秦曉莉

（湖南省國土資源規(guī)劃院，長沙410007）

0 引言

人口持續(xù)增長與城市經(jīng)濟快速發(fā)展對土地資源造成越來越大的壓力，耕地退化與適宜性問題愈發(fā)受到關注。在我國陸域國土中，69%的面積是山區(qū)，山區(qū)耕地面積占全國耕地總面積的44%[1-2]。2014年以來，在第二次全國土地調(diào)查成果基礎上，全國各省市按照國土資源部要求，開展了新一輪全國耕地后備資源調(diào)查評價工作。對耕地建立定量的指標體系，分析耕地利用的適宜性是土地利用規(guī)劃的基礎，為合理保護耕地資源提供重要依據(jù)，真正實現(xiàn)耕地保護和土地利用的科學發(fā)展。土地適宜性評價模型最早由國外研究學者IL Mcharg于Staten島的土地利用規(guī)劃中提出[3]，在大都市城市規(guī)劃、城市綠地規(guī)劃等方面也進行了探討。中國現(xiàn)代土地適宜性評價始于20世紀50～60年代的荒地資源考察；到1970年代時引入了國外方法，隨后也形成自己的土地評價系統(tǒng)；尤其是1990年代以來，學界積極應用GIS技術和數(shù)學方法評價非農(nóng)用地適宜性，取得豐碩成果[4]。2001年周慧娟等采用GIS技術對北京密云進行了耕地適宜性評價，得出GIS技術可以顯著提高土地適宜性評價效率[5]。近些年，劉軍等基于GIS技術對天津濱海新區(qū)開展了耕地適宜性評價[6]。

文章以張家界永定區(qū)為研究對象，借助遙感與GIS技術，從土壤養(yǎng)分、立地條件、理化性狀和土壤管理四個方面綜合評價研究區(qū)耕地質量，得到了相互聯(lián)系的有序層次指標體系，最后以專題圖的形式得到耕地質量評價結果。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

張家界市永定區(qū)位于湘西山地東北部，地處張家界腹部，東與常德市的石門縣與桃源縣交界，距省會長沙 398km，位于北緯 28°52′～29°48′，東經(jīng) 109°40′～111°20′之間。從地勢上來看，東臨洞庭湖，西接云貴高原，南又與雪峰山毗連，北與鄂西山區(qū)接壤。東西長167km、南北寬96km，屬武陵山脈腹地，地貌類型多樣，境內(nèi)群山起伏，溝谷縱橫，山地相對高差較大，最大達1 392.6m。整個地勢從中部切割成南北兩部分，南部向沅水呈梯級遞降，北部往澧水傾斜，中部地勢低平，呈一半月形盆地。屬亞熱帶季風濕潤氣候，市區(qū)年平均氣溫16.8℃，年日照時數(shù)為1 449.6h，中部溪谷平地年降雨量1 300～1 600mm，南部中低山區(qū)年降雨量在1 700mm以上。

該研究區(qū)作為城市核心區(qū)，具有典型的城市土地擴張?zhí)攸c。平原、山地城市特征明顯，耕地資源寶貴，地質地貌多樣；生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域內(nèi)發(fā)生過多種自然災害。永定區(qū)既有城市擴展區(qū)域的典型特點，又存在特殊地貌所帶來的復雜性[7]，在該研究區(qū)進行耕地適宜性分析具有代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過遙感集市（http：//www.rscloudmart.com/）選取下載覆蓋張家界市永定區(qū)的2015年10月的高分一號遙感影像（地面分辨率為16m×16m）和中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn/）提供的空間分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)源，地質數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、農(nóng)田灌溉數(shù)據(jù)均來源于張家界國土局土地普查數(shù)據(jù)。遙感柵格數(shù)據(jù)在土地利用領域具有廣泛應用，同樣土地評價應用普遍[8-9]，所有研究區(qū)的數(shù)據(jù)均生成分辨率為16m的柵格數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 評價方法

層次分析法（The analytic hierarchy process）最早由美國人T.L.Satty提出，AHP方法能夠將問題的影響因子按照層次分成有序的相互關聯(lián)的多層模型，分別對每一組的因子進行定性和定量分析彼此的相對的權值，同時可引入專家評價的方法，最后得到各因子權重值組成的判斷矩陣，求解該矩陣的特征值的最大值及其對應的特征向量，得到最終所有層次中每個因子的權重值[10]。對同一層次的分析求權重的步驟如下所示。

（1）確定參與評價的因子集A（a1，a2，…，an）；

（2）以bij表示的值由表1而得，表示不同因子間相對權重值；

表1 判斷矩陣標度及其含義Table 1 Scale and its meaning of judgment matrix

（3）求判斷矩陣B最大特征根對應的特征向量的常用的計算方法有冪法、和積法、方根法。冪法可得到任意精確度的最大特征根λmax及其對應的特征向量ω，后兩種為近似算法。

ω1，ω2，……ωn也就是該層次每個因素所對應的權。同理每一個層次都可以求得一個權向量，如式（3）：

根據(jù)上步可分別得到：e1，e2，……en，為相應權值，然后根據(jù)式（4）可得最終各因子權重系數(shù)：

式（4）根據(jù)式（5）做一致性指標CI（Coherence Index）檢驗。

將CI與平均一致性指標RI（RandomIndex）比較，RI可從表2查得：

表2 平均隨機一致性指標RITable 2 Average random consistency index RI

只有當隨機一致性比例（Coherence Radio）CR＜0.10時，才具有可行性，根據(jù)CR值的范圍，調(diào)整矩陣B直到滿足條件為止。

2.2 評價單元與評價因子

（1）確定評價單元

文章使用ArcGIS、ENVI等專業(yè)GIS軟件采用面向對象的分類方法，對獲得的高分一號影像進行地物分類及分類后處理等并裁剪得到永定區(qū)的地物分類結果（圖1）。通過地物分類結果提取得到耕地柵格圖作為耕地適宜性評價分析的評價單元，共計分為116.778 8萬個，各類地物面積統(tǒng)計見表3。

圖1 永定區(qū)地物分類Fig.1 The classification results of Yongding district

表3 各類地物面積統(tǒng)計Table 3 Area statistics for each type of surface

（2）選取評價因子

評價因子選取是耕地適宜性評價的關鍵之一[11]。該研究借助遙感、GIS技術，結合《全國耕地地力調(diào)查與質量評價技術規(guī)程》，從土壤養(yǎng)分、立地條件、理化性狀和土壤管理4個方面綜合評價研究區(qū)耕地質量，得到了永定區(qū)相互聯(lián)系的有序的耕地適宜性指標體系（圖2）。

圖2 永定區(qū)耕地適宜性評價分析指標層次結構Fig.2 The hierarchy diagram of cultivated land suitability evaluation index in Yongding district

2.3 評價體系的建立

（1）評價因子隸屬度的確定

研究選擇的評價因子分為多種類型，彼此評價標準、意義均不相同，需要對每個評價因子都進行適合其類型的標準化處理。根據(jù)王建國的隸屬函數(shù)模型[12]，利用模糊數(shù)學方法將選定的評價因子與耕地適宜性的關系分為戒上型、戒下型、峰型、直線型以及概念型。不同的評價因子選用相應類型的隸屬度函數(shù)，所有評價因子隸屬度值域屬于[0，1]，當評價因子隸屬度趨近由0趨于1時，表示該評價因子對耕地作物生長限制由最大限制趨于無限制；當?shù)扔?時，表明作物不能生長。利用GIS空間統(tǒng)計方法，在每個評價因子的屬性表里進行空間計算，求得評價單元各個評價因子的隸屬度。

（2）權重的確定

利用Office Excel 2013編寫AHP計算程序，并進行一致性檢驗后得到最終指標結果（表 4）。

表4 永定區(qū)耕地適宜性評價指標體系及其權重Table 4 The cultivated land suitability evaluation index and its weight in Yongding district

2.4 耕地適宜性等級劃分

該研究采用公式（6）得到最終的適宜性評價指數(shù)：

式（6）中，SI（Suitability Index）——耕地適宜性評價指數(shù)；Fi為第i個評價因子的指標值，即隸屬度值；Ci為第i個評價因子的權重。根據(jù)耕地適宜性等級劃分依據(jù)《全國耕地類型區(qū)、耕地地力等級劃分》（NY/T309-1996）[13]，采用自然間斷點分級法，耕地適宜性程度分為10個等級（表5）。

表5 永定區(qū)耕地適宜性等級劃分Table 5 Classification of cultivated land suitability in Yongding district

3 結果與分析

利用ArcGIS軟件的柵格計算工具，將處理好的12個耕地適宜性評價指標圖數(shù)據(jù)及其對應的權重值帶入加權指數(shù)和模型，計算得到最終的永定區(qū)耕地適宜性等級分布圖（圖3）。同時統(tǒng)計各級耕地的面積及所占百分比，圖4為耕地等級對應面積的垂直線圖，表6是各等級面積統(tǒng)計表。

圖3 永定區(qū)耕地適宜性等級分布Fig.3 Distribution map of cultivated land suitability in Yongding district

表6 永定區(qū)耕地適宜性各等級面積統(tǒng)計Table 6 Area statistics for each classification of cultivated land suitability in Yongding district

圖4 永定區(qū)耕地等級面積垂線Fig.4 Vertical plots of cultivated land classification area in Yongding district

該文通過遙感影像地物分類結果統(tǒng)計得到的永定區(qū)耕地總面積為298.95km2，占永定區(qū)總面積的13.78%；以提取的耕地為評價單元，利用層次分析法得到的耕地等級統(tǒng)計結果與統(tǒng)計圖來看，各等級耕地比例呈現(xiàn)兩頭小中間大的特點，與圖4耕地等級與面積垂線圖走勢一致，一級地25.30km2，占耕地總面積的6.41%，八級、九級和十級耕地面積最少，三者僅占永定區(qū)耕地面積的8.13%，耕地等級從二級到七級的每一級所占比例均超過10%，其中以三級、四級、五級和六級地為主，每級所占比例都基本達到15%，甚至更高，四者耕地總面積占永定區(qū)耕地面積的62.8%。

由圖3可以看出，一級地主要分布在后坪鎮(zhèn)東北部的澧水河流兩岸及與南莊坪街道接壤處，其次一級耕地分散在永定中心城區(qū)的外圍，澧水支流流經(jīng)過的伊家溪鎮(zhèn)和教字埡鎮(zhèn)，三家館鄉(xiāng)與伊家溪鎮(zhèn)接壤區(qū)域、楓香崗鄉(xiāng)的澧水流域附近、合作橋鄉(xiāng)的西部地區(qū)等，這些地區(qū)多為澧水流域，為河谷沖擊盆地，河流兩岸地勢平、土層厚，水利設施及排灌能力良好，基本無障礙層。二級與三級地廣泛分布，集中在永定區(qū)東南部的謝家埡鄉(xiāng)、王家坪鎮(zhèn)、雙溪橋鄉(xiāng)、沅古坪鎮(zhèn)與三鎮(zhèn)的接壤區(qū)域。其次中心城區(qū)外圍、后坪鎮(zhèn)和尹家溪鎮(zhèn)、三家館鄉(xiāng)等澧水及支流流經(jīng)的寬谷平原等區(qū)域，這些地區(qū)有部分適宜耕地的河谷平原，更有大部分區(qū)域為丘陵區(qū)域的坡度較低的丘間梯田，分布廣泛，土壤肥沃，雖無大的河流，但附近有湖水、丘陵上的泉水分布，土地供水排水能力良好，其他因子質量適中。從四到六3個等級的耕地全區(qū)各地均有分布，整體分布在永定區(qū)的西北部、中部、東南部三大塊區(qū)域，中部區(qū)域以澧水及支流流域附近的街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)所屬的兩岸河谷平坦耕地為主，西北部和東南部以丘陵區(qū)域的低坡度丘間梯田為主，這些耕地總量較大，土壤理化、灌溉條件良好，適宜性較高，分布分散，應加以大人力和物力投入，是耕地重點保護利用區(qū)域。七級和八級地主要分布在永定中心城郊區(qū)地帶，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)相對較少，這些地區(qū)土壤成土母質、質地一般，耕層厚度不夠，很多地方灌溉條件也較差。九級和十級地在永定區(qū)分布很少，主要分布在四都坪鄉(xiāng)、大坪鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道有零星分布，這些土地所在區(qū)域地形地貌條件坡度不適宜供水排水，且有機質含量較低，供肥能力弱，質地較差或一般，很多土地限制的因素，多種因素綜合作用使得耕地質量較差。

為了合理利用和有效地保護耕地，綜合分析永定區(qū)現(xiàn)有耕地數(shù)量、質量，永定區(qū)主要耕地集中在河溪兩岸，尤其適宜耕種地區(qū)多集在中心城區(qū)，山地多、平原少，即容易遭受自然災害破壞，又容易出現(xiàn)由于經(jīng)濟社會發(fā)展引起過度開發(fā)。建設用地的增加伴隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中心城區(qū)的建設用地供需與耕地資源保護的矛盾尤為突出，顯然永定區(qū)的形勢十分嚴峻。人均耕地少、相當部分耕地急需加強保護。因此，應該增強耕地資源保護意識，堅持依法用地、按規(guī)用地、嚴守紅線，科學發(fā)展。

4 結論與討論

該文運用GIS手段評價張家界永定區(qū)耕地適宜性，通過遙感影像地物分類確定評價單元、參照土壤學知識，選取養(yǎng)分狀況、立地條件、理化性狀和土壤管理4個方面的12個因素為評價因子，構建評價指標體系，利用模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)，得到各因子歸一化的指標值，采用AHP方法確定指標權重，最后利用GIS圖層疊加得到了永定區(qū)的耕地適宜性評價結果。

研究表明：永定區(qū)一到六級地達到242.358 8km2，占全區(qū)耕地總面積的81.07%，表明永定區(qū)大部分耕地質量比較高。但永定區(qū)耕地只占全區(qū)土地總面積的13.78%，根據(jù)永定區(qū)耕地的分布狀況可以明顯看出，永定區(qū)耕地主要耕地集中在中心城區(qū)澧水等河溪兩岸的水田以及西北部、東南部丘陵區(qū)域的丘間梯田，耕地總量很低，分布零散，一方面受自然條件，如河系、山地丘陵地形影響較大，這些耕地應加強保護耕地，避免自然災害破壞，防止耕地質量變差，同時積極推進耕地灌溉設施、農(nóng)田土壤利用引進先進的科學理念，改善耕地質量，加強土壤耕種條件。另一方面中心城區(qū)的優(yōu)質耕地多是城鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展適宜建設用地的區(qū)域，主要分布在城區(qū)以西和城區(qū)以東，因此，面對社會經(jīng)濟發(fā)展需要，這方面的耕地開發(fā)應切實十分珍惜，根據(jù)本地區(qū)的土地分布狀況的優(yōu)勢與不足，合理利用土地和切實依據(jù)保護耕地，全面優(yōu)化土地利用空間結構，促進該區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟共同發(fā)展。