基于熵权模型的土地生态质量评价及功能分区

2015-09-10秦伟霞马守臣张合兵等

江苏农业科学 2015年8期

秦伟霞　马守臣　张合兵等

摘要：土地生态质量评价和功能分区可为土地资源的集约利用提供依据，是统筹区域土地利用的重要内容。选择影响土地生态质量的29个指标，构建准则层包括自然地理因素指数等4个方面的指标体系。通过熵权模型及综合法，以村行政区为评价单元对河南省新乡市的土地生态质量进行评价，然后基于评价结果进行土地利用功能分区，并与土地利用规划分区进行对比。结果表明：依据综合评估值，新乡市69 9%的土地生态质量介于良、优之间，综合值范围为0 57～0 74，分布在获嘉县、原阳县、延津县、封丘县、长垣县等地区；凤泉区东部、牧野区中西部、卫滨市辖区的生态质量评价结果为差，占2 34%，综合值介于0 22～0 38之间；其余27 8%的土地生态质量介于一般和中等之间，综合值范围为0 39～0 56。对综合评估值空间分布进行分析表明，自然地理基础、城镇化水平、资源需求是土地生态质量的作用因素，依据评价结果，新乡市被分为山地丘陵生态保护区、城市发展核心区、生态农业区，与规划分区相对比具有较好的一致性。

关键词：土地评价；功能分区；熵权模型；新乡市

中图分类号： F301 24 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2015）08-0322-05

近年来，随着改革开放的逐步推进，我国正处于经济快速发展和城镇化快速推进的时期 [1]，人类社会与土地生态系统的交互不断加深 [2]。在生产力发展水平和粗放的土地利用方式双重胁迫下，产生了一系列土地生态问题，严重制约着人类的可持续发展。为确保土地资源的可持续利用和人类的可持续发展，合理保护和利用土地资源成为当务之急。土地生态质量评价和土地利用功能分区对土地资源的集约利用具有指导意义。土地生态质量评价是指对一定时间、空间范围内环境的总体或部分环境要素的组合体对人类的生存及社会经济持续发展的适宜程度进行评价 [3]；土地利用功能分区是根据区域内土地用途管制的要求，在分析区域内不同地区功能定位、发展趋势、发展现状和潜力、资源环境承载能力的基础上，将一定区域划分为若干个功能区片 [4-5]。

土地利用功能分区是土地利用总体规划的核心内容 [6]，当前在土地生态评价、土地利用功能分区方面，许多学者已做了大量的研究。王瑷玲等对土地生态质量进行了研究 [7-9]；吴泽斌等对城市土地生态利用水平进行了测度及障碍因子诊断 [10]；卓凤莉等对土地生态安全进行了研究 [11-17]。当前，针对土地生态质量评价的研究较多，但对土地利用功能分区的研究还处于起步阶段。本研究通过熵权模型、综合法对河南省新乡市的土地生态质量进行评价，然后以评价为基础对研究区进行功能分区，最后将评价分区结果与河南省新乡市土地利用规划大纲中的分区进行比较，以验证评价分区的可行性。

1 材料与方法

1 1 研究区概况

河南省新乡市地处34°53′～35°50′N、113°23′～115°1′E，总面积8 269 km2，与焦作市、郑州市、开封市、安阳市、鹤壁市接壤，是中原经济区的重要城市。新乡市属于暖温带大陆性季风气候，年均气温14 ℃，年均降水量656 3 mm，水热条件好，又因位于黄河流域，土壤条件也较好，成为我国粮棉主产区和优质小麦生产基地。新乡市的地势为北高南低，北部山地丘陵区海拔较高，林地广泛分布，中部市区以建设用地为主，南部各县地形平坦，土地利用以农用地、村庄为主。南太行山蜿蜒于新乡市北部上千公里，宏伟壮丽，成为新乡市重要的旅游资源，为新乡市奠定了中国优秀旅游城市的地位。

1 2 数据来源

数据来源于2011年重点区域土地生态状况调查，包括2 5～5 0 m遥感影像数据、行政区划数据、第2次全国土地资源调查数据、多目标地球化学调查数据、地籍调查数据、气象部门资料及统计年鉴。数据处理软件包括ArcGIS、Erdas、Excel，主要用于数据的提取与统计。数据格式主要包括矢量数据、栅格数据2种，栅格单元大小为100 m×100 m，矢量数据比例尺为1 ∶ 100 000。

1 3 试验方法

1 3 1 构建评价指标体系在遵循科学性、代表性、系统性、可获取性、全面性原则的基础上，结合新乡市的土地生态特点，构建基于自然地理因素、生产建设因素、生态多样性因素、生态保护因素4个要素共29个指标的市级土地利用生态质量评价指标体系（表1），从而全面体现市级土地利用水平。

1 3 2 权重集确定在生态质量评价中，不同指标的性质、计量单位、值域存在差异，不适宜直接比较。为了方便比较，本研究选择极差标准化方法对各项指标进行标准化处理，把指标转化为无量纲的相对数。正、负向指标的标准化公式[JP+1]分别为式（1）、式（2）。鉴于层次分析模型（AHP）主观性较强，采用客观的熵权模型来确定权重，模型涉及式（3）至式（6）。

1 3 3 综合值计算在新乡市的土地生态评价中，共选取29个评价指标。为了计算方便，本研究采用综合法对土地生态质量进行评价[式（7）]。运用自然断点法对评估综合值进行分级，共分为差、一般、中等、良、优5个等级。

2 结果与分析

2 1 自然地理因素评价分析

自然地理因素即自然基础条件，反映土地承载力水平，是土地生产力、资源潜力的最初来源。新乡市自然地理因素指数整体上介于0 08～0 86之间，自北向南趋于增加，与高程的变化具有一致性，表明自然基础条件受地形的影响显著。研究区绝大部分土地自然基础较好，占总面积的81 41%，评估结果介于中等和优之间；潞王坟乡、耿黄乡等地区自然基础差，占1 64%，评估值范围为0 08～0 38；其余土地自然地理基础处于一般水平，评估值介于0 39～0 51之间（表2）。各等级的地理分布情况见图1，自然地理因素评估值分级及各等级涵盖区域范围详见表2。endprint

2 2 生产建设因素评价分析

生产建设因素反映的是在生产力水平限制、城镇化进程加速、人口压力递增共同胁迫下土地利用的适宜性程度。从图2、表3可以看出，区域绝大部分土地如获嘉县、延津县等生产建设条件较好，介于良、优之间，评估值范围为0 44～070；城郊乡、顿坊店乡等地区生产建设条件介于差、一般之间，占区域总面积的9 79%，评估值范围为0 06～0 31；其余土地生产建设条件为中等水平，整体分布范围见表3。

2 3 生态多样性因素评价

生态系统类型在土地利用中表现为土地利用类型，因此生态多样性因素反映了人为干扰下土地生态系统中廊道、斑块、基质的破碎化程度。由图3、表4可以看出，新乡市绝大部分土地的生态多样性介于一般、良之间，占区域总面积的83 80%，评估值范围介于0 40～0 77之间；新乡市区、黄河滩涂等地区的评估结果为差，占区域总面积的13 79%，评估值范围为009～0 39；国营辉县市林场、城郊乡等地区生态多样性处于优等水平，占区域总面积的2 34%，评估值介于0 78～1 00之间。

2 4 生态保护因素评价

在资源分布区域差异性变大及生态环境逐渐恶化的背景下，建立自然保护区是保护生态环境、生物多样性、自然资源最为经济有效的措施。由图4、表5可知，凤泉区、牧野区、新乡县等地区的生态保护因素较差，其余地区生态保护条件较好[CM（25]；获嘉县、延津县等地区生态保护因素评估分级为优，占总面积的32 76%，评价指数介于0 78～0 88之间；长垣县、卫辉市等地区的生态保护因素评估分级介于一般、中等之间，占区域的41 72%，评估值范围为0 43～0 64。

2 5 生态质量综合评价

由图5可知，整体来看，获嘉县、延津县、原阳县等县的土地生态质量较好，介于良、优之间；新乡市区土地生态质量总体较差，处于差、中等之间，但红旗区市辖区以外土地除外，介于良、优之间；新乡县、辉县市西南、卫辉市南部的土地生态质量处于中间偏上水平，介于中等、良之间；辉县市、卫辉市北部山区土地生态质量处于中间偏下水平，介于一般、中等之间。新乡市土地生态综合评估值总体介于0 22～0 74之间；研究区大部分地区土地生态质量较好，占区域的69 90%，介于良、优之间，综合评估值下限为0 57；区域中仅很小一部分土地生态质量为差，占总面积的2 34%，综合评估值上限为038；其余27 80%的土地生态质量介于一般、中等之间，综合评估值基于0 39～0 56之间，区域分布范围见表6。

从研究区土地生态质量形成机制来看，自然地理基础、城镇化水平、资源需求是主要作用因素。自然基础是反映区域地形、气候、土壤、植被等方面状况的综合指标，对土地利用和区域发展具有基本限制性。从自然基础来看，2个市北部山地丘陵区属于太行山石灰岩区，较为干旱，海拔又较高，可垦性、建设性均较差，土地利用类型以林地、未利用地为主，土地生态质量介于一般、中等之间。

在城市化进程加速和工业化过快增长的双重胁迫下，城镇建设用地总量失控，结构失衡，可以通过城镇建设用地比例、非渗透地表比例等指标反映。新乡市区和各县城人地矛盾突出，在机械压实、践踏及人为干扰下，土壤理化性质恶化；土壤板结、污染严重，生物多样性锐减，综合评估结果介于差、中等之间。然而，各县以农用地、村庄为主，土地开发利用程度较小，生物多样性较好，土地生态质量介于良、优之间。

资源需求也是土地生态质量的作用因素，众所周知，矿产资源属于非可再生自然资源，但其具有地域分布不均衡的特征。矿产资源需求日益膨胀驱使着区域性土地破坏行为发生，受开采技术的限制，采矿过程中产生的废水、废气、废渣，对矿区的土地产生严重污染。黄河滩涂因分布有众多采矿用地，破碎度高，生态多样性受到破坏，土地生态质量综合评价为良，稍差于其北部地区。辉县市东南、凤泉区、卫辉市西部交界处同样因为分布有大量采矿用地的缘故，土地生态质量评估介于差、中等之间。

2 6 土地利用功能分区

依据土地生态综合评估值，并结合新乡市自然地理基础、社会经济发展状况进行评价分区，将新乡市划分为山地丘陵生态保护区、城市发展核心区、生态农业区（图6）。将评价分区与新乡市土地利用规划大纲中的分区相对比表明，仅有获嘉县与原阳县及原阳县的原武、桥北等地区存在差异（表7）。

这说明基于29个评价指标（表1）的土地生态质量评价分区具有可行性，能够很好地反映研究区的自然、社会、经济状况，分区含义如下。山地丘陵生态保护区：以涵养水源、生物多样性保护为主要目标，主要发展林果业及观光旅游业；对策为在发展旅游业的同时兼顾环境污染问题，确保生态环境的保护到位。城市发展核心区：人口密度大，经济增长领先，具有集聚效应；对策为调整产业结构、控制人口规模、维护生态平衡、疏通与周边地区经济发展瓶颈。生态农业区：以取得最大的生态经济效益为目标，在田、水、路、林配套基础上实现生态环境良性循环；对策为高品质、集约化、节能减排、低碳环保、循环利用。

3 结论

本研究在2011年河南省新乡市土地生态状况调查的基础上，首先采用熵权模型、综合法对研究区进行土地生态质量评价，然后以评价结果为依据将研究区分为3大功能区，并与新乡市土地利用规划分区进行比较，得出如下结论。（1）土地生态质量受自然地理基础的限制。辉县市及卫辉市山区属于太行山石灰岩半干旱区，土壤干旱贫瘠、土层薄、植被覆盖度低、水土流失严重，土地生态质量介于一般、中等之间；辉县市西南、卫辉市东南属于平原，土壤为砂姜土，有机质含量并不高，但保肥能力强，土地生态质量为良。（2）土地生态质量与城市化水平有关。新乡市区城市化水平高，人地矛盾突出，土地利用强度大，在机械压实、践踏及人为扰动下，土壤理化性质恶化，容重变大，孔隙度降低，表现为土壤板结与污染严重，生态质量介于差、一般之间；其他各县以村庄和农用地为主，土地干扰度和破碎度较小，生态质量介于良、优之间。（3）土地生态质量受资源需求影响。在人口压力和经济发展的共同胁迫下，矿产资源处于供不应求的状况，由此引发一系列土地生态问题。黄河滩涂、辉县市东南分布有大量采矿用地，土地破碎度较高，生物多样性遭到严重破坏，土地生态存在区域失衡现象。（4）评价分区可行性较强。评价分区与规划分区具有较好的一致性，从分区范围来看，仅有获嘉县与原阳县及原阳县的原武、桥北地区存在差异。（5）不足。指标体系仍需要完善：受技术和方法的限制，有些指标难获得或拘泥于定量化方法，土地生态质量评价的指标体系还需要完善；权重确定方法需要改进：由熵权模型确定的权重较为客观，但对较大或较小指标有失衡现象存在，为了弥补这一不足，将熵权模型与层次分析模型相结合将成为下一步研究的目标。（6）展望。基于土地利用生态质量评价的土地利用功能分区尚处于起步阶段，分区范围保持了行政区界线的完整性，且本研究对区域社会经济因素考虑不全面，有待进一步拓展。endprint

参考文献：

[1] 张利，陈亚恒，门明新，等基于GIS的区域生态连接度评价方法及应用[J] 农业工程学报，2014，30（8）：218-226

[2]裴欢，魏勇，王晓妍，等耕地景观生态安全评价方法及其应用[J] 农业工程学报，2014，30（9）：212-219

[3]刘燕，刘康陕北黄土高原生态质量评价研究[J] 干旱区资源与环境，2010，24（6）：26-31

[4]黄建生，屈百达无锡市城市土地利用功能分区的探讨[J] 浙江农业科学，2012（3）：423-425

[5]黎孔清，陈银蓉低碳理念下的南京市土地集约利用评价[J] 中国土地科学，2013，27（1）：61-66

[6]陈星怡，杨子生土地利用功能分区若干问题探讨——以云南德宏州为例[J] 自然资源学报，2012，27（5）：845-855

[7] 王瑷玲，刘文鹏，纪广韦，等山东低山丘陵土地整治区耕地生态价值评价[J] 农业工程学报，2013，29（增刊1）：244-250

[8]戴靓，姚新春，周生路，等长三角经济发达区金坛市土地生态状况评价[J] 农业工程学报，2013，29（8）：249-257

[9]张秀云，姚玉璧，王润元，等亚高山草甸类草地生态质量评价指标[J] 干旱区资源与环境，2009，23（10）：132-136

[10] 吴泽斌，刘卫东，汪友结，等城市土地生态利用水平测度及障碍因子诊断[J] 中国人口·资源与环境，2010，20（2）：24-29

[11]卓凤莉基于熵权系数和集对分析法的土地生态安全评价——以河北省为例[J] 地域研究与开发，2012，31（6）：111-114