王曉晴, 牛志君, 康 薇, 張立強, 張俊梅
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院,河北保定 071000)
當前,河北省正處在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的關(guān)鍵時期,經(jīng)濟發(fā)展和城市化建設(shè)迅猛,要求持續(xù)增加建設(shè)用地。這使資源與環(huán)境的矛盾日趨嚴峻,生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化,保障經(jīng)濟發(fā)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(fā)展和保護資源的“兩難”問題,拓展城鄉(xiāng)用地空間,保護耕地,應(yīng)積極引導(dǎo)開發(fā)使用未利用地。近年來,在國土資源部的組織引導(dǎo)下,未利用地開發(fā)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(tài)平衡,保障經(jīng)濟社會發(fā)展,推進河北沿海經(jīng)濟社會發(fā)展強省建設(shè)起到了積極作用,但在實施過程中也出現(xiàn)了很多的問題:由于缺少相應(yīng)理論方法指導(dǎo),導(dǎo)致補充耕地的質(zhì)量難以保障;同時引發(fā)了一些生態(tài)問題,如土地沙化、水土流失、土壤鹽漬化等。上述問題的出現(xiàn),主要是由于缺乏一套系統(tǒng)的、精準的未利用地調(diào)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(tǒng)分類和適宜性評價是關(guān)鍵。一方面,雖然許多學(xué)者已經(jīng)對未利用地開發(fā)適宜性評價及潛力評價方面做了大量研究,很多地區(qū)在未利用地開發(fā)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度分析少量的區(qū)位因素,而較少系統(tǒng)地分析經(jīng)濟條件、社會因素等對未利用地開發(fā)的影響[1-3]。另一方面,目前我國土地的利用管理的基礎(chǔ)是土地利用現(xiàn)狀分類體系,該體系的依據(jù)是土地的用途、經(jīng)營特點、利用方式、覆蓋特征[4-6]。對于未利用地的開發(fā)利用而言,其開發(fā)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(fā)利用提供服務(wù)。
因此,為嚴格保護耕地紅線,有效利用國土資源,科學(xué)實施國土綜合整治,積極推進生態(tài)文明建設(shè),切實保障國家糧食安全,本研究以未利用地開發(fā)利用分類為突破口,以適宜性評價為依據(jù),以生態(tài)風險防護為導(dǎo)向,以匹配工程為保障,以期為未來土地開發(fā)利用方向以及開發(fā)利用工程改造提供理論基礎(chǔ),為拓展城鄉(xiāng)建設(shè)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(fā)展和保護資源的“雙?!眽毫μ峁┘夹g(shù)和決策支持。
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(xiàn)復(fù)雜多樣的態(tài)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(qū),降水稀少,天氣干旱,生態(tài)環(huán)境敏感脆弱;地處北京上風上水,擔負北京的生態(tài)屏障作用,這也制約了縣域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)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(fā)潛力巨大。未來幾十年將是懷來縣快速發(fā)展時期,城市建設(shè)、工業(yè)發(fā)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(fā)將成為未來發(fā)展的關(guān)鍵因素。
本研究所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源是懷來縣2015年土地利用現(xiàn)狀圖,高程數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云下載的數(shù)字高程模型(digital elevation model,簡稱DEM)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)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(shù)(normalized difference vegetation index,簡稱NDVI)數(shù)據(jù),以及實地調(diào)查等數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)詳實可靠。
本研究對山地丘陵區(qū)的未利用地進行要素特征分析,并結(jié)合開發(fā)利用限制因素及匹配工程類型對未利用地進行開發(fā)利用分類;針對特定開發(fā)利用方向,對區(qū)域內(nèi)未利用地資源進行生態(tài)風險評價,并針對不同生態(tài)風險條件提出有針對性的開發(fā)工程配套措施,為高效、合理利用未利用地資源和生態(tài)環(huán)境保護提供依據(jù)。
未利用地是指未施加人類影響、未被利用的土地,是除建設(shè)用地、農(nóng)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(xiàn)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(jù)未利用地的現(xiàn)狀分類確定其開發(fā)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(jié)合開發(fā)方向和工程改造因素,進行未利用開發(fā)利用分類(稱為利用分類),為未利用地向精準開發(fā)邁進一步。
未利用地開發(fā)利用分類以未利用地開發(fā)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(fā)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(fā)條件的同時,正確識別未利用地開發(fā)的主導(dǎo)因素尤為重要。
山地丘陵區(qū)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(yǎng)分含量差異較大,且植被覆蓋情況也有很大不同。同時此區(qū)未利用地開發(fā)時一般受水源影響很大,水源保證程度決定了開發(fā)的難易程度和成本。因此本區(qū)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(jù)懷來縣實地調(diào)查結(jié)果,結(jié)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(jù)上述主要分類因素排列組合法進行類別劃分,按照連續(xù)命名法進行命名,后面加“型”字。山地丘陵區(qū)共4個主要分類因素,故設(shè)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(yīng)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。
未利用地開發(fā)會對區(qū)域地形、土壤、水環(huán)境及生物多樣性產(chǎn)生重要影響,進而影響到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,引發(fā)生態(tài)風險[7-8]。明確未利用地開發(fā)生態(tài)風險主導(dǎo)因子,評價其開發(fā)生態(tài)風險級別,并匹配相應(yīng)的工程措施防范生態(tài)風險,對科學(xué)開發(fā)未利用地、保障區(qū)域資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
2.3.1 山地丘陵區(qū)主要生態(tài)風險狀況 山地丘陵區(qū)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(yǎng)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(wěn)固程度及土層厚度和植被狀況的影響,本區(qū)容易發(fā)生水土流失、干旱和生物多樣性等生態(tài)風險。
表1 山地丘陵區(qū)主要分類因素類型
2.3.2 生態(tài)風險類型分級
2.3.2.1 水土流失 水土流失生態(tài)風險受坡度影響很大,一般坡度越大,發(fā)生水土流失的風險也越大;同時水土流失與地面的穩(wěn)固程度有很大關(guān)系,一般土壤緊實、植被覆蓋度好的地方,地面相對較穩(wěn)固,其抵抗降雨侵蝕、保持土壤的能力相對較強,發(fā)生水土流失的風險相對更低。
根據(jù)懷來縣實地調(diào)查情況,選擇坡度和地面穩(wěn)固度來計算水土流失風險的大小。其中地面穩(wěn)固度與基巖類型、地面物質(zhì)組成、指標覆蓋狀況等有密切的關(guān)系。水土流失生態(tài)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(wěn)固度,表征地表物質(zhì)抵抗水力沖刷的程度;地面穩(wěn)固度分為3級,最穩(wěn)固為1級,最不穩(wěn)固為3級。
根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果,將山地丘陵區(qū)的水土流失生態(tài)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(qū)內(nèi)所有生物物種及其遺傳變異和生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性總稱。根據(jù)調(diào)查,動物、微生物的多樣性與植被多樣性具有很大的相關(guān)性,因此選擇植被覆蓋度與植被種類數(shù)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(shù)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(shù)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??;N表示植被種類數(shù),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(jù)調(diào)查結(jié)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(jù)調(diào)查結(jié)果,山地丘陵區(qū)干旱生態(tài)風險與
表2 山地丘陵區(qū)生態(tài)風險分級
土層厚度具有很大相關(guān)性,一般土層厚度較厚的地區(qū),干旱的生態(tài)風險相對較小,植被較茂盛,而土層較薄的地區(qū),干旱的生態(tài)風險相對較大。
根據(jù)調(diào)查結(jié)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??;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(tài)風險評價 山地丘陵區(qū)某地塊生態(tài)風險是該地塊上述3種生態(tài)風險的總體反映。本研究采用以下方法確定各地塊的生態(tài)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(tài)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(jù)所屬等級分別附予相應(yīng)的等級數(shù)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(shù)字3、2、3。(2)將該地塊的上述3個因素等級數(shù)字加和,作為總風險等級評價依據(jù)。如上述地塊風險等級加和為8。(3)根據(jù)3個風險等級加和結(jié)果初步劃分該地塊的生態(tài)風險等級。根據(jù)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(shù)字。結(jié)合評價結(jié)果和實際情況,定為指數(shù)值3、4為1級,指數(shù)值5、6為2級,指數(shù)值7、8、9為3級。第2步,采用限制因子法對初步劃分結(jié)果進行調(diào)整。上述3個生態(tài)風險中,如果某1個生態(tài)風險達到3級,即最大生態(tài)風險,即使其他2個生態(tài)風險程度相對較低,也應(yīng)將其綜合生態(tài)風險劃分為高等級。即只要3個生態(tài)風險因子中有1個生態(tài)風險等級為3,則其總生態(tài)風險等級調(diào)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(diào)整至3級。最終,山地丘陵區(qū)總生態(tài)風險等級對應(yīng)各生態(tài)風險等級組合如表3所示。
表3 山地丘陵區(qū)總生態(tài)風險等級對應(yīng)各生態(tài)風險等級組合
根據(jù)上述生態(tài)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(tài)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(xiàn)水土流失狀況,坡度較大,土層厚度較薄,開發(fā)時限制較多。將懷來縣未利用地的生態(tài)風險等別劃分為3個等級,即1級、2級、3級,其中1級生態(tài)風險最低,3級生態(tài)風險最高,具體分布情況見圖2。
懷來縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有未利用地資源分布,涉及地類主要有草地、裸地、內(nèi)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(jù)評價結(jié)果和圖2可知,懷來縣未利用地生態(tài)風險評價結(jié)果劃分為3個等級,1級、2級、3級生態(tài)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(tài)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(zhèn)和東北部的北辛堡鎮(zhèn)以及存瑞鎮(zhèn)地區(qū),這些區(qū)域坡度較小、植被狀況良好、有效土層偏厚,合理開發(fā)利用時發(fā)生生態(tài)風險的可能性偏低;生態(tài)風險中等的未利用地在該縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(tài)風險較高的地區(qū)主要集中在該縣南部的小南辛堡鎮(zhèn)和官廳鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些區(qū)域坡度較大,有效土層厚度偏薄,易發(fā)生水土流失和干旱等生態(tài)風險,故開發(fā)時尤其要注重其生態(tài)效益。
山地丘陵區(qū)未利用地開發(fā)時,要同時考慮開發(fā)地塊和其周邊可利用的資源條件,針對不同的生態(tài)風險因子等級及周邊可供利用的生態(tài)資源和環(huán)境,結(jié)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(wěn)固度較低,植被也較差,開發(fā)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(jù)該類工程組合的需要調(diào)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(tài)風險越小。因此,需要綜合考慮原地塊生態(tài)風險與該地塊周邊可利用的生態(tài)資源情況,區(qū)分出工程實施后的生態(tài)風險等級。
根據(jù)調(diào)查分析和總結(jié),將山地丘陵區(qū)工程實施后的生態(tài)風險分為2級。1級為低生態(tài)風險級別,主要特征:坡度一般低于15°,地面穩(wěn)固度高,地表物質(zhì)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(shù)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(wěn)固度一般,地表物質(zhì)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(shù)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(huán)境有密切關(guān)系。不同生態(tài)風險因子開發(fā)匹配工程及其所需周邊環(huán)境如表4所示。根據(jù)自身風險等級及周邊環(huán)境狀況判斷所需工程及開發(fā)后風險等級。以水土流失舉例說明,假設(shè)某地塊原水土流失等級為3級,周邊環(huán)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(fā)完成后為中生態(tài)風險,開發(fā)工程為石坎梯田和引水工程。同樣地塊,假設(shè)周邊環(huán)境變?yōu)橥猎淳嚯x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(yīng)將風險目標等級定為1級,即低風險,開發(fā)工程選擇混凝土梯田、生物護坡、引水工程。未利用地開發(fā)時如果周邊條件滿足開發(fā)為1級生態(tài)風險級別,則不能開發(fā)為2級生態(tài)風險級別。
工程實施后的生態(tài)風險級別須按照最小因子法則,將各項工程中生態(tài)風險目標級別最差的作為實施工程后的生態(tài)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(tài)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(fā)后的風險等級為2級。
表4 山地丘陵區(qū)不同生態(tài)風險因子整治工程匹配
為科學(xué)快捷地匹配未利用地開發(fā)工程,實現(xiàn)未利用地精準開發(fā),在對未利用地開發(fā)利用分類和適宜性評價的基礎(chǔ)上,針對不同類型區(qū)未利用地開發(fā)主導(dǎo)影響因素及其分級類型,結(jié)合開發(fā)易引發(fā)的生態(tài)風險類型及生態(tài)脆弱因子,提出未利用地開發(fā)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(tǒng)工程更注重開發(fā)易引發(fā)生態(tài)風險降低,在山地丘陵區(qū)可有效防止水土流失、干旱、土壤沙化等生態(tài)風險。首先對未利用地進行開發(fā)利用分類,根據(jù)分類名稱,就可以知道未利用地所處的狀況,然后根據(jù)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(qū)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(fā)利用,同時需進行黏土土壤改良,或增施有機質(zhì)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?guī)r”,說明其基巖風化層薄,風化物黏重,營養(yǎng)元素少,基本無植被覆蓋,需大量客土才能開發(fā)利用,同時需增施有機肥,進行土壤改良。因此若是“石灰?guī)r”,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(jù)未利用地利用分類的類型,通過查找對應(yīng)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(fā)利用類型與工程匹配
本研究運用地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術(shù),基于土地利用分類以及生態(tài)風險評價的理論與方法,分析河北省典型山地丘陵區(qū)懷來縣的未利用地現(xiàn)狀特征,主要結(jié)論如下:(1)未利用地開發(fā)利用分類以確定未利用地開發(fā)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(fā)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(qū)的實際情況以及開發(fā)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(jù)研究區(qū)的生態(tài)狀況,選取水土流失、生物多樣性、干旱這3個生態(tài)風險因子進行生態(tài)風險評價。然后采用因素加和法初步確定生態(tài)風險等級,再用限制因子法對初步劃分結(jié)果進行調(diào)整。(3)懷來縣未利用地生態(tài)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(tài)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(zhèn)和東北部的北辛堡鎮(zhèn)以及存瑞鎮(zhèn)地區(qū);生態(tài)風險中等的未利用地在該縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布,以官廳水庫分布最多;而生態(tài)風險較高的地區(qū)主要集中分布在該縣南部的小南辛堡鎮(zhèn)和官廳鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些區(qū)域坡度較大,有效土層厚度偏薄,易發(fā)生水土流失和干旱等生態(tài)風險,故開發(fā)時尤其要注重其生態(tài)效益。(4)針對不同類型區(qū)未利用地開發(fā)主導(dǎo)影響因素及其分級類型,結(jié)合開發(fā)易引發(fā)的生態(tài)風險類型及生態(tài)脆弱因子,提出了未利用地開發(fā)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(fā)時生態(tài)風險發(fā)生的概率。
本研究通過對山地丘陵區(qū)未利用地資源進行開發(fā)利用分類以及生態(tài)風險因子評價分析,為進一步確定未利用地開發(fā)方向及開發(fā)工程以及為區(qū)域土地資源合理規(guī)劃利用,保護區(qū)域生態(tài)環(huán)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(fā)利用與生態(tài)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(fā)工程匹配具體實施分析不夠全面,今后將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)更深層次的探索,以便更好地為區(qū)域未利用地的開發(fā)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。