黄骅市未利用地开发适宜性分区研究*

何 玲, 闫慧慧, 贾启建, 张 利, 宋周莺

(1. 河北农业大学国土资源学院 保定 071000; 2. 国土资源部环渤海土地利用河北沧州野外基地 沧州 061000; 3. 河北农业大学农村发展学院 保定 071000; 4. 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)

中国的发展正处于转型的关键时期, 随着工业化、城镇化的快速推进, 由此带来的土地资源合理开发及其可持续利用也逐渐成为热点问题。一方面,建设用地需求持续增加, 建设用地供需矛盾达到了前所未有的紧张程度; 另一方面, 耕地和基本农田保护形势也异常严峻, 耕地占补平衡和总量平衡的目标受到严峻挑战[1-4]。为破解上述国土资源管理中保障发展和保护资源的“两难”问题, 在国土资源部门的组织引导下,未利用地开发工作在各地快速推进。未利用地作为重要的土地后备资源, 对其开发适宜性进行评价并确定开发分区, 对缓解土地供需矛盾、保障经济社会发展具有积极的作用, 也是土地利用规划修编中突破指标约束和资源瓶颈的重要途径。2013年, 国土资源部发布的《全国国土规划纲要(2011—2030年)》明确指出, “推进未利用地开发利用是统筹经济发展与耕地保护、破解土地供需两难的必然选择, 是化解征地矛盾、促进社会和谐稳定的重要出路”。

近年来, 国内外学术界也开始逐渐重视未利用地资源的研究。一方面, 部分学者从实际工作出发,分析在国土资源部门的组织引导下, 我国各地的未利用地开发模式及其存在的问题。例如普遍存在的耕地“占优补劣”现象[5-7]; 以及在未利用地开发过程中, 不合理开发导致的生态问题, 如土地沙化、水土流失及土壤盐渍化等[8-10]。另一方面, 国内外学者针对上述问题进行了深入研究并寻求解决办法。例如Pereira 等[11]、Fitzsimons等[12]、Afshari等[13]、唐常春等[7]、金贵等[14]等不断丰富与完善了土地评价指标体系, 从不同角度对土地利用适宜性进行评价,进而引导土地利用分区; 张凤荣等[15]、舒帮荣等[16]、吴大放等[17]和关小克等[18]则从生态安全性和生态适宜性角度提升了生态指标在评价指标体系中的比重;廖和平[19]、刘耀林等[20]、欧阳志云等[21]将模糊评价法、计算智能理论和生态位适宜度方法引入土地评价领域, 拓展了该领域的研究方法体系。但总体而言, 现有文献的研究对象主要是未利用地整体, 较少对更细致的未利用地地类进行适宜性评价; 另外, 对更细致的未利用地地类进行多目标分析及多用途耦合的决策方法仍有待探索。

正是在这种背景下, 本文以河北省黄骅市为例,通过对该市常见的未利用地宜耕和宜建用途建立评价指标体系, 基于多学科交叉研究, 采用综合指数法、权衡模型和遗传算法对土地开发利用及其风险进行评估, 进而通过耦合分析确定土地利用开发分区。首先, 本文将未利用地分别进行宜耕、宜建和生态风险三重评价; 其次, 结合权衡模型和遗传算法对上述三重评价进行耦合, 进而确定土地利用开发分区, 以期为我国未利用地开发及土地利用规划提供新方法及研究示范。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄骅市位于河北省东南部, 38°09′～38°39′N,117°05′～117°49′E。黄骅市地势低洼平坦, 海拔高程1～7 m, 年平均气温 13 ℃左右, 年蒸发量 1 500～2 000 mm, 降水量 500～600 mm。全市土壤瘠薄, 盐碱化程度严重, 土壤含盐量在 0.3%以上, 最高达3.29%; 土壤有机质含量较低, 平均为 9.5 g·kg-1。全市有未利用地66 590.53 hm2, 占全市土地总面积的29.46%, 涉及地类主要有盐碱地、其他草地、内陆滩涂和沿海滩涂 4种地类, 各地类面积分别为34 075.65 hm2、2 706.32 hm2、6 811.13 hm2、22 997.43 hm2。盐碱地所占比例最大, 为全市未利用地面积的51.17%, 其次为沿海滩涂, 占全市未利用地面积的34.54%, 其他草地的分布面积最少, 为4.06%。

1.2 数据来源

未利用地资源适宜性评价及开发分区, 涉及生态、社会、经济等多方面的诸多指标, 指标涉及面广、数据量大。本文研究数据一部分来自 303个有效样点实地调查获取的一手数据, 另一部分来自河北省国土、建设、水利、环保等部门。1)国土资源局: 1∶1万最新土地利用变更调查成果, 1∶1万遥感影像, 新一轮市乡两级土地利用总体规划, 土地整治与基本农田规划, 地质灾害防治规划, 耕地后备资源调查资料。2)建设规划局: 城市总体规划, 城镇体系规划, 建筑地基承载力技术规程。3)水利局:水利志, 水资源开发利用现状与综合评价, 地下水开采相关文件。4)环保局: 生态环境规划相关资料。

1.3 研究方法

1.3.1 未利用地适宜性评价方法

1)适宜性评价步骤

未利用地评价的前提是合理划分评价单元, 常见的划分方法有叠置法、地块法和网格法等, 划分方法不同评价结果存在差异。选取地块法划分评价单元要求对研究区内土地状况十分熟悉, 该方法能避免由于单元划分打破地块边界的缺陷, 评价结果便于操作, 地块开发利用方向更加明确。

适宜性评价具体操作步骤如下: 第一, 根据未利用地特点和地表形态对宜耕或宜建利用的限制,建立指标体系; 指标选取、指标分值及权重均采用特尔斐法确定, 特尔斐法是采用背对背的通信方式征询专家小组成员的预测意见, 经过多轮征询, 使专家小组意见趋于集中并获得集体判断结果。第二,定量化处理各评价指标相关数据; 确定评价指标适宜度属性值, 输入属性数据库, 生成矢量格式的适宜性评价底图。第三, 将评价底图经过缓冲区处理、栅格化处理生成栅格格式单因子评价图。第四, 采用综合指数法计算未利用地开发适宜性。第五, 在ArcGIS软件中利用自然断点法对研究区未利用地适宜性进行等级划分。

2)适宜性评价方法——综合指数法

适宜性评价采用综合指数法, 根据各评价指标及其分值、权重, 进行各指标要素的加权叠加分析,计算得到综合分值[15,22]:

式中:H为综合分值,wj为第j个参评因素的权重,fj为第j个参评因素的质量分值,n为参评因素总个数。

权重总和为 1, 综合分值为 0～100分, 运用ArcGIS自然间断法将综合分值按上述评价体系进行重分类, 划分各土地利用方式适宜性等级分值区间,最终得出综合评价结果。

1.3.2 未利用地开发生态风险评价

未利用地开发生态风险评价是利用土地科学、环境学、生态学、地理学、生物学等多学科综合知识, 采用量化分析技术手段预测、分析和评价将要进行的未利用地开发对生态系统及其组分可能造成的损伤。因而, 在确定评价指标时既要考虑未利用地特点,又要充分利用周边环境。指标选取、指标分值及权重均采用特尔斐法, 评价过程采用综合指数法。

1.3.3 土地利用开发分区划分方法

未利用地合理开发模式的决策分析过程, 需要综合考虑社会、经济、生态等多种影响因素[23-24]。不同决策主体所追求的未利用地适宜性之间可能存在矛盾, 为实现最终目标之间的相对均衡, 并协调不同利益主体, 需在矛盾目标之间寻求平衡点。本文基于已有的宜耕、宜建和生态风险三重评价, 结合权衡模型和遗传算法对上述三重评价进行耦合分析, 进而确定土地利用开发分区。

1)权衡模型的构建方法

本研究利用遗传算法, 以未利用地宜耕、宜建、宜生态(所有未开发为耕地或建设用地的地类, 且可依据实际情况用作林地、牧草地或保持现状的地类,本文统称为宜生态用途)等用地类型为染色体, 以未利用地总面积与社会经济发展状况为约束条件模拟其过程, 通过模型反复迭代, 求得模型非劣解组合,以便划分开发分区。

①设置耦合要素。耦合要素即模型变量, 综合考虑资料可获取性与变量可操作性, 设置宜耕、宜建、宜生态 3种未利用地开发利用方式为变量。其中, 宜耕未利用地设为x1, 宜建未利用地设为x2, 宜生态未利用地设为x3。

②确定耦合目标。耦合目标由两个或多个分项目标组成, 最终实现综合目标。如, 未利用地适宜性目标包括经济、社会、生态效益目标。综合目标即是实现多目标最优化。其原始模型为:

式中:X为综合效益, 元;f1（x）,f2（x）, …,fP（x）为分项目标效益, 元;P为耦合目标个数。

③确定适宜性目标。 提取各评价单元适宜性评价等级结果, 求和得到研究区全域未利用地开发适宜性评价结果, 最终目标是使其最大化。具体公式计算如下:

式中:f1（x）为分项目标效益, 元;m为未利用地开发利用类型数,m=1, 2, 3;n为参评单元个数;xij为评价单元j作为i类土地利用方式的面积, m2;sij为评价单元j作为i种土地利用方式利用综合指数法得出的适宜性分值。

④确定经济、社会、生态效益目标。 经济、社会与生态各分项效益目标通过相关文献初步确定[23-24], 利用特尔斐法结合黄骅市实际情况修正,修正结果分别按如下公式进行计算:

式中:f2（x）、f3（x）、f4（x）分别为研究区未利用地资源开发利用的经济效益、社会效益、生态效益, 元;aij、bij、cij分别为评价单元j作为i类土地利用类型的经济、社会、生态相对效益系数(表1), 其他符号含义同上。

表1 未利用地3类利用类型的相对效益系数值Table 1 Relative efficiency coefficient values of three types of land use of unused land

⑤设置约束条件。 本文主要考虑研究区土地利用条件状况约束、模型运算约束两个方面。如, 土地利用条件约束包括土地总面积, 模型运算约束包括系统变量非负约束; 若权衡模型中所涉变量为地类面积, 必须保证为正数; 另外, 代表地块的每个评价单元必须有且只有一种对应的土地利用方式,不可出现空缺或重叠现象。

未利用地总面积约束, 宜耕、宜建、宜生态3类用地面积之和为研究区未利用地的总面积, 即:

式中:A为研究区未利用地资源总面积, m2; 其他符号含义同上。

模型运算约束, 系统变量非负约束: 权衡模型中所涉变量为地类面积, 必须为正数, 即:x1＞0,x2＞0,x3＞0。

2)遗产算法对权衡模型求解

运用遗传算法借助Matlab软件辅助进行权衡模型的运行与求解。一是利用Random函数确定初始种群,以此为父代进行后代的遗传变异进化, Random函数在适宜性较高地区随机选择父代个体, 生成模型的初始解集; 二是根据数据库中单元编号顺序, 由左到右,从下到上依次进行邻域分析, 选取适应性高的个体进行后代个体遗传; 三是在正常遗传操作过程中, 随机选取部分个体进行交叉、变异操作, 以产生新个体, 然后重新计算适应度值的大小, 择优进化; 四是在模型约束条件制约下, 产生符合条件的进化结果, 并将结果输入到GIS数据库中, 确定最终结果的数量与空间位置[25-26]。模型运算过程中遗传代数设置为100, 优秀后代个体占父代个体数目设置为 1/3, 依此步骤逐渐进化, 使得非劣解集逐渐趋于最优。

2 结果与分析

2.1 评价指标体系

2.1.1 未利用地宜耕评价指标体系

未利用地宜耕评价按照地类不同(其他草地、盐碱地、沿海滩涂和内陆滩涂)分别进行评价。盐碱地和其他草地评价选取表土质地、土地构型、地下水埋深、地下水开采限制、地下水矿化度、土壤含盐量和植被覆盖度7项指标(表2); 内陆滩涂和沿海滩涂选取表土质地、地下水埋深、土地构型、周边土源类型及土源距离5项指标(表3)。

2.1.2 未利用地宜建评价指标体系

宜建评价根据未利用地自然属性、地表形态和工程地质条件对建设用地开发利用的限制程度进行评价。宜建评价针对未利用地总体选择地质灾害、地基承载力、淡水水源保障、地下水埋深、交通条件和洪涝程度 6项指标(表 4)。《国土资源“十三五”规划纲要》明确提出控制建设用地总量, 因此本文对各项指标进行严格把控, 即任一指标低于30分不做建设用地开发。

表2 盐碱地、其他草地宜耕评价指标体系Table 2 Cultivation suitability evaluation indexes system of saline-alkali soil and other grass land

表3 内陆滩涂、沿海滩涂宜耕评价指标体系Table 3 Cultivation suitability evaluation indexes system of inland and coastal beaches

2.1.3 未利用地开发生态风险评价指标体系

结合未利用地开发生态风险评价特点, 从盐渍程度、植被覆盖度、土层厚度和沥涝程度构建指标体系(表 5)。

2.2 未利用地适宜性评价结果

2.2.1 未利用地宜耕评价结果

根据测算结果, 黄骅市的未利用地宜耕性可以划分为 4个等级, 综合分值(H1)值≥84为高适宜,76～84为中适宜, 60～76为低适宜, ＜60为不适宜。其中, 内陆滩涂主要为高适宜级宜耕未利用地, 其他草地主要是中适宜级宜耕未利用地, 沿海滩涂全部为不适宜级, 盐碱地主要是高适宜和中适宜级宜耕未利用地(表6)。

从黄骅市未利用地的宜耕资源数量和空间布局(表 6, 图 1)看, 高适宜宜耕未利用地资源面积为22 552.34 hm2, 占全市未利用地资源总面积的33.87%, 主要分布在黄骅市中北部和南部区域, 涉及乡镇主要包括吕桥镇、羊二庄回族镇、国营中捷农场、羊三木回族乡等。中适宜级宜耕未利用地资源面积为12 955.43 hm2, 占全市未利用地资源总面积的19.46%, 主要分布在黄骅市中部和西部区域。低适宜级宜耕未利用地资源面积为 5 801.81 hm2, 占全

市未利用地资源总面积的 8.71%, 主要分布在黄骅镇周围。不适宜级宜耕未利用地资源面积为25 280.95 hm2, 占全市未利用地资源总面积的37.96%, 主要分布在东部沿海。

表4 未利用地宜建评价指标体系Table 4 Construction suitability evaluation indexes system of unutilized land

表5 未利用土地开发生态风险评价指标体系Table 5 Ecological risk evaluation indexes system of utilization of unused land

表6 黄骅市各地类未利用地资源的宜耕性评价结果Table 6 Cultivation suitability of each type of unused land in Huanghua City

图1 黄骅市未利用地资源宜耕性评价结果图Fig. 1 Distribution of different grades of cultivation suitability of unused land in Huanghua City

2.2.2 未利用地宜建评价结果

根据测算结果, 黄骅市的未利用地宜建性可以划分为 3个等级, 综合分值(H2)≥70为高适宜, 58～70为中适宜, ＜58为低适宜。其中, 低适宜级宜建未利用地面积较大, 而中适宜级宜建未利用地面积较小(表 7)。

具体来看(表 7, 图 2), 低适宜级宜建未利用地面积最大, 为 48 106.41 hm2, 占全市未利用地的72.24%; 主要集中在沿海滩涂和中部地区, 涉及乡镇有南排河镇、新村回族乡、南大港管理区和国营中捷友谊农场等; 从土地类型看, 低适宜级宜建未利用地主要是沿海滩涂和盐碱地, 分别占低适宜级宜建用地的47.80%和32.81%; 内陆滩涂全部为低适宜级。高适宜级宜建未利用地面积为17 996.17 hm2,占全市未利用地的 27.03%, 主要分布在中部和西部,包括黄骅镇、羊三木回族乡、旧城镇等乡镇; 从土地类型看, 全部是盐碱地。中适宜级宜建未利用地面积很少, 主要涉及部分盐碱地和其他草地。

表7 黄骅市各地类未利用地资源类型宜建评价结果Table 7 Construction suitability of each type of unused land in Huanghua City

图2 黄骅市未利用地资源宜建性评价结果图Fig. 2 Distribution of different grades of construction suitability of unused land in Huanghua City

2.3 未利用地生态风险评价结果

根据生态风险估算结果, 将黄骅市未利用地分为高生态风险区、中高生态风险区、中生态风险区、中低生态风险区和低生态风险区。其中, 高生态风险区不宜进行耕地和建设用途开发, 其他生态风险区参与耦合计算确定开发利用方向。

测算结果表明(表 8), 黄骅市未利用地资源中,中低和中高生态风险区分布最广, 面积分别为20 432.73 hm2和18 597.37 hm2, 占未利用地资源的30.68%和 27.93%; 高生态风险区面积最小, 占未利用地资源的 1.90%; 而低生态风险区和中生态风险区分别占全市未利用地资源的20.28%和19.21%。

从空间格局看(图3), 黄骅市未利用地生态风险呈现西高东低的空间格局。高生态风险区和中高生态风险区主要分布在东部沿海和中部地区。从土地类型看, 高生态风险区和中高生态风险区主要是内陆滩涂和沿海滩涂, 低生态风险区和中低生态风险区主要是盐碱地。从适宜性评价结果看, 高生态风险区和中高生态风险区主要涉及不适宜级宜耕和低适宜级宜建未利用地, 不宜用作第1开发时序用地,人类的开发活动会加剧对区域生态环境破坏, 因此该区域可开发为林地等生态系统服务价值相对较高的用地类型或留作最后开发时序用地。中生态风险区分布广泛, 涉及各种未利用地类型, 适宜性评价结果主要涉及中适宜级宜耕和高、中适宜级宜建未利用地, 开发活动会对区域生态环境产生影响, 因此该区域应尽量不用作第1开发时序用地。低生态风险区和中低生态风险区主要分布在县中西部地区,土地类型主要是盐碱地, 适宜性评价结果主要涉及高、中适宜级宜耕和高、中适宜级宜建未利用地,该类型区域内土地开发条件好, 可用作首选开发用地。

表8 黄骅市各地类未利用地资源生态风险评价结果Table 8 Ecological risk of each type of unused land in Huanghua City

图3 黄骅市未利用地资源生态风险评价结果图Fig. 3 Distribution of different ecological risk zones of unused land in Huanghua City

2.4 未利用地开发分区

基于上述分析, 根据权衡模型分区方法进行测算, 将黄骅市未利用地资源划分为耕地开发区、建设用地开发区和生态用地开发区3种类型(表9、图4)。黄骅市的未利用地资源中生态用地保护区面积最大,主要分布在东部和中部地区; 耕地开发区次之, 主要分布在中部和西部地区; 建设用地开发区面积最小, 主要分布在黄骅镇周围。

耕地开发区面积为 19 105.58 hm2, 占全市未利用地的 28.69%, 主要分布在羊二庄镇、中捷农场和滕庄子乡等。该区域适宜性评价多为高、中适宜级宜耕未利用地和中低生态风险区、低生态风险区。该开发区地势相对平坦, 有可利用水源和土源, 宜采取工程措施, 实施盐碱地整治和土地开发整理工程, 增加耕地后备资源, 提升耕地质量。

建设用地开发区面积为 3 578.97 hm2, 占全市未利用地的 5.37%; 空间分布较集中, 主要分布在黄骅镇等。该开发区适宜性评价主要涉及高、中适宜级宜建未利用地和低生态风险区、中低生态风险区。基于该区域立地条件较好、交通便利, 有可利用水源, 在土地利用总体规划确定的有条件建设区和允许建设区范围内, 宜鼓励和引导实施民生工程、基础设施及重点建设项目。

生态用地开发区面积最大, 为 43 905.98 hm2,占全市未利用地的 65.94%, 主要位于市东部和中部,包括南排河镇、新村回族乡和中捷农场等。适宜性评价结果多为 不适宜和低适宜级宜耕未利用地,低适宜级宜建未利用地, 高生态风险区、中高生态风险区。基于该区域表土质地差, 宜尽量减少人类开发利用活动, 保持原有生态环境。

表9 黄骅市各乡镇未利用地开发分区结果Table 9 Regionalization results of exploitation of unused land in Huanghua City hm2

3 结论

土地资源是人类一切社会经济活动的载体, 应通过因地制宜的土地利用形成合理的土地利用开发分区[15]。本文以河北省黄骅市为例, 基于 303个有效样点调查数据, 分析未利用地适宜性评价及其开发分区方法, 以期为国土资源部门缓解土地供需矛盾、保障经济社会发展提供有效方法。研究结果显示, 1)黄骅市未利用地宜耕开发可分为4个等级; 不适宜级宜耕未利用地面积最大, 主要分布在黄骅市东部区域, 低适宜级宜耕未利用地面积最小, 高适宜级宜耕未利用地主要分布在黄骅市中北部和南部区域, 中适宜级宜耕未利用地主要分布在黄骅市中部和西部区域。2)未利用地宜建性可以划分为3个等级, 低适宜级宜建未利用地面积最大,主要集中在沿海滩涂和中部地区; 高适宜级宜建未利用地主要分布在中部和西部; 中适宜级宜建未利用地分布广泛, 主要涉及部分盐碱地和其他草地。3)生态风险区可分为 5级, 黄骅市未利用地生态风险呈现东高西低的空间格局; 高、中高生态风险区主要分布在东部沿海和中部地区; 低和中低生态风险区主要分布在市西部和中部, 以盐碱地为主。4)黄骅市未利用地可分为耕地、建设用地、生态用地3种重点开发区, 其中, 耕地重点开发区主要分布在中部和西部, 可通过盐碱地整治和土地开发整理工程, 增加耕地后备资源; 建设用地重点开发区主要分布在中部黄骅镇周围, 宜优先用于民生工程、基础设施及重点建设项目用地; 生态用地重点功能区主要位于市东部, 宜尽量减少人类开发利用活动,以生态保护为主。

图4 黄骅市未利用地开发分区图Fig. 4 Distribution of exploitation zones of unused land in Huanghua City

本文的适宜性评价及其开发分区研究主要是针对黄骅市的每处评价单元进行, 尚未考虑地类集中连片情况。在今后的研究中, 将会进一步在权衡模型中增加地类集中连片的约束条件, 使研究方法更贴合我国国土地资源实际利用情况。

在适宜性评价过程中, 只选择了宜耕和宜建用途, 黄骅市也有开发为牧草地、湿地、林地等的未利用地, 但黄骅市这样的土地面积很少, 且宜草、宜湿地等用途归入生态用途。本文涉及生态用地区(将林地、园地、草地、湿地、水域等统一视做生态用地), 因此并没有将草地、湿地等开发用途单独评价,为了提高开发分区精度, 今后会进一步开展多种用途适应性评价。

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