GIS在農業種植領域的研究應用進展

秦偉男 閆喜中 劉宇 郝赤

摘要：為能夠明晰地理信息系統（GIS）在農業現代化推進過程中具體的應用途徑，本研究簡要歸納了GIS在作物農業氣候區劃、農業土壤評價、作物適宜性評價、作物病蟲害風險評估、氣象災害預警評估等5個領域的應用與研究進展。研究認為，在農業信息化與農業品牌化建設過程中，以GIS為支撐，結合土壤、氣象、生態、病蟲害等數據，建立單品種農作物綜合性評價系統顯得尤為重要。對于以品質作為核心特征的名特優產品，利用GIS進行適宜性區劃可以避免盲目推廣種植導致產品品質下降，進而促進農業品牌化建設。

關鍵詞：地理信息系統；農業種植；品質；應用；研究進展

中圖分類號：S47，S5-3文獻標志碼：A論文編號：cjas20200200017

Application and Research Progress of GIS Technology in Agricultural Planting

Qin Weinan1，2， Yan Xizhong1， Liu Yu1， Hao Chi1

（1College of Agriculture， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi， China； 2Taiyuan Zoo， Taiyuan 030100， Shanxi， China）

Abstract： To discuss the specific application of geographic information system （GIS） in the process of promoting agricultural modernization， this paper briefly summarized the studies and applications of GIS in agriculture， such as crop agricultural climate zoning， evaluation of agricultural soil and crop adaptability， meteorological disaster warning assessment， as well as crop pest risk assessment. Studies suggest that in the process of agricultural IT application and agricultural brand construction， it is particularly important to establish a comprehensive evaluation system for single-crop varieties based on the GIS and databases of soil， meteorology， ecology， pests and diseases. For the famous， special and excellent products with quality as the core characteristic， the use of GIS for suitable zoning can avoid product quality decline caused by blind promotion of planting and thus promote agricultural brand construction.

Keywords： GIS； Agricultural Planting； Quality； Application； Research Progress

0引言

地理信息系統（geographical information system，GIS）是一個具有收集、儲存、計算、管理、繪制、顯示地理信息等諸多功能的計算機軟件系統[1]，主要功能為綜合各種圖形信息及數據信息并進行分析[2]。該系統由多個用于輸入、編輯、管理空間地理數據和非空間地理數據的軟件工具組成[3]，能夠合理并高效地儲存和管理大量地理信息，并能夠為空間分析和決策制定提供不同模型[4]。GIS于1963年首次被提出并運用在自然資源的規劃管理領域[5]，目前已廣泛應用于資源、環境、國防、農業、衛生、城市及社區規劃、地圖繪制等領域[6]。

農業種植是一個高度復雜的綜合體，其農業資源與環境要素在時空上具有極強的復雜性和變異性[7]。隨著科技的進步，人們對影響作物生長因素的研究更加深入，包括優種繁育、土壤狀況、種植技術、氣候因子、機械優化、病蟲害防治等，只有綜合協調控制才能保質增產[8]。GIS憑借其特有的空間信息管理與數據處理分析功能成為了農業信息化及現代化強有力的分析和決策輔助工具。國外于1970年后逐步將GIS應用到了農業領域，而中國將GIS應用于農業領域的時間較晚，20世紀80年代中期在部分農業實際生產中進行了運用[9]。GIS在現代農業中的運用有效解決了農業生產過程中出現的各種動態問題，在技術層面很大程度上有效推進了現代化農業的可持續發展。筆者就近年來GIS在農業氣候區劃、農業土壤評價、作物適宜性評價、病蟲害評價、氣象災害評價等領域的研究應用做簡要綜述，以期為進一步利用GIS推進農業種植信息化、品牌化建設提供方法與思路。

1作物農業氣候區劃

隨著現代科學技術的進步，傳統區劃的方法已經不能滿足農業現代化的發展要求，許多學者把數理統計方法和GIS相互融合，將不同農作物的農業氣候區劃研究得更加精細化[10]。

1.1糧食作物

趙春芳等[11]利用GIS對陽谷縣各鄉鎮的氣象資料進行精細化分析，確定了陽谷縣冬小麥的適宜種植區、適播時間以及可能出現的自然災害。馬扶林等[12]基于青海省地理信息數據及省內分布站點多年記錄的資料，運用GIS進行運算和分析，確定了積溫與日照等區劃具體指標，并對青海省大規模種植的農作物進行了氣候區劃。曹寧等[13]利用寧夏地理信息資料和省內氣象站的氣候數據，在GIS的支持下根據作物與氣候的關系確定了區劃指標，進而對寧夏主要農作物做了適宜性氣候區劃研究。閔程程等[14]采用基于GIS的氣候資源小網格推算方法，以苗期降水量和蕾苔期平均氣溫為區劃指標將湖北省分為三大油菜種植適宜區。

1.2經濟作物

肖秀珠等[15]在對福建省長汀縣的烤煙進行區劃時，運用GIS以100 m×100 m為柵格單元將區劃圖精確繪制到村一級。陸魁東等[16]通過GIS進行細網格插值，參考煙草種植區劃指標，對湖南省煙葉生育期內主要氣象因子的細網格區域分布進行了推算。林紅等[17]基于GIS技術，對大英縣甜橙種植進行了農業氣候區劃，得到甜橙在大英種植的適宜、次適宜及不適宜區。何雨等[18]基于125個氣象站歷年氣候資料和地理信息數據，應用GIS技術和氣候要素空間分布回歸模型，對云南省茶樹種植完成氣候精細化區劃。朱壽燕等[19]結合GIS和信息技術，對浙江仙居茶葉種植產區進行了生態區劃，得出最適宜種植區、適宜區、不適宜區海拔分布及各項氣象指標。朱壽燕等[20]基于GIS技術對臺州楊梅種植區的生態進行了區劃，得到最適宜種植區、適宜區及不適宜區的地域分布及地形特征。

2農業土壤評價

土壤是農業生產的根本，耕地土壤品質的好壞直接關系到農業生產的經濟收益[21]。土壤肥力是評價土壤生產能力的綜合指標，農作物產品產量的高低和質量的好壞與土壤肥力有著緊密的聯系[22]。

2.1土壤肥力

李春龍等[23]利用GIS結合經典統計學方法研究了山西省襄垣縣土壤養分的特征，表明襄垣縣的土壤養分速效氮磷鉀與有效微量元素的空間分布特征各不相同，從而為該縣實施測土配肥政策提供了一定的依據。雷寶佳[24]利用GIS對陜西省周至縣農耕區土壤養分空間變異及影響因素進行了系統分析，也為該縣精細化施肥提供了技術指導。謝曉彤等[25]運用GIS并且結合耕地地力評價相關數據，將山西省武鄉縣耕地分成高產區、中產區、雜糧區、果區等，然后結合每個分區的特點有針對性地給出合理種植作物品種建議以及配方施肥方案。胡忠艷等[26]以ArcGIS Server為基礎平臺，開發了黑龍江省寧安市測土配方施肥系統，并生成大豆、玉米等主要作物的配肥方案，有效提高了施肥中屬性數據綜合管理效率，加快了配肥方案的快速傳播與普及，促進推動施肥水平精準化，對耕地養分管理具有現實指導意義。高彬等[27]通過土壤傳統調查方法并結合GIS分析了湖北省谷城縣土壤養分情況，將谷城縣耕地區劃為不同的等級。

2.2水分墑情

楊達等[28]以GIS為支撐，結合遙感圖像建立了一個可以提供土壤墑情監測及抗旱管理決策的旱情信息數據庫系統，可提高農業用水利用效率和灌溉分析決策水平。黃浩[29]基于GIS技術構建了農田土壤墑情信息系統，可以實時監測采樣點土壤含水量的變化情況，將土壤水分與農作物的生育期結合起來進行作物墑情分析，從整體上了解監測區域的土壤墑情趨勢。楊康[30]基于Java Script技術與ArcGIS Server平臺研究設計了一套農田干旱分析評價系統，針對河南地區建立了冬小麥、夏玉米、水稻3種農作物的干旱評價模型，實現對農田旱情實時分析與評價。習永強[31]利用GIS技術和數據庫技術設計了西安市旱情監測信息管理系統，并進行了系統的測試，達到了預期的效果。張宏志[32]通過對大面積灌區墑情數據的采集和管理進行系統研究，基于GIS建立起有較高信息化程度的墑情自動監測系統，為區域用水管理和水資源調度提供可靠的依據。

2.3重金屬污染

高琳等[33]運用GIS系統研究了仁化縣農田土壤中重金屬含量分布及生態風險情況，并提出在農田利用中應該采取的安全及防范措施。劉紅斌等[34]利用Arc GIS分析了太原市周邊地區5種重金屬的分布特征，發現該地區土壤重金屬表現為不同程度的污染，均值都大于土壤背景值。劉瑞雪等[35]利用GIS技術分析了湘潭縣農田土壤中As、Hg、Zn等8種重金屬元素含量和污染特征，評價了該區域農田中土壤重金屬的綜合潛在生態風險。

3作物適宜性評價

作物適宜性評價是生產區劃的重要手段，其結果可以反映研究區域實際環境和生產水平[36]。氣候條件、地形特點和土壤質量是決定特色作物產品分布及品質的重要因素，對特色經濟作物的地域適宜性評價是農業區劃研究的一項重要內容[37]。

3.1糧食作物

郝君明[38]運用Arc GIS和Matlab軟件技術，通過網格分析與模糊推理相結合的方法系統地對山西省玉米氣候適宜性作出了評價。李超等[39]基于Arc GIS并結合云南省山區農田的立體分布特征，綜合行政區劃、農田利用、土質特點劃分評價單元，對云南省尋甸縣全縣耕地進行系統分析，構建出一套針對山地環境特點的玉米生態適宜性評價模型和方法。王麗等[40]利用GIS對江蘇省冬小麥種植適宜度進行了分析，結果發現氣溫、降水、日照、土壤等單因素以及多因素對冬小麥適宜性的影響較大。

3.2經濟作物

黃偉嬌等[41]把杭州市作為研究對象，通過GIS結合數學模型集成系統，構建了杭州市特色經濟作物土地適宜性評價體系，提出全市適宜種植茶業、山核桃、香榧的具體區域及面積。楊麗萍等[42]以全國縣域為評價單元，利用氣候、土壤基礎數據在Arc GIS平臺中建立生態適宜性評價數據庫，根據評價綜合指數高低將中國花生產區劃分成最適宜、適宜、次適宜、不適宜4個級別。呂思思等[43]運用GIS方法對貴州省百香果種植區進行適宜性評價，得出不同適宜區分布范圍、面積及占比，對貴州省百香果產業化發展具有指導意義。楊帆等[44]通過GIS結合道地藥材白芷種植的生境需求，分析了四川省鹽亭縣白芷種植生境適宜性空間分布規律，結果表明白芷在四川省鹽亭縣具有廣泛的適宜種植區，推算得出最適宜區域面積達165.01 km2。張瑋瑋等[45]利用GIS分析野生北蒼術適宜產地空間分布狀況，尋找出了適宜北蒼術生長特性的區域范圍、具體面積及氣候特征。

4作物病蟲害風險評估

病蟲害是影響農作物產量及品質的重要因素之一[46]，病蟲害發生機制及環境氣候條件的研究則是防治病蟲害的基礎[47]。

4.1糧食作物

陳繼光等[48]基于GIS研發了針對水稻、大豆等作物病蟲害的在線監測預警平臺，并在黑龍江省多個水稻種植區得到了很好的應用。Bernardi[49]通過GIS對歐洲玉米食根蟲病蟲害發生風險進行了研究，繪制了蟲害發生風險的空間分布圖。羅菊花等[50]以GIS為基礎，研發了小麥病蟲害預警防控平臺，并將抽象的數字資料轉化成簡單明晰的電子地圖，使小麥病蟲害的發生程度和空間分布特點顯示得更加直觀明了。楊林楠等[51]基于GIS與反向傳播人工神經網絡技術，研發了水稻三化螟和蔬菜斑潛蠅等農作物害蟲發生預報系統。龔一飛等[52]借助WeiGIS建立了江蘇省稻縱卷葉螟蟲害檢測系統，該系統可以發布稻縱卷葉螟發生動態和分布情況，提高了水稻生產環節害蟲管理中預警和決策機制的科學性。Tupper等[53]以澳大利亞紐卡斯爾為研究區域，基于GIS對病蟲害、火災和洪水等農業突發災害進行了預測和防控研究，完成了病蟲害管理、洪水災害制圖和火災影響評估。

4.2經濟作物

趙朋等[54]將GIS、互聯網及人工神經網絡技術相結合，從蘋果病蟲害管理實際要求和工作特點出發，開發了蘋果病蟲害管理信息平臺，并應用在了山東省煙臺市蘋果病蟲害管理工作中。張冬[55]以廣西崇左市的甘蔗地塊為對象，基于WebGIS平臺開發了一套糖料蔗管理系統，建立模型模擬污染物的擴散情況，從而提升本地區甘蔗產業信息化水平。李小文等[56]依托地理信息系統（GIS）、遙感（RS）、全球定位系統（GPS）等現代農業信息技術，研發了寧夏枸杞病蟲害網絡化監測預警系統。

5氣象災害預警評估

由于全球氣候變化，春霜、夏熱、冬寒等農業氣象災害的發生逐年增多，嚴重程度也逐步上升，農業氣象災害的發生嚴重制約農業產業可持續發展[57]。為了提高農業氣象災害的防御能力，應該加大對農業氣象災害的評估研究[58]，近年來學者們基于GIS在氣象災害領域做了大量研究。吳歆彥等[59]充分運用GIS的空間分析與圖形繪制功能，評價了內蒙古自治區呼和浩特市賽罕區常見的冰雹、干旱、高溫等6種氣象災害發生風險，并制作完成該區6種氣象災害的風險等級區劃圖。江龍等[60]基于GIS并以安徽省近500年干旱發生概率為指標，將全省分為高、中、低3個干旱分布區，并繪制完成安徽省農業旱災脆弱性分布圖，數據顯示旱災脆弱性較高的為山區或丘陵。朱明月等[61]基于GIS分析了江蘇省大風、干旱、暴雨、冰雹等主要氣象災害的氣候特征及影響，對全省災害風險進行了評估和區劃分等，且完成了江蘇省氣象災害的風險區劃圖的繪制。莫建飛等[62]在GIS的基礎上開發了廣西省各作物不同生育期的農業氣象災害預測平臺。梁鳳娟等[63]基于GIS構建了巴彥淖爾市防災減災氣象服務系統，根據農業氣象災害時空分布特點，對農業氣象災害所造成的影響進行分析評估，建立了重大農業災害綜合防控體系，促進了氣象部門與保險行業的新型合作與融合。

6展望

農業作為第一產業，在國民經濟發展中的作用不可替代，努力推進實現農業現代化則是確保農業穩定可持續發展的戰略舉措[64]，其中農業信息化和品牌化是農業現代化的重要研究內容[65]。目前國內外有關GIS在農業產業發展中的應用已有許多報道，均證明GIS在農產品保質、增產、增效、增收方面具有一定作用[66]。中國的農作物資源較為豐富，不同作物具有特定的遺傳學、生態學、栽培學、病蟲害防治特征，如何利用GIS對復雜的內容進行綜合性研究是農業信息化發展的必然趨勢。同時，農業品牌化也是未來中國農業發展的趨勢之一[67]，多數農作物偏重于考量產量指標，而對品質指標重視不足，在全國范圍內可以種植的區域廣泛，沒有嚴格的地域限制要求，而對于已形成以品質為優勢的農特優品種來說，如何在確保產品品質的前提下有效擴大種植面積是農業品牌化面臨的一種挑戰。筆者認為充分利用GIS結合相關數據進行綜合性分析可以為解決以上問題提供一種新的思路。

第一，基于GIS建立單品種農作物種植綜合性評價系統。該系統應該包括氣候區劃系統、土壤評價系統、適宜性分析系統、氣候災害預警系統、病蟲害預警系統等5個子系統，結合單品種農作物生理學特性、物候期及生態環境要求，從區劃布局、科學種植、精細化管理、提升品質等角度出發，促進農作物在生產過程中更加高效利用環境資源，切實提高農作物質量和單位產量。此外，要加強系統運用的便捷性與普及性，加快開發基于Web技術的開放式共享平臺及手機終端用戶軟件，提高系統可操作性，使更多農業生產一線農戶受益。

第二，基于GIS開展名特優產品適宜性區劃研究。國內有很多高附加值的植物品種和品質突出的優質資源。作物產品品質的形成與特定生長環境條件有著密切的關系，通過GIS可以為名特優產品的資源保護及種植推廣選址提供科學依據，將地產優質產品產區氣候相關因子及名特優產品內在品質與企業歷史品牌文化內涵相融合，利用GIS二次開發分析計算模型對其進行綜合評價，并通過綜合決策功能選擇對應產品單元最適宜產區。

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