基于GIS的高陵區土地生態狀況評估

楊彤 楊瑾

摘要：本文以高陵區鄉鎮作為評價單元，對其土地生態狀況進行評估，通過對基礎數據的整理分析，以土地自然條件指標、土地結構狀況指標、生態保護指標、土地退化狀況指標4個準則層為基礎，包含7個評估指標、18個元指標，構建了高陵區土地生態狀況評估指標體系。借助GIS分析、景觀格局分析、極差標準化法和熵值法等進行基礎數據的處理及指標權重的測算。通過對生態狀況的綜合評估分值的計算，研究區可劃分為優秀、良好、較差3個等級，優良等級占比近 54.28%，差的等級占比45.72%，通過對優良、較差區域的分布情況的針對性分析，對生態狀況較差的區域提出相關建議，這對高陵區生態環境的改善和保護有積極的意義。

關鍵詞：土地生態;ArcGIS;評估;高陵區

中圖分類號：S181? 文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229013

21世紀以來，我國的經濟發展迅猛，綜合國力不斷增強，以居全球第2大經濟體。與此同時，我國的經濟發展也面臨著自然資源的約束，尤其在土地資源上表現的更為明顯。土地資源作為人類社會賴以生存和發展基本的生活、生產要素[1]，其不可移動性及位置固定性的特點導致了土地資源成為了越來越稀缺的資源。同時，土地資源作為重要的生態綜合體，在為各類生物群體提供生產、生活發展物質基礎的同時，又能反作用于生物群體。而土地生態系統作為兩者有機結合、相互影響的載體，能夠為人類提供服務并且持續滿足人類生產發展的需要[2]。伴隨著中國人口的持續增長，人地矛盾越來越突出，建設用地無序擴張甚至已經侵占了生態用地，這一系列行為將導致我國很多地區土地生態功能的退化，生態環境破壞等嚴重問題的產生，這給我國的生態安全、社會經濟發展和人民的生活帶來了諸多的不良影響。面對土地生態存在的嚴峻形勢，需對土地生態進行全面客觀地評估[3]，本文以高陵區的實地情況為依據，從4個準則層方向出發，選取7個評估指標、18個元指標，對高陵區的土地生態狀況進行評估、分析，了解全區的土地生態狀況空間分布特征和存在的問題，保護生態環境，為土地資源的可持續利用提供數據支撐[4]，保障高陵區生態資源的有序利用。

1研究區概況

高陵區位于西安市北部，地處陜西關中平原的腹地，東鄰臨潼區，西連咸陽市渭城區，南接未央、灞橋區，北鄰閻良區、咸陽市三原縣。地理坐標介于E 108°56′16″～109°11′15″，N 34°25′00″～34°37′30″之間。氣候為暖溫帶半濕潤大陸性氣候，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。高陵區土地總面積 285.03hm2，轄崇皇、鹿苑、張卜、通遠、涇渭和耿鎮6個街道辦事處，2018年高陵區常住總人口為36.26萬人，城鎮化率為64.6%。

2研究數據與方法

2.1數據來源

本文以高陵區鄉鎮作為評價單元，采用2014—2018年土地變更調查數據、社會經濟統計年鑒，遙感影像數據，高陵區土壤普查資料等作為基礎數據。運用極差標準化法和熵值法、GIS 分析、景觀格局分析法等方法進行基礎數據的處理和指標權重的計算，通過 ArcGIS、Fragstats3.3、EXCEL 等軟件對各項指標進行提取。

2.2 指標體系構建

由于土地生態狀況是由多種因素組成的復雜系統共同作用的結果，這些因素包括自然因素、結構因素以及社會因素等，因本文依據高陵區的地域特征，以簡便性、可操作性、綜合性、科學性和主導性為原則[3]，通過查閱文獻、咨詢專家，確定了土地自然條件指標，土地結構狀況指標，土地退化狀況指標，生態保護指標 4個準則層，7個指標層、18 個元指標層作為評估指標，構建了高陵區的土地生態狀況評估指標體系。其中，土地自然條件指標層反映了高陵區的氣候、土壤、以及地形地貌條件等自然屬性的狀況[7];土地結構狀況指標層反映了高陵區景觀多樣性以及土地的利用狀況;土地退化狀況指標層反映了高陵區的土地退化的比例;生態保護指標層反映高陵區的生態壓力指數，具體如表1所示。

表1土地生態狀況評估指標體系

準則層指標層元指標層指標指向指標權重土地自然條件指標層土地結構狀況指標層土地退化狀況指標層生態保護指標層氣候條件土壤條件地形地貌條件景觀多樣性指數土地利用狀況指數土地退化指數生態壓力指數年均降水量正向0.0562土壤有機質含量正向0.0416土層厚度正向0.0455坡度負向0.0554土地利用類型多樣性指數正向0.0709土地利用格局多樣性指數負向0.0993斑塊多樣性指數負向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建設用地比例負向0.0547耕地退化比例負向0.0475林地退化比例負向0.0406草地退化比例負向0.0765濕地退化比例負向0.0383人口密度負向0.0405GDP密度負向0.0403

2.3評估方法

2.3.1指標權重的確定

熵值法作為一種較客觀的權重確定方法[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指標的權重，該指標的權重越小，表明其離散程度越大，對于土地生態狀況綜合評估結果的影響就越大[9]。本文通過以下各式進行計算，從而得到各指標的權重值（見表1），具體步驟如下。

由于不同數據的評估指標量綱不同，在確定指標權重時，應對各個評價單元的指標數據進行無量綱化處理[10]，本文使用極差標準化法，計算公式如式①、②：

X'ij=（Xij-Xmin）（Xmax-Xmin） （正向性指標）①

X'ij=Xmax-Xij（Xmax-Xmin） （負向性指標）②

式中，i=（1，2，3…n），j=（1，2，3…n），X'ij為第i個鄉鎮的第j個評價指標的標準化結果，Xij為第i個鄉鎮的第j個評價指標的原始數據。

計算第i個鄉鎮的第j個評價指標的比重，計算方法如式③：

Yij=X'ij∑mi=1X'ij③

Yij為第i個鄉鎮的第j個評價指標的比重。

再次，計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為指標信息熵，k = 1 /Lnm，dj代表信息冗余度。

計算評估指標的權重，具體計算方法詳見式⑥：

Wj=dj/∑nj=1dj⑥

式中，Wj為指標權重， k = 1 /Lnm，m為各鄉鎮，n為指標數。

2.3.2土地生態狀況的綜合評估分值測算

本文采用綜合指標法對4個準則層的評估分值與高陵區土地生態狀況評估綜合分值進行測算[11]（公式如下）：

Si=∑ni=1（Wj×X'ij）⑦

其中，S 為土地生態狀況評估綜合分值，Wj是元指標的權重，X'ij是各指標值經過標準化處理后的結果，m為元指標的數量。

3結果與分析

3.1準則層評價

3.1.1土地自然條件指標評價

土地自然條件指標層包含的指標有氣候條件、土壤條件及地形地貌條件，主要反映的是高陵區內土地生態的自然條件狀況。如圖1所示，高陵區的土地自然條件指標評估值，自南向北呈現出遞減的趨勢。西南方向的涇渭街辦和東南的張卜街辦評估值最高，中部的鹿苑、崇皇和耿鎮街辦次之，西北向的通遠街辦最低。

3.1.2土地結構狀況指標評價

土地結構狀況指標層主要包括景觀多樣性指數和土地利用狀況指數。根據圖2，高陵區的土地結構狀況指標值在東南方向的張卜、耿鎮街辦最高，西南方向的涇渭街辦次之，而中部的崇皇，北部的鹿苑、通遠的土地結構狀況指標值最低，結構性較為單一。

3.1.3土地退化狀況指標評價

土地退化狀況指標層是對耕地、林地、草地、濕地和建設用地的退化狀況進行提取分析，能夠表現出目前高陵區土地退化的程度和情況。根據圖3，土地退化狀況指標值自東北向西南方向呈現遞減的趨勢，東北向的通遠，鹿苑和張卜街辦土地退化狀況指標值最高，土地的退化情況最為嚴重，而涇渭、崇皇街辦由于土地利用結構較為單一，其土地的退化狀況評估分值較低，退化程度較小。

3.1.4生態保護指標評價

生態保護指標層是通過高陵區的生態壓力指數來表達的，由人口密度和GDP密度組成。由圖 4 可以看出，生態保護指標分布在整體呈現出北部、東西部較高，中部較低，其中涇渭街辦其值最高，通遠、鹿苑、張卜和耿鎮次之，崇皇街辦最低。

3.2土地生態狀況評估綜合結果分析

通過計算，可以得出高陵區的土地生態狀況綜合計算分值為0.4030～0.7847，采用自然斷點法（Jenks）將評估結果劃分為3個等級[12]，分別為優秀、良好、較差3個等級，得到的評分值越高，說明該區域的生態狀況質量越高，反之則越低（如圖5所示）。

本文以高陵區鄉鎮作為評估單元，共6個。土地生態狀況質量較差的鄉鎮有3個，所占比例為45.72%，主要分布在中部和東北部，分別是通遠、涇渭和崇皇街辦，該區域有土地的退化現象，土地利用的結構較為單一，土地生態狀況質量相對較差;土地生態狀況質量良好的鄉鎮共2個，所占比例為37.33%，分別為鹿苑和耿鎮街辦，地勢平坦，土壤有機質含量含量較高，但是由于這些區域人口較多，容易受到人類活動的干擾，生態環境質量良好;土地生態狀況為優秀的鄉鎮共1個，即張卜街辦，所占比例為16.95%。該鄉鎮土壤條件肥沃，景觀多樣性豐富，受到人類活動的干擾較少，生態環境較好。從分布面積上來看54.28%面積的土地，土地生態狀況為良好或優秀。因此，高陵區總體土地生態狀況為優。

通過土地生態狀況評估，可以看出高陵區土地生態狀況評估綜合分值的空間分布與土地結構狀況指標的分布規律相近。空間分布狀況呈現由東南向西北漸低的趨勢，張卜街辦的綜合分值較高，分值較低的縣區大多集中于高陵區的北部與中部。由此可知，高陵區的土地結構狀況對土地生態狀況質量影響較大，而土地利用方式的改變更容易對土地生態狀況的質量產生負面影響。

4結論與討論

本文通過對數據的整理分析，根據土地生態狀況的自然條件、結構性、土地退化以及生態保護4個評估準則層，構建土地生態狀況評估指標體系。運用GIS技術、景觀格局分析法、極差法、熵值法等，對高陵區的土地生態狀況綜合的評估。從高陵區的評估結果來看土地生態狀況總體向優，綜合分值范圍為0.4030～0.7847。

土地生態狀況結果為良好及優秀的地區占研究區面積的54.28%。耿鎮、鹿苑、張卜街辦地勢平坦，耕地較多，土壤有機質含量較高，水源充足，自然條件非常優越，是農業生產重點開發區域，該區域應該在保護生態環境的同時，發展現代化、專業化、規模化、基地化的農業，推進農業生態開發，提高糧食產量，確保人與自然的和諧共處。

生態評估結果中較差的區域占總面積的45.72%，其為高陵區的城市發展區域，該區域人口較多，人類活動密集，社會經濟條件較好，同時該區域依托涇渭河水生態資源，是生態保護的景觀帶，但在經濟發展的過程中不可避免的對高陵區的生態環境產生了一定的影響，因此高陵區在發展過程中更應該注重經濟和生態的并行發展，注重生態環境的保護與恢復，使高陵區在發展經濟的過程中達到與生態環境高度耦合的目的。

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