基于GIS的滇中高原耕地適宜性分析
——以易門縣為例

何萬華，周文佐,田 羅，劉東紅

(西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

基于GIS的滇中高原耕地適宜性分析
——以易門縣為例

何萬華，周文佐*,田 羅，劉東紅

(西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

開展耕地適宜評價是編制農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，優(yōu)化耕地資源配置的基礎(chǔ)性工作，以易門縣耕地資源為研究對象，選取了立地因素、土壤條件、管理條件3個主導(dǎo)因素9個評價因子構(gòu)成了該區(qū)域的評價體系。依據(jù)土地適宜性分析的數(shù)學(xué)評價模型，利用加權(quán)指數(shù)和法、限制因素法、層次分析法，并結(jié)合GIS空間分析、統(tǒng)計軟件，得出易門縣100 m×100 m柵格精度的耕地適宜性等級。分析統(tǒng)計了易門縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜耕地數(shù)量、人均適宜耕地面積以及空間分布特征，結(jié)果得出：在數(shù)量上，該縣耕地23981 hm2中，最適宜類6956 hm2，中等適宜類14424 hm2，臨界適宜類2162 hm2，不適宜類439 hm2；人均耕地面積為0.14 hm2，中等適宜類以上占到89%。在空間上，易門縣耕地適宜性整體呈現(xiàn)東高西低的特點，最適宜類和中等適宜類集中分布中西部平壩地區(qū)；臨界適宜類和不適宜類主要分布在南部、西北部高山區(qū)域。最后，以耕地適宜等級大小為農(nóng)作物布局依據(jù)，為作物空間布局指明了宜煙草、宜林、應(yīng)改良區(qū)域。

適宜性分析；GIS；易門縣；滇中高原

2017年國家財政部下發(fā)的國農(nóng)辦[2016]46號文件中強調(diào)加強對耕地保護與質(zhì)量提升的補貼力度，這表明在土地利用過程中，確保我國耕地紅線[1]與糧食安全戰(zhàn)略的目標(biāo)下，耕地適宜性評價對耕地資源的優(yōu)化配置、高效利用和可持續(xù)發(fā)展意義重大[2]。耕地適宜性評價[3-5]是通過影響耕地利用多個因素的綜合分析，主要集中在評價因子指標(biāo)體系構(gòu)建、評價單元的確定、評價模型及評價方法、評價技術(shù)手段和適宜性分析結(jié)果的應(yīng)用研究中[6-7]。在評價體系構(gòu)建中，選取恰當(dāng)因子十分重要，評價因子選取需要遵循可得性、可行性、長期主導(dǎo)性、可量化性原則[8]?，F(xiàn)用于耕地適宜性分析方法主要有主成分分析法、加權(quán)指數(shù)和法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊集合綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、聚類分析法、物元分析法等[9-13]。加權(quán)指數(shù)和法在土地適宜性評價中使用頻率較高[14-15]，加權(quán)指數(shù)和法是確定其評價因子及其權(quán)重后，對評價單元各參評因子等級指數(shù)與權(quán)重乘積再累加得到單元綜合分值，最后在確定適宜級別[16-17]。評價單元的劃分有土壤類型圖斑、土地利用現(xiàn)狀圖圖斑、一定大小的柵格為最基本的評價單元[18]。將研究區(qū)域劃分為一定大小的柵格單元[19]易于圖形疊加和模型計算，評價結(jié)果比較客觀[20]。伴隨GIS軟件在土地適宜性分析中的應(yīng)用，土地適宜性分析研究日漸成熟且穩(wěn)定。但研究區(qū)域涉及高原山地區(qū)耕地適宜性分析較少[21-22]。本文以滇中高原易門縣耕地為研究對象，用土地適應(yīng)性分析模型的一般形式為評價模型，以一定大小柵格為基本單元，利用加權(quán)指數(shù)和法并結(jié)合限制性因素法評價易門縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地適宜性。以期為滇中高原耕地資源優(yōu)化配置和農(nóng)業(yè)布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

易門縣地處云南省玉溪市滇中高原的西部(圖1)。地處北緯24°27′～24°57′、東經(jīng)101°54′～102°18′，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。其地勢整體形態(tài)約呈馬蹄形，即中北部高，東西南部低，三級階梯分布明顯。地形以山間盆地、中山峽谷為主，面積157100 hm2，其中高山河谷分布面積最廣，占易門縣總面積97.0%，而平壩區(qū)面積僅占總面積的3.0%，大部分屬于巖溶地貌；其中耕地面積為23981 hm2，包括旱地19364.95 hm2、水田4616.05 hm2。人口177110人，人均耕地面積0.14 hm2，高于同期全國人均耕地面積。在縣轄四鄉(xiāng)三鎮(zhèn)境內(nèi)除漢族外，還居住著彝、哈尼、回、苗、白等少數(shù)民族，少數(shù)民族人口占了29.3%，屬于典型的少數(shù)民族聚居區(qū)。該區(qū)域農(nóng)業(yè)占有重要地位，煙草種植面積廣闊，對耕地依賴性大[23]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

耕地數(shù)據(jù)和管理條件數(shù)據(jù)來源于2009年易門縣全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫和易門縣土地利用總體規(guī)劃成果(2006～2020年)；立地條件數(shù)據(jù)來自2015年易門縣等高線地形圖(1∶10000)；土壤理化性狀數(shù)據(jù)從2009年易門縣《基本煙田規(guī)劃》數(shù)據(jù)中提取；易門縣行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于2015年全國縣級矢量數(shù)據(jù)圖；以及人口數(shù)據(jù)采用2010年第六次中國人口普查數(shù)據(jù)。

圖1 易門縣位置示意圖

研究中采用易門的等高線地形圖，利用ArcGIS軟件空間分析功能建立TIN數(shù)字高程模型,生成坡度、坡向圖，依據(jù)屬性分類之后確定單元貢獻函數(shù)值[24]。土壤理化性狀數(shù)據(jù)，根據(jù)屬性值分類確定評價單元因素因子貢獻函數(shù)值。由易門第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫中提取灌溉保障率、居民地條件、交通通達性，按照相應(yīng)的要求建立緩沖區(qū)，按管理便攜程度再確定評價單元內(nèi)貢獻函數(shù)值。最后，參照易門縣土地利用總體規(guī)劃成果(2006～2020年)和易門第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫中耕地為評價對象，利用ArcGIS軟件建立易門縣耕地適宜性評價地理數(shù)據(jù)庫。

2 評價體系的構(gòu)建與綜合評價

2.1 評價對象的影響因素和因子

建立評價體系的關(guān)鍵在于科學(xué)、客觀、合理地選取評價指標(biāo)，要求盡量選擇比較穩(wěn)定且可量化的參評因子[25]。選擇評價因素和因子時，則選擇對耕地生產(chǎn)和利用具有直接影響的數(shù)據(jù)。而某些數(shù)據(jù)難獲得或成本較高，或區(qū)域差異不明顯，需要舍棄。本文最終選取3個主導(dǎo)因素9個參評因子構(gòu)成耕地評價體系如圖2。

2.2 計算因素及其因子貢獻函數(shù)值

各影響因素中單因子評分標(biāo)準(zhǔn)的建立對土地適宜性評價十分關(guān)鍵，參評因子屬性集(v)的確定是準(zhǔn)確評價耕地適宜性的基礎(chǔ)。3個主導(dǎo)因素對耕地適宜性的貢獻大小和適應(yīng)程度存在差異，利用GIS軟件能夠生成各影響因素因子屬性優(yōu)劣分級數(shù)據(jù)Ri(i=1,2,3)，即立地因素影響因子及屬性分級表R1(表1)；同理,可以生成土壤理化性質(zhì)及屬性分級數(shù)據(jù)表R2(表2)、管理因素影響因子及屬性分級數(shù)據(jù)表R3(表3)，圖3為單因子圖層。

貢獻函數(shù)值可以按照影響因素的級別來確定，本文將各因素按耕地適宜性貢獻函數(shù)值大小Pji劃分為4個等級，則在主導(dǎo)因素中各因子第1等級適宜的指標(biāo)值定為貢獻函數(shù)值100，各因子第4等級適宜的指標(biāo)值定為貢獻函數(shù)值1[24],每個因素屬性集滿足從優(yōu)到劣的全序集V11>Vjk>…>Vnl，則各因素4級量化標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的貢獻函數(shù)值評分p分別為：p1i=100、p2i=67、p3i=33、p4i=1[24]。

圖2 耕地適宜性評價體系圖

立地因素分級貢獻函數(shù)值坡度/°0～51005～156715～2533≥251坡向平坡、陽坡100半陽坡67半陰坡33陰坡1

2.3 因素及其因子權(quán)重確定

本文因子權(quán)重值(W)賦值是基于對評價對象的貢獻值和適宜程度來確定的，并運用層次分析法[14]并結(jié)合《TDT 1004─2003農(nóng)用地分等規(guī)程》附錄C《農(nóng)用地分等推薦因素及其分等和權(quán)重》確定各因素因子權(quán)重見表4。

表2 土壤理化性質(zhì)及屬性分級R2

根據(jù)各因素的權(quán)重(w)與貢獻函數(shù)值(p)的關(guān)系式，建立各因素評價指標(biāo)值(表5)，該指標(biāo)可與影響因素因子屬性等級數(shù)據(jù)Ri結(jié)合，為耕地適宜性評價提供依據(jù)。

2.4 評價單元劃分

土地評價單元是性狀比較一致的獨立的評價單元，是各個因子綜合迭加而成的最基本單元[26]。建立數(shù)據(jù)庫后選取易門縣耕地中水田、旱地為評價范圍，將評價單元確定為100 m×100 m(1 hm2)柵格，共有23981個評價單元。

表3 管理因素因子及屬性分級R3

2.5 綜合評價模型和方法

本文嘗試用土地適宜分析模型的一般形式用于耕地適宜性分析，并在限制性條件下的加權(quán)指數(shù)合法結(jié)合，即以易門縣耕地適宜性級別(T)為評價對象，形成主導(dǎo)因素并對應(yīng)參評因子，用GIS空間分析軟件生成的各評價影響因素因子及其屬性，按其屬性集的優(yōu)劣，可用下列矩陣表示：

(1)

式(1)中：P為Xi對T的貢獻函數(shù)值；i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…,l；W為Xi對T的權(quán)重值；Xi為T的因素。下同。

以此矩陣為基礎(chǔ)，加上GIS功能的支持，可以求出每個柵格單元綜合分值R(T)，具體見公式(2)：

(2)

表4 評價因子權(quán)重

圖3 部分單因子圖層

級別立地因素坡度坡向土壤因素土壤質(zhì)地有機質(zhì)含量土壤pH值土壤養(yǎng)分管理因素居民地灌溉保證率交通條件116.008.0016.0013.009.0013.006.0013.006.00210.705.4010.708.716.038.714.028.714.0235.302.605.304.292.974.291.984.291.9840.160.080.130.160.130.090.130.060.06

每個單元確定綜合分值后，為了最終判定所選耕地的適宜性等級，根據(jù)公式(3)：

(3)

值為最大時P對應(yīng)j的原理確定耕地適宜性等級。在適宜級為S2或S3時，必須同時確定其限制因子L(xi)[24]，具體見公式(4)：

(4)

2.6 耕地適宜性評級

參照聯(lián)合國《土地評價綱要》并通過評價研究可將耕地分為最適宜(S1)、中等適宜(S2)、臨界適宜(S3)、不適宜(S4)4個等級[27]。然后通過對耕地的影響因素因子及屬性分級數(shù)據(jù)Ri，切換為表5相同等級對應(yīng)的指標(biāo)值，按公式(2)可得出每個評價單元的綜合分值R(T)。據(jù)公式(3)將R(T)分級后實現(xiàn)對易門縣耕地適宜等級評定，即式(3)的值為最大值時貢獻函數(shù)值P所對應(yīng)的j(j=1,2,3,4)為易門縣耕地適宜性等級Sj(j=1,2,3,4)。在此基礎(chǔ)上考慮了限制性因素，并運用到適宜性評級中：即坡度作為一個適宜性評價的限制性因子，只要坡度大于25°的評價單元，其他條件再好，也只能確定為不適宜等級S4。從而最終得到耕地4級R(T)分級標(biāo)準(zhǔn)(表6)。

表6 (RT)4級適宜性分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析與應(yīng)用

3.1 結(jié)果分析

適宜等級G(Pji)最大值對應(yīng)法將R(T)分級后，得到R(T)最小值0.28，最小值0.28并未達到R(T)4級適宜標(biāo)準(zhǔn)S4[R(T)<0.17]，因參考了限制性因素法，最終有了不適宜等級S4；最大值1，數(shù)值主要集中在0.6～0.8之間，平均值達到0.72，這與統(tǒng)計結(jié)果易門縣耕地S2適宜性居多，S3、S4適宜類居少相對應(yīng)。最后，用ArcGIS軟件以100 m×100 m柵格精度輸出得到易門縣耕地適宜性評級結(jié)果(圖4)，并統(tǒng)計了易門縣耕地不同適宜等級的面積(表7),再根據(jù)耕地適宜評價結(jié)果與易門縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)矢量數(shù)據(jù)疊加得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地適宜等級面積(表8)。

易門縣耕地適宜性等級與其柵格DEM疊加圖(圖4)，更能直觀地反映滇中高原山地地形地勢對耕地影響，其中最適宜類(S1)6956 hm2，占總評價區(qū)域的29%，主要集中分布在六街鎮(zhèn)、龍泉鎮(zhèn)一線平壩河流沖擊形成的緩坡地區(qū)。這一帶地區(qū)屬于易門縣經(jīng)濟核心地帶，人口集中，耕地離居民點較近，管理條件優(yōu)越；省道S213穿過，有良好的交通通達性；周邊有河流水庫修建，灌溉保證率高；離城區(qū)較近，耕地土壤肥力充分保證，土壤pH值主要集中在6.0～7.9。此類耕地沒有限制性因子，在土地利用規(guī)劃中，屬于基本耕地，不宜調(diào)整。

中等適宜類(S2)14424 hm2，占總評價面積的60.1%，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積分布。中等適宜類和臨界適宜類確定時，必須用公式(4)確定限制性因子。易門縣有著山間多平壩，局部多梯田的山地高原地形特點，其限制性因素主要是受管理條件、立地因素的影響。易門縣山高谷深的自然地理條件決定了道路開發(fā)難度大，導(dǎo)致交通和灌溉保證率不足。水田、水澆地主要分布在山間平壩地區(qū)，地形較為平坦，相對位置較低；但旱地主要分布在山間，受立地因素較大，坡度是其最大限制因子，地形坡度大于25°的且人均耕地滿足退耕還林要求的耕地還需退耕還林還草。

臨界適宜類(S3)2162 hm2，占總面積的9%，主要分布在六街鎮(zhèn)、龍泉鎮(zhèn)及綠汁鎮(zhèn)高海拔山地區(qū)，此類影響因素中，集中體現(xiàn)在受土壤質(zhì)量差肥力不夠、灌溉保證率低、交通條件差、離居民地遠、處于陰坡、坡度大等因素限制。此類耕地利用率低，需要改良或退耕還林還草。

不適宜類(S4)439 hm2，僅占總評面積的1.9%，此類地受地形坡度的影響，坡度大于25°，不宜耕作利用，應(yīng)退耕還林還草，調(diào)整為林地，保持水土。

圖4 易門縣耕地適宜性分級圖

項目適宜等級S1S2S3S4合計面積/hm2695614424216243923981所占份額/%29.060.19.01.9100.0

3.2 結(jié)果應(yīng)用

云南省玉溪市各區(qū)縣盛產(chǎn)煙草，核桃、柑橘等作物，其中煙葉質(zhì)量的好壞主要受遺傳因素、生態(tài)環(huán)境和栽培技術(shù)相互作用的結(jié)果[28]，影響煙葉生長和質(zhì)量的生態(tài)因素主要包括氣候、土壤、海拔以及地形地勢等[29-30]。所以其生長的好壞與其耕地適宜程度有很大關(guān)聯(lián)。其評價結(jié)果可為確定最適應(yīng)的用地方式和充分發(fā)揮生產(chǎn)潛力提供依據(jù)。從而以耕地適宜等級為農(nóng)作物布局依據(jù)，可把深受坡度影響的不適宜類，調(diào)整為林地，適宜種植核桃、柑橘等當(dāng)?shù)亟?jīng)濟作物；臨界適宜類應(yīng)有效地改良可作為備用耕地；最適宜類與中等適宜類適合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟作物煙草的種植，該適宜類耕地能最大限度地滿足煙草生長(圖5)。

表8易門縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地適宜性統(tǒng)計結(jié)果

hm2

圖5 作物適宜區(qū)

4 結(jié)語

本文以易門縣耕地資源為評價對象，評價結(jié)果表明：易門縣耕地資源空間分布差異顯著，高原山地對耕地適宜性的影響大。該縣耕地23981 hm2中，最適宜類6956 hm2、中等適宜類14424 hm2，兩者占總評價面積的89.1%，這類耕地分布面積廣，適宜當(dāng)?shù)責(zé)煵莘N植；不適宜類439 hm2，僅占總評面積的1.9%，此類耕地需調(diào)整為林地，適宜核桃、柑橘等作物種植，主要集中分布在易門縣西部；臨界適宜類2162 hm2，占總評面積的9%，此類地需改良再加以利用。在人均耕地面積0.14 hm2中，中等適宜類以上耕地面積占0.12 hm2，充分說明了易門縣耕地資源開發(fā)較為合理，耕地資源適宜性普遍高。然而耕地適宜性分析中限制因子普遍存在，在耕地具體利用過程中則需要針對其限制因子，做出最優(yōu)的作物種類布局，實現(xiàn)因地制宜、高效利用耕地。本文以地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)為依托，用土地適宜評價的一般模型和方法應(yīng)用于耕地適宜性評價，在耕地適宜性評價技術(shù)與方法上有一定的創(chuàng)新，為農(nóng)作物布局規(guī)劃有一定參考價值。

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SuitabilityAnalysisofCultivatedLandinPlateauofCentralYunnanBasedonGIS:ACaseStudyofYimenCounty

HE Wan-hua, ZHOU Wen-zuo*, TIAN Luo, LIU Dong-hong

(School of Geographical Science, Southwestern University, Chongqing 400715, China)

The evaluation of cultivated land suitability is the basic work of compiling agricultural development plan and optimizing the allocation of cultivated land resources. Using the resources of cultivated land in Yimen county as the research object, we selected 9 factors from the aspects of land site, soil condition and management condition to construct an evaluation system for the cultivated land suitability in this county. Based on the land suitability evaluation mathematical model, by using the weighted exponential sum method, restriction factor method, AHP, GIS spatial analysis, and statistical software, the author calculated and obtained the suitability level of cultivated land grids (100 m×100 m) in Yimen county, and statistically analyzed the suitable cultivated land quantity and spatial distribution characteristics, and per-capita suitable cultivated land area of each township in this county. The results showed that: among 23981 hm2cultivated land in Yimen county, there were 6956 hm2most suitable cultivated land, 14424 hm2moderately suitable cultivated land, 2162 hm2critically suitable cultivated land, and 439 hm2unsuitable cultivated land; the per-capita cultivated land area was 0.14 hm2, and the most or moderately suitable cultivated land accounted for 89% of total cultivated land. The spatial distribution of cultivated land suitability in Yimen county generally revealed the characteristics of being high in eastern part and being low in western part; the most suitable cultivated land and moderately suitable cultivated land were concentratedly distributed in Pingba area of middle and western part; the critically suitable cultivated land and unsuitable cultivated land were mainly distributed in mountainous area of southern and northwestern part. Finally, according to the level of cultivated land suitability in Yimen county, the author pointed out the regions which were suitable for tobacco and forestry, or should be improved.

Suitability analysis; GIS; Yimen county; Central Yunnan plateau

2017-06-28

國家自然科學(xué)基金(41571093)。

何萬華(1991─)，男，云南楚雄人，碩士研究生，主要從事土地利用與土壤環(huán)境研究。*通訊作者：周文佐。

S127；F323.211

A

1001-8581(2017)11-0038-06

(責(zé)任編輯：曾小軍)