基于GIS的安塞縣縣南溝流域農用地生態適宜性評價

李茂森, 王繼軍,2, 陳 超, 成思敏, 李 玥

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100; 3.中國科學院大學, 北京100049; 4.陜西地建土地工程技術研究院, 陜西 西安 710075)

安塞縣縣南溝流域作為黃土高原丘陵溝壑區的典型代表，自1999年實施退耕還林工程以來草地和林地面積顯著增加，生態環境得到了巨大改善。與此同時流域內凈碳匯量增量明顯[1-2]，種植業生態價值也呈穩步遞增趨勢，流域碳匯產業潛力巨大[3]。但實際中縣南溝流域內資源并沒有得到充分合理利用，資源與產業不相協調現象依然存在[4-5]，資源短缺與資源浪費并存，林草產業及相關產業發展滯后使區域的可持續發展受到了嚴重制約[6]。農用地作為農業資源系統中的重要組成部分是直接用于農業、林業、牧業等農業生產的土地[7]。在保持生態系統穩定的前提下，為了能夠充分利用流域內農業資源，合理規劃農業產業布局，需要對縣南溝流域內農用地生態適宜性進行科學評價。

農用地的常規評價多依賴于地理信息等科學方法和技術，通過一定的算法和模型來開展農用地評價[8]，是一種較為完善的評價方法體系。目前常用的土地適宜性評價方法大多為判別分析法或模糊綜合評價法[9-11]，雖然主觀性較強，但在一定程度的土地適宜性評價內不失為一種有效的評價方式。在評價指標的選取方面，目前的農用地適宜性評價大多為多層次，綜合化評價體系，但在不同地域類型側重點不同，在黃土高原地區，受自然環境、人為等因素的限制，在進行農用地適應性評價時則更加側重于生態效益[12-13]。

縣南溝流域內農地數量較為穩定，農地變化主要表現為內部結構的變化[14]。在此基礎上，利用RS，GIS技術，從立地條件、土壤性質和土地利用狀況3個方面構建評價指標體系，綜合應用層次分析和模糊綜合評價方法構建評價模型對縣南溝流域農用地進行生態適宜性評價，從而劃分科學合理的土地利用方式，為流域的高效可持續發展奠定基礎。

1 研究區概括和數據來源

縣南溝流域位于延安市北部，安塞縣沿河灣鎮內(東經109°12′12″—109°22′12″，北緯36°41′24″—36°46′12″)。流域內梁峁起伏、溝谷縱橫，最高地海拔為1 404 m,最低點海拔為1 012 m，平均海拔為1 219 m。流域年降水量為500～550 mm，降雨年分配不均，主要集中在7—9月，屬大陸性干旱半干旱氣候。縣南溝流域總面積為4 426.04 hm2，人口約為2 500人，目前流域耕地面積為377.37 hm2，占流域總面積的8.53%，果園面積為148.86 hm2，占3.36%，水域、居民區等非生產用地面積為66.91 hm2，占1.51%，其余為林地和草地分別占35.91%和50.69%。縣南溝流域內林地樹種主要以刺槐為主，耕地主要分布在壩地、川地和梯田上，種植作物大多為玉米、土豆，果園則分布在梯田及緩坡地上，果樹樹種主要為蘋果樹。

本文主要數據來源是縣南溝流域2015年數字高程圖(DEM)，2015年的Google高清遙感影像圖(TM)，2015年縣南溝流域調查數據以及1984年延安市土壤普查數據。

2 研究方法

2.1 農用地生態適宜性評價模型構建

本文采用多因子分級加權指數和法[15]作為縣南溝流域農用地的生態適宜性綜合評價模型，其評價步驟如下：通過對評價流域的實地分析篩選出影響農用地利用的主要因子，通過專家打分的方式得到各個因子對農用地影響程度的分值，采用層次分析法(AHP)得到各因子的權重值，然后對每一因子進行統計量化，通過ArcGIS軟件分析處理得到各評價因子的流域矢量圖，利用ArcGIS的圖層疊加分析功能將各個矢量圖進行加權疊加，得到各土地利用類型適宜性評價結果，劃分評價單元適宜性等級，最后得到農用地適宜性的空間分布[16]。評價模型表達式為：

式中：Suit為某一評價單元的適宜性綜合評價分值；n為評價因子總數；Wi表示第i個評價因子的權重；Pi為評價單元的第i個評價因子的分值；i為評價因子編號。

2.2 農用地生態適宜性評價指標體系構建

2.2.1 評價指標及評分的確定 通過對黃土高原丘陵溝壑區農用地實際情況的分析，結合野外生態調查與歷史資料收集，根據評價指標體系構建的基本原則[17]，結合影響流域內農用地利用的實際情況與數據獲取的可行性，最后與專家分析討論，選擇立地條件指標(坡度、坡向、海拔、地貌類型)、土地利用現狀指標、土壤性質指標(土壤類型、土壤質地、土壤結構)共8個因子作為縣南溝流域適宜性分析的主要影響因子。

對于立地條件指標層中坡度、坡向、海拔數據通過ArcGIS軟件處理流域數字高程圖(DEM)得到，地貌類型數據則利用ArcGIS軟件提取DEM中的山脊線和山谷線，從而得到流域地貌類型特征[18]，繪制完成地貌類型圖；而土地利用現狀則通過綜合分析Google遙感影像圖和縣南溝2015年調查數據并借助ENVI軟件劃分得到；土壤性質指標層數據為1984年延安市安塞縣土壤普查數據。

將各評價因子的土地適宜性等級劃分為4個等級[19]:高度適宜、中等適宜、勉強適宜、不適宜。對應適宜性的4個等級，采用4分制，分別對應4，3，2，1。在評價因子的等級劃分中坡度等級節點劃分為6°，15°，25°，45°，在黃土高原丘陵溝壑區6°以下的農用地可作為農用旱地或牧草地；6°～15°可以通過利用水土保持工程措施修筑開挖梯田；25°為國家實施退耕還林還牧政策的坡度界限；45°為退耕還林的極限坡度[20-22]；由于流域內海拔相對高差對于流域土地利用類型沒有決定性的影響作用，為減少高程分類同一級中的差異，增加級間的差異，提高小尺度流域評價的準確性采用自然間斷法[23]將縣南溝海拔高度劃分為三類，分別為1 012～1 169 m，1 169～1 257 m，1 257～1 404 m。其余評價因子則根據其內在屬性進行劃分(表1)。

表1 縣南溝流域農用地適宜性評價指標

2.2.2 評價指標權重的確定 本文利用層次分析法將指標體系分為目標層(縣南溝流域農用地生態適宜性評價)、指標層、因子層3層，通過專家打分的方式確定各評價指標層及其評價因子層的相對重要性，構建指標層與因子層的兩兩判斷矩陣，計算判斷矩陣的特征根和特征向量，得到各個指標體系分層的適宜性權重，最后進行一致性檢驗其CR均小于0.1，判斷矩陣滿足一致性(表2)。

表2 評價因子權重

3 結果與分析

3.1 各評價單元適宜性等級劃分

利用ArcGIS軟件將包含7個評價因子的矢量圖進行疊加，得到縣南溝流域農用地生態適宜性評價評價單元圖，單元圖共劃分為1 511個評價單元，每個評價單元都具有坡度、坡向、海拔高度、地貌類型、土壤類型、土壤質地、土壤結構和土地利用現狀8個屬性數據。根據評價模型，結合表1到表4中單元評價因子分級的賦值與權重，采用地圖代數方法計算出各個評價單元林地、草地、耕地、園地的適宜性評價得分，適宜性得分越高則表示適宜性越好。評價結果為連續的柵格表面，其中林地適宜性得分值為1.747 6～4，草地適宜性得分值為3.040 3～4，耕地適宜性得分值為1.369 7～4，園地適宜性得分值為1.393 3～4，非生產地各土地利用類型適宜性評分值為0(附圖10)。

利用自然斷點法將各個評價單元的土地利用類型適宜性程度劃分為高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜四類，得到各土地利用類型適宜性在流域內的面積分布。流域內土地利用類型適宜性最高的為草地，農用地草地適宜性面積達到流域總面積的97.04%，少許的草地不適宜性農用地主要分布在流域南坡坡度較陡的陽坡地上；流域內林地也表現出高度適宜性，僅中度宜林以上的農用地面積就占到流域總面積的58.02%，高度宜林的農用地面積也達到流域總面積的24.24%，主要分布在壩地、川地、流域北坡的溝谷以及坡度較緩的陰坡地上；園地在流域內的適宜性面積相比草地、林地則相對較少，但所占流域比例依然很大，達到流域總面積的79.52%，但高度宜園的農用地面積則只有573.34 hm2僅為流域總面積的12.95%；流域內農用地的耕地適宜性在所有土地利用類型里適宜性最低，雖然可耕作的農用地面積也達到流域總面積的74.48%，但高度宜耕性的農用地僅為流域總面積的10.50%，而且大多為梯田、壩地這些通過水土保持工程措施改造的農用地，具體詳見表3。

表3 縣南溝流域農用地不同土地利用類型適宜性狀況

3.2 縣南溝流域各土地利用類型劃分

在縣南溝流域土地利用現狀的基礎上，根據各個評價單元得到的各土地利用類型的適宜程度等級，按照耕地、園地、林地、草地的優先順序，從高度適宜到不適宜依次選取，為保障耕地、園地生產力的高效性只選取高度適宜和中度適宜耕地、園地的評價單元。其次各評價單元確定的適宜性土地利用類型，如果存在同一評價單元內有多個同等適宜程度的土地利用類型，在優先順序不超1的情況下判斷為二者同等適宜。由于草地的高適宜性，在評價單元中耕地、園地為勉強適宜的在不適宜林地的情況下皆判斷為宜草地，四種土地利用類型皆不適宜的評價單元則判斷為不適宜地。從而得到縣南溝流域農用地各適宜性土地利用類型分布(附圖11)：其中適宜性面積最大的土地利用類型依然為草地，占流域總面積的33.66%,主要分布在流域北坡的坡面部，而在流域南坡的坡面處則更適宜園地的使用，對流域進行適宜性選擇后，流域的適宜性園地總面積為1 155.57 hm2，占流域總面積的26.11%，其中宜園地面積為773.15 hm2，宜耕宜園地面積為225.46 hm2，宜林宜園地面積為156.96 hm2。在適宜性選擇后，適宜性林地總面積相比流域林地現有面積變化不大為1 448.30 hm2，占流域總面積的32.72%，其中881.43 hm2為宜林宜草地，利用現狀主要為林地和草地，但單宜林性農用地只有流域總面積的9.26%，主要原因為大部分現有林地表現出與宜林性同等的宜草性或更高的宜園性。宜耕地則依然表現出對環境的苛刻性，總宜耕面積僅為流域總面積的14.26%，除了主要在川地、壩地、梯田上分布外，其余則分布在流域北坡的部分緩坡處(表4)。

表4 縣南溝流域農用地適宜性面積分析 hm2

3.3 適宜性評價前后流域土地利用類型變化

縣南溝流域農用地適宜性評價后，由于雙適宜性農用地對各適宜性土地利用類型的緩沖作用，各土地利用類型適宜性總面積相比于流域各土地利用現狀除了園地適宜性面積有明顯增加外其余變化不大(圖1)。但總的宜林面積相比于流域現狀則有所減小，主要原因為現有林地具有多種適宜性，表現為部分林地展現出更好的宜園性以及少許林地的宜耕性，而且總的宜林、宜草面積相比于流域現有林地、草地面積明顯減少，減少面積占現有林地、草地面積的23.34%。除了面積變化外，各土地利用類型適宜性空間分布相比土地利用現狀也變化較大，主要表現為流域南坡的陽坡、半陽坡上部分緩坡地的現有草地、林地表現出更好地宜園性，這也是適宜性園地面積明顯高于現有園地面積的主要原因，而在一些陰坡半陰坡的溝谷和緩坡地上的現有草地、林地則表現為宜林宜草的雙適宜性。相比現有林地、草地適宜性的變化，現有耕地、園地則變化不大，除了部分耕地、園地表現出宜耕宜園的雙適宜性外，其余絕大部分依然表現出良好的現有土地利用類型的適宜性。

圖1 評價前后土地利用類型所占流域比例

4 討 論

4.1 縣南溝流域農用地有待合理利用，農用地資源潛力巨大

縣南溝流域作為黃土高原丘陵溝壑區典型代表，生態環境脆弱，流域內產業發展面臨著如何與生態環境保持協調等問題。本文通過建立多因子評價模型，應用GIS技術對流域內農用地利用方式的適宜性進行了合理劃分。從劃分結果來看在實施退耕還林工程后縣南溝流域耕地、園地面積仍然有提升空間，特別是園地發展空間巨大。其次流域草地空間發展潛力巨大，適宜性評價后現有草地中除單一宜草地外，其他適宜性土地利用類型草地面積占現有總草地面積的36.00%，占流域總面積的18.25%，主要為較好的宜園和宜林性。所以流域內現有荒草地可向林地、園地適當轉變，這樣不僅能夠更好地保持流域生態系統穩定性，增加經濟收入還能增加流域內的碳匯儲量，對流域低碳發展能起到良好的促進作用。

4.2 果業發展前景較好，應適當增加果業投入

山地蘋果為安塞縣的特色產業，有著得天獨厚的氣候環境和完善的產業鏈。縣南溝流域內果業潛力巨大，流域現有果園面積占流域總面積的3.36%，但適宜果園面積達到流域總面積的26.11%，其中高度適宜面積為流域總面積的12.95%相比現有果園面積增加2.85倍。流域可根據自身情況加大果業投入，開墾未利用的適宜園地，其中高度宜園的農用地可發展蘋果、梨等高產值果業，中度宜園的農用地則可種植核桃、山杏、棗樹等具有水土保持效益的經濟樹種。合理規劃發展在增加流域生產經濟效益的同時也能保持流域的生態效益，維持流域發展的可持續性。

4.3 農用地利用緩沖性強，土地利用方式多樣

從流域農用地適宜性等級劃分的結果可知，單適宜性分布的宜耕地、宜園地、宜林地和宜草地所占流域比列皆在70%以上，同時具有雙類型同等適宜程度的農用地面積比例也達到流域總面積的28.55%。流域內農用地表現出多適宜性，土地利用結構方式多樣，特別是部分林草地具有著多種土地利用類型的適宜性。在保持生態系統穩定和流域農用地各適宜性范圍內，根據不同需求可合理改變土地利用結構，在適應不同環境變化的同時也能維持流域內生態效益和經濟效益的動態平衡。

5 結 論

基于GIS技術的農用地適宜性評價可以將具體的要素數據化，通過多層次因子的疊加分析能較全面的綜合農用地適宜性的各種影響要素，在一定程度內提高了評價結果的科學性和合理性。同時適宜性評價結構的劃分通過計算機完成，較好的保持了評價結果的客觀性。本文以多因子評價模型為基礎從立地條件、土壤性質和土地利用狀況三個方面構建評價指標體系，劃分了縣南溝流域農用地不同土地利用類型的適宜性，從評價結果的劃分來看各適宜性土地利用類型所占流域比例較為合理，分別為宜耕宜園地面積占流域面積的5.09%，宜耕地面積地占9.17%，宜林宜園地面積占3.55%，宜園地面積占17.47%，宜林宜草地面積占19.91%，宜林地面積占9.26%，宜草地面積占33.66%。從評價結果的前后變化來看，除了流域開發較少的園地適宜性面積有明顯的增加外，其余土地利用類型的總適宜性面積變化不大，以此可以表明以多因子評價模型建立的縣南溝流域農用地生態適宜性評價方法是可行的。

6 問題與展望

6.1 流域農用地適宜性劃分沒有絕對性

本文劃分的流域內農用地各土地利用類型適宜性是以耕地、園地、林地、草地的重要程度依次劃分的，劃分的各土地利用類型適宜性并沒有絕對性，是在一定程度內的科學參考，例如宜耕、宜園地區域只是在同等條件下最適宜耕地、園地使用的區域，而對于林地、草地這類土地利用類型可能同樣適宜使用。在以后的研究中可根據流域的不同需求改變流域土地利用類型的側重點，劃分不同類型的流域農用地適宜性，從而達到流域發展的動態平衡與可持續性。

6.2 適宜性評價因子選擇與賦值的主觀性

由于沒有統一的評價標準，本文的適宜性評價因子的選擇主要是通過與該領域的多個專家討論分析得到的，而且對農用地適宜性影響較大的土壤侵蝕因子和水源條件，由于土壤侵蝕數據無法獲取以及流域內農用地基本依靠雨水灌溉并沒有納入到本文的評價指標體系中，評價體系的全面性可能會受到影響。其次各因子適宜性評價的劃分標準和各因子權重都是采用專家咨詢的方式產生，由于這種方式比較主觀，整個評價體系的客觀性也有待深入研究。未來可以結合實際需要，應用新的技術方法獲取更全面的評價指標體系，減少主觀因素在評價中的影響，從而得到更科學更合理的流域農用地適宜性。

參考文獻:

[1] 顧文,趙阿麗,徐健,等.基于碳匯生產理念下的縣南溝流域退耕還林工程實施效果評價[J].水土保持研究,2014,21(2):144-151.

[2] 王正淑,王繼軍,劉佳.退耕地林草植被碳匯及與農業生態經濟系統的關系:以陜西省縣南溝流域為例[J].草地學報,2016,24(2):263-269.

[3] 王正淑,王繼軍.縣南溝流域種植業生態價值的測算與分析:基于碳匯視角[J].水土保持研究,2015,22(6):261-266.

[4] 顧文,王繼軍,齊智娟.不同優化情境下的縣南溝流域商品型生態農業系統耦合關系[J].水土保持研究,2014，21(5):163-168.

[5] 李奇睿,王繼軍,郭滿才.基于結構方程模型的安塞縣商品型生態農業系統耦合關系[J].農業工程學報,2012,28(16):240-247.

[6] 王繼軍.黃土丘陵區紙坊溝流域農業生態經濟系統耦合過程分析[J].應用生態學報,2009,20(11):2723-2729.

[7] 趙慶玲,周洋,王曉軍.“鄉土”農用地評價:以山西省河曲縣沙坪村為例[J].中國生態農業學報,2015,23(2):239-245.

[8] 邱炳文,池天河,王欽敏,等.GIS在土地適宜性評價中的應用與展望[J].地理與地理信息科學,2004,20(5):20-23.

[10] 吳立忠,郭世乾,張保田.基于GIS的黃土高原丘陵溝壑區的耕地地力評價研究:以天水市麥積區耕地地力評價為例[J].中國農業資源與區劃,2009(6):35-41.

[11] Malczewski J. Ordered weighted averaging with fuzzy quantifiers: GIS-based multicriteria evaluation for land-use suitability analysis[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2006,8(4):270-277.

[12] 吳濤,蘇美霞.國內農用地適宜性評價研究綜述[J].內江師范學院學報,2013,28(8):59-62.

[13] 王丹丹,吳普特,趙西寧.黃土高原退耕還林(草)效益評價研究進展[J].西北林學院學報,2010,25(3):223-228.

[14] 杜娜,王繼軍.縣南溝流域農業土地利用/覆被變化淺析[J].水土保持研究,2009,16(6):171-173.

[15] 南曉娜,彭天祥,劉科偉.GIS支持下的山地城市用地適宜性評價:以陜南嵐皋為例[J].國土資源科技管理,2009,26(3):101-105.

[16] 齊增湘,廖建軍,徐衛華,等.基于GIS的秦嶺山區聚落用地適宜性評價[J].生態學報,2015,35(4):1274-1283.

[17] 李春越,謝永生.黃土高原土地資源生態經濟適宜性評價指標體系初步研究[J].水土保持通報,2005,25(2):53-56.

[18] 湯國安.ArcGIS地理信息系統空間分析試驗教程[M].北京:科學出版社,2012.

[19] 張友焱,周澤福,程金花.黃土丘陵溝壑區土地適宜性評價研究：以山西省中陽縣圪針耳流域為例[J].水土保持學報,2003,17(1):93-95.

[20] 湯國安,宋佳.基于DEM坡度圖制圖中坡度分級方法的比較研究①[J].水土保持學報,2006,20(2):157-160,192.

[21] 黃志霖,傅伯杰,陳利頂.黃土丘陵區不同坡度,土地利用類型與降水變化的水土流失分異[J].中國水土保持科學,2005,3(4):11-18.

[22] 傅伯杰,邱揚,王軍,等.黃土丘陵小流域土地利用變化對水土流失的影響[J].地理學報,2002,57(6):717-722.

[23] 莫建飛,陸甲,李艷蘭,等.基于GIS的廣西洪澇災害孕災環境敏感性評估[J].災害學,2010,25(4):33-37.