基于MCE的饒河流域國土空間生態質量綜合評價及其空間分異

陳 藝,蔡海生,2,*,張學玲,曾 珩,邵 暉,洪土林,

1 江西農業大學鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室/江西農業大學富硒農業產業發展研究中心,南昌 330045 2 江西旅游商貿職業學院,南昌 330100 3 江西省土地開發整理中心,南昌 330002

國土空間作為人類和社會經濟活動的主要空間載體,對于維持糧食安全、生態系統健康、土地資源優化配置、社會協調發展等起著舉足輕重的作用。但在社會經濟和工業化的飛速發展進程中,建設空間肆意擴張、農業用地利用強度增大、景觀破碎化程度增加等現象日益凸顯,致使區域生境質量的抗干擾能力下降,進而對農業產出效率和居民生活質量造成一定影響,國土空間生態質量的優劣逐漸成為制約人與社會和諧發展、資源可持續利用的主要因素[1- 3]。與此同時,國家出臺有關政策明確開展“五級三類” 體系的國土空間規劃工作,并將國土空間生態修復提升為國家戰略工程,先后多次提及生態文明建設方針政策[4- 5]。在此背景下進行國土空間土地生態質量調查與綜合評價研究,能夠精準地識別出國土空間土地生態優劣差異情況,可為后續開展國土空間規劃、生態修復等提供有針對性的科學參考依據,對于促進生態-社會-經濟和諧發展具有十分重要的現實意義。

20世紀40年代末美國環保主義者奧爾多· 利奧伯德率先提出“土地健康”概念[6],隨著環境管理和資源保護意識的提高,土地生態評價研究得到廣泛關注[7- 8]。 目前國內外關于土地質量的研究多集中于土地生態安全評價[8- 12]、生態風險評價[13- 14]、生態脆弱性評價[15- 18]、生態敏感性評價[19]、生態系統健康評價[20]、生態適宜性評價[21]等研究角度,運用壓力-狀態-響應模型[10,22- 23]、改進TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)模型[24]、多目標綜合評價(Multi-objective comprehensive evaluation, MCE)模型[8,18]等研究方法,融合數理統計、GIS空間分析技術和景觀生態學[25-26]等學科知識,從不同的研究尺度開展土地生態環境定量評價、空間差異以及內外在影響機制等的研究。這些現有研究多集中于土地本底條件和社會經濟屬性的綜合評估,研究視角較為單一,缺乏以國土空間綜合特性為出發點的土地生態質量評估實例研究。

國土空間生態質量的優劣受到自然和社會等多方面因素的制約,因此需要構建多維度多層次的綜合評估體系。多目標綜合評價法能夠圍繞研究目的構建多準則綜合評價體系,定量測算出準確的評價結果,原理易懂,操作簡便,現已廣泛運用于資源承載力評價、土地開發利用適宜評價等多個研究領域。本研究結合國土空間規劃思想,以饒河流域涉及的縣市為研究區域,著眼于該區域城鎮空間、農業空間和生態空間自身的結構、功能和效應,從自然基礎屬性、生態結構特征、生態脅迫壓力與生態效益水平四個層面構建國土空間生態質量綜合評價指標體系,基于多種數據分析軟件,結合多目標綜合評價法對饒河流域國土空間土地生態質量進行綜合評估,探究饒河流域土地生態質量現狀及空間分異特征,并定量診斷影響區域土地生態質量的障礙因素,綜合評價和障礙度診斷結果提出提升研究區生態質量的改進措施,以期為研究區國土空間土地整治、空間規劃、生態修復等工程項目的實施提供切實可行、科學合理的參考建議,促進研究區人-自然-社會三者的和諧發展,為進一步優化研究區國土空間生態安全格局打下良好基礎。

1 研究區概況

饒河流域為鄱陽湖五大流域之一,地處江西省東北部,涉及鄱陽縣、萬年縣、婺源縣、弋陽縣、德興市、景德鎮市等地區,本研究以饒河流域所涉縣市的127個鄉鎮為研究區域(圖1),該區域國土總面積為1716064.12 hm2,截止2018年末,研究區總人口483.85萬人,地區生產總值達1589.87億元。境內主要地形為山地和丘陵,約占70%,整體地勢東北部高,西南部及中部地勢較低,土壤類型以紅壤和水稻土為主,各占比68.85%和23.22%。境內光照充足,年均降水量1070.47 mm,年均氣溫19.7℃,屬于亞熱帶季風性濕潤氣候區。國家高度重視長江經濟帶的生態環境保護,為此江西省相繼開展了山水林田湖草生態保護修復、森林濕地湖泊生態保護和修復、礦山地質環境修復治理等試點工程,研究區各縣市積極響應,水土流失面積持續減少,礦區水質得到明顯改善。工業化和社會經濟的飛速發展,以及國土空間規劃浪潮的來襲,使得研究區國土空間面臨著生態安全、資源利用效率以及人與自然和諧共生等多重考驗。

圖1 研究區地理位置及行政區劃示意圖Fig.1 Geographical location and administrative division of the study area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

研究數據主要包括矢量數據、柵格數據以及統計數據三類。2018年土地利用現狀矢量數據來自于六個縣市自然資源局以及江西省土地整理中心提供,按照土地利用代碼表,基于ArcGIS 10.2軟件重新劃分為農用地、建設用地、水域濕地、其他土地四種土地利用類型,參考相關文獻進一步劃分出生產用地、生活用地和生態用地三生空間用地類型。柵格數據包括遙感影像和DEM數據,均是從地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)下載得來,運用ENVI 5.3軟件進行圖像預處理操作。統計數據包括社會經濟數據、氣象數據和土壤樣點檢測數據,社會經濟數據來源于2018年六個縣市統計年鑒以及國民發展與社會經濟統計公報；氣象數據來源于江西省氣象局提供的2018年氣象數據,基于ArcGIS 10.2軟件進行空間插值得到氣象基礎數據；土壤樣點數據來源于2018年江西省耕地質量等別數據,共有528個土壤樣點,參照《農用地土壤污染風險管控標準》和內梅羅綜合污染指數法,基于ArcGIS 10.2軟件對數據進行空間插值,得到土壤污染、土壤質地等基礎數據。

2.2 指標體系構建與權重確定

2.2.1評價指標體系構建

評價指標的選取應遵循科學性、綜合性、代表性、可獲得性等原則,本研究以農業空間、城鎮空間和生態空間為研究視角,著眼于這三類空間自身的結構、功能和效應,從自然基礎、生態結構、生態脅迫和生態效益四個方面選取25個指標,構建研究區國土空間生態質量評價指標體系(表1)。

表1 研究區國土空間生態質量綜合評價指標體系

2.2.2評價單元及指標權重確定

運用ArcGIS 10.2的創建漁網工具將研究區行政邊界劃分為3 km×3 km格網作為評價單元,共計1905個。土地利用、水文、土地退化/恢復等矢量因子數據,通過Fragstats 4.2的景觀格局指數計算以及ArcGIS 10.2的提取分析、轉換、分區統計等操作得到相應數值。

指標賦權的方法有層次分析法、德爾菲法、熵權法等,本研究結合層次分析法和德爾菲法來確定指標權重,由于指標具有不同的性質和量級,在確定權重之前首先參考極差歸一化法對指標數據進行歸一化處理,公式詳見參考文獻[8],計算得到每個評價指標的權重值(表1)。

2.3 國土空間生態質量綜合評價

本研究采取多目標綜合評價法,對饒河流域國土空間生態質量進行綜合評估,公式如下：

(1)

式中,TEI為國土空間生態質量綜合指數,yij為指標歸一化后的數值,Wj為第j項指標的權重。

2.4 空間統計分析

探索性空間數據統計分析可以用來描述特定位置現象或事物屬性值空間分布格局的相關性特征及規律,通常采用Moran ′sI指數來進行全局和布局的空間自相關分析,指數值的范圍在-1—1之間,絕對值越高,空間相關性越大,大于0表示呈現空間正相關,小于0表示呈現空間負相關,采用Gi*來探究屬性值的空間分布格局特征(即冷熱點分析)[27-28]。本研究運用Geoda1.12軟件進行空間權重和單變量局部Moran ′sI指數的計算(公式見參考文獻[27]),并繪制局部空間自相關 (Local indicators of Spatial association, LISA) 聚集圖,來分析饒河流域國土空間生態質量評價結果的高值區和低值區的空間分異規律,聚類結果中“高-高”、“低-低”區域表示評價單元自身與周圍的生態質量都較高或較低,差異較小,具有較高的空間相關性,“高-低”、“低-高”區域表示自身評價單元與周圍生態質量差異較大,空間相關性較低。運用ArcGIS 10.2軟件的空間統計分析工具,分析四個準則層綜合指數的高值和低值區(即冷熱點區)格局分布特征。

2.5 國土空間生態質量分區

本研究運用SPSS 24.0軟件對評價單元的生態質量評價結果進行K均值聚類分析,將研究區國土空間生態質量劃分為5個等級,并結合ArcGIS 10.2將結果空間化展示,劃分標準如表2所示。

表2 研究區國土空間生態質量等級劃分標準

2.6 障礙度診斷

定量識別影響國土空間生態質量的主要因素,可為制定精準的國土空間生態建設管控措施提供科學依據。本研究引入因子貢獻度Fj、指標偏離度Ij、障礙度(Oj、Ui)3個指標進行分析診斷,公式詳見參考文獻[29-30]。

3 結果分析

3.1 國土空間生態質量空間分異

3.1.1準則層評價結果空間分異

研究區國土空間生態質量準則層的評價結果如圖2所示。自然基礎綜合分值處于0.1017—0.2811之間,呈現東北西南高、西北東南低的分布態勢。其中萬年縣東部、浮梁縣北部、婺源縣北部和東北部、鄱陽縣南部地區自然條件良好,基礎分值較高；生態結構綜合分值處于0.1018—0.1588之間,高值區主要分布于婺源縣、浮梁縣、鄱陽縣西部、弋陽縣北部地區,總體呈現環繞分布,這些地區生態用地比例較大,生態環境優良,景觀類型較為豐富；生態脅迫綜合分值處于0.1125—0.2622之間,樂平市、昌江區、珠山區和浮梁縣的分值較高,東北部的婺源縣、南部的弋陽縣、萬年縣脅迫分值相對較低,主要是受土壤重金屬污染以及社會壓力的影響,其中昌江區、珠山區和樂平市主要源于人口密度和社會城鎮化率較大,浮梁縣生態壓力主要源于草地退化；生態效益綜合分值處于0.0085—0.0511之間,相比于其他三個準則層指標,該準則層分值偏低,呈現東北高西南低狀分布,浮梁縣和婺源縣整體較高,該區域生態建設和生態效益狀況較好,生態保護意識和自然恢復能力較強,德興市、弋陽縣、萬年縣次之,而昌江區較弱,主城區需加強糧食安全保障,增加林草地建設工程,提高人們的生態保護意識。

圖2 研究區國土空間生態質量準則層指標綜合指數空間分布Fig.2 Spatial distribution of land space ecological quality criterion layer index composite index in the study area

3.1.2生態質量綜合指數空間分異

研究區國土空間生態質量綜合分值空間分布如圖3所示。從整體來看,東北部地區的國土空間生態質量高于西南部地區,生態質量綜合指數范圍在0.3939—0.6489之間,均值為0.5425,最高值柵格位于浮梁縣瑤里鎮,最低值柵格位于樂平市清湖鄉。其中浮梁縣瑤里鎮、黃壇鄉、鵝湖鎮分值較高,生態質量綜合指數均值分別為0.6210、0.6037、0.6001,婺源縣的沱川鄉、德興市的昄大鄉的國土空間生態質量分值僅次于浮梁縣,均值分別為0.5954、0.5877。低值區主要集中在弋陽縣的清湖鄉、樂平市的后港鎮和主城區,均值分別為0.4409、0.4594、0.4602。

3.2 生態質量綜合指數空間統計分析

3.2.1空間自相關分析

基于Geoda 1.12 軟件的空間分析功能,分別在Queen鄰接、Rook鄰接和K-近鄰三種不同的空間權重下,研究區國土空間生態質量四個準則層評價結果的Moran′sI指數如表3所示。三種空間權重矩陣下,自然基礎、生態結構、生態脅迫、生態效益四個準則層以及生態質量綜合分值的Moran′sI指數均處于0.8—1之間,表明準則層和綜合評價結果在空間上均存在較高的正相關性,具有明顯的聚集性特征。準則層Moran′sI指數值由高到低依次是生態效益(0.9400)>自然基礎(0.9096)>生態脅迫(0.8750)>生態結構(0.8542),生態質量綜合評價結果的Moran′sI指數為0.9311。

研究區國土空間生態質量綜合指數局部空間自相關LISA聚集圖如圖4所示,圖中僅出現“高-高”、“低-低”兩種聚類結果,有25.77%的區域為“高-高”聚集的高值區,總面積為442229.72 hm2,其中近八成分布于浮梁縣境內,還有少量分布于婺源縣北部、德興市東部和萬年縣南部；“低-低”聚集的低值區占比20.31%,總面積為348532.62 hm2,主要分布于樂平市、弋陽縣以及鄱陽縣部分地區。

表3 研究區國土空間生態質量評價結果Moran′s I指數

圖3 研究區國土空間生態質量綜合評價結果空間分布 Fig.3 Spatial distribution of spatial ecological quality evaluation results in the study area

圖4 研究區國土空間生態質量綜合評價LISA聚集圖 Fig.4 Spatial aggregation map of local indexes for comprehensive ecological quality assessment of the study area

3.2.2冷熱點分析

準則層和綜合評價分值變化冷熱點分布結果如表4、圖5和圖6所示。結果顯示準則層和綜合評價的冷點和熱點區域面積基本持平,自然基礎和生態結構準則層的熱點區域面積多于冷點區域面積,生態脅迫和生態效益準則層與之相反。自然基礎準則層的熱點區域柵格數為460個,占比24.14%,主要集中分布于萬年縣中南部、婺源縣東部和北部地區、浮梁縣東部和西部部分地區,冷點區域柵格數為383個,占比20.08%,主要集中分布于樂平市境內；生態結構準則層的熱點區域相對于其他準則層占比最大,占比39.37%,主要集中分布與婺源縣和浮梁縣境內；生態脅迫準則層冷熱點面積占比最小,且分布較為分散,熱點地區占比僅為11.55%,主要分布于昌江區的鲇魚山鎮、萬年縣的蘇橋鎮以及浮梁縣,冷點區域分布于弋陽縣、萬年縣的齊埠鎮、德興市和婺源縣的部分地區；生態效益準則層冷熱點分布相對來說最為集中,且占比最大,34.44%為熱點區域,主要集中分布于研究區東北部的浮梁縣、婺源縣以及德興市部分地區,冷點地區占比37.28%,主要集中分布于研究區西部的鄱陽縣、景德鎮市和萬年縣。饒河流域國土空間生態質量綜合評價結果的冷熱點區域共1341962.14 hm2,其中熱點區域占比23.04%,近六成分布于浮梁縣境內,冷點區域占比55.16%,主要集中分布于樂平市和弋陽縣。

表4 研究區國土空間生態質量綜合評價冷熱點區面積比例/%

圖5 研究區國土空間生態質量準則層分值變化冷熱點分布圖Fig.5 Distribution map of cold hot spots of spatial ecological quality criterion layer score variation in the study area

圖6 研究區國土空間生態質量綜合評價冷熱點分布圖 Fig.6 Distribution map of cold and hot spots for comprehensive evaluation of spatial ecological quality of the study area

3.3 國土空間生態分區及治理措施

研究區國土空間生態質量分區結果以及障礙度指數測算結果如表5、表6、表7和圖7所示。研究區國土空間生態質量綜合指數均值為0.5425,其中Ⅲ級生態分區面積最大,占比26.19%,Ⅴ級分區面積最小,僅占8.71%,其他等級區占比分別為Ⅰ級22.26%、Ⅱ級22.15%、Ⅳ級20.68%。經測算,各分區中坡度、有效土層厚度、土壤有機質含量、草地退化率、GDP增長率、景觀格局指數指標的障礙度指數較高,均值分別為13.40、11.31、9.71、8.56、7.64、5.58,這六個因素是制約饒河流域國土空間生態質量主導因素；自然基礎準則層對研究區國土空間生態質量的障礙度都遠遠高于其他三者,障礙度指數均值為43.73,生態結構與生態脅迫對研究區國土空間生態質量的障礙度相近,生態效益的障礙度最小。

I級生態分區包含424個評價單元,總面積為381995.87 hm2,占比22.26%,生態質量綜合指數均值為0.5972,其中66.51%分布于浮梁縣境內,婺源縣東北部、德興市東北部也有少量分布,占比分別為19.81%、9.67%,生態質量綜合指數最高的柵格位于浮梁縣瑤里鎮,分值達到0.6489。該區域擁有植被覆蓋率高、規模大、景觀斑塊連接度好的生態用地,整體生態質量水平最優,在涵養水源、水土保持等方面有著很高的生態服務價值,區域內擁有得天獨厚的自然風光,且已經擁有國內著名的旅游景點,生態管控措施相對比較完善,人為活動對于生態環境質量的干擾度較小,交通便利。可通過招商引資來進一步擴大旅游影響力,打造知名旅游品牌,在保障該區域生態環境質量的同時,保證其生態空間格局,并通過提供特色生態產品和發展現代生態旅游來提升生態經濟效益水平,嚴禁毀林開墾、建設污染企業等破壞自然生態質量的工程,促進一二三產綠色發展。

II級質量生態分區包含422個單元,總面積為380108.20 hm2,占比22.15%,生態質量綜合指數均值為0.5666,主要分布于婺源縣中部和東北部、德興市東北部和西南部、鄱陽縣南部和北部、萬年縣南部和東部,占比分別為37.91%、20.62%、17.54%、10.43%。該區域的森林覆蓋面積較廣,生境質量較好,社會經濟壓力小,斑塊多以農用地為主,但該區域生態景觀布局紊亂,綜合生態效益水平較低。該區域應注意提升生態空間景觀格局,完善生態廊道建設,加大林地的養護治理工作,注重多類型生態用地相互連接的區域保護,豐富區域的生態結構,根據實際情況建設生態養護工程,推廣健康農業種植技術,積極響應鄉村振興戰略,挖掘和發展當地特色農業來推動當地經濟發展。

III級生態分區包含499個評價單元,總面積為449437.19 hm2,所占比重最大,為26.19%,生態質量綜合指數均值為0.5348,主要分布于鄱陽縣東北和西南、德興市東部、婺源縣西南部、萬年縣西北部,占比分別為43.89%、15.83%、13.43%、10.22%； IV級分區包含394個評價單元,生態質量綜合指數均值為0.5019,主要分布于鄱陽縣中部和西北部、樂平市北部和南部、弋陽縣北部和南部。III級和IV級分區主要位于城鎮集中建設區周圍,自然基礎狀況欠佳,景觀破碎度較高,人類活動和工業化影響較為強烈,生態用地斑塊相對較少。該地區在追求社會化發展的同時,應遵循自然環境發展的客觀規律,因地制宜提出相應的管制措施,在生態文明相關政策理念的指導下,積極開展土地整治、生態建設等工程,確保城鎮-農業-生態空間和諧統一發展,努力提升生態空間效益,營造人民安居樂業的城鎮空間氛圍,打造產出高效的綠色農業生產格局。

表5 研究區國土空間生態質量等級劃分情況統計表

表6 研究區國土空間生態質量分區障礙因素診斷結果

V級分區的占比最小,僅占總面積的8.72%,生態質量綜合指數均值為0.4617,主要分布于樂平市中部和西部、弋陽縣西南部,其中弋陽縣清湖鄉分值最低。該區域主要分布于主城區及工業園區周邊,建設用地的增加導致土壤環境和植被覆蓋率的下降,生態用地比例嚴重不足,人類活動對自然景觀和生態環境的干擾極大。該區域應加快生態建設的步伐,以節約資源、保護環境為前提調整產業結構,加強工業三廢治理力度,制定生態管控措施,加快退化植被的修復工作,積極統籌并開展山水林田湖草綜合治理工程,增加綠地公園、濕地公園等自然生態景觀建設,確保區域糧食安全,建設生態宜居的城鎮生活環境,逐步提高區域生態效益水平,協調好人類經濟社會發展的需要與生態環境保護之間的關系。

表7 研究區國土空間生態質量準則層障礙度

圖7 研究區國土空間生態質量等級分區示意圖 Fig.7 Schematic diagram of land space ecological quality classification in the study area

4 結論與討論

4.1 結論

基于多種空間分析軟件,著眼于農業、城鎮、生態三類空間的現實需求,選取自然基礎屬性、生態結構、生態脅迫和生態效益作為四個準則層,構建饒河流域國土空間生態質量評價指標體系,對饒河流域國土空間生態質量狀況進行綜合評估及空間分異研究,結論如下：

(1)研究區東北部丘陵地區的國土空間生態質量高于西南部平原地區,其中浮梁縣瑤里鎮分值較高,樂平市和弋陽縣部分地區的分值較低。準則層分值和生態質量綜合指數分布均具有高度空間自相關性,生態效益準則層的冷熱點分布空間聚集性最大。

(2)研究區國土空間生態質量I級分區生態質量均值為0.5972,占比22.26%,有近七成分布于浮梁縣；V級生態分區面積最少,僅占8.71%,生態質量均值為0.4617,主要分布于樂平市和弋陽縣境內,工業化的飛速發展導致開發建設強度相對較大,附近地區受到不同程度的輻射影響,植被受到破壞,土壤環境污染程度相對較高,此區域的生態問題最為突出。

(3)結合綜合評價和障礙度測算結果,研究區應依據地形地勢、土壤等自然基礎條件,調整社會經濟結構,加大建設生態項目工程力度,在生態質量狀況急需改善的區域,應以綠色發展為前提推進工業健康轉型,統籌并落實生態修復工程的實施,合理調整土地用途,強化耕地保護,確保農業空間的高效綠色運作,增加自然景觀建造,優化城鎮空間人居環境,整體提高饒河流域的生態效益水平。

4.2 討論

健康的土地生態系統是維持經濟社會穩步發展的環境基礎,也是國土空間規劃項目落地實施首要考慮的環境因素,生態質量的優劣受到內在本底屬性和外部因素的多重影響。本研究在系統地收集和分析研究區自然基礎條件和社會經濟建設資料的基礎上,立足農業、城鎮和生態三類空間的結構、功能、效應和脅迫特征,選取土地利用/覆被、氣候、地形坡度、土壤、生產能力、社會壓力等因子,構建國土空間生態質量綜合評價指標體系,探究研究區國土空間生態質量空間分異特征及主導障礙因素,針對不同生態分區的現實情況提出不同的質量提升策略,研究視角較有新意,研究結果符合實際,可為研究區下一步開展國土空間規劃、生態修復、山水林田湖草綜合治理等工作提供基礎數據支撐。但仍存在以下不足之處：(1)指標選取稍有欠缺,除了社會壓力外,頻發的自然災害也對生態質量帶來威脅,但由于數據獲取存在困難,沒有將氣象災害、水土保持等自然壓力納入其中,僅考慮了社會壓力,所使用的社會經濟數據多以縣域為單元,在一定程度上削弱了評價結果的區域差異性,并且在選取指標時沒有進行相關性分析,多是參考相關研究文獻而來,在后續的研究中需注重評價指標的代表性、差異性和綜合性。(2)評價模型方面,本研究使用層次分析法和德爾菲法計算指標權重存在較強的主觀性,后續研究應采取主客觀結合的賦權方法,來降低單一主觀性帶來的偏差,可結合多期綜合評價結果進一步運用預測模型,對區域國土空間生態質量進行模擬預測。(3)本研究未涉及研究結果應用方面內容,后續研究將在完善評價指標體系的基礎之上,進行多期數據的綜合評價,并預測未來國土空間生態質量趨勢,結合區域規劃、生態修復等理論方法,為研究區實施國土空間規劃、生態修復分區等項目提供科學可靠的數據支撐和建議。