基于GIS的滇中高原耕地适宜性分析——以易门县为例

何万华，周文佐,田 罗，刘东红

(西南大学 地理科学学院，重庆 400715)

基于GIS的滇中高原耕地适宜性分析
——以易门县为例

何万华，周文佐*,田 罗，刘东红

(西南大学 地理科学学院，重庆 400715)

开展耕地适宜评价是编制农业发展规划，优化耕地资源配置的基础性工作，以易门县耕地资源为研究对象，选取了立地因素、土壤条件、管理条件3个主导因素9个评价因子构成了该区域的评价体系。依据土地适宜性分析的数学评价模型，利用加权指数和法、限制因素法、层次分析法，并结合GIS空间分析、统计软件，得出易门县100 m×100 m栅格精度的耕地适宜性等级。分析统计了易门县各乡镇适宜耕地数量、人均适宜耕地面积以及空间分布特征，结果得出：在数量上，该县耕地23981 hm2中，最适宜类6956 hm2，中等适宜类14424 hm2，临界适宜类2162 hm2，不适宜类439 hm2；人均耕地面积为0.14 hm2，中等适宜类以上占到89%。在空间上，易门县耕地适宜性整体呈现东高西低的特点，最适宜类和中等适宜类集中分布中西部平坝地区；临界适宜类和不适宜类主要分布在南部、西北部高山区域。最后，以耕地适宜等级大小为农作物布局依据，为作物空间布局指明了宜烟草、宜林、应改良区域。

适宜性分析；GIS；易门县；滇中高原

2017年国家财政部下发的国农办[2016]46号文件中强调加强对耕地保护与质量提升的补贴力度，这表明在土地利用过程中，确保我国耕地红线[1]与粮食安全战略的目标下，耕地适宜性评价对耕地资源的优化配置、高效利用和可持续发展意义重大[2]。耕地适宜性评价[3-5]是通过影响耕地利用多个因素的综合分析，主要集中在评价因子指标体系构建、评价单元的确定、评价模型及评价方法、评价技术手段和适宜性分析结果的应用研究中[6-7]。在评价体系构建中，选取恰当因子十分重要，评价因子选取需要遵循可得性、可行性、长期主导性、可量化性原则[8]。现用于耕地适宜性分析方法主要有主成分分析法、加权指数和法、模糊神经网络法、模糊集合综合评价法、灰色关联度分析法、聚类分析法、物元分析法等[9-13]。加权指数和法在土地适宜性评价中使用频率较高[14-15]，加权指数和法是确定其评价因子及其权重后，对评价单元各参评因子等级指数与权重乘积再累加得到单元综合分值，最后在确定适宜级别[16-17]。评价单元的划分有土壤类型图斑、土地利用现状图图斑、一定大小的栅格为最基本的评价单元[18]。将研究区域划分为一定大小的栅格单元[19]易于图形叠加和模型计算，评价结果比较客观[20]。伴随GIS软件在土地适宜性分析中的应用，土地适宜性分析研究日渐成熟且稳定。但研究区域涉及高原山地区耕地适宜性分析较少[21-22]。本文以滇中高原易门县耕地为研究对象，用土地适应性分析模型的一般形式为评价模型，以一定大小栅格为基本单元，利用加权指数和法并结合限制性因素法评价易门县各乡镇耕地适宜性。以期为滇中高原耕地资源优化配置和农业布局提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 区域概况

易门县地处云南省玉溪市滇中高原的西部(图1)。地处北纬24°27′～24°57′、东经101°54′～102°18′，属中亚热带季风气候区。其地势整体形态约呈马蹄形，即中北部高，东西南部低，三级阶梯分布明显。地形以山间盆地、中山峡谷为主，面积157100 hm2，其中高山河谷分布面积最广，占易门县总面积97.0%，而平坝区面积仅占总面积的3.0%，大部分属于岩溶地貌；其中耕地面积为23981 hm2，包括旱地19364.95 hm2、水田4616.05 hm2。人口177110人，人均耕地面积0.14 hm2，高于同期全国人均耕地面积。在县辖四乡三镇境内除汉族外，还居住着彝、哈尼、回、苗、白等少数民族，少数民族人口占了29.3%，属于典型的少数民族聚居区。该区域农业占有重要地位，烟草种植面积广阔，对耕地依赖性大[23]。

1.2 数据来源与处理

耕地数据和管理条件数据来源于2009年易门县全国第二次土地调查数据库和易门县土地利用总体规划成果(2006～2020年)；立地条件数据来自2015年易门县等高线地形图(1∶10000)；土壤理化性状数据从2009年易门县《基本烟田规划》数据中提取；易门县行政区划数据来源于2015年全国县级矢量数据图；以及人口数据采用2010年第六次中国人口普查数据。

图1 易门县位置示意图

研究中采用易门的等高线地形图，利用ArcGIS软件空间分析功能建立TIN数字高程模型,生成坡度、坡向图，依据属性分类之后确定单元贡献函数值[24]。土壤理化性状数据，根据属性值分类确定评价单元因素因子贡献函数值。由易门第二次土地调查数据库中提取灌溉保障率、居民地条件、交通通达性，按照相应的要求建立缓冲区，按管理便携程度再确定评价单元内贡献函数值。最后，参照易门县土地利用总体规划成果(2006～2020年)和易门第二次土地调查数据库中耕地为评价对象，利用ArcGIS软件建立易门县耕地适宜性评价地理数据库。

2 评价体系的构建与综合评价

2.1 评价对象的影响因素和因子

建立评价体系的关键在于科学、客观、合理地选取评价指标，要求尽量选择比较稳定且可量化的参评因子[25]。选择评价因素和因子时，则选择对耕地生产和利用具有直接影响的数据。而某些数据难获得或成本较高，或区域差异不明显，需要舍弃。本文最终选取3个主导因素9个参评因子构成耕地评价体系如图2。

2.2 计算因素及其因子贡献函数值

各影响因素中单因子评分标准的建立对土地适宜性评价十分关键，参评因子属性集(v)的确定是准确评价耕地适宜性的基础。3个主导因素对耕地适宜性的贡献大小和适应程度存在差异，利用GIS软件能够生成各影响因素因子属性优劣分级数据Ri(i=1,2,3)，即立地因素影响因子及属性分级表R1(表1)；同理,可以生成土壤理化性质及属性分级数据表R2(表2)、管理因素影响因子及属性分级数据表R3(表3)，图3为单因子图层。

贡献函数值可以按照影响因素的级别来确定，本文将各因素按耕地适宜性贡献函数值大小Pji划分为4个等级，则在主导因素中各因子第1等级适宜的指标值定为贡献函数值100，各因子第4等级适宜的指标值定为贡献函数值1[24],每个因素属性集满足从优到劣的全序集V11>Vjk>…>Vnl，则各因素4级量化标准对应的贡献函数值评分p分别为：p1i=100、p2i=67、p3i=33、p4i=1[24]。

图2 耕地适宜性评价体系图

立地因素分级贡献函数值坡度/°0～51005～156715～2533≥251坡向平坡、阳坡100半阳坡67半阴坡33阴坡1

2.3 因素及其因子权重确定

本文因子权重值(W)赋值是基于对评价对象的贡献值和适宜程度来确定的，并运用层次分析法[14]并结合《TDT 1004─2003农用地分等规程》附录C《农用地分等推荐因素及其分等和权重》确定各因素因子权重见表4。

表2 土壤理化性质及属性分级R2

根据各因素的权重(w)与贡献函数值(p)的关系式，建立各因素评价指标值(表5)，该指标可与影响因素因子属性等级数据Ri结合，为耕地适宜性评价提供依据。

2.4 评价单元划分

土地评价单元是性状比较一致的独立的评价单元，是各个因子综合迭加而成的最基本单元[26]。建立数据库后选取易门县耕地中水田、旱地为评价范围，将评价单元确定为100 m×100 m(1 hm2)栅格，共有23981个评价单元。

表3 管理因素因子及属性分级R3

2.5 综合评价模型和方法

本文尝试用土地适宜分析模型的一般形式用于耕地适宜性分析，并在限制性条件下的加权指数合法结合，即以易门县耕地适宜性级别(T)为评价对象，形成主导因素并对应参评因子，用GIS空间分析软件生成的各评价影响因素因子及其属性，按其属性集的优劣，可用下列矩阵表示：

(1)

式(1)中：P为Xi对T的贡献函数值；i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…,l；W为Xi对T的权重值；Xi为T的因素。下同。

以此矩阵为基础，加上GIS功能的支持，可以求出每个栅格单元综合分值R(T)，具体见公式(2)：

(2)

表4 评价因子权重

图3 部分单因子图层

级别立地因素坡度坡向土壤因素土壤质地有机质含量土壤pH值土壤养分管理因素居民地灌溉保证率交通条件116.008.0016.0013.009.0013.006.0013.006.00210.705.4010.708.716.038.714.028.714.0235.302.605.304.292.974.291.984.291.9840.160.080.130.160.130.090.130.060.06

每个单元确定综合分值后，为了最终判定所选耕地的适宜性等级，根据公式(3)：

(3)

值为最大时P对应j的原理确定耕地适宜性等级。在适宜级为S2或S3时，必须同时确定其限制因子L(xi)[24]，具体见公式(4)：

(4)

2.6 耕地适宜性评级

参照联合国《土地评价纲要》并通过评价研究可将耕地分为最适宜(S1)、中等适宜(S2)、临界适宜(S3)、不适宜(S4)4个等级[27]。然后通过对耕地的影响因素因子及属性分级数据Ri，切换为表5相同等级对应的指标值，按公式(2)可得出每个评价单元的综合分值R(T)。据公式(3)将R(T)分级后实现对易门县耕地适宜等级评定，即式(3)的值为最大值时贡献函数值P所对应的j(j=1,2,3,4)为易门县耕地适宜性等级Sj(j=1,2,3,4)。在此基础上考虑了限制性因素，并运用到适宜性评级中：即坡度作为一个适宜性评价的限制性因子，只要坡度大于25°的评价单元，其他条件再好，也只能确定为不适宜等级S4。从而最终得到耕地4级R(T)分级标准(表6)。

表6 (RT)4级适宜性分级标准

3 结果分析与应用

3.1 结果分析

适宜等级G(Pji)最大值对应法将R(T)分级后，得到R(T)最小值0.28，最小值0.28并未达到R(T)4级适宜标准S4[R(T)<0.17]，因参考了限制性因素法，最终有了不适宜等级S4；最大值1，数值主要集中在0.6～0.8之间，平均值达到0.72，这与统计结果易门县耕地S2适宜性居多，S3、S4适宜类居少相对应。最后，用ArcGIS软件以100 m×100 m栅格精度输出得到易门县耕地适宜性评级结果(图4)，并统计了易门县耕地不同适宜等级的面积(表7),再根据耕地适宜评价结果与易门县各乡镇矢量数据叠加得到各乡镇耕地适宜等级面积(表8)。

易门县耕地适宜性等级与其栅格DEM叠加图(图4)，更能直观地反映滇中高原山地地形地势对耕地影响，其中最适宜类(S1)6956 hm2，占总评价区域的29%，主要集中分布在六街镇、龙泉镇一线平坝河流冲击形成的缓坡地区。这一带地区属于易门县经济核心地带，人口集中，耕地离居民点较近，管理条件优越；省道S213穿过，有良好的交通通达性；周边有河流水库修建，灌溉保证率高；离城区较近，耕地土壤肥力充分保证，土壤pH值主要集中在6.0～7.9。此类耕地没有限制性因子，在土地利用规划中，属于基本耕地，不宜调整。

中等适宜类(S2)14424 hm2，占总评价面积的60.1%，各乡镇均有大面积分布。中等适宜类和临界适宜类确定时，必须用公式(4)确定限制性因子。易门县有着山间多平坝，局部多梯田的山地高原地形特点，其限制性因素主要是受管理条件、立地因素的影响。易门县山高谷深的自然地理条件决定了道路开发难度大，导致交通和灌溉保证率不足。水田、水浇地主要分布在山间平坝地区，地形较为平坦，相对位置较低；但旱地主要分布在山间，受立地因素较大，坡度是其最大限制因子，地形坡度大于25°的且人均耕地满足退耕还林要求的耕地还需退耕还林还草。

临界适宜类(S3)2162 hm2，占总面积的9%，主要分布在六街镇、龙泉镇及绿汁镇高海拔山地区，此类影响因素中，集中体现在受土壤质量差肥力不够、灌溉保证率低、交通条件差、离居民地远、处于阴坡、坡度大等因素限制。此类耕地利用率低，需要改良或退耕还林还草。

不适宜类(S4)439 hm2，仅占总评面积的1.9%，此类地受地形坡度的影响，坡度大于25°，不宜耕作利用，应退耕还林还草，调整为林地，保持水土。

图4 易门县耕地适宜性分级图

项目适宜等级S1S2S3S4合计面积/hm2695614424216243923981所占份额/%29.060.19.01.9100.0

3.2 结果应用

云南省玉溪市各区县盛产烟草，核桃、柑橘等作物，其中烟叶质量的好坏主要受遗传因素、生态环境和栽培技术相互作用的结果[28]，影响烟叶生长和质量的生态因素主要包括气候、土壤、海拔以及地形地势等[29-30]。所以其生长的好坏与其耕地适宜程度有很大关联。其评价结果可为确定最适应的用地方式和充分发挥生产潜力提供依据。从而以耕地适宜等级为农作物布局依据，可把深受坡度影响的不适宜类，调整为林地，适宜种植核桃、柑橘等当地经济作物；临界适宜类应有效地改良可作为备用耕地；最适宜类与中等适宜类适合当地经济作物烟草的种植，该适宜类耕地能最大限度地满足烟草生长(图5)。

表8易门县各乡镇耕地适宜性统计结果

hm2

图5 作物适宜区

4 结语

本文以易门县耕地资源为评价对象，评价结果表明：易门县耕地资源空间分布差异显著，高原山地对耕地适宜性的影响大。该县耕地23981 hm2中，最适宜类6956 hm2、中等适宜类14424 hm2，两者占总评价面积的89.1%，这类耕地分布面积广，适宜当地烟草种植；不适宜类439 hm2，仅占总评面积的1.9%，此类耕地需调整为林地，适宜核桃、柑橘等作物种植，主要集中分布在易门县西部；临界适宜类2162 hm2，占总评面积的9%，此类地需改良再加以利用。在人均耕地面积0.14 hm2中，中等适宜类以上耕地面积占0.12 hm2，充分说明了易门县耕地资源开发较为合理，耕地资源适宜性普遍高。然而耕地适宜性分析中限制因子普遍存在，在耕地具体利用过程中则需要针对其限制因子，做出最优的作物种类布局，实现因地制宜、高效利用耕地。本文以地理信息系统(GIS)技术为依托，用土地适宜评价的一般模型和方法应用于耕地适宜性评价，在耕地适宜性评价技术与方法上有一定的创新，为农作物布局规划有一定参考价值。

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SuitabilityAnalysisofCultivatedLandinPlateauofCentralYunnanBasedonGIS:ACaseStudyofYimenCounty

HE Wan-hua, ZHOU Wen-zuo*, TIAN Luo, LIU Dong-hong

(School of Geographical Science, Southwestern University, Chongqing 400715, China)

The evaluation of cultivated land suitability is the basic work of compiling agricultural development plan and optimizing the allocation of cultivated land resources. Using the resources of cultivated land in Yimen county as the research object, we selected 9 factors from the aspects of land site, soil condition and management condition to construct an evaluation system for the cultivated land suitability in this county. Based on the land suitability evaluation mathematical model, by using the weighted exponential sum method, restriction factor method, AHP, GIS spatial analysis, and statistical software, the author calculated and obtained the suitability level of cultivated land grids (100 m×100 m) in Yimen county, and statistically analyzed the suitable cultivated land quantity and spatial distribution characteristics, and per-capita suitable cultivated land area of each township in this county. The results showed that: among 23981 hm2cultivated land in Yimen county, there were 6956 hm2most suitable cultivated land, 14424 hm2moderately suitable cultivated land, 2162 hm2critically suitable cultivated land, and 439 hm2unsuitable cultivated land; the per-capita cultivated land area was 0.14 hm2, and the most or moderately suitable cultivated land accounted for 89% of total cultivated land. The spatial distribution of cultivated land suitability in Yimen county generally revealed the characteristics of being high in eastern part and being low in western part; the most suitable cultivated land and moderately suitable cultivated land were concentratedly distributed in Pingba area of middle and western part; the critically suitable cultivated land and unsuitable cultivated land were mainly distributed in mountainous area of southern and northwestern part. Finally, according to the level of cultivated land suitability in Yimen county, the author pointed out the regions which were suitable for tobacco and forestry, or should be improved.

Suitability analysis; GIS; Yimen county; Central Yunnan plateau

2017-06-28

国家自然科学基金(41571093)。

何万华(1991─)，男，云南楚雄人，硕士研究生，主要从事土地利用与土壤环境研究。*通讯作者：周文佐。

S127；F323.211

A

1001-8581(2017)11-0038-06

(责任编辑：曾小军)