基于GIS的高陵区土地生态状况评估

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　　摘要：本文以高陵区乡镇作为评价单元，对其土地生态状况进行评估，通过对基础数据的整理分析，以土地自然条件指标、土地结构状况指标、生态保护指标、土地退化状况指标4个准则层为基础，包含7个评估指标、18个元指标，构建了高陵區土地生态状况评估指标体系。借助GIS分析、景观格局分析、极差标准化法和熵值法等进行基础数据的处理及指标权重的测算。通过对生态状况的综合评估分值的计算，研究区可划分为优秀、良好、较差3个等级，优良等级占比近 54.28%，差的等级占比45.72%，通过对优良、较差区域的分布情况的针对性分析，对生态状况较差的区域提出相关建议，这对高陵区生态环境的改善和保护有积极的意义。
　　关键词：土地生态;ArcGIS;评估;高陵区
　　中图分类号：S181  文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229013
　　21世纪以来，我国的经济发展迅猛，综合国力不断增强，以居全球第2大经济体。与此同时，我国的经济发展也面临着自然资源的约束，尤其在土地资源上表现的更为明显。土地资源作为人类社会赖以生存和发展基本的生活、生产要素[1]，其不可移动性及位置固定性的特点导致了土地资源成为了越来越稀缺的资源。同时，土地资源作为重要的生态综合体，在为各类生物群体提供生产、生活发展物质基础的同时，又能反作用于生物群体。而土地生态系统作为两者有机结合、相互影响的载体，能够为人类提供服务并且持续满足人类生产发展的需要[2]。伴随着中国人口的持续增长，人地矛盾越来越突出，建设用地无序扩张甚至已经侵占了生态用地，这一系列行为将导致我国很多地区土地生态功能的退化，生态环境破坏等严重问题的产生，这给我国的生态安全、社会经济发展和人民的生活带来了诸多的不良影响。面对土地生态存在的严峻形势，需对土地生态进行全面客观地评估[3]，本文以高陵区的实地情况为依据，从4个准则层方向出发，选取7个评估指标、18个元指标，对高陵区的土地生态状况进行评估、分析，了解全区的土地生态状况空间分布特征和存在的问题，保护生态环境，为土地资源的可持续利用提供数据支撑[4]，保障高陵区生态资源的有序利用。
　　1研究区概况
　　高陵区位于西安市北部，地处陕西关中平原的腹地，东邻临潼区，西连咸阳市渭城区，南接未央、灞桥区，北邻阎良区、咸阳市三原县。地理坐标介于E 108°56′16″～109°11′15″，N 34°25′00″～34°37′30″之间。气候为暖温带半湿润大陆性气候，年平均气温为 14.1℃，年平均降水量为 386.6mm，无霜期为 231d左右。土壤以娄土、褐土、淤土、潮土为主，土层厚度在20～30cm之间。高陵区土地总面积 285.03hm2，辖崇皇、鹿苑、张卜、通远、泾渭和耿镇6个街道办事处，2018年高陵区常住总人口为36.26万人，城镇化率为64.6%。
　　2研究数据与方法
　　2.1数据来源
　　本文以高陵区乡镇作为评价单元，采用2014—2018年土地变更调查数据、社会经济统计年鉴，遥感影像数据，高陵区土壤普查资料等作为基础数据。运用极差标准化法和熵值法、GIS 分析、景观格局分析法等方法进行基础数据的处理和指标权重的计算，通过 ArcGIS、Fragstats3.3、EXCEL 等软件对各项指标进行提取。
　　2.2 指标体系构建
　　由于土地生态状况是由多种因素组成的复杂系统共同作用的结果，这些因素包括自然因素、结构因素以及社会因素等，因本文依据高陵区的地域特征，以简便性、可操作性、综合性、科学性和主导性为原则[3]，通过查阅文献、咨询专家，确定了土地自然条件指标，土地结构状况指标，土地退化状况指标，生态保护指标 4个准则层，7个指标层、18 个元指标层作为评估指标，构建了高陵区的土地生态状况评估指标体系。其中，土地自然条件指标层反映了高陵区的气候、土壤、以及地形地貌条件等自然属性的状况[7];土地结构状况指标层反映了高陵区景观多样性以及土地的利用状况;土地退化状况指标层反映了高陵区的土地退化的比例;生态保护指标层反映高陵区的生态压力指数，具体如表1所示。
　　表1土地生态状况评估指标体系
　　准则层指标层元指标层指标指向指标权重土地自然条件指标层土地结构状况指标层土地退化状况指标层生态保护指标层气候条件土壤条件地形地貌条件景观多样性指数土地利用状况指数土地退化指数生态压力指数年均降水量正向0.0562土壤有机质含量正向0.0416土层厚度正向0.0455坡度负向0.0554土地利用类型多样性指数正向0.0709土地利用格局多样性指数负向0.0993斑块多样性指数负向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湿地比例正向0.1136建设用地比例负向0.0547耕地退化比例负向0.0475林地退化比例负向0.0406草地退化比例负向0.0765湿地退化比例负向0.0383人口密度负向0.0405GDP密度负向0.0403
　　2.3评估方法
　　2.3.1指标权重的确定
　　熵值法作为一种较客观的权重确定方法[8]，可以排除一定的主观因素，其可信度和精确度较高。因此，本文采用熵值法来确定各项指标的权重，该指标的权重越小，表明其离散程度越大，对于土地生态状况综合评估结果的影响就越大[9]。本文通过以下各式进行计算，从而得到各指标的权重值（见表1），具体步骤如下。
　　由于不同数据的评估指标量纲不同，在确定指标权重时，应对各个评价单元的指标数据进行无量纲化处理[10]，本文使用极差标准化法，计算公式如式①、②：
　　X'ij=（Xij-Xmin）（Xmax-Xmin） （正向性指标）①
　　X'ij=Xmax-Xij（Xmax-Xmin） （负向性指标）② 　　式中，i=（1，2，3…n），j=（1，2，3…n），X'ij为第i个乡镇的第j个评价指标的标准化结果，Xij为第i个乡镇的第j个评价指标的原始数据。
　　计算第i个乡镇的第j个评价指标的比重，计算方法如式③：
　　Yij=X'ij∑mi=1X'ij③
　　Yij为第i个乡镇的第j个评价指标的比重。
　　再次，计算信息熵及信息熵冗余度。详见式④和⑤：
　　ej=-k∑mi=1（Yij×LnYij）④
　　dj=1-ej⑤
　　式中，ej为指标信息熵，k = 1 /Lnm，dj代表信息冗余度。
　　计算评估指标的权重，具体计算方法详见式⑥：
　　Wj=dj/∑nj=1dj⑥
　　式中，Wj为指标权重， k = 1 /Lnm，m为各乡镇，n为指标数。
　　2.3.2土地生态状况的综合评估分值测算
　　本文采用综合指标法对4个准则层的评估分值与高陵区土地生态状况评估综合分值进行测算[11]（公式如下）：
　　Si=∑ni=1（Wj×X'ij）⑦
　　其中，S 为土地生态状况评估综合分值，Wj是元指标的权重，X'ij是各指标值经过标准化处理后的结果，m为元指标的数量。
　　3结果与分析
　　3.1准则层评价
　　3.1.1土地自然条件指标评价
　　土地自然条件指标层包含的指标有气候条件、土壤条件及地形地貌条件，主要反映的是高陵区内土地生态的自然条件状况。如图1所示，高陵区的土地自然条件指标评估值，自南向北呈现出递减的趋势。西南方向的泾渭街办和东南的张卜街办评估值最高，中部的鹿苑、崇皇和耿镇街办次之，西北向的通远街办最低。
　　3.1.2土地结构状况指标评价
　　土地结构状况指标层主要包括景观多样性指数和土地利用状况指数。根据图2，高陵区的土地结构状况指标值在东南方向的张卜、耿镇街办最高，西南方向的泾渭街办次之，而中部的崇皇，北部的鹿苑、通远的土地结构状况指标值最低，结构性较为单一。
　　3.1.3土地退化状况指标评价
　　土地退化状况指标层是对耕地、林地、草地、湿地和建设用地的退化状况进行提取分析，能够表现出目前高陵区土地退化的程度和情况。根据图3，土地退化狀况指标值自东北向西南方向呈现递减的趋势，东北向的通远，鹿苑和张卜街办土地退化状况指标值最高，土地的退化情况最为严重，而泾渭、崇皇街办由于土地利用结构较为单一，其土地的退化状况评估分值较低，退化程度较小。
　　3.1.4生态保护指标评价
　　生态保护指标层是通过高陵区的生态压力指数来表达的，由人口密度和GDP密度组成。由图 4 可以看出，生态保护指标分布在整体呈现出北部、东西部较高，中部较低，其中泾渭街办其值最高，通远、鹿苑、张卜和耿镇次之，崇皇街办最低。
　　3.2土地生态状况评估综合结果分析
　　通过计算，可以得出高陵区的土地生态状况综合计算分值为0.4030～0.7847，采用自然断点法（Jenks）将评估结果划分为3个等级[12]，分别为优秀、良好、较差3个等级，得到的评分值越高，说明该区域的生态状况质量越高，反之则越低（如图5所示）。
　　本文以高陵区乡镇作为评估单元，共6个。土地生态状况质量较差的乡镇有3个，所占比例为45.72%，主要分布在中部和东北部，分别是通远、泾渭和崇皇街办，该区域有土地的退化现象，土地利用的结构较为单一，土地生态状况质量相对较差;土地生态状况质量良好的乡镇共2个，所占比例为37.33%，分别为鹿苑和耿镇街办，地势平坦，土壤有机质含量含量较高，但是由于这些区域人口较多，容易受到人类活动的干扰，生态环境质量良好;土地生态状况为优秀的乡镇共1个，即张卜街办，所占比例为16.95%。该乡镇土壤条件肥沃，景观多样性丰富，受到人类活动的干扰较少，生态环境较好。从分布面积上来看54.28%面积的土地，土地生态状况为良好或优秀。因此，高陵区总体土地生态状况为优。
　　通过土地生态状况评估，可以看出高陵区土地生态状况评估综合分值的空间分布与土地结构状况指标的分布规律相近。空间分布状况呈现由东南向西北渐低的趋势，张卜街办的综合分值较高，分值较低的县区大多集中于高陵区的北部与中部。由此可知，高陵区的土地结构状况对土地生态状况质量影响较大，而土地利用方式的改变更容易对土地生态状况的质量产生负面影响。
　　4结论与讨论
　　本文通过对数据的整理分析，根据土地生态状况的自然条件、结构性、土地退化以及生态保护4个评估准则层，构建土地生态状况评估指标体系。运用GIS技术、景观格局分析法、极差法、熵值法等，对高陵区的土地生态状况综合的评估。从高陵区的评估结果来看土地生态状况总体向优，综合分值范围为0.4030～0.7847。
　　土地生态状况结果为良好及优秀的地区占研究区面积的54.28%。耿镇、鹿苑、张卜街办地势平坦，耕地较多，土壤有机质含量较高，水源充足，自然条件非常优越，是农业生产重点开发区域，该区域应该在保护生态环境的同时，发展现代化、专业化、规模化、基地化的农业，推进农业生态开发，提高粮食产量，确保人与自然的和谐共处。
　　生态评估结果中较差的区域占总面积的45.72%，其为高陵区的城市发展区域，该区域人口较多，人类活动密集，社会经济条件较好，同时该区域依托泾渭河水生态资源，是生态保护的景观带，但在经济发展的过程中不可避免的对高陵区的生态环境产生了一定的影响，因此高陵区在发展过程中更应该注重经济和生态的并行发展，注重生态环境的保护与恢复，使高陵区在发展经济的过程中达到与生态环境高度耦合的目的。
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