阜平县北流河区域土地多功能利用分区研究

张家琛,党怡雯,陈亚恒

(河北农业大学 国土资源学院,河北 保定 071000)

土地利用是一个综合、复杂的概念，并具有与时俱进的时代内涵。当前，我国经济已进入高质量发展阶段，“三农”问题是实施乡村振兴战略的第一靶向。土地的多功能利用是实施乡村振兴战略的关键，这就对土地的利用提出了新的时代要求[1-2]。在传统山区土地利用过程中，存在人地矛盾、供需矛盾、粗放利用、过度利用、土地集约利用发展不平衡、负环境效应以及地域特色消失等一系列问题，在一定程度上阻碍了乡村振兴的进程。如何平衡保护环境与保障发展之间的关系，在此前提下，达到合理、高效、利用有限的土地资源，使其达到土地多功能利用的目的，成为当前研究的重要内容[3]。

北流河区域具明显的垂直地带性，很少有人利用物候期以及不同海拔梯度来进行土地多功能利用研究，以阜平县北流河区域为例，深入了解北流河研究区的土地功能利用现状的基础上，比较不同土地功能利用情况下存在的差异，研究土地利用变化情况。因此，以阜平县北流河区域为例，根据土地不同功能的强弱程度，深入分析土地利用的差异，对土地功能进行分区，显化不同地区主导功能，在此背景下以北流河区域为研究区域开展土地多功能分区研究，对未来阜平县的国土空间规划和功能区的划分、布局以及生态文明进程的推进，具有一定的指导意义。

1 研究区域与方法

1.1 区域概况

阜平县位于河北省中西部，保定市的西部地区。研究区选取阜平县的太行山区，主要地貌类型为亚高山、中山及低山。地势西北高，东南低，海拔跨度在200～2 205 m之间，区域面积58 396.26 hm2，北流河区域主要涉及阜平镇、天生桥镇以及龙泉关镇3个乡镇，涉及51个村庄。

1.2 数据来源

以阜平县北流河区域为研究范围，对研究区土地多功能利用评价进行分区研究，涉及的数据和资料主要有：

(1)阜平县自然资源与规划局2018年土地变更数据库；

(2)地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)DEM 30 m数据；2018年9月28日Landsat-8 OLI遥感影像，其中包括经度、纬度、海拔等地理信息；

(3)气象数据来源于阜平县气象局统计资料，包括阜平县城、北果园乡、大台乡、沙窝乡、台峪乡、夏庄乡、吴王口乡、史家寨乡、南辛庄镇、龙泉关镇、平阳镇以及天生桥镇2014-2018年12个自动观测气象站逐时记录的气象数据(年积温、月降雨量等)；

(4)土壤数据来源于阜平县农业局土壤调查资料，重铬酸钾容量法测定土壤有机质，pH值通过电位法测得。

1.3 研究方法

1.3.1 TOPSIS法 应用TOPSIS法进行土地多功能利用评价[4-5]。经原始数据标准化后构造加权规范化决策矩阵，确定各评价指标的正理想解、负理想解并计算评价单元各评价指标数据到正理想解的距离和到负理想解的距离，计算土地利用各项功能分值的过程。

1.3.2 GIS空间分析法 在实地调研以及参考相关文献的基础上，用ArcGIS10.2中软件对生产、生态、景观3种功能各个的评价因子进行图层叠加运算分析，建立单因子评价栅格图层；利用GIS空间叠加分析功能，采用线性加权和法，将各指标评价栅格图进行叠加，得到土地单功能评价栅格图。公式如下：

(1)

式中，U为综合评判值，μ(xi)为第i个指标气候隶属度，i=1、2、3，αi为相应指标权重，0<α<1，Σαi=1。U值在0～1之间[8]。

1.4 评价指标选取

对生产、生态、景观这3种功能进行评价，建立评价指标体系。

生产功能指土地经过人类活动与地学、气候、土壤、植被及水文等自然属性共同作用，为社会发展提供植物生长环境和物质的作用，具有生产物质财富与创造经济价值的能力[6-7]。综合参考有关土地生产功能指标的研究文献，再结合专家意见，最后选取坡度、坡向、高程、土壤厚度、土壤有机质、pH、≥10 ℃有效积温以及基本农田8个指标来反映北流河区域的生产功能水平的高低[8-9]。

土地生态功能指土地所提供的能维持各种生物，包括人类生存的自然环境条件和服务[10]。试验参考了土地多功能耦合协调度时空分异等相关文献中的生态功能指标体系，结合北流河区域的实际调查情况，最后选取植被覆盖率、土地利用现状、土壤质地、土壤类型、土壤侵蚀、地表径流、河流缓冲区来表征土地生态功能[11-13]。

土地的景观功能，不仅体现在自然风景的优美、奇特、险峻上，也体现在交通便利上。参考景观功能的相关指标评价体系,根据北流河区域的实际调查，选取景源距离、景观价值以及道路景观来体现景观功能水平的高低[14-16]。

1.5 评价指标构建

评价体系中指标的选取，直接或间接影响结果的科学性与准确性。试验遵循建立指标体系的5大原则，运用宏微观结合的思想，结合目前土地多功能评价的一系列研究成果以及研究区内的实际情况，从生产、生态、景观3个方面选取18个评价指标，构建土地多功能利用评价指标体系[17-24]。

2 结果与分析

2.1 生产功能指标分析

试验选取坡度、坡向、高程、土壤有机质、pH、≥10 ℃有效积温、土层厚度、基本农田8个评价因子来分析区域内的生态功能。应用ENVI软件以及ArcGIS软件对指标体系中的评价因子进行处理出图。

2.1.1 坡度 关于坡度指标分析如图1所示。

图1 坡度评价指标分析

坡度主要影响水土保持的能力，间接作用于作物的生长发育。参考《第三次全国国土调查技术规程》，将研究区内坡度标准量化并划分为4个级别，分别为0°～6°、6°～15°、15°～25°、25°以上，并赋值为100、80、60、40。区域内坡度除6°以下仅占区域面积的14.58%，面积达到8 511.68 hm2。其他3个区段分别占区域面积的33.3%、31.77%、20.35%，面积分别为19 477.38 hm2、18 555 hm2以及11 882.20 hm2，区域内难以开发利用的面积较大。

2.1.2 坡向 关于坡向指标分析如图2所示。

图2 坡向评价指标分析

坡向对于山地生态影响程度较大。在只考虑喜光植物的生境条件下，将坡向进行4级划分，根据GIS中的Heavy classification工具，其中将平地以及135°～275°的阳坡区域赋值为100，该区域的面积最大，为21 931.63 hm2，占研究区总面积的37.57%；将45°～135°的半阳半阴区域赋值为80，其范围面积为163.53.32 hm2，占28%；将275°～315°的半阴半阳区域赋值为60，其面积为4 808.71 hm2，占比8.23%；将0°～45°、315°～360°的阴坡范围面积为15 302.57 hm2，占总面积的26.2%，将其赋值为40。

图3 高程评价指标分析

北流河区域地势从东南到西北逐渐升高。从植物的生产状况及实地调查结果来看，200、800、1 200、1 600 m处的玉米，成熟时间在时间序列上呈现一定的延迟状态。因此将北流河区域的高程分为4级，并赋值100、80、60、40。北流河区域大部分在1 200 m以下，其中800 m以下占北流河区域面积的56.18%，800～1 200 m之间的面积占总面积的25.48%。

2.1.4 土壤有机质 关于土壤有机质指标分析如图4所示。

图4 土壤有机质评价指标分析

土壤肥力的高低取决于有机质含量的多少。土壤有机质可以为作物生长提供营养、增加土壤的保水、保肥能力，一般情况下，有机质含量越高，土壤肥力越好，越适宜作物生长[17]。依据土壤普查耕层有机质含量数据划分标准，将土壤有机质含量分为5级，分别为6～10 g/kg、10～20 g/kg、20～30 g/kg、30～40 g/kg、40 g/kg以上，并赋值20、40、60、80、100。

2.1.5 ≥10 ℃有效积温 关于≥10 ℃有效积温指标分析如图5所示。

图5 ≥10 ℃有效积温评价指标分析

≥10 ℃有效积温是研究温度对生物生长发育的重要指标。北流河区域的高程从东南到西北临近山西逐渐升高，积温逐渐减少，结合研究区内实际情况，将≥10 ℃有效积温这一标准分为4级，分别为<2 500 ℃的高寒作物区，作物产量低，难以成熟，对其赋值为40；有效积温在2 500～3 600 ℃之间，为一年一熟区域，赋值为60；在3 600～4 500 ℃之间，为两年三熟，赋值80；对4 500 ℃以上区域，赋值为100，为一年两熟区域。

2.1.6 pH 关于pH指标分析如图6所示。

图6 pH评价指标分析

经过对北流河区域的取点测样，测得研究区内土壤pH值在5.9～7.6之间，总体趋势是研究区东部偏微碱，西部偏微酸，中部大面积为中性。依据土壤反应强度进行分级，分为中性6.5～7.5 和碱性7.5～7.6、酸性5.9～6.5，并赋值为100和70，70。研究区内土壤pH值平均值为6.49，整体上呈微酸性。

2.1.7 土层厚度 关于土层厚度指标分析如图7所示。

2017年市科技局争取省级农业科技计划项目3项，经费220万元；2017年市重点研发计划（农业科技支撑）指南中设立农业新品种选育、现代农业技术、生态农业和生物农业技术、农产品深加工及安全技术等类目，引导常州市农业企业开展科研示范，新增支撑项目25项，下拨经费520万元。所有项目均优先支持校企产学研合作。

图7 土层厚度评价指标分析

不同的植被生长所需的土层厚度不同。根据实地调查结果可知，研究区样点的土层厚度在17～67 cm之间，将其分为4级，将0～20 cm的土层厚度赋值为70，20～40 cm的土层赋值为80，40～60 cm的土层赋值为90,60～67 cm的土层赋值为100。通过反距离插值可知，北流河区域的土层厚度大部分在20～40 cm之间，占研究区总面积的87.15%，达到50 890 hm2。

2.1.8 基本农田 关于基本农田指标分析如图8所示。

图8 基本农田评价指标分析

北流河区域中的基本农田更少，一般只出现在沟底、沟谷处。试验的基本农田数据来源于阜平农业局相关资料，结合研究区的实际情况，将基本农田赋值为100，非基本农田赋值为60。经过计算分析，研究区内的基本农田仅有3.09%，面积为1 803.8 hm2。

2.2 生态功能指标分析

试验选取植被覆盖率、土地利用类型、土壤质地、土壤类型、土壤侵蚀、地表径流、河流缓冲区7个评价因子来分析区域内的生态功能。应用ENVI软件以及ArcGIS软件对指标体系中的评价因子进行处理出图。

2.2.1 植被覆盖度 关于植被覆盖度指标分析如图9所示。

图9 植被覆盖度评价指标分析

植被覆盖度是反映地表植被状况的一个重要指标，能直观的反映出植被的繁茂情况，是区域生态系统环境变化的重要指示。北流河区域的植被主要有荒草坡地、林地、园地等，其中以研究区的东部低山区域经济林地为主，西部以自然林地大面积存在。根据ENVI软件对Landsat8影像图进行处理，确定Fvc值在0～1之间。将研究区内的植被覆盖度分为4个等级，分别为0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75、0.75～1，分别赋值为100、80、60、40，值越高则代表植被覆盖度越高。

2.2.2 土地利用类型 关于土地利用类型指标分析如图10所示。

图10 土地利用类型评价指标分析

试验将土地利用类型划分为4级，对风景名胜及特殊用地、灌木林地、河流水面、草地、林地5类赋值100；对果园、水库水面、内陆滩涂、水田、坑塘水面赋值为80；对旱地、水浇地赋值为60；将建筑用地、村庄、沙地、裸地等赋值为40。北流河区域内裸地面积最大，达3 1754 hm2，占总面积的54.38%，其次为林地，占总面积的19.7%。其中面积最少的为旱地和水浇田只有5 228.19 hm2，只占8.95%。

2.2.3 土壤质地 关于土壤质地指标分析如图11所示。

图11 土壤质地评价指标分析

由土壤质地图可知，阜平县土壤质地分为壤土、沙壤土、沙土3大类。根据调查的喜光植被，对壤土赋值为100，对沙壤土赋值为75，对沙土赋值为50。北流河区域的沙土最多，达到27 437.04 hm2，占研究区总面积的46.98%，其次是沙壤土21 054.77 hm2，占研究区总面积的36.06 %，最少的是壤土，9 904.77 hm2，占研究区总面积的 16.96 %。

2.2.4 土壤类型 关于土壤类型指标分析如图12所示。

图12 土壤类型评价指标分析

土壤的形成受气候、地形地貌、生物、成土母质及人类活动的影响，不同类型土壤其生态功能水平也有所差异[25]。根据阜平农业局提供的土壤类型图，将土壤类型分为4级，对棕壤、潮土、褐土，酸性土和石灰性土赋值为100、80、60、40。

2.2.5 土壤侵蚀 关于土壤侵蚀指标分析如图13所示。土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[26]。土壤侵蚀会影响生态系统稳定性，土壤侵蚀是导致水土流失的主要原因，严重的水土流失会破坏地表植被，导致土壤肥力降低，土地生态环境恶化。从阜平县自然资源与规划局取得的土壤侵蚀图，根据土壤侵蚀图对北流河区域分为3级，对微侵蚀区赋值90；对轻度侵蚀区域赋值为70，对中度侵蚀地区赋值为50。

2.2.6 地表径流 关于地表径流指标分析如图14所示。

图14 地表径流评价指标分析

地表径流量是衡量水源涵养功能的重要指标，地表径流量可由降雨量乘以地表径流系数获得[20]。地表径流系数是指地表径流量与降雨量的比值,计算公式为:

R=Pi×αi

(2)

R为地表径流量(mm)，Pi为多年平均降雨量(mm)，αi为平均地表径流系数。

根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2009(2009版)中4.9.6规定，结合专家决策对各类生态系统进行赋值得到αi，应用GIS中的加权求和得到地表径流图，并对497～500 mm、500～600 mm、600 mm以上分别赋值100、80、60。研究区内500～600 mm之间的面积最大，占研究区总面积的74.96%。

2.2.7 河流缓冲区 关于河流缓冲区指标分析如图15所示。

图15 河流缓冲区评价指标分析

河流是流域内自然地理要素综合作用的产物。试验根据北流河流域的实际情况，利用 ArcGIS 对北流河流域建立多环缓冲区。将缓冲区划分为4级，将水体赋值为100，200 m 缓冲区内赋值为 80，200～500 m 缓冲区内赋值为 60，缓冲区 500 m以外赋值为 40。一般情况下越靠近水体的区域其生态功能水平越高。

2.3 景观功能指标分析

阜平县旅游资源禀赋优势突出，尤其是山体、洞穴、水体、动植物、气候气象等自然旅游资源的形成，具有极高的观赏价值、游憩价值、使用价值。本次评价运用层次分析法对阜平北流河区域的景观资源进行评价。

2.3.1 景观价值 关于景观价值指标分析如图16所示。

图16 景观价值评价指标分析

景观价值是风景在旅游和观赏游览方面的价值(可能还包括它在经济、环境、资源、人文历史等方面的价值)，简单点说就是它的可观赏性的高低[21]。试验对北流河区域进行了详细的调查，分析汇总了24个高价值的旅游观赏区域，如天生桥景区、辽道背景区等其内部包括了瀑布、地质奇观、原始森林、高山草甸、山峰峡谷、民俗村寨、宗教等一系列的旅游景观特色，对其赋值为100；对骆驼湾、龙泉关等有历史价值、文化价值的赋值为80，对古墓群、长城遗址等景观赋值为60，对只有单一地貌景观的大派山、小派山赋值为40。

2.3.2 景源距离 关于景源距离指标分析如图17所示。

图17 景源距离评价指标分析

根据前人相关研究成果结合实地调查，利用欧氏距离分析功能确定各评价单元到景点的距离并进行可视化表达，其中500 m以内赋值为100；500～1 000 m赋值为80；100～1 500 m赋值为60，1 500～2 000 m赋值为40；2 000 m以外赋值为20。旅游资源丰富区域主要分布在龙泉关和天生桥周边，阜平镇内含有的景点，500 m以内区域仅占2.28%，只有1 332.48 hm2，500～1 000 m范围的区域达到3 650.75 hm2，占面积的6.25%。

2.3.3 道路景观 关于道路景观指标分析如图18所示。

图18 道路景观评价指标分析

北流河研究区内交通道路主要有沧榆高速和G337省道。通过对道路进行多环缓冲区分析得到交通便捷度分布图，其中缓冲半径取值分别为 200、600、1 000和1 000 m以外，对应功能分值分别为 100、80、60、40。

2.4 土地多功能评价指标权重确定

通过TOPSIS法确定土地多功能评价指标权重，求得北流河区域土地功能评价指标权重，见表1。

表1 土地多功能评价指标权重表

2.5 土地综合功能分区

运用TOPSIS法测算得到得到生态、生产、景观3种单项功能分值，在求得单项功能分值的基础上加入各项功能权重进行求和，在求得单项功能分值的基础上加入各项功能权重进行求和，最终得到北流河区域各评价单元的土地综合功能分值。

借助 ArcGIS软件中自然分等法将各个评价单元的单项功能评价依次划分为一级、二级、三级，其中功能分值的变化范围在[0,1]之间，如图19。

综合3种功能评价结果可知，在生态功能二级区和三级区内农业景观功能和生态功能水平较高，根据土地多功能评价结果可知，研究区西南部地区综合功能水平较高。其中，土地多功能一级区主要分布在北刘庄村、平石头村和骆驼湾村，其面积为8 318.17 hm2，占研究区面积的14.24%，二级功能区在研究区内有大面积分布，占总面积的78.44%，达到45 817.86 hm2，三级功能区面积仅有4 273.29 hm2。依托生态优势、河流风貌，紧扣城乡融合发展主线，以生态、休闲、旅游为基本要素，打造特色农产品。

图19 阜平县北流河区域土地综合功能分级

2.6 主导功能划分结果

土地3大主导功能区的详细划分方法如下：比较3大功能分值与平均值之间的离差(不是离差的绝对值)，离差较大的2个相应功能即为该区域的主导功能[27]。

表2 阜平县北流河区域土地主导功能识别原则

依照上述主导功能确定方法，将研究区土地主导功能类型划分为3类：即生态-生产主导功能区、生产-景观主导功能区、生态-景观主导功能区。通过 ArcGIS分析工具进行面积统计和可视化分析，得到主导功能区划图。

(1)生态-景观主导功能区

结合研究区土地多功能评价中生态-景观功能分级结果，如图20。

图20 阜平县北流河区域生态-景观主导功能区划

确定研究区生态-景观主导功能分区情况。其中，生态-景观功能区主要分布在研究区的西部，一级功能区主要分布在黑崖沟中部、北刘庄北部、平石头、骆驼湾西北部以及大胡萝卜村，该区域植被丰富，林地面积大，生态功能二级区主要分布在罗家庄村中南部地区。

(2)生态-生产主导功能区

结合研究区土地多功能评价中生态-生产功能分级结果，如图21。

生产-景观功能主导区主要分布在研究区中部、中西部地区。其中，生态-生产功能一级区主要分布在黑崖沟和西刘庄交界的中心区域、朱家营村和青羊沟村西部，生态-生产功能二级区在研究区内都有少量分布，生态-生产功能三级区主要分布在西下关、北栗元铺北部、南栗元铺村、不老树村、龙王庙村以及大元村等地区。

图21 阜平县北流河区域生态-生产主导功能区划

(3)生产-景观主导功能区

结合研究区土地多功能评价中生产-景观功能分级结果，如图22。

图22 阜平县北流河区域生产-景观主导功能区划

在采用离差分析确定土地生态-生产主导功能范围的基础上，结合功能评价分级结果，确定研究区生态-生产主导功能分区情况。该区域由于社会经济条件良好，具有发达的交通设施，承载了众多极具观赏性的景点，并且周边拥有完备的旅游配套设施。其中，生产-景观一二级区主要在研究区的东部零散分布。

3 讨论与总结

在前人土地多功能研究的基础之上，建立了北流河区域的土地多功能分区指标体系，选取了包括生态、生产和景观功能评价指标。通过GIS空间分析、 TOPSIS 等方法，得到3大功能空间分布和等级划分成果，通过离差比较的方法确定区域的主导功能。根据分区方案和县域土地利用适宜性评价结果，将北流河区域分为3个土地多功能利用区，生态-景观功能区，生态-生产功能区、生产-景观功能区。该研究成果可为新时期大力推进生态文明建设的现实背景下，为政府部门制定土地的可持续利用、保护与管理相关政策提供实证参考，实现土地持续利用，同时也对其他区域的实证研究起示范作用。