基于DEM的烟台市农用土地适宜性评价

闫潍虹， 衣华鹏， 程振龙， 王广煊， 龚 围， 张 鑫

(1.鲁东大学 资源与环境工程学院, 山东 烟台264025; 2.烟台市国土资源局, 山东 烟台 264003)

基于DEM的烟台市农用土地适宜性评价

闫潍虹1， 衣华鹏1， 程振龙1， 王广煊1， 龚 围1， 张 鑫2

(1.鲁东大学 资源与环境工程学院, 山东 烟台264025; 2.烟台市国土资源局, 山东 烟台 264003)

[目的] 根据“耕地优先，兼顾园、林、草用地”的原则，进行烟台市农用土地适宜性评价，为烟台市土地合理利用提供理论依据。 [方法] 以山东省烟台市为研究区域，以DEM数据为基础，运用ArcGIS的空间分析功能提取海拔高度、坡度、地表起伏度，结合有效土层厚度因子，确定最佳农用土地适宜性评价指标体系，生成耕地、园地、林草地的适宜性等级分布图，最终得到烟台市农用土地适宜等级的空间布局。 [结果] 与烟台市第二次土地调查数据进行对比，烟台市目前的土地利用以耕地为主，占土地总面积的33%，大于适宜性耕地面积；实际园地面积小于适宜性面积；林草地的实际面积略小于适宜性面积。 [结论] 烟台市土地利用存在一定的不合理性，具有一定的调整空间。

DEM; 烟台市; 农用土地; 适宜性评价; 评价因子

土地资源是人类赖以生存和发展的最根本的物质基础，也是进行农业生产的最基本的物质条件[1]。土地适宜性评价是指综合分析某块土地的自然属性和社会属性，评定该块土地对于某种特定用途是否适宜以及适宜的程度如何，是土地合理利用与科学规划的依据[2]。科学的土地评价起源于美国的土地潜力评价，20世纪中叶，我国将较系统的土地评价工作应用在荒地调查当中，随后联合国粮农组织(FAO)《土地评价纲要》的颁布与引进，有效推动了我国土地适宜性评价工作的进展[3]。

数字高程模型(digital elevation model， DEM)在20世纪中叶由美国麻省理工学院(MIT)的Miller[4]首次提出，它是用一组有序数值矩阵表示地面高程的一种实体地面模型，DEM数据当中蕴含着大量的地表形态信息，是进行土地适宜性评价的基础。地理信息系统(geographic information system， GIS)在我国起步较晚，但是发展迅猛，20世纪末，黄杏元等[5-6]最先将GIS的原理和方法应用于土地适宜性评价。基于DEM数据运用GIS空间分析功能进行的土地适宜性分析与传统的土地适宜性分析相比，不仅可以节约时间、提高工作效率，而且大大提高了工作的精度和准确度、减小了误差，为土地适宜性评价工作带来了便捷，因此，在土地适宜性评价领域得到了广泛的应用和发展，尤其是农用土地的适宜性评价[7-8]。

烟台市地形特殊，山地丘陵分布较广，适宜发展园业和林业生产，因此，烟台地区的苹果、梨、葡萄和大樱桃等各种水果享誉海内外。但是，随着经济的发展和人口的增长，为了更好地满足生产生活的需要，开始出现了毁林开荒造田、果园挤占优质耕地等现象。本研究根据“耕地优先，兼顾园、林、草用地”的原则，对烟台市进行了农用土地适宜性评价，以期为更合理地规划利用该市农用土地提供理论依据。

1 研究区概况

烟台市位于山东半岛的东北部，地理坐标为119°34′—121°57′E，36°16′—38°23′N。东与威海相连，南与青岛相邻，西与潍坊相接，北部濒临渤海、黄海，地理位置十分优越，是中国首批沿海开放城市之一，也是连接环渤海经济圈的节点城市。该市土地总面积约1.38×104km2，现辖芝罘区、莱山区、福山区、牟平区4个市辖区及长岛县，代管龙口市、莱阳市、莱州市、蓬莱市、招远市、栖霞市、海阳市7个县级市和国家级经济技术开发区、高新技术产业开发区、保税港区及昆嵛山生态自然保护区4个功能区，海岸线长约909 km，有63个岛屿，总人口约702万。烟台地形以低山丘陵为主，其中山地占36.62%、丘陵占39.7%、平原占20.78%，低山区主要分布于烟台市的中部，最高峰为昆嵛山，其海拔为923 m，丘陵区则分布于低山区的周围，地势总体而言是中间高四周低。气候属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足，年平均气温为12.7 ℃，年平均降水量为651.9 mm。烟台市河网比较发达，河流众多，多属于季风雨源型河流。烟台市土壤类型主要是棕壤、褐土和潮土，其中棕壤占土地总面积的77.79%；植被属暖温带落叶阔叶林区。

2 数据来源及预处理

所用DEM数据是从地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn/)下载的分辨率为90 m的ASTGTM_DEM数据，经过ArcGIS进行镶嵌、裁剪、投影转换等处理，最后得到烟台市的DEM数据。烟台市第二次土地调查数据由烟台市国土资源局提供。

3 农用土地适宜性评价

农用土地适宜性评价是土地适宜性评价的主要内容之一。农用土地适宜性评价是指综合分析某块农用土地的自然属性和社会属性，评定该农用土地对于某种农业生产是否适宜以及适宜的程度如何，其评价过程主要包括评价对象的确定、评价因子的选取、评价指标的分级处理、评价因子权重的确定、评价体系的建立等[9-10]。

3.1 评价对象的确定

在进行农用土地适宜性评价之前，首先要确定评价对象。《中华人民共和国土地管理法》中指出，按照用途土地可分为农用地、建设用地和未利用地3大类，其中农用地是指直接用于农业生产的土地，具体分为耕地、园地、林地、草地、农田水利用地、养殖水面等[11]。根据第二次土地调查的烟台市土地利用现状，确定烟台市目前的土地利用类型主要包括耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他用地等。

烟台市土地的利用类型比较繁多，需对农用土地的实际利用情况进行综合分析。城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地等用途目前非常明确，并且比较稳定，短时间内土地利用方式不会改变；同时由于耕地、园地、林地、草地在农用土地中占的比例比较大，而且与农业生产的联系最为密切，但是考虑到烟台市的具体情况，草地多分布在高大的乔木林地中，故将草地归到林地一类，最终确定本次农用土地适宜性评价对象为耕地、园地和林草地。

3.2 评价因子的选取

评价因子的选取是农用土地适宜性评价工作顺利进行的关键。影响农用土地适宜性评价的因素有很多，包括地形地貌、气候、水文、土壤等各种自然条件以及劳动力、科技水平、交通运输等社会经济条件[12]。农用土地适宜性评价结果并非评价因子选取的越多越准确，但是选取太少也会影响评价结果，评价因子的选取应遵循一定的原则：综合性、主导性、差异性、针对性、现实性、独立性等[13-14]。依据评价因子选取的原则，结合实际情况，采取经验法来选取评价因子。鉴于本文主要基于DEM数据对烟台市的农用土地适宜性进行评价，而且由于研究区域内的地质基础和土壤整体状况较为一致，社会经济状况对评价对象的影响不大，因此，最终优先选取了海拔高度、坡度、地表起伏度和有效土层厚度4个评价因子。

3.3 评价指标的分级处理

3.3.1 评价因子的指标分级 由于耕地、园地和林草地对各种适宜性评价因子的要求不同，因此不同的土地利用类型具有不同的评价指标。参考以往各评价因子指标分级的具体情况，结合烟台市实际情况，采取经验法对海拔高度、坡度、地表起伏度和有效土层厚度进行单因子分级，各因子间划分的等级数目不强求一致，各评价因子的分级指标详见表1。

(1) 海拔高度。海拔高度能够反映热量和水分的分布状况，而热量和水分又影响农作物种类、生长与布局，因此不同的海拔高度农用土地的适宜性不同。根据烟台市DEM数据，地面高程变化较大，最后将海拔高度划分为:≤50 m，50～200 m，200～500 m及>500 m共4级。 (2) 坡度。坡度对农业生产的影响主要表现在地表侵蚀程度和土地利用等方面。土壤侵蚀度与坡度成正相关，坡度越陡，土壤侵蚀越严重，水土流失越明显，水土流失导致土壤肥力降低，影响到土地的农业利用。《水土保持综合治理规划通则》指出，坡度组成一般分为5级：<5°,5°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°；《第二次全国土地调查技术规程》中也指出，耕地坡度分为5级，即≤2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。根据以上2种坡度等级划分，结合烟台多低山丘陵地貌的实际情况，将坡度划分为以下几类：≤2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。 (3) 地表起伏度(relief degree of land surface， RDLS)。RDLS是特定地域内最高点海拔和最低点海拔的差值，它反映宏观地域内地形特征[15]。RDLS的大小，影响土地的使用功能和稳定性，且不同地物对地表起伏度有严格的技术要求，结合烟台实际情况对RDLS进行划分，即≤10 m，10～50 m，50～100 m和>100 m。 (4) 有效土层厚度(soil thickness)。不同的土壤有不同的土壤剖面构型，根据生物地理学的相关原理，自然土壤自上而下依次分为有机质层、淋溶层、淀积层、母质层和母岩层；耕作土壤自上而下依次是耕作层、犁底层、淀积层、母质层和母岩层。通常所说的有效土层是指具有肥力特征的有机质层或耕作层[16-17]。有效土层是肥力状况最好的土层，植物的根系和大部分微生物也集中在此，有效土壤厚度是指能生长植物的实际土层厚度，不同的土壤类型具有不同的有效土层厚度。本文参考烟台市土壤志中关于烟台各土壤类型的土层厚度相关数据对有效土层进行划分，分别是：≤30 cm，30—60 cm，60—100 cm，>100 cm。

表1 评价因子的分级指标

3.3.2 评价因子的GIS处理 基于烟台市DEM数据，运用ArcGIS的空间分析功能进行评价因子的提取分析，可以得到各评价因子的空间分布图。依据表1列出的各评价因子的分级指标，利用ArcGIS的重分类功能对评价因子进行分类，最后可以得到烟台市海拔高度、坡度、地表起伏度和有效土层厚度4个土地适宜性评价因子的分级示意图(图1)。其中，有效土层厚度分级示意图是在各土壤类型的土层厚度数字化的基础上，根据有效土层厚度与坡度的负相关关系，利用ArcGIS提取得到。图1利用ArcGIS的空间分析功能和重分类功能，将DEM数据中的空间数据和属性数据清晰地反映在图斑上。从图1可以看出，烟台市海拔普遍不高，其中丘陵地形分布最为广泛，占总面积的71.11%；坡度比较平缓，以平地、缓坡和斜坡为主，陡坡和急坡分布较少；地表起伏度较小，烟台市92.09%的土地地表起伏度在50 m以下；土壤肥沃，有44.46%的土地有效土层厚度大于100 cm。

图1 研究区各评价因子分级示意图

3.4 评价因子权重的确定

在农用土地适宜性评价中，由于每个评价因子对评价对象的贡献大小和适宜程度不同，在计算得到各个评价因子数据后，需对这些评价因子数据赋予权重值，采用层次分析法来计算各因子的权重值。本文采用专家咨询法建立评价层次性指标，将每个权重因子两两进行比较，按照重要性标准，建立相应的判断矩阵。检验判断矩阵的一致性，如果求得的相对一致性指标CR小于0.1则一致性好，大于0.1则不好，需要重新调整判断矩阵。经过反复调整和检验，通过一致性检验，然后利用求和法求解各评价因子的权重，最后计算出耕地、园地和林草地的各评价因子的权重(表2)。

表2 研究区各评价因子权重

3.5 评价体系的建立

以FAO《土地评价纲要》中土地适宜性评价的基本内容为依据，根据烟台市的实际情况，将耕地、园地和林草地的土地适宜性分为4等：高度适宜、中度适宜、临界适宜和不适宜。高度适宜代表土地利用高度适宜，土地适宜性评价的各项因子对土地的可持续利用没有明显限制，土地具有较高的生产效益；中度适宜表示土地利用一般适宜，土地适宜性评价的各项因子对土地利用具有轻微的限制性，生产效益一般；临界适宜代表土地适宜性评价的各项因子对土地利用具有较为明显的限制性，勉强适宜于该用途，土地的生产效益很低；不适宜是指当前的社会经济技术条件下，这类土地不能利用或不能持续利用[18-19]。地物对评价因子的作用和反映具有明显特征，表现为一定的适宜范围，即三基点—上限值、最适值、下限值。不同的土地利用类型对土地生态环境要素的需求构成了需求生态位。

参照FAO中提出的土地适宜性评价原则和方法，依据极限法，结合烟台市具体的自然环境状况，确定了评价对象的最适宜指标范围(表3)。参考表3评价对象的最适宜指标范围，运用ArcGIS对评价对象进行量化处理并分级，得到土地适宜性分级示意图(图2)。

注：S1代表高度适宜，S2代表中度适宜，S3代表临界适宜，S4代表不适宜；综合运用生态位法和极限法，结合烟台实际情况，把S1，S2定义为适宜区，而S3，S4为不适宜区。图2 研究区土地适宜性分级示意图

对象海拔高度/m坡度/(°)地表起伏度/m有效土层厚度/cm耕地0～1000～60～10>100园地100～2003～1510～20>50林草地>150>6>20>30

4 结果分析

利用ArcGIS的计算功能对以上数据进行计算统计，宜农用地共9.82×105hm2，占该市土地总面积的70.88%。其中，宜耕用地面积最大，为4.34×105hm2，占土地总面积的31.34%，主要分布在烟台周边地势平缓、海拔相对较低的滨海平原、盆地及低丘陵地区；宜园用地面积为2.56×105hm2，占全市土地总面积的18.46%，宜园用地主要分布在中部山地外围的低丘陵地区；宜林草用地面积为2.92×105hm2，占全市土地总面积的21.07%，宜林草用地主要分布在中部海拔较高的山地丘陵地区。在烟台市宜园用地的面积具有相对优势，可开发潜力大，结合烟台市的地域优势，因地制宜，充分利用丘陵山地、荒坡地等发展烟台的特色果业，可适当地扩大果园地规模和数量，建设干鲜果生产基地。将上述所得的土地适宜性评价结果数据与第二次土地调查的数据进行对比分析，结果表明，烟台市土地利用存在一定的不合理性。其中，现有耕地面积4.51×105hm2，超出适宜性耕地面积1.64×104hm2，超出部分大多集中在丘陵山地地区，属于坡度大于15°的坡地。由于坡度较大，水土流失较重，一般而言，土地的坡度超过15°，地面径流落差加大至水土流失的临界点，便不利于农作物的生长。利用ArcGIS将上述所得的土地适宜性评价栅格结果数据与土地利用现状栅格数据进行栅格空间叠加，提取烟台市不合理的土地利用区域(图3)，结果表明，烟台市建议退耕还园的耕地面积有1.45×104hm2，建议退耕还林的耕地面积有7 900 hm2，说明第二次土地调查结果中不适宜发展耕作业的现有耕地有2.24×104hm2，在确保该市耕地红线的情况下，应予以退耕还园、退耕还林。

据第二次土地利用调查，现有园地面积为2.39×105hm2，宜园面积超过现有园地面积1.65×104hm2。其中，前几年受价格剪刀差的影响，存在着部分地势平缓的优质耕地被果园挤占的现象，这部分土地地势低平、土层深厚、土壤肥沃，非常适宜发展耕作业，应予以退园还耕，建议退园还耕的园地面积有2 800 hm2(图3)；还有一部分土地海拔较高、坡度较陡，不适宜发展园业生产，对于这部分不适合发展园业的丘陵山地，建议退园还林，发展各种类型的用材林和水源涵养林，这部分面积有2 900 hm2(图3)。实现退耕还园后可以增加园地面积1.45×104hm2，累计尚有8 800 hm2可用于发展果业生产。可见果业有很大的发展空间，是未来烟台市产业发展的优势，应该因地制宜充分利用自然资源，加大果园的种植面积，丰富果园类型，壮大本市果业。现有林草用地面积2.87×105hm2，比适宜性面积小4 500 hm2，说明本市在水土保持方面做得比较好，但是，也存在不合理的现象。有7 800 hm2的现有林草地分布在海拔相对较低、地势低平、土层深厚的低丘陵缓坡和斜坡地区，这部分土地适宜发展耕作业和果业，但是，由于这部分林草地主要为苗圃和各种防护林，所以不建议退林还耕、退林还园。此外，考虑到烟台市的地域特点，结合产业优势，牧草业不是当地的主要产业，不适合大面积推广，在现有林地区域，可以考虑适当增加草地面积，提倡乔、灌、草相结合，以草养灌、以灌养林，充分利用生态位分化理论，发挥土地的最大利用效率，增加地面覆盖度，保土蓄水，涵养水源。

图3 研究区不合理土地利用分析图

5 结论及建议

(1) 烟台市各种土地利用类型的比例基本合理，农用土地适宜性从高到低依次是耕地、林草地、园地。

(2) 烟台市目前的土地利用以耕地为主，现有耕地比宜耕地面积大1.64×104hm2，对于位于宜耕区的现有耕地要切实保护，用地与养地相结合，依据自然条件发展多种作物生产，充分利用地力，但是在确保本市耕地红线的情况下，对于不适宜耕作区的海拔较高、坡度较陡、土层厚度小的现有耕地建议退耕还园、退耕还林，累计面积有2.24×104hm2。

(3) 实际园地面积比适宜性面积小1.65×104hm2，应该因地制宜，充分利用烟台市得天独厚的自然条件，发展果业生产，丰富果园类型，把烟台建设成面向世界的干鲜果生产基地，但是对于宜耕区的地势平缓、土壤肥沃的2 800 hm2园地，建议退园还耕，避免园地挤占优质耕地，对于宜林草区的海拔较高、坡度较陡的2 900 hm2园地，建议退园还林，解决好用地矛盾。

(4) 林草地的实际面积略小于适宜性面积4 500 hm2，说明烟台在水土保持方面做得较好，但是，还需进一步加大水土保持力度，注意乔、灌、草相结合，提高土地利用率，此外，目前烟台市也有7 800 hm2的林草地位于海拔相对较低、土壤肥沃的宜耕区和宜园区，由于这部分林草地主要为苗圃和各种防护林，所以不建议退林还耕、退林还园。

(5) 通过适宜性分析发现，烟台市土地利用存在一定的不合理性，具有一定的调整空间，建议对不适宜的区域合理调整土地利用类型，优化农业产业布局，充分发挥土地的最大生产潜力，实现可持续发展。

(6) 本研究是在烟台市土地利用适宜性评价的基础上，针对烟台市现有土地利用情况提出土地资源合理利用的建议，对合理化的产业布局有一定指导意义。受时间和资料所限，本文选取的土地适宜性评价因子有限，偏重于土地自然属性，忽略了社会经济因素对土地适宜性及对生产生活的影响；而且权重和评价指标体系的确定，采用专家咨询法，一定程度地加入了人为主观因素；此外，由于DEM数据分辨率和GIS数据分析过程中的误差，对土地的适宜性评价结果也有一定的影响。

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Evaluation of Land Suitability in Yantai City Based on DEM

YAN Weihong1,YI Huapeng1, CHENG Zhenlong1, WANG Guangxuan1, GONG Wei1, ZHANG Xin2

(1.SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,LudongUniversity,Yantai,Shandong264025,China; 2.YantaiMunicipalLandandResourcesBureau,Yantai,Shandong264003,China)

[Objective] According to the principle of giving priority to cultivated land and secondarily considering garden, forest and grass land in land management, the suitability evaluation of the agricultural land was carried out to provide a theoretical basis for rational using of the lands of Yantai City. [Methods] Taking Yantai City of Shandong Province as the study area, using the function of ArcGIS spatial analysis to extract evaluation factors as altitude, slope, relief degree of land surface from DEM data. Combining with soil thickness investigation, the best suitability evaluation index system of agricultural land were determined. Upon which, the distributional suitability rank map of cultivated land, garden, forest and grass land was generated, and the spatial distribution of agricultural land suitability level of Yantai City was formed. [Results] In comparison with the data of second land survey of the Yantai City, the major area of land using was cultivated land, took up about 33% of the total land and covered more than the suitable area. Actual area of garden was smaller than the suitability area， and the actual forest and grass land area was a little less than the suitable area. [Conclusion] The land using of Yantai City is not reasonable, and has a certain room to be adjusted.

DEM; Yantai City; agricultural land; suitability evaluation; evaluation factors

2016-05-19

2016-06-04

国家自然科学基金项目“异质的植物空间分布格局和生态学机制研究”(31000197)，“黄河口生态恢复工程对湿地氮循环关键生物地球化学过程的影响”(41171424)，“海岛植物群落构建机制研究：以庙岛群岛为例”(31570423)

闫潍虹(1991—),女(汉族),山东省潍坊市人,硕士研究生,主要研究方向为水土资源开发与高效利用。E-mail:weihongyan1228@163.com。

衣华鹏(1965—),女(汉族),山东省烟台市人,学士,教授,硕士生导师,主要从事土地资源开发利用方面的科研教学工作。E-mail:huapengyi@sina.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.036

A

1000-288X(2016)06-0210-06

P967, P208

文献参数： 闫潍虹， 衣华鹏， 程振龙, 等.基于DEM的烟台市农用土地适宜性评价[J].水土保持通报，2016,36(6)：210-215.