基于GIS的阜平县北流河区域山杏生态适宜性区划研究

张家琛 党怡雯 陈亚恒

（河北农业大学国土资源学院，河北 保定 071000）

山杏（Armeniaca sibirica），蔷薇目（Rosales）蔷薇科（Rosaceae）杏属（Armeniaca）植物，属于落叶小乔木。生长快，萌蘖能力强，根系发达，是河北省干旱山区主要经济林树种和主要栽培果树品种之一。山杏经济价值高，杏仁又具有较高的营养价值和药用价值，在中草药中居重要地位；又具食用价值，山杏肉可食，杏仁还是高级的油漆涂料、化妆品及优质香皂的重要原料[1]，市场供不应求，发展前景广阔。

近年来国外研究主要是对山杏作为新型木本能源植物可用于生物柴油的提取[2]。杨建伟等[3]的研究发现山杏与不同类型的植被混交搭配成乔灌草模式，具有较强的水源涵养能力；崔磊等[4]的研究表明，山杏的滞尘效果以及较强耐尘能力，可以有效附着空气中的大气颗粒物，改善大气环境，减小大气颗粒物对人体健康的影响；王艳兵[5]的研究表明果核是制作活性炭的一种优质原材料；杨柳[6]的研究表明山杏的表皮以及果核可以提取黑色素。山杏在干旱少雨和土层浅薄的荒山或是风沙严重的地区是防风固沙、保土和改善生态环境及造林的优良树种。

阜平北流河区域天然的山杏林面积要高于阜平县其他区域，且北流河区域海拔跨度大，在30 km的水平距离内，最低最高处的温度相差12 ℃，区位和海拔因素导致了北流河区域的山杏的叶、花、果生长时间，随着海拔的升高持续推迟。本研究在借鉴前人研究成果的基础上，利用阜平县12个气象监测站5年气候资料和地理信息数据，应用GIS技术将气候要素进行空间插值处理，模拟阜平县复杂地形下的气候要素空间分布，再依据评价结果进行阜平县试点区域山杏种植气候精细化区划，充分发挥生态、气候资源合理利用的优势，为阜平县北流河区域山杏的合理种植布局、开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

阜平县地处保定市西端，为全山区县，下辖4镇9乡，209个行政村，县域面积2 471 km2；研究区选取阜平县以西的太行山区，位于东经113°45′～114°13′，北纬38°46′～38°59′。主要地貌类型为亚高山、中山及低山；地势西北高，东南低；海拔为200～2 186 m；区域面积477.21 km2。行政区划涉及阜平镇、天生桥镇以及龙泉关镇，包括36个村庄；各乡镇由于海拔、地势的影响，气温、降水等各气象要素均有明显的差异，西部深山区气候寒冷，温度低，县城周边温度则较高。最热为7月，月均温26.1 ℃；最冷为1月，月均温-3.3 ℃，研究区内平均气温为4.24～13.15 ℃，地区年降水量为440～650 mm。主要土壤类型为亚高山草甸土、棕壤类、褐土类等。植被类型主要包括寒温性针叶林、温性针叶林、落叶阔叶林、山地桦杨林、灌草丛、草地和亚高山草甸等。乔木种类以油松（Pinusta bulaeformis）、柞树（Quercus mongolica）、速生杨（Populus tomentosa）和白桦（Betula platyphylla）为主；灌木种类以绣线菊（Spiraea Salicifolia）、六道木（Abelia biflora）、胡 枝 子（Lespedeza bicolor）、鼠 李（Rhamnus davurica）等；草本植物以地榆（Sanguisor baofficinalis）、白蒿（Artimisiae Sieversianae）、唐松草（Thalictrum aquilegiifolium）等为主。其中以天然山杏为优势种的小乔木群落在不同海拔区域都有广泛的分布。受海拔差距的影响，区域内山杏花果期随高度增加花期逐次推迟。

2 材料与方法

2.1 数据来源

2.1.1 气象数据

气象数据来源于阜平县气象局统计资料，包括阜平县城、北果园乡、大台乡、沙窝乡、台峪乡、夏庄乡、吴王口乡、史家寨乡、南辛庄镇、龙泉关镇、平阳镇以及天生桥镇2014—2018年12个自动观测气象站逐时记录的气象数据（历年日均温、日最高最低温度、月降雨量等气象资料）。

2.1.2 土壤数据

土壤数据来源于阜平县农业局土壤调查资料。

2.1.3 地理数据

30 m×30 m分辨率的DEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），其中包括经度、纬度、海拔等地理信息。

2.1.4 植被数据

山杏指标分级依据来源于《中国植物志》[7]等相关文献资料以及北流河区域山杏实际生长环境进行确定。

2.2 研究方法

2.2.1 模糊综合分析法

本研究采用的研究方法为模糊综合分析法[8]。通过模糊数学的方法，采用隶属度函数法对各个评价因子进行标准化处理。根据山杏适宜性各评价因子进行分级，构造线性分段函数[9-10]，确定其所属适宜等级。

2.2.2 GIS空间分析法

在实地调研以及参考山杏相关文献的基础上，选取气候、地形以及土壤条件中的8个指标因子作为山杏种植气候的适宜性区划的主要依据，应用ArcGIS 10.2中软件对山杏种植气候的适宜性评价因子进行分级，形成各指标因子适宜性区划后导入评价基础数据库，进行图层叠加运算分析[11-12]。公式如下：

式中：U为综合评判值， μ(xi)为第i个指标的气候隶属度，i(i=1,2,3,···,αi)为相应指标的权重，0＜αi＜1，Σ αi=1。U值在0～1之间，用来评价阜平试点区山杏气候综合条件的优劣。

2.3 数据处理

研究区域范围较小，地形地貌复杂，且只有3个气象站点，获取的气象要素有限。本研究根据全县12个气象观测站2014—2018年的观测数据，从中提取4个气候要素，基于多元线性回归分析法将逐月及年气候要素和各观测站的纬度、经度和海拔高度建立细网格推算模型，再进行残差订正及空间内插，将均温和积温指标的推算值与残差值叠加，进而修正回归模型。表达式为[13-17]：

式中：Y为气候因子，λ表示经度，β表示纬度，h表示海拔高度，ε表示残差值。

应用ArcGIS 10.2软件进行25 m栅格单元的空间插值模拟[18-19]，综合考虑相关地理信息数据，建立空间栅格数据集。降雨量栅格数据采用ArcGIS 10.2软件中管理工具的反距离内插法得到[20]。坡度、坡向以及高程图通过ArcGIS 10.2软件中Spatial Analyst工具对DEM数据进行提取。在实现区划指标空间化基础上根据要素隶属度，建立单因子评价栅格图层；利用GIS叠加功能，采用线性加权和法，将各指标评价栅格图进行叠加后，进行重分类，得到山杏种植气候综合评价栅格图。

3 结果与分析

3.1 山杏综合适宜性分析

根据前人对北方山杏生长的气候适宜性[21-26]的研究，以及对北流河条带山杏生长区域进行实地调研等，选取包含年平均气温、≥10 ℃年积温、3—4月极端低温、降雨量、海拔高度、坡向、坡度、土壤质地8个指标进行分析，作为北流河区域山杏栽培的气候区划指标。

3.1.1 气候适宜性分析

1）温度。山杏抗寒耐高温，山杏本身能在-30 ℃或者更低的温度下安全过冬。此外，对于高温的承受能力可高达43.9 ℃（绝对最高温）[22-23]。杏果生长所需温度在11 ℃左右，盛果期所需温度在7.5～13.0 ℃，一般情况下在年均温在5～12 ℃的条件下，阜平县北流河海拔1 000 m以下区域的4月和以上部分的5月均温均在11 ℃以上，满足杏果所需的正常温度，山杏可以保持正常生长。

2）积温。光热资源对山杏的产量和品质有着至关重要的作用，由于杏的生长发育主要是在日平均气温≥10 ℃的条件下完成，日平均气温稳定≥10 ℃是杏树陆续进入开花、展叶、结实期的起始临界温度，≥10 ℃年积温达到2 800 ℃以上才能保证杏树的正常生长。

3）降雨量。山杏耐旱性极强，树根系深广，可以深入土壤深层吸收水分，对干旱少雨的气候条件有很强的适应能力。在降雨量400～600 mm的无灌溉半干旱区域内也能正常结果，获得良好产量。但在过于缺水或者雨水较多的地区同样会影响果实的产量以及品质[13]。

4）3—4月极端温度。山杏耐寒耐高温，但是花蕾和果实对低温特别敏感[26]。花蕾能在-4～-1.1 ℃左右的温度范围内存活；低于-2 ℃，花朵将不能存活；盛花期阶段花朵可承受的最低温度为-3 ℃；幼果可在-0.6 ℃的条件下生存；当温度低于-0.6 ℃时，会有冻害产生[27]。通常情况下，花期如遇霜冻，可使产量降低于30%～70%，严重可导致山杏绝收[2]。阜平县在2009—2018年10年间未出现过气温≤-25 ℃的情况，山杏在冬季除其他影响外，绝大部分可安全越冬。因此，山杏花期和幼果期前后低温冻害问题，是影响果实品质的主要因子。不同生长阶段，花果生存的温度范围不同。北流河地带的山杏受海拔影响，随着海拔的逐渐升高，开花时间持续推迟，根据野外实地勘察，阜平地区在海拔1 000 m以下，大部分山杏开花和初果主要发生在3月；海拔1 000 m以上，开花和形成初果的时间主要发生在4月到5月中旬。根据最明显的变化节点，将该区域分为两个部分对应3月、4—5月上旬分别进行研究。

综上，阜平县北流河区域山杏气候区划指标见表1。

表1 阜平县北流河区域山杏气候区划指标Table 1 Climatic regionalization index of A. sibirica in Beiliuhe region of Fuping County

3.1.2 地形适宜性分析

1）海拔。根据2019—2020年在阜平县开展的实地调查情况以及相关研究，发现阜平县北流河区域的山杏在700～1 400 m长势较好，最为密集。海拔2 000 m以下区域也存在小面积的山杏天然林和部分人工种植的单株山杏。

2）坡向。山杏喜光，对土壤要求不严，能在阳坡、半阳坡的岩石裸露地带生长[28-30]。山杏根系可生长于岩石的缝隙中和土层瘠薄的沙地上，具有较强的固土能力和抗冲刷能力[31]。北流河区段阳坡光照充足，但是大面积的阳坡较为干旱，会限制山杏的产量，阴坡光照不足，影响花芽的形成，因此半阳半阴的环境更适宜山杏生长。

3）坡度。10°～15°最为适宜，坡度影响水分的吸收以及植物本身受光的均匀度，一般情况下，坡度15°以下，有利于作物的生长发育[32]。

综上，阜平县北流河区域山杏地形区划指标见表2。

表2 阜平县北流河区域山杏地形区划指标Table 2 Topographic regionalization index of A. sibirica in Beiliuhe area of Fuping County

3.1.3土壤适宜性分析

沙壤土的耕性和肥力较好，其供肥保肥能力适中，耐旱耐涝，抗逆性强，适种性广。排水性能良好，遇雨水天气时更适宜山杏生长，壤土、沙土次之。综上，阜平县北流河区域山杏土壤区划指标见表3。

表3 阜平县北流河区域山杏土壤区划指标Table 3 Soil regionalization index of A. sibirica in Beiliuhe area of Fuping County

3.2 评价因子权重确定

经计算并通过一致性检验（0≤一致性比率（CR）≤0.05，均小于0.1），得出区域内山杏的适应性评价因子的权重见表4。

根据表4计算出各单因素指标值，范围在[0, 1]之间，各评价因子的具体隶属度函数见式（3）～（10）。

表4 生态适宜性评价因子权重确定Table 4 Weight determination of ecological suitability evaluation factors

3.3 山杏综合适宜性区划

综合评价值以满足山杏适宜生长的界限为依据，结合阜平西部部分区域山杏生长分布状况的实地调查，反复对比，确定U≥0.7、0.7～0.4、＜0.4依次为适宜、次适宜、不适宜3个等级，据此得出阜平北流河区域山杏生态气候适宜性区划（图1）。

图1 阜平县北流河区域山杏种植适宜性区划图Fig. 1 Regionalization map of A. sibirica planting suitability in Beiliuhe area of Fuping County

3.3.1 适宜区

由图1可知，山杏是阜平北流河区域较为适宜的树种。适宜区面积346.95 km2占到该区域的面积的72.70%，该区域海拔在400～1 200 m，极端最低温和最冷月均气温相对其他地区均较高，温度适宜，适合山杏的成长和发育。年降水量适中，能够满足山杏成长和发育的需求，且这些地方光照充足可以加快山杏的生长。

3.3.2 次适宜区

次适宜地区123.813 km2，只占25.95%，次适宜区域分布面积小于适宜区，该区主要包括研究区的西部以及阜平县城西部分区域，研究区西部，温度在4～8 ℃，坡度较大，25°以上区域占比高。阜平县西部，该区域温度在11～13 ℃，两区年降雨量均在600 mm以上，雨水较多，是限制山杏生长的主要影响因子。该区域不适宜集中连片大面积栽培并且难以统一种植、管理。

3.3.3 不适宜区

不适宜种植的区域占6.447 km2，只在黑崖沟村和骆驼湾村有少量的分布，该区域受制约因素较多，主要原因是海拔过高，坡度过大。海拔升高，辐射量降低，温度低，会对山杏花果造成冻害，影响开花结实，降低产量。一般不建议在该区种植山杏，如果需要打造不同时段不同海拔山杏持续开花的景观效果，可以在花前树体喷水，提高树体的抗寒力，增加林间空气湿度，提高露点温度，从而降低冻害程度和延迟开花时间；或者施硼酸1 500 mg/L溶液，可预防山杏花期遭遇冻害，提高坐果率[11]。该区段需要慎重规划，加强管理，做好防冻工作，避免树种死亡。

4 结论与讨论

本研究通过野外调查、资料收集以及模糊综合分析等方法，综合选取年平均气温、≥10 ℃年积温、3—4月低温、降雨量、海拔高度、坡向、坡度、土壤质地8个指标对阜平县北流河区域山杏种植适宜性进行评价。建立地形地貌、气候条件以及土壤条件等影响因子的属性和空间数据库，结合层次分析和标准化处理，通过GIS的空间分析模块对8个指标因子按权重进行叠加分析，得到山杏气候适宜性区划。区分为适宜、次适宜和不适宜3个等级，其中不适宜区域只有1.35%，海拔2 200 m以下都较为适宜山杏的生长，原理上可以通过海拔梯度来影响植被的物候期，使其具备垂直尺度上的观赏价值，体现土地的景观功能。将获得的阜平试验区适宜性评价图与山杏的实际分布点进行比较发现，大多分布在适宜区和次适宜区，表明该评价体系具有一定的合理性、可靠性。

然而本研究还存在一些不足之处：

1）由于现有研究成果中未明确光照强度以及随海拔的上升花蕾逐级开花所需的温度，以及对区域分段的进一步细化，将在阜平试验区开展进一步研究、分析光照强度对山杏生长、果实成分的影响，完善适宜性评价指标体系。

2）本次适宜性评价主要针对目前阜平常见的山杏品种，未考虑山杏品种对评价结果造成的影响。此外，在接下来的研究中应该考虑病虫害对山杏适宜性生长造成的影响。适宜性评价所涉及的内容广泛，不仅包括研究最多的气候、地形、土壤等自然因子，还有经济、交通、市场竞争等社会因子。该研究如果能结合土地利用现状与植被覆盖情况进行分析，可以建立更为科学的评价体系，得到更为准确的评价结果。

3）北流河区域明显的垂直地带性，可以利用物候期差异打造不同海拔梯度下的植物景观，对于探索土地多功能利用模式、开展生态观光旅游具有重要意义。