基于變權模型的未利用地宜耕性模糊綜合評價
——以河北省昌黎縣為例

鄭 宇， 楊偉州， 張蓬濤， 趙 麗

(河北農業大學國土資源學院，河北保定 071001)

隨著我國經濟的飛速發展及城鎮化進程的加快，城鎮建設用地占用了大量的耕地資源，導致我國耕地數量銳減。因此，在加強耕地保護的背景下，合理高效地開發利用未利用地資源已成為保障1.2億hm2耕地紅線的必然選擇。河北省昌黎縣作為京津冀協同發展區、環渤海經濟圈的重要經濟增長點，同時也是京津冀地區的糧食主產區，具有對周圍地區提供糧食補給的功能。因此，將其區域內的未利用地資源合理開發成耕地，對實現耕地總量動態平衡具有重要的現實意義。

對于未利用地適宜性評價的研究，以往一般都采用靜態的常權評價[1-4]，即無論參評因素狀態值如何變化，權重值總是保持不變，但是在實際評價中，參評因素的影響程度并非一成不變，而是隨著某一因素狀態值的變化而變化。如果采用常權綜合評價方法，狀態較差的因素有可能被其他較優的因素中和，使最終評價值過于樂觀，進而失去評價的客觀公正性。而變權理論通過考慮各因素狀態值之間的組合水平，體現個別因素的明顯變化，有助于解決因指標權重恒定不變而引起的評價不合理的問題。因此，本研究以河北省昌黎縣未利用地資源為研究對象，采用基于變權模型的模糊綜合評價法，對其縣域內的未利用地資源進行宜耕性評價。

1 研究方法

1.1 變權理論與方法

變權綜合思想是汪培莊最早提出的一種綜合決策方法[5]，隨后李洪興在其基礎上對變權原理進行系統研究，給出3種類型變權的公理化定義，分別為懲罰型、激勵型、混合型[6]。變權理論的核心是評價因子的權重隨各評價因子值的變化而變化，可以更好地體現響應因素變動在決策中的作用[7]，使評價結果更接近區域實際。近年來，在土地領域被廣泛應用于土地生態安全評價[8-11]、臨時用地復墾適宜性評價[12]等研究中。對未利用地宜耕性評價結果影響最大的不是區域開發優勢因子，而是決定區域土地資源的開發利用效率和開發強度區域的限制性因子，這類因子的實際值有些達不到未利用地開發為耕地的最低要求，但常權評價中優勢因子作用常把這類因子的限制作用掩蓋，導致評價結果過于樂觀，須運用懲罰型變權的指標權重修正方法，結合區域實際情況對限制性因子進行懲罰。因此，本研究選擇局部懲罰性變權法進行權重范圍的確定。局部懲罰型變權法定義如下：

定義2[14]：給定映射w：[0，1]m→(0，1]m，稱w(x)=[w1(x)，w2(x),…,wm(x)]為m維局部變權向量，X=(x1，x2，…，xm)，如果滿足條件：(1)歸一性：w：[0，1]m→(0，1]m=1；(2)懲罰性：對?i∈{1,2,…,m}，存在αi∈(0，1) ，使得wi(x) 在[0，αi]上單調遞減，則變權的公理化公式可定義為

(1)

(2)

式中：αi表示懲罰水平；xi為指標狀態值；λ是接近于0的參數，參考文獻[12]，λ取值為10-10。

1.2 模糊綜合評價法

未利用地宜耕性評價是一個典型的涉及多因素的綜合評價，這種評價不可避免地帶有結論上的模糊性，因此，要提高未利用地宜耕性評價結論的準確性，必須找到一種能夠處理多因素、模糊性等問題的評價方法。模糊綜合評價方法是一種應用模糊變換原理，通過綜合考慮影響某事物的各個因素，對該事物的優劣做出科學評價的分析方法[16]。這種方法有效地解決了評價過程中出現的模糊性和多因素的問題，且將定性與定量有機結合起來，從而加強了評價過程的科學性。

本研究采用應用較為廣泛的降半梯形隸屬度函數來確定單因素指標對各等級模糊子集的隸屬度[17]。在指標范圍內確定了V1、V2、V3、V4等4個分界點，其中，V1為高度適宜區與中度適宜區的間斷點，V2為高度適宜區、中度適宜區間斷點與中度適宜區、勉強適宜區間斷點的平均值，V3為中度、適宜區勉強適宜區間斷點與勉強適宜區、不適宜區間斷點的平均值，V4為不適宜區與勉強適宜區的間斷點，各等級的隸屬函數通式為

(3)

(4)

(5)

在GIS軟件中根據以上隸屬函數及各因素圖層算出5個因素分別隸屬于高度適宜、中度適宜、勉強適宜及不適宜的程度，形成隸屬度矩陣Ri，即20個隸屬度柵格圖層。

本研究的評價指標體系只有1層，因此僅須要進行單層模糊綜合評價，將變權權重W與隸屬度矩陣Ri進行合成，這里采用使用較廣泛的加權模糊綜合評判模型進行模糊變換，模型如下：

(6)

式中：B為單層模糊綜合評價矩陣；bi(i=1，2，3，4)表示評價單元對Vi等級的隸屬程度。

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

昌黎縣(39°22′～39°48′N，118°45′～119°20′E)隸屬河北省秦皇島市，位于秦皇島西南部，轄區內共有3條水系，分別為灤河、七里海、飲馬河，共有12條河渠。土壤類型以棕壤、褐土、潮土為主，其他分布較少的還有沼澤土、鹽土、風沙土等。全縣下轄11個鎮5個鄉1個區1個國有林場，共446個行政村；土地總面積為 1 210.00 km2，未利用地面積為 77.86 km2，占土地總面積的6.43%，昌黎縣未利用地主要分布在東部沿海地區、北部山區和西部沿灤河地區。根據2007年全國土地分類國家標準，結合昌黎縣的實際情況，本研究中未利用地主要包括其他草地、內陸灘涂、沙地、沿海灘涂、鹽堿地、裸地等。

2.2 數據來源

本研究所采用的數據來源于河北省昌黎縣2014年土地利用變更數據庫、河北省昌黎縣未利用地調查結果、《昌黎縣土地利用總體規劃(2010—2020年)》[18]、河北省昌黎縣土壤類型分布圖等。

3 未利用地宜耕性評價

3.1 可開發未利用地提取

考慮到未利用地的開發要與《昌黎縣土地利用總體規劃(2011—2020年)》[18]確立的土地利用宏觀調控相銜接，因此，將位于河北省昌黎縣禁止建設區中的碣石山風景名勝區、黃金海岸自然保護區及灤河口濕地的核心區中所包含的未利用地列入禁止開發區，將剩余的未利用地作為最終確定的研究區。因此，本研究的未利用地面積為1 953 hm2，占河北省昌黎縣土地總面積的1.61%，河北省昌黎縣可開發未利用地的分布情況如圖1所示。

3.2 適宜性評價單元劃分

土地評價單元劃分的方法包括地塊法、疊置法、多邊形法等?？紤]到河北省昌黎縣未利用地面積較小且分布零散，因此，本研究采用地塊法劃分評價單元，根據河北省昌黎縣未利用地的分布、類型等情況，提取2014年河北省昌黎縣土地利用現狀圖中的未利用地圖斑作為基本評價單元。

3.3 評價指標的選取及分級

本研究評價指標的選取以反映土地質量的全面性、代表性、穩定性、區域差異性為原則。從土地宜耕性潛力的角度出發，以指導該地區未利用地的開發與利用為目的，結合昌黎縣的區域特點、農業生產條件等具體情況選取評價指標，本研究共選取坡度、有效土層厚度、土壤質地、有機質含量、耕作便利度等5項參評因素，并參考文獻[19-21]對參評因素進行指標分級。

3.3.1 土壤質地 土壤質地是墾造耕地的“本”，對土壤的通氣透水性、保水保肥性、耕作性狀、養分含量及作物的綜合反應都有較大的影響，是影響耕地質量的重要因素，因此，選擇土壤質地作為評價指標之一。土壤質地指標的分級詳情如表1所示。

3.3.2 有效土層厚度 有效土層厚度是墾造耕地的“基”，是土壤肥力和植物生長的重要物質基礎，也是能否墾造耕地的基本要素，因此，將有效土層厚度作為評價指標之一，根據研究區的有效土層厚度的基本情況，將該指標分為4級，分級詳情如表1所示。

3.3.3 有機質含量 有機質含量影響著土壤的肥力，進而成為判斷土地是否適宜耕種的因素之一，參考《昌黎縣土壤志》[22]等資料，將有機質含量分為4級，分級詳情如表1所示。

3.3.4 坡度 土地進行開發時被侵蝕的強弱與坡度的陡緩有直接關系，土地坡度越大，水土流失的可能性就越大。坡度是影響耕地質量的重要因素，因此成為評價指標之一。根據研究區的坡度情況，再綜合各作物的實際需求，將坡度評價因子分為4級，分級詳情如表1所示。

3.3.5 耕作便利度 宜耕未利用地距居民居住點的遠近及周圍的道路交通狀況也會直接影響農民利用耕地的積極性和效益，因此，耕作便利度也是一項重要的參評因素，根據研究區村民對耕作距離的反映情況，將該指標分為4級，分級詳情如表1所示。

表1 河北省昌黎縣未利用地宜耕性評價指標的分級標準及權重

3.4 確定指標權重

3.4.1 基礎權重確定 未利用地適宜性評價是多因素評價，在同一級評價要素內，評價因子相互作用影響。本研究采用層次分析法確定各因素的基礎權重。首先，對評價體系中選取的5個評級因子重要程度進行兩兩比較，構建其判斷矩陣，矩陣的意義在于求出每個因子在判定層中的權重，所以須對矩陣進行歸一化處理，求解該判斷矩陣的特征向量和最大特征值，從而得出每個因子在判斷層中對應的權重值[23]。并且對結果進行一致性和隨機性檢驗，檢驗公式如下：

(7)

式中：CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，當n=5時，RI=1.12。當CR<0.1時，認為判斷矩陣一致性較好，根據表1數據計算得到CR=0.041<0.1，符合要求，說明各因子權重值分配合理。

3.4.2 變權權重確定 根據上步計算確定的基礎權重，采用局部懲罰型變權法調節各指標權重范圍值，對各參評因素中較差的指標值進行權重的懲罰，首先將各類指標值進行標準化處理，并且將負向指標正向化，因為勉強適宜等級與不適宜等級的地區土地質量較差，對耕作有較大的限制，暫不適合開發為耕地。因此，本研究采用中度適宜等級與勉強適宜等級的分界值作為懲罰的參考標準，即αj值，再根據公式(1)、公式(2)在GIS軟件中計算評價單元的各參評因素的變權權重(表1)。

3.5 模糊綜合評價

根據研究方法中對模糊綜合評價方法的介紹可知，B為單層模糊綜合評價矩陣，是各個評價對象對等級程度的描述，須進一步處理才能應用，這里采用重心法模型進行加權求和，對高度適宜區、中度適宜區、勉強適宜區和不適宜區所代表的b1、b2、b3、b4分別賦值為8、6、4、2，得到河北省昌黎縣未利用地宜耕性評價綜合分值M，其模型為

(8)

式中：θ是對bi起主控作用的參數(θ=1，2)，參考文獻[17]，本研究中的θ取值為2；εi為各等級所賦分值。在對模糊評價結果單值化轉換得到河北省昌黎縣未利用地適宜性綜合評價得分M后，生成未利用地宜耕性評價綜合分值圖。為了劃分昌黎縣未利用地的適宜程度，本研究將評價結果在GIS軟件中進行聚類分析，得到全縣未利用地在高度適宜區、中度適宜區、勉強適宜區和不適宜區各自的分布范圍(表2)。

表2 昌黎縣未利用地宜耕性評價結果

4 結果與分析

4.1 因素變權權重處理結果分析

根據構建的懲罰型變權模型，可以得到評價單元各因素的權重值，由表1可知，各因素的變權權重隨著評價指標等級的變化而變化，尤其是當其他指標處于高度適宜區、中度適宜區間時，該指標因狀態值較差而處于勉強適宜區或不適宜區間時，其變權權重會增大，其他指標的變權權重也會得到相應的調整，從而降低了該較差指標對此評價單元開發為耕地的適宜水平。以坡度的變權權重結果為例，由圖2可知，其變權權重范圍為0.154～0.624，尤其是位于北部的十里鋪鄉和兩山鄉中的山地地區，其評價單元變權權重高達0.624，是基礎權重的2.667倍，這使得這些評價單元的未利用地宜耕性評價綜合分值大大降低。在其他地區，由于各因素組態水平的不同，該因素權重也有不同的變化，也表明該因素在確定未利用地宜耕性時的作用不同。因此，研究結果體現了變權方法在未利用地宜耕性評價中的靈活性。

4.2 未利用地宜耕性評價結果分析

首先對各評價單元的宜耕性評價的綜合分值進行比較，綜合分值越高的土地單元越適宜開發為耕地，綜合分值越低的土地單元越不適宜進行開發。由圖3可知，河北省昌黎縣未利用地宜耕性評價綜合分值在2.251 6～7.978 0之間，其中，十里鋪鄉、昌黎鎮西北部及兩山鄉北部等區域土地的宜耕性綜合分值較低。該部分土地的綜合分值較低主要是由于其坡度的權重較大，該因素對宜耕性水平的否決作用較大，因此，這些未利用地不適宜開發為耕地；而位于朱各莊鎮西北部、安山鎮西北部、茹荷鎮南部及國有林場等區域的未利用地宜耕性綜合分值較高，這是因為這些未利用地單元土地質量較好，地勢平坦，有利于開發為耕地。

高度適宜于開發為耕地的未利用地面積共計 560.44 hm2，占研究區域總面積的28.69%。由圖4可知，這些區域主要分布在朱各莊鎮西北部、安山鎮西北部、茹荷鎮南部及國有林場西北部、西南部地區，這些區域的未利用地地勢平坦，土壤類型主要為潮土、褐土，土層深厚，一般在100 cm以上，有機質含量較高，水氣熱狀況良好，土壤肥力較好，適宜耕作。中度適宜開發為耕地的未利用地面積總計 575.74 hm2，占研究區域總面積的29.48%，主要分布在茹荷鎮北部、兩山鄉東北部及國有林場西南部。該部分未利用地地勢較為平坦，土層厚度一般在80 cm左右，有輕微侵蝕，較適宜耕作。勉強適宜開發為耕地的土地面積總計 475.74 hm2，占研究區域總面積的24.36%，主要分布在靖安鎮及國有林場西北部，這些區域的未利用地有機質含量較低，對耕作有一定的限制，因此，須要采取土壤改良等措施才能開墾為耕地。不適宜開發為耕地的土地面積總計341.39 hm2，占研究區域總面積的17.48%，主要分布在十里鋪鄉、昌黎鎮西北部及兩山鄉北部，這些區域的未利用地坡度較高，有機質含量較低，對耕作有較大的限制，且水土流失嚴重，因此，須要采取水土保持、增施有機肥等改造措施才能開墾為耕地。

5 結論與討論

本研究在模糊綜合評價的基礎上引入局部懲罰型變權法，通過選擇對未利用地宜耕性影響較大的因素，即坡度、有效土層厚度、土壤質地、有機質含量、耕作便利度等5項參評因素構建評價指標體系，對河北省昌黎縣未利用地的宜耕性進行評價。結果表明，基于變權的模糊綜合評價法不僅可以綜合考慮到各種因素對宜耕性評價的影響，有效地解決評價過程中出現的模糊性問題，而且能夠根據不同評價單元的各評價指標實際狀態值的組態水平，對各評價指標的權重值進行靈活的調整，體現了適宜性分值較低的限制性因素的重要性，克服了傳統評價中不能發揮瓶頸因素否決作用的不足，凸顯了此種評價方法的靈活性，使評價結果更符合客觀實際，有利于為河北省昌黎縣耕地后備資源合理開發區域的選擇提供參考。由評價結果可知，高度、中度適宜開發為耕地的未利用地面積為1 136.18 hm2，占研究區總面積的58.17%，如果對這些宜耕未利用地資源加以科學合理地開發，將會對提高本區域糧食產量有較強的現實意義。

雖然變權方法的應用可以比傳統評價方法使評價結果更為精準，但是在進行懲罰型變權處理時，確定狀態變權向量函數是一個關鍵，它會影響各評價指標權重變化的程度，而目前確定該函數仍帶有一定的主觀性。因此，對于如何更科學地確定變權模型的狀態變權向量函數，還須進一步研究和探討。

未利用地資源是十分重要的土地后備資源，本研究僅以坡度、有效土層厚度、土壤質地、有機質含量、耕作便利度等5項評價指標對未利用地的宜耕性進行評價，而對未利用地資源開發利用的研究，還應更加全面地從宜建、宜生態性方面進行考慮，從而實現未利用地資源的多目標開發和科學合理利用。

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