基于GIS的豫南山區(qū)可利用土地資源質(zhì)量評價
——以信陽市為例

王 麗，周 勇，顧 芬 蘭，劉 婧 儀

(1.華中師范大學(xué) 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2.信陽學(xué)院，河南 信陽 464000)

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的持續(xù)增加，人地矛盾日趨緊張，因此合理有效地開發(fā)可利用土地資源，緩解人地矛盾，協(xié)調(diào)人地關(guān)系，促進(jìn)人類社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前需要迫切解決的難題[1]。由于受到自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)因素的影響，科學(xué)、合理、有效地開發(fā)土地資源，探索可靠的開發(fā)方案就顯得尤為重要[2]。在信息技術(shù)、計算機技術(shù)、測繪學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科快速發(fā)展的推動下，近年來，地理信息系統(tǒng)(GIS)發(fā)展突飛猛進(jìn)?？臻g分析技術(shù)是GIS的核心，可以高效地管理和分析海量的時空數(shù)據(jù)[3]。借助具有強大空間分析功能的GIS技術(shù)，對可利用土地資源的開發(fā)利用方案進(jìn)行深入研究，不僅可以科學(xué)管理、有效保護(hù)和合理利用國土資源，而且可以優(yōu)化國土空間秩序，推進(jìn)國土資源的現(xiàn)代化、信息化建設(shè)，為政府制定相關(guān)政策提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

針對土地資源評價的研究，學(xué)者主要集中在土地的適宜性、集約利用、可持續(xù)利用、承載力、土地利用變化動態(tài)監(jiān)測等方面[4-5]。閆濰虹等[4]利用GIS的空間分析技術(shù)，結(jié)合坡度、海拔、土壤等指標(biāo)，評價了煙臺市農(nóng)用土地適宜性。白佳昆等[6]運用SPSS軟件的主成分分析和聚類分析，研究了陜西省土地集約利用情況及其影響因素。Nguyen 等[7]從農(nóng)業(yè)生態(tài)、自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)3個方面對土地的可持續(xù)利用進(jìn)行了評價。郭艷紅[8]研究了北京市土地資源承載力狀態(tài)，并提出了土地資源可持續(xù)利用的戰(zhàn)略。張起明等[9]利用GIS空間分析技術(shù)，探討了江西省可利用土地資源的空間分布特征。周藝等[10]分析了中國絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶可利用水土資源的空間分布及其影響因素。周毅軍等[11]根據(jù)國家“多規(guī)合一”工作要求，對永安市可利用土地資源的數(shù)量進(jìn)行了綜合評價。李思楠等[12]綜合運用GIS技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)方法，分析了2005～2015年撫仙湖流域土地利用的結(jié)構(gòu)變化特征、土地利用的變化速度和時空變化。目前，國內(nèi)外學(xué)者集中研究了可利用土地資源的數(shù)量及其空間分布，但是關(guān)于可利用土地資源的質(zhì)量評價尚不多見。因此，為了促進(jìn)可利用土地資源的合理開發(fā)利用，開展可利用土地資源的質(zhì)量評價具有重要的現(xiàn)實意義。

信陽市可以開發(fā)利用的土地資源總量嚴(yán)重不足。近年來，隨著信陽市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和人口的持續(xù)增加，人地之間的矛盾日趨尖銳，社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的壓力逐漸增加。因此，本文利用 GIS 空間分析技術(shù)，以縣域為評價對象對信陽市可利用土地資源的質(zhì)量進(jìn)行評價，以期為政府科學(xué)管理國土資源，優(yōu)化國土空間秩序，推進(jìn)國土資源的現(xiàn)代化、信息化建設(shè)，提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

信陽市位于河南省的南部，114°01′～114°06′E，31°46′～31°52′N，東部毗鄰安徽，西部和南部接壤湖北，為鄂豫皖三省的通衢，是江淮河漢之間的戰(zhàn)略重地。信陽市地勢走向為南高北低，南部為山地，中部為丘陵，北部為平原，土地總面積18 925 km2。信陽屬亞熱帶氣候，四季分明，山清水秀。日照時長年均為1 900～2 100 h，氣溫年均15.1℃～15.3℃，無霜期年均220～230 d，降雨量年均900～1 400 mm，相對濕度年均77%，空氣濕潤?；春拥闹Я髅芗控S富，信陽位于淮河上游，人均水資源儲量位居河南第一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源主要為統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)。統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)為2017年信陽市統(tǒng)計年鑒、土壤志、土種志、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計資料等。地理空間數(shù)據(jù)為ASTGTM2 30m DEM數(shù)據(jù)(2017年，地理空間數(shù)據(jù)云獲取)、Landsat 8 OLI_TIRS遙感數(shù)據(jù)(2017年，地理空間數(shù)據(jù)云獲取)、信陽市行政區(qū)劃圖、土壤類型圖等。

2 評價指標(biāo)體系

2.1 選取評價指標(biāo)的原則

(1)綜合性。評價指標(biāo)的選取需要綜合考慮影響可利用土地質(zhì)量的自然、社會、經(jīng)濟(jì)等因素。

(2)科學(xué)性。選擇的指標(biāo)必須具有科學(xué)性、合理性和公正性，以確保評價結(jié)果的精度。

(3)層次性。指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，各個層次應(yīng)反映可利用土地質(zhì)量不同的屬性特征。

(4)主導(dǎo)性。選取典型的具有主導(dǎo)地位的評價因子，以達(dá)到評價結(jié)果的科學(xué)性。

(5)定量化。選取的指標(biāo)數(shù)據(jù)應(yīng)該可以量化，減少主觀人為因素的影響，提高評價結(jié)果的精度。

(6)經(jīng)濟(jì)適用性。選擇指標(biāo)時，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)上是否可行，以確保評價順利完成。

2.2 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

可利用土地資源的質(zhì)量受到土地自然、社會和經(jīng)濟(jì)綜合因素的影響。本文遵循選取指標(biāo)的原則，結(jié)合信陽市的實際狀況，綜合運用德菲爾法和層次分析法，從自然、社會、經(jīng)濟(jì)3個方面，選取了地形地貌、氣候、土壤、區(qū)位、經(jīng)濟(jì)5項指標(biāo)，共8個因子，構(gòu)建了信陽市可利用土地資源質(zhì)量評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 信陽市可利用土地質(zhì)量評價指標(biāo)體系

2.3 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)信陽市的實際情況，本文采用德菲爾法和層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重。構(gòu)建的判斷矩陣如圖2所示，采用方根法計算準(zhǔn)則層(B)和評價因子(C)的權(quán)重。通過計算得到：A的特征向量為(0.258，0.062，0.129，0.034，0.517)T；B1的特征向量為(0.674，0.324)T；B2的特征向量為(0.387，0.615)T，最大特征根為 3.0536；B4的特征向量為(0.615，0.387)T。

對單層進(jìn)行一致性檢驗，CR(A)=0.019<0.1，CR(B1)=0.0<0.1，CR(B2)=0.0<0.1，CR(B4)=0.0<0.1，表明通過單層一致性檢驗。對總層進(jìn)行一致性檢驗，CR=0.019<0.1，通過一致性檢驗。最終得到評價因子的權(quán)重如表1所示。

圖2 信陽市可利用土地資源質(zhì)量評價指標(biāo)構(gòu)造矩陣

表1 信陽市可利用土地資源質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重

2.4 評價指標(biāo)的量化

由于評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)量綱各不相同，指標(biāo)之間不具有可比性。因此，在評價之前，需要對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文采用指標(biāo)分值的方法對可利用土地資源質(zhì)量評價指標(biāo)進(jìn)行量綱統(tǒng)一化處理?？偡种禐?0分,分值越高，表明土地的質(zhì)量越好。

2.4.1地形地貌指標(biāo)

(1)海拔。人類傾向居住在地勢比較平坦的地方，隨著海拔的升高，人類生存愈加困難。根據(jù)信陽市的海拔分布，按照自然斷裂法將其分為5個等級：<86,86～204,204～387,387～646,>646 m，依次賦10,8,6,4,2分。

(2)坡度。坡度的大小影響土地開發(fā)利用的程度。坡度越大，工程建設(shè)的成本越高。根據(jù)坡度對土地開發(fā)利用的難易程度劃分為5個等級：0°～3°,3°～8°,8°～15°,15°～25°,>25°，分別賦10,8,6,4,2分。

2.4.2氣候指標(biāo)

根據(jù)信陽市氣象統(tǒng)計資料，統(tǒng)計得到信陽市年均氣溫、年均降水量的數(shù)據(jù)(表2)。由于信陽市各個縣區(qū)氣溫相差不大，采用等間距法把氣溫劃分5個等級：15.1℃～15.3℃,15.3℃～15.5℃,15.5℃～15.7℃,15.7℃～15.9℃,15.9℃～16.0℃，依次賦10,8,6,4,2分；降水量劃分5個等級：946～1 046,1 046～1 146,1146～1 246,1 246～1 346,1 346～1450 mm，分別賦2,4,6,8,10分。

2.4.3土壤指標(biāo)

土壤類型對可利用土地資源的開發(fā)利用具有重要的影響。根據(jù)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，把信陽的土壤類型分為5個等級，分別賦10,8,6,4,2分，如表3所示。

表3 信陽市土壤類型量化分級

2.4.4區(qū)位指標(biāo)

采用同心圓等分級方法，根據(jù)可利用土地與主要道路的距離，將交通區(qū)位劃分為5級：<1,1～5,5～10,10～15,>15 km，依次賦10，8，6，4，2分。河流區(qū)位劃分為5級：<5,5～10,10～15,15～20,>20 km，依次賦10，8，6，4，2分。

2.4.5經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

采用等間距法，將人均可利用土地資源劃分5個等級[13]：0.000 1～0.007 1,0.007 1～0.014 2,0.013 4～0.021 2,0.021 2～0.028 3,0.028 3～0.035 3 hm2/人，分別賦2，4，6，8，10分。

3 評價單元及方法

3.1 評價單元

目前，關(guān)于土地評價單元劃分的方法主要有兩種[13-14]：多邊形法和柵格單元法。本文根據(jù)研究區(qū)域的概況、經(jīng)濟(jì)、地形地貌和氣候指標(biāo)采用多邊形法，以縣(區(qū))為評價單元。土壤和區(qū)位指標(biāo)采用柵格法，以30 m×30 m柵格為評價單元。

3.2 評價方法

本文采用綜合因子指數(shù)分析方法進(jìn)行可利用土地資源質(zhì)量的評價，公式如下：

式中，F(xiàn)為可利用土地資源的質(zhì)量總分；ωi為第i指標(biāo)的權(quán)重；aij為i項指標(biāo)第j個評價單元的分值。

根據(jù)評價單元定級指數(shù)，采用自然斷點法將信陽市可利用土地資源的質(zhì)量級別劃分5級：一等地、二等地、三等地、四等地、五等地。其中，一等地質(zhì)量最好，五等地質(zhì)量最差。

4 可利用土地資源質(zhì)量等級空間差異

在ArcGIS支持下，本文采用綜合因子指數(shù)評價法，計算得出信陽市可利用土地資源質(zhì)量綜合分值，其質(zhì)量評價結(jié)果如圖3所示。然后運用疊加分析方法，將信陽市可利用土地資源質(zhì)量綜合分值圖與信陽市可利用土地資源空間分布圖進(jìn)行疊加分析，得到信陽市可利用土地資源質(zhì)量總體分布情況(圖4)。從圖4可以看出，信陽市可利用土地資源質(zhì)量等級有顯著的集聚特征，主要集中在第一至第四等級中，這4個等級的可利用土地面積占全市可利用土地資源總面積的93.58%。

圖3 信陽市可利用土地資源質(zhì)量評價結(jié)果

圖4 信陽市可利用土地資源質(zhì)量不同等級面積比例

由圖5和表4可知，信陽市各縣(區(qū))不同可利用土地質(zhì)量等級所占可利用土地面積的比重差異較大。信陽市地勢走向為南高北低，南部為山地，中部為丘陵，北部為平原，形成了比較完整的可利用土地資源格局。質(zhì)量等級相對較高的可利用土地資源主要分布在潢川縣、固始縣、光山縣。耕地質(zhì)量等級相對較低的耕地主要分布在新縣、商城縣、浉河區(qū)。

圖5 信陽市各縣(區(qū))可利用土地質(zhì)量等級對比

(1)一等地。主要分布在淮濱縣、固始縣、潢川縣、羅山縣、平橋區(qū)、光山縣，面積共計347.29 km2，占該等級耕地總面積的83.24%。該等級的可利用土地坡度平緩，人均可利用土地資源豐富，土壤有機質(zhì)含量豐富，距離河流近，交通便利。

(2)二等地。主要分布在固始縣、潢川縣、羅山縣、平橋區(qū)、光山縣面積為728.19 km2，占該等級所有耕地面積的85.55%。該等級下的可利用土地坡度較為平緩，人均可利用土地資源較為豐富，土壤有機質(zhì)含量較為豐富，距離河流較近，交通較為便利。

(3)三等地。主要分布在新縣、商城縣、淮濱縣、息縣、浉河區(qū)、平橋區(qū)、光山縣，面積為245.87 km2，占該等級所有耕地面積的74.7%。該等級的可利用土地坡度較大，人均可利用土地資源一般，土壤有機質(zhì)含量一般，距離河流較遠(yuǎn)，交通不便。

(4)四等地。主要分布在浉河區(qū)、新縣、商城縣、羅山縣、息縣，面積為50.69 km2，占該等級所有耕地面積的67.61%。該等級的可利用土地坡度大，人均可利用土地資源較少，土壤有機質(zhì)含量較低，距離河流遠(yuǎn)，交通不便。

(5)五等地。主要分布在新縣、商城縣,面積為50.69 km2，占該等級所有耕地面積的65.35%。該等級的可利用土地坡度很大，人均可利用土地資源很少，土壤有機質(zhì)含量非常低，距離河流很遠(yuǎn)，交通非常不便。

表4 信陽市各縣(區(qū))不同可利用土地質(zhì)量等級面積統(tǒng)計

5 結(jié) 論

為了促進(jìn)可利用土地資源的合理開發(fā)利用，本文以丘陵地區(qū)信陽市為例，利用 GIS 空間分析技術(shù)，以縣域為評價對象對信陽市可利用土地資源的質(zhì)量進(jìn)行評價。運用德菲爾法和層次分析法構(gòu)建可利用土地資源質(zhì)量評價指標(biāo)體系，采用綜合因子指數(shù)法對信陽市可利用土地資源的質(zhì)量進(jìn)行評價，評價結(jié)果表明：信陽市可利用土地資源質(zhì)量等級分為5級，質(zhì)量等級由西南向東北逐步提高。其中，一等地和二等地主要分布在地形平坦、土壤條件優(yōu)越、河流分布廣泛、人均可利用土地資源豐富的地區(qū)，包括淮濱縣、固始縣、潢川縣、羅山縣、平橋區(qū)、光山縣；三等地和四等地的自然條件一般，區(qū)位條件是影響土地質(zhì)量的主導(dǎo)因素，包括浉河區(qū)、新縣、商城縣、羅山縣、息縣；五等地所處區(qū)域海拔較高，坡度很大，交通不便利，人均可利用土地資源貧乏，包括新縣、商城縣。

可利用土地資源因受到自然、社會、經(jīng)濟(jì)多種因素的綜合影響，僅用單一指標(biāo)不足以反映可利用土地資源的本底條件。由于數(shù)據(jù)獲取的難度，可利用土資源質(zhì)量評價選取的指標(biāo)不夠全面，對質(zhì)量評價的精度造成一定影響。在確定評價指標(biāo)的權(quán)重和量化方面，本文選取了定性的方法，下一步應(yīng)綜合定性與定量方法，以減少偏差。