基于DEM的煙臺市農用土地適宜性評價

閆濰虹， 衣華鵬， 程振龍， 王廣煊， 龔 圍， 張 鑫

(1.魯東大學 資源與環境工程學院, 山東 煙臺264025; 2.煙臺市國土資源局, 山東 煙臺 264003)

基于DEM的煙臺市農用土地適宜性評價

閆濰虹1， 衣華鵬1， 程振龍1， 王廣煊1， 龔 圍1， 張 鑫2

(1.魯東大學 資源與環境工程學院, 山東 煙臺264025; 2.煙臺市國土資源局, 山東 煙臺 264003)

[目的] 根據“耕地優先，兼顧園、林、草用地”的原則，進行煙臺市農用土地適宜性評價，為煙臺市土地合理利用提供理論依據。 [方法] 以山東省煙臺市為研究區域，以DEM數據為基礎，運用ArcGIS的空間分析功能提取海拔高度、坡度、地表起伏度，結合有效土層厚度因子，確定最佳農用土地適宜性評價指標體系，生成耕地、園地、林草地的適宜性等級分布圖，最終得到煙臺市農用土地適宜等級的空間布局。 [結果] 與煙臺市第二次土地調查數據進行對比，煙臺市目前的土地利用以耕地為主，占土地總面積的33%，大于適宜性耕地面積；實際園地面積小于適宜性面積；林草地的實際面積略小于適宜性面積。 [結論] 煙臺市土地利用存在一定的不合理性，具有一定的調整空間。

DEM; 煙臺市; 農用土地; 適宜性評價; 評價因子

土地資源是人類賴以生存和發展的最根本的物質基礎，也是進行農業生產的最基本的物質條件[1]。土地適宜性評價是指綜合分析某塊土地的自然屬性和社會屬性，評定該塊土地對于某種特定用途是否適宜以及適宜的程度如何，是土地合理利用與科學規劃的依據[2]?？茖W的土地評價起源于美國的土地潛力評價，20世紀中葉，我國將較系統的土地評價工作應用在荒地調查當中，隨后聯合國糧農組織(FAO)《土地評價綱要》的頒布與引進，有效推動了我國土地適宜性評價工作的進展[3]。

數字高程模型(digital elevation model， DEM)在20世紀中葉由美國麻省理工學院(MIT)的Miller[4]首次提出，它是用一組有序數值矩陣表示地面高程的一種實體地面模型，DEM數據當中蘊含著大量的地表形態信息，是進行土地適宜性評價的基礎。地理信息系統(geographic information system， GIS)在我國起步較晚，但是發展迅猛，20世紀末，黃杏元等[5-6]最先將GIS的原理和方法應用于土地適宜性評價?；贒EM數據運用GIS空間分析功能進行的土地適宜性分析與傳統的土地適宜性分析相比，不僅可以節約時間、提高工作效率，而且大大提高了工作的精度和準確度、減小了誤差，為土地適宜性評價工作帶來了便捷，因此，在土地適宜性評價領域得到了廣泛的應用和發展，尤其是農用土地的適宜性評價[7-8]。

煙臺市地形特殊，山地丘陵分布較廣，適宜發展園業和林業生產，因此，煙臺地區的蘋果、梨、葡萄和大櫻桃等各種水果享譽海內外。但是，隨著經濟的發展和人口的增長，為了更好地滿足生產生活的需要，開始出現了毀林開荒造田、果園擠占優質耕地等現象。本研究根據“耕地優先，兼顧園、林、草用地”的原則，對煙臺市進行了農用土地適宜性評價，以期為更合理地規劃利用該市農用土地提供理論依據。

1 研究區概況

煙臺市位于山東半島的東北部，地理坐標為119°34′—121°57′E，36°16′—38°23′N。東與威海相連，南與青島相鄰，西與濰坊相接，北部瀕臨渤海、黃海，地理位置十分優越，是中國首批沿海開放城市之一，也是連接環渤海經濟圈的節點城市。該市土地總面積約1.38×104km2，現轄芝罘區、萊山區、福山區、牟平區4個市轄區及長島縣，代管龍口市、萊陽市、萊州市、蓬萊市、招遠市、棲霞市、海陽市7個縣級市和國家級經濟技術開發區、高新技術產業開發區、保稅港區及昆崳山生態自然保護區4個功能區，海岸線長約909 km，有63個島嶼，總人口約702萬。煙臺地形以低山丘陵為主，其中山地占36.62%、丘陵占39.7%、平原占20.78%，低山區主要分布于煙臺市的中部，最高峰為昆崳山，其海拔為923 m，丘陵區則分布于低山區的周圍，地勢總體而言是中間高四周低。氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，光照充足，年平均氣溫為12.7 ℃，年平均降水量為651.9 mm。煙臺市河網比較發達，河流眾多，多屬于季風雨源型河流。煙臺市土壤類型主要是棕壤、褐土和潮土，其中棕壤占土地總面積的77.79%；植被屬暖溫帶落葉闊葉林區。

2 數據來源及預處理

所用DEM數據是從地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)下載的分辨率為90 m的ASTGTM_DEM數據，經過ArcGIS進行鑲嵌、裁剪、投影轉換等處理，最后得到煙臺市的DEM數據。煙臺市第二次土地調查數據由煙臺市國土資源局提供。

3 農用土地適宜性評價

農用土地適宜性評價是土地適宜性評價的主要內容之一。農用土地適宜性評價是指綜合分析某塊農用土地的自然屬性和社會屬性，評定該農用土地對于某種農業生產是否適宜以及適宜的程度如何，其評價過程主要包括評價對象的確定、評價因子的選取、評價指標的分級處理、評價因子權重的確定、評價體系的建立等[9-10]。

3.1 評價對象的確定

在進行農用土地適宜性評價之前，首先要確定評價對象?！吨腥A人民共和國土地管理法》中指出，按照用途土地可分為農用地、建設用地和未利用地3大類，其中農用地是指直接用于農業生產的土地，具體分為耕地、園地、林地、草地、農田水利用地、養殖水面等[11]。根據第二次土地調查的煙臺市土地利用現狀，確定煙臺市目前的土地利用類型主要包括耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他用地等。

煙臺市土地的利用類型比較繁多，需對農用土地的實際利用情況進行綜合分析。城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地等用途目前非常明確，并且比較穩定，短時間內土地利用方式不會改變；同時由于耕地、園地、林地、草地在農用土地中占的比例比較大，而且與農業生產的聯系最為密切，但是考慮到煙臺市的具體情況，草地多分布在高大的喬木林地中，故將草地歸到林地一類，最終確定本次農用土地適宜性評價對象為耕地、園地和林草地。

3.2 評價因子的選取

評價因子的選取是農用土地適宜性評價工作順利進行的關鍵。影響農用土地適宜性評價的因素有很多，包括地形地貌、氣候、水文、土壤等各種自然條件以及勞動力、科技水平、交通運輸等社會經濟條件[12]。農用土地適宜性評價結果并非評價因子選取的越多越準確，但是選取太少也會影響評價結果，評價因子的選取應遵循一定的原則：綜合性、主導性、差異性、針對性、現實性、獨立性等[13-14]。依據評價因子選取的原則，結合實際情況，采取經驗法來選取評價因子。鑒于本文主要基于DEM數據對煙臺市的農用土地適宜性進行評價，而且由于研究區域內的地質基礎和土壤整體狀況較為一致，社會經濟狀況對評價對象的影響不大，因此，最終優先選取了海拔高度、坡度、地表起伏度和有效土層厚度4個評價因子。

3.3 評價指標的分級處理

3.3.1 評價因子的指標分級 由于耕地、園地和林草地對各種適宜性評價因子的要求不同，因此不同的土地利用類型具有不同的評價指標。參考以往各評價因子指標分級的具體情況，結合煙臺市實際情況，采取經驗法對海拔高度、坡度、地表起伏度和有效土層厚度進行單因子分級，各因子間劃分的等級數目不強求一致，各評價因子的分級指標詳見表1。

(1) 海拔高度。海拔高度能夠反映熱量和水分的分布狀況，而熱量和水分又影響農作物種類、生長與布局，因此不同的海拔高度農用土地的適宜性不同。根據煙臺市DEM數據，地面高程變化較大，最后將海拔高度劃分為:≤50 m，50～200 m，200～500 m及>500 m共4級。 (2) 坡度。坡度對農業生產的影響主要表現在地表侵蝕程度和土地利用等方面。土壤侵蝕度與坡度成正相關，坡度越陡，土壤侵蝕越嚴重，水土流失越明顯，水土流失導致土壤肥力降低，影響到土地的農業利用。《水土保持綜合治理規劃通則》指出，坡度組成一般分為5級：<5°,5°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°；《第二次全國土地調查技術規程》中也指出，耕地坡度分為5級，即≤2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。根據以上2種坡度等級劃分，結合煙臺多低山丘陵地貌的實際情況，將坡度劃分為以下幾類：≤2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。 (3) 地表起伏度(relief degree of land surface， RDLS)。RDLS是特定地域內最高點海拔和最低點海拔的差值，它反映宏觀地域內地形特征[15]。RDLS的大小，影響土地的使用功能和穩定性，且不同地物對地表起伏度有嚴格的技術要求，結合煙臺實際情況對RDLS進行劃分，即≤10 m，10～50 m，50～100 m和>100 m。 (4) 有效土層厚度(soil thickness)。不同的土壤有不同的土壤剖面構型，根據生物地理學的相關原理，自然土壤自上而下依次分為有機質層、淋溶層、淀積層、母質層和母巖層；耕作土壤自上而下依次是耕作層、犁底層、淀積層、母質層和母巖層。通常所說的有效土層是指具有肥力特征的有機質層或耕作層[16-17]。有效土層是肥力狀況最好的土層，植物的根系和大部分微生物也集中在此，有效土壤厚度是指能生長植物的實際土層厚度，不同的土壤類型具有不同的有效土層厚度。本文參考煙臺市土壤志中關于煙臺各土壤類型的土層厚度相關數據對有效土層進行劃分，分別是：≤30 cm，30—60 cm，60—100 cm，>100 cm。

表1 評價因子的分級指標

3.3.2 評價因子的GIS處理 基于煙臺市DEM數據，運用ArcGIS的空間分析功能進行評價因子的提取分析，可以得到各評價因子的空間分布圖。依據表1列出的各評價因子的分級指標，利用ArcGIS的重分類功能對評價因子進行分類，最后可以得到煙臺市海拔高度、坡度、地表起伏度和有效土層厚度4個土地適宜性評價因子的分級示意圖(圖1)。其中，有效土層厚度分級示意圖是在各土壤類型的土層厚度數字化的基礎上，根據有效土層厚度與坡度的負相關關系，利用ArcGIS提取得到。圖1利用ArcGIS的空間分析功能和重分類功能，將DEM數據中的空間數據和屬性數據清晰地反映在圖斑上。從圖1可以看出，煙臺市海拔普遍不高，其中丘陵地形分布最為廣泛，占總面積的71.11%；坡度比較平緩，以平地、緩坡和斜坡為主，陡坡和急坡分布較少；地表起伏度較小，煙臺市92.09%的土地地表起伏度在50 m以下；土壤肥沃，有44.46%的土地有效土層厚度大于100 cm。

圖1 研究區各評價因子分級示意圖

3.4 評價因子權重的確定

在農用土地適宜性評價中，由于每個評價因子對評價對象的貢獻大小和適宜程度不同，在計算得到各個評價因子數據后，需對這些評價因子數據賦予權重值，采用層次分析法來計算各因子的權重值。本文采用專家咨詢法建立評價層次性指標，將每個權重因子兩兩進行比較，按照重要性標準，建立相應的判斷矩陣。檢驗判斷矩陣的一致性，如果求得的相對一致性指標CR小于0.1則一致性好，大于0.1則不好，需要重新調整判斷矩陣。經過反復調整和檢驗，通過一致性檢驗，然后利用求和法求解各評價因子的權重，最后計算出耕地、園地和林草地的各評價因子的權重(表2)。

表2 研究區各評價因子權重

3.5 評價體系的建立

以FAO《土地評價綱要》中土地適宜性評價的基本內容為依據，根據煙臺市的實際情況，將耕地、園地和林草地的土地適宜性分為4等：高度適宜、中度適宜、臨界適宜和不適宜。高度適宜代表土地利用高度適宜，土地適宜性評價的各項因子對土地的可持續利用沒有明顯限制，土地具有較高的生產效益；中度適宜表示土地利用一般適宜，土地適宜性評價的各項因子對土地利用具有輕微的限制性，生產效益一般；臨界適宜代表土地適宜性評價的各項因子對土地利用具有較為明顯的限制性，勉強適宜于該用途，土地的生產效益很低；不適宜是指當前的社會經濟技術條件下，這類土地不能利用或不能持續利用[18-19]。地物對評價因子的作用和反映具有明顯特征，表現為一定的適宜范圍，即三基點—上限值、最適值、下限值。不同的土地利用類型對土地生態環境要素的需求構成了需求生態位。

參照FAO中提出的土地適宜性評價原則和方法，依據極限法，結合煙臺市具體的自然環境狀況，確定了評價對象的最適宜指標范圍(表3)。參考表3評價對象的最適宜指標范圍，運用ArcGIS對評價對象進行量化處理并分級，得到土地適宜性分級示意圖(圖2)。

注：S1代表高度適宜，S2代表中度適宜，S3代表臨界適宜，S4代表不適宜；綜合運用生態位法和極限法，結合煙臺實際情況，把S1，S2定義為適宜區，而S3，S4為不適宜區。圖2 研究區土地適宜性分級示意圖

對象海拔高度/m坡度/(°)地表起伏度/m有效土層厚度/cm耕地0～1000～60～10>100園地100～2003～1510～20>50林草地>150>6>20>30

4 結果分析

利用ArcGIS的計算功能對以上數據進行計算統計，宜農用地共9.82×105hm2，占該市土地總面積的70.88%。其中，宜耕用地面積最大，為4.34×105hm2，占土地總面積的31.34%，主要分布在煙臺周邊地勢平緩、海拔相對較低的濱海平原、盆地及低丘陵地區；宜園用地面積為2.56×105hm2，占全市土地總面積的18.46%，宜園用地主要分布在中部山地外圍的低丘陵地區；宜林草用地面積為2.92×105hm2，占全市土地總面積的21.07%，宜林草用地主要分布在中部海拔較高的山地丘陵地區。在煙臺市宜園用地的面積具有相對優勢，可開發潛力大，結合煙臺市的地域優勢，因地制宜，充分利用丘陵山地、荒坡地等發展煙臺的特色果業，可適當地擴大果園地規模和數量，建設干鮮果生產基地。將上述所得的土地適宜性評價結果數據與第二次土地調查的數據進行對比分析，結果表明，煙臺市土地利用存在一定的不合理性。其中，現有耕地面積4.51×105hm2，超出適宜性耕地面積1.64×104hm2，超出部分大多集中在丘陵山地地區，屬于坡度大于15°的坡地。由于坡度較大，水土流失較重，一般而言，土地的坡度超過15°，地面徑流落差加大至水土流失的臨界點，便不利于農作物的生長。利用ArcGIS將上述所得的土地適宜性評價柵格結果數據與土地利用現狀柵格數據進行柵格空間疊加，提取煙臺市不合理的土地利用區域(圖3)，結果表明，煙臺市建議退耕還園的耕地面積有1.45×104hm2，建議退耕還林的耕地面積有7 900 hm2，說明第二次土地調查結果中不適宜發展耕作業的現有耕地有2.24×104hm2，在確保該市耕地紅線的情況下，應予以退耕還園、退耕還林。

據第二次土地利用調查，現有園地面積為2.39×105hm2，宜園面積超過現有園地面積1.65×104hm2。其中，前幾年受價格剪刀差的影響，存在著部分地勢平緩的優質耕地被果園擠占的現象，這部分土地地勢低平、土層深厚、土壤肥沃，非常適宜發展耕作業，應予以退園還耕，建議退園還耕的園地面積有2 800 hm2(圖3)；還有一部分土地海拔較高、坡度較陡，不適宜發展園業生產，對于這部分不適合發展園業的丘陵山地，建議退園還林，發展各種類型的用材林和水源涵養林，這部分面積有2 900 hm2(圖3)。實現退耕還園后可以增加園地面積1.45×104hm2，累計尚有8 800 hm2可用于發展果業生產?？梢姽麡I有很大的發展空間，是未來煙臺市產業發展的優勢，應該因地制宜充分利用自然資源，加大果園的種植面積，豐富果園類型，壯大本市果業?，F有林草用地面積2.87×105hm2，比適宜性面積小4 500 hm2，說明本市在水土保持方面做得比較好，但是，也存在不合理的現象。有7 800 hm2的現有林草地分布在海拔相對較低、地勢低平、土層深厚的低丘陵緩坡和斜坡地區，這部分土地適宜發展耕作業和果業，但是，由于這部分林草地主要為苗圃和各種防護林，所以不建議退林還耕、退林還園。此外，考慮到煙臺市的地域特點，結合產業優勢，牧草業不是當地的主要產業，不適合大面積推廣，在現有林地區域，可以考慮適當增加草地面積，提倡喬、灌、草相結合，以草養灌、以灌養林，充分利用生態位分化理論，發揮土地的最大利用效率，增加地面覆蓋度，保土蓄水，涵養水源。

圖3 研究區不合理土地利用分析圖

5 結論及建議

(1) 煙臺市各種土地利用類型的比例基本合理，農用土地適宜性從高到低依次是耕地、林草地、園地。

(2) 煙臺市目前的土地利用以耕地為主，現有耕地比宜耕地面積大1.64×104hm2，對于位于宜耕區的現有耕地要切實保護，用地與養地相結合，依據自然條件發展多種作物生產，充分利用地力，但是在確保本市耕地紅線的情況下，對于不適宜耕作區的海拔較高、坡度較陡、土層厚度小的現有耕地建議退耕還園、退耕還林，累計面積有2.24×104hm2。

(3) 實際園地面積比適宜性面積小1.65×104hm2，應該因地制宜，充分利用煙臺市得天獨厚的自然條件，發展果業生產，豐富果園類型，把煙臺建設成面向世界的干鮮果生產基地，但是對于宜耕區的地勢平緩、土壤肥沃的2 800 hm2園地，建議退園還耕，避免園地擠占優質耕地，對于宜林草區的海拔較高、坡度較陡的2 900 hm2園地，建議退園還林，解決好用地矛盾。

(4) 林草地的實際面積略小于適宜性面積4 500 hm2，說明煙臺在水土保持方面做得較好，但是，還需進一步加大水土保持力度，注意喬、灌、草相結合，提高土地利用率，此外，目前煙臺市也有7 800 hm2的林草地位于海拔相對較低、土壤肥沃的宜耕區和宜園區，由于這部分林草地主要為苗圃和各種防護林，所以不建議退林還耕、退林還園。

(5) 通過適宜性分析發現，煙臺市土地利用存在一定的不合理性，具有一定的調整空間，建議對不適宜的區域合理調整土地利用類型，優化農業產業布局，充分發揮土地的最大生產潛力，實現可持續發展。

(6) 本研究是在煙臺市土地利用適宜性評價的基礎上，針對煙臺市現有土地利用情況提出土地資源合理利用的建議，對合理化的產業布局有一定指導意義。受時間和資料所限，本文選取的土地適宜性評價因子有限，偏重于土地自然屬性，忽略了社會經濟因素對土地適宜性及對生產生活的影響；而且權重和評價指標體系的確定，采用專家咨詢法，一定程度地加入了人為主觀因素；此外，由于DEM數據分辨率和GIS數據分析過程中的誤差，對土地的適宜性評價結果也有一定的影響。

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Evaluation of Land Suitability in Yantai City Based on DEM

YAN Weihong1,YI Huapeng1, CHENG Zhenlong1, WANG Guangxuan1, GONG Wei1, ZHANG Xin2

(1.SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,LudongUniversity,Yantai,Shandong264025,China; 2.YantaiMunicipalLandandResourcesBureau,Yantai,Shandong264003,China)

[Objective] According to the principle of giving priority to cultivated land and secondarily considering garden, forest and grass land in land management, the suitability evaluation of the agricultural land was carried out to provide a theoretical basis for rational using of the lands of Yantai City. [Methods] Taking Yantai City of Shandong Province as the study area, using the function of ArcGIS spatial analysis to extract evaluation factors as altitude, slope, relief degree of land surface from DEM data. Combining with soil thickness investigation, the best suitability evaluation index system of agricultural land were determined. Upon which, the distributional suitability rank map of cultivated land, garden, forest and grass land was generated, and the spatial distribution of agricultural land suitability level of Yantai City was formed. [Results] In comparison with the data of second land survey of the Yantai City, the major area of land using was cultivated land, took up about 33% of the total land and covered more than the suitable area. Actual area of garden was smaller than the suitability area， and the actual forest and grass land area was a little less than the suitable area. [Conclusion] The land using of Yantai City is not reasonable, and has a certain room to be adjusted.

DEM; Yantai City; agricultural land; suitability evaluation; evaluation factors

2016-05-19

2016-06-04

國家自然科學基金項目“異質的植物空間分布格局和生態學機制研究”(31000197)，“黃河口生態恢復工程對濕地氮循環關鍵生物地球化學過程的影響”(41171424)，“海島植物群落構建機制研究：以廟島群島為例”(31570423)

閆濰虹(1991—),女(漢族),山東省濰坊市人,碩士研究生,主要研究方向為水土資源開發與高效利用。E-mail:weihongyan1228@163.com。

衣華鵬(1965—),女(漢族),山東省煙臺市人,學士,教授,碩士生導師,主要從事土地資源開發利用方面的科研教學工作。E-mail:huapengyi@sina.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.036

A

1000-288X(2016)06-0210-06

P967, P208

文獻參數： 閆濰虹， 衣華鵬， 程振龍, 等.基于DEM的煙臺市農用土地適宜性評價[J].水土保持通報，2016,36(6)：210-215.