劉軍， 詹然， 孫蔚

(天津市渤海城市規(guī)劃設(shè)計研究院，天津　300451)

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基于GIS的天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評價

劉軍， 詹然， 孫蔚

(天津市渤海城市規(guī)劃設(shè)計研究院，天津300451)

摘要：耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，耕地適宜性評價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)為研究對象，以耕地適宜性評價理論為基礎(chǔ)，運用遙感和GIS確定評價單元，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個評價因子，構(gòu)建指標(biāo)評價體系，借助GIS和加權(quán)指數(shù)求和評價模型進行綜合評價，將耕地適宜性評價結(jié)果劃分了4個等級。評價結(jié)果表明： 1—4級分別占評價單元總面積的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)評價結(jié)果，對各級用地分別提出建議，對提高濱海新區(qū)整體耕地質(zhì)量，實現(xiàn)耕地合理有效利用具有實用意義。

關(guān)鍵詞：GIS； 適宜性評價； 耕地； 天津濱海新區(qū)

0引言

隨著我國城市化進程加速，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%，面對日益嚴(yán)峻的氣候危機、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。

土地適宜性評價是針對土地在一定的用途條件下，鑒定土地對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)對耕地適宜性評價方法做了大量的科學(xué)研究，近年來基于GIS的耕地適宜性評價受到了廣泛的關(guān)注。楊子生應(yīng)用已建立的土壤流失方程進行了滇東北山區(qū)基于可持續(xù)利用的耕地適宜性評價，將山區(qū)耕地適宜性分為5個等級[3]； 周慧娟等利用GIS技術(shù)對北京密云進行了耕地適宜性評價，深入分析了4種主要農(nóng)作物在空間位置的配比[4]； 趙在友對重慶市云陽縣進行耕地適宜性評價，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，在柵格尺度上對湖北省開展了耕地適宜性評價[6]。雖然基于GIS耕地適宜性評價的研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，并取得了很大的進展，但是有的研究將城鎮(zhèn)和水體等都列入了評價范圍，用土地指標(biāo)如土壤質(zhì)地等去評價城鎮(zhèn)、水體不太妥當(dāng)。

本文以天津濱海新區(qū)為研究對象，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)用地后確定評價單元，選取影響耕地適宜性的評價因子，通過層次分析法確定權(quán)重并構(gòu)建指標(biāo)評價體系。最后基于GIS通過指標(biāo)加權(quán)求和將各個指標(biāo)進行疊加分析，得出耕地適宜性評價結(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之一。

天津濱海新區(qū)耕地資源相對豐富，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，確定評價單元；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價因子，確定等級和分值，并運用層次分析法確定各個評價因子的權(quán)重； 最后，基于GIS技術(shù)將各個參評因子進行疊加運算，并根據(jù)得到的總分值進行重分類，得到耕地適宜性評價結(jié)果。

圖2　耕地適宜性評價技術(shù)路線

2.2確定評價單元

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，將自動判別的結(jié)果進行規(guī)整。剔除得到的建設(shè)用地和現(xiàn)有的水體、沿海灘涂等，得到的評價單元(均為耕地分布區(qū))，如圖3所示； 建設(shè)用地、灘涂、水體及評價單元等各類地塊的面積統(tǒng)計見表 1。

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

2.3選取評價因子

選取評價因子需要根據(jù)影響耕地適宜性的各種自然因素和社會因素，綜合土壤、地貌、灌溉條件等各個方面來確定。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價因子。根據(jù)研究區(qū)的具體情況，遵循評價因子的差異性、主導(dǎo)性、相互獨立性以及綜合性等原則[9]，經(jīng)過比較分析，確定評價因子為坡度、土壤質(zhì)地、土壤鹽漬化程度、土壤有機質(zhì)含量、土壤土體構(gòu)成和灌溉條件等6個影響因子。由于濱海新區(qū)地處華北平原，地勢平坦，坡度基本在2°以內(nèi)，因此可忽略坡度對耕地適宜性的影響。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)均生成評價單元內(nèi)連續(xù)分布的柵格數(shù)據(jù)。

2.4構(gòu)建評價指標(biāo)體系

根據(jù)FAO1976年的《土地評價綱要》的規(guī)定，將耕地的適宜性級別劃分為高度適宜(1級)、中度適宜(2級)、勉強適宜(3級)和不適宜(4級)等4個級別[11]，各個因子按照這4個等級分別打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比較，生成一個比例矩陣，再依次計算出因子權(quán)重。其優(yōu)點在于通過構(gòu)建因子間的判斷矩陣推斷出各個因子間的相對重要性，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)相對重要性得出評價因子的判斷矩陣，經(jīng)過一致性檢驗后確定各個因子的權(quán)重。構(gòu)建的評價指標(biāo)體系如表2。

表2　耕地適宜性評價指標(biāo)體系

2.5建立適宜性評價模型

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

(1)

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

3評價結(jié)果與分析

基于上述評價方法，根據(jù)評價因子對耕地適宜性影響的程度，將單因子評價結(jié)果按照表2進行分級并賦值，每個因子的評價結(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

將單因子評價結(jié)果依據(jù)評價模型進行疊加分析，得到評價單元耕地適宜性分值。對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行重分類，并劃分為高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜4個等級，最后得到研究區(qū)農(nóng)用地適宜性評價結(jié)果如圖 5，評價結(jié)果面積統(tǒng)計見表3。

圖5　天津市濱海新區(qū)耕地適宜性評價結(jié)果

適宜性等級高度適宜中度適宜勉強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中的評價結(jié)果表明，濱海新區(qū)土地耕種適宜性比較差。

從評價結(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，有機質(zhì)含量較低，灌溉條件較差，只能勉強適宜農(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。

為了切實加強耕地保護和土地的合理利用，最大程度上改造中度適宜區(qū)域和勉強適宜區(qū)域，綜合提高耕地的生產(chǎn)能力，結(jié)合以上的評價結(jié)果，分別對各個適宜等級地區(qū)的耕地利用和保護提出建議：

1)高度適宜區(qū)。切實加強保護耕地，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為土壤鹽漬化程度高以及排灌條件低。因此加強農(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)，加強土壤滲透性，減少鹽漬化污染。

3)勉強適宜區(qū)。勉強適宜區(qū)域面積最大，占評價單元的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、有機質(zhì)含量低、灌溉條件差等。因此需要長期堅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)村居民點整理復(fù)耕和歸并零散農(nóng)田。

4)不適宜區(qū)。對于土壤污染嚴(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，耕地適宜性評價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)。本文運用GIS手段評價天津濱海新區(qū)耕地適宜性，通過確定評價單元、選取評價因子、構(gòu)建評價指標(biāo)體系并運用評價模型對各個因子進行疊加分析，得到了天津市濱海新區(qū)耕地適宜性綜合評價結(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)用地后確定評價單元。尤其對于像天津濱海新區(qū)這種比較發(fā)達且水體分布廣泛的城市，評價單元的確定顯得尤為重要。結(jié)果表明： 評價單元中僅有5.65%的土地高度適宜耕種。天津濱海新區(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各個指標(biāo)的相對重要性進行打分，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：P208

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0160-06

第一作者簡介：劉軍(1987-)，男，碩士，研究方向為微波遙感和土地利用。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)耕地適宜性評價[J].國土資源遙感,2016,28(3):160-165.(LiuJ,ZhanR,SunW.EvaluationofcultivatedlandsuitabilityforBinhaiNewAreaofTianjinbasedonGIS[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):160-165.)