基于Geodetector的山區(qū)耕地種植生產(chǎn)空間優(yōu)化
——以昭通市為例

李宏溪，鄧春暖，楊 飛，李宇，孫雷剛

(1.云南師范大學(xué)地理學(xué)部/云南省高原地理過程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050011)

1 引言

國土資源是國家和人民生存、發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人類發(fā)展與國土資源矛盾逐漸加大，農(nóng)業(yè)用地受到城鎮(zhèn)建設(shè)、生態(tài)用地?cái)D壓現(xiàn)象明顯，農(nóng)業(yè)用地上山現(xiàn)象突出。新規(guī)劃高質(zhì)量發(fā)展背景下，綜合考慮資源環(huán)境本底條件，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適宜程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[1,2]，是確定國土空間合理開發(fā)與保護(hù)的基礎(chǔ)[3,4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)作為國土空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)的一部分，國內(nèi)外學(xué)者均已從不同角度展開研究。國外學(xué)者Yalew[5]、Memarbashi[6]等結(jié)合GIS和層次分析法進(jìn)行了土地利用適宜性評(píng)價(jià)；Ayhan等[7]基于GIS和RS通過ELECTRE法對(duì)鄉(xiāng)村旅游的土地利用適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。國內(nèi)學(xué)者在國土空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)方面已經(jīng)開展了大量不同尺度的研究，紀(jì)學(xué)朋[8]、王靜[9]、朱大威[10]等綜合運(yùn)用特爾斐法和多要素空間疊置分析等方法，從省、市、縣級(jí)對(duì)國土資源空間開發(fā)適宜性進(jìn)行了研究[11～15]。由于各地區(qū)地理環(huán)境差異性，尤其是西南山區(qū)，耕地種植生產(chǎn)具有顯著的特殊性，需緊密結(jié)合當(dāng)?shù)厣礁咂露?、坡耕地普遍的?shí)際情況，準(zhǔn)確掌握山區(qū)耕地種植生產(chǎn)適宜區(qū)分布規(guī)律，科學(xué)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土地開發(fā)利用保護(hù)。

耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)常用方法主要是加權(quán)疊加法、多要素空間疊置等，同時(shí)結(jié)合層次分析法、特爾斐法等計(jì)算指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行評(píng)價(jià)[16～18]。但是目前適宜性評(píng)價(jià)中各指標(biāo)的權(quán)重難以進(jìn)行科學(xué)定量化，尤其是山區(qū)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重差異化顯著，更加難以定量化。

因此，本文以昭通市為例，引入地理探測(cè)器模型確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合多因子加權(quán)疊加法，構(gòu)建山區(qū)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)模型，探索提高山區(qū)耕地種植生產(chǎn)適宜性定量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，進(jìn)而根據(jù)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)化山區(qū)耕地生產(chǎn)空間格局。

2 研究區(qū)概況

昭通市位于云南省東北部，地處云、貴、川結(jié)合部的烏蒙山區(qū)腹地，介于102°52′～105°19′E，26°55′～28°36′N之間，屬亞熱帶、暖溫帶共存的高原季風(fēng)立體氣候，四季差異性小。地勢(shì)南高北低，是云貴高原走向四川盆地的過渡地帶，海拔落差大，全市平均海拔在1685 m，山脈眾多，坡度陡峭，平地較少。昭通市轄區(qū)面積為22440 km2，轄1區(qū)、9縣和1縣級(jí)市。歷史上是云南省通向四川省和貴州省的重要門戶，素有“鎖鑰南滇，咽喉西蜀”之稱，是云南連接長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要通道。

3 數(shù)據(jù)與方法

本研究主要基于自然資源、生態(tài)環(huán)境、氣候、遙感等多源數(shù)據(jù)，充分考慮生態(tài)保護(hù)重要性對(duì)耕地種植生產(chǎn)的限制，并結(jié)合地理探測(cè)器(Geodetector)方法合理確定耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，從而對(duì)山區(qū)耕地種植生產(chǎn)適宜性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

3.1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文中數(shù)據(jù)包括地形地貌、氣候、土壤質(zhì)量、土地利用、遙感影像以及植被覆蓋度等數(shù)據(jù)。其中DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，以DEM為基礎(chǔ)，計(jì)算得到坡度和地形起伏度，其中地形起伏度計(jì)算采用15×15鄰域窗口；土地利用、遙感影像、水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性、土壤厚度、土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)；氣候數(shù)據(jù)和植被覆蓋度均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)；石漠化、水土流失數(shù)據(jù)來自昭通市自然資源和規(guī)劃局。為了方便疊加運(yùn)算，將所有空間數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，統(tǒng)一為2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)，并重采樣為30 m×30 m。

生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)參考《雙評(píng)價(jià)指南》方法，通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)獲得[18,19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)選取水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性維護(hù)等功能重要性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果的最高等級(jí)作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性等級(jí)，分為極重要、重要和一般。昭通市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要區(qū)集中分布于市域西部和東北部的部分地區(qū)(圖1a)。生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)選取石漠化、水土流失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將其結(jié)果的最高等級(jí)作為生態(tài)敏感性等級(jí)，分為極敏感、敏感和一般。昭通市生態(tài)極敏感區(qū)呈零散分布，各縣(區(qū))均有所分布(圖1b)。采用極大值法綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果獲得生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)結(jié)果，分為極重要、重要和一般。其中，極重要區(qū)主要分布在市域西部和東部地區(qū)(圖1c)。由于耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)需在生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)以外區(qū)域進(jìn)行，因此本文將其作為一個(gè)重要的約束指標(biāo)。

圖1 研究區(qū)生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)

3.1.2 指標(biāo)選擇

評(píng)價(jià)過程共選擇12個(gè)指標(biāo)，其中評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)常用指標(biāo)[20]和昭通市生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行選取，分別選取了坡度、海拔、年降水量、地形起伏度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤厚度、≥0 ℃積溫作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過自然間斷法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行空間可視化，劃分為5級(jí)，并用不同分值進(jìn)行區(qū)分，以便后續(xù)地理探測(cè)器指標(biāo)貢獻(xiàn)計(jì)算。約束指標(biāo)均采用極限分析法，將生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)、建設(shè)用地現(xiàn)狀以及水域和裸地直接列為不適宜區(qū)。最后采用修正指標(biāo)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2 研究方法

3.2.1 地理探測(cè)器模型

本文通過地理探測(cè)器模型獲取各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)昭通市耕地種植生產(chǎn)適宜性的貢獻(xiàn)度，得到相應(yīng)的值作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，準(zhǔn)確定量化評(píng)價(jià)昭通市耕地種植生產(chǎn)適宜性。

地理探測(cè)器模型是探測(cè)空間分異性、揭示其背后驅(qū)動(dòng)力的一種新的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，核心思想在于假設(shè)如果某自變量對(duì)某因變量存在重要影響，那么這個(gè)自變量和因變量在空間分布上應(yīng)該具有相似性[21～24]。地理探測(cè)器模型有兩大優(yōu)勢(shì)：一方面，在探測(cè)數(shù)據(jù)上可以是數(shù)值型，也可以是定性數(shù)據(jù)；另一方面，探測(cè)兩個(gè)因子交互作用于因變量。地理探測(cè)器模型由風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器、因子探測(cè)器、生態(tài)探測(cè)器和交互探測(cè)器組成。其中，因子探測(cè)器主要探測(cè)某因子對(duì)某現(xiàn)象空間分布的影響力[25～28]。其模型的公式表達(dá)如下：

(1)

(2)

3.2.2 評(píng)價(jià)模型

采用多因子加權(quán)疊加分析法，構(gòu)建昭通市耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)模型：

(3)

式(3)中，E為耕地種植生產(chǎn)適宜性指數(shù)；kt為第t種評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值；ht為第t種評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量。

3.2.3 優(yōu)化思路

根據(jù)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與耕地現(xiàn)狀疊加對(duì)比，識(shí)別不適宜區(qū)內(nèi)的耕地，并分析其原因。對(duì)處于生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)、建設(shè)占用、坡度較大以及屬于土壤嚴(yán)格管控類的地塊進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。其中，建設(shè)占用、坡度較大和屬于土壤嚴(yán)格管控類的地塊直接退出耕地生產(chǎn)空間；對(duì)于生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)的耕地，將屬于生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)的地塊直接調(diào)出耕地生產(chǎn)空間，其他地塊在不擴(kuò)大耕種范圍的前提下，以生態(tài)保護(hù)為主，適當(dāng)進(jìn)行種植。本文依據(jù)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，通過對(duì)不適宜區(qū)的耕地優(yōu)化調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化耕地生產(chǎn)空間的目標(biāo)。

4 結(jié)果與分析

4.1 基于地理探測(cè)器確定指標(biāo)權(quán)重

通過地理探測(cè)器獲取各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)昭通市耕地種植生產(chǎn)適宜性的貢獻(xiàn)度作為權(quán)重。地理探測(cè)器模型要求自變量為類型量，需對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行離散化。采用Arcgis10.7漁網(wǎng)工具和提取工具獲取地理探測(cè)器運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)貢獻(xiàn)度，即指標(biāo)權(quán)重。結(jié)果表明，各指標(biāo)對(duì)耕地種植生產(chǎn)適宜性的貢獻(xiàn)度依次為：積溫(0.99)>年降水量(0.97)>土壤厚度(0.76)>坡度(0.65)>土壤有機(jī)質(zhì)(0.58)>高程(0.56)>地形起伏度(0.25)。

4.2 耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，通過Arcgis10.7的空間分析工具對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊加獲得耕地種植生產(chǎn)適宜性初步結(jié)果。采用自然斷點(diǎn)法將其劃分為5級(jí)，分別為好、較好、中等、較差、差，其中等級(jí)差為不適宜區(qū)，其他等級(jí)為適宜區(qū)(中等和較差為一般適宜)。首先，將劃分結(jié)果分別與約束指標(biāo)進(jìn)行疊加扣除，其次使用土壤環(huán)境容量對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，將嚴(yán)格管控類劃入不適宜區(qū)，得到耕地種植生產(chǎn)適宜性結(jié)果。

結(jié)果表明，昭通市耕地種植生產(chǎn)適宜區(qū)面積為4550.31 km2，占市域面積的20.28%，受地形影響呈零散分布，集中區(qū)位于巧家縣—魯?shù)榭h—昭陽區(qū)—彝良縣—威信縣一線以南區(qū)域；不適宜區(qū)面積為17889.73 km2，占市域面積的79.72%，市域中西部分布相對(duì)較廣，其中不適宜區(qū)中生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)占37.71%(表1、圖2)。各縣(區(qū))中耕地種植生產(chǎn)適宜區(qū)面積從大到小依次為鎮(zhèn)雄縣、彝良縣、昭陽區(qū)、巧家縣、永善縣、威信縣、魯?shù)榭h、大關(guān)縣、鹽津縣、綏江縣、水富市。其中，鎮(zhèn)雄縣適宜區(qū)分布面積最大，達(dá)1047.75 km2，占鎮(zhèn)雄縣國土的28.35%。綜上，昭通市可用于耕地種植發(fā)展用地總量不少，但受地形特征影響，分布相對(duì)零散。

圖2 耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

表1 各縣(區(qū))耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.3 昭通市耕地生產(chǎn)空間格局優(yōu)化

4.3.1 耕地現(xiàn)狀與耕地種植生產(chǎn)適宜性的差異分析

昭通市耕地現(xiàn)狀面積為4651.90 km2，耕地種植生產(chǎn)適宜區(qū)面積為4550.31 km2，通過適宜區(qū)與耕地現(xiàn)狀對(duì)比，適宜種植且為耕地現(xiàn)狀的地塊面積為3853.23 km2，占耕地現(xiàn)狀總面積的82.83%。從各縣(區(qū))對(duì)比看，除了巧家縣(72.94%)，其他縣(區(qū))耕地現(xiàn)狀與適宜區(qū)符合度均在80%以上，表明耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果能很好的反映昭通市耕地現(xiàn)狀基本情況(表2)。

表2 耕地現(xiàn)狀與適宜性結(jié)果差異統(tǒng)計(jì)

4.3.2 耕地生產(chǎn)空間格局優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)耕地現(xiàn)狀與耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)存在798.67 km2的耕地位于耕地種植生產(chǎn)不適宜區(qū)(表2)。通過沖突診斷，處于不適宜區(qū)的耕地現(xiàn)狀主要受生態(tài)、坡度、土壤環(huán)境容量和建設(shè)用地的影響。其中，位于生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)的耕地現(xiàn)狀面積為271.36 km2；坡度大于25°的耕地現(xiàn)狀面積為417.88 km2；屬于土壤嚴(yán)格管控類的耕地現(xiàn)狀面積為53.43 km2；建設(shè)占用耕地面積為56 km2。依據(jù)耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果 ，識(shí)別出需要優(yōu)化調(diào)整和管控的耕地生產(chǎn)空間，如大山包鎮(zhèn)典型區(qū)(圖3a和圖3b)，優(yōu)化前屬于耕地生產(chǎn)空間，但根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果該地塊位于生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)且是生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)域。因此應(yīng)將其調(diào)整為非耕地生產(chǎn)空間，在生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)外、但在生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)的區(qū)域應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為主、不再擴(kuò)大種植范圍、逐步退出；現(xiàn)狀耕地中無法進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用地比重大，如坡頭鎮(zhèn)典型區(qū)(圖3c和圖3d)，但該地塊屬于土壤嚴(yán)格管控類，通過評(píng)價(jià)后是不適宜種植業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)優(yōu)化后調(diào)整為非耕地生產(chǎn)空間。

圖3 耕地生產(chǎn)空間典型區(qū)對(duì)比

最后，通過對(duì)不適宜區(qū)內(nèi)的耕地進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合適宜但為非耕地的區(qū)域(即潛力區(qū))，得出優(yōu)化調(diào)整后的耕地生產(chǎn)空間。結(jié)果表明，昭通市現(xiàn)狀耕地生產(chǎn)空間總面積約5348.98 km2，占市域的23.84%；優(yōu)化調(diào)整后耕地生產(chǎn)空間面積為4741.18 km2，占市域的21.13%?？傮w來說，昭通市由于受地形地貌影響，農(nóng)業(yè)發(fā)展可利用土地面積較少，分布零散，昭通市耕地種植生產(chǎn)應(yīng)因地制宜、統(tǒng)籌發(fā)展，合理利用土地資源，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，逐步提高利用效率。

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

由于區(qū)域差異性，應(yīng)因地制宜地進(jìn)行指標(biāo)選擇、閾值和權(quán)重確定，充分利用地理探測(cè)器等新方法提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。本文將地理探測(cè)器模型引入耕地種植生產(chǎn)適宜性評(píng)價(jià)，首先，以此確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，通過權(quán)重計(jì)算耕地種植生產(chǎn)適宜性；其次，結(jié)合適宜性結(jié)果，通過調(diào)整耕地現(xiàn)狀，優(yōu)化耕地生產(chǎn)空間，并將現(xiàn)狀和優(yōu)化耕地生產(chǎn)空間進(jìn)行對(duì)比，分析造成優(yōu)化耕地生產(chǎn)空間減少的原因。

采用地理探測(cè)器模型確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地種植生產(chǎn)適宜性的影響程度(即權(quán)重)，通過因子探測(cè)器計(jì)算結(jié)果，說明了每個(gè)單獨(dú)的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地種植生產(chǎn)適宜性的影響程度，與特爾斐法、專家打分法等常用于確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的方法相比，使用地理探測(cè)器模型確定指標(biāo)權(quán)重，如果某評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地種植生產(chǎn)適宜性存在重要影響，那么這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和耕地種植生產(chǎn)適宜性在空間分布上具有相關(guān)性。與以往采用相等權(quán)重或不采用權(quán)重的研究相比，這樣能夠減少權(quán)重確定過程中部分主觀成分，保證評(píng)價(jià)過程切合實(shí)際，降低結(jié)果的不確定性，提高結(jié)果的科學(xué)性。

本文評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇了坡度、海拔、年降水量、地形起伏度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤厚度、≥0 ℃積溫等7個(gè)指標(biāo)，在數(shù)據(jù)獲取條件可以滿足的其他地區(qū)中，可以增加更多的指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。針對(duì)部分關(guān)鍵指標(biāo)，可以根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，合理設(shè)置部分指標(biāo)的閾值。

5.2 結(jié)論

本研究以昭通市為例，針對(duì)西南山區(qū)耕地種植生產(chǎn)的特殊性，引入地理探測(cè)器空間分析方法，科學(xué)計(jì)算適宜性評(píng)價(jià)各指標(biāo)的貢獻(xiàn)度，進(jìn)而對(duì)耕地種植適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出昭通市山區(qū)耕地種植生產(chǎn)空間優(yōu)化方案。主要研究結(jié)論：

(1)通過地理探測(cè)器可以科學(xué)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地生產(chǎn)適宜性的貢獻(xiàn)度依次為：積溫>年降水量>土壤厚度>坡度>土壤有機(jī)質(zhì)>高程>地形起伏度，且能有效提高耕地用地的合理性；

(2)昭通市現(xiàn)狀耕地面積是4651.9 km2，耕地生產(chǎn)適宜區(qū)面積為4550.31 km2，通過優(yōu)化調(diào)整后耕地生產(chǎn)空間面積為4741.18 km2，既能夠提出耕地生產(chǎn)空間分布優(yōu)化方案，又能有效挖掘耕地生產(chǎn)空間潛力；

(3)根據(jù)耕地現(xiàn)狀與適宜性疊加分析表明，昭通市現(xiàn)狀耕地受生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)、建設(shè)占用、土壤風(fēng)險(xiǎn)管控和坡度較大的顯著影響。本研究可為山區(qū)耕地生產(chǎn)空間合理開發(fā)利用與規(guī)劃管控提供準(zhǔn)確定量化科學(xué)依據(jù)。