基于GIS的天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)

劉軍， 詹然， 孫蔚

(天津市渤海城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，天津　300451)

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基于GIS的天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)

劉軍， 詹然， 孫蔚

(天津市渤海城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，天津300451)

摘要：耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，耕地適宜性評(píng)價(jià)是耕地合理利用的重要基礎(chǔ)，可為耕地的利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。以天津市濱海新區(qū)為研究對(duì)象，以耕地適宜性評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用遙感和GIS確定評(píng)價(jià)單元，結(jié)合濱海新區(qū)具體情況和數(shù)據(jù)的可獲取性，選取土壤、地質(zhì)及灌溉等3類共5個(gè)評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，借助GIS和加權(quán)指數(shù)求和評(píng)價(jià)模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果劃分了4個(gè)等級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明： 1—4級(jí)分別占評(píng)價(jià)單元總面積的5.65%，27.25%，44.42%和22.68%，全區(qū)耕地質(zhì)量不容樂觀； 全區(qū)高度適宜耕種地區(qū)分布在太平鎮(zhèn)、小王莊鎮(zhèn)、中塘鎮(zhèn)、空港經(jīng)濟(jì)區(qū)南部、胡家園街、新城鎮(zhèn)、茶淀鎮(zhèn)、大田鎮(zhèn)、河西街和楊家泊鎮(zhèn)一帶； 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)各級(jí)用地分別提出建議，對(duì)提高濱海新區(qū)整體耕地質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)耕地合理有效利用具有實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：GIS； 適宜性評(píng)價(jià)； 耕地； 天津?yàn)I海新區(qū)

0引言

隨著我國城市化進(jìn)程加速，建設(shè)用地占用了大量耕地。我國人均耕地較少，且存在耕地污染嚴(yán)重，耕地后備資源嚴(yán)重不足，耕地利用率低等問題[1]。我國耕地僅占世界10%，人口卻占世界的22%，面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候危機(jī)、環(huán)境污染、土地退化而帶來的糧食減產(chǎn)，糧食安全一直是國家的頭等大事。

土地適宜性評(píng)價(jià)是針對(duì)土地在一定的用途條件下，鑒定土地對(duì)該用途的適宜性的過程[2]。為了更加高效、科學(xué)、合理地利用耕地，國內(nèi)對(duì)耕地適宜性評(píng)價(jià)方法做了大量的科學(xué)研究，近年來基于GIS的耕地適宜性評(píng)價(jià)受到了廣泛的關(guān)注。楊子生應(yīng)用已建立的土壤流失方程進(jìn)行了滇東北山區(qū)基于可持續(xù)利用的耕地適宜性評(píng)價(jià)，將山區(qū)耕地適宜性分為5個(gè)等級(jí)[3]； 周慧娟等利用GIS技術(shù)對(duì)北京密云進(jìn)行了耕地適宜性評(píng)價(jià)，深入分析了4種主要農(nóng)作物在空間位置的配比[4]； 趙在友對(duì)重慶市云陽縣進(jìn)行耕地適宜性評(píng)價(jià)，根據(jù)研究結(jié)果提出了提高全縣耕地利用率的合理建議[5]； 柯新利等采用層次分析法(analytichierarchyprocess,AHP)確定指標(biāo)權(quán)重，在柵格尺度上對(duì)湖北省開展了耕地適宜性評(píng)價(jià)[6]。雖然基于GIS耕地適宜性評(píng)價(jià)的研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，并取得了很大的進(jìn)展，但是有的研究將城鎮(zhèn)和水體等都列入了評(píng)價(jià)范圍，用土地指標(biāo)如土壤質(zhì)地等去評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)、水體不太妥當(dāng)。

本文以天津?yàn)I海新區(qū)為研究對(duì)象，剔除水體和城鎮(zhèn)、村落及大型工礦企業(yè)占用地等建設(shè)用地后確定評(píng)價(jià)單元，選取影響耕地適宜性的評(píng)價(jià)因子，通過層次分析法確定權(quán)重并構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。最后基于GIS通過指標(biāo)加權(quán)求和將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行疊加分析，得出耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

天津市濱海新區(qū)地處華北平原北部，海河流域下游，市中心區(qū)東部的環(huán)渤海灣中心地段，東臨渤海，西與東麗區(qū)接壤，北與天津市寧河縣、河北省豐南縣為鄰，距北京140km，下轄27個(gè)街鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為W38°40′～39°00′，E117°20′～118°00′，區(qū)境南北長，東西窄，呈彎弓狀，天津港坐落其間。該區(qū)地處東北亞經(jīng)濟(jì)中心地帶，輻射中國“三北”(東北、華北、西北)地區(qū)[7]，是亞歐大陸橋的東起點(diǎn)之一。

天津?yàn)I海新區(qū)耕地資源相對(duì)豐富，耕地面積占496km2(基本農(nóng)田390km2，一般耕地106km2)[8]。然而土壤鹽堿化嚴(yán)重，鹽漬化土壤面積約占濱海新區(qū)總面積的86.3%[9]。加之近年來城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，建設(shè)用地占用了大量耕地以及土壤污染加劇，導(dǎo)致耕地面積減少，耕地質(zhì)量降低，耕地資源受到嚴(yán)重威脅。

選用的遙感影像為天津市濱海新區(qū)2009年8月30日獲取的TM影像。圖1是經(jīng)TM影像R(3)G(2)B(1)波段合成的模擬真彩色圖像，空間分辨率為30m。

圖1　研究區(qū)位置

2研究方法

2.1技術(shù)路線

本文具體的技術(shù)路線如圖2所示。首先，將城鎮(zhèn)、村落、大型工礦企業(yè)等建筑用地和水體、沿海灘涂等剔除，確定評(píng)價(jià)單元；之后，結(jié)合研究區(qū)的具體情況和數(shù)據(jù)的可獲取性選取影響耕地適宜性的評(píng)價(jià)因子，確定等級(jí)和分值，并運(yùn)用層次分析法確定各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重； 最后，基于GIS技術(shù)將各個(gè)參評(píng)因子進(jìn)行疊加運(yùn)算，并根據(jù)得到的總分值進(jìn)行重分類，得到耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖2　耕地適宜性評(píng)價(jià)技術(shù)路線

2.2確定評(píng)價(jià)單元

本文通過TM影像，基于歸一化建筑指數(shù)(normalizeddifferencebuild-upindex，NDBI)[10]，自動(dòng)判別出城鎮(zhèn)、村落及大新工礦企業(yè)等建設(shè)用地，結(jié)合模擬真彩色圖像目視解譯，將自動(dòng)判別的結(jié)果進(jìn)行規(guī)整。剔除得到的建設(shè)用地和現(xiàn)有的水體、沿海灘涂等，得到的評(píng)價(jià)單元(均為耕地分布區(qū))，如圖3所示； 建設(shè)用地、灘涂、水體及評(píng)價(jià)單元等各類地塊的面積統(tǒng)計(jì)見表 1。

地表類型建設(shè)用地水體灘涂評(píng)價(jià)單元面積/km2505.05636.55148.071394.77面積比/%18.8123.715.5251.96

2.3選取評(píng)價(jià)因子

選取評(píng)價(jià)因子需要根據(jù)影響耕地適宜性的各種自然因素和社會(huì)因素，綜合土壤、地貌、灌溉條件等各個(gè)方面來確定。影響研究區(qū)耕地適宜性的因子很多，不可能也沒有必要選取所有評(píng)價(jià)因子。根據(jù)研究區(qū)的具體情況，遵循評(píng)價(jià)因子的差異性、主導(dǎo)性、相互獨(dú)立性以及綜合性等原則[9]，經(jīng)過比較分析，確定評(píng)價(jià)因子為坡度、土壤質(zhì)地、土壤鹽漬化程度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤土體構(gòu)成和灌溉條件等6個(gè)影響因子。由于濱海新區(qū)地處華北平原，地勢(shì)平坦，坡度基本在2°以內(nèi)，因此可忽略坡度對(duì)耕地適宜性的影響。本文所采用的是研究區(qū)的土壤數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)和農(nóng)田溝渠數(shù)據(jù)，其中土壤數(shù)據(jù)中的土壤質(zhì)地和地質(zhì)數(shù)據(jù)中的土體構(gòu)成均來自聯(lián)合國農(nóng)組織(FoodandAgricultureOrganization，F(xiàn)AO)2003年土壤更新數(shù)據(jù)，土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤鹽漬化數(shù)據(jù)均來自全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)； 溝渠數(shù)據(jù)來自天津市渤海城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院地名系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的溝渠要素空間數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均生成評(píng)價(jià)單元內(nèi)連續(xù)分布的柵格數(shù)據(jù)。

2.4構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)FAO1976年的《土地評(píng)價(jià)綱要》的規(guī)定，將耕地的適宜性級(jí)別劃分為高度適宜(1級(jí))、中度適宜(2級(jí))、勉強(qiáng)適宜(3級(jí))和不適宜(4級(jí))等4個(gè)級(jí)別[11]，各個(gè)因子按照這4個(gè)等級(jí)分別打4分、3分、2分和1分。AHP確定權(quán)重法是通過因子之間的成對(duì)比較，生成一個(gè)比例矩陣，再依次計(jì)算出因子權(quán)重。其優(yōu)點(diǎn)在于通過構(gòu)建因子間的判斷矩陣推斷出各個(gè)因子間的相對(duì)重要性，充分考慮了因子間的相互關(guān)系，而不是孤立、主觀地賦值[12]。本文采用AHP法，通過確定指標(biāo)相對(duì)重要性得出評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后確定各個(gè)因子的權(quán)重。構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表2。

表2　耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.5建立適宜性評(píng)價(jià)模型

依據(jù)天津市濱海新區(qū)的實(shí)際情況，選取了土壤、地質(zhì)及排灌等3個(gè)方面的土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤鹽漬化程度、土壤土體構(gòu)成、溝渠密度共5個(gè)評(píng)價(jià)因子。同時(shí)，基于層次分析法確定了各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，并分別分級(jí)、賦值，科學(xué)客觀地構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，為了將各個(gè)評(píng)價(jià)因子疊加分析，本文采用加權(quán)指數(shù)法構(gòu)建了天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)模型，即

(1)

式中: P為評(píng)價(jià)單元綜合的分值; wi為評(píng)價(jià)因子權(quán)重; pi為評(píng)價(jià)因子分值; i為評(píng)價(jià)因子編號(hào); n為評(píng)價(jià)因子總數(shù)，本文n=5。按照上述方法計(jì)算所有評(píng)估因子的加權(quán)指數(shù)和，根據(jù)得到的總分值大小來確定各評(píng)價(jià)單元的適宜性等級(jí)。

3評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

基于上述評(píng)價(jià)方法，根據(jù)評(píng)價(jià)因子對(duì)耕地適宜性影響的程度，將單因子評(píng)價(jià)結(jié)果按照表2進(jìn)行分級(jí)并賦值，每個(gè)因子的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖 4。

(a) 土體構(gòu)成 (b) 鹽漬化程度

圖4-1單因子分析結(jié)果

Fig.4-1Resultsofthesingleindexanalysis

(c) 有機(jī)質(zhì)含量(d) 土壤質(zhì)地(e) 溝渠密度

圖4-2單因子分析結(jié)果

Fig.4-2Resultsofthesingleindexanalysis

將單因子評(píng)價(jià)結(jié)果依據(jù)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行疊加分析，得到評(píng)價(jià)單元耕地適宜性分值。對(duì)得到的耕地適宜性分值按照從低到高等間隔加上限制性閾值后進(jìn)行重分類，并劃分為高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜4個(gè)等級(jí)，最后得到研究區(qū)農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖 5，評(píng)價(jià)結(jié)果面積統(tǒng)計(jì)見表3。

圖5　天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

適宜性等級(jí)高度適宜中度適宜勉強(qiáng)適宜不適宜綜合分值≥3.09[2.59,3.09)[2.10,2.59)[1.6,2.10)面積/km278.85380.06619.58316.28面積比/%5.6527.2544.4222.68

表3中的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，濱海新區(qū)土地耕種適宜性比較差。

從評(píng)價(jià)結(jié)果分布格局(圖 5)來看，最適宜耕種的土地主要分布在濱海新區(qū)最南部地區(qū)的太平鎮(zhèn)、小王莊鎮(zhèn)和中塘鎮(zhèn)，中西部地區(qū)的空港經(jīng)濟(jì)區(qū)南部、胡家園街和新城鎮(zhèn)，西北部地區(qū)的括茶淀鎮(zhèn)、大田鎮(zhèn)、河西街和北部地區(qū)的楊家泊鎮(zhèn)等地段。這些地區(qū)土體構(gòu)成較好，鹽漬化程度低，灌溉條件好，土壤質(zhì)地較適宜農(nóng)作物的生長。中度適宜區(qū)域分布和高度適宜區(qū)域相同，但是面積比高度適宜區(qū)域大。高度適宜區(qū)域零星分布在中度適宜區(qū)域內(nèi)。勉強(qiáng)適宜區(qū)域主要分布在東北部地區(qū)的楊家泊鎮(zhèn)、寨上街，中部地區(qū)的空港經(jīng)濟(jì)區(qū)、北塘鎮(zhèn)、新河街、大沽街、吉林街、勝利街、北大港水庫和西南部地區(qū)的中塘鎮(zhèn)、小王莊鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、港西街及海濱街等地段。這些地區(qū)雖然土體構(gòu)成較好，但是土壤質(zhì)地一般，鹽漬化程度嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)含量較低，灌溉條件較差，只能勉強(qiáng)適宜農(nóng)作物的生長。不適宜區(qū)域主要分布在濱海新區(qū)沿海地區(qū)的吉林街、大沽街、北塘街和寨上街和中部地區(qū)的大沽街和北大港水庫周圍地段。這些地區(qū)雖然土體構(gòu)成較好，但是土地限制的因素很多，如鹽漬化程度嚴(yán)重、灌溉條件差、土壤質(zhì)地適宜性一般、有機(jī)質(zhì)含量較低等，這些都導(dǎo)致農(nóng)作物很難在這些地區(qū)生長。

為了切實(shí)加強(qiáng)耕地保護(hù)和土地的合理利用，最大程度上改造中度適宜區(qū)域和勉強(qiáng)適宜區(qū)域，綜合提高耕地的生產(chǎn)能力，結(jié)合以上的評(píng)價(jià)結(jié)果，分別對(duì)各個(gè)適宜等級(jí)地區(qū)的耕地利用和保護(hù)提出建議：

1)高度適宜區(qū)。切實(shí)加強(qiáng)保護(hù)耕地，避免建設(shè)用地占用耕地，防止土地污染。

2)中度適宜區(qū)。該區(qū)分布與高度適宜基本相同，但分布面積要更廣泛，其適宜性下降主要是因?yàn)橥寥利}漬化程度高以及排灌條件低。因此加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)，通過興修水利和其他配套設(shè)施，提高灌溉條件。采用物理和化學(xué)措施，改善土壤結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)土壤滲透性，減少鹽漬化污染。

3)勉強(qiáng)適宜區(qū)。勉強(qiáng)適宜區(qū)域面積最大，占評(píng)價(jià)單元的44.42%，且分布廣泛。這些地區(qū)適宜性的限制性因素包括： 鹽漬化程度高、有機(jī)質(zhì)含量低、灌溉條件差等。因此需要長期堅(jiān)持并加大土壤整治力度： 合理施肥，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，改良鹽漬化土地。興修水利，建立完善的農(nóng)田灌溉排水系統(tǒng)。除此之外，還應(yīng)加大土地整理復(fù)墾力度，通過農(nóng)村居民點(diǎn)整理復(fù)耕和歸并零散農(nóng)田。

4)不適宜區(qū)。對(duì)于土壤污染嚴(yán)重以及其他因素限制而不適宜耕種的土地應(yīng)實(shí)施退耕還林還草，防止水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，提高土地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

4結(jié)論和討論

1)耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，耕地適宜性評(píng)價(jià)是耕地合理利用的重要基礎(chǔ)，為耕地的利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。本文運(yùn)用GIS手段評(píng)價(jià)天津?yàn)I海新區(qū)耕地適宜性，通過確定評(píng)價(jià)單元、選取評(píng)價(jià)因子、構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并運(yùn)用評(píng)價(jià)模型對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行疊加分析，得到了天津市濱海新區(qū)耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2)本文在前人的基礎(chǔ)上，通過遙感方法，剔除了水體和建設(shè)用地后確定評(píng)價(jià)單元。尤其對(duì)于像天津?yàn)I海新區(qū)這種比較發(fā)達(dá)且水體分布廣泛的城市，評(píng)價(jià)單元的確定顯得尤為重要。結(jié)果表明： 評(píng)價(jià)單元中僅有5.65%的土地高度適宜耕種。天津?yàn)I海新區(qū)位于環(huán)渤海地區(qū)的中心位置，內(nèi)陸廣闊，土地資源相對(duì)豐富。但是，由于土地鹽漬化嚴(yán)重，在加上因工業(yè)發(fā)展帶來的有機(jī)污染和重金屬污染，耕地質(zhì)量下降，農(nóng)作物減產(chǎn)問題突出。

3)本文采用AHP方法確定指標(biāo)權(quán)重，而AHP方法需要依靠專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行打分，具有一定主觀性。在今后工作中需要優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重確定的方法，使指標(biāo)權(quán)重的確定更加科學(xué)客觀。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Evaluation of cultivated land suitability for Binhai NewAreaofTianjinbasedonGIS

LIU Jun, ZHAN Ran, SUN Wei

(Tianjin Bohai Urban Planning & Desingn Institute, Tianjin 300451， China)

Abstract:Cultivatedlandisanessentialresourceandconditionforthesurvivalofhumanbeings.Evaluationofcultivatedlandsuitabilityisthebasisofthelandreasonableutilizationandcanprovidethescientificbasisforutilizationandmanagementofcultivatedland.TakingTianjinBinhaiNewAreaasthestudyobjectandbasedonthetheoryofcultivatedlandsuitability,theauthorsconfirmedtheevaluationunitwithcombinationsofGISandRS. 5evaluationfactorswereselectedincludingsoilgeologyandirrigationtobuilduptheevaluationsystemwithcombinationsofspecificsituationsofBinhaiXinAreaandtheavailabilityofdata.ThentheresultsofcultivatedlandsuitabilityweredividedintofourlevelsbasedonGISandweightedindexsummationmodel.Theresultshowedthateachlevelaccountedfor5.65%, 27.25%, 44.42%, 22.68%ofthetotalevaluationunitarearespectivelyfromlevelⅠtolevelⅣ.Thewholequalityofcultivatedlandisnotverygood.ThehighlysuitableregionsaremainlydistributedinTaipingTown,XiaowangzhuangTown,ZhongtangTown,northofAirportEconomicZone,HujiayuanStreet,XinchengTown,ChadianTown,DatianTown,HexinStreetandYangjiaboTown.Theauthorsputforwardsomeadvicesforeachlevellandofevaluationresultbasedontheresultsofeachindexevaluation,whichareveryimportantforimprovingcultivatedlandqualityofthewholeBinhaiNewAreaandusinglandreasonablyandavailably.

Keywords:GIS;suitabilityevaluation;cultivatedland;TianjinBinhaiNewArea

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.25

收稿日期：2015-02-13；

修訂日期：2015-05-08

中圖法分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-070X(2016)03-0160-06

第一作者簡介：劉軍(1987-)，男，碩士，研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感和土地利用。Email:liujun198707@126.com。

引用格式： 劉軍,詹然,孫蔚.基于GIS的天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)[J].國土資源遙感,2016,28(3):160-165.(LiuJ,ZhanR,SunW.EvaluationofcultivatedlandsuitabilityforBinhaiNewAreaofTianjinbasedonGIS[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):160-165.)