基于AHP的湖南省耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)

趙曉丹, 楊雅萍, 荊文龍,3

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

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基于AHP的湖南省耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)

趙曉丹1, 楊雅萍2, 荊文龍2,3

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

以湖南省為研究區(qū)，結(jié)合湖南省的實(shí)際情況，構(gòu)建了耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在GIS技術(shù)的支持下，運(yùn)用回歸樹、核密度等地理空間建模方法提取計(jì)算參評(píng)因子，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)庫。基于多指標(biāo)決策(MCDM)框架，利用層次分析法(AHP)確定各參評(píng)因子的權(quán)重，選擇加權(quán)疊加法進(jìn)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(qiáng)適宜和不適宜四類。在數(shù)量上，各適宜等級(jí)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(diǎn)，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(qiáng)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(píng)價(jià); 層次分析法(AHP); 湖南省

耕地適宜性評(píng)價(jià)是對(duì)影響耕地各種條件的綜合評(píng)估，是通過對(duì)耕地的自然、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)屬性的綜合鑒定，以及對(duì)耕地的適宜性、限制性及其程度差異的評(píng)定。自聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)公布《土地評(píng)價(jià)綱要》以及其他的有關(guān)耕地適宜性評(píng)價(jià)指南以來，人們對(duì)耕地適宜性評(píng)價(jià)日趨重視，有關(guān)評(píng)價(jià)的理論和方法也不斷完善。目前常用的方法有多指標(biāo)決策方法(Multiple Criteria Decision Making,MCDM)[1-3]、模糊綜合評(píng)價(jià)模型[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[5]、遺傳算法[6]、元胞自動(dòng)機(jī)方法[7]等。本文以湖南省為研究區(qū)域，基于多指標(biāo)決策(MCDM)框架，根據(jù)耕地適宜性評(píng)價(jià)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(gè)評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用層次分析法計(jì)算各因子的權(quán)重值，在GIS支持下，以90 m×90 m柵格為評(píng)價(jià)單元，選擇加權(quán)疊加法對(duì)湖南省耕地適宜性進(jìn)行綜合分析，以期在對(duì)區(qū)域耕地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上全面了解區(qū)域的耕地資源狀況，確定耕地資源的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，為土地資源優(yōu)化配置提供依據(jù)，從而有利于耕地的合理利用和保護(hù)，維持區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省位于長(zhǎng)江中游南部，地處東經(jīng)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(shì)相對(duì)較高；東部主要為丘陵，地勢(shì)相對(duì)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(jiǎn)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(shí)數(shù)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(guó)雨水較多的省區(qū)之一。受復(fù)雜地形和耕作條件的限制，湖南省境內(nèi)耕地資源匱乏，人地矛盾突出。

1.2 數(shù)據(jù)來源

湖南省90 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來自地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥www.geodata.cn)。湖南省地貌數(shù)據(jù)來自中國(guó)1∶100萬地貌數(shù)據(jù)集(來源：地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，http:∥www.geodata.cn)。土壤數(shù)據(jù)來自基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(v1.1)；道路及城市駐地?cái)?shù)據(jù)來自中國(guó)1∶400萬全要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(來源：地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，http:∥www.geodata.cn)；湖南省及周圍共47個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)源自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http:∥cdc.cma.gov.cn/home)，NDVI數(shù)據(jù)采用MODIS16 d合成NDVI產(chǎn)品(MOD13Q1，來源：http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data)。本文選擇90 m×90 m的格網(wǎng)作為評(píng)價(jià)單元。在ArcGIS 10.0軟件的支持下，將各參評(píng)因子層轉(zhuǎn)換成GRID格式，格網(wǎng)大小統(tǒng)一為90 m×90 m。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)分類體系

根據(jù)聯(lián)合國(guó)農(nóng)糧組織(FAO)1976年《土地評(píng)價(jià)剛要》、《農(nóng)用地分等規(guī)程》等相關(guān)規(guī)程，根據(jù)耕地的適宜性和限制程度及生產(chǎn)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(qiáng)適宜(S3)和不適宜(N)等4個(gè)等級(jí)[8]。

高度適宜(S1)：耕地質(zhì)量最好，耕地利用高度適宜，耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)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(chǎn)率；

中度適宜(S2)：對(duì)耕地中等適宜，耕地質(zhì)量較好，耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)處于一般狀態(tài)，耕地對(duì)所定用途有一定的限制性，且經(jīng)濟(jì)效益一般；

勉強(qiáng)適宜(S3)：耕地勉強(qiáng)適宜于所定用途，耕地質(zhì)量較低，并且對(duì)所定用途有著較高的限制性，由于耕地的生產(chǎn)率和效益很低，容易引起當(dāng)?shù)氐母赝嘶?/p>

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

2.2 評(píng)價(jià)因子的選擇及量化

2.2.1 評(píng)價(jià)因子體系 為確保評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性和客觀性，遵循綜合分析、主導(dǎo)因素、穩(wěn)定性、差異性、獨(dú)立性和現(xiàn)實(shí)性原則，參考FAO《土地評(píng)價(jià)綱要》、《中國(guó)1∶100萬土地資源圖》、《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》、《省級(jí)主體功能區(qū)劃技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)程以及相關(guān)學(xué)者的研究[9-12]，并結(jié)合湖南省耕地資源分布特點(diǎn)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(gè)要素11個(gè)因子作為湖南省耕地適宜性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因子(表1)。

表1 湖南省耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2.2 評(píng)價(jià)因子計(jì)算方法

1) 坡度因子，基于DEM數(shù)據(jù)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(gè)氣象站點(diǎn)1970—2001年累年平均積溫?cái)?shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本進(jìn)行回歸建模(以積溫為因變量，以氣象站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔高度為自變量)，并將DEM數(shù)據(jù)輸入模型從而得到柵格化的≥10℃積溫分布數(shù)據(jù)[13]。

3) 年平均降雨量數(shù)據(jù)是利用地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)1 km的年平均降雨量數(shù)據(jù)通過Spline插值得到90 m分辨率的年平均降雨量數(shù)據(jù)。

4) 水土流失因子的計(jì)算時(shí)采用修正土壤侵蝕方程(RUSLE)計(jì)算得到[14]，其表達(dá)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(zhǎng)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)，運(yùn)用EPIC模型計(jì)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(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總得到各測(cè)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(nèi)插法插值得到表面模型。

坡度坡長(zhǎng)因子LS：利用AML 語言程序基于DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡度和坡長(zhǎng)因子，然后利用LS因子公式計(jì)算LS 因子值。

植被與作物管理因子C：根據(jù)蔡崇法等的方法計(jì)算植被與經(jīng)營(yíng)管理因子C。其中植被覆蓋度利用像元二分法基于NDVI數(shù)據(jù)得到。

水土保持措施因子P：參考相關(guān)研究成果，針對(duì)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(duì)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(jù)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(zāi)害較為嚴(yán)重，在地質(zhì)災(zāi)害因子計(jì)算中，主要考慮滑坡災(zāi)害。

地質(zhì)災(zāi)害因子的計(jì)算包括兩步：首先利用核密度估計(jì)對(duì)于已有的滑坡災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)探索其發(fā)生熱點(diǎn)區(qū)域，計(jì)算其發(fā)生密度；然后基于利用回歸樹模型，建立滑坡災(zāi)害發(fā)生密度與地形地貌、氣候因子和土壤因子的關(guān)系(在進(jìn)行樣本訓(xùn)練時(shí)，由于數(shù)據(jù)量較大，使用空間隨機(jī)抽樣方法，以5%的比例進(jìn)行隨機(jī)采樣，得到訓(xùn)練樣本)。計(jì)算得到90 m分辨率的滑坡災(zāi)害發(fā)生概率分布圖。

6) 交通優(yōu)勢(shì)度數(shù)據(jù)通過計(jì)算交通網(wǎng)絡(luò)密度、交通干線影響度和區(qū)位優(yōu)勢(shì)度三個(gè)要素指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理，并進(jìn)行加權(quán)求和得到。其中：交通路網(wǎng)密度運(yùn)用核密度估算法計(jì)算[16]。

根據(jù)以上計(jì)算方法，得到各評(píng)價(jià)因子計(jì)算結(jié)果如附圖14(a—k)所示。

2.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重及分級(jí)

2.3.1 評(píng)價(jià)因子權(quán)重 采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[17-19]確定評(píng)價(jià)中各因子的權(quán)重。

根據(jù)專家對(duì)各評(píng)價(jià)因素重要性的打分結(jié)果，匯總統(tǒng)計(jì)各因素的確認(rèn)分值，通過建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣，用方根法計(jì)算出矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)一致性系數(shù)小于0.1時(shí)，說明一致性較好，權(quán)重分配合理。通過層次單元排序及其一致性檢驗(yàn)、總層次排序及其一致性檢驗(yàn)得出各因子的組合權(quán)重，各因子權(quán)重值見表3。

2.3.2 評(píng)價(jià)因子的分級(jí) 評(píng)價(jià)因子分級(jí)是根據(jù)評(píng)價(jià)因子對(duì)耕地適宜性的影響程度，將評(píng)價(jià)因子劃分為若干等級(jí)。評(píng)價(jià)因子的分級(jí)和量化參考國(guó)土資源部頒布的《農(nóng)用地分等規(guī)程》、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果[20-21]，并綜合湖南省考察期間部分市級(jí)農(nóng)業(yè)局相關(guān)人員的意見最終確定。各因子分值越大表示對(duì)耕地的適宜性越好，具體結(jié)果見表4。

3 耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)及結(jié)果分析

耕地適宜性評(píng)價(jià)采用指數(shù)和法，即根據(jù)各評(píng)價(jià)因子綜合權(quán)重進(jìn)行各指標(biāo)要素的加權(quán)疊加分析，具體計(jì)算公式如下：

式中：S——耕地適宜性綜合得分;W——第i個(gè)因素的權(quán)重；A——第i個(gè)因素的分級(jí)分值；n——參評(píng)因子數(shù)。

計(jì)算得到湖南省耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果值域范圍為3.776～9.582。湖南省內(nèi)河網(wǎng)密布，為了消除結(jié)果中水體的影響，以湖南省河流湖泊圖層為掩膜，將評(píng)價(jià)結(jié)果中水體區(qū)域統(tǒng)一賦值為零，根據(jù)所得綜合得分并結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，利用ArcGIS的自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí)。將湖南省的土地適宜性分為4級(jí)，高度適宜(S1)、中度適宜(S2)、勉強(qiáng)適宜(S3)、不適宜(N)。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表5，分級(jí)結(jié)果見附圖14l。

表3 基于AHP計(jì)算的各因子權(quán)重

表4 耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)賦值

表5 湖南省耕地適宜性評(píng)價(jià)分級(jí)

總體來說，湖南省的耕地適宜性呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)，高度適宜和中度適宜的耕地分別占24.34%和27.7%，也有相當(dāng)面積的耕地處于勉強(qiáng)宜耕和不適宜耕作的狀況，其中勉強(qiáng)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(jīng)濟(jì)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(guó)農(nóng)業(yè)的精華地帶，農(nóng)業(yè)自然條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)資源豐富，其中常德、岳陽、益陽、衡陽這四個(gè)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(dá)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件相對(duì)優(yōu)越，但降雨時(shí)空分配不均，降雨主要集中在春夏兩季，加之渠系配套設(shè)施年久失修，干旱和洪澇災(zāi)害較為嚴(yán)重，一定程度上影響耕地適宜性。同時(shí)，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(nóng)業(yè)帶，表現(xiàn)為中度適宜。懷化、郴州、衡陽、邵陽四個(gè)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(qiáng)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(chǎn)能力較低，降水空間分布不均勻，自然災(zāi)害較為嚴(yán)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(qiáng)適宜性耕地面積占全省勉強(qiáng)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(shì)陡峭、峽谷幽深、坡度大，光熱偏少，土壤質(zhì)地差，土層貧瘠，土地沒有集中連片，水土均缺。同時(shí)，其區(qū)域降水特征時(shí)空變化大，年際變化也大，常發(fā)生集中暴雨，土壤侵蝕強(qiáng)度大，水土流失嚴(yán)重，也容易誘發(fā)山洪等地自然災(zāi)害和滑坡等地質(zhì)災(zāi)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(jí)

4 結(jié) 論

本文以湖南省為研究區(qū)域，基于多指標(biāo)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(gè)評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用層次分析法計(jì)算各參評(píng)因子權(quán)重，選擇加權(quán)疊加法對(duì)湖南省耕地適宜性進(jìn)行綜合分析，將耕地適宜性分為高度適宜，中度適宜，勉強(qiáng)適宜和不適宜四類。

受復(fù)雜地形和耕作條件制約，湖南省內(nèi)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(diǎn)，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(qiáng)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(píng)價(jià)因子圖和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖，并進(jìn)行圖形和屬性的疊加分析，運(yùn)用加權(quán)模型對(duì)耕地適宜性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。應(yīng)用表明，GIS技術(shù)和評(píng)價(jià)模型的有效集成既節(jié)約了時(shí)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(jù)。然而，多指標(biāo)決策方法雖然在土地適宜性評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用，其評(píng)價(jià)結(jié)果還存在諸多不確定性，如評(píng)價(jià)因子的權(quán)重的確定，為了使土地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果更好的應(yīng)用實(shí)踐之中，應(yīng)通過敏感性分析，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的魯棒性加以評(píng)價(jià)，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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目國(guó)土空間優(yōu)化配置關(guān)鍵技術(shù)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?yàn)橘Y源遙感與應(yīng)用。Email:dan_de@foxmail.com

楊雅萍(1964—)，女，北京市人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈貙W(xué)數(shù)據(jù)集成與共享。Email：yangyp@igsnrr.ac.cn

F301.21

1005-3409(2015)02-0219-05