基于GIS 的華北地區(qū)自然資源綜合評(píng)價(jià)區(qū)劃研究

黃 壘，李 磊，王 威

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），天津 300170）

自然資源是在一定技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件下能被利用來作為人類生產(chǎn)和生活原材料的物質(zhì)與能量[1]。自然資源評(píng)價(jià)是自然資源合理利用的前提條件和依據(jù)所在，它以自然資源的考察研究工作為基礎(chǔ)，旨在從整體上揭示自然資源的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，指出資源開發(fā)利用潛力的大小、限制性及限制強(qiáng)度，提出開發(fā)利用和治理保護(hù)的建議，為充分發(fā)揮自然資源的多種功能和綜合效益提出科學(xué)依據(jù)[2-4]。對(duì)于自然資源的評(píng)價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究[5-16]。但這些研究多局限于單項(xiàng)資源評(píng)價(jià)，雖然針對(duì)性和適用性較強(qiáng)，但不利于解決當(dāng)前資源開發(fā)粗放、資源開發(fā)趨同、體制不協(xié)調(diào)等問題[17-20]。自然資源是個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，需要針對(duì)一定地域中已知的所有資源進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，建立資源開發(fā)綜合體，才能指導(dǎo)其全面、合理、有效地開發(fā)[21,22]。鑒于此，本文基于GIS 對(duì)華北地區(qū)自然資源的自然特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)區(qū)劃，為華北地區(qū)自然資源保護(hù)和開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立自然資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首先要對(duì)自然資源進(jìn)行分類，按照自然資源在地球圈層的分布，可將其分為礦產(chǎn)資源（地殼）、氣候資源（大氣圈）、水資源（水圈）、土地資源（地表）、生物資源（生物圈）五大類。其次，由于自然資源的自然特性評(píng)價(jià)主要是對(duì)資源本身的數(shù)量和質(zhì)量做出度量，因此要針對(duì)每類資源選取能夠反映其數(shù)量和質(zhì)量屬性的代表性指標(biāo)。綜上所述，考慮數(shù)據(jù)可獲得性，本文選取了兩級(jí)分別5 項(xiàng)和13 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了華北地區(qū)自然資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 華北地區(qū)自然資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of natural resources in North China

表1中生物資源的生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)取水源涵養(yǎng)功能、土壤保持功能、防風(fēng)固沙功能、生物多樣性維護(hù)功能最大值，礦產(chǎn)資源的預(yù)測(cè)資源量指標(biāo)取22類礦產(chǎn)（鐵礦、錳礦、鉻鐵礦、銅礦、鉛礦、鋅礦、鋁土礦、鎳礦、鎢礦、錫礦、鉬礦、銻礦、鋰礦、菱鎂礦、金礦、銀礦、螢石礦、硼礦、硫鐵礦、重晶石礦、鉀鹽礦、磷礦）預(yù)測(cè)資源量最大值。

1.2 評(píng)價(jià)方法

綜合指數(shù)法是一種常用的自然資源評(píng)價(jià)方法，該方法通過判斷各指標(biāo)反映自然資源數(shù)量和質(zhì)量的程度來確定權(quán)重，并將其賦給對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)值后求和，從而得到評(píng)價(jià)得分。本文采用綜合指數(shù)法，借助GIS技術(shù)，以指標(biāo)圖層為參數(shù)對(duì)華北地區(qū)自然資源的自然特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體步驟如下：

（1）指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

利用GIS軟件生成指標(biāo)圖層，并統(tǒng)一空間參考和柵格大小。為了排除量綱和數(shù)據(jù)趨向的影響，對(duì)各指標(biāo)圖層進(jìn)行極值標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其屬性值控制在0～1 的范圍之內(nèi)，得到標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)圖層。

（2）指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

利用層次分析法求取各指標(biāo)權(quán)重。邀請(qǐng)專家采用1～9標(biāo)度法對(duì)層次指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣，并依此計(jì)算層次單排序和總排序，通過一致性檢驗(yàn)后，得到華北地區(qū)自然資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重（表2）。

表2 華北地區(qū)自然資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 2 Comprehensive evaluation index weights of natural resources in North China

水資源是生物賴以生存的環(huán)境資源和支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)保證，是最為重要的自然資源。氣候資源的時(shí)空變化特點(diǎn)能夠在很大程度上決定其他自然資源的形成、時(shí)空分布等特征。土地資源為人類提供了最基本的生產(chǎn)資料和生活空間，是形成和孕育其他資源的重要條件。因此，三者在自然資源綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)占據(jù)絕大部分權(quán)重，相比之下，礦產(chǎn)資源和生物資源的重要性及其能夠提供的價(jià)值則較低。

（3）指標(biāo)加權(quán)求和

將各指標(biāo)權(quán)重賦給其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化圖層，利用ArcGIS 10.6的柵格計(jì)算器工具（Raster Calculator）進(jìn)行柵格疊加運(yùn)算，得到各指標(biāo)和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，指數(shù)越大，表示對(duì)應(yīng)的自然資源條件越好。結(jié)合華北地區(qū)實(shí)際情況，將各指標(biāo)和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)劃為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，評(píng)價(jià)結(jié)果見圖1。

表3 各指標(biāo)和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standards for each index and comprehensive evaluation index

1.3 區(qū)劃方法

在得到上述各級(jí)指標(biāo)圖層的基礎(chǔ)上，以縣（市、區(qū)、旗）為基本單元對(duì)自然資源各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，實(shí)現(xiàn)華北地區(qū)自然資源區(qū)劃。

（1）區(qū)劃數(shù)據(jù)處理

基于各級(jí)指標(biāo)圖層，利用ArcGIS 10.6的分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具，計(jì)算華北地區(qū)各縣（市、區(qū)、旗）各級(jí)指標(biāo)均值。

（2）聚類分析

借助SPSS 16.0軟件，利用離差平方和法（Ward’s method）對(duì)華北各縣（區(qū)、市、旗）自然資源的各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，生成樹狀圖，基于此選取合適的距離值，劃分多個(gè)類型區(qū)，區(qū)劃結(jié)果見圖2。

圖2 華北地區(qū)自然資源區(qū)劃結(jié)果Fig.2 Results of natural resource zoning in North China

2 研究結(jié)果

2.1 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

按照上述評(píng)價(jià)方法，得到華北地區(qū)各類自然資源評(píng)價(jià)及自然資源綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（圖1）。統(tǒng)計(jì)各評(píng)價(jià)級(jí)別的面積占華北地區(qū)總面積的比例見表4。

表4 華北地區(qū)自然資源各評(píng)價(jià)級(jí)別區(qū)域面積占比Table 4 Proportion of the area of each evaluation level of natural resources in North China

由表4 可以看出，華北大部分地區(qū)土地條件較好，氣候資源、水資源一般，生物資源較差，而礦產(chǎn)資源呈點(diǎn)狀分布。由圖1可以看出，華北地區(qū)氣候資源較豐富的區(qū)域主要分布在太陽輻射和風(fēng)能較為豐富的內(nèi)蒙古東北部和中部地區(qū)以及熱量和降水較為豐富的山東東部等地區(qū)；生物資源較豐富的區(qū)域主要分布在大興安嶺南部、陰山山脈、燕山、呂梁山、太行山脈、山東丘陵、秦嶺東部、大別山北部等地區(qū)，這些地區(qū)生物多樣性較為豐富，水土保持能力較強(qiáng)；水資源條件較好的區(qū)域主要分布地表水資源較豐富的河南西部及南部、山東南部地區(qū)，以及地下水條件較好的河北中南部地區(qū)；而內(nèi)蒙古西部及中東部等地區(qū)受限于土壤質(zhì)地，陰山山脈、燕山等地區(qū)受限于地形原因，土地資源條件均較差；礦產(chǎn)資源豐富區(qū)域主要是內(nèi)蒙古中部、河北西部及東部等黑色金屬豐富區(qū)、內(nèi)蒙古中部、河南西部等有色金屬豐富區(qū)、河南西部、山東東部等貴金屬豐富區(qū)以及河北北部、河南中西部等非金屬豐富區(qū)。

總體上，華北地區(qū)自然資源條件較好的區(qū)域主要分布在燕山-太行山山前沖洪積平原以及河南和山東的平原，這些地區(qū)的水資源和土地資源條件均較好，其中河南和山東的平原地帶氣候資源也較為豐富，自然資源條件較差的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁，河北北部、西北部和山西的山區(qū)以及華北平原中北部，其中內(nèi)蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁地帶除氣候資源外整體條件均較差，河北北部、西北部和山西的山區(qū)地帶主要受限于氣候資源匱乏、土地條件較差，華北平原中北部主要受限于水資源條件差。

2.2 區(qū)劃結(jié)果與分析

按照上述區(qū)劃方法，得到華北地區(qū)各類自然資源區(qū)劃和自然資源綜合區(qū)劃結(jié)果見圖2。

根據(jù)聚類分析結(jié)果，將華北地區(qū)氣候資源劃分為優(yōu)勢(shì)區(qū)、降水熱量?jī)?yōu)勢(shì)區(qū)、太陽輻射風(fēng)能優(yōu)勢(shì)區(qū)和劣勢(shì)區(qū)四類，其中優(yōu)勢(shì)區(qū)是指各類氣候資源均較豐富，氣候評(píng)價(jià)指數(shù)較高的區(qū)域，降水熱量?jī)?yōu)勢(shì)區(qū)是指降水和熱量資源較豐富，太陽輻射和風(fēng)能較貧乏的區(qū)域，太陽輻射風(fēng)能優(yōu)勢(shì)區(qū)是指太陽輻射和風(fēng)能較豐富，降水和熱量較貧乏的區(qū)域，劣勢(shì)區(qū)是指各類氣候資源均較貧乏，氣候評(píng)價(jià)指數(shù)較低的區(qū)域。

將華北地區(qū)生物資源劃分為優(yōu)勢(shì)區(qū)、一般區(qū)和劣勢(shì)區(qū)三類，其中優(yōu)勢(shì)區(qū)是指生物多樣性維護(hù)功能和土壤保持功能較優(yōu)，生物資源評(píng)價(jià)指數(shù)較高的區(qū)域，一般區(qū)是指生物多樣性維護(hù)功能和土壤保持功能一般的區(qū)域，劣勢(shì)區(qū)是指生物多樣性維護(hù)功能和土壤保持功能較差，生物資源評(píng)價(jià)指數(shù)較低的區(qū)域。

將華北地區(qū)水資源劃分為地表水優(yōu)勢(shì)區(qū)、地下水優(yōu)勢(shì)區(qū)、一般區(qū)和劣勢(shì)區(qū)四類，其中地表水優(yōu)勢(shì)區(qū)是指地表水資源較優(yōu)，地下水資源較差的區(qū)域，地下水優(yōu)勢(shì)區(qū)則相反，這兩類區(qū)域水資源評(píng)價(jià)指數(shù)均較高，一般區(qū)是指地表水和地下水資源均一般的區(qū)域，劣勢(shì)區(qū)是指地表水和地下水資源均較差，水資源評(píng)價(jià)指數(shù)較低的區(qū)域。

將華北地區(qū)土地資源劃分為優(yōu)勢(shì)區(qū)、一般區(qū)、地形劣勢(shì)區(qū)、土壤劣勢(shì)區(qū)四類，其中優(yōu)勢(shì)區(qū)是指地形和土壤條件均較好，土地資源評(píng)價(jià)指數(shù)較高的區(qū)域；一般區(qū)是指地形和土壤條件一般的區(qū)域；地形劣勢(shì)區(qū)是指地形條件問題較突出的區(qū)域；土壤劣勢(shì)區(qū)是指土壤條件問題較突出的區(qū)域，后兩類區(qū)域土地資源評(píng)價(jià)指數(shù)均較低。

將華北地區(qū)礦產(chǎn)資源劃分為黑色金屬優(yōu)勢(shì)區(qū)、有色金屬優(yōu)勢(shì)區(qū)、貴金屬優(yōu)勢(shì)區(qū)、非金屬優(yōu)勢(shì)區(qū)和非優(yōu)勢(shì)區(qū)五類，顧名思義，前四類是指其對(duì)應(yīng)礦產(chǎn)資源較為豐富，礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)指數(shù)較高的區(qū)域，非優(yōu)勢(shì)區(qū)是指各類礦產(chǎn)資源均一般或較差，礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)指數(shù)較低的區(qū)域。

綜合起來，將華北地區(qū)自然資源劃分為水土資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、生物資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、土地資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、礦產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、水資源劣勢(shì)區(qū)五類，各類地區(qū)說明和分布情況見表5。

表5 華北地區(qū)自然資源綜合區(qū)劃情況Table 5 Comprehensive zoning of natural resources in North China

3 結(jié)論及建議

本研究選取兩級(jí)分別5 項(xiàng)和13 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了華北地區(qū)自然資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用綜合指數(shù)法對(duì)華北地區(qū)自然資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上，采用聚類分析方法對(duì)華北地區(qū)自然資源進(jìn)行區(qū)劃。結(jié)果顯示，華北地區(qū)自然資源條件較好的區(qū)域主要分布在燕山-太行山山前沖洪積平原以及河南和山東的平原，較差的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁、河北北部及西北部、山西的山區(qū)以及華北平原中北部。

根據(jù)綜合區(qū)劃結(jié)果，華北地區(qū)自然資源可劃分為水土資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、生物資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、土地資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、礦產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)區(qū)、水資源劣勢(shì)區(qū)五類。針對(duì)不同區(qū)劃的自然資源特點(diǎn)，水土資源優(yōu)勢(shì)區(qū)適宜開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，生物資源優(yōu)勢(shì)區(qū)應(yīng)注重生態(tài)保護(hù)和水土涵養(yǎng)，土地資源優(yōu)勢(shì)區(qū)宜種植旱生作物或發(fā)展城鎮(zhèn)建設(shè)，礦產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)區(qū)可適度發(fā)展礦產(chǎn)行業(yè)，水資源劣勢(shì)區(qū)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)水資源的監(jiān)管和保護(hù)、修建水利工程等。此研究可為華北地區(qū)自然資源全面、合理、有效開發(fā)提供借鑒意義。