基于AHP-SCEI-GIS的信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價研究

關(guān)鍵詞：耕作層；土壤剝離；適宜性評價；層次分析法；信豐縣

中圖分類號：F301.24 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）04-0134-07

耕作層土壤是人類經(jīng)過長期耕作活動而形成的高度熟化土壤，具有較高的有機質(zhì)含量和生物活性，是農(nóng)作物根系生長和養(yǎng)分吸收的主要區(qū)域[1]。耕作層土壤的形成過程極為緩慢，大約200～400年才形成1cm厚度的耕作層土壤，屬于非再生性農(nóng)業(yè)資源[2]。近年來，隨著我國城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，越來越多的耕地不可避免地被非農(nóng)建設(shè)用地所占用，導(dǎo)致耕作層土壤常常遭到廢棄和破壞，不僅浪費了大量的優(yōu)質(zhì)耕地資源，同時也加劇了農(nóng)用地與非農(nóng)用地之間的矛盾[3，4]。江西省自然資源廳2023年發(fā)布的《關(guān)于推進建設(shè)占用永久基本農(nóng)田耕作層土壤剝離利用工作的通知》指出，有效保護、合理利用珍貴的耕地耕作層土壤，提升耕地質(zhì)量，保障耕地生產(chǎn)能力穩(wěn)定。耕作層土壤剝離利用是一種保護和合理利用農(nóng)業(yè)資源的重要途徑，是對被占用耕地的表層土壤開展剝離工作，并將其用于新耕地的開發(fā)、低質(zhì)土地的改良或其他耕地的土壤質(zhì)量提升[5]。這一重要舉措對于堅守耕地紅線、維護國家糧食和生態(tài)安全都具有重大戰(zhàn)略意義。

目前，多數(shù)學(xué)者對于耕作層土壤剝離利用的研究主要集中在剝離利用模式[6]、剝離覆土技術(shù)[7，8]、土壤調(diào)查評價[9]、政策法規(guī)分析[10]、成本效益優(yōu)化[11]等方面，對于土壤剝離適宜性評價的相關(guān)研究尚處于起步階段。陳艷華等[12]采用多指標(biāo)綜合加權(quán)法集成土方量、與機動車道的距離、地形坡度、土壤質(zhì)地和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)等指標(biāo)，建立了適用于山區(qū)丘陵地帶的耕作層剝離適宜性評價體系，并進一步明確了該區(qū)域適宜剝離和不適宜剝離的田塊的面積及范圍。張紅富等[13]著重考慮了土壤環(huán)境質(zhì)量、土壤肥力和表土剝離工程條件三個方面的易獲得性指標(biāo)，并基于多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)構(gòu)建了剝離適宜性評價模型，測算了廣東省韶關(guān)市古洋村和大橋村的耕作層土壤剝離的適宜性。屠代豪等[14]在確定了剝離區(qū)的評價單元后，基于土方量、土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、土壤pH、坡度、路網(wǎng)密度、財政投入、田塊聚集度、耕地類型等九個指標(biāo)，建立了剝離適宜性評價體系，識別了南昌市耕作層土壤剝離的優(yōu)先剝離區(qū)。

本研究以江西省信豐縣為例，從自然條件、社會經(jīng)濟條件和用地條件出發(fā)，利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）和GIS集成坡度、土方量、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、土壤pH、土層厚度、與高速公路距離、與主干道距離、耕地破碎度、耕地類型等10個指標(biāo)，建立信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價指標(biāo)體系和評價模型，明確研究區(qū)耕作層土壤適宜剝離和不適宜剝離的地塊，對于區(qū)域耕作層土壤剝離利用、耕地資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

信豐縣位于貢水支流桃江中游、江西省贛州市中部偏南（圖1），介于114°34’～115°19’E、24°59’～25°33’N之間，是贛南臍橙的發(fā)源地，被譽為“世界橙鄉(xiāng)”，國土總面積約為2878km²。全境地形地貌以丘陵盆地為主，中部地勢平坦，東部、南部及西北部山地特征明顯。信豐縣作為國家商品糧基地縣，擁有豐富的農(nóng)業(yè)資源，耕地總面積約占全縣面積的13.72%，其中旱地面積約為72km²，水田面積約為323km²。截至2023年底，全縣下轄13個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng)，常住人口67.26萬人，GDP為304.05億元。近年來，信豐縣耕地“非糧化”現(xiàn)象日益凸顯，2010—2020年的糧食產(chǎn)量降低了3.95萬t，人均糧食占有量減少了64.41kg[15]。此外，2022—2023年全縣旱地面積減少了1.94km²，水田面積減少3.35km²，減少面積占耕地總面積的1.33%。面對這一挑戰(zhàn)，信豐縣積極采取措施，開展耕作層土壤剝離利用工作，以期提高耕地的質(zhì)量和利用效率，為保障國家糧食安全和推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文使用的研究數(shù)據(jù)主要包括耕地資源質(zhì)量分類年度更新與監(jiān)測成果、年度耕地數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)以及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。其中，坡度、土層厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、土壤pH、耕地類型等數(shù)據(jù)來源于耕地資源質(zhì)量分類年度更新與監(jiān)測成果，土方量、耕地破碎度等基于年度耕地數(shù)據(jù)計算得出，耕地資源質(zhì)量分類年度更新與監(jiān)測成果、年度耕地數(shù)據(jù)等來源于自然資源部門。道路數(shù)據(jù)則來源于開放街道地圖OSM（https：//www.openstreetmap.ch/）；研究區(qū)矢量區(qū)劃文件來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)平臺（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）。使用ArcGIS軟件處理和分析數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均采用高斯克呂格投影和2000國家大地坐標(biāo)系，并重分類至30m×30m像元大小以作為評價單元。

2研究方法

2.1評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

本研究基于科學(xué)性、綜合性和指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性等原則，對信豐縣耕作層土壤的現(xiàn)狀進行分析，通過層次分析法（AHP）構(gòu)建耕作層土壤剝離適宜性的層次結(jié)構(gòu)模型，將信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價作為目標(biāo)層，自然條件、社會經(jīng)濟條件及用地條件作為準(zhǔn)則層，總共選取十個指標(biāo)作為指標(biāo)層（圖2）。

2.1.1自然條件指標(biāo)

根據(jù)信豐縣耕作層土壤的實際情況，本研究選取坡度、土方量、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、土壤pH、土層厚度等6項指標(biāo)作為耕作層土壤剝離適宜性的自然條件指標(biāo)。其中，坡度直接影響到剝離作業(yè)的難易程度、土壤侵蝕風(fēng)險以及剝離后土壤的穩(wěn)定性。在坡度較大的地區(qū)進行剝離作業(yè)，不僅增加了施工難度和成本，還可能引發(fā)水土流失和破壞土壤穩(wěn)定性，從而影響土壤的再利用價值。土壤質(zhì)地決定了土壤的滲透性、保水性和可耕性，對土壤的管理和作物的生長至關(guān)重要。不同質(zhì)地的土壤對耕作、灌溉和施肥的要求不同，影響其剝離后再利用的效率。因此，質(zhì)地優(yōu)良的土壤具有更高的剝離價值，其中壤土為最優(yōu)，粘土次之，而砂土則相對較低。土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力和健康狀況的關(guān)鍵性指標(biāo)。通常，有機質(zhì)含量高的土壤具有更好的結(jié)構(gòu)和更高的生物活性，有利于增強土壤水分和養(yǎng)分的保持能力，應(yīng)該考慮優(yōu)先剝離。土壤pH是土壤酸堿平衡的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響?zhàn)B分的有效性和作物生長。理想的土壤pH值接近中性，一般在7.0左右，這有助于保持土壤的健康狀態(tài)和養(yǎng)分的最優(yōu)利用。土層厚度是影響土壤剝離和再利用的關(guān)鍵因素。較厚的土層通常含有更多的養(yǎng)分和更好的物理結(jié)構(gòu)，剝離后可以提供更多的土壤資源用于再利用。土方量決定了土壤剝離的規(guī)模效益，剝離土方量越大，規(guī)模效益越高。參照《建設(shè)占用耕地耕作層土壤剝離利用技術(shù)規(guī)程》（DB45/T1992-2019）中土方量的計算方法并根據(jù)信豐縣耕作層田塊的特點，使用耕作層厚度與田塊剝離面積的乘積計算耕作層土壤剝離土方量。計算方法如下：

式中：Q_i表示第i個剝離單元的土壤剝離土方量；S_i表示第i個剝離單元的田塊剝離面積，按水平投影面積計算；H_i表示第i個剝離單元的耕作層厚度。根據(jù)相關(guān)資料和調(diào)查結(jié)果，信豐縣旱地的耕作層厚度在25cm左右，水田的耕作層厚度在20cm左右。

2.1.2社會經(jīng)濟評價指標(biāo)

綜合考慮信豐縣的指標(biāo)可獲得性，選取剝離區(qū)與高速公路距離以及與主干道距離作為耕作層土壤剝離適宜性的社會經(jīng)濟指標(biāo)。高速公路的可達性直接影響到剝離土壤的運輸效率和成本，剝離區(qū)與高速公路的距離越近，運輸剝離后的土壤越快捷，運輸成本越低。主干道作為區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其與剝離區(qū)的距離同樣對土壤剝離的運輸成本和效率產(chǎn)生影響。剝離區(qū)與主干道的近距離有助于提高剝離土壤的運輸便利性，減少中間轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，降低因道路條件不佳帶來的潛在風(fēng)險。利用ArcGIS技術(shù)，從信豐縣的道路數(shù)據(jù)中分出高速公路和主干道路，并通過歐式距離計算，分別統(tǒng)計出剝離區(qū)與高速公路、主干道的距離。

2.1.3用地評價指標(biāo)

耕地類型是評估耕作層土壤剝離適宜性的重要指標(biāo)。信豐縣耕地類型可分為水田和旱地，其中水田的土壤肥力較高，可剝離的土方量也較多，而旱地的土壤肥力僅次于水田，可剝離的土方量也相對較少。耕地破碎度是指耕地分布的離散程度，它反映了地塊的規(guī)整性與連片程度。這一指標(biāo)對于耕作層土壤剝離的適宜性評價至關(guān)重要，直接關(guān)系到剝離作業(yè)的效率、成本以及后續(xù)的土壤管理和利用。耕地越破碎，越不利于進行集中化的耕作層土壤剝離。耕地破碎度的可以采用耕地斑塊的周長和面積進行計算，計算方法如下：

式中：C_i表示第i個耕地斑塊的破碎度；L_i表示第i個耕地斑塊的周長；A_i表示第i個耕地斑塊的面積。

2.2適宜性綜合評價

2.2.1評價指標(biāo)權(quán)重賦值與分級

自然條件、社會經(jīng)濟條件與用地條件三者之間存在著緊密的聯(lián)系，它們共同決定了土壤剝離的適宜性。在開展耕作層土壤剝離適宜性研究時，需全面考慮這些因素的綜合影響。層次分析法是一種實用的多準(zhǔn)則決策工具，其核心理念在于將復(fù)雜的決策問題劃分成多個層級，一般涵蓋目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層等。該方法通過將指標(biāo)兩兩比較的方式來度量各指標(biāo)的重要性，并據(jù)此綜合得出決策結(jié)果[16]。本研究基于層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，通過構(gòu)建層次模型，將多個評價指標(biāo)按照其重要性進行排序和比較，形成判斷矩陣。通過專家打分法，對每一對指標(biāo)進行重要性比較，構(gòu)建指標(biāo)間的兩兩比較矩陣。接著，對這些判斷矩陣進行一致性檢驗，確保比較過程的準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)偏差。計算得到的最大特征值為λ_max=11.313，偏離一致性指標(biāo)CI=（λ_max-n）/（n-1）=0.146，隨機一致性比率CR=0.098lt;0.1，表明判斷矩陣通過了一致性檢驗。最終，得出各指標(biāo)的權(quán)重值（表1）。

利用ArcGIS軟件對各指標(biāo)進行分級處理，根據(jù)耕作層土壤剝離的適宜性程度劃分為極度適宜、高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜五個等級，并對不同適宜性等級賦分，分別為1分、2分、3分、4分、5分，在ArcGIS中按不同數(shù)量進行重分類。分數(shù)值越低，則表示信豐縣的耕作層土壤越適宜剝離，反之，則越不適宜剝離。

2.2.2適宜性綜合評價指數(shù)模型

根據(jù)上述指標(biāo)權(quán)重和分級結(jié)果，利用ArcGIS柵格計算器對信豐縣的10個指標(biāo)開展加權(quán)求和，構(gòu)建適宜性綜合評價指數(shù)（suitability comprehensive evaluation index，SCEI）模型，獲得信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價結(jié)果。采用自然斷點法對剝離適宜性評價結(jié)果進行分級，分別對應(yīng)極度適宜、高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜五個等級。加權(quán)求和公式如下：

式中：SCEI為適宜性綜合指數(shù)；w_i為各項指標(biāo)的權(quán)重（i=1，2，3……，n）；S_i為各項指標(biāo)的分級得分；n為指標(biāo)個數(shù)。

3結(jié)果與分析

3.1評價指標(biāo)適宜性分析

針對自然條件、社會經(jīng)濟條件和用地條件的各指標(biāo)進行適宜性分區(qū)分析，將極度適宜區(qū)、高度適宜區(qū)、中度適宜區(qū)和勉強適宜區(qū)劃為適宜區(qū)，計算單個指標(biāo)適宜區(qū)面積占整個剝離區(qū)面積的比重（表2），并獲得10個指標(biāo)適宜性的空間分布情況（圖3—圖12）。對坡度指標(biāo)進行分析，適宜區(qū)面積為437.48hm²，占剝離區(qū)總面積的99.58%，說明大部分耕地坡度較緩，其中中部和南部地區(qū)的地形坡度較為平緩，以適宜區(qū)為主，西北部地區(qū)則坡度較大（圖3），多為不適宜區(qū)。根據(jù)土方量分析，適宜區(qū)面積占比95.94%，說明土方量剝離區(qū)整體適宜性較高，其中極度適宜區(qū)面積高達222.82hm²，占剝離區(qū)總面積的一半以上，這些區(qū)域多分布在油山鎮(zhèn)、嘉定鎮(zhèn)和西牛鎮(zhèn)（圖4）。根據(jù)土壤質(zhì)地適宜性結(jié)果，剝離區(qū)84.62%的區(qū)域均表現(xiàn)為極度適宜（圖5）。對土層厚度進行分析，適宜區(qū)面積為421.52hm²，占剝離區(qū)總面積的95.96%，其中又以極度適宜和高度適宜為主要分布（圖6），說明土層厚度的剝離適宜性整體較高。對土壤pH值分析，主要表現(xiàn)為中度適宜、勉強適宜和不適宜，其中不適宜區(qū)的面積占比最大，為31.89%，主要分布在研究區(qū)西北部（圖7）。從土壤有機質(zhì)含量和分布上看，76.26%的區(qū)域為中度適宜（20～30g/kg），99.72%的區(qū)域為適宜（圖8），參照《耕作層土壤剝離再利用項目設(shè)計規(guī)范》（DB35/T1762-2018）中的評價標(biāo)準(zhǔn)，土壤剝離層的有機質(zhì)含量不低于15g/kg，說明土壤有機質(zhì)含量總體剝離適宜性較高。對耕地與高速公路的距離分析，適宜區(qū)面積為196.85hm²，占剝離區(qū)總面積的44.81%；對耕地與主干道的距離分析，適宜區(qū)面積為142.31hm²，占剝離區(qū)總面積的32.4%。兩項指標(biāo)均適宜區(qū)占剝離區(qū)總面積的比重較少，說明信豐縣社會經(jīng)濟指標(biāo)總體適宜性較低。對耕地破碎度進行分析，適宜剝離的地區(qū)為421.49hm²，占剝離區(qū)總面積的95.95%，說明耕地破碎度指標(biāo)總體適宜性較高。對耕地類型進行分析，整個剝離區(qū)分布為極度適宜區(qū)和高度適宜區(qū)（圖12），面積分別為280.05hm²和159.25hm²，說明耕地類型適宜性較高。

3.2剝離適宜性評價結(jié)果分析

根據(jù)加權(quán)求和結(jié)果計算出適宜性綜合評價指數(shù)值為1.3868～3.0184，采用自然斷點法初步劃分評價指數(shù)的閾值，然后再進一步綜合修正，將信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價結(jié)果分為極度適宜區(qū)（lt;2）、高度適宜區(qū)（2～2.3）、中度適宜區(qū)（2.3～2.45）、勉強適宜區(qū)（2.45～2.7）和不適宜區(qū)（gt;2.7）五個區(qū)域，并分別統(tǒng)計各區(qū)域的面積及占剝離區(qū)總面積的比重（表3），獲得信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價等級的空間分布特征（圖13）。從整體來看，適宜區(qū)總面積為348.27hm²，占剝離區(qū)總面積的79.28%，這些區(qū)域地形平緩、交通便利、土層較厚、土壤質(zhì)地較好、有機質(zhì)含量較高、pH適宜、耕地斑塊較為完整、剝離再利用效益較好；不適宜區(qū)總面積為91.02hm²，占剝離區(qū)總面積的20.72%，這些區(qū)域田塊規(guī)模小、土壤質(zhì)量差、耕地破碎化嚴重、交通不便、剝離難度大、剝離成本高、不宜開展剝離再利用工作。其中，極度適宜區(qū)面積為26.84hm²，占剝離區(qū)總面積的6.11%；高度適宜區(qū)面積為102.02hm²，占剝離區(qū)總面積的23.22%；中度適宜區(qū)面積為107.43hm²，占剝離區(qū)總面積的24.45%；這三類區(qū)域主要分布在油山鎮(zhèn)、嘉定鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)、大塘埠鎮(zhèn)。勉強適宜區(qū)面積為111.98hm²，占剝離區(qū)耕地總面積的25.49%；不適宜區(qū)面積為91.02hm²，占剝離區(qū)耕地總面積的20.72%。這兩類區(qū)域零星分布在油山鎮(zhèn)、西牛鎮(zhèn)、大阿鎮(zhèn)、嘉定鎮(zhèn)、安西鎮(zhèn)和萬隆鄉(xiāng)。

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

本文基于層次分析法（AHP）、適宜性綜合評價指數(shù)（SCEI）法和GIS技術(shù)對信豐縣耕作層土壤剝離適宜性進行了綜合評價，主要研究結(jié)論如下：

（1）在GIS技術(shù)的支持下，采用層次分析法從自然條件、社會經(jīng)濟條件和用地條件3個維度，選取坡度、土方量、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、土壤pH、土層厚度、與高速公路距離、與主干道距離、耕地破碎度、耕地類型等10個指標(biāo)，建立信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價指標(biāo)體系，并通過專家打分法確定指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建適宜性綜合評價指數(shù)模型。

（2）從自然條件、社會經(jīng)濟條件和用地條件的各指標(biāo)的適宜性分區(qū)來看，坡度、土方量、土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)、土壤pH、土層厚度、耕地破碎度和耕地類型等指標(biāo)的適宜區(qū)面積占剝離區(qū)總面積的比重均超過了50%，說明自然指標(biāo)和用地指標(biāo)的總體適宜性較高；而剝離區(qū)與高速公路距離、與主干道距離等社會經(jīng)濟指標(biāo)的適宜區(qū)的面積占比則低于不適宜區(qū)的面積占比，分別為44.81%和32.4%，說明社會經(jīng)濟指標(biāo)的總體適宜性較低。

（3）利用SCEI模型對信豐縣耕作層土壤剝離適宜性進行了評價并分級，明確研究區(qū)耕作層土壤適宜剝離和不適宜剝離的地塊。信豐縣耕作層土壤剝離區(qū)大部分都適宜剝離，適宜區(qū)面積為348.27hm²，占剝離區(qū)總面積的79.28%，主要分布在地形平緩、交通便利、土層較厚、土壤質(zhì)地較好、有機質(zhì)含量較高、pH適宜、耕地斑塊較為完整的區(qū)域。其中，又以高度適宜區(qū)、中度適宜區(qū)和勉強適宜區(qū)為主體，面積分別為102.02hm²、107.43hm2和111.98hm²，合計占剝離區(qū)總面積的73.17%。不適宜區(qū)面積為91.02hm²，占剝離區(qū)耕地總面積的20.72%，零星分布在西牛鎮(zhèn)、大阿鎮(zhèn)、嘉定鎮(zhèn)、安西鎮(zhèn)和萬隆鄉(xiāng)。

4.2討論

在城市建設(shè)和土地開發(fā)的過程中，珍貴的耕作層土壤資源常常面臨被破壞和浪費的風(fēng)險。為了有效保護和合理利用這一不可再生資源，本研究構(gòu)建了信豐縣耕作層土壤剝離適宜性評價指標(biāo)體系，并運用適宜性綜合評價指數(shù)模型進行了全面評價。但研究中仍有一些關(guān)鍵議題需要深入探討：

本研究將GIS技術(shù)用于耕作層土壤剝離適宜性評價，具有科學(xué)性、可操作性以及實用性等特點。GIS技術(shù)中區(qū)域空間數(shù)據(jù)處理、可視化等功能，在研究評價指標(biāo)的等級劃分、多因子疊加分析等方面具有重要作用[9，18-19]。此外，在指標(biāo)體系方面，以往的研究主要依據(jù)土方量、單位實施成本和土壤質(zhì)量等指標(biāo)來評估土壤剝離的適宜性[12，17]，本研究不僅全面考慮了剝離區(qū)域的自然條件和社會經(jīng)濟條件，還將用地條件納入了評價指標(biāo)體系，一定程度上對現(xiàn)有的耕作層土壤剝離適宜性評價進行了補充和完善。

盡管如此，本研究在指標(biāo)選取和權(quán)重劃定方面仍存在一定的局限性。雖然研究過程中參考了當(dāng)前的研究進展和信豐縣耕作層土壤的具體特征，但在指標(biāo)的選取和權(quán)重的確定上仍然依賴于專家經(jīng)驗，存在一定的主觀性。因此，未來的研究需要進一步優(yōu)化和完善指標(biāo)體系，可以考慮引入更多的指標(biāo)，如生產(chǎn)條件、工程技術(shù)條件、政策條件等[5，7]，以增強耕作層土壤剝離適宜性評價指標(biāo)體系的全面性和有效性。同時，可以采用多種主觀和客觀的權(quán)重計算方法，通過比較和驗證，篩選出最適合研究區(qū)的權(quán)重計算方法，從而使適宜性評價結(jié)果更為科學(xué)合理。

（責(zé)任編輯：趙寶成）