基于土地适宜性评价的小流域土地规划和利用

赵 楠 高晓丽 赵世昌 黄嘉羽 范雅君

（1 山西农业大学水土保持科学研究所，山西 太原 030013 2 太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024 3 太原市杏花岭区水务局，山西 太原 030000 4 内蒙古通洋水利水电工程咨询有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

土地适宜性评价是区域可持续性发展研究的必要内容，深入开展流域土地适宜性评价和土地利用限制和驱动力，可以更好地规划流域土地利用，并从根本上治理土壤侵蚀和土地不合理利用等生态问题[1]。

20 世纪初，美国景观设计师通过手绘和图像叠加的方式开展了土地适宜性评价[2]。随着计算机和“3S”技术的发展和应用，GIS 技术已被广泛应用于土地适宜性评价[3]。Graaff 等[4]使用3S 技术，对斯图加特某丘陵地区农业用地土地适宜性进行评价，指出改良土壤结构和降低土壤水蚀强度，是提高土地生产力和降低水土流失风险关键性措施。Ria 等[5]将层次分析法和模糊数学方法嵌入ArcGIS 中，建立了包含12项指标的梨种植土地适宜性评估模型。Zak 等与黄晶晶[6]构建了成都彭州市和金堂县综合考虑地形和气象的耕地适宜性评价方法。王海军[7]将Logic 回归模型嵌套进GIS 空间分析中，评价了黑河山区的土地适宜性等级。张玮等[8]全面考量了水资源、土壤、气候和地形等因素，对栖霞市的苹果种植区土地适宜性进行了定量评价。张景华等[9]运用无人机遥感技术，开展了单因子土地适应性评价。朱大威等[10]采用层次分析法和多因子加权叠加法，对江苏省蔬菜种植土地适宜性进行了评价。Rukhsana 等[11]使用多标准评估法和GIS 技术，对西孟加拉南部农作物土地展开的土地适宜性评价结果显示，水稻、马铃薯、槟榔、绿豆中等适宜种植面积分别为22 619.52 hm2、15 240.04 hm2、23 379.55 hm2和23 504.35 hm2。龚亚男[12]等对安徽省铜陵县横冲流域的土地适宜性评价表明，流域内耕地、园地、牧草地和林地的适宜面积分别为5.317 km2、4.855 km2、2.773 km2和7.41 km2。

晋西南黄土丘陵区王家沟小流域受复杂地形的影响，水土流失现象较为严重，土地利用结构不合理。本研究利用流域的降雨量、DEM、土壤类型、土地利用类型和土壤侵蚀强度等数据，基于ArcGIS10.2 平台构建了区域内土地适宜性各评价指标的属性数据库，通过加权和叠加运算法进行了小流域土地适宜性评价，并将水保措施配置原则相结合，进一步提出了小流域各等级土地适宜性的规划方向，是小流域土地利用和决策的有力依据。

1 研究区概况

王家沟小流域位于山西省西南部的吕梁山区，属黄河支流三川河的支沟（图1），流域总面积为9.1 km2。流域气候属暖温带半干旱区，具有典型的黄土丘陵沟壑区地貌，地形破碎且坡度较大，以黄绵土为主要土壤类型，土质疏松，年水面蒸发量为1 844.7 mm，年均降水量为493.5 mm，75%左右集中在7-9 月，暴雨和大雨较多且时间集中，坡陡流急，降雨能够在短时间内汇集形成地表径流，流域内水土流失现象较为严重，土壤侵蚀类型为水力侵蚀。

图1 项目区范围

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

降雨量：来源于山西省水文局提供的2010-2020年雨量站日降雨量值。

土壤类型：来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台，主要有草甸土、黄绵土和淋溶褐土等三种类型。

DEM：来源于地理空间数据云平台中2000 年的DEM 数据（分辨率为30 m），利用ArcGIS 软件对流域的地貌、坡度和坡向等信息进行提取。

土地利用类型数据：来源于太原理工大学数据中心2020 年6 月7 日的GF-1 号遥感影像，通过辐射定标、大气校正、正射校正和图像融合、图像裁剪等的预处理[13]，并利用ENVI 软件对影像数据采用监督分类法[14]进行土地利用分类，主要为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地。

土壤侵蚀强度：利用降雨量、土壤类型、坡度、坡长和水土保持措施等数据，应用中国坡面土壤流失预报方程CSLE[15]进行计算，以微度侵蚀、轻度侵蚀、剧烈侵蚀和极强烈侵蚀为主。

2.2 土地适宜性评价指标与方法

研究选取了土地生产力影响较大的地形地貌、利用方式和侵蚀强度等评价指标。评价结果运用专家评分法[16]，通过指标量化（表1）、加权叠加和权重（表2）等方法计算得各评价单元的综合得分。本研究采用分辨率为30 m×30 m 的土地为评价单元，基于ArcGIS 10.2 建立小流域内各评价单元的指标属性数据库，通过加权叠加运算方法分别得出了各计算单元的土地适宜性等级，其中，运算值≥4 为高度适宜，3～4 为较适宜，2.4～3 为中度适宜，2～2.4 为勉强适宜，＜2 为不适宜。

表1 土地适宜性评价指标的量化值

表2 土地适宜性评价指标的权重值

3 结果与分析

3.1 土地适宜性评价

3.1.1 宜农地适宜性评价

小流域内适宜农耕的土地最少。由图2 可知，小流域内高度适宜农作的土地仅有1.01 km2，占比低至11.11%，该区域仅出现在流域中部区，具有地形平坦地、临近居民、水源丰富、水利设施完备和生产作业水平较高的特点；中等宜农土地面积为3.43 km2，占比为37.73%，该区域具有土地平坦、微度水土流失和土地生产力较好的特点，但农业生产潜力被水源条件不便所限制；勉强适宜农作的土地面积为2.64 km2，占比为29%，该区域主要为台地、缓坡、低山和丘陵地，易受土壤水分和土壤侵蚀所影响，可通过梯田建设将其开垦为农田，作为今后各耕地资源。

图2 宜农地适宜性的评价等级

3.1.2 宜林地适宜性评价

流域内高度宜林的土地面积相对较大。宜林地适宜性评价结果（图3）显示，流域内高度适宜林地种植面积为6.37 hm2，占比为70.04%，主要分布于地形平坦、轻度土壤侵蚀、易开发和土质较好的区域，可大力建设水土保持防风林，增强该区域的防风固土、调节降水和抗水土流失能力；中度适宜林地种植面积为2.53 km2，占比为27.80%，主要分布于地形起伏剧烈、土壤贫瘠和剧烈水土流失的区域，应在现有林地的基础上配设工程措施以达到改善区域生态环境的目的；勉强宜林土地面积为0.19 km2，占比为2.14%，主要分布于地形变化较小、土质良好、水源丰富、水利设施较完备和生产作业水平较高的区域，多适用于农业生产和居住。

图3 宜林地适宜性的评价等级

3.1.3 宜牧地适宜性评价

由图4 可知，小流域高度宜牧地面积最大。高度适宜牧作土地面积为8.67 km2，占总小流域面积的95.30%，该区域草质较好但覆盖度较低，但受剧烈地形起伏的影响，流域内水土流失现象较严重，不适宜林地生长，更适宜牧草的生长；流域内中度适宜牧作土地面积为0.43 km2，占总小流域面积的4.70%，该部分土地由于较差的草质和立地条件，水土流失现象多，应通过工程措施以加强草场的抗风蚀沙化和退化的能力。

图4 宜牧地适宜性的评价等级

此外，有少量位于极陡坡的不适宜地，植被生长严重受限，该地区可通过适当的土地改良方式进行规划和使用。

3.2 小流域土地的利用和规划

根据水土保持措施的规划原则[17]和土地适宜性的评价结果，分析了王家沟小流域不同土地适宜性地块的土地利用和规划方向。

适宜农作区的主要措施为修设水平梯田，主要选择在临近居民点，水源丰富、水利设施完备的区域。农田多布置于地形条件变化较小和立地条件较为优越的地方；而梯田主要适于修建在小于25°的梁峁坡部位，在15°以上和10°以下的坡面上，梯田田面宽度分别宜为5～7m 和10～20 m；在地形变化较小、侵蚀较弱和土地生产潜力受限制的区域，可通过配设水保措施将其开垦为农田。

适宜林地区的主要措施为构建水土保持林。在地形较平坦、侵蚀强度中等、易开发和土质较好的区域可大力实施水土保持林，在土壤贫瘠和水土流失较严重的区域，应当在现有残次林的基础上配设水保工程措施，可大幅增强该区域的抗侵蚀能力[18]；在8°～20°和大于20°的坡度范围内分别适宜实施水平条和配置鱼鳞坑。其中，在小于25°的阳坡上推荐种植杨树、山杏、刺槐、山核桃等经济林，在阴坡上主要推荐有榆树和杨柳等[19]；在陡坡或其他立地条件较差的地方适宜种植抗旱的灌木，如荆条、柏树和油松等[20]。

适宜放牧区的主要措施为人工种草。在坡度较陡的区域种植苜蓿草，在立地条件较差、植被盖度较低和土壤水分较差的区域需采取封禁措施，并严格制定封禁措施的面积，兼具防治土壤流失和提高牧草产量的作用[21]。

4 结论

流域内土地存在明显的差异，小流域内高度宜农地占比仅为11.11%，农田利用受限；高度宜林地占比为70.04%，需大力营造水土保持林；高等宜牧地的占比为95.30%。不适宜造林的土地可开发为牧地，可通过配设封禁措施以促使天然牧草地得以自然恢复；此外，小流域中还存在部分不适宜地，所占面积比例小于5%，其潜在适宜性和潜在生产力较强，可经过适当的土地改良后按土地配置及管理政策进行规划使用。