基于土地適宜性評價的小流域土地規劃和利用

趙 楠 高曉麗 趙世昌 黃嘉羽 范雅君

（1 山西農業大學水土保持科學研究所，山西 太原 030013 2 太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024 3 太原市杏花嶺區水務局，山西 太原 030000 4 內蒙古通洋水利水電工程咨詢有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

土地適宜性評價是區域可持續性發展研究的必要內容，深入開展流域土地適宜性評價和土地利用限制和驅動力，可以更好地規劃流域土地利用，并從根本上治理土壤侵蝕和土地不合理利用等生態問題[1]。

20 世紀初，美國景觀設計師通過手繪和圖像疊加的方式開展了土地適宜性評價[2]。隨著計算機和“3S”技術的發展和應用，GIS 技術已被廣泛應用于土地適宜性評價[3]。Graaff 等[4]使用3S 技術，對斯圖加特某丘陵地區農業用地土地適宜性進行評價，指出改良土壤結構和降低土壤水蝕強度，是提高土地生產力和降低水土流失風險關鍵性措施。Ria 等[5]將層次分析法和模糊數學方法嵌入ArcGIS 中，建立了包含12項指標的梨種植土地適宜性評估模型。Zak 等與黃晶晶[6]構建了成都彭州市和金堂縣綜合考慮地形和氣象的耕地適宜性評價方法。王海軍[7]將Logic 回歸模型嵌套進GIS 空間分析中，評價了黑河山區的土地適宜性等級。張瑋等[8]全面考量了水資源、土壤、氣候和地形等因素，對棲霞市的蘋果種植區土地適宜性進行了定量評價。張景華等[9]運用無人機遙感技術，開展了單因子土地適應性評價。朱大威等[10]采用層次分析法和多因子加權疊加法，對江蘇省蔬菜種植土地適宜性進行了評價。Rukhsana 等[11]使用多標準評估法和GIS 技術，對西孟加拉南部農作物土地展開的土地適宜性評價結果顯示，水稻、馬鈴薯、檳榔、綠豆中等適宜種植面積分別為22 619.52 hm2、15 240.04 hm2、23 379.55 hm2和23 504.35 hm2。龔亞男[12]等對安徽省銅陵縣橫沖流域的土地適宜性評價表明，流域內耕地、園地、牧草地和林地的適宜面積分別為5.317 km2、4.855 km2、2.773 km2和7.41 km2。

晉西南黃土丘陵區王家溝小流域受復雜地形的影響，水土流失現象較為嚴重，土地利用結構不合理。本研究利用流域的降雨量、DEM、土壤類型、土地利用類型和土壤侵蝕強度等數據，基于ArcGIS10.2 平臺構建了區域內土地適宜性各評價指標的屬性數據庫，通過加權和疊加運算法進行了小流域土地適宜性評價，并將水保措施配置原則相結合，進一步提出了小流域各等級土地適宜性的規劃方向，是小流域土地利用和決策的有力依據。

1 研究區概況

王家溝小流域位于山西省西南部的呂梁山區，屬黃河支流三川河的支溝（圖1），流域總面積為9.1 km2。流域氣候屬暖溫帶半干旱區，具有典型的黃土丘陵溝壑區地貌，地形破碎且坡度較大，以黃綿土為主要土壤類型，土質疏松，年水面蒸發量為1 844.7 mm，年均降水量為493.5 mm，75%左右集中在7-9 月，暴雨和大雨較多且時間集中，坡陡流急，降雨能夠在短時間內匯集形成地表徑流，流域內水土流失現象較為嚴重，土壤侵蝕類型為水力侵蝕。

圖1 項目區范圍

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

降雨量：來源于山西省水文局提供的2010-2020年雨量站日降雨量值。

土壤類型：來源于中國科學院地理科學與資源研究所資源環境數據云平臺，主要有草甸土、黃綿土和淋溶褐土等三種類型。

DEM：來源于地理空間數據云平臺中2000 年的DEM 數據（分辨率為30 m），利用ArcGIS 軟件對流域的地貌、坡度和坡向等信息進行提取。

土地利用類型數據：來源于太原理工大學數據中心2020 年6 月7 日的GF-1 號遙感影像，通過輻射定標、大氣校正、正射校正和圖像融合、圖像裁剪等的預處理[13]，并利用ENVI 軟件對影像數據采用監督分類法[14]進行土地利用分類，主要為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地。

土壤侵蝕強度：利用降雨量、土壤類型、坡度、坡長和水土保持措施等數據，應用中國坡面土壤流失預報方程CSLE[15]進行計算，以微度侵蝕、輕度侵蝕、劇烈侵蝕和極強烈侵蝕為主。

2.2 土地適宜性評價指標與方法

研究選取了土地生產力影響較大的地形地貌、利用方式和侵蝕強度等評價指標。評價結果運用專家評分法[16]，通過指標量化（表1）、加權疊加和權重（表2）等方法計算得各評價單元的綜合得分。本研究采用分辨率為30 m×30 m 的土地為評價單元，基于ArcGIS 10.2 建立小流域內各評價單元的指標屬性數據庫，通過加權疊加運算方法分別得出了各計算單元的土地適宜性等級，其中，運算值≥4 為高度適宜，3～4 為較適宜，2.4～3 為中度適宜，2～2.4 為勉強適宜，＜2 為不適宜。

表1 土地適宜性評價指標的量化值

表2 土地適宜性評價指標的權重值

3 結果與分析

3.1 土地適宜性評價

3.1.1 宜農地適宜性評價

小流域內適宜農耕的土地最少。由圖2 可知，小流域內高度適宜農作的土地僅有1.01 km2，占比低至11.11%，該區域僅出現在流域中部區，具有地形平坦地、臨近居民、水源豐富、水利設施完備和生產作業水平較高的特點；中等宜農土地面積為3.43 km2，占比為37.73%，該區域具有土地平坦、微度水土流失和土地生產力較好的特點，但農業生產潛力被水源條件不便所限制；勉強適宜農作的土地面積為2.64 km2，占比為29%，該區域主要為臺地、緩坡、低山和丘陵地，易受土壤水分和土壤侵蝕所影響，可通過梯田建設將其開墾為農田，作為今后各耕地資源。

圖2 宜農地適宜性的評價等級

3.1.2 宜林地適宜性評價

流域內高度宜林的土地面積相對較大。宜林地適宜性評價結果（圖3）顯示，流域內高度適宜林地種植面積為6.37 hm2，占比為70.04%，主要分布于地形平坦、輕度土壤侵蝕、易開發和土質較好的區域，可大力建設水土保持防風林，增強該區域的防風固土、調節降水和抗水土流失能力；中度適宜林地種植面積為2.53 km2，占比為27.80%，主要分布于地形起伏劇烈、土壤貧瘠和劇烈水土流失的區域，應在現有林地的基礎上配設工程措施以達到改善區域生態環境的目的；勉強宜林土地面積為0.19 km2，占比為2.14%，主要分布于地形變化較小、土質良好、水源豐富、水利設施較完備和生產作業水平較高的區域，多適用于農業生產和居住。

圖3 宜林地適宜性的評價等級

3.1.3 宜牧地適宜性評價

由圖4 可知，小流域高度宜牧地面積最大。高度適宜牧作土地面積為8.67 km2，占總小流域面積的95.30%，該區域草質較好但覆蓋度較低，但受劇烈地形起伏的影響，流域內水土流失現象較嚴重，不適宜林地生長，更適宜牧草的生長；流域內中度適宜牧作土地面積為0.43 km2，占總小流域面積的4.70%，該部分土地由于較差的草質和立地條件，水土流失現象多，應通過工程措施以加強草場的抗風蝕沙化和退化的能力。

圖4 宜牧地適宜性的評價等級

此外，有少量位于極陡坡的不適宜地，植被生長嚴重受限，該地區可通過適當的土地改良方式進行規劃和使用。

3.2 小流域土地的利用和規劃

根據水土保持措施的規劃原則[17]和土地適宜性的評價結果，分析了王家溝小流域不同土地適宜性地塊的土地利用和規劃方向。

適宜農作區的主要措施為修設水平梯田，主要選擇在臨近居民點，水源豐富、水利設施完備的區域。農田多布置于地形條件變化較小和立地條件較為優越的地方；而梯田主要適于修建在小于25°的梁峁坡部位，在15°以上和10°以下的坡面上，梯田田面寬度分別宜為5～7m 和10～20 m；在地形變化較小、侵蝕較弱和土地生產潛力受限制的區域，可通過配設水保措施將其開墾為農田。

適宜林地區的主要措施為構建水土保持林。在地形較平坦、侵蝕強度中等、易開發和土質較好的區域可大力實施水土保持林，在土壤貧瘠和水土流失較嚴重的區域，應當在現有殘次林的基礎上配設水保工程措施，可大幅增強該區域的抗侵蝕能力[18]；在8°～20°和大于20°的坡度范圍內分別適宜實施水平條和配置魚鱗坑。其中，在小于25°的陽坡上推薦種植楊樹、山杏、刺槐、山核桃等經濟林，在陰坡上主要推薦有榆樹和楊柳等[19]；在陡坡或其他立地條件較差的地方適宜種植抗旱的灌木，如荊條、柏樹和油松等[20]。

適宜放牧區的主要措施為人工種草。在坡度較陡的區域種植苜蓿草，在立地條件較差、植被蓋度較低和土壤水分較差的區域需采取封禁措施，并嚴格制定封禁措施的面積，兼具防治土壤流失和提高牧草產量的作用[21]。

4 結論

流域內土地存在明顯的差異，小流域內高度宜農地占比僅為11.11%，農田利用受限；高度宜林地占比為70.04%，需大力營造水土保持林；高等宜牧地的占比為95.30%。不適宜造林的土地可開發為牧地，可通過配設封禁措施以促使天然牧草地得以自然恢復；此外，小流域中還存在部分不適宜地，所占面積比例小于5%，其潛在適宜性和潛在生產力較強，可經過適當的土地改良后按土地配置及管理政策進行規劃使用。