土地利用生態健康動態評價方法及應用研究

徐蘇容，周振民

（1.河南建筑職業技術學院，鄭州 450006；2.華北水利水電大學，鄭州 450011）

0 引 言

20世紀以來，生態系統與生物圈受到氣候和人類共同的影響［1］。土地利用模式直接影響著生態系統的健康。特別是在經濟發達和人口密集的地區［2］。土地利用生態健康是現代生態學研究的熱點之一［3］。近年來，世界范圍內的土地資源生態健康面臨著嚴峻的挑戰［4，5］。土地生態系統的改善、規劃和建設，對于實現自然、經濟和社會復合系統的復合功能，促進土地資源的可持續利用和社會經濟的可持續發展具有十分重要的意義。生態系統健康的概念引入土地開發利用，可以追溯到19世紀的歐美許多國家和地區［6］。FABOS［7］基于生態健康原理和模型，提出了區域生態土地利用優化方案。THEOBALD 等［8］和ODELL等人［9］將生物信息納入土地利用規劃。2010年Jazebi等人［10］，提出了基于隱馬爾可夫理論（Hidden Markov Models）和小波理論轉換的土地利用確定性評價方法，并將成果應用于土地利用開發。2017年Liu等［11］人提出了未來土地利用模式模擬分析方法，通過綜合考慮人類活動與自然影響，模擬了多目標土地利用方案。2017年Sadeghi 等［12］通過可靠性、脆弱性與可恢復性分析，研究了流域生態健康的時空變化。

中國土地生態健康評價從20 世紀80年代開始，取得了許多有效的成果。2010年譚莉梅［13］等人研究了河北省太行山區域耕地資源空間分布特征，提出了土地資源的優化管理。2018年牛海鵬等人［14］對河南省耕地數量時空動態變化及其特征進行了研究，提出了河南省耕地數量的動態變化。2019年，于偉宣［15］以上海杭州灣為例，開展了基于隱馬爾可夫模型的城市群生態系統健康評價研究，構建了包括模型選擇、指標計算、精度驗證等在內的城市群生態系統健康評價方法與體系。2012年，柯為民［16］以常德市鼎城區為例，研究了土地利用生態健康評價，依據土地利用動態度模型和土地利用程度模型，對區域內土地利用進行動態分析程度計算。2016年，馮雨林等人［17］基于景觀轉移矩陣，研究了黑龍江雙河自然保護區土地覆被轉移。2017年劉培德等人［18］基于混合指標值TODIM 方法，對東營市生態系統健康進行了評價。2018年羅雙曉等人［19］基于CAMarkov 模型，對成都市天府新區土地時空變化進行了預測。對該區未來土地利用發展趨勢進行了評價。

綜上所述，以往的土地利用生態健康評價，大多是基于土地利用方式或者基于土地生態健康影響因素的評價。缺乏土地利用動態變化下的生態健康影響評價，也缺乏土地資源開發利用與生態健康兩者的相互反饋機制的評價。在中國經濟轉型過程中，人口增長、經濟社會、城市化和工業化飛速發展，土地生態健康狀況也處于動態化。以往評價方法，不能反映土地利用動態變化對生態健康的影響、生物多樣性變化、水土流失、土地荒漠化、缺水、酸雨和環境污染等動態狀況。因此，本文基于馬爾可夫理論（Markov），構建農村土地利用轉化模型，篩選了19項指標構成土地利用生態健康評價指標體系，給出了等級劃分、權重和計分辦法。該方法先評價土地轉化狀態，基于評價結果，再進行土地利用的生態健康評價。對于反映土地利用動態變化條件下的生態健康和生態環境影響，優化利用土地資源的結構和功能具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 資料來源

土地利用數據來源于2015年1∶10 000 比例的地形圖以及2010年和2020年的TM 遙感圖像。人口統計和社會經濟數據來源于《衛輝市統計年鑒》（衛輝市市統計局，2020），農業經濟資料、水利工程資料和城市建設資料分別來源于衛輝市農業局、水利局和城建局。資料可分為兩大類，一是基本統計數據，包括人口數量，年齡，受教育水平，就業狀況，住房標準，土地利用收益，二是定性資料，包括土地利用方式，建筑工程，農田水利工程，交通設施，建筑物類型，以及不同人群對現狀土地利用情況的態度和未來發展觀點。

1.2 土地利用生態健康評價方法

1.2.1 土地利用轉化模型構建

（1）土地利用類型轉化馬爾可夫（Markov）模型。定義土地利用類型轉化的Markov模型為：

即：隨機變量At在t時刻的狀態a的概率與n時刻之前有關，而與n-t更早的時刻不相關，符合這種假設時則稱變量At符合n階Markov 過程，當n=1 時，即是常用的一階Markov 鏈，定義如下：

式中：k=1 時，aij稱為一步轉移概率，其轉移概率矩陣A可表示為：

式中：對角線a11，a22，…，aNN代表自2010年到2020年未發生變化的土地類型；非對角線a12，a21，…，a1n，an1代表該時期內發生變化的土地利用類型。

（2）土地利用轉化率。

式中：Bij指第k時期第i類土地利用類型向第（k+1）時期第j個土地利用類型轉化率；Aij指第k時期第i類土地利用類型向第（k+1）時期第j個土地利用類型轉化面積，hm2。

（3）土地利用轉化貢獻率。

式中：Cij指第k個時期第i類土地類型向第（k+1）時期第j類土地類型轉化面積占總轉化面積的比例。

（4）土地利用變化率為。

式中：Rij反映了第k時期到第（k+1）時期土地使用類型面積的變化程度。

1.2.2 土地利用生態健康評價指標體系

針對衛輝市2010年到2020年土地利用生態健康的狀況，篩選了19 項指標，對土地利用生態健康的結構指標、彈性價值指標以及映射指標進行定量描述，組成衛輝市土地利用生態健康評價指標體系，見表1。

表1 土地利用生態健康評價指標體系Tab.1 Evaluation indicators of land use ecological health

分為目標層、準則層和指標層3 個等級。準則層土地利用對生態健康影響的方式、時間和程度不同分解為結構指標、彈性健康指標和土地利用映射指標；指標層是指可以量化、計算的指標數據或指標群。

1.2.3 土地利用生態健康等級劃分標準與權重

根據土地生態健康評價標準［5，20］，綜合考慮衛輝市土地利用結構變化以及不同的土地利用子系統對生態系統穩定和健康的影響，結合衛輝市在利用和改造耕地、建設用地時對生態環境影響相互之間的關系，將土地利用劃分為5 個等級，見表2。

表2 土地利用生態健康評價等級劃分Tab.2 Evaluation indexes for land use ecological health

1.2.4 土地利用生態健康評價量化計算

對釆用的指標值進行加權計算，得到生態健康狀況的綜合分值，本文采用加權法計算綜合分值，如下式：

式中：F為不同指標量化計算分值；pi表示第i個指標的無量綱歸一化處理；wi表示第個指標的權重值；綜合評價值在［0，1］之間，其數值越大，土地利用越健康；反之，值越小，土地利用生態健康狀況越差。

2 實例研究——以河南省衛輝市為例

2.1 概 況

河南省衛輝市（縣級市）是中國優秀民族建筑文化傳承保護城市，位于河南省北部，太行山東南，總面積868 km2（圖1）。2020年總人口53.08 萬人。區內地勢西高東低，北部、西北為山區和丘陵地區，中部和南部為平原地區。2010年衛輝市耕地面積為43 967.77 hm2，其中旱地3 656.96 hm2，水田40 310.81 hm2，建設用地為12 478.16 hm2；林地18 823.69 hm2，交通用地1 058.52 hm2，其他用地9 558.13 hm2。2020年 耕地面積44 721.76 hm2，其中旱地3 625.06 hm2，水田41 096.69 hm2；建設用地面積為13 047.35 hm2，林地18 725.47 hm2，交通用地1 145.56 hm2，其他用地8 246.14 hm2。

圖1 衛輝市區位示意圖Fig.1 The schematic map of Weihui County location

隨著城市化的發展和經濟結構的轉型，衛輝市耕地生態環境脆弱。2021年7月26日遭遇了歷史罕見的洪水，全城被淹。平均水深達到1.5 m，大部分耕地農田進水，平均深度在1.0 m以上，為了有效地協調土地利用、生態健康和可持續發展之間的相互關系，需要在診斷生態健康狀況的基礎上進一步優化土地資源開發利用。

2.2 資料分析

土地利用分類采用了中國國土資源部的土地資源分類系統和分類方法［8］。生態系統類型按主要生態因素劃分。土地利用類型與生態類型之間的分類處理，允許不同時期的數據有所重疊。土地利用類型與生態類型不對應時，應用優化協調的方法進行調整。對林地、果園等山丘地區的喬木生態系統，未利用土地的低植被草地生態系統、裸地生態系統和裸巖生態系統均進行了系統分類。不同類型土地利用的人口統計和其他數據的統計分析分別采用使用Excel 和ArcviewGIS 聯合操作。土地利用生態類型分類結果見表3。

表3 土地利用生態類型分類統計Tab.3 Classification of land use Ecotypes

2.3 土地利用類型變化計算結果

自2010年到2020年，土地利用變化主要集中在7個生態類型，包括耕地、住宅用地、工業用地和果樹林地等，土地利用轉化矩陣計算結果見表4。

由表4 可知，由耕地向居民住宅和工業用地轉化的土地面積為1 197.84 hm2，占總轉化面積的14.8%，主要分布在西南部和主城區周圍。耕地向果園轉化面積為847.46 hm2，占總轉化面積的10.5%，主要分布在東北部和北部。耕地面積的轉化主要與城鎮化建設和農業種植結構調整有關。未開發利用土地向果園轉化的面積為418.91 hm2，占總轉化面積的15.46%，主要集中在北部山區和西北部山區的緩坡土地和陡坡地。由于城鎮化建設，果園、水域和未開發利用土地向住宅和工業用地轉化面積不斷增加。

表4 土地利用轉化矩陣（2010-2020）Tab.4 Land use change matrix（2010-2020）

2.4 生態健康評價

根據表1、2 的各項指標評價賦分和評價等級標準，采取代表性抽樣的方法對兩個時期內的土地利用面積和生態健康進行評價。2010年評價樣本面積為28 164.84 hm2，2020年評價樣本面積為26 389.64 hm2，評價結果見表5。

由表5可知，2010年和2020年的土地利用生態健康情況基本理想，屬于亞健康以上生態類型的土地面積分別占總評價面積的73.52% 和73.15%。2010年健康的生態類型面積為10 847.0 hm2，占總評價面積的38.51%，而2020年屬于健康的生態類型面積僅有9 023.57 hm2，占總評價面積只有34.19%，生態類型健康的面積明顯下降。2010年生態類型惡化的土地面積為2 965.53 hm2，到了2020年生態類型惡化的面積增加到3 637.23 hm2，生態類型惡化的土地面積增加了22.65%。

表5 生態健康評價等級與范圍Tab.5 The evaluated grade on ecological health and scope

健康的生態系統主要集中在山區喬木，灌木，和緩坡地的耕地。2010年，山區的灌木和旱田生態系統屬于健康，到2020年都普遍下降為亞健康狀態。2010年緩坡地區開始退化的林地生態系統，到2020年退化為病態生態系統；2010年緩坡地和陡坡地屬于病態的草地植被生態系統到2020年退化為惡化狀態。

健康的生態系統主要分布在北部和西北部山區和緩坡地，亞健康的生態系統主要分布在東北部和東北部的緩坡地區和部分平原地區，病態的生態系統主要分布在西部和南部地區。主要原因是受人類活動的影響。屬于惡化的生態系統主要分布在東部、西部和南部。

3 結 論

土地利用是一個復雜、動態、可控系統。土地利用模式對生態系統的健康有直接影響。在動態經濟、人口密集地區，這些影響尤其明顯。然而，土地利用的關鍵是如何保護良好的生物多樣性和生態系統功能。生態健康強調了不同因素的動態和諧，土地利用涉及到多種因素耦合。生態健康可作為土地可持續利用的基礎。土地資源利用變化和土地生態健康評價是土地可持續利用的前提條件。

通過人類活動與生態健康的時空協調，可以實現土地可持續利用的目標。土地生態健康評價是實現人類與土地資源和諧、相伴共存、共同發展的不可缺少的組成部分。因為土地生態健康不僅符合生態學原理，而且滿足了社會經濟的可持續發展需求。

本文提出了土地利用生態健康動態評價方法。以河南省衛輝市為例，在土地利用生態類型分類的基礎上，計算了土地利用轉化矩陣，開展了土地利用生態健康評價。研究結果對于衛輝市開展災后重建，實現土地資源利用與生態健康和諧發展，以及社會經濟可持續發展都具有一定參考價值。

由于建設性占地和生態環境污染的干擾，衛輝市農業區生態健康不容樂觀。應當進一步優化協調區域內的土地利用結構，采取有效措施，強化管理，科學規劃，科學治理，實行生態監督制度，實現土地資源的高質量可持續開發利用。