基于遙感和GIS技術(shù)的易縣耕地后備資源潛力評價

陳思達,韓士釗,張浩,張毅功

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000；2河北易縣自然資源和規(guī)劃局，河北 保定 074299；3河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；4河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071000)

耕地整理潛力評價是制定土地整理專項規(guī)劃、土地整理項目可行性研究、土地整理項目規(guī)劃設(shè)計以及國家投資決策的依據(jù)[1-2]。一般而言，非農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展用地與耕地資源之間普遍存在矛盾。為了保障我國糧食安全，并能夠?qū)崿F(xiàn)藏糧于地、藏糧于技，有必要研究縣級區(qū)域尺度的耕地潛力并提出建議意見，以便為日后此區(qū)域以及鄰近區(qū)域的農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟與社會等多方工作決策提供參考依據(jù)。作為臨近北京和雄安新區(qū)的地方縣區(qū)，河北易縣土地利用結(jié)構(gòu)以及利用方式近年來在不斷地調(diào)整，為確保農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，全面推進鄉(xiāng)村振興和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌[3]，保障首都附近地區(qū)的糧食安全，夯實并助推周邊經(jīng)濟發(fā)展基礎(chǔ)，找準本地區(qū)獨特優(yōu)勢與定位，承接特色產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)入，并逐漸成為雄安新區(qū)的生態(tài)文明上游保障，研究與評估易縣土地整治情況及耕地潛力，做出相應(yīng)的評價就具有重要的現(xiàn)實意義。

在耕地整理潛力研究初期，潛力評價指標總體較單一，主要以土地質(zhì)量或數(shù)量為標準進行評價。目前，耕地潛力評價指標體系的構(gòu)建已經(jīng)出現(xiàn)了多元化趨勢，例如張正峰從現(xiàn)實與自然2方面進行綜合評估，避免了標準過于單一的評價體系[4-5]；王偉通過改進信息熵從質(zhì)量、數(shù)量、生態(tài)3方面進行綜合評估[6-7]；景笑巍則是在數(shù)量評估基礎(chǔ)上進行了生態(tài)與自然2方面的修正[8]。綜合來看，耕地潛力評價指標體系發(fā)展從單一走向綜合，評價結(jié)果的現(xiàn)實意義也越來越高。在指標體系的構(gòu)建方法上，隨著指標體系的復(fù)雜化，構(gòu)建方法也日益復(fù)雜，例如早期研究中以GIS為基礎(chǔ)進行圖斑的疊加與去除來構(gòu)建數(shù)量評估體系，再到以此為基礎(chǔ)的主成分分析法[9-10]，再到后來結(jié)合信息熵法與層次分析法綜合評定[11-12]，評價的層次也更加完善。在耕地潛力分析手段中，一般以遙感工具為基石，數(shù)學(xué)模型為輔助，GIS數(shù)據(jù)分析為踏板，進行科學(xué)量化分析。

本研究主要利用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合DEM高程模型進行影像圖斑的疊加分析，采取“限制性因子”評價法，提取出易縣未來可開發(fā)的宜耕地，并結(jié)合實際生態(tài)環(huán)境、行政區(qū)劃、交通便利程度、自然環(huán)境等因素進行修正[13-14]，最終得到易縣潛在的耕地整理區(qū)域，旨在查明易縣耕地后備資源的類型、數(shù)量和分布，為進一步開展土地開發(fā)整理提供基礎(chǔ)信息，同時為土地利用規(guī)劃、土地復(fù)墾專項項目立項等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

易縣(E 114°51′～115°37′，N 39°02′～39°35′)位于河北省西部，屬于暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，地處太行山區(qū)向華北平原過渡傾斜地帶，地勢西高東低，自西而東海拔變化幅度為1 813～32 m，分為山地、丘陵、平原3個地貌區(qū)，年均溫12 ℃，年均降水量574 mm，總面積2 534 km2。截止2020年末，易縣下轄9個鎮(zhèn)、17個鄉(xiāng)、1個民族鄉(xiāng)，總?cè)丝?8.55萬人?？h域內(nèi)有拒馬河、北易水、中易水等多條水系，地表水資源豐富，耕地主要分布在沿河地帶和東部平原區(qū)，水土資源匹配性較高。易縣耕地資源總量有限，但在經(jīng)濟社會快速發(fā)展和人口數(shù)量穩(wěn)定增長的背景下，建設(shè)用地迅速擴張導(dǎo)致耕地面積持續(xù)萎縮，耕地保護形勢嚴峻，糧食安全前景不容樂觀。該縣未利用地面積較大，潛在耕地后備資源較為豐富，厘清后備土地資源的宜耕性和空間分布特征以確保耕地保護任務(wù)的完成已成為當下亟待解決的重要課題。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)包括覆蓋易縣行政區(qū)劃的四景ALOS PALSAR遙感衛(wèi)星DEM圖像；易縣自然資源局提供的土地規(guī)劃數(shù)據(jù)包括土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫和土地整治規(guī)劃數(shù)據(jù)庫，土地調(diào)查數(shù)據(jù)包括第2次土地調(diào)查土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫、土地年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫和后備土地資源調(diào)查底圖；易縣農(nóng)牧局提供的《土壤志》與耕地后備資源土層厚度和母質(zhì)條件情況的資料；易縣水利局提供的水利工程布置圖和水資源綜合規(guī)劃；易縣林業(yè)局提供的林地保護利用規(guī)劃；易縣環(huán)保局提供的生態(tài)示范區(qū)建設(shè)總體規(guī)劃與耕地后備資源土壤污染狀況的相關(guān)資料；易縣統(tǒng)計局提供的相關(guān)成果及統(tǒng)計資料等；易縣氣象部門提供的年積溫、年降水量；河北省自然資源廳提供的2012-2019年國土調(diào)查統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法與試驗過程

2.1 評價單元劃分

耕地后備資源一般是指在一定的技術(shù)經(jīng)濟條件下，可能轉(zhuǎn)化為耕地的非耕地資源。從2015年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫中提取其他草地、內(nèi)陸灘涂、沙地和裸地等未利用地作為分析區(qū)域，以圖斑為評價單元，共得到10 163個評價單元。

2.2 確定評價指標

因各指標的影響程度不同，且不能全部考慮，所以在指標選取過程中應(yīng)有一定的側(cè)重，應(yīng)將對耕地后備資源宜耕性影響較大的指標選取出來[15]。綜合考慮易縣的區(qū)位、交通等開發(fā)條件，從生態(tài)環(huán)境、立地條件、氣候條件等3個方面選取評價指標。其中生態(tài)條件主要是從開發(fā)可能導(dǎo)致的生態(tài)保護區(qū)內(nèi)外土地退化或地質(zhì)災(zāi)害的情況來考量；立地條件包括土壤污染狀況、排水條件、土層厚度和母質(zhì)條件、地形坡度、土壤質(zhì)地、土壤pH、沙化狀況，主要體現(xiàn)在土壤、排水狀況和地形上；氣候條件包括年積溫、年降水量和灌溉條件，北方農(nóng)業(yè)環(huán)境最主要的限制因子為溫度與水資源(表1)。

表1 耕地后備資源評價指標及其不宜耕閾值Table 1 Evaluation index and unsuitable tillage threshold of cultivated land reserve resources

2.3 宜耕地判別規(guī)則

采取 “限制性因子”評價法，結(jié)合表1的判斷規(guī)則對評價單元進行評價。若有評價單元屬于不宜耕條件則去除，并在可能開發(fā)的土地類別中劃分出宜耕與不宜耕區(qū)域。由于柵格數(shù)據(jù)存在一定誤差，所以柵格數(shù)據(jù)在矢量數(shù)據(jù)判別后進行判別，并通過計算誤差比率進行消除柵格數(shù)據(jù)誤差。

2.4 試驗過程

2.4.1 判別區(qū)劃條件限制 依據(jù)易縣土地利用總體規(guī)劃中的紅線區(qū)域、限制區(qū)域或開發(fā)經(jīng)濟效益低的現(xiàn)有路網(wǎng)水面，分出禁止開發(fā)的區(qū)域、限制區(qū)域與非經(jīng)濟區(qū)域，并剔除。

2.4.2 判別后備資源的地類條件限制 根據(jù)易縣目前已有的各類數(shù)據(jù)庫，在可能開墾的地類中建立后備圖層。

2.4.3 歷史整理區(qū)域判別 將多年來已經(jīng)實施的耕地整理項目去除。

2.4.4 坡度判別與限制 利用ArcGIS 10.2軟件對四景ALOS PALSAR衛(wèi)星分辨率DEM高程數(shù)據(jù)進行重疊拼接，得到覆蓋整個易縣范圍的12.5 m空間分辨率DEM鑲嵌圖，采用ArcGIS的坡度提取模塊對DEM數(shù)據(jù)進行坡度判別，提取易縣行政區(qū)域范圍內(nèi)的坡度。并將易縣地形坡度重新分為0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°以上的5類，將>25°的土地從圖斑中去除。易縣總體坡度的面積通過DEM柵格數(shù)據(jù)測量，單像素區(qū)域為156.25(12.5×12.5) m2。

2.5 易縣耕地后備資源判別

易縣區(qū)域的整體年積溫圖層、降水量圖層均在宜耕判別設(shè)定的閾值之上，并且經(jīng)由環(huán)保與農(nóng)業(yè)部門的調(diào)查，易縣目前不存在土壤污染狀況與積水田塊或鹽漬化，即易縣區(qū)域的土壤污染、積水田塊和鹽漬化均在宜耕判別設(shè)定限制閾值之上。將以上4種判別圖層進行疊加，并將一些分散且面積過小的零散區(qū)域去除，即得到易縣耕地后備資源區(qū)域的分布情況。

3 結(jié)果及分析

3.1 易縣耕地后備資源分析

3.1.1 易縣耕地后備資源數(shù)量與構(gòu)成 關(guān)于易縣耕地后備資源數(shù)量與構(gòu)成情況見表2。

表2 易縣耕地后備資源構(gòu)成Table 2 Composition of cultivated land reserve resources in Yi County

由表2可知，易縣耕地后備資源總面積共6 587.62hm2，占全縣面積的2.6%，數(shù)量與比例都較少。其中，可開墾其他草地5 071.89 hm2，占耕地后備資源面積的76.99%；可開墾沙地18.94 hm2，占0.29%；可開墾裸地1 459.95 hm2，占22.16%；可復(fù)墾采礦用地36.84 hm2，占0.56%。

3.1.2 易縣耕地后備資源空間分布 關(guān)于易縣耕地后備資源空間分布情況見圖1和表3。

圖1 易縣耕地后備資源數(shù)量分布圖Figure 1 Quantity distribution of cultivated land reserve resources in Yi County

表3 易縣耕地后備資源分布情況表Table 3 Distribution of cultivated land reserve resources in Yi County

由圖1和表3可知，易縣耕地后備資源主要分布在梁格莊鎮(zhèn)、西陵鎮(zhèn)、塘湖鎮(zhèn)、尉都鄉(xiāng)、裴山鎮(zhèn)、高村鄉(xiāng)和白馬鄉(xiāng)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積共4 963.1 hm2，占總體耕地后備資源的比為75.4%。其中，梁格莊鎮(zhèn)后備資源面積最大，合計1 247.1 hm2，占易縣全部耕地后備資源面積的18.9%；流井鄉(xiāng)等14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源面積為1 624.2 hm2，占24.4%；高陌鄉(xiāng)、凌云冊鄉(xiāng)、七峪鄉(xiāng)、橋家河鄉(xiāng)、甘河凈鄉(xiāng)和蔡家峪6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)無耕地后備資源。

3.1.3 易縣耕地后備資源特點 關(guān)于易縣耕地后備資源坡度分布情況見圖2。

圖2 易縣耕地后備資源坡度分布圖Figure 2 Slope distribution of cultivated land resources in Yi County

由圖2可知，易縣耕地后備資源多位于低山區(qū)，由于坡度為柵格數(shù)據(jù)，耕地后備資源由矢量數(shù)據(jù)得出，柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)覆蓋重疊計算得到區(qū)域面積，坡度在0°～2°的區(qū)域面積為407.6 hm2，占6.2%；2°～6°的區(qū)域面積為2 025 hm2，占30.9%；6°～15°的區(qū)域面積為2 884.5 hm2，占44%；15°～25°的區(qū)域面積為1 238 hm2頃，占18.79%。易縣耕地后備資源地勢起伏較大，目前的地形坡度難以滿足耕作需求，需修建水平梯田。修筑梯田工程量較大，投資較多。宜耕區(qū)土壤為少礫的砂壤質(zhì)草甸土，大部分土地表土層較薄，且含少量小粒徑沙礫，土壤養(yǎng)分含量較低，表土層以下的土壤含沙礫相對較多，目前的土壤條件不能滿足農(nóng)作物的耕作要求，需進行客土覆蓋，及土地翻耕等措施，使土壤達到耕作需求。

3.2 易縣耕地后備資源類型

3.2.1 可開墾其他草地 關(guān)于易縣可開墾其他草地分布情況見圖3。

圖3 易縣可開墾其他草地分布情況圖Figure 3 Other grassland distribution of available cultivated in Yi County

由圖3可知，易縣可開墾其他草地共計5 071 hm2，面積最大，占全部可開墾土地后備資源的76.99%。主要分布在中部的西陵鎮(zhèn)、梁格莊鎮(zhèn)、塘湖鎮(zhèn)和尉都鄉(xiāng)，分別為977.3 hm2、758.7 hm2、564.1 hm2和562.2 hm2，合計2 862.3 hm2，占易縣可開墾其他草地總面積的比例分別為19.3%、15%、11.1%和11.1%，合計占56.5%。裴山鎮(zhèn)等17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)合計占地2 209.4 hm2，占比43.5%。

3.2.2 可開墾裸地 關(guān)于易縣可開墾裸地分布情況見圖4。

圖4 易縣可開墾裸地分布情況圖Figure 4 Bare land distribution of available cultivated in Yi County

由圖4可知，易縣可開墾裸地面積1 459.95 hm2，占可開墾耕地后備資源的22.16%，分布區(qū)域與其他草地基本相同，主要分布在中部的梁格莊鎮(zhèn)、塘湖鎮(zhèn)、高村鄉(xiāng)、流井鄉(xiāng)和白馬鄉(xiāng)，面積分別為485.5 hm2、260.9 hm2、141.1 hm2、130.89 hm2和105.69 hm2，占比分別為33.3%、17.65%、10.32%、8.87%和7.15%；合計1 123.1 hm2，占比77%。狼牙山鎮(zhèn)等17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)合計占地336.7 hm2，占比23%。

3.2.3 可開墾沙地 關(guān)于易縣可開墾沙地分布情況見圖5。

圖5 易縣可開墾沙地分布情況圖Figure 5 Sand land distribution of available cultivated in Yi County

由圖5可知，易縣可開墾沙地面積較少，僅18.9 hm2，主要集中在南部的狼牙山鎮(zhèn)和東北部的白馬鄉(xiāng)，面積分別為8.5 hm2和3.9 hm2，占比分別為45%和21%，合計面積12.4 hm2，占比66%。流井鄉(xiāng)面積最小，僅1.5 hm2，占比8%。

3.2.4 可復(fù)墾采礦用地 關(guān)于易縣可復(fù)墾采礦用地分布情況見圖6。

圖6 易縣可復(fù)墾采礦用地分布情況圖Figure 6 Mining land distribution of available cultivated in Yi County

由圖6可知，易縣可復(fù)墾采礦用地極少，僅37 hm2，分布在塘湖鎮(zhèn)、高村鄉(xiāng)、流井鄉(xiāng)和裴山鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積分別為21.3 hm2、8 hm2、5、和2.5 hm2，占比分別為56.8%、21.3%、13.3%和8.6%。

3.3 易縣不宜耕土地情況

易縣不宜耕土地103 685.5 hm2，占后備資源總面積的94%。易縣不宜耕的其他草地主要限制因素是坡度過大，造成耕地水土流失嚴重，進行復(fù)墾、挖方與填方的工程量也大。不宜耕的內(nèi)陸灘涂限制性因素主要是處于生態(tài)保護區(qū)或者生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)。不宜耕的裸地、沙地限制性因素主要是處于生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)，地形坡度過大或土壤厚度不夠。不可復(fù)墾采礦用地的限制性因素有坡度過大或礦坑較大無法填平。此外，不宜耕土地的破碎化分布特點，使得大規(guī)模集中開發(fā)成本過高，導(dǎo)致開發(fā)難以進行。

4 發(fā)展建議

易縣耕地后備資源總面積共6 587.62 hm2，占全縣面積的2.6%，數(shù)量與比例都較少。構(gòu)成類型包括裸地、其他草地、沙地和采礦用地，其中，可開墾其他草地5 071.89 hm2，占耕地后備資源面積的76.99%。耕地后備資源主要分布在梁格莊鎮(zhèn)等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積共4 963.1 hm2，占總體耕地后備資源的比例為75.4%，其中，梁格莊鎮(zhèn)后備資源面積最大，合計1 247.1 hm2，占易縣全部耕地后備資源面積的18.9%；流井鄉(xiāng)等14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源面積為1 624.2 hm2，占比24.4%。高陌鄉(xiāng)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)無耕地后備資源。宜耕地多位于低山區(qū)，地勢起伏較大，目前的地形坡度難以滿足耕作需求，需修建水平梯田；修筑梯田工程量較大，投資較多。

4.1 易縣耕地后備資源開發(fā)利用總體策略

易縣地處山地、丘陵地區(qū)，地形復(fù)雜多樣。經(jīng)過多年的開發(fā)利用，易縣城鎮(zhèn)周邊交通便利、地勢平坦、土壤肥沃、易于成片開發(fā)的土地資源已經(jīng)基本開發(fā)完畢，適宜補充耕地整治區(qū)域逐漸減少，且基本位于在遠離城鎮(zhèn)的邊遠地區(qū)，規(guī)模小、分布零散，開發(fā)難度大，成本高。易縣耕地后備資源的開發(fā)利用，應(yīng)根據(jù)易縣經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃，在國土空間規(guī)劃的引領(lǐng)下，統(tǒng)籌考慮山水林田湖草系統(tǒng)治理、生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、空心村改造、礦山生態(tài)修復(fù)等規(guī)劃，按照宜農(nóng)則農(nóng)、宜建則建、宜留則留、宜整則整、宜耕則耕、宜林則林、宜草則草的原則，科學(xué)規(guī)劃，整體設(shè)計，多措并舉，合理布局土地開發(fā)、利用、整治與保護，提高土地利用率，切實做到規(guī)劃前瞻性，論證科學(xué)性，開發(fā)針對性，利用實效性，努力實現(xiàn)數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”平衡[16-18]。此外，在規(guī)劃山地和丘陵地區(qū)宅基地等建設(shè)用地時，應(yīng)學(xué)習(xí)借鑒國外做法，研究探討向坡地發(fā)展，將質(zhì)量好的平地用于大規(guī)模、同質(zhì)化趨近的基本口糧的供應(yīng)耕地，對分散的小區(qū)域，發(fā)展為具有特色農(nóng)業(yè)及特色養(yǎng)殖業(yè)，在保證總體糧食生產(chǎn)經(jīng)濟性與便利性基礎(chǔ)上發(fā)展具有地方特色的自然農(nóng)業(yè)、人文農(nóng)業(yè)或旅游農(nóng)業(yè)[19]。在農(nóng)民數(shù)量不變的情況下減少規(guī)模農(nóng)業(yè)的農(nóng)民數(shù)量，增加從業(yè)特色農(nóng)業(yè)的農(nóng)民數(shù)量，提高從業(yè)規(guī)模化農(nóng)業(yè)的農(nóng)民專業(yè)性，激發(fā)從事特色化農(nóng)業(yè)農(nóng)民的創(chuàng)造性，進而在整體上提高全體農(nóng)民的收入，維護社會整體糧食價格穩(wěn)定，調(diào)節(jié)社會收入差距，促進人與自然和諧共生。

4.2 采取有效措施提高新增耕地質(zhì)量

土地開發(fā)應(yīng)與基本農(nóng)田建設(shè)和土地整理結(jié)合起來，特別是將田林路渠進行綜合配套。易縣有大量耕地為梯田、坡耕地，且分布零星，農(nóng)田水利設(shè)施普遍較差，應(yīng)加強農(nóng)田水利與集水設(shè)施建設(shè)，以提高耕地質(zhì)量，增加有效耕地面積，以防農(nóng)田因缺水減產(chǎn)。在耕地實際耕作條件困難，人工整治投資大的情況下，易縣可以通過居民點整理、后備資源開發(fā)等途徑補充耕地，對非宜耕土地活盤活用，促進土地資源的合理利用。要以現(xiàn)有公路格網(wǎng)為基礎(chǔ)，優(yōu)先開發(fā)集中連片的適宜地區(qū)，先易后難。在水土資源貧瘠或基巖裸露而又臨近居民居住點的地區(qū)，可以探索將農(nóng)村合作社在農(nóng)村土地集體權(quán)屬之上的開發(fā)整理與其收益相結(jié)合的方法，激發(fā)民間資本自發(fā)進行土地整理的積極性，防止花很高代價補充的耕地?zé)o人耕種，出現(xiàn)耕地撂荒現(xiàn)象[20-21]。

4.3 建立科學(xué)合理的土地評估體系

土地整治是一個多方面的綜合工程，在日后研究中應(yīng)注重質(zhì)量、數(shù)量和生態(tài)多維評估，并結(jié)合當?shù)亟?jīng)濟、政治因素和人文情況，建立更科學(xué)合理的數(shù)字化評估體系，讓研究更加具有現(xiàn)實意義。應(yīng)探索建立以當?shù)赝恋毓δ軈^(qū)劃為導(dǎo)向的分類多維度評分，以取代加權(quán)平均方式進行的綜合一維評分，綜合糧食產(chǎn)量、土地可持續(xù)利用能力、人造化學(xué)物質(zhì)投入、生態(tài)價值權(quán)重與土地價格等分類評價指標，進行位置、地形與功能結(jié)構(gòu)重心和關(guān)鍵節(jié)點的單獨考量，進行區(qū)域最優(yōu)化設(shè)計，在整體經(jīng)濟性上不造成浪費、規(guī)劃上不偏離歷史區(qū)域方向、對生態(tài)環(huán)境不產(chǎn)生破壞。