天水大樱桃生产空间演变与优化研究

王广玉，李富民

（1.甘肃林业职业技术学院环境工程学院，甘肃 天水 741020；2.天水师范学院资源与环境工程学院，甘肃 天水 741000）

21世纪以来，计算机科学得到了快速发展，地理信息科学在农作物空间演化和种植适宜性评价中发挥了巨大的作用。如在农业空间演变研究中，张聪颖、肖智等人应用GIS和重心理论分别研究了中国苹果生产区域[1]和中国茶叶空间演变[2]；朱启荣研究了中国棉花主产区的空间演变[3]；叶志标等研究了小麦空间布局演变[4]等。而在大樱桃研究中，如罗玉恒等从天水地形进行大樱桃种植空间分析[5]；姚小英等人通过建立气候适宜度模型的方式对陇东南旱作区大樱桃的气候适宜性进行了研究[6]；杨杰运用经典统计学方法对西安市灞桥区土壤肥力评价与大樱桃施肥进行了研究[7]；刘庆泰等探讨了温度对大樱桃的影响[8]；郭文利等通过对气候条件进行观测的方式对北京市樱桃沟流域的小气候探析[9]；陈波等人利用传统的平板计数法和现代的T-RFLP技术做了生物有机肥对樱桃生长及根际土壤生物学特征影响的分析[10]。从上述情况可以看出对大樱桃种植的研究多集中于生态气候指标、土壤养分、引种及气候变化对产量、果实品质的影响，而多因子的果树适宜性评价及其空间演变特征及规律研究则相对欠缺。文章基于ArcGIS10.2平台，在大樱桃生产空间演变特征基础上，运用加权叠加法等对气候、土壤养分、立地条件和技术与管理等多重因子对天水市国土空间进行大樱桃种植适宜性评价。通过大樱桃生产演化规律和适宜性评价结果，对天水市未来大樱桃种植布局给予科学指导，为国土空间规划做贡献。

1研究区概况

天水市位于甘肃省东南部，东经104°35′~106°44′、北纬34°05′~35°10′，横跨黄河和长江两大水系，属暖温带半湿润半干旱气候[11]，年均气温11℃，年平均降水量490 mm，自西北向东南逐渐增加。南部年降水量在700~900 mm，中东部降水量约在600 mm以上，而渭河北部地区则不及500 mm。年均日照时数2 100 h，无霜期约185 d。天水境内土层深厚，光照富足，雨水适中，冬无严寒，夏无炎暑，四季分明。且昼夜温差大，光、热、水、气、土等主要自然条件匹配合理，是落叶果树的最适产区。天水市地貌南北分异明显，东南部以山地为主；北部则以黄土丘陵为主；中部经渭河侵蚀堆积形成河谷地貌[12]。耕地土壤以黑垆土、黄绵土为主的耕作土壤，能有效提供大樱桃生长所需要的土壤养分。在天水国土空间范围内，有苹果和大樱桃种植的悠久历史，而且国家颁布的《关中——天水经济区发展规划》《关中——天水城市群发展规划》以及甘肃省政府颁布的《甘肃省主题功能区规划》中，都将天水市规划为特色农产品产区，天水市政府为响应国家号召，制订了大樱桃栽培的科技创新战略，大樱桃成为加快天水市产业转型的重要驱动因子。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

根据天水市大樱桃种植所需条件，选取气候因子、土壤养分条件、立地条件和技术管理条件等4个方面的因素作为评价因子，所收集的数据资料及来源如下。

研究中所需要的气候数据如气温、降水量、光照时数、积温等以及气象灾害数据（如霜冻等）来源于天水市气象局，数据年限为1984年—2018年。其他所需的数据如，1∶5万天水市行政区划图来源于天水市国土资源局；1∶5万天水市土地利用现状图，1∶5万天水市土壤类型图及土壤养分等数据来源于2005年中国科学院生态环境研究中心发布的中国生态系统评估与生态安全数据库数据；天水市数字高程图来源于地理空间数据云（http:∥www.gscloud.cn/），分辩率为30 m；大樱桃种植及相关统计数据来源于天水市农业农村局和天水果业产业化办公室以及天水市各县区农业局，数据年限为1984年—2019年；访谈数据（种植年限、产量、产值等）来源于各大樱桃种植户。

因来源于天水市果业产业化办公室的数据缺乏1984年到2002年大樱桃种植的相关准确数据，所以在本文中，只选取3个节点数据（即1984年、2005年以及2019年）做大樱桃空间演化研究。

2.2 研究方法

2.2.1 叠置法

叠置法，是将具备相同比例尺的图层进行叠加，产生封闭的图斑，该结果将原有的要素分割成新的要素，得到新的图层，该图层综合了原来多层要素所具有的属性。利用叠重法来确定天水市大樱桃栽培的适宜性评价单元。

2.2.2 层次分析法

层次分析法（analytic hierarchy process）是由美国运筹学家T.L.Saaty在20世纪70年代提出的，它是一种集定性和定量于一身的决策分析法。层次分析法的重要理论是根据研究区的实际情况并结合研究对象的生长特性构建层次结构模型[13]，适于研究的层次结构模型见图2。依据层次建构模型、与研究有关的文献资料、各种专著及专家经验通过两两比较的方式来创建判断矩阵并进行一致性检验，一般情况下，一致性检验结果若小于0.1，说明构建的判断矩阵较为合理，其结果可以采纳。

图2 准则层判断 矩阵及权重 Fig.2 The criteria level judgment matrix and weights

（1）和积法。本文采用和积法计算判断矩阵的最大特征根和它所对应的特征向量，计算步骤如下。

2.2.3 重心理论

区域几何重心是区域空间的均衡点，重心的移动能够反映大樱桃种植区的地理空间位置变化。空间重心理论在农业中主要应用于种植业生产布局和重心的演变[1]。在现有资料的基础上，应用空间重心理论和GIS技术，计算大樱桃生产空间的空间重心坐标，绘制空间重心移动轨迹图，结合图分析大樱桃生产空间重心移动距离和移动方向。

3 天水大樱桃生产空间演变及其路径

3.1 天水大樱桃生产空间演变

3.1.1 天水市大樱桃生产空间演化的轨迹

1984年天水市秦州区太京镇马家窑村村民石武魁从大连引进大樱桃树苗开始试种，拉开了天水种植大樱桃的序幕（见图2）。1984年种植面积为0.133 hm2，产量为400 kg，产值为2 000元；到2005年，天水市大樱桃种植区已从一户扩展到以秦州区太京镇为核心的周边乡镇，如中梁、玉泉、皂郊和耤口等（见图3），种植面积达到了881.2 hm2，产量140 t，产值达到了280×104元；截至2019年，经过35年的发展，天水市大樱桃种植空间范围由2005年除了秦岭乡、汪川、大门之外的秦州全区扩展到了麦积区、秦安县、甘谷县、武山县、张家川回族自治县等两区五县（见图4），种植面积扩展至5 800 hm2，产量增长至5×104t，产值超过了10×108元。

图3 气候因子的判断矩阵及权重Fig.3 The climatic factors judgment matrix and weights

图4 土壤养分因子 的判断矩阵及权重 Fig.4 The soil nutrient factors judgment matrix and weights

3.1.2 天水大樱桃生产空间演变路径

图5为35年来天水大樱桃种植演化示意图，由此可见，天水市大樱桃由最初的太京镇向周边乡镇扩展。向北扩展到秦安县，向东扩展到清水、麦积北部，向南扩展到麦积西南部，向西扩展到甘谷县和武山县。呈现出从中心向外围扩展的态势，符合古典农业区位理论的发展模式。

图5 立地条件因子判断矩阵及权重Fig.5 The site condition factors judgment matrix and weights

1984年天水大樱桃面积重心地理坐标是105.547°E，34.560°N，2005年面积重心地理坐标是105.608°E，34.543°N，向东南方向移动了5 899.95 m，2019年天水大樱桃面积重心地理坐标是105.662°E，34.606°N，在2005年的基础上，又向东北方向移动了8 603.65 m；天水大樱桃产值重心从1984年的105.547°E，34.560°N转移至2005年的105.560°E，34.554°N，向东南方向移动了1 380.53 m，截至2019年，大樱桃产值的重心转移至105.767°E，34.594°N，向东北转移了19 470.44 m。

从天水大樱桃面积重心移动（见图6）、产值重心移动（如图7）结合天水大樱桃种植区的扩展规律（见图5），整体表现出1984年—2005年，天水大樱桃呈现出向东南移动趋势，到2019年，呈现出向天水东部、北部和西部扩展趋势。

图6 技术与管理因子 判断矩阵及权重Fig.6 Technology and management factor judgment matrix and weight

图7 适宜性等级分级表Fig.7 Suitability rating scale

3.2 天水大樱桃生产空间适宜性评价

运用GIS空间叠置方法，利用天水市行政区划图、气候条件适宜性评价图、土壤养分条件适宜性评价图、立地条件适宜性评价图、技术与管理条件适宜性图进行叠加（union），形成综合性评价等级图。根据评价结果，划分出大樱桃种植非常适宜、较适宜、一般适宜、不适宜、极不适宜5个等级；再结合大樱桃种植现状，提出相应的优化方案，使大樱桃种植具有科学指导。结合大樱桃的生长特性，研究从气候、土壤养分、立地条件及技术与管理方面所构建的层次结构模型如下。

表1 天水大樱桃种植面积与产值重心移动方向与移动距离Tab.1 Large cherry planting areaand output valuecenter of gravity shift direction and distance

图8 天水市大樱桃土地适宜性评价的层次结构模型Fig.8 Function structure model for land suitability evaluation of cherry in Tianshui

3.2.1 确定参评因子权重

本文选用AHP层次分析法确定权重，依据有关大樱桃种植的各种专著、文献，再加上专家经验和果农多年种植经验，对各个指标两两比较给出数量化的估值，运用数学方法处理后再把最初的计算结果反馈给专家，然后经过专家若干次的修改、确认最后通过一致性检验后形成适用的判断矩阵。

表2 准则层判断矩阵及权重Tab.2 The Criteria Level Judgment Matrix and Weights

表3 气候因子的判断矩阵及权重Tab.3 The Climatic Factors Judgment Matrix and Weights

表4 土壤养分因子的判断矩阵及权重Tab.4 The Soil Nutrient Factors Judgment Matrix and Weights

表5 立地条件因子判断矩阵及权重Tab.5 The Site Condition Factors Judgment Matrix and Weights

表6 技术与管理因子判断矩阵及权重Tab.6 Technology and Management Factor Judgment Matrix and Weight

根据判断矩阵及权重并参照联合国粮食及农业组织（FAO）中指出的土地适宜性评价的方法和原则[14-19]，并把天水市具体的气候、水文、土壤养分环境、地形地形地势以及技术与管理与大樱桃的生长习性结合，确定了评价对象即大樱桃的适宜性等级。

根据上述对评价指标的赋值，利用公式（5）在ArcGIS空间分析功能下栅格计算器中对气候、土壤养分、立地条件和技术与管理进行加权计算[20]，分别得到4个适宜性分布图层（见图9、10、11、12），在准则层适宜性图层的基础上得到目标层适宜性评价的总分值。在加权计算得到的栅格图层基础上，进行重分类，使用自然间距分类法，根据分值变化的剧烈特征找出适宜性划分的界限，进行适宜型等级的划分之后，就得到评价单元的适宜性分布图。将适宜性结果分为五级，分别是：非常适宜、较适宜、一般适宜、不适宜和极不适宜，见图13。

图1 层次结构模型Fig.1 Hierarchy model

表7 适宜性等级分级表Tab.7 Suitability Rating Scale

3.2.2 结果与分析

本次大樱桃土地适宜性评价是在对各个评价因子进行仔细计算、模拟并分析的基础上进行的，各个评价因子的综合状况决定了适宜性评价结果的分布情况。天水大樱桃适宜性评价结果中，天水市中部渭河河谷及其支流浅宽河谷川区、南部浅宽河谷川区为非常适宜区；中部与南部低海拔缓坡区为较适宜区；南部中山与北部河谷缓坡地区为一般适宜区；北部黄土丘陵地区为不适宜区；东北部与西部高山地区为极不适宜区（见图13）。

总体而言，大樱桃在天水市的实际分布情况与本文得到的评价结果相比有很大程度的一致性，天水市适宜种植大樱桃的范围大部分分布在秦州区，其次是麦积区，清水、甘谷和秦安部分地区适宜种植大樱桃，不适宜区主要在西北和东北气候条件、土壤养分条件和立地条件等较差的区域，主要是西秦岭地区和东北的关山地区。

4 优化方案

根据大樱桃生产空间演变的研究结果和适宜性评价结果，对未来大樱桃的种植提出3个优化方案：近期方案，增加通往大城市的航线，扩大市场份额，拓宽销售渠道，向未种植的非常适宜区扩展，比如党川、利桥、东岔、三岔以及元龙等乡镇；中期方案，加大专业技术和管理人员的培训力度，向未种植的较适宜区扩展，比如大门、秦岭、渭南、新阳、琥珀和永清等乡镇；远期方案，加大培育新品种力度，增强大樱桃对气候、土壤和立地条件适应能力，提高区域抵御气象灾害的技术水平，向未种植的一般适宜区扩展，比如：陇东、山门、草川、秦亭、黄门、新城、白驼、土门、云山和王伊、西川等乡镇。