基于AHP-SCEI-GIS的信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價研究

關鍵詞：耕作層；土壤剝離；適宜性評價；層次分析法；信豐縣

中圖分類號：F301.24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）04-0134-07

耕作層土壤是人類經過長期耕作活動而形成的高度熟化土壤，具有較高的有機質含量和生物活性，是農作物根系生長和養分吸收的主要區域[1]。耕作層土壤的形成過程極為緩慢，大約200～400年才形成1cm厚度的耕作層土壤，屬于非再生性農業資源[2]。近年來，隨著我國城市化和工業化的快速發展，越來越多的耕地不可避免地被非農建設用地所占用，導致耕作層土壤常常遭到廢棄和破壞，不僅浪費了大量的優質耕地資源，同時也加劇了農用地與非農用地之間的矛盾[3，4]。江西省自然資源廳2023年發布的《關于推進建設占用永久基本農田耕作層土壤剝離利用工作的通知》指出，有效保護、合理利用珍貴的耕地耕作層土壤，提升耕地質量，保障耕地生產能力穩定。耕作層土壤剝離利用是一種保護和合理利用農業資源的重要途徑，是對被占用耕地的表層土壤開展剝離工作，并將其用于新耕地的開發、低質土地的改良或其他耕地的土壤質量提升[5]。這一重要舉措對于堅守耕地紅線、維護國家糧食和生態安全都具有重大戰略意義。

目前，多數學者對于耕作層土壤剝離利用的研究主要集中在剝離利用模式[6]、剝離覆土技術[7，8]、土壤調查評價[9]、政策法規分析[10]、成本效益優化[11]等方面，對于土壤剝離適宜性評價的相關研究尚處于起步階段。陳艷華等[12]采用多指標綜合加權法集成土方量、與機動車道的距離、地形坡度、土壤質地和有機質質量分數等指標，建立了適用于山區丘陵地帶的耕作層剝離適宜性評價體系，并進一步明確了該區域適宜剝離和不適宜剝離的田塊的面積及范圍。張紅富等[13]著重考慮了土壤環境質量、土壤肥力和表土剝離工程條件三個方面的易獲得性指標，并基于多目標線性加權函數構建了剝離適宜性評價模型，測算了廣東省韶關市古洋村和大橋村的耕作層土壤剝離的適宜性。屠代豪等[14]在確定了剝離區的評價單元后，基于土方量、土壤質地、有機質含量、土壤pH、坡度、路網密度、財政投入、田塊聚集度、耕地類型等九個指標，建立了剝離適宜性評價體系，識別了南昌市耕作層土壤剝離的優先剝離區。

本研究以江西省信豐縣為例，從自然條件、社會經濟條件和用地條件出發，利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）和GIS集成坡度、土方量、土壤質地、土壤有機質、土壤pH、土層厚度、與高速公路距離、與主干道距離、耕地破碎度、耕地類型等10個指標，建立信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價指標體系和評價模型，明確研究區耕作層土壤適宜剝離和不適宜剝離的地塊，對于區域耕作層土壤剝離利用、耕地資源的可持續發展具有重要意義。

1研究區概況與數據來源

1.1研究區概況

信豐縣位于貢水支流桃江中游、江西省贛州市中部偏南（圖1），介于114°34’～115°19’E、24°59’～25°33’N之間，是贛南臍橙的發源地，被譽為“世界橙鄉”，國土總面積約為2878km²。全境地形地貌以丘陵盆地為主，中部地勢平坦，東部、南部及西北部山地特征明顯。信豐縣作為國家商品糧基地縣，擁有豐富的農業資源，耕地總面積約占全縣面積的13.72%，其中旱地面積約為72km²，水田面積約為323km²。截至2023年底，全縣下轄13個鎮、3個鄉，常住人口67.26萬人，GDP為304.05億元。近年來，信豐縣耕地“非糧化”現象日益凸顯，2010—2020年的糧食產量降低了3.95萬t，人均糧食占有量減少了64.41kg[15]。此外，2022—2023年全縣旱地面積減少了1.94km²，水田面積減少3.35km²，減少面積占耕地總面積的1.33%。面對這一挑戰，信豐縣積極采取措施，開展耕作層土壤剝離利用工作，以期提高耕地的質量和利用效率，為保障國家糧食安全和推動農業高質量發展提供基礎保障。

1.2數據來源

本文使用的研究數據主要包括耕地資源質量分類年度更新與監測成果、年度耕地數據、道路數據以及行政區劃數據。其中，坡度、土層厚度、土壤質地、土壤有機質、土壤pH、耕地類型等數據來源于耕地資源質量分類年度更新與監測成果，土方量、耕地破碎度等基于年度耕地數據計算得出，耕地資源質量分類年度更新與監測成果、年度耕地數據等來源于自然資源部門。道路數據則來源于開放街道地圖OSM（https：//www.openstreetmap.ch/）；研究區矢量區劃文件來源于中國科學院資源環境科學與數據平臺（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）。使用ArcGIS軟件處理和分析數據，所有數據均采用高斯克呂格投影和2000國家大地坐標系，并重分類至30m×30m像元大小以作為評價單元。

2研究方法

2.1評價指標體系的構建

本研究基于科學性、綜合性和指標數據的可獲得性等原則，對信豐縣耕作層土壤的現狀進行分析，通過層次分析法（AHP）構建耕作層土壤剝離適宜性的層次結構模型，將信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價作為目標層，自然條件、社會經濟條件及用地條件作為準則層，總共選取十個指標作為指標層（圖2）。

2.1.1自然條件指標

根據信豐縣耕作層土壤的實際情況，本研究選取坡度、土方量、土壤質地、土壤有機質、土壤pH、土層厚度等6項指標作為耕作層土壤剝離適宜性的自然條件指標。其中，坡度直接影響到剝離作業的難易程度、土壤侵蝕風險以及剝離后土壤的穩定性。在坡度較大的地區進行剝離作業，不僅增加了施工難度和成本，還可能引發水土流失和破壞土壤穩定性，從而影響土壤的再利用價值。土壤質地決定了土壤的滲透性、保水性和可耕性，對土壤的管理和作物的生長至關重要。不同質地的土壤對耕作、灌溉和施肥的要求不同，影響其剝離后再利用的效率。因此，質地優良的土壤具有更高的剝離價值，其中壤土為最優，粘土次之，而砂土則相對較低。土壤有機質是衡量土壤肥力和健康狀況的關鍵性指標。通常，有機質含量高的土壤具有更好的結構和更高的生物活性，有利于增強土壤水分和養分的保持能力，應該考慮優先剝離。土壤pH是土壤酸堿平衡的關鍵指標，直接影響養分的有效性和作物生長。理想的土壤pH值接近中性，一般在7.0左右，這有助于保持土壤的健康狀態和養分的最優利用。土層厚度是影響土壤剝離和再利用的關鍵因素。較厚的土層通常含有更多的養分和更好的物理結構，剝離后可以提供更多的土壤資源用于再利用。土方量決定了土壤剝離的規模效益，剝離土方量越大，規模效益越高。參照《建設占用耕地耕作層土壤剝離利用技術規程》（DB45/T1992-2019）中土方量的計算方法并根據信豐縣耕作層田塊的特點，使用耕作層厚度與田塊剝離面積的乘積計算耕作層土壤剝離土方量。計算方法如下：

式中：Q_i表示第i個剝離單元的土壤剝離土方量；S_i表示第i個剝離單元的田塊剝離面積，按水平投影面積計算；H_i表示第i個剝離單元的耕作層厚度。根據相關資料和調查結果，信豐縣旱地的耕作層厚度在25cm左右，水田的耕作層厚度在20cm左右。

2.1.2社會經濟評價指標

綜合考慮信豐縣的指標可獲得性，選取剝離區與高速公路距離以及與主干道距離作為耕作層土壤剝離適宜性的社會經濟指標。高速公路的可達性直接影響到剝離土壤的運輸效率和成本，剝離區與高速公路的距離越近，運輸剝離后的土壤越快捷，運輸成本越低。主干道作為區域交通網絡的重要組成部分，其與剝離區的距離同樣對土壤剝離的運輸成本和效率產生影響。剝離區與主干道的近距離有助于提高剝離土壤的運輸便利性，減少中間轉運環節，降低因道路條件不佳帶來的潛在風險。利用ArcGIS技術，從信豐縣的道路數據中分出高速公路和主干道路，并通過歐式距離計算，分別統計出剝離區與高速公路、主干道的距離。

2.1.3用地評價指標

耕地類型是評估耕作層土壤剝離適宜性的重要指標。信豐縣耕地類型可分為水田和旱地，其中水田的土壤肥力較高，可剝離的土方量也較多，而旱地的土壤肥力僅次于水田，可剝離的土方量也相對較少。耕地破碎度是指耕地分布的離散程度，它反映了地塊的規整性與連片程度。這一指標對于耕作層土壤剝離的適宜性評價至關重要，直接關系到剝離作業的效率、成本以及后續的土壤管理和利用。耕地越破碎，越不利于進行集中化的耕作層土壤剝離。耕地破碎度的可以采用耕地斑塊的周長和面積進行計算，計算方法如下：

式中：C_i表示第i個耕地斑塊的破碎度；L_i表示第i個耕地斑塊的周長；A_i表示第i個耕地斑塊的面積。

2.2適宜性綜合評價

2.2.1評價指標權重賦值與分級

自然條件、社會經濟條件與用地條件三者之間存在著緊密的聯系，它們共同決定了土壤剝離的適宜性。在開展耕作層土壤剝離適宜性研究時，需全面考慮這些因素的綜合影響。層次分析法是一種實用的多準則決策工具，其核心理念在于將復雜的決策問題劃分成多個層級，一般涵蓋目標層、準則層和指標層等。該方法通過將指標兩兩比較的方式來度量各指標的重要性，并據此綜合得出決策結果[16]。本研究基于層次分析法確定各評價指標的權重，通過構建層次模型，將多個評價指標按照其重要性進行排序和比較，形成判斷矩陣。通過專家打分法，對每一對指標進行重要性比較，構建指標間的兩兩比較矩陣。接著，對這些判斷矩陣進行一致性檢驗，確保比較過程的準確性，避免出現偏差。計算得到的最大特征值為λ_max=11.313，偏離一致性指標CI=（λ_max-n）/（n-1）=0.146，隨機一致性比率CR=0.098lt;0.1，表明判斷矩陣通過了一致性檢驗。最終，得出各指標的權重值（表1）。

利用ArcGIS軟件對各指標進行分級處理，根據耕作層土壤剝離的適宜性程度劃分為極度適宜、高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜五個等級，并對不同適宜性等級賦分，分別為1分、2分、3分、4分、5分，在ArcGIS中按不同數量進行重分類。分數值越低，則表示信豐縣的耕作層土壤越適宜剝離，反之，則越不適宜剝離。

2.2.2適宜性綜合評價指數模型

根據上述指標權重和分級結果，利用ArcGIS柵格計算器對信豐縣的10個指標開展加權求和，構建適宜性綜合評價指數（suitability comprehensive evaluation index，SCEI）模型，獲得信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價結果。采用自然斷點法對剝離適宜性評價結果進行分級，分別對應極度適宜、高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜五個等級。加權求和公式如下：

式中：SCEI為適宜性綜合指數；w_i為各項指標的權重（i=1，2，3……，n）；S_i為各項指標的分級得分；n為指標個數。

3結果與分析

3.1評價指標適宜性分析

針對自然條件、社會經濟條件和用地條件的各指標進行適宜性分區分析，將極度適宜區、高度適宜區、中度適宜區和勉強適宜區劃為適宜區，計算單個指標適宜區面積占整個剝離區面積的比重（表2），并獲得10個指標適宜性的空間分布情況（圖3—圖12）。對坡度指標進行分析，適宜區面積為437.48hm²，占剝離區總面積的99.58%，說明大部分耕地坡度較緩，其中中部和南部地區的地形坡度較為平緩，以適宜區為主，西北部地區則坡度較大（圖3），多為不適宜區。根據土方量分析，適宜區面積占比95.94%，說明土方量剝離區整體適宜性較高，其中極度適宜區面積高達222.82hm²，占剝離區總面積的一半以上，這些區域多分布在油山鎮、嘉定鎮和西牛鎮（圖4）。根據土壤質地適宜性結果，剝離區84.62%的區域均表現為極度適宜（圖5）。對土層厚度進行分析，適宜區面積為421.52hm²，占剝離區總面積的95.96%，其中又以極度適宜和高度適宜為主要分布（圖6），說明土層厚度的剝離適宜性整體較高。對土壤pH值分析，主要表現為中度適宜、勉強適宜和不適宜，其中不適宜區的面積占比最大，為31.89%，主要分布在研究區西北部（圖7）。從土壤有機質含量和分布上看，76.26%的區域為中度適宜（20～30g/kg），99.72%的區域為適宜（圖8），參照《耕作層土壤剝離再利用項目設計規范》（DB35/T1762-2018）中的評價標準，土壤剝離層的有機質含量不低于15g/kg，說明土壤有機質含量總體剝離適宜性較高。對耕地與高速公路的距離分析，適宜區面積為196.85hm²，占剝離區總面積的44.81%；對耕地與主干道的距離分析，適宜區面積為142.31hm²，占剝離區總面積的32.4%。兩項指標均適宜區占剝離區總面積的比重較少，說明信豐縣社會經濟指標總體適宜性較低。對耕地破碎度進行分析，適宜剝離的地區為421.49hm²，占剝離區總面積的95.95%，說明耕地破碎度指標總體適宜性較高。對耕地類型進行分析，整個剝離區分布為極度適宜區和高度適宜區（圖12），面積分別為280.05hm²和159.25hm²，說明耕地類型適宜性較高。

3.2剝離適宜性評價結果分析

根據加權求和結果計算出適宜性綜合評價指數值為1.3868～3.0184，采用自然斷點法初步劃分評價指數的閾值，然后再進一步綜合修正，將信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價結果分為極度適宜區（lt;2）、高度適宜區（2～2.3）、中度適宜區（2.3～2.45）、勉強適宜區（2.45～2.7）和不適宜區（gt;2.7）五個區域，并分別統計各區域的面積及占剝離區總面積的比重（表3），獲得信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價等級的空間分布特征（圖13）。從整體來看，適宜區總面積為348.27hm²，占剝離區總面積的79.28%，這些區域地形平緩、交通便利、土層較厚、土壤質地較好、有機質含量較高、pH適宜、耕地斑塊較為完整、剝離再利用效益較好；不適宜區總面積為91.02hm²，占剝離區總面積的20.72%，這些區域田塊規模小、土壤質量差、耕地破碎化嚴重、交通不便、剝離難度大、剝離成本高、不宜開展剝離再利用工作。其中，極度適宜區面積為26.84hm²，占剝離區總面積的6.11%；高度適宜區面積為102.02hm²，占剝離區總面積的23.22%；中度適宜區面積為107.43hm²，占剝離區總面積的24.45%；這三類區域主要分布在油山鎮、嘉定鎮、西牛鎮、大塘埠鎮。勉強適宜區面積為111.98hm²，占剝離區耕地總面積的25.49%；不適宜區面積為91.02hm²，占剝離區耕地總面積的20.72%。這兩類區域零星分布在油山鎮、西牛鎮、大阿鎮、嘉定鎮、安西鎮和萬隆鄉。

4結論與討論

4.1結論

本文基于層次分析法（AHP）、適宜性綜合評價指數（SCEI）法和GIS技術對信豐縣耕作層土壤剝離適宜性進行了綜合評價，主要研究結論如下：

（1）在GIS技術的支持下，采用層次分析法從自然條件、社會經濟條件和用地條件3個維度，選取坡度、土方量、土壤質地、土壤有機質、土壤pH、土層厚度、與高速公路距離、與主干道距離、耕地破碎度、耕地類型等10個指標，建立信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價指標體系，并通過專家打分法確定指標的權重，構建適宜性綜合評價指數模型。

（2）從自然條件、社會經濟條件和用地條件的各指標的適宜性分區來看，坡度、土方量、土壤質地、土壤有機質、土壤pH、土層厚度、耕地破碎度和耕地類型等指標的適宜區面積占剝離區總面積的比重均超過了50%，說明自然指標和用地指標的總體適宜性較高；而剝離區與高速公路距離、與主干道距離等社會經濟指標的適宜區的面積占比則低于不適宜區的面積占比，分別為44.81%和32.4%，說明社會經濟指標的總體適宜性較低。

（3）利用SCEI模型對信豐縣耕作層土壤剝離適宜性進行了評價并分級，明確研究區耕作層土壤適宜剝離和不適宜剝離的地塊。信豐縣耕作層土壤剝離區大部分都適宜剝離，適宜區面積為348.27hm²，占剝離區總面積的79.28%，主要分布在地形平緩、交通便利、土層較厚、土壤質地較好、有機質含量較高、pH適宜、耕地斑塊較為完整的區域。其中，又以高度適宜區、中度適宜區和勉強適宜區為主體，面積分別為102.02hm²、107.43hm2和111.98hm²，合計占剝離區總面積的73.17%。不適宜區面積為91.02hm²，占剝離區耕地總面積的20.72%，零星分布在西牛鎮、大阿鎮、嘉定鎮、安西鎮和萬隆鄉。

4.2討論

在城市建設和土地開發的過程中，珍貴的耕作層土壤資源常常面臨被破壞和浪費的風險。為了有效保護和合理利用這一不可再生資源，本研究構建了信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價指標體系，并運用適宜性綜合評價指數模型進行了全面評價。但研究中仍有一些關鍵議題需要深入探討：

本研究將GIS技術用于耕作層土壤剝離適宜性評價，具有科學性、可操作性以及實用性等特點。GIS技術中區域空間數據處理、可視化等功能，在研究評價指標的等級劃分、多因子疊加分析等方面具有重要作用[9，18-19]。此外，在指標體系方面，以往的研究主要依據土方量、單位實施成本和土壤質量等指標來評估土壤剝離的適宜性[12，17]，本研究不僅全面考慮了剝離區域的自然條件和社會經濟條件，還將用地條件納入了評價指標體系，一定程度上對現有的耕作層土壤剝離適宜性評價進行了補充和完善。

盡管如此，本研究在指標選取和權重劃定方面仍存在一定的局限性。雖然研究過程中參考了當前的研究進展和信豐縣耕作層土壤的具體特征，但在指標的選取和權重的確定上仍然依賴于專家經驗，存在一定的主觀性。因此，未來的研究需要進一步優化和完善指標體系，可以考慮引入更多的指標，如生產條件、工程技術條件、政策條件等[5，7]，以增強耕作層土壤剝離適宜性評價指標體系的全面性和有效性。同時，可以采用多種主觀和客觀的權重計算方法，通過比較和驗證，篩選出最適合研究區的權重計算方法，從而使適宜性評價結果更為科學合理。

（責任編輯：趙寶成）