基于GIS 的華北地區自然資源綜合評價區劃研究

黃 壘，李 磊，王 威

（中國地質調查局天津地質調查中心（華北地質科技創新中心），天津 300170）

自然資源是在一定技術、經濟和社會條件下能被利用來作為人類生產和生活原材料的物質與能量[1]。自然資源評價是自然資源合理利用的前提條件和依據所在，它以自然資源的考察研究工作為基礎，旨在從整體上揭示自然資源的優勢與劣勢，指出資源開發利用潛力的大小、限制性及限制強度，提出開發利用和治理保護的建議，為充分發揮自然資源的多種功能和綜合效益提出科學依據[2-4]。對于自然資源的評價，國內外學者進行了諸多研究[5-16]。但這些研究多局限于單項資源評價，雖然針對性和適用性較強，但不利于解決當前資源開發粗放、資源開發趨同、體制不協調等問題[17-20]。自然資源是個復雜的巨系統，需要針對一定地域中已知的所有資源進行整體評價，建立資源開發綜合體，才能指導其全面、合理、有效地開發[21,22]。鑒于此，本文基于GIS 對華北地區自然資源的自然特性進行綜合評價區劃，為華北地區自然資源保護和開發利用提供決策依據。

1 研究方法

1.1 評價指標體系

建立自然資源綜合評價指標體系，首先要對自然資源進行分類，按照自然資源在地球圈層的分布，可將其分為礦產資源（地殼）、氣候資源（大氣圈）、水資源（水圈）、土地資源（地表）、生物資源（生物圈）五大類。其次，由于自然資源的自然特性評價主要是對資源本身的數量和質量做出度量，因此要針對每類資源選取能夠反映其數量和質量屬性的代表性指標。綜上所述，考慮數據可獲得性，本文選取了兩級分別5 項和13 項評價指標，構建了華北地區自然資源綜合評價指標體系（表1）。

表1 華北地區自然資源綜合評價指標體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of natural resources in North China

表1中生物資源的生態系統功能指標取水源涵養功能、土壤保持功能、防風固沙功能、生物多樣性維護功能最大值，礦產資源的預測資源量指標取22類礦產（鐵礦、錳礦、鉻鐵礦、銅礦、鉛礦、鋅礦、鋁土礦、鎳礦、鎢礦、錫礦、鉬礦、銻礦、鋰礦、菱鎂礦、金礦、銀礦、螢石礦、硼礦、硫鐵礦、重晶石礦、鉀鹽礦、磷礦）預測資源量最大值。

1.2 評價方法

綜合指數法是一種常用的自然資源評價方法，該方法通過判斷各指標反映自然資源數量和質量的程度來確定權重，并將其賦給對應的指標數值后求和，從而得到評價得分。本文采用綜合指數法，借助GIS技術，以指標圖層為參數對華北地區自然資源的自然特性進行綜合評價，具體步驟如下：

（1）指標數據標準化

利用GIS軟件生成指標圖層，并統一空間參考和柵格大小。為了排除量綱和數據趨向的影響，對各指標圖層進行極值標準化處理，使其屬性值控制在0～1 的范圍之內，得到標準化指標圖層。

（2）指標權重計算

利用層次分析法求取各指標權重。邀請專家采用1～9標度法對層次指標進行兩兩比較構建判斷矩陣，并依此計算層次單排序和總排序，通過一致性檢驗后，得到華北地區自然資源綜合評價指標權重（表2）。

表2 華北地區自然資源綜合評價指標權重Table 2 Comprehensive evaluation index weights of natural resources in North China

水資源是生物賴以生存的環境資源和支撐經濟社會發展的重要物質保證，是最為重要的自然資源。氣候資源的時空變化特點能夠在很大程度上決定其他自然資源的形成、時空分布等特征。土地資源為人類提供了最基本的生產資料和生活空間，是形成和孕育其他資源的重要條件。因此，三者在自然資源綜合評價中應占據絕大部分權重，相比之下，礦產資源和生物資源的重要性及其能夠提供的價值則較低。

（3）指標加權求和

將各指標權重賦給其對應的標準化圖層，利用ArcGIS 10.6的柵格計算器工具（Raster Calculator）進行柵格疊加運算，得到各指標和綜合評價指數，指數越大，表示對應的自然資源條件越好。結合華北地區實際情況，將各指標和綜合評價指數劃為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五級，劃分標準如表3所示，評價結果見圖1。

表3 各指標和綜合評價指數分級標準Table 3 Grading standards for each index and comprehensive evaluation index

1.3 區劃方法

在得到上述各級指標圖層的基礎上，以縣（市、區、旗）為基本單元對自然資源各級評價指標進行聚類分析，實現華北地區自然資源區劃。

（1）區劃數據處理

基于各級指標圖層，利用ArcGIS 10.6的分區統計工具，計算華北地區各縣（市、區、旗）各級指標均值。

（2）聚類分析

借助SPSS 16.0軟件，利用離差平方和法（Ward’s method）對華北各縣（區、市、旗）自然資源的各級指標進行聚類分析，生成樹狀圖，基于此選取合適的距離值，劃分多個類型區，區劃結果見圖2。

圖2 華北地區自然資源區劃結果Fig.2 Results of natural resource zoning in North China

2 研究結果

2.1 評價結果與分析

按照上述評價方法，得到華北地區各類自然資源評價及自然資源綜合評價結果（圖1）。統計各評價級別的面積占華北地區總面積的比例見表4。

表4 華北地區自然資源各評價級別區域面積占比Table 4 Proportion of the area of each evaluation level of natural resources in North China

由表4 可以看出，華北大部分地區土地條件較好，氣候資源、水資源一般，生物資源較差，而礦產資源呈點狀分布。由圖1可以看出，華北地區氣候資源較豐富的區域主要分布在太陽輻射和風能較為豐富的內蒙古東北部和中部地區以及熱量和降水較為豐富的山東東部等地區；生物資源較豐富的區域主要分布在大興安嶺南部、陰山山脈、燕山、呂梁山、太行山脈、山東丘陵、秦嶺東部、大別山北部等地區，這些地區生物多樣性較為豐富，水土保持能力較強；水資源條件較好的區域主要分布地表水資源較豐富的河南西部及南部、山東南部地區，以及地下水條件較好的河北中南部地區；而內蒙古西部及中東部等地區受限于土壤質地，陰山山脈、燕山等地區受限于地形原因，土地資源條件均較差；礦產資源豐富區域主要是內蒙古中部、河北西部及東部等黑色金屬豐富區、內蒙古中部、河南西部等有色金屬豐富區、河南西部、山東東部等貴金屬豐富區以及河北北部、河南中西部等非金屬豐富區。

總體上，華北地區自然資源條件較好的區域主要分布在燕山-太行山山前沖洪積平原以及河南和山東的平原，這些地區的水資源和土地資源條件均較好，其中河南和山東的平原地帶氣候資源也較為豐富，自然資源條件較差的區域主要分布在內蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁，河北北部、西北部和山西的山區以及華北平原中北部，其中內蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁地帶除氣候資源外整體條件均較差，河北北部、西北部和山西的山區地帶主要受限于氣候資源匱乏、土地條件較差，華北平原中北部主要受限于水資源條件差。

2.2 區劃結果與分析

按照上述區劃方法，得到華北地區各類自然資源區劃和自然資源綜合區劃結果見圖2。

根據聚類分析結果，將華北地區氣候資源劃分為優勢區、降水熱量優勢區、太陽輻射風能優勢區和劣勢區四類，其中優勢區是指各類氣候資源均較豐富，氣候評價指數較高的區域，降水熱量優勢區是指降水和熱量資源較豐富，太陽輻射和風能較貧乏的區域，太陽輻射風能優勢區是指太陽輻射和風能較豐富，降水和熱量較貧乏的區域，劣勢區是指各類氣候資源均較貧乏，氣候評價指數較低的區域。

將華北地區生物資源劃分為優勢區、一般區和劣勢區三類，其中優勢區是指生物多樣性維護功能和土壤保持功能較優，生物資源評價指數較高的區域，一般區是指生物多樣性維護功能和土壤保持功能一般的區域，劣勢區是指生物多樣性維護功能和土壤保持功能較差，生物資源評價指數較低的區域。

將華北地區水資源劃分為地表水優勢區、地下水優勢區、一般區和劣勢區四類，其中地表水優勢區是指地表水資源較優，地下水資源較差的區域，地下水優勢區則相反，這兩類區域水資源評價指數均較高，一般區是指地表水和地下水資源均一般的區域，劣勢區是指地表水和地下水資源均較差，水資源評價指數較低的區域。

將華北地區土地資源劃分為優勢區、一般區、地形劣勢區、土壤劣勢區四類，其中優勢區是指地形和土壤條件均較好，土地資源評價指數較高的區域；一般區是指地形和土壤條件一般的區域；地形劣勢區是指地形條件問題較突出的區域；土壤劣勢區是指土壤條件問題較突出的區域，后兩類區域土地資源評價指數均較低。

將華北地區礦產資源劃分為黑色金屬優勢區、有色金屬優勢區、貴金屬優勢區、非金屬優勢區和非優勢區五類，顧名思義，前四類是指其對應礦產資源較為豐富，礦產資源評價指數較高的區域，非優勢區是指各類礦產資源均一般或較差，礦產資源評價指數較低的區域。

綜合起來，將華北地區自然資源劃分為水土資源優勢區、生物資源優勢區、土地資源優勢區、礦產資源優勢區、水資源劣勢區五類，各類地區說明和分布情況見表5。

表5 華北地區自然資源綜合區劃情況Table 5 Comprehensive zoning of natural resources in North China

3 結論及建議

本研究選取兩級分別5 項和13 項評價指標，構建了華北地區自然資源綜合評價指標體系，運用綜合指數法對華北地區自然資源進行綜合評價，并在此基礎上，采用聚類分析方法對華北地區自然資源進行區劃。結果顯示，華北地區自然資源條件較好的區域主要分布在燕山-太行山山前沖洪積平原以及河南和山東的平原，較差的區域主要分布在內蒙古西部和中部的沙地、沙漠和戈壁、河北北部及西北部、山西的山區以及華北平原中北部。

根據綜合區劃結果，華北地區自然資源可劃分為水土資源優勢區、生物資源優勢區、土地資源優勢區、礦產資源優勢區、水資源劣勢區五類。針對不同區劃的自然資源特點，水土資源優勢區適宜開展農業生產活動，生物資源優勢區應注重生態保護和水土涵養，土地資源優勢區宜種植旱生作物或發展城鎮建設，礦產資源優勢區可適度發展礦產行業，水資源劣勢區應當加強對水資源的監管和保護、修建水利工程等。此研究可為華北地區自然資源全面、合理、有效開發提供借鑒意義。