基于遥感和GIS技术的易县耕地后备资源潜力评价

陈思达,韩士钊,张浩,张毅功

(1河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000；2河北易县自然资源和规划局，河北 保定 074299；3河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；4河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000)

耕地整理潜力评价是制定土地整理专项规划、土地整理项目可行性研究、土地整理项目规划设计以及国家投资决策的依据[1-2]。一般而言，非农业经济发展用地与耕地资源之间普遍存在矛盾。为了保障我国粮食安全，并能够实现藏粮于地、藏粮于技，有必要研究县级区域尺度的耕地潜力并提出建议意见，以便为日后此区域以及邻近区域的农业、经济与社会等多方工作决策提供参考依据。作为临近北京和雄安新区的地方县区，河北易县土地利用结构以及利用方式近年来在不断地调整，为确保农业农村优先发展，全面推进乡村振兴和城乡统筹[3]，保障首都附近地区的粮食安全，夯实并助推周边经济发展基础，找准本地区独特优势与定位，承接特色产业转入，并逐渐成为雄安新区的生态文明上游保障，研究与评估易县土地整治情况及耕地潜力，做出相应的评价就具有重要的现实意义。

在耕地整理潜力研究初期，潜力评价指标总体较单一，主要以土地质量或数量为标准进行评价。目前，耕地潜力评价指标体系的构建已经出现了多元化趋势，例如张正峰从现实与自然2方面进行综合评估，避免了标准过于单一的评价体系[4-5]；王伟通过改进信息熵从质量、数量、生态3方面进行综合评估[6-7]；景笑巍则是在数量评估基础上进行了生态与自然2方面的修正[8]。综合来看，耕地潜力评价指标体系发展从单一走向综合，评价结果的现实意义也越来越高。在指标体系的构建方法上，随着指标体系的复杂化，构建方法也日益复杂，例如早期研究中以GIS为基础进行图斑的叠加与去除来构建数量评估体系，再到以此为基础的主成分分析法[9-10]，再到后来结合信息熵法与层次分析法综合评定[11-12]，评价的层次也更加完善。在耕地潜力分析手段中，一般以遥感工具为基石，数学模型为辅助，GIS数据分析为踏板，进行科学量化分析。

本研究主要利用遥感和GIS技术，结合DEM高程模型进行影像图斑的叠加分析，采取“限制性因子”评价法，提取出易县未来可开发的宜耕地，并结合实际生态环境、行政区划、交通便利程度、自然环境等因素进行修正[13-14]，最终得到易县潜在的耕地整理区域，旨在查明易县耕地后备资源的类型、数量和分布，为进一步开展土地开发整理提供基础信息，同时为土地利用规划、土地复垦专项项目立项等提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

易县(E 114°51′～115°37′，N 39°02′～39°35′)位于河北省西部，属于暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候，地处太行山区向华北平原过渡倾斜地带，地势西高东低，自西而东海拔变化幅度为1 813～32 m，分为山地、丘陵、平原3个地貌区，年均温12 ℃，年均降水量574 mm，总面积2 534 km2。截止2020年末，易县下辖9个镇、17个乡、1个民族乡，总人口48.55万人。县域内有拒马河、北易水、中易水等多条水系，地表水资源丰富，耕地主要分布在沿河地带和东部平原区，水土资源匹配性较高。易县耕地资源总量有限，但在经济社会快速发展和人口数量稳定增长的背景下，建设用地迅速扩张导致耕地面积持续萎缩，耕地保护形势严峻，粮食安全前景不容乐观。该县未利用地面积较大，潜在耕地后备资源较为丰富，厘清后备土地资源的宜耕性和空间分布特征以确保耕地保护任务的完成已成为当下亟待解决的重要课题。

1.2 数据来源

本研究使用的数据包括覆盖易县行政区划的四景ALOS PALSAR遥感卫星DEM图像；易县自然资源局提供的土地规划数据包括土地利用总体规划数据库和土地整治规划数据库，土地调查数据包括第2次土地调查土地利用现状数据库、土地年度变更调查数据库和后备土地资源调查底图；易县农牧局提供的《土壤志》与耕地后备资源土层厚度和母质条件情况的资料；易县水利局提供的水利工程布置图和水资源综合规划；易县林业局提供的林地保护利用规划；易县环保局提供的生态示范区建设总体规划与耕地后备资源土壤污染状况的相关资料；易县统计局提供的相关成果及统计资料等；易县气象部门提供的年积温、年降水量；河北省自然资源厅提供的2012-2019年国土调查统计年鉴。

2 研究方法与试验过程

2.1 评价单元划分

耕地后备资源一般是指在一定的技术经济条件下，可能转化为耕地的非耕地资源。从2015年土地利用变更调查数据库中提取其他草地、内陆滩涂、沙地和裸地等未利用地作为分析区域，以图斑为评价单元，共得到10 163个评价单元。

2.2 确定评价指标

因各指标的影响程度不同，且不能全部考虑，所以在指标选取过程中应有一定的侧重，应将对耕地后备资源宜耕性影响较大的指标选取出来[15]。综合考虑易县的区位、交通等开发条件，从生态环境、立地条件、气候条件等3个方面选取评价指标。其中生态条件主要是从开发可能导致的生态保护区内外土地退化或地质灾害的情况来考量；立地条件包括土壤污染状况、排水条件、土层厚度和母质条件、地形坡度、土壤质地、土壤pH、沙化状况，主要体现在土壤、排水状况和地形上；气候条件包括年积温、年降水量和灌溉条件，北方农业环境最主要的限制因子为温度与水资源(表1)。

表1 耕地后备资源评价指标及其不宜耕阈值Table 1 Evaluation index and unsuitable tillage threshold of cultivated land reserve resources

2.3 宜耕地判别规则

采取 “限制性因子”评价法，结合表1的判断规则对评价单元进行评价。若有评价单元属于不宜耕条件则去除，并在可能开发的土地类别中划分出宜耕与不宜耕区域。由于栅格数据存在一定误差，所以栅格数据在矢量数据判别后进行判别，并通过计算误差比率进行消除栅格数据误差。

2.4 试验过程

2.4.1 判别区划条件限制 依据易县土地利用总体规划中的红线区域、限制区域或开发经济效益低的现有路网水面，分出禁止开发的区域、限制区域与非经济区域，并剔除。

2.4.2 判别后备资源的地类条件限制 根据易县目前已有的各类数据库，在可能开垦的地类中建立后备图层。

2.4.3 历史整理区域判别 将多年来已经实施的耕地整理项目去除。

2.4.4 坡度判别与限制 利用ArcGIS 10.2软件对四景ALOS PALSAR卫星分辨率DEM高程数据进行重叠拼接，得到覆盖整个易县范围的12.5 m空间分辨率DEM镶嵌图，采用ArcGIS的坡度提取模块对DEM数据进行坡度判别，提取易县行政区域范围内的坡度。并将易县地形坡度重新分为0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°以上的5类，将>25°的土地从图斑中去除。易县总体坡度的面积通过DEM栅格数据测量，单像素区域为156.25(12.5×12.5) m2。

2.5 易县耕地后备资源判别

易县区域的整体年积温图层、降水量图层均在宜耕判别设定的阈值之上，并且经由环保与农业部门的调查，易县目前不存在土壤污染状况与积水田块或盐渍化，即易县区域的土壤污染、积水田块和盐渍化均在宜耕判别设定限制阈值之上。将以上4种判别图层进行叠加，并将一些分散且面积过小的零散区域去除，即得到易县耕地后备资源区域的分布情况。

3 结果及分析

3.1 易县耕地后备资源分析

3.1.1 易县耕地后备资源数量与构成 关于易县耕地后备资源数量与构成情况见表2。

表2 易县耕地后备资源构成Table 2 Composition of cultivated land reserve resources in Yi County

由表2可知，易县耕地后备资源总面积共6 587.62hm2，占全县面积的2.6%，数量与比例都较少。其中，可开垦其他草地5 071.89 hm2，占耕地后备资源面积的76.99%；可开垦沙地18.94 hm2，占0.29%；可开垦裸地1 459.95 hm2，占22.16%；可复垦采矿用地36.84 hm2，占0.56%。

3.1.2 易县耕地后备资源空间分布 关于易县耕地后备资源空间分布情况见图1和表3。

图1 易县耕地后备资源数量分布图Figure 1 Quantity distribution of cultivated land reserve resources in Yi County

表3 易县耕地后备资源分布情况表Table 3 Distribution of cultivated land reserve resources in Yi County

由图1和表3可知，易县耕地后备资源主要分布在梁格庄镇、西陵镇、塘湖镇、尉都乡、裴山镇、高村乡和白马乡7个乡镇，面积共4 963.1 hm2，占总体耕地后备资源的比为75.4%。其中，梁格庄镇后备资源面积最大，合计1 247.1 hm2，占易县全部耕地后备资源面积的18.9%；流井乡等14个乡镇耕地后备资源面积为1 624.2 hm2，占24.4%；高陌乡、凌云册乡、七峪乡、桥家河乡、甘河净乡和蔡家峪6个乡镇无耕地后备资源。

3.1.3 易县耕地后备资源特点 关于易县耕地后备资源坡度分布情况见图2。

图2 易县耕地后备资源坡度分布图Figure 2 Slope distribution of cultivated land resources in Yi County

由图2可知，易县耕地后备资源多位于低山区，由于坡度为栅格数据，耕地后备资源由矢量数据得出，栅格数据与矢量数据覆盖重叠计算得到区域面积，坡度在0°～2°的区域面积为407.6 hm2，占6.2%；2°～6°的区域面积为2 025 hm2，占30.9%；6°～15°的区域面积为2 884.5 hm2，占44%；15°～25°的区域面积为1 238 hm2顷，占18.79%。易县耕地后备资源地势起伏较大，目前的地形坡度难以满足耕作需求，需修建水平梯田。修筑梯田工程量较大，投资较多。宜耕区土壤为少砾的砂壤质草甸土，大部分土地表土层较薄，且含少量小粒径沙砾，土壤养分含量较低，表土层以下的土壤含沙砾相对较多，目前的土壤条件不能满足农作物的耕作要求，需进行客土覆盖，及土地翻耕等措施，使土壤达到耕作需求。

3.2 易县耕地后备资源类型

3.2.1 可开垦其他草地 关于易县可开垦其他草地分布情况见图3。

图3 易县可开垦其他草地分布情况图Figure 3 Other grassland distribution of available cultivated in Yi County

由图3可知，易县可开垦其他草地共计5 071 hm2，面积最大，占全部可开垦土地后备资源的76.99%。主要分布在中部的西陵镇、梁格庄镇、塘湖镇和尉都乡，分别为977.3 hm2、758.7 hm2、564.1 hm2和562.2 hm2，合计2 862.3 hm2，占易县可开垦其他草地总面积的比例分别为19.3%、15%、11.1%和11.1%，合计占56.5%。裴山镇等17个乡镇合计占地2 209.4 hm2，占比43.5%。

3.2.2 可开垦裸地 关于易县可开垦裸地分布情况见图4。

图4 易县可开垦裸地分布情况图Figure 4 Bare land distribution of available cultivated in Yi County

由图4可知，易县可开垦裸地面积1 459.95 hm2，占可开垦耕地后备资源的22.16%，分布区域与其他草地基本相同，主要分布在中部的梁格庄镇、塘湖镇、高村乡、流井乡和白马乡，面积分别为485.5 hm2、260.9 hm2、141.1 hm2、130.89 hm2和105.69 hm2，占比分别为33.3%、17.65%、10.32%、8.87%和7.15%；合计1 123.1 hm2，占比77%。狼牙山镇等17个乡镇合计占地336.7 hm2，占比23%。

3.2.3 可开垦沙地 关于易县可开垦沙地分布情况见图5。

图5 易县可开垦沙地分布情况图Figure 5 Sand land distribution of available cultivated in Yi County

由图5可知，易县可开垦沙地面积较少，仅18.9 hm2，主要集中在南部的狼牙山镇和东北部的白马乡，面积分别为8.5 hm2和3.9 hm2，占比分别为45%和21%，合计面积12.4 hm2，占比66%。流井乡面积最小，仅1.5 hm2，占比8%。

3.2.4 可复垦采矿用地 关于易县可复垦采矿用地分布情况见图6。

图6 易县可复垦采矿用地分布情况图Figure 6 Mining land distribution of available cultivated in Yi County

由图6可知，易县可复垦采矿用地极少，仅37 hm2，分布在塘湖镇、高村乡、流井乡和裴山镇4个乡镇，面积分别为21.3 hm2、8 hm2、5、和2.5 hm2，占比分别为56.8%、21.3%、13.3%和8.6%。

3.3 易县不宜耕土地情况

易县不宜耕土地103 685.5 hm2，占后备资源总面积的94%。易县不宜耕的其他草地主要限制因素是坡度过大，造成耕地水土流失严重，进行复垦、挖方与填方的工程量也大。不宜耕的内陆滩涂限制性因素主要是处于生态保护区或者生态脆弱区内。不宜耕的裸地、沙地限制性因素主要是处于生态脆弱区内，地形坡度过大或土壤厚度不够。不可复垦采矿用地的限制性因素有坡度过大或矿坑较大无法填平。此外，不宜耕土地的破碎化分布特点，使得大规模集中开发成本过高，导致开发难以进行。

4 发展建议

易县耕地后备资源总面积共6 587.62 hm2，占全县面积的2.6%，数量与比例都较少。构成类型包括裸地、其他草地、沙地和采矿用地，其中，可开垦其他草地5 071.89 hm2，占耕地后备资源面积的76.99%。耕地后备资源主要分布在梁格庄镇等7个乡镇，面积共4 963.1 hm2，占总体耕地后备资源的比例为75.4%，其中，梁格庄镇后备资源面积最大，合计1 247.1 hm2，占易县全部耕地后备资源面积的18.9%；流井乡等14个乡镇耕地后备资源面积为1 624.2 hm2，占比24.4%。高陌乡等6个乡镇无耕地后备资源。宜耕地多位于低山区，地势起伏较大，目前的地形坡度难以满足耕作需求，需修建水平梯田；修筑梯田工程量较大，投资较多。

4.1 易县耕地后备资源开发利用总体策略

易县地处山地、丘陵地区，地形复杂多样。经过多年的开发利用，易县城镇周边交通便利、地势平坦、土壤肥沃、易于成片开发的土地资源已经基本开发完毕，适宜补充耕地整治区域逐渐减少，且基本位于在远离城镇的边远地区，规模小、分布零散，开发难度大，成本高。易县耕地后备资源的开发利用，应根据易县经济社会发展规划，在国土空间规划的引领下，统筹考虑山水林田湖草系统治理、生态系统保护和修复、美丽乡村建设、空心村改造、矿山生态修复等规划，按照宜农则农、宜建则建、宜留则留、宜整则整、宜耕则耕、宜林则林、宜草则草的原则，科学规划，整体设计，多措并举，合理布局土地开发、利用、整治与保护，提高土地利用率，切实做到规划前瞻性，论证科学性，开发针对性，利用实效性，努力实现数量、质量和生态“三位一体”平衡[16-18]。此外，在规划山地和丘陵地区宅基地等建设用地时，应学习借鉴国外做法，研究探讨向坡地发展，将质量好的平地用于大规模、同质化趋近的基本口粮的供应耕地，对分散的小区域，发展为具有特色农业及特色养殖业，在保证总体粮食生产经济性与便利性基础上发展具有地方特色的自然农业、人文农业或旅游农业[19]。在农民数量不变的情况下减少规模农业的农民数量，增加从业特色农业的农民数量，提高从业规模化农业的农民专业性，激发从事特色化农业农民的创造性，进而在整体上提高全体农民的收入，维护社会整体粮食价格稳定，调节社会收入差距，促进人与自然和谐共生。

4.2 采取有效措施提高新增耕地质量

土地开发应与基本农田建设和土地整理结合起来，特别是将田林路渠进行综合配套。易县有大量耕地为梯田、坡耕地，且分布零星，农田水利设施普遍较差，应加强农田水利与集水设施建设，以提高耕地质量，增加有效耕地面积，以防农田因缺水减产。在耕地实际耕作条件困难，人工整治投资大的情况下，易县可以通过居民点整理、后备资源开发等途径补充耕地，对非宜耕土地活盘活用，促进土地资源的合理利用。要以现有公路格网为基础，优先开发集中连片的适宜地区，先易后难。在水土资源贫瘠或基岩裸露而又临近居民居住点的地区，可以探索将农村合作社在农村土地集体权属之上的开发整理与其收益相结合的方法，激发民间资本自发进行土地整理的积极性，防止花很高代价补充的耕地无人耕种，出现耕地撂荒现象[20-21]。

4.3 建立科学合理的土地评估体系

土地整治是一个多方面的综合工程，在日后研究中应注重质量、数量和生态多维评估，并结合当地经济、政治因素和人文情况，建立更科学合理的数字化评估体系，让研究更加具有现实意义。应探索建立以当地土地功能区划为导向的分类多维度评分，以取代加权平均方式进行的综合一维评分，综合粮食产量、土地可持续利用能力、人造化学物质投入、生态价值权重与土地价格等分类评价指标，进行位置、地形与功能结构重心和关键节点的单独考量，进行区域最优化设计，在整体经济性上不造成浪费、规划上不偏离历史区域方向、对生态环境不产生破坏。