黃 壘，李 磊，王 威

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），天津 300170）

自然資源是在一定技術(shù)、經(jīng)濟和社會條件下能被利用來作為人類生產(chǎn)和生活原材料的物質(zhì)與能量[1]。自然資源評價是自然資源合理利用的前提條件和依據(jù)所在，它以自然資源的考察研究工作為基礎(chǔ)，旨在從整體上揭示自然資源的優(yōu)勢與劣勢，指出資源開發(fā)利用潛力的大小、限制性及限制強度，提出開發(fā)利用和治理保護的建議，為充分發(fā)揮自然資源的多種功能和綜合效益提出科學依據(jù)[2-4]。對于自然資源的評價，國內(nèi)外學者進行了諸多研究[5-16]。但這些研究多局限于單項資源評價，雖然針對性和適用性較強，但不利于解決當前資源開發(fā)粗放、資源開發(fā)趨同、體制不協(xié)調(diào)等問題[17-20]。自然資源是個復雜的巨系統(tǒng)，需要針對一定地域中已知的所有資源進行整體評價，建立資源開發(fā)綜合體，才能指導其全面、合理、有效地開發(fā)[21,22]。鑒于此，本文基于GIS 對華北地區(qū)自然資源的自然特性進行綜合評價區(qū)劃，為華北地區(qū)自然資源保護和開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 評價指標體系

建立自然資源綜合評價指標體系，首先要對自然資源進行分類，按照自然資源在地球圈層的分布，可將其分為礦產(chǎn)資源（地殼）、氣候資源（大氣圈）、水資源（水圈）、土地資源（地表）、生物資源（生物圈）五大類。其次，由于自然資源的自然特性評價主要是對資源本身的數(shù)量和質(zhì)量做出度量，因此要針對每類資源選取能夠反映其數(shù)量和質(zhì)量屬性的代表性指標。綜上所述，考慮數(shù)據(jù)可獲得性，本文選取了兩級分別5 項和13 項評價指標，構(gòu)建了華北地區(qū)自然資源綜合評價指標體系（表1）。

表1 華北地區(qū)自然資源綜合評價指標體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of natural resources in North China

表1中生物資源的生態(tài)系統(tǒng)功能指標取水源涵養(yǎng)功能、土壤保持功能、防風固沙功能、生物多樣性維護功能最大值，礦產(chǎn)資源的預測資源量指標取22類礦產(chǎn)（鐵礦、錳礦、鉻鐵礦、銅礦、鉛礦、鋅礦、鋁土礦、鎳礦、鎢礦、錫礦、鉬礦、銻礦、鋰礦、菱鎂礦、金礦、銀礦、螢石礦、硼礦、硫鐵礦、重晶石礦、鉀鹽礦、磷礦）預測資源量最大值。

1.2 評價方法

綜合指數(shù)法是一種常用的自然資源評價方法，該方法通過判斷各指標反映自然資源數(shù)量和質(zhì)量的程度來確定權(quán)重，并將其賦給對應的指標數(shù)值后求和，從而得到評價得分。本文采用綜合指數(shù)法，借助GIS技術(shù)，以指標圖層為參數(shù)對華北地區(qū)自然資源的自然特性進行綜合評價，具體步驟如下：

（1）指標數(shù)據(jù)標準化

利用GIS軟件生成指標圖層，并統(tǒng)一空間參考和柵格大小。為了排除量綱和數(shù)據(jù)趨向的影響，對各指標圖層進行極值標準化處理，使其屬性值控制在0～1 的范圍之內(nèi)，得到標準化指標圖層。

（2）指標權(quán)重計算

利用層次分析法求取各指標權(quán)重。邀請專家采用1～9標度法對層次指標進行兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣，并依此計算層次單排序和總排序，通過一致性檢驗后，得到華北地區(qū)自然資源綜合評價指標權(quán)重（表2）。

表2 華北地區(qū)自然資源綜合評價指標權(quán)重Table 2 Comprehensive evaluation index weights of natural resources in North China

水資源是生物賴以生存的環(huán)境資源和支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)保證，是最為重要的自然資源。氣候資源的時空變化特點能夠在很大程度上決定其他自然資源的形成、時空分布等特征。土地資源為人類提供了最基本的生產(chǎn)資料和生活空間，是形成和孕育其他資源的重要條件。因此，三者在自然資源綜合評價中應占據(jù)絕大部分權(quán)重，相比之下，礦產(chǎn)資源和生物資源的重要性及其能夠提供的價值則較低。

（3）指標加權(quán)求和

將各指標權(quán)重賦給其對應的標準化圖層，利用ArcGIS 10.6的柵格計算器工具（Raster Calculator）進行柵格疊加運算，得到各指標和綜合評價指數(shù)，指數(shù)越大，表示對應的自然資源條件越好。結(jié)合華北地區(qū)實際情況，將各指標和綜合評價指數(shù)劃為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五級，劃分標準如表3所示，評價結(jié)果見圖1。

表3 各指標和綜合評價指數(shù)分級標準Table 3 Grading standards for each index and comprehensive evaluation index

1.3 區(qū)劃方法

在得到上述各級指標圖層的基礎(chǔ)上，以縣（市、區(qū)、旗）為基本單元對自然資源各級評價指標進行聚類分析，實現(xiàn)華北地區(qū)自然資源區(qū)劃。

（1）區(qū)劃數(shù)據(jù)處理

基于各級指標圖層，利用ArcGIS 10.6的分區(qū)統(tǒng)計工具，計算華北地區(qū)各縣（市、區(qū)、旗）各級指標均值。

（2）聚類分析

借助SPSS 16.0軟件，利用離差平方和法（Ward’s method）對華北各縣（區(qū)、市、旗）自然資源的各級指標進行聚類分析，生成樹狀圖，基于此選取合適的距離值，劃分多個類型區(qū)，區(qū)劃結(jié)果見圖2。

圖2 華北地區(qū)自然資源區(qū)劃結(jié)果Fig.2 Results of natural resource zoning in North China

2 研究結(jié)果

2.1 評價結(jié)果與分析

按照上述評價方法，得到華北地區(qū)各類自然資源評價及自然資源綜合評價結(jié)果（圖1）。統(tǒng)計各評價級別的面積占華北地區(qū)總面積的比例見表4。

表4 華北地區(qū)自然資源各評價級別區(qū)域面積占比Table 4 Proportion of the area of each evaluation level of natural resources in North China

由表4 可以看出，華北大部分地區(qū)土地條件較好，氣候資源、水資源一般，生物資源較差，而礦產(chǎn)資源呈點狀分布。由圖1可以看出，華北地區(qū)氣候資源較豐富的區(qū)域主要分布在太陽輻射和風能較為豐富的內(nèi)蒙古東北部和中部地區(qū)以及熱量和降水較為豐富的山東東部等地區(qū)；生物資源較豐富的區(qū)域主要分布在大興安嶺南部、陰山山脈、燕山、呂梁山、太行山脈、山東丘陵、秦嶺東部、大別山北部等地區(qū)，這些地區(qū)生物多樣性較為豐富，水土保持能力較強；水資源條件較好的區(qū)域主要分布地表水資源較豐富的河南西部及南部、山東南部地區(qū)，以及地下水條件較好的河北中南部地區(qū)；而內(nèi)蒙古西部及中東部等地區(qū)受限于土壤質(zhì)地，陰山山脈、燕山等地區(qū)受限于地形原因，土地資源條件均較差；礦產(chǎn)資源豐富區(qū)域主要是內(nèi)蒙古中部、河北西部及東部等黑色金屬豐富區(qū)、內(nèi)蒙古中部、河南西部等有色金屬豐富區(qū)、河南西部、山東東部等貴金屬豐富區(qū)以及河北北部、河南中西部等非金屬豐富區(qū)。

總體上，華北地區(qū)自然資源條件較好的區(qū)域主要分布在燕山-太行山山前沖洪積平原以及河南和山東的平原，這些地區(qū)的水資源和土地資源條件均較好，其中河南和山東的平原地帶氣候資源也較為豐富，自然資源條件較差的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁，河北北部、西北部和山西的山區(qū)以及華北平原中北部，其中內(nèi)蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁地帶除氣候資源外整體條件均較差，河北北部、西北部和山西的山區(qū)地帶主要受限于氣候資源匱乏、土地條件較差，華北平原中北部主要受限于水資源條件差。

2.2 區(qū)劃結(jié)果與分析

按照上述區(qū)劃方法，得到華北地區(qū)各類自然資源區(qū)劃和自然資源綜合區(qū)劃結(jié)果見圖2。

根據(jù)聚類分析結(jié)果，將華北地區(qū)氣候資源劃分為優(yōu)勢區(qū)、降水熱量優(yōu)勢區(qū)、太陽輻射風能優(yōu)勢區(qū)和劣勢區(qū)四類，其中優(yōu)勢區(qū)是指各類氣候資源均較豐富，氣候評價指數(shù)較高的區(qū)域，降水熱量優(yōu)勢區(qū)是指降水和熱量資源較豐富，太陽輻射和風能較貧乏的區(qū)域，太陽輻射風能優(yōu)勢區(qū)是指太陽輻射和風能較豐富，降水和熱量較貧乏的區(qū)域，劣勢區(qū)是指各類氣候資源均較貧乏，氣候評價指數(shù)較低的區(qū)域。

將華北地區(qū)生物資源劃分為優(yōu)勢區(qū)、一般區(qū)和劣勢區(qū)三類，其中優(yōu)勢區(qū)是指生物多樣性維護功能和土壤保持功能較優(yōu)，生物資源評價指數(shù)較高的區(qū)域，一般區(qū)是指生物多樣性維護功能和土壤保持功能一般的區(qū)域，劣勢區(qū)是指生物多樣性維護功能和土壤保持功能較差，生物資源評價指數(shù)較低的區(qū)域。

將華北地區(qū)水資源劃分為地表水優(yōu)勢區(qū)、地下水優(yōu)勢區(qū)、一般區(qū)和劣勢區(qū)四類，其中地表水優(yōu)勢區(qū)是指地表水資源較優(yōu)，地下水資源較差的區(qū)域，地下水優(yōu)勢區(qū)則相反，這兩類區(qū)域水資源評價指數(shù)均較高，一般區(qū)是指地表水和地下水資源均一般的區(qū)域，劣勢區(qū)是指地表水和地下水資源均較差，水資源評價指數(shù)較低的區(qū)域。

將華北地區(qū)土地資源劃分為優(yōu)勢區(qū)、一般區(qū)、地形劣勢區(qū)、土壤劣勢區(qū)四類，其中優(yōu)勢區(qū)是指地形和土壤條件均較好，土地資源評價指數(shù)較高的區(qū)域；一般區(qū)是指地形和土壤條件一般的區(qū)域；地形劣勢區(qū)是指地形條件問題較突出的區(qū)域；土壤劣勢區(qū)是指土壤條件問題較突出的區(qū)域，后兩類區(qū)域土地資源評價指數(shù)均較低。

將華北地區(qū)礦產(chǎn)資源劃分為黑色金屬優(yōu)勢區(qū)、有色金屬優(yōu)勢區(qū)、貴金屬優(yōu)勢區(qū)、非金屬優(yōu)勢區(qū)和非優(yōu)勢區(qū)五類，顧名思義，前四類是指其對應礦產(chǎn)資源較為豐富，礦產(chǎn)資源評價指數(shù)較高的區(qū)域，非優(yōu)勢區(qū)是指各類礦產(chǎn)資源均一般或較差，礦產(chǎn)資源評價指數(shù)較低的區(qū)域。

綜合起來，將華北地區(qū)自然資源劃分為水土資源優(yōu)勢區(qū)、生物資源優(yōu)勢區(qū)、土地資源優(yōu)勢區(qū)、礦產(chǎn)資源優(yōu)勢區(qū)、水資源劣勢區(qū)五類，各類地區(qū)說明和分布情況見表5。

表5 華北地區(qū)自然資源綜合區(qū)劃情況Table 5 Comprehensive zoning of natural resources in North China

3 結(jié)論及建議

本研究選取兩級分別5 項和13 項評價指標，構(gòu)建了華北地區(qū)自然資源綜合評價指標體系，運用綜合指數(shù)法對華北地區(qū)自然資源進行綜合評價，并在此基礎(chǔ)上，采用聚類分析方法對華北地區(qū)自然資源進行區(qū)劃。結(jié)果顯示，華北地區(qū)自然資源條件較好的區(qū)域主要分布在燕山-太行山山前沖洪積平原以及河南和山東的平原，較差的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁、河北北部及西北部、山西的山區(qū)以及華北平原中北部。

根據(jù)綜合區(qū)劃結(jié)果，華北地區(qū)自然資源可劃分為水土資源優(yōu)勢區(qū)、生物資源優(yōu)勢區(qū)、土地資源優(yōu)勢區(qū)、礦產(chǎn)資源優(yōu)勢區(qū)、水資源劣勢區(qū)五類。針對不同區(qū)劃的自然資源特點，水土資源優(yōu)勢區(qū)適宜開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，生物資源優(yōu)勢區(qū)應注重生態(tài)保護和水土涵養(yǎng)，土地資源優(yōu)勢區(qū)宜種植旱生作物或發(fā)展城鎮(zhèn)建設(shè)，礦產(chǎn)資源優(yōu)勢區(qū)可適度發(fā)展礦產(chǎn)行業(yè)，水資源劣勢區(qū)應當加強對水資源的監(jiān)管和保護、修建水利工程等。此研究可為華北地區(qū)自然資源全面、合理、有效開發(fā)提供借鑒意義。