基于模糊物元分析法的耕地健康評價

楊希越+張明+劉友兆+張翔宇

摘 要：作為不可替代的有限自然資源，耕地是向人類提供食物的主要基地，它的健康直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康。在農(nóng)用地分等、多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從質(zhì)量、產(chǎn)能和土壤環(huán)境三個方面構(gòu)建了耕地健康評價體系框架;以地塊為評價單元，通過模糊物元法進(jìn)行圖層屬性計算，對研究區(qū)耕地健康狀況進(jìn)行綜合評價，期望能夠為同類地區(qū)開展土地資源健康評價研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：模糊物元;健康評價;地塊尺度

“土地健康”一詞最早是由美國生態(tài)學(xué)家Aldo Leopold于1941年提出的，他認(rèn)為，健康的土地是指被人類占領(lǐng)而沒有使其功能受到破壞的狀況，把土地有機體健康作為內(nèi)部的自我更新能力，認(rèn)為機體健康應(yīng)當(dāng)與人們考慮個人有機體的健康一樣[1]。

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展以及城市化、工業(yè)化的快速推進(jìn)，對建設(shè)用地的需求迅速增長，耕地逐漸被吞噬;并且土壤肥力和生產(chǎn)力不斷下降、土壤重金屬污染等問題日益嚴(yán)重[2]，不同區(qū)域都普遍存在耕地健康狀況惡化的現(xiàn)象。這勢必會給生態(tài)環(huán)境、食品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力，對人體健康也將產(chǎn)生嚴(yán)重危害，直接威脅著我國的糧食安全[3]。因此，本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)耕地健康評價模型，對耕地地塊健康狀況進(jìn)行評價和分析，以期為研究區(qū)耕地的保護提供參考。

一、研究區(qū)概況

溧水區(qū)隸屬于南京市，地處東經(jīng)118°53′～119°13′，北緯31°24′～31°48′之間。東與溧陽縣交界，北同句容縣接壤，西與江寧區(qū)、安徽當(dāng)涂縣毗鄰，南和高淳縣相連，西南瀕石臼湖，總面積1 067平方公里，其中耕地面積為423.75平方公里。

二、研究方法與數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)以溧水區(qū)耕地分等定級為基礎(chǔ)，其余數(shù)據(jù)分別來源于DEM數(shù)據(jù)（http：//www.gscloud.cn/）、土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)等。涉及到的方法有GIS空間分析、模糊物元分析。

耕地健康評價單元的劃分使用地塊法，即從2011年溧水區(qū)1：5 000土地利用現(xiàn)狀圖中提取的98 340個耕地圖斑作為評價單元。

（一）指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究所界定的耕地健康是指耕地能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)、產(chǎn)能目標(biāo)和土壤環(huán)境目標(biāo)等土地功能的綜合體現(xiàn)，并且在一定的土地利用范圍內(nèi)具有支撐動植物生產(chǎn)力、保持或增強水和空氣質(zhì)量、促進(jìn)動植物健康的能力。

本文以體現(xiàn)耕地健康功能的目標(biāo)為導(dǎo)向，從質(zhì)量、產(chǎn)能和環(huán)境3個方面構(gòu)建耕地健康模糊評價的體系框架[4-5]。在耕地健康模糊評價體系框架研究的基礎(chǔ)上，針對研究區(qū)耕地的客觀特性，最終確定了20項指標(biāo)構(gòu)成溧水耕地健康評價的指標(biāo)體系（見表1）。

（二）模糊物元貼近度

物元分析方法是我國著名學(xué)者蔡文教授于1983年創(chuàng)立的。其主要思想是運用事物M、特征C、以及量值X三個要素對事物進(jìn)行描述。若物元模型中的量值X帶有模糊性，這種物元便稱為模糊物元[6]。由于耕地健康的概念具有模糊性，健康評價涉及指標(biāo)較多，單項指標(biāo)評價結(jié)果具有不相容性，因此模糊物元分析法可以用于構(gòu)建耕地健康評價模型。

1.模糊物元的構(gòu)造。如果有m個事物，他們有共同的n個特征向量，用其對應(yīng)的模糊量值來描述，則構(gòu)成m個事物n維模糊復(fù)合物元Rmn，記作：

■ ? ? （1）

式（1）中，Mj（j=1，2，…，m）表示第j個事物，μj（Xji）為第j個事物Mj的第i個特征向量的特征值Xji（j=1，2，…，m;i=1，2，…，n）的隸屬度。

2.關(guān)聯(lián)函數(shù)的確定。兩事物間的關(guān)聯(lián)性，可用函數(shù)關(guān)系來表示，稱其為關(guān)聯(lián)函數(shù)。由于關(guān)聯(lián)函數(shù)k（X）和隸屬函數(shù)μ（X）中的元素X均為中介元，當(dāng)模糊物元中經(jīng)典域和節(jié)域重合時，關(guān)聯(lián)函數(shù)和隸屬函數(shù)兩者等價即：

kji=μji=μj（Xji）（j=1，2，…，m;i=1，2，…，n） ? ? ? ? （2）

式（2）中，kji為具有第i個特征的第j個事物比較事物與標(biāo)準(zhǔn)事物之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

根據(jù)溧水區(qū)耕地健康評價的各指標(biāo)與耕地健康之間的關(guān)系，隸屬度共有4種情況，即離散型、戒上型、戒下型和峰值型（見表1）。離散型隸屬度的確定在已有研究成果的基礎(chǔ)上，參考《農(nóng)用地分等規(guī)程》，根據(jù)溧水實際情況確定;其余類型指標(biāo)的計算則參照了《土地質(zhì)量地球化學(xué)評估技術(shù)要求》的隸屬度模型，其中灌溉便捷度是通過緩沖區(qū)分析量化為0—1的。

3.標(biāo)準(zhǔn)模糊物元和差平方復(fù)合模糊物元的構(gòu)造。本研究以從優(yōu)隸屬度為原則，取各評價指標(biāo)的隸屬度的最優(yōu)值Ui（i=1，2，…，n）構(gòu)成n維標(biāo)準(zhǔn)模糊復(fù)合物元RU，記作：

■ ? ? （3）

那么以Δji（j=1，2，…，m;i=1，2，…，n）表示標(biāo)準(zhǔn)模糊復(fù)合物元RU和模糊復(fù)合物元Rij各評價指標(biāo)最優(yōu)值與實測值隸屬度差的平方（如公式（4）），則構(gòu)成差平方復(fù)合模糊物元RΔ，記作：

■ ? ? ?（4）

■ （5）

4.權(quán)系數(shù)的確定。據(jù)研究，確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要有主觀賦值法和客觀賦值法。筆者認(rèn)為，依靠專家經(jīng)驗進(jìn)行賦值的主觀賦值，常常因選取專家的不同而差異較大，使分析結(jié)果趨于不穩(wěn)定，而客觀賦值法又因為不能全面地考慮客觀因素之間的聯(lián)系使權(quán)重的確定缺乏現(xiàn)實依據(jù)[7]。因此，本研究采用主客的層次分析法與客觀的變異系數(shù)法相結(jié)合的綜合權(quán)重賦值分析法。第i項指標(biāo)的綜合權(quán)重計算公式如下：

■ ? ? （6）endprint

式（6）中：wsi為層次分析法得出的權(quán)重;woi為變異系數(shù)法得出的權(quán)重;λ為權(quán)重系數(shù)，并且λ的取值范圍為0—1。本研究認(rèn)為兩個權(quán)重同樣重要，故λ=0.5，計算結(jié)果如表2所示。

5.貼近度的計算。貼近度是表示各方案與最優(yōu)方案之間互相接近的程度，是衡量兩者接近程度的一個尺度，其值越大表示兩者越接近，反之則相離越遠(yuǎn)。因此，可以根據(jù)計算出的貼近度，得出各方案之間的相對優(yōu)劣次序。本研究擬采用先乘后加模型計算歐氏貼近度ρj（見公式（7））。

■ ? ? ? ?（7）

ρj表示第m個評價單元與標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合物元之間的貼近度，其值越大，兩者越接近，表明評價單元的健康狀況越好，級別越高;反之，評價單元的健康狀況越差，級別越低。

三、結(jié)果與分析

利用ArcMap的自然斷點法將耕地健康模糊物元貼近度值統(tǒng)一劃分為5級，便于因子之間橫向比較，分級結(jié)果見表3和圖1。為了進(jìn)一步探明耕地健康的空間分布情況，對耕地健康貼進(jìn)度值進(jìn)行冷熱點分析，結(jié)果見圖2。

評價結(jié)果顯示，溧水區(qū)耕地健康分值主要集中在0.5—0.6之間;II級和III級耕地所占面積比重最大，I級和IV級耕地相對較少，而V級最少;健康貼近度的最大值為0.783 0，該地塊位于溧水區(qū)西南部的和鳳鎮(zhèn)毛公鋪村，最小的地塊為0.296 0，位于溧水區(qū)東部的白馬鎮(zhèn)曹家橋村。此外，根據(jù)分級示意圖的形態(tài)來看，耕地健康空間分布格局也大體呈現(xiàn)出以核心鎮(zhèn)永陽為中心向四周遞增的態(tài)勢。

四、結(jié)論

本研究在耕地分等所選用評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，以體現(xiàn)耕地健康功能的目標(biāo)為導(dǎo)向加入環(huán)境、產(chǎn)能指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，并運用模糊物元法對耕地地塊健康開展評價，評價結(jié)果較客觀。其中，耕地健康等級較高的地塊位于和鳳鎮(zhèn)和石湫鎮(zhèn)，這些區(qū)域耕地的耕層厚度較厚，土壤肥沃，水源狀況良好，地形平坦，地塊平整連片，污染較小，并且產(chǎn)能較高;等級較低的地塊主要位于溧水的中心城鎮(zhèn)永陽以及化工企業(yè)較多的晶橋鎮(zhèn)，該類型區(qū)域的水資源狀況一般，有機質(zhì)含量較低，實際生產(chǎn)能力較差，土壤肥力一般且重金屬含量相對較高。

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（6）：85-89，95.

Health assessment of cultivated land based on the fuzzy matter element analysis

YNG Xi-yue 1，ZHANG Ming 2，LIU You-zhao 1，ZHANG Xiang-yu 1

（1.Public management college，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095 ;

2. Nanjing geological survey center，China geological survey bureau，Nanjing 210016，China）

Abstract：Arable land is the main base for providing food to human，and its health is directly related to the safety of agricultural products and human health.. On the basis of agricultural land classification and multi target geochemical survey data，from the three aspects of quality，productivity and soil environment construct land health evaluation system framework，taking the plot as evaluation unit，through the fuzzy matter-element method of layer properties calculation，on the health of the area of cultivated land for comprehensive evaluation，is expected to provide a reference for the similar areas to carry out the research on the health evaluation of land resources.

Key words：fuzzy matter element;health assessment;land mass scaleendprint