基于AHP的湖南省耕地適宜性綜合評價

趙曉丹, 楊雅萍, 荊文龍,3

(1.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院, 河南 開封 475004; 2.中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

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基于AHP的湖南省耕地適宜性綜合評價

趙曉丹1, 楊雅萍2, 荊文龍2,3

(1.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院, 河南 開封 475004; 2.中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

以湖南省為研究區(qū)，結合湖南省的實際情況，構建了耕地適宜性綜合評價指標體系，在GIS技術的支持下，運用回歸樹、核密度等地理空間建模方法提取計算參評因子，在此基礎上構建了評價因子數據庫?；诙嘀笜藳Q策(MCDM)框架，利用層次分析法(AHP)確定各參評因子的權重，選擇加權疊加法進行耕地適宜性綜合分析，并將耕地適宜性分為高度適宜，中度適宜，勉強適宜和不適宜四類。在數量上，各適宜等級面積分別占湖南省面積的24.34%，27.70%，32.35%，15.61%；在空間分布上，湖南省耕地適宜性總體呈現(xiàn)東高西低的分布特點，高度適宜和中度適宜的地區(qū)主要分布在湘北洞庭湖平原以、湘江平原地區(qū)和湘中丘陵區(qū)盆地；勉強適宜和不適宜地區(qū)主要分布在湘西、湘西北、湘東南部分地區(qū)。

耕地適宜性; 綜合評價; 層次分析法(AHP); 湖南省

耕地適宜性評價是對影響耕地各種條件的綜合評估，是通過對耕地的自然、經濟、生態(tài)屬性的綜合鑒定，以及對耕地的適宜性、限制性及其程度差異的評定。自聯(lián)合國糧農組織(FAO)公布《土地評價綱要》以及其他的有關耕地適宜性評價指南以來，人們對耕地適宜性評價日趨重視，有關評價的理論和方法也不斷完善。目前常用的方法有多指標決策方法(Multiple Criteria Decision Making,MCDM)[1-3]、模糊綜合評價模型[4]、人工神經網絡模型[5]、遺傳算法[6]、元胞自動機方法[7]等。本文以湖南省為研究區(qū)域，基于多指標決策(MCDM)框架，根據耕地適宜性評價的原則和主要影響因素選取土壤條件、地形條件、氣候條件、生態(tài)安全因子、區(qū)位條件五種要素11個評價因子，運用層次分析法計算各因子的權重值，在GIS支持下，以90 m×90 m柵格為評價單元，選擇加權疊加法對湖南省耕地適宜性進行綜合分析，以期在對區(qū)域耕地進行適宜性評價基礎上全面了解區(qū)域的耕地資源狀況，確定耕地資源的重點保護對象，為土地資源優(yōu)化配置提供依據，從而有利于耕地的合理利用和保護，維持區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省位于長江中游南部，地處東經108°47′—114°15′、北緯24°38′—30°08′，土地總面積21.18萬km2。位處云貴高原向江南丘陵及南嶺山脈向江漢平原過渡地帶，地形輪廓以雪峰山為界，西部主要為山地，地勢相對較高；東部主要為丘陵，地勢相對較低，自西向東交替過渡，山地多，平地少，地貌類型以山地、丘陵為主，北部為洞庭湖平原。湘、資、沅、澧四水(簡稱“四水”)以及汨羅江、新墻河等從東、南、西三面匯入洞庭湖，形成洞庭湖水系。湖南年日照時數為1 300～1 800 h，熱量資源豐富。年平均氣溫16～18℃。年平均降水量1 200～1 700 mm，雨量充沛，為我國雨水較多的省區(qū)之一。受復雜地形和耕作條件的限制，湖南省境內耕地資源匱乏，人地矛盾突出。

1.2 數據來源

湖南省90 m分辨率數字高程模型(DEM)數據來自地球系統(tǒng)科學數據共享網(http:∥www.geodata.cn)。湖南省地貌數據來自中國1∶100萬地貌數據集(來源：地球系統(tǒng)科學數據共享網，http:∥www.geodata.cn)。土壤數據來自基于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集(v1.1)；道路及城市駐地數據來自中國1∶400萬全要素基礎數據(來源：地球系統(tǒng)科學數據共享網，http:∥www.geodata.cn)；湖南省及周圍共47個氣象站點數據源自中國氣象科學數據共享中心(http:∥cdc.cma.gov.cn/home)，NDVI數據采用MODIS16 d合成NDVI產品(MOD13Q1，來源：http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data)。本文選擇90 m×90 m的格網作為評價單元。在ArcGIS 10.0軟件的支持下，將各參評因子層轉換成GRID格式，格網大小統(tǒng)一為90 m×90 m。

2 評價方法

2.1 評價分類體系

根據聯(lián)合國農糧組織(FAO)1976年《土地評價剛要》、《農用地分等規(guī)程》等相關規(guī)程，根據耕地的適宜性和限制程度及生產能力的高低，將湖南省耕地適宜性分為高度適宜(S1)、中度適宜(S2)、勉強適宜(S3)和不適宜(N)等4個等級[8]。

高度適宜(S1)：耕地質量最好，耕地利用高度適宜，耕地質量評價的各項指標均處于最好或較好的狀態(tài)耕地利于所定用途的可持續(xù)利用，且具有較好的效益和較高的生產率；

中度適宜(S2)：對耕地中等適宜，耕地質量較好，耕地質量評價的各項指標處于一般狀態(tài)，耕地對所定用途有一定的限制性，且經濟效益一般；

勉強適宜(S3)：耕地勉強適宜于所定用途，耕地質量較低，并且對所定用途有著較高的限制性，由于耕地的生產率和效益很低，容易引起當地的耕地退化；

不適宜(N)：土地對耕地具有絕對的限制性。在目前的技術水平和可接受的成本投入條件下，土地對耕地來說不能利用或不能持續(xù)利用。

2.2 評價因子的選擇及量化

2.2.1 評價因子體系 為確保評價結果的精確性和客觀性，遵循綜合分析、主導因素、穩(wěn)定性、差異性、獨立性和現(xiàn)實性原則，參考FAO《土地評價綱要》、《中國1∶100萬土地資源圖》、《耕地地力調查與質量評價技術規(guī)程》、《省級主體功能區(qū)劃技術規(guī)程》等相關規(guī)程以及相關學者的研究[9-12]，并結合湖南省耕地資源分布特點和主要問題，選取土壤條件、地形條件、生態(tài)安全條件、氣候條件和區(qū)位條件5個要素11個因子作為湖南省耕地適宜性評價的評價因子(表1)。

表1 湖南省耕地適宜性評價指標體系

2.2.2 評價因子計算方法

1) 坡度因子，基于DEM數據利用ArcGIS 10.0軟件的Slope命令生成。

2) ≥10℃積溫因子，利用回歸樹模型以湖南省及其周圍47個氣象站點1970—2001年累年平均積溫數據為訓練樣本進行回歸建模(以積溫為因變量，以氣象站點的經度、緯度和海拔高度為自變量)，并將DEM數據輸入模型從而得到柵格化的≥10℃積溫分布數據[13]。

3) 年平均降雨量數據是利用地球系統(tǒng)科學數據共享網1 km的年平均降雨量數據通過Spline插值得到90 m分辨率的年平均降雨量數據。

4) 水土流失因子的計算時采用修正土壤侵蝕方程(RUSLE)計算得到[14]，其表達式如下：

A=K·R·L·S·C·P

式中：A——年平均土壤流失量[t/(hm2·a)]；R——降雨侵蝕因子[(J·mm)/(hm2·h·a)]；K——土壤可蝕性因子[h/(MJ·mm)]；L——坡長因子；S—坡度因子；C—覆蓋與管理因子；P——水土保持措施因子。

其中，土壤可蝕性因子K：以土壤類型圖為數據基礎，運用EPIC模型計算生成了土壤可侵蝕性專題圖。降雨侵蝕力R：基于湖南省及周邊44個氣象站點日觀測資料，利用日雨量估算半月侵蝕力的降雨侵蝕力模型[15]，將每半月侵蝕力進行統(tǒng)計匯總得到各測站1960—2010年近42 a平均降雨侵蝕力，各站降雨侵蝕力，用克里金內插法插值得到表面模型。

坡度坡長因子LS：利用AML 語言程序基于DEM數據計算坡度和坡長因子，然后利用LS因子公式計算LS 因子值。

植被與作物管理因子C：根據蔡崇法等的方法計算植被與經營管理因子C。其中植被覆蓋度利用像元二分法基于NDVI數據得到。

水土保持措施因子P：參考相關研究成果，針對不同的土地利用類型賦予不同的P值，其中林地、草地、建筑用地一般未采取水土保持措施，因此賦值為1；水體為0；對于耕地，通常坡度越大，水土保持措施的作用越突出，因此耕地依據表2按照坡度范圍賦值。

表2 不同坡度范圍耕地的P值

5) 湖南省滑坡災害較為嚴重，在地質災害因子計算中，主要考慮滑坡災害。

地質災害因子的計算包括兩步：首先利用核密度估計對于已有的滑坡災害點數據探索其發(fā)生熱點區(qū)域，計算其發(fā)生密度；然后基于利用回歸樹模型，建立滑坡災害發(fā)生密度與地形地貌、氣候因子和土壤因子的關系(在進行樣本訓練時，由于數據量較大，使用空間隨機抽樣方法，以5%的比例進行隨機采樣，得到訓練樣本)。計算得到90 m分辨率的滑坡災害發(fā)生概率分布圖。

6) 交通優(yōu)勢度數據通過計算交通網絡密度、交通干線影響度和區(qū)位優(yōu)勢度三個要素指標進行無量綱處理，并進行加權求和得到。其中：交通路網密度運用核密度估算法計算[16]。

根據以上計算方法，得到各評價因子計算結果如附圖14(a—k)所示。

2.3 評價因子權重及分級

2.3.1 評價因子權重 采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[17-19]確定評價中各因子的權重。

根據專家對各評價因素重要性的打分結果，匯總統(tǒng)計各因素的確認分值，通過建立層次結構、構造判斷矩陣，用方根法計算出矩陣的最大特征值及其對應的特征向量，并進行一致性檢驗，當一致性系數小于0.1時，說明一致性較好，權重分配合理。通過層次單元排序及其一致性檢驗、總層次排序及其一致性檢驗得出各因子的組合權重，各因子權重值見表3。

2.3.2 評價因子的分級 評價因子分級是根據評價因子對耕地適宜性的影響程度，將評價因子劃分為若干等級。評價因子的分級和量化參考國土資源部頒布的《農用地分等規(guī)程》、國內外相關研究成果[20-21]，并綜合湖南省考察期間部分市級農業(yè)局相關人員的意見最終確定。各因子分值越大表示對耕地的適宜性越好，具體結果見表4。

3 耕地適宜性綜合評價及結果分析

耕地適宜性評價采用指數和法，即根據各評價因子綜合權重進行各指標要素的加權疊加分析，具體計算公式如下：

式中：S——耕地適宜性綜合得分;W——第i個因素的權重；A——第i個因素的分級分值；n——參評因子數。

計算得到湖南省耕地適宜性綜合評價結果值域范圍為3.776～9.582。湖南省內河網密布，為了消除結果中水體的影響，以湖南省河流湖泊圖層為掩膜，將評價結果中水體區(qū)域統(tǒng)一賦值為零，根據所得綜合得分并結合研究區(qū)特點，利用ArcGIS的自然斷點法進行分級。將湖南省的土地適宜性分為4級，高度適宜(S1)、中度適宜(S2)、勉強適宜(S3)、不適宜(N)。具體分級標準見表5，分級結果見附圖14l。

表3 基于AHP計算的各因子權重

表4 耕地適宜性評價指標分級賦值

表5 湖南省耕地適宜性評價分級

總體來說，湖南省的耕地適宜性呈現(xiàn)東高西低的特點，高度適宜和中度適宜的耕地分別占24.34%和27.7%，也有相當面積的耕地處于勉強宜耕和不適宜耕作的狀況，其中勉強宜耕耕地面積為32.35%，不宜耕的耕地面積占15.61%。耕地的高適區(qū)域主要分布在湘北洞庭湖區(qū)、湘中南丘陵盆地，該區(qū)域具有優(yōu)良的光、溫、水、土條件，經濟地理區(qū)位條件優(yōu)越，耕地投入和利用效益都較好，自古以來是我國農業(yè)的精華地帶，農業(yè)自然條件優(yōu)越，農業(yè)資源豐富，其中常德、岳陽、益陽、衡陽這四個地區(qū)的高度適宜性面積占了全省高度適宜耕地面積的52.8%，達一半以上。中度適宜耕地主要位于湘中、湘南、湘西部分地區(qū)。湘中部分地區(qū)雖然農業(yè)生產的自然條件相對優(yōu)越，但降雨時空分配不均，降雨主要集中在春夏兩季，加之渠系配套設施年久失修，干旱和洪澇災害較為嚴重，一定程度上影響耕地適宜性。同時，湘西懷化市部分地區(qū)，位于西部雪峰山脈和武陵山脈之間的農業(yè)帶，表現(xiàn)為中度適宜。懷化、郴州、衡陽、邵陽四個地區(qū)的中度適宜性耕地占全省中度適宜性耕地面積的55.14%。勉強適宜性耕地主要位于湘西、湘南和湘西北部分地區(qū)，這些區(qū)域坡度較大、土層較薄，土壤耕性差，生產能力較低，降水空間分布不均勻，自然災害較為嚴重，懷化市、張家界市、湘西苗族土家族自治州及邵陽市的勉強適宜性耕地面積占全省勉強適宜性耕地面積的45.6%。不適宜耕地主要位于湘西、湘西北，武陵山—雪峰山山地，該區(qū)域地勢陡峭、峽谷幽深、坡度大，光熱偏少，土壤質地差，土層貧瘠，土地沒有集中連片，水土均缺。同時，其區(qū)域降水特征時空變化大，年際變化也大，常發(fā)生集中暴雨，土壤侵蝕強度大，水土流失嚴重，也容易誘發(fā)山洪等地自然災害和滑坡等地質災害。懷化市、張家界市、湘西苗族土家族自治州及永州、郴州的不適宜面積占全省不適宜耕地面積的60.9%(圖1)。

圖1 湖南省各市耕地適宜等級

4 結 論

本文以湖南省為研究區(qū)域，基于多指標決策(MCDM)框架，選取土壤條件、地形條件、氣候條件、生態(tài)安全因子、區(qū)位條件五種要素11個評價因子，運用層次分析法計算各參評因子權重，選擇加權疊加法對湖南省耕地適宜性進行綜合分析，將耕地適宜性分為高度適宜，中度適宜，勉強適宜和不適宜四類。

受復雜地形和耕作條件制約，湖南省內耕地分布地域差異明顯，在空間分布上，湖南省的耕地適宜性總體呈現(xiàn)東高西低的特點，高度適宜和中度適宜的耕地主要分布在湘北洞庭湖平原以及湘江平原地區(qū)和湘中丘陵區(qū)盆地；勉強適宜和不適宜耕地主要分布在湘西、湘西北、湘東南部分地區(qū)。

本文以GIS空間插值、核密度分析、空間疊加模型等方法生成評價因子圖和綜合評價結果圖，并進行圖形和屬性的疊加分析，運用加權模型對耕地適宜性進行定量評價。應用表明，GIS技術和評價模型的有效集成既節(jié)約了時間提高了效率，又提高了精度，為湖南省土地資源優(yōu)化配置提供依據。然而，多指標決策方法雖然在土地適宜性評價中得到了廣泛的應用，其評價結果還存在諸多不確定性，如評價因子的權重的確定，為了使土地適宜性評價結果更好的應用實踐之中，應通過敏感性分析，對評價結果的魯棒性加以評價，這也是今后研究的主要方向之一。

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Evaluation on Comprehensive Suitability of Cultivated Land in Hunan Province Based on AHP

ZHAO Xiaodan1, YANG Yaping2, JING Wenlong2,3

(1.CollegeofEnvironmentandPlanning,He′nanUniversity,Kaifeng475004,China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 3.UniversityofChineseAcadomyofSciences,Beijing100049,China)

Based on the actual situation of Hunan Province, this paper built the index system of land suitability comprehensive evaluation, and with the support of GIS technology, regression tree and kernel density estimation were used to extract and compute the evaluation factors, then the evaluation factor database was constructed. Based on the multiple criteria decision making (MCDM) framework, the weight of each factor was determined by using analytic hierarchy process (AHP), result of cultivated land suitability was achieved through weighted superposition method, and the cultivated land suitability could be divided into highly suitable, moderately suitable, marginally suitable and unsuitability, the proportions of four categories were 24.34%, 27.7%, 32.35%, 15.61%, respectively. Overall, cultivated land suitability distribution demonstrates that the suitability was strong in the east and weak in the west ,the strong suitability areas are mainly located in the north of Dongting Lake Plain and the Xiangjiang River Plains, marginally suitable and unsuitable areas are mainly located in western, northwestern and southern mountain areas of Hu′nan Province.

cultivated land suitability; comprehensive evaluation; analytic hierarchy process (AHP); Hu′nan Province

2014-04-24

2014-05-24

國家科技支撐計劃項目國土空間優(yōu)化配置關鍵技術與示范研究(2012BAB11B00)

趙曉丹(1988—),女,河南平頂山人,碩士研究生,研究方向為資源遙感與應用。Email:dan_de@foxmail.com

楊雅萍(1964—)，女，北京市人，高級工程師，主要研究方向為地學數據集成與共享。Email：yangyp@igsnrr.ac.cn

F301.21

1005-3409(2015)02-0219-05