基于GIS的高陵區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)估

楊彤 楊瑾

摘要：本文以高陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評(píng)價(jià)單元，對(duì)其土地生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估，通過對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理分析，以土地自然條件指標(biāo)、土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)、生態(tài)保護(hù)指標(biāo)、土地退化狀況指標(biāo)4個(gè)準(zhǔn)則層為基礎(chǔ)，包含7個(gè)評(píng)估指標(biāo)、18個(gè)元指標(biāo)，構(gòu)建了高陵區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)估指標(biāo)體系。借助GIS分析、景觀格局分析、極差標(biāo)準(zhǔn)化法和熵值法等進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理及指標(biāo)權(quán)重的測(cè)算。通過對(duì)生態(tài)狀況的綜合評(píng)估分值的計(jì)算，研究區(qū)可劃分為優(yōu)秀、良好、較差3個(gè)等級(jí)，優(yōu)良等級(jí)占比近 54.28%，差的等級(jí)占比45.72%，通過對(duì)優(yōu)良、較差區(qū)域的分布情況的針對(duì)性分析，對(duì)生態(tài)狀況較差的區(qū)域提出相關(guān)建議，這對(duì)高陵區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善和保護(hù)有積極的意義。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài);ArcGIS;評(píng)估;高陵區(qū)

中圖分類號(hào)：S181? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229013

21世紀(jì)以來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，綜合國(guó)力不斷增強(qiáng)，以居全球第2大經(jīng)濟(jì)體。與此同時(shí)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也面臨著自然資源的約束，尤其在土地資源上表現(xiàn)的更為明顯。土地資源作為人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展基本的生活、生產(chǎn)要素[1]，其不可移動(dòng)性及位置固定性的特點(diǎn)導(dǎo)致了土地資源成為了越來越稀缺的資源。同時(shí)，土地資源作為重要的生態(tài)綜合體，在為各類生物群體提供生產(chǎn)、生活發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)的同時(shí)，又能反作用于生物群體。而土地生態(tài)系統(tǒng)作為兩者有機(jī)結(jié)合、相互影響的載體，能夠?yàn)槿祟愄峁┓?wù)并且持續(xù)滿足人類生產(chǎn)發(fā)展的需要[2]。伴隨著中國(guó)人口的持續(xù)增長(zhǎng)，人地矛盾越來越突出，建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張甚至已經(jīng)侵占了生態(tài)用地，這一系列行為將導(dǎo)致我國(guó)很多地區(qū)土地生態(tài)功能的退化，生態(tài)環(huán)境破壞等嚴(yán)重問題的產(chǎn)生，這給我國(guó)的生態(tài)安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生活帶來了諸多的不良影響。面對(duì)土地生態(tài)存在的嚴(yán)峻形勢(shì)，需對(duì)土地生態(tài)進(jìn)行全面客觀地評(píng)估[3]，本文以高陵區(qū)的實(shí)地情況為依據(jù)，從4個(gè)準(zhǔn)則層方向出發(fā)，選取7個(gè)評(píng)估指標(biāo)、18個(gè)元指標(biāo)，對(duì)高陵區(qū)的土地生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估、分析，了解全區(qū)的土地生態(tài)狀況空間分布特征和存在的問題，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為土地資源的可持續(xù)利用提供數(shù)據(jù)支撐[4]，保障高陵區(qū)生態(tài)資源的有序利用。

1研究區(qū)概況

高陵區(qū)位于西安市北部，地處陜西關(guān)中平原的腹地，東鄰臨潼區(qū)，西連咸陽市渭城區(qū)，南接未央、灞橋區(qū)，北鄰閻良區(qū)、咸陽市三原縣。地理坐標(biāo)介于E 108°56′16″～109°11′15″，N 34°25′00″～34°37′30″之間。氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶?rùn)大陸性氣候，年平均氣溫為 14.1℃，年平均降水量為 386.6mm，無霜期為 231d左右。土壤以婁土、褐土、淤土、潮土為主，土層厚度在20～30cm之間。高陵區(qū)土地總面積 285.03hm2，轄崇皇、鹿苑、張卜、通遠(yuǎn)、涇渭和耿鎮(zhèn)6個(gè)街道辦事處，2018年高陵區(qū)常住總?cè)丝跒?6.26萬人，城鎮(zhèn)化率為64.6%。

2研究數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文以高陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評(píng)價(jià)單元，采用2014—2018年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒，遙感影像數(shù)據(jù)，高陵區(qū)土壤普查資料等作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運(yùn)用極差標(biāo)準(zhǔn)化法和熵值法、GIS 分析、景觀格局分析法等方法進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理和指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，通過 ArcGIS、Fragstats3.3、EXCEL 等軟件對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行提取。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

由于土地生態(tài)狀況是由多種因素組成的復(fù)雜系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，這些因素包括自然因素、結(jié)構(gòu)因素以及社會(huì)因素等，因本文依據(jù)高陵區(qū)的地域特征，以簡(jiǎn)便性、可操作性、綜合性、科學(xué)性和主導(dǎo)性為原則[3]，通過查閱文獻(xiàn)、咨詢專家，確定了土地自然條件指標(biāo)，土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)，土地退化狀況指標(biāo)，生態(tài)保護(hù)指標(biāo) 4個(gè)準(zhǔn)則層，7個(gè)指標(biāo)層、18 個(gè)元指標(biāo)層作為評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建了高陵區(qū)的土地生態(tài)狀況評(píng)估指標(biāo)體系。其中，土地自然條件指標(biāo)層反映了高陵區(qū)的氣候、土壤、以及地形地貌條件等自然屬性的狀況[7];土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)層反映了高陵區(qū)景觀多樣性以及土地的利用狀況;土地退化狀況指標(biāo)層反映了高陵區(qū)的土地退化的比例;生態(tài)保護(hù)指標(biāo)層反映高陵區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)，具體如表1所示。

表1土地生態(tài)狀況評(píng)估指標(biāo)體系

準(zhǔn)則層指標(biāo)層元指標(biāo)層指標(biāo)指向指標(biāo)權(quán)重土地自然條件指標(biāo)層土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)層土地退化狀況指標(biāo)層生態(tài)保護(hù)指標(biāo)層氣候條件土壤條件地形地貌條件景觀多樣性指數(shù)土地利用狀況指數(shù)土地退化指數(shù)生態(tài)壓力指數(shù)年均降水量正向0.0562土壤有機(jī)質(zhì)含量正向0.0416土層厚度正向0.0455坡度負(fù)向0.0554土地利用類型多樣性指數(shù)正向0.0709土地利用格局多樣性指數(shù)負(fù)向0.0993斑塊多樣性指數(shù)負(fù)向0.0390耕地比例正向0.0481林地比例正向0.0575草地比例正向0.0346濕地比例正向0.1136建設(shè)用地比例負(fù)向0.0547耕地退化比例負(fù)向0.0475林地退化比例負(fù)向0.0406草地退化比例負(fù)向0.0765濕地退化比例負(fù)向0.0383人口密度負(fù)向0.0405GDP密度負(fù)向0.0403

2.3評(píng)估方法

2.3.1指標(biāo)權(quán)重的確定

熵值法作為一種較客觀的權(quán)重確定方法[8]，可以排除一定的主觀因素，其可信度和精確度較高。因此，本文采用熵值法來確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，該指標(biāo)的權(quán)重越小，表明其離散程度越大，對(duì)于土地生態(tài)狀況綜合評(píng)估結(jié)果的影響就越大[9]。本文通過以下各式進(jìn)行計(jì)算，從而得到各指標(biāo)的權(quán)重值（見表1），具體步驟如下。

由于不同數(shù)據(jù)的評(píng)估指標(biāo)量綱不同，在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，應(yīng)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理[10]，本文使用極差標(biāo)準(zhǔn)化法，計(jì)算公式如式①、②：

X'ij=（Xij-Xmin）（Xmax-Xmin） （正向性指標(biāo)）①

X'ij=Xmax-Xij（Xmax-Xmin） （負(fù)向性指標(biāo)）②

式中，i=（1，2，3…n），j=（1，2，3…n），X'ij為第i個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，Xij為第i個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。

計(jì)算第i個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的比重，計(jì)算方法如式③：

Yij=X'ij∑mi=1X'ij③

Yij為第i個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的比重。

再次，計(jì)算信息熵及信息熵冗余度。詳見式④和⑤：

ej=-k∑mi=1（Yij×LnYij）④

dj=1-ej⑤

式中，ej為指標(biāo)信息熵，k = 1 /Lnm，dj代表信息冗余度。

計(jì)算評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，具體計(jì)算方法詳見式⑥：

Wj=dj/∑nj=1dj⑥

式中，Wj為指標(biāo)權(quán)重， k = 1 /Lnm，m為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，n為指標(biāo)數(shù)。

2.3.2土地生態(tài)狀況的綜合評(píng)估分值測(cè)算

本文采用綜合指標(biāo)法對(duì)4個(gè)準(zhǔn)則層的評(píng)估分值與高陵區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)估綜合分值進(jìn)行測(cè)算[11]（公式如下）：

Si=∑ni=1（Wj×X'ij）⑦

其中，S 為土地生態(tài)狀況評(píng)估綜合分值，Wj是元指標(biāo)的權(quán)重，X'ij是各指標(biāo)值經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果，m為元指標(biāo)的數(shù)量。

3結(jié)果與分析

3.1準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)

3.1.1土地自然條件指標(biāo)評(píng)價(jià)

土地自然條件指標(biāo)層包含的指標(biāo)有氣候條件、土壤條件及地形地貌條件，主要反映的是高陵區(qū)內(nèi)土地生態(tài)的自然條件狀況。如圖1所示，高陵區(qū)的土地自然條件指標(biāo)評(píng)估值，自南向北呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。西南方向的涇渭街辦和東南的張卜街辦評(píng)估值最高，中部的鹿苑、崇皇和耿鎮(zhèn)街辦次之，西北向的通遠(yuǎn)街辦最低。

3.1.2土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)評(píng)價(jià)

土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)層主要包括景觀多樣性指數(shù)和土地利用狀況指數(shù)。根據(jù)圖2，高陵區(qū)的土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)值在東南方向的張卜、耿鎮(zhèn)街辦最高，西南方向的涇渭街辦次之，而中部的崇皇，北部的鹿苑、通遠(yuǎn)的土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)值最低，結(jié)構(gòu)性較為單一。

3.1.3土地退化狀況指標(biāo)評(píng)價(jià)

土地退化狀況指標(biāo)層是對(duì)耕地、林地、草地、濕地和建設(shè)用地的退化狀況進(jìn)行提取分析，能夠表現(xiàn)出目前高陵區(qū)土地退化的程度和情況。根據(jù)圖3，土地退化狀況指標(biāo)值自東北向西南方向呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，東北向的通遠(yuǎn)，鹿苑和張卜街辦土地退化狀況指標(biāo)值最高，土地的退化情況最為嚴(yán)重，而涇渭、崇皇街辦由于土地利用結(jié)構(gòu)較為單一，其土地的退化狀況評(píng)估分值較低，退化程度較小。

3.1.4生態(tài)保護(hù)指標(biāo)評(píng)價(jià)

生態(tài)保護(hù)指標(biāo)層是通過高陵區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)來表達(dá)的，由人口密度和GDP密度組成。由圖 4 可以看出，生態(tài)保護(hù)指標(biāo)分布在整體呈現(xiàn)出北部、東西部較高，中部較低，其中涇渭街辦其值最高，通遠(yuǎn)、鹿苑、張卜和耿鎮(zhèn)次之，崇皇街辦最低。

3.2土地生態(tài)狀況評(píng)估綜合結(jié)果分析

通過計(jì)算，可以得出高陵區(qū)的土地生態(tài)狀況綜合計(jì)算分值為0.4030～0.7847，采用自然斷點(diǎn)法（Jenks）將評(píng)估結(jié)果劃分為3個(gè)等級(jí)[12]，分別為優(yōu)秀、良好、較差3個(gè)等級(jí)，得到的評(píng)分值越高，說明該區(qū)域的生態(tài)狀況質(zhì)量越高，反之則越低（如圖5所示）。

本文以高陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評(píng)估單元，共6個(gè)。土地生態(tài)狀況質(zhì)量較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有3個(gè)，所占比例為45.72%，主要分布在中部和東北部，分別是通遠(yuǎn)、涇渭和崇皇街辦，該區(qū)域有土地的退化現(xiàn)象，土地利用的結(jié)構(gòu)較為單一，土地生態(tài)狀況質(zhì)量相對(duì)較差;土地生態(tài)狀況質(zhì)量良好的鄉(xiāng)鎮(zhèn)共2個(gè)，所占比例為37.33%，分別為鹿苑和耿鎮(zhèn)街辦，地勢(shì)平坦，土壤有機(jī)質(zhì)含量含量較高，但是由于這些區(qū)域人口較多，容易受到人類活動(dòng)的干擾，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好;土地生態(tài)狀況為優(yōu)秀的鄉(xiāng)鎮(zhèn)共1個(gè)，即張卜街辦，所占比例為16.95%。該鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤條件肥沃，景觀多樣性豐富，受到人類活動(dòng)的干擾較少，生態(tài)環(huán)境較好。從分布面積上來看54.28%面積的土地，土地生態(tài)狀況為良好或優(yōu)秀。因此，高陵區(qū)總體土地生態(tài)狀況為優(yōu)。

通過土地生態(tài)狀況評(píng)估，可以看出高陵區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)估綜合分值的空間分布與土地結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)的分布規(guī)律相近?？臻g分布狀況呈現(xiàn)由東南向西北漸低的趨勢(shì)，張卜街辦的綜合分值較高，分值較低的縣區(qū)大多集中于高陵區(qū)的北部與中部。由此可知，高陵區(qū)的土地結(jié)構(gòu)狀況對(duì)土地生態(tài)狀況質(zhì)量影響較大，而土地利用方式的改變更容易對(duì)土地生態(tài)狀況的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

4結(jié)論與討論

本文通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析，根據(jù)土地生態(tài)狀況的自然條件、結(jié)構(gòu)性、土地退化以及生態(tài)保護(hù)4個(gè)評(píng)估準(zhǔn)則層，構(gòu)建土地生態(tài)狀況評(píng)估指標(biāo)體系。運(yùn)用GIS技術(shù)、景觀格局分析法、極差法、熵值法等，對(duì)高陵區(qū)的土地生態(tài)狀況綜合的評(píng)估。從高陵區(qū)的評(píng)估結(jié)果來看土地生態(tài)狀況總體向優(yōu)，綜合分值范圍為0.4030～0.7847。

土地生態(tài)狀況結(jié)果為良好及優(yōu)秀的地區(qū)占研究區(qū)面積的54.28%。耿鎮(zhèn)、鹿苑、張卜街辦地勢(shì)平坦，耕地較多，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，水源充足，自然條件非常優(yōu)越，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)該在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，發(fā)展現(xiàn)代化、專業(yè)化、規(guī)模化、基地化的農(nóng)業(yè)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)開發(fā)，提高糧食產(chǎn)量，確保人與自然的和諧共處。

生態(tài)評(píng)估結(jié)果中較差的區(qū)域占總面積的45.72%，其為高陵區(qū)的城市發(fā)展區(qū)域，該區(qū)域人口較多，人類活動(dòng)密集，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件較好，同時(shí)該區(qū)域依托涇渭河水生態(tài)資源，是生態(tài)保護(hù)的景觀帶，但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中不可避免的對(duì)高陵區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，因此高陵區(qū)在發(fā)展過程中更應(yīng)該注重經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的并行發(fā)展，注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)，使高陵區(qū)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過程中達(dá)到與生態(tài)環(huán)境高度耦合的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳次芳，徐保根.土地生態(tài)學(xué)[M].北京：中國(guó)大地出版社，2003：17，19，107.

[2] 李德勝.新型城鎮(zhèn)化背景下區(qū)域土地生態(tài)安全研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2017.

[3] 劉明遠(yuǎn)，張合兵，孫江鋒，陳寧麗，李悅.典型區(qū)域土地生態(tài)狀況精細(xì)評(píng)估[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30（33）：206-211.

[4] 陳書廣.河南省土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[D].開封：河南大學(xué)，2009.

[5] 余霞.基于生態(tài)足跡的林業(yè)生態(tài)安全測(cè)度研究及其影響因素分析[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2017.

[6] 程偉，吳秀芹，蔡玉梅. 基于 GIS 的村級(jí)土地生態(tài)評(píng)價(jià)研究——以重慶市江津區(qū)燕壩村為例[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，48（06）：982-988.

[7]李保蓮，申圣潔，陳偉強(qiáng)，焦俊黨，李華超.村域土地生態(tài)狀況動(dòng)態(tài)評(píng)估——以河南省新鄭市為例[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2019，35（04）：62-68.

[8]許力飛.我國(guó)城市生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2014.

[9] 睢黨臣，姚星宇.西安市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018，27（05）：19-24.

[10] 董曉曉.西部生態(tài)脆弱區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[11]孟莎，陳建龍，孫瑩瑩.基于GIS的土地生態(tài)狀況安全評(píng)估[J].國(guó)土與自然資源研究，2018（04）：4-6.

[12]湯陽. 浙江省土地生態(tài)狀況評(píng)估及土地生態(tài)分區(qū)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2018.

[13]鄧曉娟，李晶，殷守強(qiáng)，孫子云，崔綠園，閆蕭蕭，王媛.陳巴爾虎旗土地生態(tài)狀況評(píng)價(jià)及影響因素分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24（11）：162-172.

[14]于瀟，呂春艷，郭旭東，張智杰，李雙成，郝繼坤.京津冀城市群地區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)估[J].中國(guó)土地科學(xué)，2018，32（04）：89-96.

[15]楊霞.錫林郭勒草原區(qū)土地生態(tài)狀況評(píng)估研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[16]趙倩俠.土地生態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2016.

[17]魯麗波.鄂爾多斯市土地生態(tài)狀況調(diào)查與評(píng)估分析[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2013.

[18]程?hào)|林，陳英，喬蕻強(qiáng)，謝保鵬，任璽錦.西北生態(tài)脆弱區(qū)城市土地生態(tài)安全時(shí)序性評(píng)價(jià)——以蘭州市為例[J].中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)，1672-6995：12.