利用地理空间技术进行地表灌溉的土地适宜性评估：以埃塞俄比亚奥罗米亚地区阿瓦什河上游流域的登迪区为例

《Ecological Frontiers》：Land suitability assessment for surface irrigation via geospatial technology: The case of Dendi District on upper Awash Basin, Oromia, Ethiopia

本研究基于GIS和遥感技术，评估了埃塞俄比亚奥罗米亚州Dendi区地表灌溉的适宜性，综合考虑坡度、土壤属性、排水条件等因子，采用加权叠加方法划分为高度、中等、边缘和不适宜四类。结果显示约3.21%区域高度适宜，23.63%中等适宜，33.47%边缘适宜，39.68%不适宜。为当地灌溉规划提供科学依据

　　

Belay Beko Legesse | Indale Niguse Dejene | Kanenus Fufa Dararo

埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴，空间科学与地理空间研究所，数字图像处理部门

摘要

针对灌溉型作物生产的地表灌溉评估为雨养农业提供了一种替代方案，有助于缓解粮食不安全问题，并支持合理的土地利用规划。本研究利用GIS和遥感技术评估了埃塞俄比亚奥罗米亚地区上阿瓦什河流域Dendi区的地表灌溉适宜性。研究问题包括：决定地表灌溉适宜性的关键因素是什么？使用哪些方法对这些因素进行分类？如何总体评估适宜性？为了确定适宜的灌溉地点，研究采用了多种地理空间数据，包括坡度、距离河流的距离、土壤类型（质地、深度、排水性和pH值）、土地利用类型（LULC）以及海拔高度。研究中使用了ArcMap 10.8、ERDAS Imagine 2015和IDRIS Selva 17.02等软件进行空间分析和数据提取。通过ArcMap的Reclassify工具对参数进行分类，并使用Weighted Overlay工具分析适宜的灌溉地点，结果将适宜性分为四个等级：高度适宜、中等适宜、勉强适宜和不适宜。分析显示，70.15%的面积为适宜的耕地，其中36.08%的土壤类型非常适宜，74.67%的土壤质地良好，51.45%的土壤pH值适中，40.64%的土壤排水性良好，11.67%的地点距离河流较近，96.47%的海拔高度适合地表灌溉。而不适宜的地点分别占54.38%、67.65%、25.81%、17.31%、1.10%和17.31%，这些因素与坡度、距离河流的距离、土地利用类型和土壤排水性有关。总体而言，约3.21%的土地高度适宜，23.63%的土地中等适宜，33.47%的土地勉强适宜，约39.68%的土地不适宜。因此，本研究为地方行政人员和农业利益相关者提供了有效规划和优先发展灌溉的依据，主要关注需要最少干预的高度适宜和中等适宜地区，而不适宜地区则受到较大限制，使得灌溉难以实施。

引言

目前，世界人口正在快速增长，自20世纪50年代以来增加了两倍，2024年达到约81亿，预计到2030年将达到85亿，2050年将达到97亿[1]。根据Worldometer的数据，埃塞俄比亚的人口从1950年的1771万激增至2024年6月的超过1.29亿（https://www.worldometers.info/world-population/ethiopia-population/）。这种快速增长加剧了对粮食的需求[2]。然而，埃塞俄比亚的农业仍然主要依赖降雨，使得作物生产极易受到降雨变化的影响。降雨模式的波动显著影响作物产量、农民收入和国家粮食安全[[3],[4],[5]]。

埃塞俄比亚的农业主要依赖降雨，灌溉技术的应用范围和程度有限[6]。因此，灌溉在增强雨养农业、满足人口增长需求、创造农民收入以及延长作物生长季节方面发挥着重要作用[7,8]。地表水通常用于灌溉[9]；但在干旱季节，地下水可作为替代水源[10]。灌溉水的质量对于确保作物健康生长至关重要[11]。在研究区域，作物生产完全依赖雨季，导致粮食不安全和农民收入较低。此外，洪水对作物构成严重威胁，而由于缺乏适当的坡度评估，不当的灌溉方式还会导致表土侵蚀。因此，特别是利用附近的阿瓦什河进行地表灌溉，对于改善雨养农业和提高农民收入至关重要。

评估土地是否适合地表灌溉是实现粮食安全和防止因不当土地利用导致土地退化的重要步骤。土地适宜性是指特定类型土地是否适合某种用途，其评估涉及根据土地支持该用途的潜力对其进行评价和分类[12]。因此，要在干旱季节种植作物，耕地需要通过灌溉获得水分，即向土壤中施加水分以支持作物生长[9]。基于GIS的方法比传统方法更有效。传统的实地适宜性评估成本高、耗时且空间覆盖范围有限，而GIS与AHP（层次分析法）的结合提供了一种更高效和系统的选址方法[10,13]。

GIS能够整合多种空间数据集，包括坡度、海拔高度、土壤特性、土地利用类型（LULC）和水资源，以识别适合灌溉开发的区域[[14],[15],[16],[17]]。此前，埃塞俄比亚的灌溉适宜性研究多采用多参数方法，在较大的流域、次流域或区级范围内进行。例如，在Shaya河流域[18]、Erer流域[19]、Birbir河流域[20]、下奥莫-吉贝流域[21]和Loma区[22]都进行了此类评估。虽然本研究是在区级层面进行的，以支持小规模灌溉规划，但它有助于决策者优先考虑开发区域，同时将环境影响降至最低。

此外，相关文献的回顾表明，在评估地表灌溉适宜性时，某些LULC类别（如水体、森林和居住区）未被正确排除在加权叠加分析之外。实际上，这些类别由于现有基础设施或环境条件而永远不适合灌溉。为解决这一问题，采用了修改后的公式$S=\left({\sum }_{i=1}^n\mathrm{Wi}?\mathrm{Xi}\right){\prod }_{\mathrm{cj}}$，有效排除了永远不适宜的LULC类别。此外，一些先前的研究虽然使用了GIS和多标准决策分析（MCDA）来评估灌溉适宜性，但忽略了影响地表灌溉潜力的关键因素。例如，Fekadu和Negese[23]以及Weldeabzgi等人[8]忽略了LULC和海拔高度等关键因素，而Mishra等人[9]和AbdelRahman等人[24]主要关注土壤特性，未考虑距离河流的距离，而这在干旱季节是一个重要因素。忽略这些变量可能导致适宜性分类不准确。因此，本研究填补了方法上的空白，为尚未进行此类评估的地区提供了确定适合地表灌溉的土地的方法，从而为小规模灌溉规划和土地利用管理提供了指导。

本研究假设Dendi区地表灌溉的适宜性主要受距离河流的距离、地形和土壤特性的影响。本研究旨在通过回答三个关键问题来评估Dendi区的地表灌溉适宜性：决定土地适宜性的参数是什么？可以使用哪些技术根据这些参数的适宜性对其进行分类？如何评估或划分该地区的地表灌溉潜力？为此，将地理空间分析与多标准决策分析（MCDA）相结合，以识别和绘制适合地表灌溉的区域。

研究区域描述

Dendi区位于奥罗米亚州的Shewa西部。其纬度大约在北纬8°44′56.737″至9°10′40.807″之间，经度大约在东经37°54′54.954″至38°20′22.583″之间（图1）。该区南接Bacho区和Dawo区，东接Ejere区，西接Ambo区，北接Jeldu区。农业是该区的主要经济活动（引自[25]）。研究区域...

坡度适宜性

坡度是地表灌溉评估的重要因素，因为它影响径流、排水和侵蚀情况，以及灌溉方式的选择。根据FAO关于坡度评估的标准指南，坡度小于2%的地区非常适合通过地表灌溉进行作物生产，但坡度大于8%的地区一般不推荐使用这种灌溉方式[31]。

因此，研究区域的坡度...

结论

尽管埃塞俄比亚拥有丰富的土地资源和巨大的灌溉发展潜力，但灌溉作为雨养农业的补充或替代方案仍未得到充分利用，从而限制了农业生产率，阻碍了该国保障快速增长的人口所需的粮食安全。为解决粮食不安全问题并满足人口增长的需求，本研究利用GIS和遥感技术系统地评估了地表灌溉的潜力...

创新性

本研究通过针对缺乏先前地理空间灌溉规划的地区，并在加权叠加分析中排除不适宜的LULC类别（如水体、森林和居住区），填补了方法上的空白。

CRediT作者贡献声明

Belay Beko Legesse：撰写——初稿，软件编写。Indale Niguse Dejene：撰写——初稿，数据可视化，软件使用。Kanenus Fufa Dararo：审稿与编辑，监督工作。

利益冲突声明

作者声明与本手稿无关的任何利益冲突。所有作者对研究和手稿的准备工作均做出了同等贡献。