基于GIS的南方丘陵生态脆弱区土地利用适宜性研究——以衡阳盆地为例

郑文武,田亚平,邹 君,邓运员,刘晓燕,邓美容

(1.中南大学信息物理工程学院,湖南长沙410083;2.衡阳师范学院资源环境与旅游管理系,湖南衡阳421008)

基于GIS的南方丘陵生态脆弱区土地利用适宜性研究
——以衡阳盆地为例

郑文武1,2,田亚平2,邹 君2,邓运员2,刘晓燕2,邓美容2

(1.中南大学信息物理工程学院,湖南长沙410083;2.衡阳师范学院资源环境与旅游管理系,湖南衡阳421008)

选择了土壤、气候、地形、水文和交通5类11个指标,建立了适用于南方丘陵区的土地适宜性评价指标体系;采用专家打分和层次分析法确定指标权重,并应用GIS技术建立了衡阳盆地的土地适宜性评价模型,对衡阳盆地耕地、林地和建设用地的土地利用适宜性进行了评价。结果表明:耕地适宜性以临界适宜性和一般适宜性为主,耕地不适宜区面积占研究区总面积的49.63%,主要分布在山区;建设用地高度适宜区面积占研究区总面积的5.32%,建设用地不适宜区域分布和数量与耕地不适宜区域分布和数量大致相当;林地适宜性整体较高。通过对比分析评价结果和基于TM数据提取的土地利用现状发现:现有耕地的适宜性以临界适宜和一般适宜类型为主,不适宜区域占耕地总面积的10.56%,主要分布在衡南县东部和西部以及衡阳县南部区域;现有建设用地整体适宜性较高,且分布集中,主要位于衡阳市区。据此提出衡阳盆地土地资源可持续发展对策。

土地适宜性;空间分析;南方丘陵区;衡阳盆地;GIS

南方丘陵区是我国农业生产发展潜力最大的地区之一,也是生态脆弱地带,由于长期对山丘坡地资源的不合理利用,水土流失及生态环境破坏严重,出现南方丘岗地特有的红色荒漠化问题。田亚平等[1]从生态环境脆弱性、水资源脆弱性和水旱灾害的易损性等方面对以衡阳盆地为代表的南方丘陵区生态环境问题进行了研究,较为全面地描述了生态环境和水资源退化现状及其所致的灾害特征,但是并没有对生态环境退化的根源进行定量分析。南方丘陵区自然生态环境条件优越,生态环境退化的主要原因为不适宜的资源开发,特别是不适宜的土地资源开发,因此,研究区域土地适宜性,根据自然环境条件进行适宜的土地资源开发是破解生态环境问题的关键[2,3]。土地适宜性评价是评定土地在一定的经营管理水平下,对特定土地利用类型适宜状况的过程,近年来成为土地管理领域的研究热点[4-6]。目前,土地适宜性评价研究已广泛展开,并呈现如下特点:1)评价内容以农用地适宜性评价为主,且集中在农林牧业的土地利用评价上[7-9];2)评价方法以定量为主,分为基于 GIS的评价方法和人工智能建模法[10-18]。本文采用专家咨询打分和层次分析法建立了耕地、林地和建设用地3类土地利用类型的适宜性评价指标体系,并应用GIS技术建立评价模型,对典型的南方丘陵生态脆弱区衡阳盆地的土地适宜性进行了评价;最后将评价结果与基于 TM影像提取的土地覆盖图进行对比分析,提出了实现衡阳盆地土地资源可持续发展对策。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

衡阳盆地属于南方湿热丘岗地易侵蚀退化脆弱区,是典型的红色丘陵盆地,位于湖南省中南部(东经110°32′16″～113°16′32″,北纬26°07′24″～27°28′24″)、湘江中游,包含衡阳市、衡阳县、衡东县、衡山县、衡南县、祁东县、常宁市和耒阳市,土地面积15 310.2 km2;地貌类型以岗、丘为主,海拔100～500 m的土地面积占全区土地总面积52%,坡度在15°以上的土地面积占50%;土壤主要有地带性土壤红壤、黄壤、过渡性土壤黄红壤、红壤性土壤和黄壤性土壤以及非地带性土壤石灰土和紫色土,土质贫瘠、保水性差。研究区属中亚热带季风湿润气候区,年均气温17.2～18.1℃,最热月7月平均气温29.4～30.1℃(极端最高气温40.8℃),最冷月1月平均气温5.2～5.9℃(极端最低气温-12.3℃);雨量丰沛,多年平均降水量为1 223.4～1 421.0 mm,以南岳衡山和常宁塔山降雨最多,祁东西北部降水最少,且降雨年内分配不均,4-9月降雨量占全年降雨量的65%左右,加上气温高、蒸发强,常有规律性的干旱。全区现有总人口697.33万人,人口密度为443人/km2,人均耕地不足0.0073 hm2,植被破坏和陡坡开垦普遍[1]。

1.2 土地利用适宜性评价指标体系构建

1.2.1 评价指标的选择 根据研究区气候、地貌和土壤等特征,并综合考虑数据的可获得性和可比性,选取土壤、气候、地形、水文和交通5类指标。由于缺乏研究区长期全面的土壤观测资料,仅选择土壤类型作为土壤类指标;根据研究区气候特点,选择了年均降水量、年暴雨日数、少雨期干旱指数、年最低气温、年最高气温5个指标;根据研究区山地、坡地多的特点,选择了海拔高度、坡度和坡向3个指标作为地形类指标;一般水源可获得性越好,土地利用适宜性越高,故选择水源可获得性指数作为水文类指标;选择交通便捷度作为交通类指标。

1.2.2 指标权重计算 指标权重的确定是土地适宜性评价的另一个关键点,采用专家打分法和层次分析法确定各指标的权重。首先根据选取的指标建立层次模型(图1),然后建立准则层和操作层各指标的判别矩阵,经过调整使 CR值小于0.1,最后计算各指标的权重(表1)。

图1 土地利用适宜性评价层次结构Fig.1 Hierarchy structure of land use suitability evaluation

表1 土地适宜性评价指标权重Table 1 Weight of land use suitability evaluation indexes

1.2.3 指标数据获取 对从2005年研究区及周边14个气象站点的观测数据进行反距离加权插值(IDW)得到气候指标数据;采用研究区1∶5万土壤图作为底图,经数字化和投影,得到研究区Coverage格式的土壤分布图;根据美国空间信息情报局(NGA)提供的3弧秒(90 m)分辨率的DEM影像,采用三次卷积算法对存在少量缺值点或区进行插值,生成坡度、坡向图像。对河流、湖泊和水库区域建立半径为1 km的缓冲区,并将区内的水源可获得性指数设置为1;然后将数据转换成 GRID格式,在A rc Info GRID模块下计算各栅格到水源的距离;最后采用极值标准化方法将其转换成水源可获得性指数。研究区以公路交通为主,故在计算交通便捷度时仅考虑公路交通。首先提取国家级(包括国道和高速公路)、省道、县道、大车道和乡道5种等级的道路,依据距离道路越远交通便捷度越小的原则进行插值运算;然后根据专家打分和层次分析法确定不同道路对交通便捷度的影响权重,国家级、省道、县道、大车道和乡道的权重依次为 1.0000、0.8236、0.5625、0.3303、0.2875;最后进行空间叠加运算,获得交通便捷度。将所有指标数据转换到高斯克吕格投影下,并转换为A rcGIS GRID的文件格式,经三次卷积方法重采样,将单元格大小统一调整为30 m×30 m。

1.2.4 指标分级 通过专家咨询和野外调查相结合,将每项指标分为5级,每个等级赋值分别为:1级90分,2级70分,3级50分,4级30分,5级10分,最终将各指标的原始数据转换为评价分级数据(表2)。

1.2.5 评价模型的建立 在A rcGIS GRID平台下基于加权指数和法建立评价模型。加权指数和法是在确定各参评因子权重的基础上,将每单元的各参评因子分级值乘以各自的权重值,然后进行累加,得到各个评价单元的总分值;最后根据总分的高低确定各个评价单元对各种土地适宜类的适宜性等级。评价模型如下:

式中:Vi、Wi分别为指标i的分级值和权重值;S为土地适宜性指数,该值越大说明土地适宜性越强。

1.2.6 评价结果分级 参照《土地评价纲要》和《土地利用总体规划编制规程》以及陈松林等的研究成果[19],根据土地的适宜性、限制性、生产能力及评价指标打分机制等,将各评价单元的土地适宜性分为高度适宜(>70)、一般适宜(60～70)、临界适宜(50～60)、不适宜(<50)4个等级。高度适宜是指各项指标均处于最优或较优的状态,土地对所定用途无明显限制,土地具有较高的生产率和较好的效益;一般适宜是指土地对特定用途具有轻微的限制性,经济效益一般;临界适宜是指土地对所定用途具有较为明显的限制性,勉强适宜于所定用途,土地的生产率或效益很低,利用不当容易引起土地退化;不适宜是指对特定用途不能利用或不能持续利用。

表2 指标分级Table 2 Classification standard of index system

2 衡阳盆地土地适宜性评价结果

2.1 耕地适宜性分析

研究区耕地适宜性分布特征如下(图2a、表3): 1)整体适宜性不高。研究区土壤以红壤和紫色土为主,土壤肥力和抗侵蚀能力差,不适宜农作物生长,导致研究区宜耕性差,宜耕区域总面积7 712.20 km2,以临界适宜(3 333.25 km2)和一般适宜(2 975.80 km2)为主,占研究区总面积的41.21%,高度适宜区域仅为1 403.15 km2,主要位于湘江河谷地带。2)不适宜区域分布广且分散。不适宜区域总面积为7 598.00 km2,占研究区总面积的49.63%,主要分布在南岳、衡阳县西南部、衡南县西部和东部、常宁市西南部和耒阳东部等坡度较大的山区。

表3 耕地、建设用地和林地适宜性分级统计Table 3 Statistic of arable land,building land and woodland suitability

2.2 建设用地适宜性分析

图2 耕地、建设用地、林地适宜性分布Fig.2 Distribution of arable land,building land and woodland suitability

研究区建设用地高度适宜区域面积较小(814.57 km2)(表3),占研究区总面积的5.32%,主要位于湘江和蒸水河谷地带(图2b)。另外,研究区建设用地不适宜区域分布和数量与耕地不适宜区域的分布和数量大致相当,从图2a和图2b可以看出,地形和水文条件是决定研究区耕地和建设用地适宜性的关键因素。

2.3 林地适宜性分析

研究区林地适宜性普遍较高,一般适宜和高度适宜区总面积为14 417.20 km2(表3),占研究区总面积的94.17%,其中一般适宜区面积占研究区总面积的63.12%。林地高度适宜区域地区差异明显(图2c),主要分布在南部的常宁市和耒阳市以及西部的祁东县,该分布特征与年均降水量分布存在明显的相关性;临界适宜区域在衡南县西部集中分布,在衡阳县、衡东县和衡山县也有零星分布。

2.4 评价结果与土地利用现状对比分析

本文采用遥感方法提取土地利用现状信息,并用常宁市1∶1万土地利用现状图进行精度检验,最后对评价结果和土地利用现状进行对比分析。

2.4.1 土地利用信息提取 采用研究区3景冬季的TM影像数据,分别为2005年12月29日p123r41、2005年12月24日p123r42和2006年1月5日p123r42。为了消除由于获取时间不同而导致的影像差异,对3景影像进行了直方图配准和影像镶嵌,并使用1∶5万地形图对影像进行了几何校正(误差控制在半个像元内,符合精度要求);采用最大似然比分类方法对经过预处理的 TM影像进行分类(图3),然后结合常宁市1∶1万土地利用现状图对提取结果进行精度评价,总体精度为88.23%,Kappa系数为72.47%,说明提取结果精度较高。

图3 土地利用现状提取结果Fig.3 Land use distribution

2.4.2 评价结果与土地利用现状对比分析 通过对比图3和图2,得出土地利用现状适宜性统计表(表4)。现有耕地总面积为2 284.58 km2,以临界适宜和一般适宜类型为主,其中一般适宜类型面积最大(832.87 km2),占耕地总面积的36.46%;也存在较大面积(241.22 km2)的不适宜区域,占耕地总面积的10.56%,主要分布在衡南县东部和西部以及衡阳县南部区域,以紫色土为主,土壤肥力和抗侵蚀能力较差。现有建设用地总面积147.26 km2,整体适宜性较高,一般适宜和高度适宜区域总面积达108.23 km2,占建设用地总面积的73.50%,其中一般适宜区域面积最大,且分布集中,主要位于衡阳市区;不适宜区域面积为17.38 km2,占建设用地总面积的11.80%,分布较为分散。现有林地分布广泛,总面积达6 051.79 km2,与耕地和建设用地相比,总体适宜性最高,以一般适宜和高度适宜类型为主,占林地总面积的97.99%。

表4 土地利用现状适宜性统计Table 4 Statistic of land use suitability

土地利用潜力区是指适宜某种特定土地利用类型而没有进行该类型土地利用开发的区域。统计非耕地、非建设用地和非林地区域分别对耕地、建设用地和林地的适宜性,得到土地利用潜力区面积(表5);在进行耕地、建设用地和林地的潜力区面积统计时分别排除了其他两种土地利用现状区域。可以看出耕地、建设用地和林地的开发潜力都较大,高度适宜潜力区面积分别达636.10 km2、443.30 km2和452.55 km2,其分布特征见图4;可见耕地和建设用地高度适宜潜力区的分布存在明显的相关性,同时表现为耕地和建设用地高度适宜的潜力区面积为321.32 km2,林地高度适宜潜力区分布相对独立,主要分布在祁东县北部、常宁市南部和耒阳市东、南部区域。

表5 土地利用潜力区面积统计Table 5 Statistic of potential land use area

图4 高度适宜潜力区分布Fig.4 Distribution of potential high suitability area

3 衡阳盆地土地利用对策

(1)大力开展山区植树造林。研究区耕地和建设用地不适宜区面积大,且主要分布在南岳、衡阳县西南部、衡南县西部和东部、常宁市西南部和耒阳东部等坡度较大的山区,而林地适宜性整体较高,因此,应加强山区植树造林,发展山区林产业。由于林地高度适宜的潜力区主要分布在祁东县四明山区、常宁南部山区以及耒阳东、南部山区,政府在制定土地利用规划和林业发展规划时应将这些区域作为植树造林的重点区域。

(2)加强耕地和建设用地不适宜区域还林。现有耕地中不适宜区域面积较大,占耕地总面积的10.56%,且主要分布在衡南县和衡阳县境内的紫色土区,因此,应将该区域作为退耕还林的重点区域。现有建设用地不适宜区域面积为17.38 km2,占建设用地总面积的11.80%,且分布分散,因此,应加强研究区内建设用地不适宜区的核查,并根据实际情况还林。

(3)合理规划耕地和建设用地。研究区耕地和建设用地开发潜力较大,且二者高度适宜潜力区的分布明显相关,表现为耕地和建设用地高度适宜的潜力区面积为321.32 km2,因此,应处理好耕地和建设用地开发的关系。对于交通条件较好的高度适宜区域可以优先开发为建设用地,而地形和水文条件均较好的区域优先开发为耕地;具体而言,衡阳市区和耒阳市中部为建设用地高度适宜潜力区,可以优先进行建设用地开发,而其他的建设用地和耕地的高度适宜潜力区可优先进行耕地开发。

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Abstract:The Hengyang Basin locates in the vulnerable ecological area in Southern China,becauseof the irrational human activities,soil erosion and red desertification are serious in the area.In this paper,Hengyang Basin is taken as the study area,five typesof factors such as soil,climate,topography,hydrology and traffic,including 11 indexes are selected to build index system of land use suitability evaluation that is app licable to the study area,taking advantage of expert sco ring and AHP methods to calculate theweightof indexesand using GISGRID p latform to build evaluationmodel,land use suitability of 3 land use type including arable field,construction land and woodland in Hengyang Basin are evaluated.The result show s:1)The arable field suitability ismainly to critically suitable and no rmally suitable,the p roportion of unsuitable areas to total area of study area is 49.63%,and mainly locate in hilly area.2)The p roportion of high building land suitability to total area is 5.32%,and the unsuitable building land and arable land regions almost share the same distribution.3)The woodland suitability of study area is high and the area p ropo rtion of normal suitability and high suitability to total area is94.17%.Some conclusions can be draw n by comparing the evaluation result to land usew hich isobtained f rom TM images,the arable land use ismainly to critical suitability and normal suitability,and the p ropo rtion of unsuitable area to total arable land is10.56%and the unsuitable regionsmainly locate in the eastern and western Hengnan County and southern Hengyang County,The suitability of building land is high and has concentrated distribution,and itmostly locates in Hengyang urban area.

Key words:land use suitability;spatial analysis;hilly area in Southern China;Hengyang Basin;GIS

Evaluation of Land Use Suitability of Hilly Area in Southern China Based on GIS:A Case Study in the Hengyang Basin

ZHENGWen-w u1,2,TIAN Ya-ping2,ZOU Jun2,DENG Yun-yuan2,L IU Xiao-yan2,DENGM ei-rong2
(1.Department of Surveying and Land Information Engineering,Central South University,Changsha 410083; 2.Resources Environment and Tourism Management Department,Hengyang Normal University,Hengyang 421008,China)

F301.1

A

1672-0504(2010)06-0079-05

2010-07-10;

2010-09-27

国家自然科学基金项目(40971067);湖南省资源环境管理与区域可持续发展科技创新团队研究成果;湖南省教育厅课题成果(08C154)

郑文武(1978-),男,博士研究生,主要从事GIS和遥感应用研究。E-mail:zhwenw u@163.com