及中部和南部大部分区域，约63 436.16 km2，占山东省土地面积的40.72%，山东省拥有着大面积的丘陵地区，并且其四季分明，季风性显著的气候类型以及潮土广泛分布的自然条件是苹果生长需求的关键，烟台市是中国苹果种植培育最早的地区，种植历史悠久，品种优良，其中烟台栖霞市苹果最适宜和适宜种植面积仅占栖霞市总面积的23.04%，但其充分利用了有限的最佳种植区域，结合先进的种植管理技术，使栖霞市成为山东省优质苹果主产区之一[3]。较适宜区约25 046.02 km2，占山东省土地面积的16.07%，主要分散在泰安市、济南市等地势较陡，土层较薄，不利于苹果树扎根的部分地区。不适宜区相对较少，零散分布在泰安市海拔较高的地区及滨州市、东营市、潍坊市等一些土壤盐渍化较严重的沿海滩涂地区，约7 134.26 km2，占山东省土地面积的4.58%。

图 5 山东省苹果种植区综合适宜性等级分布图

图 6 地形、土壤、气候和综合适宜性等级分布比例

3 结论与讨论

3.1 结论

本文综合运用GIS和AHP得到的评价结果符合山东省苹果种植现状，得出以下结论：

（1）山东省绝大部分地区进行苹果种植的适宜性程度较高，最适宜区和适宜区分别占全省总陆域面积的38.63%和40.72%。

（2）山东省苹果种植区适宜性与当地地形、土壤、气候紧密相关，最适宜区和适宜区主要分布在起伏和缓的丘陵地区、土层深厚的潮土地带以及有充足灌溉资源的地区。较适宜区和不适宜区主要分布在地势过高、土壤肥力水平较低、水资源不充足的地区。

研究表明最适宜区以及适宜区的分布与山东省主要苹果产区一致，集中于胶东半岛、泰沂山区、胶潍平原区、鲁中山丘区、鲁西南平洼区和鲁西北平原区六大地区，与王金政在2017年的山东省苹果种植现状研究结果基本吻合[26]，说明本文的研究方法合理可行，可实现不同地区苹果种植适宜性程度的准确定位预测。

3.2 讨论

本文在前人传统适宜性评价的基础上，结合当地实际情况，充分考虑到“短板”对苹果种植产业的影响，选择将单因子的不适宜区看作综合不适宜区，并且利用AHP和MATLAB中的数学方法确定评价因子的权重，避免了人为赋值主观性带来的误差，更具有现实指导意义。

由于省内气象站数据较少，在空间插值过程中可能存在小范围的误差。另外，影响苹果生长的因素很多，本研究选取了苹果种植过程中的主导因素（地形、土壤和气候），可能考虑不够全面，后续研究中需进一步探讨因素间的相互联系。

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Suitability Evaluation of Apple Planting Area in Shandong Province Based on GIS and AHP

WANG Ling1, WU Chun-xiao1,2*, LI Xiang1

1.271018,2.100083,

In this paper, the spatial distribution of the suitability of apple planting areas in Shandong Province was discussed in order to guide the development of apple planting according to local conditions. With the support of Geographic Information System (GIS), 10 factors were selected from terrain, soil, and climate by Delphi method. The Analytic Hierarchy Process (AHP) were used to get the weight of each factor and build the evaluation model.The "short board effect" was fully considered to divide single-factor unsuitable areas into comprehensively unsuitable areas, and the suitability levels of different regions were determined for apple planting areas in Shandong Province. The results showed that the area proportions of the most suitable areas and suitable areas for the apple planting in Shandong were 38.63% and 40.72%, mainly distributed in the northwest, southwest and hilly areas; those of less suitable areas and unsuitable areas were 16.07% and 4.58%, which mainly distributed in the thin soil layer area with high elevation on the hills. The results are consistent with the current situation of apple planting in Shandong Province, and could provide a reference for the development of local apple planting.

Planting Area in Shandong Province; apple; suitability evaluation

S17/S661.1

A

1000-2324(2022)04-0531-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.005

2022-03-05

2022-04-07

国家自然科学基金(42171378,41877003);“双一流”奖补资金(SYL2017XTTD02)

王凌(1975-),女,博士,副教授,研究方向:土地资源与信息技术. E-mail:lingwang@sdau.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:cxwu99@cau.edu.cn