秦晓莉

（湖南省国土资源规划院，长沙410007）

0 引言

人口持续增长与城市经济快速发展对土地资源造成越来越大的压力，耕地退化与适宜性问题愈发受到关注。在我国陆域国土中，69%的面积是山区，山区耕地面积占全国耕地总面积的44%[1-2]。2014年以来，在第二次全国土地调查成果基础上，全国各省市按照国土资源部要求，开展了新一轮全国耕地后备资源调查评价工作。对耕地建立定量的指标体系，分析耕地利用的适宜性是土地利用规划的基础，为合理保护耕地资源提供重要依据，真正实现耕地保护和土地利用的科学发展。土地适宜性评价模型最早由国外研究学者IL Mcharg于Staten岛的土地利用规划中提出[3]，在大都市城市规划、城市绿地规划等方面也进行了探讨。中国现代土地适宜性评价始于20世纪50～60年代的荒地资源考察；到1970年代时引入了国外方法，随后也形成自己的土地评价系统；尤其是1990年代以来，学界积极应用GIS技术和数学方法评价非农用地适宜性，取得丰硕成果[4]。2001年周慧娟等采用GIS技术对北京密云进行了耕地适宜性评价，得出GIS技术可以显著提高土地适宜性评价效率[5]。近些年，刘军等基于GIS技术对天津滨海新区开展了耕地适宜性评价[6]。

文章以张家界永定区为研究对象，借助遥感与GIS技术，从土壤养分、立地条件、理化性状和土壤管理四个方面综合评价研究区耕地质量，得到了相互联系的有序层次指标体系，最后以专题图的形式得到耕地质量评价结果。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

张家界市永定区位于湘西山地东北部，地处张家界腹部，东与常德市的石门县与桃源县交界，距省会长沙 398km，位于北纬 28°52′～29°48′，东经 109°40′～111°20′之间。从地势上来看，东临洞庭湖，西接云贵高原，南又与雪峰山毗连，北与鄂西山区接壤。东西长167km、南北宽96km，属武陵山脉腹地，地貌类型多样，境内群山起伏，沟谷纵横，山地相对高差较大，最大达1 392.6m。整个地势从中部切割成南北两部分，南部向沅水呈梯级递降，北部往澧水倾斜，中部地势低平，呈一半月形盆地。属亚热带季风湿润气候，市区年平均气温16.8℃，年日照时数为1 449.6h，中部溪谷平地年降雨量1 300～1 600mm，南部中低山区年降雨量在1 700mm以上。

该研究区作为城市核心区，具有典型的城市土地扩张特点。平原、山地城市特征明显，耕地资源宝贵，地质地貌多样；生态环境脆弱，区域内发生过多种自然灾害。永定区既有城市扩展区域的典型特点，又存在特殊地貌所带来的复杂性[7]，在该研究区进行耕地适宜性分析具有代表性。

1.2 数据来源

通过遥感集市（http：//www.rscloudmart.com/）选取下载覆盖张家界市永定区的2015年10月的高分一号遥感影像（地面分辨率为16m×16m）和中国科学院地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/）提供的空间分辨率为30m的DEM数据作为基础数据源，地质数据、土壤数据、农田灌溉数据均来源于张家界国土局土地普查数据。遥感栅格数据在土地利用领域具有广泛应用，同样土地评价应用普遍[8-9]，所有研究区的数据均生成分辨率为16m的栅格数据集。

2 研究方法

2.1 评价方法

层次分析法（The analytic hierarchy process）最早由美国人T.L.Satty提出，AHP方法能够将问题的影响因子按照层次分成有序的相互关联的多层模型，分别对每一组的因子进行定性和定量分析彼此的相对的权值，同时可引入专家评价的方法，最后得到各因子权重值组成的判断矩阵，求解该矩阵的特征值的最大值及其对应的特征向量，得到最终所有层次中每个因子的权重值[10]。对同一层次的分析求权重的步骤如下所示。

（1）确定参与评价的因子集A（a1，a2，…，an）；

（2）以bij表示的值由表1而得，表示不同因子间相对权重值；

表1 判断矩阵标度及其含义Table 1 Scale and its meaning of judgment matrix

（3）求判断矩阵B最大特征根对应的特征向量的常用的计算方法有幂法、和积法、方根法。幂法可得到任意精确度的最大特征根λmax及其对应的特征向量ω，后两种为近似算法。

ω1，ω2，……ωn也就是该层次每个因素所对应的权。同理每一个层次都可以求得一个权向量，如式（3）：

根据上步可分别得到：e1，e2，……en，为相应权值，然后根据式（4）可得最终各因子权重系数：

式（4）根据式（5）做一致性指标CI（Coherence Index）检验。

将CI与平均一致性指标RI（RandomIndex）比较，RI可从表2查得：

表2 平均随机一致性指标RITable 2 Average random consistency index RI

只有当随机一致性比例（Coherence Radio）CR＜0.10时，才具有可行性，根据CR值的范围，调整矩阵B直到满足条件为止。

2.2 评价单元与评价因子

（1）确定评价单元

文章使用ArcGIS、ENVI等专业GIS软件采用面向对象的分类方法，对获得的高分一号影像进行地物分类及分类后处理等并裁剪得到永定区的地物分类结果（图1）。通过地物分类结果提取得到耕地栅格图作为耕地适宜性评价分析的评价单元，共计分为116.778 8万个，各类地物面积统计见表3。

图1 永定区地物分类Fig.1 The classification results of Yongding district

表3 各类地物面积统计Table 3 Area statistics for each type of surface

（2）选取评价因子

评价因子选取是耕地适宜性评价的关键之一[11]。该研究借助遥感、GIS技术，结合《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》，从土壤养分、立地条件、理化性状和土壤管理4个方面综合评价研究区耕地质量，得到了永定区相互联系的有序的耕地适宜性指标体系（图2）。

图2 永定区耕地适宜性评价分析指标层次结构Fig.2 The hierarchy diagram of cultivated land suitability evaluation index in Yongding district

2.3 评价体系的建立

（1）评价因子隶属度的确定

研究选择的评价因子分为多种类型，彼此评价标准、意义均不相同，需要对每个评价因子都进行适合其类型的标准化处理。根据王建国的隶属函数模型[12]，利用模糊数学方法将选定的评价因子与耕地适宜性的关系分为戒上型、戒下型、峰型、直线型以及概念型。不同的评价因子选用相应类型的隶属度函数，所有评价因子隶属度值域属于[0，1]，当评价因子隶属度趋近由0趋于1时，表示该评价因子对耕地作物生长限制由最大限制趋于无限制；当等于0时，表明作物不能生长。利用GIS空间统计方法，在每个评价因子的属性表里进行空间计算，求得评价单元各个评价因子的隶属度。

（2）权重的确定

利用Office Excel 2013编写AHP计算程序，并进行一致性检验后得到最终指标结果（表 4）。

表4 永定区耕地适宜性评价指标体系及其权重Table 4 The cultivated land suitability evaluation index and its weight in Yongding district

2.4 耕地适宜性等级划分

该研究采用公式（6）得到最终的适宜性评价指数：

式（6）中，SI（Suitability Index）——耕地适宜性评价指数；Fi为第i个评价因子的指标值，即隶属度值；Ci为第i个评价因子的权重。根据耕地适宜性等级划分依据《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》（NY/T309-1996）[13]，采用自然间断点分级法，耕地适宜性程度分为10个等级（表5）。

表5 永定区耕地适宜性等级划分Table 5 Classification of cultivated land suitability in Yongding district

3 结果与分析

利用ArcGIS软件的栅格计算工具，将处理好的12个耕地适宜性评价指标图数据及其对应的权重值带入加权指数和模型，计算得到最终的永定区耕地适宜性等级分布图（图3）。同时统计各级耕地的面积及所占百分比，图4为耕地等级对应面积的垂直线图，表6是各等级面积统计表。

图3 永定区耕地适宜性等级分布Fig.3 Distribution map of cultivated land suitability in Yongding district

表6 永定区耕地适宜性各等级面积统计Table 6 Area statistics for each classification of cultivated land suitability in Yongding district

图4 永定区耕地等级面积垂线Fig.4 Vertical plots of cultivated land classification area in Yongding district

该文通过遥感影像地物分类结果统计得到的永定区耕地总面积为298.95km2，占永定区总面积的13.78%；以提取的耕地为评价单元，利用层次分析法得到的耕地等级统计结果与统计图来看，各等级耕地比例呈现两头小中间大的特点，与图4耕地等级与面积垂线图走势一致，一级地25.30km2，占耕地总面积的6.41%，八级、九级和十级耕地面积最少，三者仅占永定区耕地面积的8.13%，耕地等级从二级到七级的每一级所占比例均超过10%，其中以三级、四级、五级和六级地为主，每级所占比例都基本达到15%，甚至更高，四者耕地总面积占永定区耕地面积的62.8%。

由图3可以看出，一级地主要分布在后坪镇东北部的澧水河流两岸及与南庄坪街道接壤处，其次一级耕地分散在永定中心城区的外围，澧水支流流经过的伊家溪镇和教字垭镇，三家馆乡与伊家溪镇接壤区域、枫香岗乡的澧水流域附近、合作桥乡的西部地区等，这些地区多为澧水流域，为河谷冲击盆地，河流两岸地势平、土层厚，水利设施及排灌能力良好，基本无障碍层。二级与三级地广泛分布，集中在永定区东南部的谢家垭乡、王家坪镇、双溪桥乡、沅古坪镇与三镇的接壤区域。其次中心城区外围、后坪镇和尹家溪镇、三家馆乡等澧水及支流流经的宽谷平原等区域，这些地区有部分适宜耕地的河谷平原，更有大部分区域为丘陵区域的坡度较低的丘间梯田，分布广泛，土壤肥沃，虽无大的河流，但附近有湖水、丘陵上的泉水分布，土地供水排水能力良好，其他因子质量适中。从四到六3个等级的耕地全区各地均有分布，整体分布在永定区的西北部、中部、东南部三大块区域，中部区域以澧水及支流流域附近的街道、乡镇所属的两岸河谷平坦耕地为主，西北部和东南部以丘陵区域的低坡度丘间梯田为主，这些耕地总量较大，土壤理化、灌溉条件良好，适宜性较高，分布分散，应加以大人力和物力投入，是耕地重点保护利用区域。七级和八级地主要分布在永定中心城郊区地带，其他乡镇相对较少，这些地区土壤成土母质、质地一般，耕层厚度不够，很多地方灌溉条件也较差。九级和十级地在永定区分布很少，主要分布在四都坪乡、大坪镇，其他乡镇或街道有零星分布，这些土地所在区域地形地貌条件坡度不适宜供水排水，且有机质含量较低，供肥能力弱，质地较差或一般，很多土地限制的因素，多种因素综合作用使得耕地质量较差。

为了合理利用和有效地保护耕地，综合分析永定区现有耕地数量、质量，永定区主要耕地集中在河溪两岸，尤其适宜耕种地区多集在中心城区，山地多、平原少，即容易遭受自然灾害破坏，又容易出现由于经济社会发展引起过度开发。建设用地的增加伴随社会经济的快速发展，中心城区的建设用地供需与耕地资源保护的矛盾尤为突出，显然永定区的形势十分严峻。人均耕地少、相当部分耕地急需加强保护。因此，应该增强耕地资源保护意识，坚持依法用地、按规用地、严守红线，科学发展。

4 结论与讨论

该文运用GIS手段评价张家界永定区耕地适宜性，通过遥感影像地物分类确定评价单元、参照土壤学知识，选取养分状况、立地条件、理化性状和土壤管理4个方面的12个因素为评价因子，构建评价指标体系，利用模糊数学的隶属函数，得到各因子归一化的指标值，采用AHP方法确定指标权重，最后利用GIS图层叠加得到了永定区的耕地适宜性评价结果。

研究表明：永定区一到六级地达到242.358 8km2，占全区耕地总面积的81.07%，表明永定区大部分耕地质量比较高。但永定区耕地只占全区土地总面积的13.78%，根据永定区耕地的分布状况可以明显看出，永定区耕地主要耕地集中在中心城区澧水等河溪两岸的水田以及西北部、东南部丘陵区域的丘间梯田，耕地总量很低，分布零散，一方面受自然条件，如河系、山地丘陵地形影响较大，这些耕地应加强保护耕地，避免自然灾害破坏，防止耕地质量变差，同时积极推进耕地灌溉设施、农田土壤利用引进先进的科学理念，改善耕地质量，加强土壤耕种条件。另一方面中心城区的优质耕地多是城镇经济发展适宜建设用地的区域，主要分布在城区以西和城区以东，因此，面对社会经济发展需要，这方面的耕地开发应切实十分珍惜，根据本地区的土地分布状况的优势与不足，合理利用土地和切实依据保护耕地，全面优化土地利用空间结构，促进该区域生态、经济共同发展。