基于地理信息系統(tǒng)的黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)*

于 晴 沈 童 王 淑 張?jiān)迫A

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036)

人居環(huán)境是人類生產(chǎn)、生活的重要場地[1]。在鄉(xiāng)村振興以及美麗中國建設(shè)的背景之下，黨和國家高度重視鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境建設(shè)。“十四五”是我國步入社會(huì)主義現(xiàn)代化的重要時(shí)期，生態(tài)建設(shè)和綠色保護(hù)是實(shí)現(xiàn)“中國夢”的基礎(chǔ)，人居環(huán)境的改善既能提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量又能增加人民生活的滿意度和幸福感[2]1080,[3]。研究黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性有利于了解黃山市人居環(huán)境的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，為正確處理生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人口擴(kuò)張帶來的環(huán)境壓力之間的關(guān)系提供科學(xué)支持，為黃山市謀劃高質(zhì)量發(fā)展、建設(shè)“美麗黃山樣板”提供參考。

人居環(huán)境問題自提出以來一直受社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[4-5]。我國學(xué)者吳良鏞[6-8]在人類聚居學(xué)理論和道氏學(xué)說的指引下首次提出“人居環(huán)境科學(xué)”概念，認(rèn)為人居環(huán)境由自然系統(tǒng)、人類系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、居住系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)組成。學(xué)者們主要圍繞這5個(gè)子系統(tǒng)，從不同視角開展對人居環(huán)境的研究。從評(píng)價(jià)方法來看，主要包括田野問卷調(diào)查法、層次分析法(AHP)、地理信息系統(tǒng)(GIS)分析法等。從評(píng)價(jià)對象和研究尺度來看，主要分為3個(gè)層面：(1)全國尺度的宏觀評(píng)價(jià)，如唐焰等[9]基于柵格數(shù)據(jù),利用GIS技術(shù)，以溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從全國層面定量評(píng)價(jià)了人居環(huán)境的氣候舒適期與適宜性。(2)以區(qū)域或城市為尺度的中觀評(píng)價(jià)，如李伯華等[10]以汾河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取自然和經(jīng)濟(jì)因素為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析自然因素和經(jīng)濟(jì)因素之間的相互關(guān)系及其對人居環(huán)境適宜性的影響程度；李威等[11]以黔中地區(qū)為研究對象，選取自然因素構(gòu)建模型，評(píng)價(jià)人居環(huán)境的適宜性并探討人居環(huán)境與人口分布之間的關(guān)系；唐倩等[12]以重慶市為研究對象，運(yùn)用核密度分析和空間熱點(diǎn)探測分析等方法，探索村落空間分布與人居環(huán)境適宜性之間的關(guān)系；朱保美等[13]以德州市為例，利用氣溫、日照等基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算德州市氣候舒適度，并以此為標(biāo)準(zhǔn)分析德州市人居環(huán)境氣候適宜性變化趨勢。(3)以鄉(xiāng)村為尺度的微觀研究，如于法穩(wěn)等[14]以農(nóng)村人居環(huán)境質(zhì)量為切入點(diǎn)，分析農(nóng)村人居環(huán)境整治過程中存在的問題，并對農(nóng)村人居環(huán)境整治與鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興關(guān)系等方面進(jìn)行了展望；朱彬等[15]和李鈺等[16]分別對江蘇省鄉(xiāng)村以及陜北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)鄉(xiāng)村人居環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)并探索其空間格局特征。但總體上來說，現(xiàn)有研究以城市和流域尺度的評(píng)價(jià)為主。從研究內(nèi)容來看，人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)主要分為兩個(gè)方面：一是以自然系統(tǒng)單要素[17-19]或幾個(gè)要素[20]398,[21-22]為主；二是以復(fù)合系統(tǒng)為主構(gòu)建指標(biāo)體系[23-25]。

本研究采用中觀尺度，以黃山市為研究區(qū)，利用GIS空間分析技術(shù)，選擇自然系統(tǒng)多要素(如地形、水文、氣候和植被等)，構(gòu)建人居環(huán)境綜合指數(shù)(HEI)模型，評(píng)價(jià)黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性，揭示黃山市人居環(huán)境適宜程度，以及其空間分布特征；將人居環(huán)境適宜程度評(píng)價(jià)結(jié)果與人口空間分布特征進(jìn)行相關(guān)性分析，探討人口分布與人居環(huán)境之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃山市地處安徽省南端，位于117°2′E～118°55′E、29°24′N～30°24′N，面積約9 807 km2。2019年末黃山市城鎮(zhèn)化率達(dá)到52.49%，全市人口148.92萬人，人口自然增長率為4.74%。地區(qū)生產(chǎn)總值為818億元，人均生產(chǎn)總值突破5萬元。黃山市屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫和年平均降水量分別為15.5～16.4 ℃和1 395～1 702 mm。黃山市境內(nèi)山脈眾多，地形地貌種類多樣，以中、低山地和丘陵為主，素有“八山一水一分田”之稱，全市河流眾多，主要河流為新安江，同時(shí)也是青戈江、閭江的水源發(fā)源地。黃山市歷史文化淵源流長，徽派文化更是我國三大區(qū)域文化之一。黃山市榮獲全國文明城市、國家森林城市、“中國人居環(huán)境獎(jiǎng)”城市、“中國最具幸福感城市”等稱號(hào)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與評(píng)價(jià)模型

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要包括：(1)2018年黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)和30 m土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)包括耕地，林地，草地，水域，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用地6大類以及25個(gè)二級(jí)分類。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。(2)黃山市數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。(3)氣象數(shù)據(jù)來源于黃山市氣象局，包含黃山市各氣象站點(diǎn)1999—2019年月降水量、月氣溫和平均相對濕度等，利用GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行插值分析。(4)人口數(shù)據(jù)來源于2019年黃山市統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.2.2 評(píng)價(jià)模型

人居環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，在借鑒已有研究[2]1074,[20]398的基礎(chǔ)之上選取地形起伏度、溫濕指數(shù)、地植被指數(shù)、水文指數(shù)4個(gè)指標(biāo)構(gòu)建HEI模型，對黃山市人居環(huán)境自然適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1) 地形起伏度：地形是最基礎(chǔ)的自然要素，對區(qū)域的氣候、水文以及人口分布形態(tài)等有很大影響?；邳S山市DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中運(yùn)用領(lǐng)域分析工具獲得黃山市平均海拔、最高海拔和最低海拔數(shù)據(jù)。利用坡度數(shù)據(jù)，經(jīng)二值化和領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)獲取平地?cái)?shù)據(jù)，參照文獻(xiàn)[26]的計(jì)算公式得到黃山市地形起伏度。

(2) 溫濕指數(shù)：氣候是人對自然環(huán)境感受最直觀的因素之一，考慮到人體對溫度和濕度的綜合感知，選用溫濕指數(shù)模型，參照文獻(xiàn)[20]、[26]的計(jì)算公式，利用黃山市各氣象站點(diǎn)氣溫及相對濕度數(shù)據(jù)計(jì)算溫濕指數(shù)。

(3) 地植被指數(shù)：地植被指數(shù)是土地利用類型和歸一化植被指數(shù)(NDVI)對地表覆蓋特征綜合表述的一個(gè)指標(biāo)[20]398。參考文獻(xiàn)[27]，選用土地利用方式和NDVI相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型，結(jié)合專家意見確定用地類型權(quán)重(見表1)。通過ENVI 5.3軟件對黃山市遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪等處理計(jì)算得到黃山市NDVI數(shù)據(jù)，參照文獻(xiàn)[28]的計(jì)算方法得到黃山市地植被指數(shù)。

表1 土地利用類型的權(quán)重Table 1 Weights of land use types

(4) 水文指數(shù)：參考文獻(xiàn)[27]并考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，利用氣象站點(diǎn)的月平均值數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值，分析獲得降水量數(shù)據(jù)，并從黃山市土地利用數(shù)據(jù)中提取水域面積，再根據(jù)文獻(xiàn)[26]的研究方法得到黃山市水文指數(shù)。

(5) HEI：參照式(1)計(jì)算。

AHEI=α×BNRDLS+β×BNTHI+γ×BNWRI+δ×BNLCI

(1)

式中：AHEI為HEI；BNRDLS、BNTHI、BNWRI和BNLCI分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的地形起伏度、溫濕指數(shù)、水文指數(shù)和地植被指數(shù)；α、β、γ和δ為各單項(xiàng)指數(shù)的權(quán)重，參照文獻(xiàn)[26]、[28]，取值分別為0.30、0.31、0.14、0.25。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃山市人居環(huán)境自然適宜性單要素分析

2.1.1 地形適宜性分析

黃山市地形起伏度呈條帶狀分布，區(qū)域差異明顯，介于0.07～2.57。在空間分布上，地形起伏度較大區(qū)域多為海拔900 m以上的黃山市北部地區(qū)，主要包括新安鄉(xiāng)東北部、箬坑鄉(xiāng)、厲口鎮(zhèn)北部、大坦鄉(xiāng)、安凌鎮(zhèn)與古溪鎮(zhèn)交界處、宏村鎮(zhèn)、湯口鎮(zhèn)與焦村鎮(zhèn)交界處、黃山風(fēng)景區(qū)附近一帶；海拔1 000 m以上的黃山市南部地區(qū)，主要包括鶴城鄉(xiāng)、汪村鎮(zhèn)、板橋鄉(xiāng)南部、嶺南鄉(xiāng)、龍?zhí)镟l(xiāng)、東臨溪鎮(zhèn)、璜尖鄉(xiāng)、白際鄉(xiāng)、源芳鄉(xiāng)、石門鄉(xiāng)與獅石鄉(xiāng)交匯處。地形起伏度最小的區(qū)域?yàn)樾掳步鹊?，海拔?00 m以下。

2.1.2 氣候適宜性分析

黃山市多年平均溫濕指數(shù)介于49.80～62.42。從空間分布來看，黃山市南部地區(qū)的溫濕指數(shù)比北部地區(qū)高，呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的趨勢。溫濕指數(shù)較低的區(qū)域主要分布在北部的黃山區(qū)焦村鎮(zhèn)、湯口鎮(zhèn)、譚家橋鎮(zhèn)、三口鎮(zhèn)以及耿城鎮(zhèn)。從多年月平均值來看，黃山市1—12月月平均溫濕指數(shù)介于34.29～80.25，7—8月黃山市溫濕指數(shù)較高(見表2)。

表2 黃山市多年月平均溫濕指數(shù)范圍Table 2 Range of average monthly temperature and humidity of Huangshan City

2.1.3 土地覆被適宜性分析

考慮到植被指數(shù)和土地利用類型對土地植被覆蓋的綜合影響，計(jì)算得到黃山市地植被指數(shù)為-0.08～0.35。黃山市土地植被覆蓋區(qū)域空間差異較大，呈破碎斑塊狀分布。整體來看，地植被指數(shù)較高的區(qū)域主要集中在黃山市西部地區(qū)，包括祁門縣、黟縣、休寧縣西部地區(qū)、黃山區(qū)南部及甘棠鎮(zhèn)北部地區(qū)。地植被指數(shù)較低的區(qū)域主要分布在黃山市東南部的歙縣。

2.1.4 水文適宜性分析

黃山市水文指數(shù)為107.12～170.13。受地形影響，黃山市降水量和水域面積空間變化規(guī)律明顯，除個(gè)別地區(qū)有突變外，水文指數(shù)整體呈現(xiàn)由中間向兩邊遞減的趨勢。水文指數(shù)較高的地區(qū)主要圍繞黃山風(fēng)景區(qū)分布，涉及耿城鎮(zhèn)、焦村鎮(zhèn)、湯口鎮(zhèn)、譚家橋鎮(zhèn)以及三口鎮(zhèn)，這些地區(qū)海拔較高且降水豐富。

2.2 人居環(huán)境自然要素與人口分布關(guān)系

為探討人居環(huán)境各自然要素與人口分布特征之間的關(guān)系，隨機(jī)提取地形起伏度、溫濕指數(shù)、水文指數(shù)、地植被指數(shù)與黃山市人口密度進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)分別為-0.26、0.13、-0.08、-0.20?？梢娫诟饕刂袑θ丝诜植继卣饔绊懽畲蟮臑榈匦纹鸱?。由圖1可知，地形起伏度小于0.4時(shí)，區(qū)域人口密度最大；地形起伏度為0.4～1.4時(shí)，隨著地形起伏度增大，人口密度逐漸減??；地形起伏度高于1.4時(shí)，受地形限制，人口密度較小，但無明顯變化，這與FENG等[29]的研究結(jié)果一致，說明地形起伏度較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)更適合于人類居住。溫濕指數(shù)在55以下，人口密度較小，且基本無明顯變化；當(dāng)溫濕指數(shù)達(dá)到60以上時(shí)，人口密度變化較大且呈迅速上升趨勢，這與溫濕指數(shù)為55～60時(shí)人體感受為清涼舒適、溫濕指數(shù)為60～65時(shí)人體感受為非常舒適的人口分布空間格局[30]一致。地植被指數(shù)對人口密度分布影響程度較小，存在一定的負(fù)相關(guān)，地植被指數(shù)較高的地區(qū)人口密度較小，暗示這一區(qū)域植被受到人為干擾較小。水文指數(shù)與人口密度分布存在負(fù)相關(guān)，當(dāng)水文指數(shù)低于133.56時(shí)，人口密度較大；當(dāng)水文指數(shù)大于133.56時(shí)，人口密度較小且無明顯變化。

圖1 黃山市人居環(huán)境單要素與人口分布關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.1 Relationship between single factors of human settlement environment and population distribution in Huangshan City

2.3 黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性綜合評(píng)價(jià)

利用ArcGIS柵格計(jì)算機(jī)及空間疊加的方式，將標(biāo)準(zhǔn)化后的4個(gè)指標(biāo)要素加權(quán)疊加，得到黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)HEI。黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)HEI介于10.46～95.92，HEI越高，表示該鄉(xiāng)鎮(zhèn)自然適宜性越高。利用自然斷點(diǎn)法可將黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性劃分為不適宜區(qū)、臨界適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、比較適宜區(qū)和高度適宜區(qū)5類，并得到黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性空間分布情況(見圖2)及各適宜區(qū)面積(見表3)。

圖2 黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境自然適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Comprehensive assessment of the natural suitability of the human settlement environment in towns of Huangshan City

由表3可以看出，黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境以一般適宜區(qū)為主，面積為3 030.62 km2，占整個(gè)黃山市區(qū)域的30.90%；其次是比較適宜區(qū)、臨界適宜區(qū)和高度適宜區(qū)，面積分別為2 815.69、2 071.96、1 195.19 km2，占比分別為28.71%、21.13%和12.19%；不適宜區(qū)相對較少，面積為693.54 km2，占比為7.07%。黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境高度適宜區(qū)HEI為>73.47～95.92，該區(qū)域地形平坦，地形起伏度小，氣候適宜，降水豐富，自然因子限制最小，主要分布在黃山市北部地區(qū)，包括：黃山區(qū)烏石鎮(zhèn)、太平湖鎮(zhèn)、甘棠鎮(zhèn)、焦村鎮(zhèn)以及耿城鎮(zhèn)、三口鎮(zhèn)與仙源鎮(zhèn)交界處，祁門縣東部的祁山鎮(zhèn)、塔坊鄉(xiāng)及小路口鎮(zhèn)，黟縣南部的碧陽鎮(zhèn)、漁亭鎮(zhèn)、西遞鎮(zhèn)和宏村鎮(zhèn)，休寧縣東北部的齊云山鎮(zhèn)、萬安鎮(zhèn)和海陽鎮(zhèn)，屯溪區(qū)中部以及徽州區(qū)和歙縣的交界之處。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)靠近新安江流域一帶。黃山市人居環(huán)境不適宜區(qū)HEI介于10.46～46.66，這一區(qū)域海拔較高，地形起伏度較大，自然因子限制較大，主要分布在黃山市南部地區(qū)，包括：休寧縣鶴城鄉(xiāng)、汪村鎮(zhèn)板橋鄉(xiāng)、溪口鎮(zhèn)、五城鎮(zhèn)南部地區(qū)、嶺南鄉(xiāng)、龍?zhí)镟l(xiāng)、東臨溪鎮(zhèn)、璜尖鄉(xiāng)、白際鄉(xiāng)、源芳鄉(xiāng)，歙縣石門鄉(xiāng)和獅石鄉(xiāng)的交匯處。

表3 黃山市各類型人居環(huán)境面積Table 3 Area of different kinds of the human settlement environment in Huangshan City

2.4 人居環(huán)境與人口分布關(guān)系

根據(jù)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度分布圖。由圖3可知，黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度分布存在一定的差異，人口密度較大地區(qū)主要分布在新安江流域相關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其次分布在黃山市黃山區(qū)甘棠鎮(zhèn)、仙源鎮(zhèn)以及湯口鎮(zhèn)，徽州區(qū)西溪南鎮(zhèn)，休寧縣萬安鎮(zhèn)、海陽鎮(zhèn)，歙縣徽城鎮(zhèn)、桂林鎮(zhèn)等。圖4展示了HEI與人口密度相互關(guān)系，可以看出人口密度與HEI呈正相關(guān)，進(jìn)一步驗(yàn)證了自然環(huán)境是制約人口分布的根本原因。

圖3 黃山市人口密度分布Fig.3 Population density of Huangshan City

圖4 黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)HEI與人口密度相互關(guān)系Fig.4 The relationship between HEI and population density in Huangshan City

3 結(jié) 論

(1) 黃山市地形起伏度區(qū)域差異明顯，呈條帶狀分布，地形起伏度較高的區(qū)域主要集中在黃山市北部和南部；溫濕指數(shù)呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的趨勢；地植被覆蓋區(qū)域空間差異較大，整體上呈破碎斑塊狀分布，地被指數(shù)較高的區(qū)域位于西部；水文指數(shù)受地形影響，整體由中間向兩邊遞減。

(2) 黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)HEI介于10.46～95.92，人居環(huán)境自然適宜性最高的地區(qū)位于黃山市北部，靠近新安江流域一帶。黃山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境一般適宜區(qū)面積最大，為3 030.62 km2，占整個(gè)黃山市面積的30.90%；其次為比較適宜區(qū)、臨界適宜區(qū)、高度適宜區(qū)，分別占黃山市面積的28.71%、21.13%、12.19%；面積最小的為不適宜區(qū)，占7.07%。

(3) 從人口分布情況來看，人居環(huán)境自然適宜性對人口分布狀況起關(guān)鍵性作用，HEI和人口密度呈正相關(guān)。