基于GIS和Fragstats的土地生態質量綜合評價
——以湖北省仙桃市為例

于 婧,陳艷紅,彭 婕,李冀云,聶 艷,*

1 湖北大學資源環境學院,區域開發與環境響應湖北省重點實驗室, 武漢 430062 >2 華中師范大學城市與環境科學學院, 武漢 430079

土地生態質量作為自然與人類生產、生活活動交叉過程中是否協調的直接表現,是衡量土地生態環境優劣程度的重要尺度。但是隨著工業化和城市化進程的不斷加快,土地利用強度的不斷加強,景觀特征功能復雜程度的不斷增加,生境質量抗干擾能力水平的日漸衰弱,土地生態質量問題已成為21世紀人類社會可持續利用和發展土地資源過程中的主要“瓶頸”[1]。

土地生態質量評價研究是在生態風險評價[2]、生態系統健康評價[3]等生態環境評價研究的基礎上演變而來的,可追溯到20世紀40年代[4]。隨著1976年聯合國糧農組織(FAO,Food and Agriculture Organization of the United Nations)先后頒布了關于土地質量變化檢測評估和適宜程度評價的一系列綱要文件后[3,5],土地生態質量評價研究開始得到廣泛關注。在此基礎上,部分研究者從不同角度與影響重要性等方面對土地生態質量評價進行了開拓性的研究,實現了土地生態質量評價從單一環境污染監測評價到人口、經濟和資源環境可持續發展的多元化指標評價的提升[6- 7]；技術手段和研究視角不斷更新與多元化,則促進了土地生態質量評價和地理信息技術[8]、統計學[9]以及景觀生態學[10-11]等多學科的交叉融合,不斷貼合了實際發展的需要。國外土地生態質量研究主要側重于概念和內涵的界定[12-13]、評價模型的構建及評價方法的探索[14-16]等方面。國內的研究則主要涉及土地生態環境敏感性[17]、生態響應[18]、動態監測和預警分析[19-20]等方面。綜上,盡管國內外學者從不同的視角和實踐,圍繞土地生態質量評價進行了大量的研究,為后期土地生態質量的評價研究打下了良好的的基礎,但在以下幾個方面仍有可突破的空間：一是土地生態質量評價指標體系過多的依賴社會統計資料,對于影響土地生態質量情況的地理空間數據重視不夠,使得研究成果多受到行政邊界的束縛,難以反映研究區域內部土地生態質量情況的局部差異；二是對土地生態質量的評價角度多從生態承載力、生態環境敏感性、生態服務價值、生態響應等方面入手,在結合研究區域特點的基礎上將土地的景觀屬性、生態屬性和經濟屬性同時納入評價的研究還可進一步探索和完善；三是在順應國家新一輪國土空間改造的背景下,以試點區為研究對象,從國土資源管理和強化國土資源土地生態調控的實例研究較少。

1 研究區概況

仙桃市是湖北省轄縣級市,全市國土總面積2538 km2,下轄3個街道、15個鎮。地理位置為112°55′—113°49′E、30°04′—30°32′N,位于湖北省中部,江漢平原腹地,長江城鎮聚集發展軸上,武漢經濟圈內,毗鄰武漢、天門、潛江和荊州,如圖1。仙桃市地處亞熱帶季風氣候區,境內四季分明,降雨充沛,河湖密布。地形以平原為主,地勢平坦,整體呈現出西北高東南低的地勢特征。截至2017年底,仙桃市人口總量達到154.45萬人,人口密度為609人/km2,常住人口城鎮化率為57.6%；地區GDP達718.66億元,人均地區GDP為46530元；建城區面積94.09 km2,僅占總面積的4%,常用耕地面積903.46 km2,占總面積的35.60%。由此可見,仙桃市既擁有國家編制長江經濟帶國土空間規劃的機遇和建設人與自然和諧共生的美麗生態國土的需求,也面臨著平衡生態保護與區域經濟可持續發展的挑戰。

圖1 仙桃市地理區位Fig.1 Location of Xiantao City

2 研究方法與數據處理

2.1 指標體系構建

土地生態質量水平的優劣是自然、社會和經濟等共同作用的結果,因此多維度、科學的創建評價指標體系是評價得以進行的前提與基礎。生境質量的抗干擾能力作為土地生態安全的基礎,是土地生態系統功能正常運行的保障；土地景觀格局特征中所包含的景觀多樣性和景觀破碎度等,則是土地生態系統結構特征協調與否的反映；社會經濟效益則是土地生態可持續發展的動力和支撐[21]。因此本文基于景觀生態學的理論基礎,從土地的景觀屬性、生態屬性和社會經濟屬性等3個維度出發構建評價指標體系。

在景觀特征指標的選取方面,主要參考景觀生態學理論選取香農多樣性指數(SHDI,Shannon′s diversity index)來表征仙桃市景觀的豐富度,選取最大斑塊指數(LPI,Largest patch index)來反映景觀的優勢度,用景觀形狀指數(LSI,Landscape shape index)來反映景觀受人類活動干擾的程度,用景觀蔓延度(CONTAG,Contagion index)來反映景觀之間在空間上的鄰近關系[21-23]。在生境質量抗干擾能力評價指標的選取方面,主要是參照已有的研究成果[24-28],并針對仙桃市的實際情況,從自然生態基礎[坡度、歸一化植被指數(NDVI,Normalized difference vegetation index)、水域]和人為干預因素(生態保護區、道路、土地利用結構)兩大方面選取6個指標；在土地利用的社會經濟效益方面則用人均收入水平、經濟密度來反映人們對于土地生態質量治理與規劃的需求和可能投入的力度,用人均糧食生產量來反映土地生產的自給能力,用人口密度來表征土地所承受的壓力。

2.2 數據來源與處理

景觀特征層中的基礎數據,主要是參照仙桃市現行的土地利用類型數據,并在綜合其景觀特征的基礎上,劃分成交通用地、水域及水利設施用地、城市建設用地、農村建設用地、耕地、濕地、林地、其他用地8種景觀類型,并為其逐一建立標識字段,再利用ArcGIS 10.5的空間分析工具,將矢量數據轉換為Grid格式,最后將導出的GeoTiff數據輸入Fragstats軟件平臺進行分析；生境質量抗干擾能力層中,用于計算坡度的DEM數據及求取NDVI值的Landsat影像,均來自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/),土地利用結構多樣性指數則主要是通過分析仙桃市土地利用類型數據獲得,水系和道路的數據則主要是利用ArcGIS 10.5在土地利用類型數據中提取,并根據谷歌地圖進行修正,再利用ArcGIS 10.5的重分類、緩沖區分析及加權疊加分析等功能,計算出各指標值的空間分布情況；土地利用的社會經濟效益指標數據,來源于仙桃市2017年的統計年鑒和統計公報(http://tjj.xiantao.gov.cn/),再根據表1中的公式計算得出。

表1 仙桃市土地生態質量綜合評價指標體系

2.3 確定指標權重

熵權法是一種根據信息量大小,來計算指標權重的客觀權重法[29]。在計算過程中主要依據各指標的變異程度來求取各指標的熵值,各指標的變異程度和權重與信息熵成反比,以此計算出各指標的權重值。但是當信息熵(Ej)接近1時,即使指標之間差別微小也可能造成熵權值發生較大的變化,為了避免這一情況,本文在采用熵權法得出各指標權重的基礎上,再用層次分析法(AHP,Analytic hierarchy process)所得權重對熵權進行修正,以此解決各指標只能反映競爭層面上的相對激烈程度,無法反映指標重要系數的缺陷,使權重值更好的貼近實際情況。

(1)客觀權重的計算：第一步,指標的標準化處理,通過極值法使得各指標數據值介于0—1之間[29]。

(1)

(2)

式中,Ej代表準則層i中的第j項指標,Min|Xij|,Max|Xij|代表準則層i中第j項指標內的最小值和最大值,其中公式(1)用于正向指標的處理,公式(2)用于負向指標的處理。

政府購買服務本身即合同制的體現，合同雙方本應該是平等合作的關系。從個人層面來講，前面提到由于組織自身成立背景、組織定位等方面的差異，社工自主性空間會存在差異。從這個層面來說，不同社工采取不同的行為方式。選擇放棄社工這份職業和留在社工行業，就后者而言，可以選擇給予自身自主性空間較大的組織；可以在現有環境內采取靈活性的辦法有限度地維持自主性；也可以選擇理所當然地接受并較少承諾和付出。

第二步,計算信息熵Ej：

(3)

第三步,計算指標權重W1j：

(4)

(2)主觀權重的計算：基于YAAHP軟件平臺,生成調查問卷。然后在充分運用生態學、人文地理學、自然地理學和城市規劃學等專業的12位專家深厚的專業知識與豐富的實踐經驗的基礎上完成調查問卷。再基于各專家填寫的問卷信息,計算各評價指標的權重。最后一致性檢驗值CR=0.0516,小于0.1,即認為所得到的權重W2j較合理[30]。

(3)組合權重計算：利用拉格朗日公式優化指標權重得到組合權重值Wj[31],結果見表1。

(5)

2.4 綜合評價

利用ArcGIS的加權疊加工具,測算景觀特值、生境質量抗干擾能力、土地利用的社會經濟效益與土地生態質量的綜合評價值。并利用自然斷點法[32]能夠將各個類之間的差異最大化,更清晰的展示各評價值在空間上演變特征的優勢,將各評價值劃分成對應的等級,最終得到對應的空間分布圖。其計算公式[33-34]如下：

(6)

式中,P表示評價對象的復合評價值；n為評價因子的個數；Wj為評價因子j所占的權重值；χj代表第j個評價因子的得分值。

3 土地生態質量的空間分析

3.1 景觀特征值分析

景觀特征值是土地生態系統結構特征協調與否的反映,通過關鍵因子識別與分析,能夠為土地景觀格局的的優化奠定基礎。如圖2所示,景觀特征值呈現出高等水平的鄉鎮主要是鄭場鎮、三伏潭鎮、排湖風景區和沔城回族鎮,占總面積的11.36%。排湖、沔城回族鎮和鄭場是以單一的旅游業或農業作為經濟發展的地區,土地利用類型的多樣化水平低,景觀集聚程度高,優勢類景觀明顯。且由于這些地區的水域、林地和耕地景觀連接成片,隨土地利用景觀的不斷向外蔓延,景觀之間的空間鄰近關系緊密。詳見圖2。景觀特征值水平較高的鄉鎮則主要分布在北部地區和東南角的沙湖鎮,占總面積的47.83%,所占比例最大。北部地區是仙桃市的中心城區所在地和經濟發展水平相對較高的區域,土地利用類型的多樣化,使得該地的景觀類型豐富度水平高,詳見圖2。中、低等水平區分別占總面積的35.15%和5.67%,主要分布在西流河、彭場、楊林尾、郭河、通海口和張溝鎮。這些地區都是仙桃市重要的工業和商貿型城鎮,經濟發展水平相對較高,人類對于土地的利用開發程度大,在人類活動的劇烈干擾下,容易導致同類型的景觀斑塊離散分布,景觀破碎程度高,形狀的規整度低。且由于受到人為阻隔的影響,導致景觀之間的連接度較差,降低土地生態質量水平,詳見圖2。

圖2 仙桃市景觀特征綜合評價空間分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive evaluation of landscape features in Xiantao City

3.2 生境質量抗干擾能力分析

生境質量抗干擾能力是土地生態安全的基礎,是土地生態系統功能正常運行的保障。生境質量抗干擾能力越強,該地區可供開發利用的潛力就越高。生境質量抗干擾能力越低,該地區的生態敏感性程度越高,應引導性的發展生態經濟。從圖3可知,擁有高等生境質量抗干擾能力水平的地區,主要集中分布在沿G318國道和G50高速公路分布的中北部地區,占總面積的25.47%。主要是因為中北部地區是仙桃市的主城區所在地,土地土地利用結構多樣性水平高,所以該地區的土地生態系統的較其他地區更穩定,且仙桃市的交通布局主要呈π字型,北部地區的交通通達度遠高于南部地區詳見圖3。較高抗干擾能力水平的地區緊沿高等質量水平地區分布,分布范圍最廣,占總面積的36.51%。由此可知仙桃市生境質量抗干擾能力的整體水平較高,主要是因為仙桃市地處江漢腹地,地勢平坦,坡度起伏小,且處于亞熱帶季風氣候區,水熱條件適宜,植被覆蓋度高,詳見圖3。地形條件和水熱條件都適宜于人類土地利用開發的需求。中等抗干擾能力水平的地區則主要鑲嵌分布在剅河鎮、陳場鎮、通海口鎮等南部鄉鎮地區,占總面積的32.61%。主要是因為這些地區河網密布且以農業發展為主,土地利用結構單一,詳見圖3。低等抗干擾能力水平分布地區范圍最小,僅占總面積的5.47%。主要分布在沙湖和楊林尾等鎮區。主要是由于這些區域內分布的沙湖國家濕地公園、五湖黃鱔國家級水產種質資源保護區、趙西垸森林公園等地,都是仙桃市重要的生態保護和涵養區,生態敏感性強,詳見圖3。

圖3 仙桃市生境質量抗干擾能力綜合評價空間分布Fig.3 Spatial distribution of comprehensive evaluation of habitat quality anti-interference ability in Xiantao City

3.3 土地利用的社會經濟效益分析

社會經濟效益則是土地生態可持續發展的動力和支撐,直接體現了地區土地空間對于開發建設活動的總體需求與支撐能力,是土地利用效益和質量水平高低的直接體現與保障。從圖4可知,經濟效益水平呈現出從中心向兩翼衰減的空間分異規律。中部中心城區和彭場鎮是高等效益水平的集中分布區,占總面積的13.16%。主要是因為中心城區經濟發展程度高,人均收入水平高,而彭場鎮作為全國重要的無紡布生產基地,工業化水平較高,經濟效益水平好,詳見圖4。胡場鎮、三伏潭鎮、張溝鎮、楊林尾鎮、沙湖鎮和西流河鎮為較高效益分布區,占總面積的44.80%,所占面積最廣。其中胡場和三伏潭憑借其交通優勢主要以發展商貿物流為主,而張溝鎮是仙桃南部重要的工業商貿型城鎮,楊林尾鎮、沙湖鎮和西流河鎮是仙桃市重要的水產養殖與稻米生產基地以及生態旅游發展規劃區,所以這些地區的人均收入水平和人均糧食產量相對較高,詳見圖4。中等效益地區則主要集中分布在西部地區,占總面積的33.70%,西部地區是仙桃市典型的農業生產區,富硒土壤資源豐富,但是由于境內青壯年人口流失嚴重,生產力水平落后,所以當地的資源優勢未能很好的轉換成經濟優勢,詳見圖4。低等效益水平地區主要分布在長埫口鎮,僅占總面積的8.34%,主要是由于該地人口密度過高和土地的集約化利用水平太低,詳見圖4。

圖4 仙桃市社會經濟效益綜合評價空間分布Fig.4 Spatial distribution of comprehensive evaluation of social and economic benefits in Xiantao City

3.4 土地生態質量綜合分析

綜合分析和整體掌握仙桃市全域土地生態質量的空間分布規律,能夠為當前全域土地綜合整治項目的實施提供科學依據和決策參考。如圖5所示,仙桃市的土地生態質量水平呈中間高,兩側低；且西翼高于東翼的空間分布特征。經統計,其中危險、臨界安全、較安全和安全區面積依次為546.18、1103.52、687.80、200.50 km2,分別占總面積的21.52%、43.48%、27.10%和7.90%。

如圖5所示,土地生態質量水平處于安全狀態的區域,主要集中分布在中心城區,作為仙桃市經濟優勢、政策優勢最凸出以及景觀格局整體規劃較好的區域。該地區在其良好的生境質量抗干擾能力的基礎上,通過市政府的整體規劃布局,與當地較高生產效益的支持下,實現了當地景觀特征值、生境質量的抗干擾能力及土地利用的經濟發展水平之間彼此增益的協同發展態勢。極少部分則分布在了彭場鎮,從經濟發展效益來看,作為重要工業生產基地的彭場鎮有著高等效益收入水平,但是該地在注重工業生產,發展經濟的同時對其土地景觀格局的保護和改造不足,而拉低了該地整體的土地生態質量水平。土地生態質量水平處于較安全狀態的地區則主要集中分布在西北部地區,西北部地區富硒土壤資源豐富,是仙桃市重要的農業生產重鎮,土地景觀格局較好,但是由于該地生產水平相對落后,人口流失嚴重等原因,使資源優勢未能很好的轉化成經濟效益。土地生態質量水平處于臨界安全的面積最廣,高達1103.44 km2,也主要分布在西部地區即鑲嵌分布在較安全地區的周圍地帶。而處于危險狀態地區的空間分布和生境質量的空間分布呈現出較強的一致性,主要是分布在生境質量抗干擾能力水平低的生態保護和涵養區。

圖5 仙桃市土地生態質量綜合評價空間分布Fig.5 Spatial distribution of comprehensive evaluation of land ecological quality in Xiantao City

4 結論與展望

4.1 結論與建議

本文以湖北省仙桃市作為研究區,從土地生態系統的景觀格局特征、生境質量的抗干擾能力和社會經濟效益3個角度出發,在明確各角度內涵的基礎上,構建相應的評價指標體系和模型,探究其三者的空間演變關系,并在此基礎上對其土地生態質量進行綜合評價。結果表明中心城區土地生態質量水平明顯高于周邊地區,且景觀格局特征、生境質量的抗干擾能力和社會經濟效益之間表現出相互增益的協同發展態勢；而東西兩翼地區的土地生態質量水平較低,且西翼相對高于東翼。在此區域景觀特征、生境質量的抗干擾能力和社會經濟效益之間的協同性較差,且兩兩之間的發展矛盾凸出。通過上述分析可知,造成這種空間分布模式的背后驅動機制,可歸結于區域內資源條件稟賦的差異以及人為開發強度和政策發展導向的不同,為此提出以下建議：

中心城區是仙桃市經濟和政策優勢的傾斜區,因此該地區應在最大限度的利用這一優勢的基礎上,做好城市用地布局規劃,尤其是城市的綠地規劃,可通過將城區綠地與建成區周邊生態綠地、農地相聯系,構成一個完整的綠地系統以提升景觀之間的空間鄰近關系。并通過嚴格控制各主體功能區的建筑密度和容積率來有效的控制各主體功能區的土地利用強度。以此達到景觀、生態和經濟效益的最大協同發展效益。

西翼地區是仙桃市富硒土壤資源以及土地景觀格局水平較高的區域,且基質斑塊多以農業用地為主。因此,西翼地區可以利用其景觀特征的優勢,積極響應湖北省政府的三鄉工程建設(“市民下鄉、能人回鄉、企業興鄉”),通過發展特色農業的方式來拉動當地的經濟發展。如毛嘴鎮、鄭場鎮等地區可以通過發展富硒農產品來打造具有地區特色的農業生產品牌,并利用其交通便利的優勢打通周邊市場,加大農產品銷售的市場占有份額。而剅河鎮、陳場鎮等西南部地區各鎮則可以通過延長農產品的生產鏈,引進外資企業來增加就業崗位。并且通過利用其優美的自然風光來發展鄉村旅游,通過構建田園綜合體來發展農業與旅游度假區、創意生態農業觀光體驗區等方式來提高土地的經濟效益,以此促進一二三產業的融合發展。

東翼地區是仙桃市生態保護的聚集區,承擔著仙桃市生態保護和涵養的重要使命。同時東南部地區的彭場鎮、楊林尾鎮也是仙桃市重要的工業生產基地。而近年來,這些地區過于注重經濟發展導致人為活動對該地的自然景觀干擾較為嚴重,且缺乏長遠的規劃設計導致其土地景觀格局紊亂。所以東南部地區應該在追求經濟發展的同時,牢固樹立綠水青山就是金山銀山的發展理念,在“山水林田湖草”是一個生命共同體的系統論的指導下,進行有選擇性的招商引資和生產規劃布局。而對于已經造成的生態環境問題,則應該努力抓住仙桃市作為全域土地綜合整治試點的契機,努力、務實的配合本底調查工作的進行,為后期生態問題修復的工作夯實基礎。以求促進景觀格局特征、生境質量的抗干擾能力和社會經濟效益三者的協同發展。

4.2 研究展望

本研究是在仙桃市全域土地生態整治項目實施的背景下所進行的,對于仙桃市以及其他類似的全域土地整治的試點區具有一定的參考和實用價值,也對于當前受到高度關注的國土綜合整治與生態修復問題的認知和解決提供案例參考。但是本文對于土地生態質量在時間和空間復合維度上的權衡與協同的空間演變關系,尚未展開深入研究；另外指標權重的確定方面,在以客觀數據為基礎情況下,針對仙桃市的實際情況融入了主觀因素,可能使得指標權重的普適性不足。且由于土地生態質量評價對象的廣泛性、研究尺度的多樣性以及區域內部的差異性,使得該問題成為了一個長期復雜的學術課題,仍有待進一步的探索與研究。

致謝：感謝仙桃市自然資源和規劃局給予數據資料收集支持。