高原地區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性及潛力評價
——以西藏桑珠孜區(qū)為例

宦吉林，王鐵霖，吳柏清，2

（1.成都理工大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，成都 610059；2.成都理工大學(xué)青藏高原及其東緣人文地理研究中心，成都 610059）

改革開放以來，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化協(xié)同并進(jìn)，建設(shè)用地擴(kuò)張不斷侵占大量耕地資源，對國家糧食安全造成嚴(yán)重威脅?？茖W(xué)而合理地開發(fā)耕地后備資源，對有效補充耕地、保障國家糧食安全以及可持續(xù)發(fā)展意義重大［1］。桑珠孜區(qū)屬于西藏一江兩河地區(qū)，也是藏區(qū)重要的農(nóng)墾區(qū)［2］。耕地質(zhì)量和數(shù)量受制于當(dāng)?shù)刈匀毁Y源，探索其耕地后備資源開發(fā)潛力，對青藏高原地區(qū)高效補充耕地以及確定耕地后備資源開發(fā)利用方向具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

耕地后備資源開發(fā)是關(guān)乎糧食安全的重要議題，耕地后備資源開發(fā)適宜性和潛力評價是耕地后備資源開發(fā)的基礎(chǔ)性工作。目前中國對耕地后備資源的研究主要是耕地后備資源的變化及開發(fā)和適宜性評價等［3，4］。從評價尺度來看，國內(nèi)學(xué)者側(cè)重于耕地后備資源的理論研究，主要聚焦于全國［5］、省級［6］、流域［7］等大尺度的分析，近年來對區(qū)（縣）級［8］等小尺度的研究增多，現(xiàn)實意義更強。耕地資源的分布受到自然、經(jīng)濟(jì)等諸多因素的影響，在空間分布上極不平衡。在不同區(qū)域開展耕地后備資源開發(fā)評價時，評價因子的遴選及因子權(quán)重的確定對評價結(jié)果影響尤為顯著。如高原地區(qū)［9］、高山峽谷區(qū)［10］和鹽漬土壤區(qū)［11］等不同地域的因子選取側(cè)重不同。目前學(xué)者在耕地潛力評價研究中，廣泛應(yīng)用了層次分析法［12］、生態(tài)位［13］、模糊綜合評價法［14］等方法，并結(jié)合3S技術(shù)，進(jìn)一步使得土地適宜性評價更加直觀明晰。本研究針對高原地區(qū)獨特的資源稟賦條件，篩選評價因子，綜合層次分析-熵權(quán)法確定權(quán)重，以克服主觀影響、評價結(jié)果信息少和模型算法復(fù)雜的弊端［15］，為高原地區(qū)耕地資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

桑珠孜區(qū)位于西藏自治區(qū)日喀則市，屬于西藏一江兩河地區(qū)，下轄2街道和10鄉(xiāng)，介于東經(jīng)88°30′—89°30′、北緯29°07—29°30′，面積3 653 km2（圖1）。地處青藏高原南部、喜馬拉雅山北麓，雅魯藏布江與年楚河交匯的沖積平原之上，是西藏重要的產(chǎn)糧基地，被稱為“西藏的糧倉”。境內(nèi)地勢西北高東南低，起伏大；水資源豐富，河流湖泊眾多；典型的高原氣候，半干旱溫帶季風(fēng)氣候，年降水量平均421.9 mm，年平均氣溫6.3℃。

圖1 桑珠孜區(qū)區(qū)位圖及高程

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究指標(biāo)評價體系所需要數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等。其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)；地形高程數(shù)據(jù)來源于地理數(shù)據(jù)空間云（http：//www.gscloud.cn），ASTER GDEM 30 m分辨率高程數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)主要包括土壤類型、土壤厚度、理化性質(zhì)等，來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn），分辨率為1∶1 km，采用的土壤分類系統(tǒng)是FAO-90；土地利用數(shù)據(jù)來源于地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)，2020年全球30 m精細(xì)地表覆蓋數(shù)據(jù)，其總體精度為84%左右，能滿足研究需求。結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類（GB/T 21010—2017）》分為耕地、林地、園地、草地、建設(shè)用地、水域、其他用地（包括裸土地、鹽堿地、冰雪等）7個地類。

為了保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)的一致性，在ArcGIS中對所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后，重采樣30 m×30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖代數(shù)運算。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系

耕地后備資源開發(fā)指的是在一定經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)環(huán)境條件下，未利用地適宜開發(fā)利用為耕地及其他農(nóng)用地的面積。桑珠孜區(qū)可作為耕地開發(fā)的未利用地有其他草地、內(nèi)陸灘涂、沙地、沼澤地、裸地等［16］。由于藏區(qū)的險峻地勢、高海拔等限制自然條件及相關(guān)規(guī)程，篩選出坡度小于25°和海拔小于4 200 m［3］的可開發(fā)未利用地，最終確定可開發(fā)的區(qū)域為后備資源開發(fā)。

耕地后備資源開發(fā)的實質(zhì)是氣候、地形地貌等自然要素和社會經(jīng)濟(jì)等人文要素對研究區(qū)耕作適宜程度的評價。通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，征求專家意見后，結(jié)合桑珠孜區(qū)的實際情況，最終從地形、土壤、土地類型、區(qū)位4個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系（圖2）。

圖2 耕地開發(fā)潛力評價指標(biāo)體系

地形因子包括海拔和坡度2個指標(biāo)。地形作為自然環(huán)境的重要因素，能影響地表物質(zhì)的遷移和能量的轉(zhuǎn)換，對耕地分布具有一定的制約作用［17］。在青藏高原地區(qū)耕地的分布上限受到海拔高度的影響；而坡度小于25°的坡地，坡度越小，開發(fā)潛力越大，25°以上坡地限制開發(fā)。土壤因子包括pH、土壤厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)。土壤pH一般接近中性或微弱酸性適宜開發(fā)，過酸不適宜開發(fā)；土壤厚度影響植物的扎根和土壤養(yǎng)分，影響植物生長；土壤質(zhì)地直接影響植物吸收水分和養(yǎng)分，不同植物對土壤質(zhì)地的適宜情況也不同；土壤有機(jī)質(zhì)越高，植物生長越好。土地類型因子有植被覆蓋度和土地利用類型。植被覆蓋度越低，開發(fā)潛力越大；土地利用類型直接影響是否可開發(fā)。區(qū)位有水源距離和耕作距離，水源和耕作距離關(guān)系到耕作的難易程度、便捷性，高原地區(qū)農(nóng)業(yè)活動對灌溉條件的需求要高于其他地區(qū)，水源距離遠(yuǎn)近對耕地分布影響顯著；同時居民點是耕地后備資源分布的核心，水源和居民點成為影響耕地開發(fā)的重要因素［2］。

2.2 模糊綜合評價方法

2.2.1 確定權(quán)重

1）層次分析法。層次分析法［18］（AHP）是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，可以用來確定各指標(biāo)的主觀權(quán)重。通過咨詢專家和參考文獻(xiàn)，從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個層次構(gòu)建模型，判斷矩陣確定后對判斷矩陣進(jìn)行層次及一致性檢驗。在實際操作中，可使用Yyaph10.0進(jìn)行層次分析確定權(quán)重。

2）熵權(quán)法。熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種，根據(jù)指標(biāo)差異性的大小來確定權(quán)重，排除了人為干擾。為消除量綱影響，對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理，其公式如下。

式中，xij為第i個評價單元第j個指標(biāo)實際值；yij為其標(biāo)準(zhǔn)化后的值；maxxj、minxj分別指同一指標(biāo)j，不同評價單元的最大值和最小值。

對各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)構(gòu)造矩陣，設(shè)有n個評價單元，m個評價指標(biāo)，構(gòu)建矩陣R=(rij)m×n，第i個評價指標(biāo)的熵為：

式中，Hi是第i個指標(biāo)的熵是第i個指標(biāo)第j個評價單元標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)fij=0，令fijlnfij=0。

第i個評價指標(biāo)的熵權(quán)為：

式中，是第i個指標(biāo)的熵；m=10。

3）綜合權(quán)重。將層次分析法主觀權(quán)重與熵權(quán)法客觀權(quán)重結(jié)合起來，采用拉格朗日乘法算子［19］，可確定最終權(quán)重為：

式中，是層次分析法得到的權(quán)重是熵權(quán)法得到的權(quán)重，wi則是AHP和熵權(quán)法結(jié)合的綜合權(quán)重。

結(jié)合公式（5），可以確定各個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重w（i i=1,2…m），且可得

2.2.2 構(gòu)造隸屬度函數(shù) 構(gòu)造隸屬度函數(shù)用來反映評價指標(biāo)對應(yīng)各適宜等級的模糊界限。評價集是對評價對象所做的評價等級，表示為V={v1,v1,…,vm}，m為評價等級數(shù)，一般情況m取[ ]3,7中的奇數(shù)便于判斷被評事物的歸屬［20］。本研究中取m=5，即劃分為適宜(v1)、較適宜(v2)、一般適宜(v3)、較不適宜(v4)、不適宜(v5)5個等級。本研究采用降（升）半梯形隸屬函數(shù)。降半梯形隸屬函數(shù)如下。

式中，vj表示指標(biāo)隸屬度，其值介于0～1；x為各個指標(biāo)的實際值；a1、a2、a3、a4、a5為單個指標(biāo)相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2.3 模糊綜合評價 采用模糊綜合評價模型評價耕地開發(fā)潛力，一般步驟如下。

首先，對各指標(biāo)模糊評價集Ri={ri1,ri2,…,rij}的隸屬度構(gòu)造評價矩陣，形成一個m×n階的模糊關(guān)系矩陣R。

其次，對于每個指標(biāo)按照隸屬度函數(shù)進(jìn)行運算。設(shè)各個指標(biāo)的權(quán)重為模糊子集wi={w1,w2,…,wi}，則可以得到第i個指標(biāo)第j個評價等級的綜合評價結(jié)果。

式中，o為模糊算子，采用加權(quán)平均模型［21］，即為指標(biāo)i的權(quán)重；rij為指標(biāo)i在第j等級的隸屬度。

最后，按照最大隸屬度的原則確定評價等級，得到最終的評價結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 評價過程

根據(jù)上述公式，m=10代入其中，最終可以得到桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性的各個指標(biāo)綜合權(quán)重（表1）。

表1 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)指標(biāo)權(quán)重

為了確定桑珠孜區(qū)的耕地后備資源開發(fā)適宜性等級，再結(jié)合前人研究［14，22］和高原地區(qū)的實際情況，對選取的10個指標(biāo)建立統(tǒng)一的耕地后備資源開發(fā)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)

通過上述模糊綜合評價方法，在GIS中對桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性進(jìn)行評價，由于GIS不能對矩陣進(jìn)行運算，所以使用ArcGIS空間分析功能對評價模型分步運算。首先構(gòu)造矩陣R，其中m=10,n=5，可得5×10=50個隸屬度圖層；在ArcGIS中使用柵格計算工具可以實現(xiàn)。之后利用模糊綜合評價模型計算，令i=10,j=5，通過模糊算子運算得到{b1,b2,b3,b4,b5}5個圖層；使用加權(quán)總和工具可以得到。最后，按照最大隸屬度原則，選取5個耕地后備資源開發(fā)適宜性隸屬度的最大值，作為最終的評價結(jié)果；使用像元統(tǒng)計數(shù)據(jù)工具統(tǒng)計最大值，最后在柵格計算工具中采用Con函數(shù)求出評價結(jié)果。

3.2 評價指標(biāo)空間分布特征

對桑珠孜區(qū)10個評價指標(biāo)進(jìn)行重分類，可以得到桑珠孜區(qū)各個指標(biāo)的空間分布（圖3）。從圖3可知，桑珠孜區(qū)地勢呈中部低四周高，河谷地形，海拔大多分布在3 800 m以上，中部海拔大部分在4 000 m以下，四周在4 000 m以上；地形起伏大，中部地勢較平緩，四周起伏大，中部大多在2°～6°，四周大多在15°以上。土壤性質(zhì)中，土壤pH和土壤厚度都呈現(xiàn)中高四周低；土壤質(zhì)地分布主要是砂粉土和砂壤土，砂粉土的土壤質(zhì)量與砂壤土相比高，砂粉土在桑珠孜區(qū)中部和南部及東部有少量分布；土壤有機(jī)質(zhì)含量大多在2%以上，有機(jī)質(zhì)含量最高的地區(qū)在南部和東部。植被覆蓋度總體的趨勢是四周低中部高，空間分布較散。桑珠孜區(qū)的用地情況為城鎮(zhèn)及建設(shè)用地在中部沿河谷，耕地主要分布在沿河地帶，草地占總面積的85%左右，林地和園地零星散布，其他未利用地主要集中分布在沿河地帶。區(qū)內(nèi)有雅魯藏布江和年楚河交匯，水源條件較好。

圖3 桑珠孜區(qū)耕地后備資源評價指標(biāo)空間分布

3.3 評價分析

3.3.1 耕地后備資源空間分布 采用模糊綜合評價方法，在可開發(fā)未利用地上對桑珠孜區(qū)的耕地后備資源開發(fā)適宜性進(jìn)行評價，得到每個柵格的開發(fā)適宜性?？紤]到耕地的連片度，對評價結(jié)果中小于1 km2的圖斑降為不適宜，最后得到桑珠孜區(qū)的耕地后備資源開發(fā)潛力空間分布（圖4），分為適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜、不適宜，分別占1.76%、4.42%、1.94%、0.37%、91.51%，桑珠孜區(qū)整體以不適宜區(qū)為主，適宜僅占極小一部分。在實際的耕地開發(fā)中，將適宜和較適宜地區(qū)作為桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)的區(qū)域，一般適宜作為過渡帶暫不開發(fā)，較不適宜和不適宜不進(jìn)行耕地開發(fā)。

圖4 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性評價結(jié)果

在GIS中對評價結(jié)果進(jìn)行空間統(tǒng)計，得到評價結(jié)果及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布情況（表3）。從表3可知，適宜區(qū)面積6 441.03 hm2，占全區(qū)總面積的1.76%，其中東嘎鄉(xiāng)和江當(dāng)鄉(xiāng)面積最大，分別為2 430.90和1 189.80 hm2；較適宜區(qū)16 147.17 hm2，占全區(qū)面積的4.42%，其中東嘎鄉(xiāng)面積最大，最小為納爾鄉(xiāng)；一般適宜區(qū)7 074.27 hm2，占全區(qū)面積的1.94%，其中東嘎鄉(xiāng)面積最大，城北辦事處最?。惠^不適宜區(qū)1 352.79 hm2，占全區(qū)面積的0.37%；不適宜區(qū)334 257.50 hm2，占全區(qū)面積的91.51%，其中面積最大是東嘎鄉(xiāng)，最小是城北辦事處。在實際的耕地開發(fā)中，將適宜和較適宜地區(qū)作為桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)的區(qū)域，一般適宜作為過渡帶暫不開發(fā)，較不適宜和不適宜不進(jìn)行耕地開發(fā)。從而得到桑珠孜區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源潛力（表4），其總面積為22 588.2 hm2，占全區(qū)面積的6.18%。耕地后備資源開發(fā)潛力最大是東嘎鄉(xiāng)，其次是江當(dāng)鄉(xiāng)；而耕地開發(fā)潛力小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是納爾鄉(xiāng)，僅占全區(qū)面積的0.04%。

表3 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性等級分類

表4 桑珠孜區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源開發(fā)潛力

3.3.2 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)建議 東嘎鄉(xiāng)和江當(dāng)鄉(xiāng)耕地后備資源開發(fā)潛力最大，其耕地后備資源分布集中，連片程度高；地處雅魯藏布江河谷地帶，地勢平坦，臨近水源，自然條件和耕作條件最好；同時又與城北城南市區(qū)相臨，交通便利，社會條件較好。其耕地后備資源潛力遠(yuǎn)大于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可作為耕地后備資源重點開發(fā)區(qū)域，總體適宜優(yōu)先開發(fā)。

曲美鄉(xiāng)、曲布雄鄉(xiāng)、聯(lián)鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜等級以較適宜為主，其自然條件相比東嘎和江當(dāng)鄉(xiāng)略差，地形地勢條件差，土壤質(zhì)量一般；耕地后備資源分布相對分散，連片程度低，耕地開發(fā)受到一定的限制。但是總體上具有耕地開發(fā)的潛力。

城南、城北辦事處和納爾鄉(xiāng)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源開發(fā)潛力最小，可作為后期開發(fā)對象。城南、城北辦事處作為桑珠孜區(qū)的主城區(qū)其本身面積小，人口密度大，城鎮(zhèn)人口占多數(shù)，適宜經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)；而納爾鄉(xiāng)位于桑珠孜區(qū)西南角，地處偏遠(yuǎn)，周邊交通不便，離水源較遠(yuǎn)，制約明顯。

4 小結(jié)與討論

以青藏高原地區(qū)素有“西藏的糧倉”之稱的桑珠孜區(qū)為研究對象，基于GIS空間分析技術(shù)和模糊綜合評價法，對目前桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性及潛力進(jìn)行評價。主要結(jié)論如下。

桑珠孜區(qū)耕地后備資源面積僅占全區(qū)面積的6.18%，但桑珠孜區(qū)面域廣闊，總體上后備資源較為豐富。主要分布在東嘎鄉(xiāng)和江當(dāng)鄉(xiāng)，且都在沿江地帶，相對集中；不適宜開發(fā)區(qū)大多分布在北部和南部，這些地方主要受地形、地勢等自然條件影響。

柵格數(shù)據(jù)計算得到的評價結(jié)果雖較為破碎，但在高原地區(qū)，地形地貌相對分割，因此柵格數(shù)據(jù)更加能反映研究區(qū)的細(xì)節(jié)，恰好與高原地區(qū)地形起伏大、地勢多樣的實際情況相對符合。

GIS空間分析功能處理大量數(shù)據(jù)，基于GIS建立柵格數(shù)據(jù)的評價模型能快速實現(xiàn)。運用AHP-熵權(quán)法和模糊綜合評價方法，減少了確定權(quán)重的人為影響和計算量，克服了類型劃分的不確定性，有效劃分評價單元的評價類型，使評價結(jié)果更加科學(xué)合理。

利用桑珠孜區(qū)2015年土地利用數(shù)據(jù)評價其耕地后備資源開發(fā)潛力，與2015—2020年耕地增加范圍比較發(fā)現(xiàn)，與2015年耕地開發(fā)潛力評價范圍大致相符；同時評價結(jié)果得到的耕地后備資源開發(fā)潛力集中分布在雅魯藏布江河谷地帶，與青藏高原地區(qū)河谷農(nóng)業(yè)分布相一致，河谷地帶平坦，土壤肥沃，有機(jī)物豐富，熱量不易散失。兩者證實了此方法的可行性。綜合考慮高原地區(qū)的地形、土壤、土地類型和區(qū)位4個因素建立耕地后備資源開發(fā)潛力評價體系，對桑珠孜區(qū)耕地后備資源潛力進(jìn)行評價和分析，為其耕地后備資源開發(fā)提供參考依據(jù)，但是本研究尚未考慮到保護(hù)區(qū)等限制因素及其他自然、社會條件，還需進(jìn)一步完善指標(biāo)體系。