基于熵權模型的土地生態(tài)質量評價及功能分區(qū)

秦偉霞　馬守臣　張合兵等

摘要： 土地生態(tài)質量評價和功能分區(qū)可為土地資源的集約利用提供依據(jù)，是統(tǒng)籌區(qū)域土地利用的重要內容。選擇影響土地生態(tài)質量的29個指標，構建準則層包括自然地理因素指數(shù)等4個方面的指標體系。通過熵權模型及綜合法，以村行政區(qū)為評價單元對河南省新鄉(xiāng)市的土地生態(tài)質量進行評價，然后基于評價結果進行土地利用功能分區(qū)，并與土地利用規(guī)劃分區(qū)進行對比。結果表明：依據(jù)綜合評估值，新鄉(xiāng)市69 9%的土地生態(tài)質量介于良、優(yōu)之間，綜合值范圍為0 57～0 74，分布在獲嘉縣、原陽縣、延津縣、封丘縣、長垣縣等地區(qū)；鳳泉區(qū)東部、牧野區(qū)中西部、衛(wèi)濱市轄區(qū)的生態(tài)質量評價結果為差，占2 34%，綜合值介于0 22～0 38之間；其余27 8%的土地生態(tài)質量介于一般和中等之間，綜合值范圍為0 39～0 56。對綜合評估值空間分布進行分析表明，自然地理基礎、城鎮(zhèn)化水平、資源需求是土地生態(tài)質量的作用因素，依據(jù)評價結果，新鄉(xiāng)市被分為山地丘陵生態(tài)保護區(qū)、城市發(fā)展核心區(qū)、生態(tài)農業(yè)區(qū)，與規(guī)劃分區(qū)相對比具有較好的一致性。

關鍵詞： 土地評價；功能分區(qū)；熵權模型；新鄉(xiāng)市

中圖分類號： F301 24 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2015）08-0322-05

近年來，隨著改革開放的逐步推進，我國正處于經濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化快速推進的時期 [1]，人類社會與土地生態(tài)系統(tǒng)的交互不斷加深 [2]。在生產力發(fā)展水平和粗放的土地利用方式雙重脅迫下，產生了一系列土地生態(tài)問題，嚴重制約著人類的可持續(xù)發(fā)展。為確保土地資源的可持續(xù)利用和人類的可持續(xù)發(fā)展，合理保護和利用土地資源成為當務之急。土地生態(tài)質量評價和土地利用功能分區(qū)對土地資源的集約利用具有指導意義。土地生態(tài)質量評價是指對一定時間、空間范圍內環(huán)境的總體或部分環(huán)境要素的組合體對人類的生存及社會經濟持續(xù)發(fā)展的適宜程度進行評價 [3]；土地利用功能分區(qū)是根據(jù)區(qū)域內土地用途管制的要求，在分析區(qū)域內不同地區(qū)功能定位、發(fā)展趨勢、發(fā)展現(xiàn)狀和潛力、資源環(huán)境承載能力的基礎上，將一定區(qū)域劃分為若干個功能區(qū)片 [4-5]。

土地利用功能分區(qū)是土地利用總體規(guī)劃的核心內容 [6]，當前在土地生態(tài)評價、土地利用功能分區(qū)方面，許多學者已做了大量的研究。王璦玲等對土地生態(tài)質量進行了研究 [7-9]；吳澤斌等對城市土地生態(tài)利用水平進行了測度及障礙因子診斷 [10]； 卓鳳莉等對土地生態(tài)安全進行了研究 [11-17]。當前，針對土地生態(tài)質量評價的研究較多，但對土地利用功能分區(qū)的研究還處于起步階段。本研究通過熵權模型、綜合法對河南省新鄉(xiāng)市的土地生態(tài)質量進行評價，然后以評價為基礎對研究區(qū)進行功能分區(qū)，最后將評價分區(qū)結果與河南省新鄉(xiāng)市土地利用規(guī)劃大綱中的分區(qū)進行比較，以驗證評價分區(qū)的可行性。

1 材料與方法

1 1 研究區(qū)概況

河南省新鄉(xiāng)市地處34°53′～35°50′N、113°23′～115°1′E，總面積8 269 km2，與焦作市、鄭州市、開封市、安陽市、鶴壁市接壤，是中原經濟區(qū)的重要城市。新鄉(xiāng)市屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫14 ℃，年均降水量656 3 mm，水熱條件好，又因位于黃河流域，土壤條件也較好，成為我國糧棉主產區(qū)和優(yōu)質小麥生產基地。新鄉(xiāng)市的地勢為北高南低，北部山地丘陵區(qū)海拔較高，林地廣泛分布，中部市區(qū)以建設用地為主，南部各縣地形平坦，土地利用以農用地、村莊為主。南太行山蜿蜒于新鄉(xiāng)市北部上千公里，宏偉壯麗，成為新鄉(xiāng)市重要的旅游資源，為新鄉(xiāng)市奠定了中國優(yōu)秀旅游城市的地位。

1 2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2011年重點區(qū)域土地生態(tài)狀況調查，包括2 5～5 0 m遙感影像數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、第2次全國土地資源調查數(shù)據(jù)、多目標地球化學調查數(shù)據(jù)、地籍調查數(shù)據(jù)、氣象部門資料及統(tǒng)計年鑒。數(shù)據(jù)處理軟件包括ArcGIS、Erdas、Excel，主要用于數(shù)據(jù)的提取與統(tǒng)計。數(shù)據(jù)格式主要包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)2種，柵格單元大小為100 m×100 m，矢量數(shù)據(jù)比例尺為1 ∶ 100 000。

1 3 試驗方法

1 3 1 構建評價指標體系 在遵循科學性、代表性、系統(tǒng)性、可獲取性、全面性原則的基礎上，結合新鄉(xiāng)市的土地生態(tài)特點，構建基于自然地理因素、生產建設因素、生態(tài)多樣性因素、生態(tài)保護因素4個要素共29個指標的市級土地利用生態(tài)質量評價指標體系（表1），從而全面體現(xiàn)市級土地利用水平。

1 3 2 權重集確定 在生態(tài)質量評價中，不同指標的性質、計量單位、值域存在差異，不適宜直接比較。為了方便比較，本研究選擇極差標準化方法對各項指標進行標準化處理，把指標轉化為無量綱的相對數(shù)。正、負向指標的標準化公式[JP+1]分別為式（1）、式（2）。鑒于層次分析模型（AHP）主觀性較強，采用客觀的熵權模型來確定權重，模型涉及式（3）至式（6）。

1 3 3 綜合值計算 在新鄉(xiāng)市的土地生態(tài)評價中，共選取29個評價指標。為了計算方便，本研究采用綜合法對土地生態(tài)質量進行評價[式（7）]。運用自然斷點法對評估綜合值進行分級，共分為差、一般、中等、良、優(yōu)5個等級。

2 結果與分析

2 1 自然地理因素評價分析

自然地理因素即自然基礎條件，反映土地承載力水平，是土地生產力、資源潛力的最初來源。新鄉(xiāng)市自然地理因素指數(shù)整體上介于0 08～0 86之間，自北向南趨于增加，與高程的變化具有一致性，表明自然基礎條件受地形的影響顯著。研究區(qū)絕大部分土地自然基礎較好，占總面積的81 41%，評估結果介于中等和優(yōu)之間；潞王墳鄉(xiāng)、耿黃鄉(xiāng)等地區(qū)自然基礎差，占1 64%，評估值范圍為0 08～0 38；其余土地自然地理基礎處于一般水平，評估值介于0 39～0 51之間（表2）。各等級的地理分布情況見圖1，自然地理因素評估值分級及各等級涵蓋區(qū)域范圍詳見表2。endprint

2 2 生產建設因素評價分析

生產建設因素反映的是在生產力水平限制、城鎮(zhèn)化進程加速、人口壓力遞增共同脅迫下土地利用的適宜性程度。從圖2、表3可以看出，區(qū)域絕大部分土地如獲嘉縣、延津縣等生產建設條件較好，介于良、優(yōu)之間，評估值范圍為0 44～070；城郊鄉(xiāng)、頓坊店鄉(xiāng)等地區(qū)生產建設條件介于差、一般之間，占區(qū)域總面積的9 79%，評估值范圍為0 06～0 31；其余土地生產建設條件為中等水平，整體分布范圍見表3。

2 3 生態(tài)多樣性因素評價

生態(tài)系統(tǒng)類型在土地利用中表現(xiàn)為土地利用類型，因此生態(tài)多樣性因素反映了人為干擾下土地生態(tài)系統(tǒng)中廊道、斑塊、基質的破碎化程度。由圖3、表4可以看出，新鄉(xiāng)市絕大部分土地的生態(tài)多樣性介于一般、良之間，占區(qū)域總面積的83 80%， 評估值范圍介于0 40～0 77之間；新鄉(xiāng)市區(qū)、黃河灘涂等地區(qū)的評估結果為差，占區(qū)域總面積的13 79%，評估值范圍為009～0 39；國營輝縣市林場、城郊鄉(xiāng)等地區(qū)生態(tài)多樣性處于優(yōu)等水平，占區(qū)域總面積的2 34%，評估值介于0 78～1 00之間。

2 4 生態(tài)保護因素評價

在資源分布區(qū)域差異性變大及生態(tài)環(huán)境逐漸惡化的背景下，建立自然保護區(qū)是保護生態(tài)環(huán)境、生物多樣性、自然資源最為經濟有效的措施。由圖4、表5可知，鳳泉區(qū)、牧野區(qū)、新鄉(xiāng)縣等地區(qū)的生態(tài)保護因素較差，其余地區(qū)生態(tài)保護條件較好[CM（25]；獲嘉縣、延津縣等地區(qū)生態(tài)保護因素評估分級為優(yōu)，占總面積的32 76%， 評價指數(shù)介于0 78～0 88之間；長垣縣、衛(wèi)輝市等地區(qū)的生態(tài)保護因素評估分級介于一般、中等之間，占區(qū)域的41 72%，評估值范圍為0 43～0 64。

2 5 生態(tài)質量綜合評價

由圖5可知，整體來看，獲嘉縣、延津縣、原陽縣等縣的土地生態(tài)質量較好，介于良、優(yōu)之間；新鄉(xiāng)市區(qū)土地生態(tài)質量總體較差，處于差、中等之間，但紅旗區(qū)市轄區(qū)以外土地除外，介于良、優(yōu)之間；新鄉(xiāng)縣、輝縣市西南、衛(wèi)輝市南部的土地生態(tài)質量處于中間偏上水平，介于中等、良之間；輝縣市、衛(wèi)輝市北部山區(qū)土地生態(tài)質量處于中間偏下水平，介于一般、中等之間。新鄉(xiāng)市土地生態(tài)綜合評估值總體介于0 22～0 74之間；研究區(qū)大部分地區(qū)土地生態(tài)質量較好，占區(qū)域的69 90%，介于良、優(yōu)之間，綜合評估值下限為0 57；區(qū)域中僅很小一部分土地生態(tài)質量為差，占總面積的2 34%，綜合評估值上限為038； 其余27 80%的土地生態(tài)質量介于一般、中等之間， 綜合評估值基于0 39～0 56之間，區(qū)域分布范圍見表6。

從研究區(qū)土地生態(tài)質量形成機制來看，自然地理基礎、城鎮(zhèn)化水平、資源需求是主要作用因素。自然基礎是反映區(qū)域地形、氣候、土壤、植被等方面狀況的綜合指標，對土地利用和區(qū)域發(fā)展具有基本限制性。從自然基礎來看，2個市北部山地丘陵區(qū)屬于太行山石灰?guī)r區(qū)，較為干旱，海拔又較高，可墾性、建設性均較差，土地利用類型以林地、未利用地為主，土地生態(tài)質量介于一般、中等之間。

在城市化進程加速和工業(yè)化過快增長的雙重脅迫下，城鎮(zhèn)建設用地總量失控，結構失衡，可以通過城鎮(zhèn)建設用地比例、非滲透地表比例等指標反映。新鄉(xiāng)市區(qū)和各縣城人地矛盾突出，在機械壓實、踐踏及人為干擾下，土壤理化性質惡化；土壤板結、污染嚴重，生物多樣性銳減，綜合評估結果介于差、中等之間。然而，各縣以農用地、村莊為主，土地開發(fā)利用程度較小，生物多樣性較好，土地生態(tài)質量介于良、優(yōu)之間。

資源需求也是土地生態(tài)質量的作用因素，眾所周知，礦產資源屬于非可再生自然資源，但其具有地域分布不均衡的特征。礦產資源需求日益膨脹驅使著區(qū)域性土地破壞行為發(fā)生，受開采技術的限制，采礦過程中產生的廢水、廢氣、廢渣，對礦區(qū)的土地產生嚴重污染。黃河灘涂因分布有眾多采礦用地，破碎度高，生態(tài)多樣性受到破壞，土地生態(tài)質量綜合評價為良，稍差于其北部地區(qū)。輝縣市東南、鳳泉區(qū)、衛(wèi)輝市西部交界處同樣因為分布有大量采礦用地的緣故，土地生態(tài)質量評估介于差、中等之間。

2 6 土地利用功能分區(qū)

依據(jù)土地生態(tài)綜合評估值，并結合新鄉(xiāng)市自然地理基礎、社會經濟發(fā)展狀況進行評價分區(qū)，將新鄉(xiāng)市劃分為山地丘陵生態(tài)保護區(qū)、城市發(fā)展核心區(qū)、生態(tài)農業(yè)區(qū)（圖6）。將評價分區(qū)與新鄉(xiāng)市土地利用規(guī)劃大綱中的分區(qū)相對比表明， 僅有獲嘉縣與原陽縣及原陽縣的原武、橋北等地區(qū)存在差異（表7）。

這說明基于29個評價指標（表1）的土地生態(tài)質量評價分區(qū)具有可行性，能夠很好地反映研究區(qū)的自然、社會、經濟狀況，分區(qū)含義如下。山地丘陵生態(tài)保護區(qū)：以涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護為主要目標，主要發(fā)展林果業(yè)及觀光旅游業(yè)；對策為在發(fā)展旅游業(yè)的同時兼顧環(huán)境污染問題，確保生態(tài)環(huán)境的保護到位。城市發(fā)展核心區(qū)：人口密度大，經濟增長領先，具有集聚效應；對策為調整產業(yè)結構、控制人口規(guī)模、維護生態(tài)平衡、疏通與周邊地區(qū)經濟發(fā)展瓶頸。生態(tài)農業(yè)區(qū)：以取得最大的生態(tài)經濟效益為目標，在田、水、路、林配套基礎上實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)；對策為高品質、集約化、節(jié)能減排、低碳環(huán)保、循環(huán)利用。

3 結論

本研究在2011年河南省新鄉(xiāng)市土地生態(tài)狀況調查的基礎上，首先采用熵權模型、綜合法對研究區(qū)進行土地生態(tài)質量評價，然后以評價結果為依據(jù)將研究區(qū)分為3大功能區(qū)，并與新鄉(xiāng)市土地利用規(guī)劃分區(qū)進行比較，得出如下結論。（1）土地生態(tài)質量受自然地理基礎的限制。輝縣市及衛(wèi)輝市山區(qū)屬于太行山石灰?guī)r半干旱區(qū)，土壤干旱貧瘠、土層薄、植被覆蓋度低、水土流失嚴重，土地生態(tài)質量介于一般、中等之間；輝縣市西南、衛(wèi)輝市東南屬于平原，土壤為砂姜土，有機質含量并不高，但保肥能力強，土地生態(tài)質量為良。（2）土地生態(tài)質量與城市化水平有關。新鄉(xiāng)市區(qū)城市化水平高，人地矛盾突出，土地利用強度大，在機械壓實、踐踏及人為擾動下，土壤理化性質惡化，容重變大，孔隙度降低，表現(xiàn)為土壤板結與污染嚴重，生態(tài)質量介于差、一般之間；其他各縣以村莊和農用地為主，土地干擾度和破碎度較小，生態(tài)質量介于良、優(yōu)之間。（3）土地生態(tài)質量受資源需求影響。在人口壓力和經濟發(fā)展的共同脅迫下，礦產資源處于供不應求的狀況，由此引發(fā)一系列土地生態(tài)問題。黃河灘涂、輝縣市東南分布有大量采礦用地，土地破碎度較高，生物多樣性遭到嚴重破壞，土地生態(tài)存在區(qū)域失衡現(xiàn)象。（4）評價分區(qū)可行性較強。評價分區(qū)與規(guī)劃分區(qū)具有較好的一致性，從分區(qū)范圍來看，僅有獲嘉縣與原陽縣及原陽縣的原武、橋北地區(qū)存在差異。（5）不足。指標體系仍需要完善：受技術和方法的限制，有些指標難獲得或拘泥于定量化方法，土地生態(tài)質量評價的指標體系還需要完善；權重確定方法需要改進：由熵權模型確定的權重較為客觀，但對較大或較小指標有失衡現(xiàn)象存在，為了彌補這一不足，將熵權模型與層次分析模型相結合將成為下一步研究的目標。（6）展望?；谕恋乩蒙鷳B(tài)質量評價的土地利用功能分區(qū)尚處于起步階段，分區(qū)范圍保持了行政區(qū)界線的完整性，且本研究對區(qū)域社會經濟因素考慮不全面，有待進一步拓展。endprint

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