基于GIS 的华北地区自然资源综合评价区划研究

黄 垒，李 磊，王 威

（中国地质调查局天津地质调查中心（华北地质科技创新中心），天津 300170）

自然资源是在一定技术、经济和社会条件下能被利用来作为人类生产和生活原材料的物质与能量[1]。自然资源评价是自然资源合理利用的前提条件和依据所在，它以自然资源的考察研究工作为基础，旨在从整体上揭示自然资源的优势与劣势，指出资源开发利用潜力的大小、限制性及限制强度，提出开发利用和治理保护的建议，为充分发挥自然资源的多种功能和综合效益提出科学依据[2-4]。对于自然资源的评价，国内外学者进行了诸多研究[5-16]。但这些研究多局限于单项资源评价，虽然针对性和适用性较强，但不利于解决当前资源开发粗放、资源开发趋同、体制不协调等问题[17-20]。自然资源是个复杂的巨系统，需要针对一定地域中已知的所有资源进行整体评价，建立资源开发综合体，才能指导其全面、合理、有效地开发[21,22]。鉴于此，本文基于GIS 对华北地区自然资源的自然特性进行综合评价区划，为华北地区自然资源保护和开发利用提供决策依据。

1 研究方法

1.1 评价指标体系

建立自然资源综合评价指标体系，首先要对自然资源进行分类，按照自然资源在地球圈层的分布，可将其分为矿产资源（地壳）、气候资源（大气圈）、水资源（水圈）、土地资源（地表）、生物资源（生物圈）五大类。其次，由于自然资源的自然特性评价主要是对资源本身的数量和质量做出度量，因此要针对每类资源选取能够反映其数量和质量属性的代表性指标。综上所述，考虑数据可获得性，本文选取了两级分别5 项和13 项评价指标，构建了华北地区自然资源综合评价指标体系（表1）。

表1 华北地区自然资源综合评价指标体系Table 1 Comprehensive evaluation index system of natural resources in North China

表1中生物资源的生态系统功能指标取水源涵养功能、土壤保持功能、防风固沙功能、生物多样性维护功能最大值，矿产资源的预测资源量指标取22类矿产（铁矿、锰矿、铬铁矿、铜矿、铅矿、锌矿、铝土矿、镍矿、钨矿、锡矿、钼矿、锑矿、锂矿、菱镁矿、金矿、银矿、萤石矿、硼矿、硫铁矿、重晶石矿、钾盐矿、磷矿）预测资源量最大值。

1.2 评价方法

综合指数法是一种常用的自然资源评价方法，该方法通过判断各指标反映自然资源数量和质量的程度来确定权重，并将其赋给对应的指标数值后求和，从而得到评价得分。本文采用综合指数法，借助GIS技术，以指标图层为参数对华北地区自然资源的自然特性进行综合评价，具体步骤如下：

（1）指标数据标准化

利用GIS软件生成指标图层，并统一空间参考和栅格大小。为了排除量纲和数据趋向的影响，对各指标图层进行极值标准化处理，使其属性值控制在0～1 的范围之内，得到标准化指标图层。

（2）指标权重计算

利用层次分析法求取各指标权重。邀请专家采用1～9标度法对层次指标进行两两比较构建判断矩阵，并依此计算层次单排序和总排序，通过一致性检验后，得到华北地区自然资源综合评价指标权重（表2）。

表2 华北地区自然资源综合评价指标权重Table 2 Comprehensive evaluation index weights of natural resources in North China

水资源是生物赖以生存的环境资源和支撑经济社会发展的重要物质保证，是最为重要的自然资源。气候资源的时空变化特点能够在很大程度上决定其他自然资源的形成、时空分布等特征。土地资源为人类提供了最基本的生产资料和生活空间，是形成和孕育其他资源的重要条件。因此，三者在自然资源综合评价中应占据绝大部分权重，相比之下，矿产资源和生物资源的重要性及其能够提供的价值则较低。

（3）指标加权求和

将各指标权重赋给其对应的标准化图层，利用ArcGIS 10.6的栅格计算器工具（Raster Calculator）进行栅格叠加运算，得到各指标和综合评价指数，指数越大，表示对应的自然资源条件越好。结合华北地区实际情况，将各指标和综合评价指数划为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五级，划分标准如表3所示，评价结果见图1。

表3 各指标和综合评价指数分级标准Table 3 Grading standards for each index and comprehensive evaluation index

1.3 区划方法

在得到上述各级指标图层的基础上，以县（市、区、旗）为基本单元对自然资源各级评价指标进行聚类分析，实现华北地区自然资源区划。

（1）区划数据处理

基于各级指标图层，利用ArcGIS 10.6的分区统计工具，计算华北地区各县（市、区、旗）各级指标均值。

（2）聚类分析

借助SPSS 16.0软件，利用离差平方和法（Ward’s method）对华北各县（区、市、旗）自然资源的各级指标进行聚类分析，生成树状图，基于此选取合适的距离值，划分多个类型区，区划结果见图2。

图2 华北地区自然资源区划结果Fig.2 Results of natural resource zoning in North China

2 研究结果

2.1 评价结果与分析

按照上述评价方法，得到华北地区各类自然资源评价及自然资源综合评价结果（图1）。统计各评价级别的面积占华北地区总面积的比例见表4。

表4 华北地区自然资源各评价级别区域面积占比Table 4 Proportion of the area of each evaluation level of natural resources in North China

由表4 可以看出，华北大部分地区土地条件较好，气候资源、水资源一般，生物资源较差，而矿产资源呈点状分布。由图1可以看出，华北地区气候资源较丰富的区域主要分布在太阳辐射和风能较为丰富的内蒙古东北部和中部地区以及热量和降水较为丰富的山东东部等地区；生物资源较丰富的区域主要分布在大兴安岭南部、阴山山脉、燕山、吕梁山、太行山脉、山东丘陵、秦岭东部、大别山北部等地区，这些地区生物多样性较为丰富，水土保持能力较强；水资源条件较好的区域主要分布地表水资源较丰富的河南西部及南部、山东南部地区，以及地下水条件较好的河北中南部地区；而内蒙古西部及中东部等地区受限于土壤质地，阴山山脉、燕山等地区受限于地形原因，土地资源条件均较差；矿产资源丰富区域主要是内蒙古中部、河北西部及东部等黑色金属丰富区、内蒙古中部、河南西部等有色金属丰富区、河南西部、山东东部等贵金属丰富区以及河北北部、河南中西部等非金属丰富区。

总体上，华北地区自然资源条件较好的区域主要分布在燕山-太行山山前冲洪积平原以及河南和山东的平原，这些地区的水资源和土地资源条件均较好，其中河南和山东的平原地带气候资源也较为丰富，自然资源条件较差的区域主要分布在内蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁，河北北部、西北部和山西的山区以及华北平原中北部，其中内蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁地带除气候资源外整体条件均较差，河北北部、西北部和山西的山区地带主要受限于气候资源匮乏、土地条件较差，华北平原中北部主要受限于水资源条件差。

2.2 区划结果与分析

按照上述区划方法，得到华北地区各类自然资源区划和自然资源综合区划结果见图2。

根据聚类分析结果，将华北地区气候资源划分为优势区、降水热量优势区、太阳辐射风能优势区和劣势区四类，其中优势区是指各类气候资源均较丰富，气候评价指数较高的区域，降水热量优势区是指降水和热量资源较丰富，太阳辐射和风能较贫乏的区域，太阳辐射风能优势区是指太阳辐射和风能较丰富，降水和热量较贫乏的区域，劣势区是指各类气候资源均较贫乏，气候评价指数较低的区域。

将华北地区生物资源划分为优势区、一般区和劣势区三类，其中优势区是指生物多样性维护功能和土壤保持功能较优，生物资源评价指数较高的区域，一般区是指生物多样性维护功能和土壤保持功能一般的区域，劣势区是指生物多样性维护功能和土壤保持功能较差，生物资源评价指数较低的区域。

将华北地区水资源划分为地表水优势区、地下水优势区、一般区和劣势区四类，其中地表水优势区是指地表水资源较优，地下水资源较差的区域，地下水优势区则相反，这两类区域水资源评价指数均较高，一般区是指地表水和地下水资源均一般的区域，劣势区是指地表水和地下水资源均较差，水资源评价指数较低的区域。

将华北地区土地资源划分为优势区、一般区、地形劣势区、土壤劣势区四类，其中优势区是指地形和土壤条件均较好，土地资源评价指数较高的区域；一般区是指地形和土壤条件一般的区域；地形劣势区是指地形条件问题较突出的区域；土壤劣势区是指土壤条件问题较突出的区域，后两类区域土地资源评价指数均较低。

将华北地区矿产资源划分为黑色金属优势区、有色金属优势区、贵金属优势区、非金属优势区和非优势区五类，顾名思义，前四类是指其对应矿产资源较为丰富，矿产资源评价指数较高的区域，非优势区是指各类矿产资源均一般或较差，矿产资源评价指数较低的区域。

综合起来，将华北地区自然资源划分为水土资源优势区、生物资源优势区、土地资源优势区、矿产资源优势区、水资源劣势区五类，各类地区说明和分布情况见表5。

表5 华北地区自然资源综合区划情况Table 5 Comprehensive zoning of natural resources in North China

3 结论及建议

本研究选取两级分别5 项和13 项评价指标，构建了华北地区自然资源综合评价指标体系，运用综合指数法对华北地区自然资源进行综合评价，并在此基础上，采用聚类分析方法对华北地区自然资源进行区划。结果显示，华北地区自然资源条件较好的区域主要分布在燕山-太行山山前冲洪积平原以及河南和山东的平原，较差的区域主要分布在内蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁、河北北部及西北部、山西的山区以及华北平原中北部。

根据综合区划结果，华北地区自然资源可划分为水土资源优势区、生物资源优势区、土地资源优势区、矿产资源优势区、水资源劣势区五类。针对不同区划的自然资源特点，水土资源优势区适宜开展农业生产活动，生物资源优势区应注重生态保护和水土涵养，土地资源优势区宜种植旱生作物或发展城镇建设，矿产资源优势区可适度发展矿产行业，水资源劣势区应当加强对水资源的监管和保护、修建水利工程等。此研究可为华北地区自然资源全面、合理、有效开发提供借鉴意义。