基于GIS的南方丘陵生態(tài)脆弱區(qū)土地利用適宜性研究
——以衡陽盆地為例

鄭文武,田亞平,鄒 君,鄧運(yùn)員,劉曉燕,鄧美容

(1.中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院,湖南長沙410083;2.衡陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理系,湖南衡陽421008)

基于GIS的南方丘陵生態(tài)脆弱區(qū)土地利用適宜性研究
——以衡陽盆地為例

鄭文武1,2,田亞平2,鄒 君2,鄧運(yùn)員2,劉曉燕2,鄧美容2

(1.中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院,湖南長沙410083;2.衡陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理系,湖南衡陽421008)

選擇了土壤、氣候、地形、水文和交通5類11個(gè)指標(biāo),建立了適用于南方丘陵區(qū)的土地適宜性評價(jià)指標(biāo)體系;采用專家打分和層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重,并應(yīng)用GIS技術(shù)建立了衡陽盆地的土地適宜性評價(jià)模型,對衡陽盆地耕地、林地和建設(shè)用地的土地利用適宜性進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明:耕地適宜性以臨界適宜性和一般適宜性為主,耕地不適宜區(qū)面積占研究區(qū)總面積的49.63%,主要分布在山區(qū);建設(shè)用地高度適宜區(qū)面積占研究區(qū)總面積的5.32%,建設(shè)用地不適宜區(qū)域分布和數(shù)量與耕地不適宜區(qū)域分布和數(shù)量大致相當(dāng);林地適宜性整體較高。通過對比分析評價(jià)結(jié)果和基于TM數(shù)據(jù)提取的土地利用現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有耕地的適宜性以臨界適宜和一般適宜類型為主,不適宜區(qū)域占耕地總面積的10.56%,主要分布在衡南縣東部和西部以及衡陽縣南部區(qū)域;現(xiàn)有建設(shè)用地整體適宜性較高,且分布集中,主要位于衡陽市區(qū)。據(jù)此提出衡陽盆地土地資源可持續(xù)發(fā)展對策。

土地適宜性;空間分析;南方丘陵區(qū);衡陽盆地;GIS

南方丘陵區(qū)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)之一,也是生態(tài)脆弱地帶,由于長期對山丘坡地資源的不合理利用,水土流失及生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)南方丘崗地特有的紅色荒漠化問題。田亞平等[1]從生態(tài)環(huán)境脆弱性、水資源脆弱性和水旱災(zāi)害的易損性等方面對以衡陽盆地為代表的南方丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行了研究,較為全面地描述了生態(tài)環(huán)境和水資源退化現(xiàn)狀及其所致的災(zāi)害特征,但是并沒有對生態(tài)環(huán)境退化的根源進(jìn)行定量分析。南方丘陵區(qū)自然生態(tài)環(huán)境條件優(yōu)越,生態(tài)環(huán)境退化的主要原因?yàn)椴贿m宜的資源開發(fā),特別是不適宜的土地資源開發(fā),因此,研究區(qū)域土地適宜性,根據(jù)自然環(huán)境條件進(jìn)行適宜的土地資源開發(fā)是破解生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)鍵[2,3]。土地適宜性評價(jià)是評定土地在一定的經(jīng)營管理水平下,對特定土地利用類型適宜狀況的過程,近年來成為土地管理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-6]。目前,土地適宜性評價(jià)研究已廣泛展開,并呈現(xiàn)如下特點(diǎn):1)評價(jià)內(nèi)容以農(nóng)用地適宜性評價(jià)為主,且集中在農(nóng)林牧業(yè)的土地利用評價(jià)上[7-9];2)評價(jià)方法以定量為主,分為基于 GIS的評價(jià)方法和人工智能建模法[10-18]。本文采用專家咨詢打分和層次分析法建立了耕地、林地和建設(shè)用地3類土地利用類型的適宜性評價(jià)指標(biāo)體系,并應(yīng)用GIS技術(shù)建立評價(jià)模型,對典型的南方丘陵生態(tài)脆弱區(qū)衡陽盆地的土地適宜性進(jìn)行了評價(jià);最后將評價(jià)結(jié)果與基于 TM影像提取的土地覆蓋圖進(jìn)行對比分析,提出了實(shí)現(xiàn)衡陽盆地土地資源可持續(xù)發(fā)展對策。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

衡陽盆地屬于南方濕熱丘崗地易侵蝕退化脆弱區(qū),是典型的紅色丘陵盆地,位于湖南省中南部(東經(jīng)110°32′16″～113°16′32″,北緯26°07′24″～27°28′24″)、湘江中游,包含衡陽市、衡陽縣、衡東縣、衡山縣、衡南縣、祁東縣、常寧市和耒陽市,土地面積15 310.2 km2;地貌類型以崗、丘為主,海拔100～500 m的土地面積占全區(qū)土地總面積52%,坡度在15°以上的土地面積占50%;土壤主要有地帶性土壤紅壤、黃壤、過渡性土壤黃紅壤、紅壤性土壤和黃壤性土壤以及非地帶性土壤石灰土和紫色土,土質(zhì)貧瘠、保水性差。研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),年均氣溫17.2～18.1℃,最熱月7月平均氣溫29.4～30.1℃(極端最高氣溫40.8℃),最冷月1月平均氣溫5.2～5.9℃(極端最低氣溫-12.3℃);雨量豐沛,多年平均降水量為1 223.4～1 421.0 mm,以南岳衡山和常寧塔山降雨最多,祁東西北部降水最少,且降雨年內(nèi)分配不均,4-9月降雨量占全年降雨量的65%左右,加上氣溫高、蒸發(fā)強(qiáng),常有規(guī)律性的干旱。全區(qū)現(xiàn)有總?cè)丝?97.33萬人,人口密度為443人/km2,人均耕地不足0.0073 hm2,植被破壞和陡坡開墾普遍[1]。

1.2 土地利用適宜性評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2.1 評價(jià)指標(biāo)的選擇 根據(jù)研究區(qū)氣候、地貌和土壤等特征,并綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲得性和可比性,選取土壤、氣候、地形、水文和交通5類指標(biāo)。由于缺乏研究區(qū)長期全面的土壤觀測資料,僅選擇土壤類型作為土壤類指標(biāo);根據(jù)研究區(qū)氣候特點(diǎn),選擇了年均降水量、年暴雨日數(shù)、少雨期干旱指數(shù)、年最低氣溫、年最高氣溫5個(gè)指標(biāo);根據(jù)研究區(qū)山地、坡地多的特點(diǎn),選擇了海拔高度、坡度和坡向3個(gè)指標(biāo)作為地形類指標(biāo);一般水源可獲得性越好,土地利用適宜性越高,故選擇水源可獲得性指數(shù)作為水文類指標(biāo);選擇交通便捷度作為交通類指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算 指標(biāo)權(quán)重的確定是土地適宜性評價(jià)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),采用專家打分法和層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重。首先根據(jù)選取的指標(biāo)建立層次模型(圖1),然后建立準(zhǔn)則層和操作層各指標(biāo)的判別矩陣,經(jīng)過調(diào)整使 CR值小于0.1,最后計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重(表1)。

圖1 土地利用適宜性評價(jià)層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy structure of land use suitability evaluation

表1 土地適宜性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 1 Weight of land use suitability evaluation indexes

1.2.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取 對從2005年研究區(qū)及周邊14個(gè)氣象站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離加權(quán)插值(IDW)得到氣候指標(biāo)數(shù)據(jù);采用研究區(qū)1∶5萬土壤圖作為底圖,經(jīng)數(shù)字化和投影,得到研究區(qū)Coverage格式的土壤分布圖;根據(jù)美國空間信息情報(bào)局(NGA)提供的3弧秒(90 m)分辨率的DEM影像,采用三次卷積算法對存在少量缺值點(diǎn)或區(qū)進(jìn)行插值,生成坡度、坡向圖像。對河流、湖泊和水庫區(qū)域建立半徑為1 km的緩沖區(qū),并將區(qū)內(nèi)的水源可獲得性指數(shù)設(shè)置為1;然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 GRID格式,在A rc Info GRID模塊下計(jì)算各柵格到水源的距離;最后采用極值標(biāo)準(zhǔn)化方法將其轉(zhuǎn)換成水源可獲得性指數(shù)。研究區(qū)以公路交通為主,故在計(jì)算交通便捷度時(shí)僅考慮公路交通。首先提取國家級(包括國道和高速公路)、省道、縣道、大車道和鄉(xiāng)道5種等級的道路,依據(jù)距離道路越遠(yuǎn)交通便捷度越小的原則進(jìn)行插值運(yùn)算;然后根據(jù)專家打分和層次分析法確定不同道路對交通便捷度的影響權(quán)重,國家級、省道、縣道、大車道和鄉(xiāng)道的權(quán)重依次為 1.0000、0.8236、0.5625、0.3303、0.2875;最后進(jìn)行空間疊加運(yùn)算,獲得交通便捷度。將所有指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到高斯克呂格投影下,并轉(zhuǎn)換為A rcGIS GRID的文件格式,經(jīng)三次卷積方法重采樣,將單元格大小統(tǒng)一調(diào)整為30 m×30 m。

1.2.4 指標(biāo)分級 通過專家咨詢和野外調(diào)查相結(jié)合,將每項(xiàng)指標(biāo)分為5級,每個(gè)等級賦值分別為:1級90分,2級70分,3級50分,4級30分,5級10分,最終將各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為評價(jià)分級數(shù)據(jù)(表2)。

1.2.5 評價(jià)模型的建立 在A rcGIS GRID平臺下基于加權(quán)指數(shù)和法建立評價(jià)模型。加權(quán)指數(shù)和法是在確定各參評因子權(quán)重的基礎(chǔ)上,將每單元的各參評因子分級值乘以各自的權(quán)重值,然后進(jìn)行累加,得到各個(gè)評價(jià)單元的總分值;最后根據(jù)總分的高低確定各個(gè)評價(jià)單元對各種土地適宜類的適宜性等級。評價(jià)模型如下:

式中:Vi、Wi分別為指標(biāo)i的分級值和權(quán)重值;S為土地適宜性指數(shù),該值越大說明土地適宜性越強(qiáng)。

1.2.6 評價(jià)結(jié)果分級 參照《土地評價(jià)綱要》和《土地利用總體規(guī)劃編制規(guī)程》以及陳松林等的研究成果[19],根據(jù)土地的適宜性、限制性、生產(chǎn)能力及評價(jià)指標(biāo)打分機(jī)制等,將各評價(jià)單元的土地適宜性分為高度適宜(>70)、一般適宜(60～70)、臨界適宜(50～60)、不適宜(<50)4個(gè)等級。高度適宜是指各項(xiàng)指標(biāo)均處于最優(yōu)或較優(yōu)的狀態(tài),土地對所定用途無明顯限制,土地具有較高的生產(chǎn)率和較好的效益;一般適宜是指土地對特定用途具有輕微的限制性,經(jīng)濟(jì)效益一般;臨界適宜是指土地對所定用途具有較為明顯的限制性,勉強(qiáng)適宜于所定用途,土地的生產(chǎn)率或效益很低,利用不當(dāng)容易引起土地退化;不適宜是指對特定用途不能利用或不能持續(xù)利用。

表2 指標(biāo)分級Table 2 Classification standard of index system

2 衡陽盆地土地適宜性評價(jià)結(jié)果

2.1 耕地適宜性分析

研究區(qū)耕地適宜性分布特征如下(圖2a、表3): 1)整體適宜性不高。研究區(qū)土壤以紅壤和紫色土為主,土壤肥力和抗侵蝕能力差,不適宜農(nóng)作物生長,導(dǎo)致研究區(qū)宜耕性差,宜耕區(qū)域總面積7 712.20 km2,以臨界適宜(3 333.25 km2)和一般適宜(2 975.80 km2)為主,占研究區(qū)總面積的41.21%,高度適宜區(qū)域僅為1 403.15 km2,主要位于湘江河谷地帶。2)不適宜區(qū)域分布廣且分散。不適宜區(qū)域總面積為7 598.00 km2,占研究區(qū)總面積的49.63%,主要分布在南岳、衡陽縣西南部、衡南縣西部和東部、常寧市西南部和耒陽東部等坡度較大的山區(qū)。

表3 耕地、建設(shè)用地和林地適宜性分級統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistic of arable land,building land and woodland suitability

2.2 建設(shè)用地適宜性分析

圖2 耕地、建設(shè)用地、林地適宜性分布Fig.2 Distribution of arable land,building land and woodland suitability

研究區(qū)建設(shè)用地高度適宜區(qū)域面積較小(814.57 km2)(表3),占研究區(qū)總面積的5.32%,主要位于湘江和蒸水河谷地帶(圖2b)。另外,研究區(qū)建設(shè)用地不適宜區(qū)域分布和數(shù)量與耕地不適宜區(qū)域的分布和數(shù)量大致相當(dāng),從圖2a和圖2b可以看出,地形和水文條件是決定研究區(qū)耕地和建設(shè)用地適宜性的關(guān)鍵因素。

2.3 林地適宜性分析

研究區(qū)林地適宜性普遍較高,一般適宜和高度適宜區(qū)總面積為14 417.20 km2(表3),占研究區(qū)總面積的94.17%,其中一般適宜區(qū)面積占研究區(qū)總面積的63.12%。林地高度適宜區(qū)域地區(qū)差異明顯(圖2c),主要分布在南部的常寧市和耒陽市以及西部的祁東縣,該分布特征與年均降水量分布存在明顯的相關(guān)性;臨界適宜區(qū)域在衡南縣西部集中分布,在衡陽縣、衡東縣和衡山縣也有零星分布。

2.4 評價(jià)結(jié)果與土地利用現(xiàn)狀對比分析

本文采用遙感方法提取土地利用現(xiàn)狀信息,并用常寧市1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行精度檢驗(yàn),最后對評價(jià)結(jié)果和土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行對比分析。

2.4.1 土地利用信息提取 采用研究區(qū)3景冬季的TM影像數(shù)據(jù),分別為2005年12月29日p123r41、2005年12月24日p123r42和2006年1月5日p123r42。為了消除由于獲取時(shí)間不同而導(dǎo)致的影像差異,對3景影像進(jìn)行了直方圖配準(zhǔn)和影像鑲嵌,并使用1∶5萬地形圖對影像進(jìn)行了幾何校正(誤差控制在半個(gè)像元內(nèi),符合精度要求);采用最大似然比分類方法對經(jīng)過預(yù)處理的 TM影像進(jìn)行分類(圖3),然后結(jié)合常寧市1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖對提取結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià),總體精度為88.23%,Kappa系數(shù)為72.47%,說明提取結(jié)果精度較高。

圖3 土地利用現(xiàn)狀提取結(jié)果Fig.3 Land use distribution

2.4.2 評價(jià)結(jié)果與土地利用現(xiàn)狀對比分析 通過對比圖3和圖2,得出土地利用現(xiàn)狀適宜性統(tǒng)計(jì)表(表4)。現(xiàn)有耕地總面積為2 284.58 km2,以臨界適宜和一般適宜類型為主,其中一般適宜類型面積最大(832.87 km2),占耕地總面積的36.46%;也存在較大面積(241.22 km2)的不適宜區(qū)域,占耕地總面積的10.56%,主要分布在衡南縣東部和西部以及衡陽縣南部區(qū)域,以紫色土為主,土壤肥力和抗侵蝕能力較差?，F(xiàn)有建設(shè)用地總面積147.26 km2,整體適宜性較高,一般適宜和高度適宜區(qū)域總面積達(dá)108.23 km2,占建設(shè)用地總面積的73.50%,其中一般適宜區(qū)域面積最大,且分布集中,主要位于衡陽市區(qū);不適宜區(qū)域面積為17.38 km2,占建設(shè)用地總面積的11.80%,分布較為分散?，F(xiàn)有林地分布廣泛,總面積達(dá)6 051.79 km2,與耕地和建設(shè)用地相比,總體適宜性最高,以一般適宜和高度適宜類型為主,占林地總面積的97.99%。

表4 土地利用現(xiàn)狀適宜性統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistic of land use suitability

土地利用潛力區(qū)是指適宜某種特定土地利用類型而沒有進(jìn)行該類型土地利用開發(fā)的區(qū)域。統(tǒng)計(jì)非耕地、非建設(shè)用地和非林地區(qū)域分別對耕地、建設(shè)用地和林地的適宜性,得到土地利用潛力區(qū)面積(表5);在進(jìn)行耕地、建設(shè)用地和林地的潛力區(qū)面積統(tǒng)計(jì)時(shí)分別排除了其他兩種土地利用現(xiàn)狀區(qū)域?？梢钥闯龈亍⒔ㄔO(shè)用地和林地的開發(fā)潛力都較大,高度適宜潛力區(qū)面積分別達(dá)636.10 km2、443.30 km2和452.55 km2,其分布特征見圖4;可見耕地和建設(shè)用地高度適宜潛力區(qū)的分布存在明顯的相關(guān)性,同時(shí)表現(xiàn)為耕地和建設(shè)用地高度適宜的潛力區(qū)面積為321.32 km2,林地高度適宜潛力區(qū)分布相對獨(dú)立,主要分布在祁東縣北部、常寧市南部和耒陽市東、南部區(qū)域。

表5 土地利用潛力區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistic of potential land use area

圖4 高度適宜潛力區(qū)分布Fig.4 Distribution of potential high suitability area

3 衡陽盆地土地利用對策

(1)大力開展山區(qū)植樹造林。研究區(qū)耕地和建設(shè)用地不適宜區(qū)面積大,且主要分布在南岳、衡陽縣西南部、衡南縣西部和東部、常寧市西南部和耒陽東部等坡度較大的山區(qū),而林地適宜性整體較高,因此,應(yīng)加強(qiáng)山區(qū)植樹造林,發(fā)展山區(qū)林產(chǎn)業(yè)。由于林地高度適宜的潛力區(qū)主要分布在祁東縣四明山區(qū)、常寧南部山區(qū)以及耒陽東、南部山區(qū),政府在制定土地利用規(guī)劃和林業(yè)發(fā)展規(guī)劃時(shí)應(yīng)將這些區(qū)域作為植樹造林的重點(diǎn)區(qū)域。

(2)加強(qiáng)耕地和建設(shè)用地不適宜區(qū)域還林?，F(xiàn)有耕地中不適宜區(qū)域面積較大,占耕地總面積的10.56%,且主要分布在衡南縣和衡陽縣境內(nèi)的紫色土區(qū),因此,應(yīng)將該區(qū)域作為退耕還林的重點(diǎn)區(qū)域。現(xiàn)有建設(shè)用地不適宜區(qū)域面積為17.38 km2,占建設(shè)用地總面積的11.80%,且分布分散,因此,應(yīng)加強(qiáng)研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地不適宜區(qū)的核查,并根據(jù)實(shí)際情況還林。

(3)合理規(guī)劃耕地和建設(shè)用地。研究區(qū)耕地和建設(shè)用地開發(fā)潛力較大,且二者高度適宜潛力區(qū)的分布明顯相關(guān),表現(xiàn)為耕地和建設(shè)用地高度適宜的潛力區(qū)面積為321.32 km2,因此,應(yīng)處理好耕地和建設(shè)用地開發(fā)的關(guān)系。對于交通條件較好的高度適宜區(qū)域可以優(yōu)先開發(fā)為建設(shè)用地,而地形和水文條件均較好的區(qū)域優(yōu)先開發(fā)為耕地;具體而言,衡陽市區(qū)和耒陽市中部為建設(shè)用地高度適宜潛力區(qū),可以優(yōu)先進(jìn)行建設(shè)用地開發(fā),而其他的建設(shè)用地和耕地的高度適宜潛力區(qū)可優(yōu)先進(jìn)行耕地開發(fā)。

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Abstract:The Hengyang Basin locates in the vulnerable ecological area in Southern China,becauseof the irrational human activities,soil erosion and red desertification are serious in the area.In this paper,Hengyang Basin is taken as the study area,five typesof factors such as soil,climate,topography,hydrology and traffic,including 11 indexes are selected to build index system of land use suitability evaluation that is app licable to the study area,taking advantage of expert sco ring and AHP methods to calculate theweightof indexesand using GISGRID p latform to build evaluationmodel,land use suitability of 3 land use type including arable field,construction land and woodland in Hengyang Basin are evaluated.The result show s:1)The arable field suitability ismainly to critically suitable and no rmally suitable,the p roportion of unsuitable areas to total area of study area is 49.63%,and mainly locate in hilly area.2)The p roportion of high building land suitability to total area is 5.32%,and the unsuitable building land and arable land regions almost share the same distribution.3)The woodland suitability of study area is high and the area p ropo rtion of normal suitability and high suitability to total area is94.17%.Some conclusions can be draw n by comparing the evaluation result to land usew hich isobtained f rom TM images,the arable land use ismainly to critical suitability and normal suitability,and the p ropo rtion of unsuitable area to total arable land is10.56%and the unsuitable regionsmainly locate in the eastern and western Hengnan County and southern Hengyang County,The suitability of building land is high and has concentrated distribution,and itmostly locates in Hengyang urban area.

Key words:land use suitability;spatial analysis;hilly area in Southern China;Hengyang Basin;GIS

Evaluation of Land Use Suitability of Hilly Area in Southern China Based on GIS:A Case Study in the Hengyang Basin

ZHENGWen-w u1,2,TIAN Ya-ping2,ZOU Jun2,DENG Yun-yuan2,L IU Xiao-yan2,DENGM ei-rong2
(1.Department of Surveying and Land Information Engineering,Central South University,Changsha 410083; 2.Resources Environment and Tourism Management Department,Hengyang Normal University,Hengyang 421008,China)

F301.1

A

1672-0504(2010)06-0079-05

2010-07-10;

2010-09-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40971067);湖南省資源環(huán)境管理與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究成果;湖南省教育廳課題成果(08C154)

鄭文武(1978-),男,博士研究生,主要從事GIS和遙感應(yīng)用研究。E-mail:zhwenw u@163.com