基于GIS的白山市江源區(qū)農(nóng)用地的適宜性評價

張 帆，李 帥，劉家福

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林四平 136000)

土地是人類生活與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是人類進行農(nóng)牧耕作的重要組成部分。而土地適宜性評價是對土地進行評定，以確定該區(qū)域土地是否滿足所需要的特定用途以及適宜的程度[1]。在19世紀末20世紀初期，國外的景觀設(shè)計師對適宜性進行分析主要是經(jīng)過疊加底圖并手工繪制，隨著21世紀的到來，計算機技術(shù)高速發(fā)展以及GIS技術(shù)的廣泛普及，通過GIS軟件進行疊加分析逐漸成為適宜性評價的首選方法[2]。適宜性評價方法發(fā)展至今，不僅致力于評價模型的構(gòu)建與完善，更著重研究評價指標的選擇。分析農(nóng)用地適應性現(xiàn)狀，對優(yōu)化該地區(qū)土地使用方式、促進可持續(xù)發(fā)展有顯著作用[3]。

本文以白山市江源區(qū)為研究區(qū)域，選取絕對高度、坡度、坡向、地勢起伏度、NDVI及土壤侵蝕狀況6個評價因子，通過GIS的疊置分析功能，從多角度對江源區(qū)農(nóng)用土地適宜性進行定量評價，以期推動江源區(qū)經(jīng)濟發(fā)展[4]。

1 研究區(qū)概況

江源區(qū)為吉林省白山市西部城區(qū)，地處126°23′～127°11′E，41°48′～42°13′N。北接靖宇，南鄰臨江，東接撫松，西至渾江?？偯娣e為1.34×103km2，總?cè)丝跀?shù)為2.68×105人。包括松樹鎮(zhèn)、石人鎮(zhèn)等6鎮(zhèn)4街道。江源區(qū)屬于北溫帶大陸性東亞季風氣候，夏季溫度較高，降水頻繁，冬季漫長，北風較強，結(jié)霜期早。年平均氣溫為4℃，年均降水量為910 mm。江源區(qū)森林覆蓋率為76%，是東北重要的林產(chǎn)品加工基地。野生動植物種類多樣，礦產(chǎn)資源豐富，被譽為“中國松花石之鄉(xiāng)”，整體以第二產(chǎn)業(yè)為主要經(jīng)濟支柱，研究區(qū)行政區(qū)劃圖見圖1。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

采用30 m分辨率的ASTER GDEM影像，于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)進行下載。下載完成后通過吉林省水文局提供的2017年白山市江源區(qū)土地利用矢量數(shù)據(jù)為邊界進行剪裁、拼接及去空值等預處理操作，得到江源區(qū)DEM原始數(shù)據(jù)[5]。對矢量數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換操作，使坐標與DEM數(shù)據(jù)匹配[6]。

圖1 江源區(qū)行政區(qū)圖

2.2 選定評價因子

適宜性評價的因子不僅受地形、地勢等自然因素影響，交通與勞動力等社會經(jīng)濟因素也對其有所作用[7]。選取的評價因子過多，會對評價結(jié)果有干擾，而選擇的因子過少，則會導致評價結(jié)果不準確。所以要選擇具有主導性、現(xiàn)實性以及針對性的因子。本文選取絕對高度、坡度、坡向、地勢起伏度、NDVI及土壤侵蝕狀況6個評價因子[8]。各因子間等級可以依照實際情況進行劃分，不必數(shù)目一致。

2.3 劃分評價等級

根據(jù)江源區(qū)實際耕地現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)文獻及經(jīng)驗[9]，對絕對高度、坡度、坡向、地勢起伏度、NDVI及土壤侵蝕狀況6個評價因子進行分級[10]，詳見表1。

2.3.1 絕對高度

絕對高度即海拔高度。絕對高度關(guān)系到農(nóng)作物對水分的汲取以及熱量的吸收，不同的高度會有分布差異，進而作用到農(nóng)作物上，使其發(fā)生分布差異。不同的絕對高度下土地適宜性有很大差別[11]。依照江源區(qū)DEM現(xiàn)狀，將絕對高度劃分為：≤600 m，600～750 m，750～900 m，900～1100 m以及>1100 m。

2.3.2 坡度

坡度的陡峭程度與地表侵蝕度密切相關(guān)，坡度的陡峭程度越平緩，土地所經(jīng)受的地表侵蝕度越低，反之則越高[12]。土地所經(jīng)歷的地表侵蝕度增高，會導致水土流失現(xiàn)象的增生，最終使耕地越來越少，嚴重影響農(nóng)業(yè)耕作。根據(jù)相關(guān)政府文件以及江源區(qū)土地現(xiàn)狀，將坡度分為：≤5°，5～10°，10～15°，15～20°以及>20°。

2.3.3 坡向

坡向直接關(guān)系到農(nóng)作物所接受的日照程度以及太陽光輻射的強弱。并且，坡向還對降水、風速等影響較為顯著，而這幾種因素會直接影響農(nóng)作物的生長[13]。按照東、南、西、北四個方向分布情況，將坡向分為：東67.5～112.5°，南157.5～202.5°，西247.5～292.5°，北0～22.5°、337.5～360°。

2.3.4 地勢起伏度

在所研究的區(qū)域中，最高點海拔與最低點海拔的差值為地勢起伏度。它可以宏觀地表示出一個區(qū)域的地勢情況，地勢起伏度關(guān)系著土地的使用用途以及穩(wěn)定程度，對于不同的地物，地勢起伏度有著不同且嚴格的要求[14]。結(jié)合江源區(qū)的實際地勢情況，將地勢起伏度分為：≤30 m，30～50 m，50～70 m，70～100 m以及>100 m。

2.3.5 NDVI

歸一化植被覆蓋指數(shù)(NDVI)，可反映農(nóng)作物長勢與營養(yǎng)狀況，通常用于觀測植物生長狀態(tài)，植被在地表的覆蓋程度及消除部分大氣輻射誤差[15]。NDVI值在-1～1之間。NDVI值為0時，表示有巖石或裸地；NDVI值為負時，表示被雨、雪、水等覆蓋；NDVI值越大，代表植被覆蓋程度越高。結(jié)合江源區(qū)實際植被覆蓋情況，將NDVI分為：≤0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8以及>0.8。

2.3.6 土壤侵蝕狀況

在一定區(qū)域內(nèi)，土壤在外力作用下被侵蝕、破壞的現(xiàn)象稱為土壤侵蝕。江源區(qū)境內(nèi)土壤侵蝕多是由于水力侵蝕作用產(chǎn)生的。土壤侵蝕會導致土壤表層被破壞，土壤肥力流失，致使土地適宜性下降，不利于糧食耕作。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀及《土壤侵蝕分級分類標準》，將土壤侵蝕狀況分為：微度(≤1000 t·km-2a-1)、輕度(1000～2500 t·km-2a-1)、中度(2500～5000 t·km-2a-1)、強烈(5000～8000 t·km-2a-1)和極強烈(8000～15000 t·km-2a-1)侵蝕。

基于江源區(qū)DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS空間分析模塊進行評價因子的提取，生成各評價因子的空間分布圖。根據(jù)表1的評價因子劃分原則，再通過ArcGIS重分類功能根據(jù)評價因子等級生成江源區(qū)絕對高度、坡度、坡向、地勢起伏度、NDVI及土壤侵蝕狀況6個土地適宜性評價因子等級圖(圖2)。其中NDVI信息提取于地理數(shù)據(jù)云下載的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過ENVI軟件中MODIS Conversion Toolkit插件進行提取分析，得到研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)。土壤侵蝕狀況來源自吉林省松遼委提供的數(shù)據(jù)。由圖2可以看出，江源區(qū)絕對高度普遍較高，中部區(qū)域海拔超過1000 m，西部土地平緩，坡度不高，坡向分布較均勻，南部區(qū)域地勢起伏度較高，植被覆蓋程度一般，土壤侵蝕狀況較少。

表1 評價因子劃分原則

圖2 土地適宜性評價因子等級圖

2.4 確定各因子權(quán)重

由于每個因子對土地適宜性的影響不盡相同，所以在計算各評價因子的數(shù)據(jù)后，需對各評價因子賦予不同的權(quán)重值。采用專家打分法來構(gòu)建層次分析法的指標，通過評價因子之間的比較分析，按照其各自的重要性大小，構(gòu)建判別矩陣。經(jīng)過多次比對后，將通過一致性檢驗的結(jié)果加和，最終得到6種評價因子的權(quán)重值。如表2所示。

表2 評價因子權(quán)重值

2.5 評價結(jié)果

依照江源區(qū)實際情況，參考《土地評價綱要》，將江源區(qū)耕地的土地適宜性分為高度適宜、中度適宜、基本適宜、不適宜4類。高度適宜表示該區(qū)域土地適宜性好，非常適合農(nóng)作物生長，無限制因素；中度適宜表示該區(qū)域土地適宜性一般，農(nóng)作物生長狀況正常，但有限制情況；基本適宜表示該地區(qū)土地適宜性勉強合格，農(nóng)作物可以生長，但限制因素較多，收益很低；不適宜表示該區(qū)域土地適宜性很差，不適合農(nóng)作物生長。

參考有關(guān)文鑒及文獻，結(jié)合江源區(qū)自然現(xiàn)狀，確定適宜性指標范圍，通過ArcGIS進行處理并分級，得出白山市江源區(qū)土地適宜性分級圖(圖3)。

圖3 江源區(qū)土地適宜性分級圖

3 結(jié)果與分析

3.1 江源區(qū)農(nóng)用地綜合適宜性評價

從圖2及表3可以看出，江源區(qū)適宜性等級為Ⅰ級的區(qū)域面積最小，為7.45 km2，約占總面積的0.56%，多分布在江源區(qū)西南部區(qū)域。可以看出江源區(qū)西南部區(qū)域是最適宜耕作的區(qū)域，坡度大多小于5°，地勢起伏度也多小于20 m，NDVI指數(shù)小于0.2，土壤侵蝕狀況較低，小于1000 t·km-2a-1，坡向多為南坡，絕對高度小于600 m。適宜性等級為Ⅱ級的區(qū)域所占面積遠大于Ⅰ級的區(qū)域，為278.5 km2，約占總面積的20.99%。Ⅱ級區(qū)域多分布在研究區(qū)西部區(qū)域，東部區(qū)域有少量存在。此部分與Ⅰ級區(qū)域相比，絕對高度較高，坡向大多為東坡，坡度大于Ⅰ級區(qū)域5°以內(nèi)，并且地勢起伏度大概大于20°以內(nèi)。植被覆蓋程度及土壤侵蝕狀況較I級區(qū)域有所增加。適宜性等級為Ⅲ級的區(qū)域面積最大，幾乎存在于研究區(qū)所有區(qū)域，除研究區(qū)中部分面積較少外，東部及西部都有大量的分布，面積占總面積的53.46%，約為709.11 km2。Ⅲ級區(qū)域基本上是不建議種植作物的耕地，限制作物生長的條件過多，即使強行種植，所獲得的經(jīng)濟收益很少。而適宜性等級為Ⅳ級的區(qū)域所占面積略大于Ⅱ級區(qū)域，為331.48 km2，占總面積的24.99%，在研究區(qū)南部區(qū)域分布較為集中，其余地區(qū)也有分布。綜合來看，江源區(qū)西南部地區(qū)適宜耕作，在此處耕作，收益較高，遠勝于其他區(qū)域；而江源區(qū)南部、中部及北部區(qū)域，不適宜進行農(nóng)牧耕作，這些地方大多坡度或地表起伏度過高，或者由于坡向、絕對高度、植被覆蓋、土壤侵蝕等問題，導致接受到的太陽輻射較少，農(nóng)作物很難生長。

表3 各適應性等級面積值

3.2 江源區(qū)農(nóng)用地適宜性差異成因分析

影響江源區(qū)土地適宜性差異的原因有很多，但是歸結(jié)起來為兩部分：自然因素和人文因素。自然因素包括氣候、土壤、植被、地貌地形等；而人文因素則包括人口數(shù)量、科技發(fā)展水平、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、政策因素等。在以農(nóng)業(yè)為主的社會中，土地利用變化主要受自然因素影響，隨著人類生產(chǎn)能力的不斷提高以及人類對自然界認識的不斷深入，人文因素在土地使用變化過程中的作用越來越高。

3.2.1 自然因素

3.2.1.1 氣候因素

氣候和降水決定了土質(zhì)自然發(fā)展的潛能。江源區(qū)屬于北溫帶大陸性東亞季風氣候，四季分明，雨季伴隨高溫，風力較大。受氣候限制，秋季較短，平均氣溫較低，初霜出現(xiàn)較早，在這些氣候因素干擾下，江源區(qū)大部分土地并不適宜耕作。值得注意的是，受氣候變暖影響，降雨量逐年減少，且不夠穩(wěn)定，河流干涸情況逐年加劇，總體變化趨向干旱。種植方式以旱田為主，水田近乎消失殆盡。

3.2.1.2 地形地貌

江源區(qū)位于長白山腹地，山峰林立高聳，連綿起伏。靖宇熔巖臺地與長白熔巖臺地覆蓋在境內(nèi)大部分區(qū)域。龍崗山脈海拔在800～1200 m，老嶺山脈海拔在1000～1300 m。鴨綠江與松花江為境內(nèi)兩大水系，礦泉水與溫泉水資源較為豐富。雖然此區(qū)域植被覆蓋度較高，但地形起伏不定，因此不利于糧食耕作。

3.2.2 人為因素

3.2.2.1 人口與社會經(jīng)濟的發(fā)展

在工業(yè)革命之前，人類對土地的使用多以有限度的農(nóng)墾及畜牧業(yè)為主。隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人類對土地可使用能源的需求量也日益增加，城市建筑用地及基礎(chǔ)設(shè)施用地面積不斷增加。社會經(jīng)濟的發(fā)展影響著土地使用構(gòu)成，同時，經(jīng)濟的發(fā)展為土地資源開發(fā)提供了大量的資本支撐，加快了土地使用種類的變化。近幾十年來，江源區(qū)人口急速增加，促進了江源區(qū)城鎮(zhèn)化的進程，使城鎮(zhèn)建筑用地面積不斷增加。

3.2.2.2 技術(shù)因素

近年來，隨著社會科學技術(shù)水平的提高，江源區(qū)不斷對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行產(chǎn)業(yè)升級改造，以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟利益，形成比較完善的基礎(chǔ)生產(chǎn)與配套加工產(chǎn)業(yè)格局，帶動地區(qū)的發(fā)展。但另一方面，經(jīng)濟生產(chǎn)也同樣加大了對土地資源和水資源的開發(fā)，如果不能平衡好經(jīng)濟發(fā)展和土地使用之間的關(guān)系，對于整個地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展是非常不利的。

3.2.2.3 制度和政策因素

社會文化和社會經(jīng)濟制度不斷影響和制約著人們對土地資源的使用形式和程度，優(yōu)秀的文化與制度可以加深人們對自然資源重要性的認識，這對資源開發(fā)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展都會起到積極推進的作用。而一些資源的開發(fā)將在其相對應政策的引導中變得更加積極有效，土地資源也不例外。所以，要制定并完善土地使用相關(guān)的法律政策與制度，創(chuàng)造良好的土地開發(fā)環(huán)境，合理開發(fā)使用，積極保護土地資源。

4 結(jié)論

本文利用ArcGIS對白山市江源區(qū)DEM影像進行分析提取，得出了江源區(qū)農(nóng)用土地適宜性評價分級圖。選取適宜性評價因子，劃分評價等級，確定各評價因子的權(quán)重大小，生成江源區(qū)農(nóng)用地適宜性評價等級圖，分析適宜種植農(nóng)作物的區(qū)域分布。從總體上看，江源區(qū)西南部區(qū)域適宜進行農(nóng)耕活動，該區(qū)域條件適宜，在此處進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會有較高的經(jīng)濟回報，而南部、中部及北部區(qū)域則不適宜，即使在這些區(qū)域進行耕作，也會所獲甚少。