山地丘陵區未利用地生態風險評價及開發工程匹配
——以河北省懷來縣為例

王曉晴， 牛志君， 康 薇， 張立強， 張俊梅

(1.河北農業大學資源與環境科學學院，河北保定 071000； 2.河北農業大學國土資源學院，河北保定 071000)

當前，河北省正處在工業化、城鎮化快速發展的關鍵時期，經濟發展和城市化建設迅猛，要求持續增加建設用地。這使資源與環境的矛盾日趨嚴峻，生態環境持續惡化，保障經濟發展與保護耕地紅線的“雙保”壓力不斷增大。為破解國土資源管理中保障發展和保護資源的“兩難”問題，拓展城鄉用地空間，保護耕地，應積極引導開發使用未利用地。近年來，在國土資源部的組織引導下，未利用地開發工作在河北省各地快速推進，對緩解土地供需矛盾，保障耕地占補平衡和總量動態平衡，保障經濟社會發展，推進河北沿海經濟社會發展強省建設起到了積極作用，但在實施過程中也出現了很多的問題：由于缺少相應理論方法指導，導致補充耕地的質量難以保障；同時引發了一些生態問題，如土地沙化、水土流失、土壤鹽漬化等。上述問題的出現，主要是由于缺乏一套系統的、精準的未利用地調查評價及影響評估的理論和方法體系。其中，未利用地的系統分類和適宜性評價是關鍵。一方面，雖然許多學者已經對未利用地開發適宜性評價及潛力評價方面做了大量研究，很多地區在未利用地開發實踐中也進行了許多有益的探索和嘗試，但大多注重分析土地的自然屬性，或從方便農業生產的角度分析少量的區位因素，而較少系統地分析經濟條件、社會因素等對未利用地開發的影響[1-3]。另一方面，目前我國土地的利用管理的基礎是土地利用現狀分類體系，該體系的依據是土地的用途、經營特點、利用方式、覆蓋特征[4-6]。對于未利用地的開發利用而言，其開發利用方向未定，此種分類方法概括性較強，無法為未利用地的精準開發利用提供服務。

因此，為嚴格保護耕地紅線，有效利用國土資源，科學實施國土綜合整治，積極推進生態文明建設，切實保障國家糧食安全，本研究以未利用地開發利用分類為突破口，以適宜性評價為依據，以生態風險防護為導向，以匹配工程為保障，以期為未來土地開發利用方向以及開發利用工程改造提供理論基礎，為拓展城鄉建設用地新空間提供新的突破口，為緩解國土資源管理中的保障發展和保護資源的“雙保”壓力提供技術和決策支持。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

河北省懷來縣屬于大陸性季風型氣候，地形地貌特點南北高、中間低，呈現復雜多樣的態勢，分布有山地、丘陵、盆地、河川平原等，中間有官廳水庫，形成兩山夾一川的地形。該縣地處冀西北間山盆地雨影區，降水稀少，天氣干旱，生態環境敏感脆弱；地處北京上風上水，擔負北京的生態屏障作用，這也制約了縣域經濟社會的可持續發展。河北省懷來縣山地丘陵較多，土地承載能力低，黃土覆蓋深厚，加上山地坡度大，水土流失較為嚴重，造成植被成活率較低；且該縣未利用土地較多，共有58 406.30 hm2，占全縣土地總面積的32.43%，開發潛力巨大。未來幾十年將是懷來縣快速發展時期，城市建設、工業發展等均需要大量的后備土地資源，因此這些未利用地是否能有效開發將成為未來發展的關鍵因素。

1.2 數據來源

本研究所采用的基礎數據主要來源是懷來縣2015年土地利用現狀圖，高程數據為地理空間數據云下載的數字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)數據(數據空間分辨率為30 m×30 m)，植被覆蓋度來源于歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，簡稱NDVI)數據，以及實地調查等數據，數據詳實可靠。

2 研究方法

2.1 研究思路

本研究對山地丘陵區的未利用地進行要素特征分析，并結合開發利用限制因素及匹配工程類型對未利用地進行開發利用分類；針對特定開發利用方向，對區域內未利用地資源進行生態風險評價，并針對不同生態風險條件提出有針對性的開發工程配套措施，為高效、合理利用未利用地資源和生態環境保護提供依據。

2.2 未利用地開發利用分類

未利用地是指未施加人類影響、未被利用的土地，是除建設用地、農用地以外的土地；分為荒草地、鹽堿地、沙地、裸地、灘涂等，此分類(稱作現狀分類)體系僅能反映地表狀況，含義具有具有一定的概括性，無法根據未利用地的現狀分類確定其開發方向及工程。因此，需要針對未利用地所處的自然條件和自身屬性，結合開發方向和工程改造因素，進行未利用開發利用分類(稱為利用分類)，為未利用地向精準開發邁進一步。

未利用地開發利用分類以未利用地開發利用方向確定和工程匹配為目的，所以未利用地自然條件和開發工程改造因素是未利用地分類的主要考慮因素，主要分為氣象、地形、地貌、土壤、水文、植被等大類。在綜合分析眾多未利用地開發條件的同時，正確識別未利用地開發的主導因素尤為重要。

山地丘陵區地形起伏較大，未利用地一般土層較薄，具有相對較大的坡度，土壤植被狀況受基巖類型影響較大，不同的基巖類型風化程度、風化層厚度、風化土壤中的養分含量差異較大，且植被覆蓋情況也有很大不同。同時此區未利用地開發時一般受水源影響很大，水源保證程度決定了開發的難易程度和成本。因此本區在進行未利用地分類時選擇基巖類型、坡度、土層厚度、水源情況這4個因素作為主要的分類因素。根據懷來縣實地調查結果，結合專家判斷，上述4個因素類型情況的分類情況如表1所示。

依據上述主要分類因素排列組合法進行類別劃分，按照連續命名法進行命名，后面加“型”字。山地丘陵區共4個主要分類因素，故設4個字段，4個字段依次說明“基巖類型”“坡度”“土層厚度”和“水源狀況”，具體為各分類因素的其中1個類型，以其相應的字段名稱(表1)表示。如某塊未利用地，其基巖類型為片麻巖，坡度15°～20°，土層厚度小于 40 cm，水源狀況為充分保障，則將此類命名為“片麻巖中陡坡中層富水型”，依此類推。

2.3 山地丘陵區未利用地開發生態風險評價

未利用地開發會對區域地形、土壤、水環境及生物多樣性產生重要影響，進而影響到區域生態系統的結構和功能，引發生態風險[7-8]。明確未利用地開發生態風險主導因子，評價其開發生態風險級別，并匹配相應的工程措施防范生態風險，對科學開發未利用地、保障區域資源環境的可持續發展具有重要的意義。

2.3.1 山地丘陵區主要生態風險狀況 山地丘陵區地形起伏較大，未利用地一般土層較薄，具有相對較大的坡度，土壤植被狀況受基巖類型影響較大，不同的基巖類型其風化程度、風化層厚度及風化土壤中的養分含量差異較大，且植被覆蓋情況也有很大不同[9-12]。受降水、地面穩固程度及土層厚度和植被狀況的影響，本區容易發生水土流失、干旱和生物多樣性等生態風險。

表1 山地丘陵區主要分類因素類型

2.3.2 生態風險類型分級

2.3.2.1 水土流失 水土流失生態風險受坡度影響很大，一般坡度越大，發生水土流失的風險也越大；同時水土流失與地面的穩固程度有很大關系，一般土壤緊實、植被覆蓋度好的地方，地面相對較穩固，其抵抗降雨侵蝕、保持土壤的能力相對較強，發生水土流失的風險相對更低。

根據懷來縣實地調查情況，選擇坡度和地面穩固度來計算水土流失風險的大小。其中地面穩固度與基巖類型、地面物質組成、指標覆蓋狀況等有密切的關系。水土流失生態風險可用如下公式進行計算[13-15]。

W=S×R。

(1)

式中：W代表水土流失的風險；S表示坡度；R為地面穩固度，表征地表物質抵抗水力沖刷的程度；地面穩固度分為3級，最穩固為1級，最不穩固為3級。

根據實地調查結果，將山地丘陵區的水土流失生態風險等級劃分為3級，其中1級風險相對較低，3級風險較高(表2)。

2.3.2.2 生物多樣性 生物多樣性指在一定時間、地區內所有生物物種及其遺傳變異和生態系統的復雜性總稱。根據調查，動物、微生物的多樣性與植被多樣性具有很大的相關性，因此選擇植被覆蓋度與植被種類數作為表征生物多樣性風險的指標。一般植被覆蓋度越高，植被種類數越多，生物多樣性風險越小[16]。利用植被覆蓋度和植被種類數來表征生物多樣性風險的計算公式如下：

SW=1/(P×N)。

(2)

式中：SW代表生物多樣性風險；P表示植被覆蓋度大小；N表示植被種類數，分為3級，喬灌組合為1級，草灌組合為2級，草本為3級。

根據調查結果，將生物多樣性風險劃為3級(表2)，用植被狀況表示，S1級代表風險最低，S3級表示風險最高。

2.3.2.3 干旱 根據調查結果，山地丘陵區干旱生態風險與

表2 山地丘陵區生態風險分級

土層厚度具有很大相關性，一般土層厚度較厚的地區，干旱的生態風險相對較小，植被較茂盛，而土層較薄的地區，干旱的生態風險相對較大。

根據調查結果，將土層厚度分為3級，土層厚度大于 50 cm 的為S1級，此級干旱風險相對較小；在20～50 cm的為S2級；小于20 cm的為S3級，此級干旱風險最大。

2.3.3 生態風險評價 山地丘陵區某地塊生態風險是該地塊上述3種生態風險的總體反映。本研究采用以下方法確定各地塊的生態風險等級[17-19]。此方法共分2步。第1步：采用因素加和法初步確定生態風險等級。(1)將某地塊水土流失、植被狀況/土層厚度這3個因素根據所屬等級分別附予相應的等級數字，如某地塊水土流失、植被狀況、土層厚度的風險等級分別為S3級、S2級、S3級，則將其附予數字3、2、3。(2)將該地塊的上述3個因素等級數字加和，作為總風險等級評價依據。如上述地塊風險等級加和為8。(3)根據3個風險等級加和結果初步劃分該地塊的生態風險等級。根據排列組合原則，3個因素加和后會得到3、4、5、6、7、8、9共7個數字。結合評價結果和實際情況，定為指數值3、4為1級，指數值5、6為2級，指數值7、8、9為3級。第2步，采用限制因子法對初步劃分結果進行調整。上述3個生態風險中，如果某1個生態風險達到3級，即最大生態風險，即使其他2個生態風險程度相對較低，也應將其綜合生態風險劃分為高等級。即只要3個生態風險因子中有1個生態風險等級為3，則其總生態風險等級調整為3級。因此，原本加和等于5的組合(1、1、3)、(1、3、1)、(3、1、1)及加和等于6的組合(1、2、3)、(1、3、2)、(3、2、1)、(3、1、2)、(2、1、3)、(2、3、1)均調整至3級。最終，山地丘陵區總生態風險等級對應各生態風險等級組合如表3所示。

表3 山地丘陵區總生態風險等級對應各生態風險等級組合

3 結果與分析

3.1 未利用地開發生態風險評價結果

根據上述生態風險因子分級標準及評價方法，借助ArcGIS 10.2軟件，對懷來縣未利用地進行各因子生態風險等別劃分，具體分布情況見圖1。

由圖1可知，懷來縣南部未利用地極易出現水土流失狀況，坡度較大，土層厚度較薄，開發時限制較多。將懷來縣未利用地的生態風險等別劃分為3個等級，即1級、2級、3級，其中1級生態風險最低，3級生態風險最高，具體分布情況見圖2。

懷來縣各鄉鎮均有未利用地資源分布，涉及地類主要有草地、裸地、內陸灘涂、沙地這4種地類，各地類面積分別為49 208.59、1 513.88、7 658.19、25.64 hm2。其中草地所占比例最大，為全縣未利用地面積的84.25%，沙地的分布面積最少，僅占0.04%。根據評價結果和圖2可知，懷來縣未利用地生態風險評價結果劃分為3個等級，1級、2級、3級生態風險的面積分別為7 081.33、21 008.18、30 316.80 hm2，占全縣未利用地總面積的比例分別為12.12%、35.97%、51.91%。生態風險等級較低的未利用地主要分布在縣域中西部的桑園鎮和東北部的北辛堡鎮以及存瑞鎮地區，這些區域坡度較小、植被狀況良好、有效土層偏厚，合理開發利用時發生生態風險的可能性偏低；生態風險中等的未利用地在該縣各個鄉鎮均有分布，以官廳水庫分布最多，占地面積高達7 438.27 hm2；而生態風險較高的地區主要集中在該縣南部的小南辛堡鎮和官廳鎮等鄉鎮，這些區域坡度較大，有效土層厚度偏薄，易發生水土流失和干旱等生態風險，故開發時尤其要注重其生態效益。

3.2 不同生態風險因子整治工程匹配

山地丘陵區未利用地開發時，要同時考慮開發地塊和其周邊可利用的資源條件，針對不同的生態風險因子等級及周邊可供利用的生態資源和環境，結合工程類型的特點，確定工程類型。例如，水土流失風險較大地塊，一般情況下坡度相對較大，地面穩固度較低，植被也較差，開發工程就需要梯田砌石護坡、生物護坡、客土、引水這4種措施組合。這種情況下實施工程，要根據該類工程組合的需要調查該地塊附近砌石、土源、水源、植物等資源的可利用程度。這些資源可供利用的程度越高，實施工程越能達到高標準的水平，工程實施后生態風險越小。因此，需要綜合考慮原地塊生態風險與該地塊周邊可利用的生態資源情況，區分出工程實施后的生態風險等級。

根據調查分析和總結，將山地丘陵區工程實施后的生態風險分為2級。1級為低生態風險級別，主要特征：坡度一般低于15°，地面穩固度高，地表物質緊實度高，抵抗水力侵蝕的能力較高；植被主要類型為喬灌組合，植被種類數大于9，植被覆蓋度大于70%；有效土層厚度大于50 cm。2級為中風險級別，主要特征：坡度為15°～25°，地面穩固度一般，地表物質組成較簡單，緊實度一般，抵抗水力侵蝕的能力一般。植被主要類型為草灌，植被種類數為5～8種，植被覆蓋度處于50%～70%之間，土層厚度在20～50 cm。

工程實施后的目標風險等級與原風險等級及周邊環境有密切關系。不同生態風險因子開發匹配工程及其所需周邊環境如表4所示。根據自身風險等級及周邊環境狀況判斷所需工程及開發后風險等級。以水土流失舉例說明，假設某地塊原水土流失等級為3級，周邊環境為地下水埋深100～200 m，土源距離2～5 km，距地表水源有一定距離。此時因地下水埋深相對較深，土源距離較遠，地表水引水不太方便，因此可以將水土流失風險目標等級定為2級，即開發完成后為中生態風險，開發工程為石坎梯田和引水工程。同樣地塊，假設周邊環境變為土源距離小于2 km，地下水埋深淺0～100 m，地表水豐富，距地表水源地近，交通便利，這時應將風險目標等級定為1級，即低風險，開發工程選擇混凝土梯田、生物護坡、引水工程。未利用地開發時如果周邊條件滿足開發為1級生態風險級別，則不能開發為2級生態風險級別。

工程實施后的生態風險級別須按照最小因子法則，將各項工程中生態風險目標級別最差的作為實施工程后的生態風險級別。即如果某地塊水土流失、植被狀況、土層厚度3個生態風險因素工程實施后有一個因素風險等級為2級，則此地塊開發后的風險等級為2級。

表4 山地丘陵區不同生態風險因子整治工程匹配

3.3 未利用地開發利用匹配工程

為科學快捷地匹配未利用地開發工程，實現未利用地精準開發，在對未利用地開發利用分類和適宜性評價的基礎上，針對不同類型區未利用地開發主導影響因素及其分級類型，結合開發易引發的生態風險類型及生態脆弱因子，提出未利用地開發的主要工程措施，如表5所示。

本研究中建議匹配的工程及其標準較傳統工程更注重開發易引發生態風險降低，在山地丘陵區可有效防止水土流失、干旱、土壤沙化等生態風險。首先對未利用地進行開發利用分類，根據分類名稱，就可以知道未利用地所處的狀況，然后根據未利用地所處的條件，進行需求分析，匹配工程。如山地丘陵區的基巖類型若是“片麻巖”，說明基巖風化強烈，風化層較厚，可形成較厚土層，因此在利用時，可進行深翻耕，若坡度較大，需進行護坡處理，因此若是片麻巖基巖，則建議工程為“深翻耕”；若是“花崗巖”，則此類基巖風化程度較低，風化層較薄，所形成土層薄，沙性強，植被覆蓋較少，需加適量客土才能開發利用，同時需進行黏土土壤改良，或增施有機質進行改良，因此若是“花崗巖”，建議工程為“覆客土”“施用有機肥”；而若是“石灰巖”，說明其基巖風化層薄，風化物黏重，營養元素少，基本無植被覆蓋，需大量客土才能開發利用，同時需增施有機肥，進行土壤改良。因此若是“石灰巖”，建議工程為“覆客土”“施用有機肥”。其他依此類推。

工程速查表使用時可根據未利用地利用分類的類型，通過查找對應影響因素的分級類型，找出需要的工程，然后進行組合使用即可。

表5 未利用地開發利用類型與工程匹配

4 結論與討論

4.1 結論

本研究運用地理信息系統(GIS)和遙感(RS)技術，基于土地利用分類以及生態風險評價的理論與方法，分析河北省典型山地丘陵區懷來縣的未利用地現狀特征，主要結論如下：(1)未利用地開發利用分類以確定未利用地開發利用方向和工程匹配為目的，所以未利用地自然條件和開發工程改造因素是未利用地分類的主要考慮因素。綜合考慮山地丘陵區的實際情況以及開發的難易，最終選擇基巖類型、坡度、土層厚度、水源情況這4個因素作為主要的分類因素。(2)根據研究區的生態狀況，選取水土流失、生物多樣性、干旱這3個生態風險因子進行生態風險評價。然后采用因素加和法初步確定生態風險等級，再用限制因子法對初步劃分結果進行調整。(3)懷來縣未利用地生態風險評價3個等級的面積分別為 7 081.33、21 008.18、30 316.80 hm2，各占全縣未利用地總面積的比例分別為12.12%、35.97%、51.91%。從空間分布上看，生態風險等別較低的未利用地主要分布在縣域中西部的桑園鎮和東北部的北辛堡鎮以及存瑞鎮地區；生態風險中等的未利用地在該縣各個鄉鎮均有分布，以官廳水庫分布最多；而生態風險較高的地區主要集中分布在該縣南部的小南辛堡鎮和官廳鎮等鄉鎮，這些區域坡度較大，有效土層厚度偏薄，易發生水土流失和干旱等生態風險，故開發時尤其要注重其生態效益。(4)針對不同類型區未利用地開發主導影響因素及其分級類型，結合開發易引發的生態風險類型及生態脆弱因子，提出了未利用地開發的主要工程措施。采用陡坡梯田、坡頂挖排水溝、生物護坡等工程降低開發時生態風險發生的概率。

4.2 討論

本研究通過對山地丘陵區未利用地資源進行開發利用分類以及生態風險因子評價分析，為進一步確定未利用地開發方向及開發工程以及為區域土地資源合理規劃利用，保護區域生態環境提供理論支撐。本研究豐富了未利用地的研究范圍，對今后未利用地的開發利用與生態保護具有重要意義，但本研究成果為初步成果，對未利用地的開發工程匹配具體實施分析不夠全面，今后將在此基礎上繼續更深層次的探索，以便更好地為區域未利用地的開發利用提供科學指導。