基于地理格網(wǎng)的韓城市土地生態(tài)安全評價

夏積德，李俊鋒，齊養(yǎng)周

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西測繪地理信息局，陜西 西安 710054；3.周至縣水務(wù)局，陜西 周至 710400)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度的加快，對于土地的開發(fā)利用程度大大提高，土地資源的可利用性逐漸減少，人與土地的矛盾日益突顯[1]。土地生態(tài)安全作為我國生態(tài)文明建設(shè)背景下重要的國家發(fā)展戰(zhàn)略之一，從根本上關(guān)系到該區(qū)的土地生態(tài)安全以及人類長遠(yuǎn)利益[2]。

土地生態(tài)安全評價是對區(qū)域土地的綜合分析，涉及社會、經(jīng)濟(jì)、自然、人為等眾多影響因素[3～4]，其目的主要在于正確清楚認(rèn)識區(qū)域土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及演變趨勢，為后期治理與修復(fù)提供可參考因素及決策依據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域土地生態(tài)安全的可持續(xù)性，更好的實現(xiàn)人與自然的和諧相處與土地的可持續(xù)利用[5～6]。

國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對土地生態(tài)安全評價問題做了探索[7～8]，但是研究方向與成果存在生態(tài)指標(biāo)不完整、體系差異大等問題[9～10]。從實際的土地生態(tài)問題角度出發(fā)，進(jìn)行土地生態(tài)安全評價和建立評價指標(biāo)體系成為今后的發(fā)展方向。

以陜西省韓城市為研究對象，運用地理格網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GIS、ENVI等軟件及PSR模型和層次分析法等對韓城市土地生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價，通過對該研究區(qū)的土地數(shù)據(jù)綜合分析與研究，探究其土地生態(tài)安全現(xiàn)狀及其安全指數(shù)與等級，并在一定程度上提出了合理建議。為改善研究區(qū)土地生態(tài)安全現(xiàn)狀，減少土地的不合理利用提供支持。以期為今后黃土高原區(qū)域土地生態(tài)安全的治理，國家相關(guān)政策的制定提供決策依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 研究區(qū)概況

韓城總面積1 621 km2，人口50萬。地勢西北高，東南低。西部深山多為梁狀山嶺，一般海拔900 m以上，韓(城)黃(龍)分界處的大嶺海拔1 788 m，為本市全境最高點。中部淺山區(qū)多為黃土丘陵，海拔600～900 m。東部黃土臺原，一般海拔400～600 m，澽水下游川道和黃河灘地，多在海拔400 m以下。市南的芝川口海拔357 m為全市陸面最低處。境內(nèi)山原川灘等地貌類型兼有，其中深山和淺山丘陵占總面積的69%。

韓城地處暖溫帶半干旱地帶，屬大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫13.5℃，積溫為4 626℃。平均年降水量559.7 mm，無霜期208 d，年日照2 436 h，有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但降雨量不均， 7、8、9月份多雨。春夏季易發(fā)生干旱，夏季陣雨多、強(qiáng)度大，水土流失嚴(yán)重。

韓城市由新城辦、金城辦、龍門鎮(zhèn)、桑樹坪鎮(zhèn)、芝川鎮(zhèn)、西莊鎮(zhèn)、芝陽鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)等8個區(qū)域組成。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文數(shù)據(jù)主要包括韓城市GF2影像、韓城市行政區(qū)劃圖、《韓城市2015年統(tǒng)計年鑒》和《韓城市2017年統(tǒng)計年鑒》。

對于格網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過格網(wǎng)計算獲得，在ArcGIS中，利用創(chuàng)建漁網(wǎng)工具，將韓城市分成1 km*1 km的正方形格網(wǎng)，進(jìn)行計算，獲得部分評價要素數(shù)據(jù)，將各個數(shù)據(jù)連接整合，得到土地生態(tài)安全綜合評價指數(shù)，對韓城市土地利用類型圖進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化表達(dá)，對其生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價研究。

1.3 研究方法與評價指標(biāo)

1.3.1 評價指標(biāo)的確定 PSR模型即壓力——狀態(tài)——響應(yīng)模型，體現(xiàn)了人類與環(huán)境之間的作用與反作用關(guān)系[11]。PSR模型回答了“發(fā)生了什么、為什么發(fā)生、我們將如何做”3個可持續(xù)發(fā)展的基本問題。本研究將人類及其他因素對土地生態(tài)安全的影響因素概括為三個部分，即壓力安全、狀態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)安全。結(jié)合韓城市土地利用現(xiàn)狀及其綜合因素的考量，結(jié)合PSR模型，確定評價指標(biāo)層，其中包括人均耕地面積、人口密度、人口增長率、建設(shè)占耕地面積比例、城鎮(zhèn)化面積等5個壓力安全指標(biāo)；人均糧食產(chǎn)量、森林覆蓋率、草地覆蓋率等三個狀態(tài)安全指標(biāo)；非農(nóng)業(yè)人口比重、人口老齡化、農(nóng)村居民點面積、農(nóng)村居民點面積、生產(chǎn)總值、人均純收入等5個響應(yīng)安全指標(biāo)，共計13個指標(biāo)。其相關(guān)指標(biāo)及相應(yīng)權(quán)重如表1 所示。

表1 韓城市生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與評價模型

(1)數(shù)據(jù)處理。由于各個土地生態(tài)安全評價指標(biāo)對土地生態(tài)安全評價的影響不一，本研究采用極差法對個指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。使用正向標(biāo)準(zhǔn)化(公式1)和負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)化(公式2)公式對土地生態(tài)安全正效應(yīng)指標(biāo)和負(fù)效應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行處理，公式如下：

(1)

(2)

式中，Sij——為第i個柵格第j項指標(biāo)的原始值；

maxSj——第j個指標(biāo)的最大值；

minSj——第j個指標(biāo)的最小值；

Sij——原數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，其范圍為0～1。

(2)地理格網(wǎng)方法。本研究在GIS的支持下，依據(jù)研究區(qū)的空間幾何尺度、生態(tài)評價因子數(shù)據(jù)源特征確定以1km*1km格網(wǎng)作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)空間化定位平臺，利用 ArcGIS10.2.2中的中fishnet工具創(chuàng)建1 km*1 km矢量格網(wǎng)對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化[12]，通過疊加分析(聯(lián)合、相交等)將統(tǒng)計數(shù)據(jù)賦值給每個格網(wǎng)，進(jìn)行模擬和量化，然后將數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)與投影系統(tǒng)下進(jìn)行運算與分析[13]，將其轉(zhuǎn)換城30 m分辨率柵格數(shù)據(jù)參與模型運算。

(3)生態(tài)安全綜合評價模型。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的分析方法，具有系統(tǒng)性及層次化性[14]。本研究結(jié)合各指標(biāo)之間的相關(guān)性以及該區(qū)地理環(huán)境和發(fā)展?fàn)顩r構(gòu)建適宜的層次體系、結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料以及專家評分為各指標(biāo)賦予權(quán)重并構(gòu)建生態(tài)評價模型。土地綜合生態(tài)安全評價值的計算公式為:

(3)

式中Z值越大，表明該區(qū)安全程度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀分析

通過對韓城市GF影像進(jìn)行解譯與監(jiān)督分類，解譯出韓城市土地利用現(xiàn)狀分布圖，如圖1所示。主要土地利用類型有：水體、耕地、園地、建設(shè)用地、裸地、林地、自然保留地、草地。韓城總體上呈現(xiàn)出西北高、東南低的地勢，西部多為山地。韓城市西部地區(qū)主要以林地與自然保留地為主。中部及南部地勢低平，適合糧食種植、開發(fā)建設(shè)等各種人類生產(chǎn)活動，其中糧食作物的種植，多以耕地與園地為主。在北部地區(qū)，以花椒為主要經(jīng)濟(jì)作物，其自然地理條件、溫度氣候、海拔高度、土壤特性、光熱資源，均適宜花椒的種植。中偏北部即龍門鎮(zhèn)地區(qū)，主要以工礦開采為主，龍門鎮(zhèn)為韓城市重要的煤礦開采經(jīng)濟(jì)鎮(zhèn)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，生產(chǎn)總值及人均經(jīng)濟(jì)收入都位居各鎮(zhèn)前列。在東南區(qū)，黃河經(jīng)過，形成部分沖積扇與灘涂，以及黃河生態(tài)景區(qū)，包括黃河濕地公園、龍門風(fēng)景名勝區(qū)等旅游景點，其旅游業(yè)的發(fā)展對韓城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有一定的促進(jìn)作用。

圖1 韓城市土地利用現(xiàn)狀

2.2 綜合生態(tài)安全評價分析

研究區(qū)基于13個生態(tài)安全指標(biāo)來綜合計算與分析韓城市的土地生態(tài)安全，由于其存在量綱的不一致性，因此對13個指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得出綜合安全指數(shù)0.211489～0.678176。如圖2所示，其指數(shù)最高值約為最低值的3倍。

圖2 韓城市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)

由于“自然間斷點”可對各個分類間隔進(jìn)行識別，基于數(shù)值相似，對相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)姆纸M，并可使各個類之間的差異最大化。因此，在ArcGIS軟件中，基于自然間斷點分級法將綜合安全指標(biāo)數(shù)值分為四類，如表3分別為不安全(0.211489 - 0.378753)、臨界安全(0.378754 - 0.471063)、較安全(0.471064 - 0.532268)、安全(0.532269 - 0.678176)四類。

由圖2可知，金城辦和新城辦綜合生態(tài)安全指數(shù)最低，板橋鎮(zhèn)生態(tài)安全指數(shù)最高，其綜合生態(tài)安全指數(shù)值代表土地生態(tài)安全的健康質(zhì)量狀況，其值越高，該區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)越健康；其值越低，該區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)危險程度越高。因此，在韓城市6鎮(zhèn)2辦中，金城辦與新城辦土地生態(tài)安全有待提高，而板橋鎮(zhèn)處于安全的土地生態(tài)系統(tǒng)，希望市政府制定相關(guān)計劃繼續(xù)保持其良好的土地生態(tài)安全狀況，保持良好的自然地理環(huán)境與得天獨厚的氣候條件，保持該區(qū)可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合人均耕地面積、人口密度、人口自然增長率等13個相關(guān)生態(tài)安全指標(biāo)，以及韓城市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，可知金城辦與新城辦位于韓城市較中心地位，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈環(huán)狀形態(tài)，環(huán)狀中心經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，逐漸向外，經(jīng)濟(jì)能力減弱。金城辦與新城辦經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，人口高度集中，住宅與建設(shè)用地占據(jù)主要土地面積，其自然資源與物質(zhì)消耗也居高，因此對該區(qū)土地壓力較大，其土地生態(tài)安全無法保持較好的狀態(tài)。而板橋鎮(zhèn)處于西部林區(qū)，相對于市中心，人口、住房、建設(shè)等壓力相對較小，物質(zhì)能耗于資源利用也相對減少，其得天獨厚的地理位置條件及優(yōu)越的自然環(huán)境也為其土地的安全與健康提供了一定的保障。其他5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，依據(jù)其綜合生態(tài)安全指數(shù)從大到小依次排列為：芝陽鎮(zhèn)、桑樹坪鎮(zhèn)、西莊鎮(zhèn)、芝川鎮(zhèn)、龍門鎮(zhèn)。

從由表2和圖3可以看出，韓城市土地生態(tài)安全狀況存在較明顯的空間分異特征。不安全地區(qū)分布在韓城市中南部，占地面積為92.77 km2,面積占比為5.7%；該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，為韓城市中心地段，土地壓力大。臨界安全地區(qū)分布在韓城市中部及南部，占地面積為213.57 km2，面積占比為13.17%。較安全地區(qū)主要分布在韓城市北部地區(qū)，占地面積為879.25 km2，面積占比為53.99%；該區(qū)以花椒為主要種植作物，享有“花椒之都”的美譽(yù)。安全地區(qū)分布在該區(qū)西部地區(qū)，占地面積為435.41 km2，面積占比26.86%；該區(qū)以林地為主，是各種喬木、灌木林生長之地。

表2 研究區(qū)生態(tài)安全等級評價結(jié)果

圖3 韓城市土地生態(tài)安全等級

經(jīng)上述分析可見，該研究區(qū)總體上生態(tài)安全水平較高，局部地區(qū)生態(tài)安全狀況較差，其研究結(jié)果與實際情況相吻合。以此研究結(jié)果為借鑒依據(jù)，采取相關(guān)措施與政策，有利于更好地實現(xiàn)生態(tài)安全的可持續(xù)性與良好的發(fā)展性。

2.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全評價

板橋鎮(zhèn)地處韓城市中西部山區(qū)，其土地綜合安全指數(shù)為0.551 431～0.678 176，整體處于安全狀態(tài)。

金城辦位于韓城市中心位置，地處河谷川道和黃土臺原區(qū)，土地綜合安全指數(shù)為0.31 776-0.394 187。整體生態(tài)安全指數(shù)不高，其中96.76%處于不安全狀態(tài)，3.24%處于臨界狀態(tài)。

龍門鎮(zhèn)位于韓城市東北部，其土地生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.350 611～0.475 619。整體處于臨界安全狀態(tài)，其中3.54%為不安全狀態(tài)，95.68%為臨界安全狀態(tài)，0.78%為較安全狀態(tài)。

桑樹坪鎮(zhèn)位于韓城市北部，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，其土地生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.46 726～0.60 4647。其中62.82%處于較安全狀態(tài)， 37.13%處于安全狀態(tài)。

西莊鎮(zhèn)位于桑樹坪鎮(zhèn)南部、龍門鎮(zhèn)西部。其土地生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.432 009～0.568 672。其中61.13%處于臨界安全狀態(tài)，28.69%處于較安全狀態(tài)， 10.18%處于安全狀態(tài)。

新城辦處于韓城市中心位置，是全市的政治、經(jīng)濟(jì)、文教和商貿(mào)中心。其土地生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.211 489～0.30 961。整體處于不安全狀態(tài)，政府及各部門應(yīng)該予以重視，制定相關(guān)政策，改善土地生態(tài)安全狀況，合理開發(fā)與利用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

芝川鎮(zhèn)地處韓城市東南部，該鎮(zhèn)土地生態(tài)安全指數(shù)為0.390 911～0.541 516。其中85.30%處于臨界安全狀態(tài)，13.18%處于較安全狀態(tài)， 1.52%處于安全狀態(tài)。由于該鎮(zhèn)西北地區(qū)靠近山區(qū)，其土地生態(tài)安全指數(shù)相對較高。

芝陽鎮(zhèn)地處韓城市南部，該鎮(zhèn)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.491 921～0.609 339。其中60.85%處于較安全狀態(tài)，39.15%處于安全狀態(tài)。整體土地生態(tài)安全指數(shù)相對較高。

綜合來看，板橋鎮(zhèn)土地生態(tài)安全狀況居各鄉(xiāng)鎮(zhèn)首位，土地生態(tài)安全狀況較好；桑樹坪鎮(zhèn)次之，新城辦與金城辦土地生態(tài)安全狀況較差。

3 結(jié)論

以陜西省韓城市為研究對象，利用GF影像數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)及部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合格網(wǎng)GIS技術(shù)，對韓城市土地生態(tài)安全進(jìn)行綜合分析與評價。主要結(jié)論及建議如下：

(1)韓城市土地生態(tài)安全狀況存在較明顯的空間分異特征。研究區(qū)土地綜合生態(tài)安全指數(shù)為0.211 489～0.678 176，將其分為四個等級(不安全、較安全、臨界安全、安全)。不安全地區(qū)在韓城市中南部，面積占比為5.7%；臨界安全地區(qū)在韓城市中部及南部，面積占比為13.17%；較安全地區(qū)在韓城市北部地區(qū)，面積占比為53.99%；安全地區(qū)在韓城市西部地區(qū)，面積占比26.86%。

(2)韓城市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全等級綜合來看，板橋鎮(zhèn)土地生態(tài)安全狀況最好，桑樹坪鎮(zhèn)次之，新城辦與金城辦土地生態(tài)安全狀況較差。

(3)韓城市總體上生態(tài)安全水平較高，局部地區(qū)生態(tài)安全狀況較差。從中心向四周土地生態(tài)安全等級逐漸提高，說明其生態(tài)狀況良好。研究結(jié)果與實際情況相吻合，筆者研究所用模型和方法在城市土地生態(tài)安全評價中的可行性及適用性得到驗證。

(4)基于筆者分析研究，建議韓城市在今后建設(shè)和發(fā)展中，應(yīng)著重保護(hù)耕地，對于工礦用地的環(huán)境、污水排放量、廢棄排放量等應(yīng)嚴(yán)加管控，減少對周邊地區(qū)環(huán)境的污染。政府及相關(guān)部門應(yīng)加大對研究區(qū)土地資源的管理力度，提高土地生態(tài)安全質(zhì)量。