宦吉林,王鐵霖,吳柏清,2
(1.成都理工大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,成都 610059;2.成都理工大學(xué)青藏高原及其東緣人文地理研究中心,成都 610059)
改革開放以來,經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,工業(yè)化、城鎮(zhèn)化協(xié)同并進(jìn),建設(shè)用地?cái)U(kuò)張不斷侵占大量耕地資源,對(duì)國(guó)家糧食安全造成嚴(yán)重威脅。科學(xué)而合理地開發(fā)耕地后備資源,對(duì)有效補(bǔ)充耕地、保障國(guó)家糧食安全以及可持續(xù)發(fā)展意義重大[1]。桑珠孜區(qū)屬于西藏一江兩河地區(qū),也是藏區(qū)重要的農(nóng)墾區(qū)[2]。耕地質(zhì)量和數(shù)量受制于當(dāng)?shù)刈匀毁Y源,探索其耕地后備資源開發(fā)潛力,對(duì)青藏高原地區(qū)高效補(bǔ)充耕地以及確定耕地后備資源開發(fā)利用方向具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
耕地后備資源開發(fā)是關(guān)乎糧食安全的重要議題,耕地后備資源開發(fā)適宜性和潛力評(píng)價(jià)是耕地后備資源開發(fā)的基礎(chǔ)性工作。目前中國(guó)對(duì)耕地后備資源的研究主要是耕地后備資源的變化及開發(fā)和適宜性評(píng)價(jià)等[3,4]。從評(píng)價(jià)尺度來看,國(guó)內(nèi)學(xué)者側(cè)重于耕地后備資源的理論研究,主要聚焦于全國(guó)[5]、省級(jí)[6]、流域[7]等大尺度的分析,近年來對(duì)區(qū)(縣)級(jí)[8]等小尺度的研究增多,現(xiàn)實(shí)意義更強(qiáng)。耕地資源的分布受到自然、經(jīng)濟(jì)等諸多因素的影響,在空間分布上極不平衡。在不同區(qū)域開展耕地后備資源開發(fā)評(píng)價(jià)時(shí),評(píng)價(jià)因子的遴選及因子權(quán)重的確定對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響尤為顯著。如高原地區(qū)[9]、高山峽谷區(qū)[10]和鹽漬土壤區(qū)[11]等不同地域的因子選取側(cè)重不同。目前學(xué)者在耕地潛力評(píng)價(jià)研究中,廣泛應(yīng)用了層次分析法[12]、生態(tài)位[13]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[14]等方法,并結(jié)合3S技術(shù),進(jìn)一步使得土地適宜性評(píng)價(jià)更加直觀明晰。本研究針對(duì)高原地區(qū)獨(dú)特的資源稟賦條件,篩選評(píng)價(jià)因子,綜合層次分析-熵權(quán)法確定權(quán)重,以克服主觀影響、評(píng)價(jià)結(jié)果信息少和模型算法復(fù)雜的弊端[15],為高原地區(qū)耕地資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展提供參考。
桑珠孜區(qū)位于西藏自治區(qū)日喀則市,屬于西藏一江兩河地區(qū),下轄2街道和10鄉(xiāng),介于東經(jīng)88°30′—89°30′、北緯29°07—29°30′,面積3 653 km2(圖1)。地處青藏高原南部、喜馬拉雅山北麓,雅魯藏布江與年楚河交匯的沖積平原之上,是西藏重要的產(chǎn)糧基地,被稱為“西藏的糧倉”。境內(nèi)地勢(shì)西北高東南低,起伏大;水資源豐富,河流湖泊眾多;典型的高原氣候,半干旱溫帶季風(fēng)氣候,年降水量平均421.9 mm,年平均氣溫6.3℃。
圖1 桑珠孜區(qū)區(qū)位圖及高程
本研究指標(biāo)評(píng)價(jià)體系所需要數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等。其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù);地形高程數(shù)據(jù)來源于地理數(shù)據(jù)空間云(http://www.gscloud.cn),ASTER GDEM 30 m分辨率高程數(shù)據(jù);土壤數(shù)據(jù)主要包括土壤類型、土壤厚度、理化性質(zhì)等,來源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn),分辨率為1∶1 km,采用的土壤分類系統(tǒng)是FAO-90;土地利用數(shù)據(jù)來源于地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng),2020年全球30 m精細(xì)地表覆蓋數(shù)據(jù),其總體精度為84%左右,能滿足研究需求。結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T 21010—2017)》分為耕地、林地、園地、草地、建設(shè)用地、水域、其他用地(包括裸土地、鹽堿地、冰雪等)7個(gè)地類。
為了保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)的一致性,在ArcGIS中對(duì)所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后,重采樣30 m×30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算。
耕地后備資源開發(fā)指的是在一定經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)環(huán)境條件下,未利用地適宜開發(fā)利用為耕地及其他農(nóng)用地的面積。桑珠孜區(qū)可作為耕地開發(fā)的未利用地有其他草地、內(nèi)陸灘涂、沙地、沼澤地、裸地等[16]。由于藏區(qū)的險(xiǎn)峻地勢(shì)、高海拔等限制自然條件及相關(guān)規(guī)程,篩選出坡度小于25°和海拔小于4 200 m[3]的可開發(fā)未利用地,最終確定可開發(fā)的區(qū)域?yàn)楹髠滟Y源開發(fā)。
耕地后備資源開發(fā)的實(shí)質(zhì)是氣候、地形地貌等自然要素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等人文要素對(duì)研究區(qū)耕作適宜程度的評(píng)價(jià)。通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn),征求專家意見后,結(jié)合桑珠孜區(qū)的實(shí)際情況,最終從地形、土壤、土地類型、區(qū)位4個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖2)。
圖2 耕地開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
地形因子包括海拔和坡度2個(gè)指標(biāo)。地形作為自然環(huán)境的重要因素,能影響地表物質(zhì)的遷移和能量的轉(zhuǎn)換,對(duì)耕地分布具有一定的制約作用[17]。在青藏高原地區(qū)耕地的分布上限受到海拔高度的影響;而坡度小于25°的坡地,坡度越小,開發(fā)潛力越大,25°以上坡地限制開發(fā)。土壤因子包括pH、土壤厚度、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)。土壤pH一般接近中性或微弱酸性適宜開發(fā),過酸不適宜開發(fā);土壤厚度影響植物的扎根和土壤養(yǎng)分,影響植物生長(zhǎng);土壤質(zhì)地直接影響植物吸收水分和養(yǎng)分,不同植物對(duì)土壤質(zhì)地的適宜情況也不同;土壤有機(jī)質(zhì)越高,植物生長(zhǎng)越好。土地類型因子有植被覆蓋度和土地利用類型。植被覆蓋度越低,開發(fā)潛力越大;土地利用類型直接影響是否可開發(fā)。區(qū)位有水源距離和耕作距離,水源和耕作距離關(guān)系到耕作的難易程度、便捷性,高原地區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)灌溉條件的需求要高于其他地區(qū),水源距離遠(yuǎn)近對(duì)耕地分布影響顯著;同時(shí)居民點(diǎn)是耕地后備資源分布的核心,水源和居民點(diǎn)成為影響耕地開發(fā)的重要因素[2]。
2.2.1 確定權(quán)重
1)層次分析法。層次分析法[18](AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法,可以用來確定各指標(biāo)的主觀權(quán)重。通過咨詢專家和參考文獻(xiàn),從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次構(gòu)建模型,判斷矩陣確定后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行層次及一致性檢驗(yàn)。在實(shí)際操作中,可使用Yyaph10.0進(jìn)行層次分析確定權(quán)重。
2)熵權(quán)法。熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種,根據(jù)指標(biāo)差異性的大小來確定權(quán)重,排除了人為干擾。為消除量綱影響,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理,其公式如下。
式中,xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)指標(biāo)實(shí)際值;yij為其標(biāo)準(zhǔn)化后的值;maxxj、minxj分別指同一指標(biāo)j,不同評(píng)價(jià)單元的最大值和最小值。
對(duì)各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)構(gòu)造矩陣,設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)單元,m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建矩陣R=(rij)m×n,第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為:
式中,Hi是第i個(gè)指標(biāo)的熵是第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)評(píng)價(jià)單元標(biāo)準(zhǔn)值;當(dāng)fij=0,令fijlnfij=0。
第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)為:
式中,是第i個(gè)指標(biāo)的熵;m=10。
3)綜合權(quán)重。將層次分析法主觀權(quán)重與熵權(quán)法客觀權(quán)重結(jié)合起來,采用拉格朗日乘法算子[19],可確定最終權(quán)重為:
式中,是層次分析法得到的權(quán)重是熵權(quán)法得到的權(quán)重,wi則是AHP和熵權(quán)法結(jié)合的綜合權(quán)重。
結(jié)合公式(5),可以確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重w(i i=1,2…m),且可得
2.2.2 構(gòu)造隸屬度函數(shù) 構(gòu)造隸屬度函數(shù)用來反映評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各適宜等級(jí)的模糊界限。評(píng)價(jià)集是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象所做的評(píng)價(jià)等級(jí),表示為V={v1,v1,…,vm},m為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù),一般情況m取[ ]3,7中的奇數(shù)便于判斷被評(píng)事物的歸屬[20]。本研究中取m=5,即劃分為適宜(v1)、較適宜(v2)、一般適宜(v3)、較不適宜(v4)、不適宜(v5)5個(gè)等級(jí)。本研究采用降(升)半梯形隸屬函數(shù)。降半梯形隸屬函數(shù)如下。
式中,vj表示指標(biāo)隸屬度,其值介于0~1;x為各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際值;a1、a2、a3、a4、a5為單個(gè)指標(biāo)相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。
2.2.3 模糊綜合評(píng)價(jià) 采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)耕地開發(fā)潛力,一般步驟如下。
首先,對(duì)各指標(biāo)模糊評(píng)價(jià)集Ri={ri1,ri2,…,rij}的隸屬度構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣,形成一個(gè)m×n階的模糊關(guān)系矩陣R。
其次,對(duì)于每個(gè)指標(biāo)按照隸屬度函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。設(shè)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為模糊子集wi={w1,w2,…,wi},則可以得到第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。
式中,o為模糊算子,采用加權(quán)平均模型[21],即為指標(biāo)i的權(quán)重;rij為指標(biāo)i在第j等級(jí)的隸屬度。
最后,按照最大隸屬度的原則確定評(píng)價(jià)等級(jí),得到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。
根據(jù)上述公式,m=10代入其中,最終可以得到桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性的各個(gè)指標(biāo)綜合權(quán)重(表1)。
表1 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)指標(biāo)權(quán)重
為了確定桑珠孜區(qū)的耕地后備資源開發(fā)適宜性等級(jí),再結(jié)合前人研究[14,22]和高原地區(qū)的實(shí)際情況,對(duì)選取的10個(gè)指標(biāo)建立統(tǒng)一的耕地后備資源開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。
表2 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
通過上述模糊綜合評(píng)價(jià)方法,在GIS中對(duì)桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià),由于GIS不能對(duì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算,所以使用ArcGIS空間分析功能對(duì)評(píng)價(jià)模型分步運(yùn)算。首先構(gòu)造矩陣R,其中m=10,n=5,可得5×10=50個(gè)隸屬度圖層;在ArcGIS中使用柵格計(jì)算工具可以實(shí)現(xiàn)。之后利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算,令i=10,j=5,通過模糊算子運(yùn)算得到{b1,b2,b3,b4,b5}5個(gè)圖層;使用加權(quán)總和工具可以得到。最后,按照最大隸屬度原則,選取5個(gè)耕地后備資源開發(fā)適宜性隸屬度的最大值,作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果;使用像元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)工具統(tǒng)計(jì)最大值,最后在柵格計(jì)算工具中采用Con函數(shù)求出評(píng)價(jià)結(jié)果。
對(duì)桑珠孜區(qū)10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重分類,可以得到桑珠孜區(qū)各個(gè)指標(biāo)的空間分布(圖3)。從圖3可知,桑珠孜區(qū)地勢(shì)呈中部低四周高,河谷地形,海拔大多分布在3 800 m以上,中部海拔大部分在4 000 m以下,四周在4 000 m以上;地形起伏大,中部地勢(shì)較平緩,四周起伏大,中部大多在2°~6°,四周大多在15°以上。土壤性質(zhì)中,土壤pH和土壤厚度都呈現(xiàn)中高四周低;土壤質(zhì)地分布主要是砂粉土和砂壤土,砂粉土的土壤質(zhì)量與砂壤土相比高,砂粉土在桑珠孜區(qū)中部和南部及東部有少量分布;土壤有機(jī)質(zhì)含量大多在2%以上,有機(jī)質(zhì)含量最高的地區(qū)在南部和東部。植被覆蓋度總體的趨勢(shì)是四周低中部高,空間分布較散。桑珠孜區(qū)的用地情況為城鎮(zhèn)及建設(shè)用地在中部沿河谷,耕地主要分布在沿河地帶,草地占總面積的85%左右,林地和園地零星散布,其他未利用地主要集中分布在沿河地帶。區(qū)內(nèi)有雅魯藏布江和年楚河交匯,水源條件較好。
圖3 桑珠孜區(qū)耕地后備資源評(píng)價(jià)指標(biāo)空間分布
3.3.1 耕地后備資源空間分布 采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法,在可開發(fā)未利用地上對(duì)桑珠孜區(qū)的耕地后備資源開發(fā)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià),得到每個(gè)柵格的開發(fā)適宜性??紤]到耕地的連片度,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果中小于1 km2的圖斑降為不適宜,最后得到桑珠孜區(qū)的耕地后備資源開發(fā)潛力空間分布(圖4),分為適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜、不適宜,分別占1.76%、4.42%、1.94%、0.37%、91.51%,桑珠孜區(qū)整體以不適宜區(qū)為主,適宜僅占極小一部分。在實(shí)際的耕地開發(fā)中,將適宜和較適宜地區(qū)作為桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)的區(qū)域,一般適宜作為過渡帶暫不開發(fā),較不適宜和不適宜不進(jìn)行耕地開發(fā)。
圖4 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果
在GIS中對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì),得到評(píng)價(jià)結(jié)果及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布情況(表3)。從表3可知,適宜區(qū)面積6 441.03 hm2,占全區(qū)總面積的1.76%,其中東嘎鄉(xiāng)和江當(dāng)鄉(xiāng)面積最大,分別為2 430.90和1 189.80 hm2;較適宜區(qū)16 147.17 hm2,占全區(qū)面積的4.42%,其中東嘎鄉(xiāng)面積最大,最小為納爾鄉(xiāng);一般適宜區(qū)7 074.27 hm2,占全區(qū)面積的1.94%,其中東嘎鄉(xiāng)面積最大,城北辦事處最??;較不適宜區(qū)1 352.79 hm2,占全區(qū)面積的0.37%;不適宜區(qū)334 257.50 hm2,占全區(qū)面積的91.51%,其中面積最大是東嘎鄉(xiāng),最小是城北辦事處。在實(shí)際的耕地開發(fā)中,將適宜和較適宜地區(qū)作為桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)的區(qū)域,一般適宜作為過渡帶暫不開發(fā),較不適宜和不適宜不進(jìn)行耕地開發(fā)。從而得到桑珠孜區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源潛力(表4),其總面積為22 588.2 hm2,占全區(qū)面積的6.18%。耕地后備資源開發(fā)潛力最大是東嘎鄉(xiāng),其次是江當(dāng)鄉(xiāng);而耕地開發(fā)潛力小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是納爾鄉(xiāng),僅占全區(qū)面積的0.04%。
表3 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性等級(jí)分類
表4 桑珠孜區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源開發(fā)潛力
3.3.2 桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)建議 東嘎鄉(xiāng)和江當(dāng)鄉(xiāng)耕地后備資源開發(fā)潛力最大,其耕地后備資源分布集中,連片程度高;地處雅魯藏布江河谷地帶,地勢(shì)平坦,臨近水源,自然條件和耕作條件最好;同時(shí)又與城北城南市區(qū)相臨,交通便利,社會(huì)條件較好。其耕地后備資源潛力遠(yuǎn)大于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn),可作為耕地后備資源重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域,總體適宜優(yōu)先開發(fā)。
曲美鄉(xiāng)、曲布雄鄉(xiāng)、聯(lián)鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜等級(jí)以較適宜為主,其自然條件相比東嘎和江當(dāng)鄉(xiāng)略差,地形地勢(shì)條件差,土壤質(zhì)量一般;耕地后備資源分布相對(duì)分散,連片程度低,耕地開發(fā)受到一定的限制。但是總體上具有耕地開發(fā)的潛力。
城南、城北辦事處和納爾鄉(xiāng)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地后備資源開發(fā)潛力最小,可作為后期開發(fā)對(duì)象。城南、城北辦事處作為桑珠孜區(qū)的主城區(qū)其本身面積小,人口密度大,城鎮(zhèn)人口占多數(shù),適宜經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè);而納爾鄉(xiāng)位于桑珠孜區(qū)西南角,地處偏遠(yuǎn),周邊交通不便,離水源較遠(yuǎn),制約明顯。
以青藏高原地區(qū)素有“西藏的糧倉”之稱的桑珠孜區(qū)為研究對(duì)象,基于GIS空間分析技術(shù)和模糊綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)目前桑珠孜區(qū)耕地后備資源開發(fā)適宜性及潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下。
桑珠孜區(qū)耕地后備資源面積僅占全區(qū)面積的6.18%,但桑珠孜區(qū)面域廣闊,總體上后備資源較為豐富。主要分布在東嘎鄉(xiāng)和江當(dāng)鄉(xiāng),且都在沿江地帶,相對(duì)集中;不適宜開發(fā)區(qū)大多分布在北部和南部,這些地方主要受地形、地勢(shì)等自然條件影響。
柵格數(shù)據(jù)計(jì)算得到的評(píng)價(jià)結(jié)果雖較為破碎,但在高原地區(qū),地形地貌相對(duì)分割,因此柵格數(shù)據(jù)更加能反映研究區(qū)的細(xì)節(jié),恰好與高原地區(qū)地形起伏大、地勢(shì)多樣的實(shí)際情況相對(duì)符合。
GIS空間分析功能處理大量數(shù)據(jù),基于GIS建立柵格數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)模型能快速實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用AHP-熵權(quán)法和模糊綜合評(píng)價(jià)方法,減少了確定權(quán)重的人為影響和計(jì)算量,克服了類型劃分的不確定性,有效劃分評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)類型,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。
利用桑珠孜區(qū)2015年土地利用數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)其耕地后備資源開發(fā)潛力,與2015—2020年耕地增加范圍比較發(fā)現(xiàn),與2015年耕地開發(fā)潛力評(píng)價(jià)范圍大致相符;同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果得到的耕地后備資源開發(fā)潛力集中分布在雅魯藏布江河谷地帶,與青藏高原地區(qū)河谷農(nóng)業(yè)分布相一致,河谷地帶平坦,土壤肥沃,有機(jī)物豐富,熱量不易散失。兩者證實(shí)了此方法的可行性。綜合考慮高原地區(qū)的地形、土壤、土地類型和區(qū)位4個(gè)因素建立耕地后備資源開發(fā)潛力評(píng)價(jià)體系,對(duì)桑珠孜區(qū)耕地后備資源潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析,為其耕地后備資源開發(fā)提供參考依據(jù),但是本研究尚未考慮到保護(hù)區(qū)等限制因素及其他自然、社會(huì)條件,還需進(jìn)一步完善指標(biāo)體系。