太行山山區(qū)土地多功能評(píng)價(jià)
——以阜平縣為例

馮哲，康營(yíng)，齊躍普，丁超，許皞，王樹濤

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2石家莊師兄弟土地環(huán)境技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 保定 071000)

土地是人類社會(huì)賴以發(fā)展的基本自然資源，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，與土地利用引發(fā)的資源環(huán)境問題也在逐漸凸顯，如何合理充分地發(fā)揮土地功能，對(duì)高效利用土地資源實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1]。我們通常把土地與人類活動(dòng)相互作用過程中所表現(xiàn)出來的能夠提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的能力稱之為土地功能[2]。開展土地多功能評(píng)價(jià)對(duì)實(shí)施國(guó)土空間規(guī)劃、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展有重要的意義[3]。

國(guó)外土地功能研究的開端是農(nóng)業(yè)功能[4]。Munoz M等研究將土地功能從農(nóng)業(yè)功能擴(kuò)展到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域，對(duì)土地功能的概念加以延伸，開創(chuàng)了土地多功能的研究[5]；Wiggering H建立較為完整的土地生態(tài)系統(tǒng)框架[6]； Reidsma P使用模擬和監(jiān)測(cè)的方法對(duì)土地多功能利用進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)于土地多功能的研究，首先提出了土地的社會(huì)保障功能，隨后提出土地的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)功能[9-11]；對(duì)多功能農(nóng)地利用的考察，運(yùn)用土地功能概念，在指標(biāo)研究和區(qū)域空間功能分區(qū)理論方面進(jìn)行探索[9,12]；隨著對(duì)土地功能的深入研究，重心逐步轉(zhuǎn)到國(guó)土空間功能利用和主體功能區(qū)上[13-14]。土地利用多功能研究尺度主要集中在以行政區(qū)劃為基礎(chǔ)單元的國(guó)家、省市等中宏觀尺度上，基于縣域評(píng)價(jià)單元的城市群研究相對(duì)較少[14]。

本試驗(yàn)以太行山典型山區(qū)縣阜平縣為研究對(duì)象，基于土地的生產(chǎn)功能、生活功能、生態(tài)功能(以下統(tǒng)稱為三生功能)，結(jié)合阜平縣典型特點(diǎn)選取適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合GIS空間疊加分析，對(duì)阜平縣土地三生功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

位于河北省保定市西部的阜平縣地處太行山中北部地區(qū)，地勢(shì)由西北(海拔2.2 km)至東南(海拔0.2 km)逐漸降低，其內(nèi)由西北至東南橫貫縣域的沙河屬于海河流域的大清河水系。阜平縣共有13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，209個(gè)行政村，1 208個(gè)自然村，是國(guó)家級(jí)貧困縣。土地總范圍2 496 km2，其中耕地1.46萬hm2。縣域內(nèi)80%的田地主要分布在山地或平壩地，土地資源條件較差，可作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的面積較少，生產(chǎn)成本高且生產(chǎn)力低。由于土地資源較為短缺，土地碎片化嚴(yán)重，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的形成產(chǎn)生了極大制約。隨著生產(chǎn)、生活功能用地?zé)o序擴(kuò)張，土地利用出現(xiàn)諸多問題，加劇了人地之間的矛盾，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程遲緩，產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平難以得到有效提高。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 圖件資料 阜平縣2018年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查成果數(shù)據(jù)，阜平縣的土地利用總體規(guī)劃圖、農(nóng)用地分等定級(jí)圖、行政區(qū)劃圖、地形地貌圖、植被分布圖、土壤類型圖等基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)圖件，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人口、氣候、水資源等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2.2 實(shí)地調(diào)查 在劃分的每個(gè)評(píng)價(jià)單元里隨機(jī)選取了3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行剖面構(gòu)型、表土質(zhì)地、有效土層厚度、地形坡度、海拔5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的記錄，另外采用“S”型取土法在每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)的土壤進(jìn)行混合裝袋做標(biāo)記，后期對(duì)取回的土壤進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定，最后對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)取平均值作為該評(píng)價(jià)單元里評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終表達(dá)。

2 研究方法

2.1 土地多功能評(píng)價(jià)單元的確定

網(wǎng)格法可以取得范圍較小、精度較大的結(jié)果，且劃分依據(jù)較客觀，是一種科學(xué)合理的劃分評(píng)價(jià)單元方法[15]。阜平縣區(qū)域內(nèi)最小的村域?yàn)辇埲P(guān)鎮(zhèn)的臺(tái)南村，其面積為9.73 km2。通過搜集文獻(xiàn)以及實(shí)地調(diào)研，研究評(píng)價(jià)單元決定采用3 km×3 km的正方形網(wǎng)格。評(píng)價(jià)單元比龍泉關(guān)鎮(zhèn)的臺(tái)南村面積小，能更加具體清晰地反映每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征及特征量的大小對(duì)評(píng)價(jià)單元的影響。

2.2 土地功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

從土地生產(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能出發(fā)，通過查閱相關(guān)資料，選擇如下指標(biāo)作為土地多功能的評(píng)價(jià)因子，詳見表1。根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)選用了部分定性指標(biāo)，為便于后期的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，將這些定性指標(biāo)進(jìn)行賦值量化，詳見表2。

表1 土地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 土地多功能評(píng)價(jià)定性指標(biāo)賦值

2.3 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

運(yùn)用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)采集到的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19]。其計(jì)算公式如下：

當(dāng)指標(biāo)值是正向指標(biāo)時(shí)，發(fā)展走向?yàn)樵酱笤胶茫?/p>

公式：X’ij=(Xij-minXj)/(maxXj-minXj)

(1)

當(dāng)指標(biāo)值是負(fù)向指標(biāo)時(shí)，發(fā)展走向?yàn)樵叫≡胶茫?/p>

公式：X’ij=(maxXj-Xij)/(maxXj-minXj)

(2)

式中Xij和X’ij指第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j項(xiàng)指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值，而maxXj和minXj分別表示為第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。

2.4 權(quán)重的確定

結(jié)合研究選取評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)及相關(guān)資料的查詢，最終決定采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定指標(biāo)的權(quán)重[22-23]。

2.4.1 層次分析法 將一個(gè)問題分解為若干個(gè)層次，再將每一個(gè)層分解成若干個(gè)成對(duì)單元；然后將成對(duì)的2個(gè)單元進(jìn)行比較，判斷出哪個(gè)單元更加重要；最后將所有層次進(jìn)行綜合，得到總排序的層次。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

分析系統(tǒng)中各因子之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)，然后對(duì)同一層次元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，從而確定其相應(yīng)的權(quán)重。構(gòu)造指標(biāo)重要程度判斷矩陣。

(2)層次單排序

①分別計(jì)算判斷矩陣每一行元素的積Mi，公式為：

(3)

(4)

(5)

④計(jì)算判斷矩陣的最大特征根

(6)

⑤一致性檢驗(yàn)

式中：CI為一致性指標(biāo)，N為矩陣階數(shù)，CR為隨機(jī)一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。通過檢驗(yàn)計(jì)算得到CR的值，當(dāng)CR<0.10時(shí)，說明層次單排序的計(jì)算結(jié)果是合理可行的，當(dāng)CR>0.10時(shí)，則需要對(duì)判斷矩陣再次進(jìn)行調(diào)整，直至滿意。

2.4.2 熵權(quán)法 依據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異大小，通過信息熵計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)，再利用熵權(quán)計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重。

①計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)縣第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的比重Pij：

(7)

②計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

(8)

式(8)中l(wèi)n為自然對(duì)數(shù)，1/lnm為比例系數(shù)，m為樣本數(shù)，Ej∈[0，1]。

③計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵冗余度，指標(biāo)值冗余度越大，熵值就越小，對(duì)土地利用多功能水平的影響就越大。

gi=1-Ej

(9)

④計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重：

(10)

2.4.3 主客觀組合賦權(quán)法 為了同時(shí)兼顧指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確客觀性，實(shí)現(xiàn)主客觀權(quán)重的統(tǒng)一，本試驗(yàn)采用主觀客觀相組合的方法來確定土地利用多功能各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

通過層次分析法計(jì)算出的土地利用多功能各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重向量為:

ω=(ω1,ω2,ω3…ωm)T

(11)

通過熵權(quán)法計(jì)算出的土地利用多功能各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重向量為:

μ=(μ1,μ2,μ3…μm)T

(12)

取2者的平均值作為綜合權(quán)重為：

(13)

2.5 評(píng)價(jià)模型

經(jīng)過前面對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值和每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，最后根據(jù)評(píng)價(jià)模型計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)單元的土地多功能值，計(jì)算公式如下：

(14)

式中：Rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；

Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；

R值在0～1之間；某項(xiàng)土地功能的R值越大，表明該評(píng)價(jià)單元越傾向某項(xiàng)功能。

2.6 加權(quán)綜合指數(shù)

應(yīng)用加權(quán)綜合指數(shù)法計(jì)算基于本研究的阜平縣各評(píng)價(jià)單元的土地生產(chǎn)功能、生活功能、生態(tài)功能的綜合指數(shù)。

(15)

式中：Rj為第j項(xiàng)指標(biāo)的土地多功能值;

Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)

根據(jù)2.3中公式(1)、公式(2)分別對(duì)土地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，依據(jù)2.4層次分析法和熵權(quán)法，確定阜平縣土地生產(chǎn)功能各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表3。

表3 土地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重

阜平縣土地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)最終結(jié)果，詳見圖1。

由圖1可知，通過綜合分析計(jì)算，最終確定阜平縣土地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)的范圍為：0.058～0.393。為了更加直觀且客觀地對(duì)綜合分值進(jìn)行歸類分析，用聚類分析法，結(jié)合SPSS17.0軟件，將阜平縣土地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為3級(jí)，Ⅰ級(jí)(0.058～0.150)；Ⅱ級(jí)(0.150～0.227)；Ⅲ級(jí)(0.227～0.393)，Ⅰ級(jí)生產(chǎn)功能區(qū)占阜平縣土地總面積的19.22%，主要分布在阜平縣地勢(shì)較為平坦、水資源較豐富主要進(jìn)行土地生產(chǎn)的東南部低山丘陵地帶。Ⅱ級(jí)生產(chǎn)功能區(qū)占阜平縣土地總面積的40.91%，面積較大但是分布較為分散，主要分布在城鎮(zhèn)的周邊及低山丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏變化大，如果想作為耕地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)且產(chǎn)量較高，則需要投入一定的資金和人力。Ⅲ級(jí)生產(chǎn)功能區(qū)占阜平縣土地總面積的39.87%，面積大且分布較為集中，主要分布在阜平縣的西部和北部。該區(qū)域是太行山山脈在阜平縣的延伸部分，海拔高、地勢(shì)復(fù)雜且險(xiǎn)要，植被豐富，多為灌木和草本植物，不利于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。

3.2 土地生活功能評(píng)價(jià)

同上述方法最終確定阜平縣土地生活功能各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，見表4。

表4 土地生活功能評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重

阜平縣土地生活功能最終結(jié)果，詳見圖2。

由圖2可知，同上述原理，用聚類分析法，結(jié)合SPSS17.0軟件，將阜平縣土地生活功能評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為3級(jí)，Ⅰ級(jí)(0.158～0.971)；Ⅱ級(jí)(0.085～0.158)；Ⅲ級(jí)(0.009～0.085)，Ⅰ級(jí)生活功能區(qū)占阜平縣土地總面積的14.80%，大多分布在中心村用地、城鎮(zhèn)用地等建設(shè)用地范圍內(nèi)。Ⅱ級(jí)生活功能區(qū)分布較為分散，所在區(qū)域大都地勢(shì)較為平坦，周邊水資源、耕地資源較為豐富，遠(yuǎn)離自然災(zāi)害區(qū)，占阜平縣土地總面積的28.16%。Ⅲ級(jí)生活功能區(qū)占阜平縣土地總面積的57.04%，主要集中在阜平縣境內(nèi)西部和北部的太行山山脈，這些區(qū)域海拔高、坡度大，容易發(fā)生水土流失、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，生活交通不方便，人類不適宜在此居住。

3.3 土地生態(tài)功能評(píng)價(jià)

同上述方法最終確定阜平縣土地生態(tài)功能各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重,見表5。

圖2 阜平縣土地生活功能評(píng)價(jià)結(jié)果圖

圖3 阜平縣土地生態(tài)功能評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表5 土地生態(tài)功能評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重

阜平縣土地生態(tài)功能評(píng)價(jià)最終結(jié)果，詳見圖3。

由圖3可知，同上述原理，用聚類分析法，結(jié)合SPSS17.0軟件，將阜平縣土地生態(tài)功能評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為3級(jí)，Ⅰ級(jí)(0.164～0.427)；Ⅱ級(jí)(0.076～0.164)；Ⅲ級(jí)(0.015～0.076)，劃分為Ⅰ級(jí)生態(tài)功能區(qū)占阜平縣土地總面積的36.98%，集中分布在阜平縣境內(nèi)的西部和北部的太行山山脈，這些區(qū)域海拔高，地勢(shì)陡峭，氣候濕冷，植被豐富且受人為干擾較小，是阜平縣主要的生態(tài)保護(hù)區(qū)，具有水土保持、調(diào)節(jié)氣候等多種生態(tài)功能。Ⅱ級(jí)生態(tài)功能區(qū)面積占阜平縣土地總面積的33.13%，其分布較為分散，但大多分布在河流水庫(kù)的沿岸以及海拔相對(duì)較低但是依舊不利于人居住和進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)Νh(huán)境比較敏感，極容易受到人為或者環(huán)境變化的影響，因此該區(qū)域是生態(tài)保護(hù)關(guān)注的重點(diǎn)對(duì)象。Ⅲ級(jí)生態(tài)功能區(qū)面積占阜平縣土地總面積的29.89%，其分布大致與阜平縣的居民生活的場(chǎng)所和糧食生產(chǎn)區(qū)相重合，生態(tài)功能不明顯，對(duì)生態(tài)環(huán)境不敏感。

3.4 土地功能綜合評(píng)價(jià)

阜平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地功能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果占比情況見表6，阜平縣土地的生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能具體分布情況詳見圖4。

圖4 阜平縣土地功能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表6 阜平縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地功能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果占比表

由圖4和表6可知，橫向?qū)Ρ雀髟u(píng)價(jià)單元的土地生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能的綜合指數(shù)，取綜合指數(shù)最大值確定為該評(píng)價(jià)單元的主要功能。其中為生產(chǎn)功能的評(píng)價(jià)單元占阜平縣土地總面積34.66%，這些區(qū)域主要分布于阜平縣內(nèi)的低山丘陵地帶，具體在阜平鎮(zhèn)的北部和南部，城南莊鎮(zhèn)的中部及東部以及史家寨鄉(xiāng)的南部大部分區(qū)域，這些區(qū)域地勢(shì)較為平坦、水利設(shè)施比較完善，方便進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)，另外交通較為便捷，適合農(nóng)產(chǎn)品對(duì)外運(yùn)輸和銷售；為生活功能的評(píng)價(jià)單元占阜平縣土地總面積19.13%，主要分布于阜平縣的中部，具體在阜平鎮(zhèn)的中部和東部，王林口鄉(xiāng)的西部大部分區(qū)域以及平陽鎮(zhèn)的南部，這些區(qū)域遠(yuǎn)離險(xiǎn)峻陡峭的區(qū)域、對(duì)外交通便利，人口聚集，生活便利；確定為生態(tài)功能的評(píng)價(jià)單元占阜平縣土地總面積46.21%，主要分布在境內(nèi)西部的吳王口鄉(xiāng)、龍泉關(guān)鎮(zhèn)、天生橋鎮(zhèn)和夏莊鄉(xiāng)西部的大部分區(qū)域，以及境內(nèi)北部的沙窩鄉(xiāng)、史家寨鄉(xiāng)、大臺(tái)鄉(xiāng)和臺(tái)峪鄉(xiāng)的北部區(qū)域，這些區(qū)域海拔較高，地勢(shì)起伏變化較大，植被豐富，受人為干擾較?。蛔匀痪坝^美麗且很有特色，具有生物多樣性保護(hù)、水源涵養(yǎng)、旅游開發(fā)等價(jià)值，對(duì)地方的生態(tài)調(diào)節(jié)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展起著關(guān)鍵作用。

4 結(jié)論

結(jié)合文獻(xiàn)資料與阜平縣的特點(diǎn)，選取30個(gè)有關(guān)土地三生功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建基于阜平縣土地三生功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并計(jì)算土地三生功能評(píng)價(jià)值。

研究結(jié)果表明，阜平縣Ⅰ級(jí)生產(chǎn)功能區(qū)主要集中在阜平縣東南部大部分區(qū)域；Ⅰ級(jí)生活功能區(qū)主要集中阜平縣中部和東部部分區(qū)域；Ⅰ級(jí)生態(tài)功能區(qū)主要集中在阜平縣西部大部分區(qū)域以及北部和東南部部分區(qū)域。

最終確定為生態(tài)功能的評(píng)價(jià)單元面積最大，占阜平縣土地總面積46.21%，主要分布在境內(nèi)西部大部分區(qū)域以及北部部分區(qū)域；其次為生產(chǎn)功能區(qū)，占阜平縣土地總面積34.66%，具體在阜平縣中部大部分區(qū)域以及東部和東南部部分區(qū)域；生活功能區(qū)最小，占阜平縣土地總面積19.13%，主要分布于阜平縣的中部及東部部分區(qū)域。