基于物元模型的炎陵縣土地利用適宜性評價

田一豆，趙先超

（湖南工業大學 城市與環境學院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

目前，我國鄉鎮仍存在一定程度的居民點散亂、集約利用效率較低等問題，導致鄉鎮地區生活、生產、生態空間相互沖突，影響經濟發展[1]，在一定程度上阻礙了鄉村振興的步伐。在這種背景下對鄉鎮“三生空間”進行合理布局已成為我國生態文明和可持續發展戰略的核心之一[2]，對城鄉均衡發展、協調空間秩序等鄉村振興戰略的實施有著重要意義，而較為直接有效的方法是轉變土地利用方式。縣域尺度下鄉鎮土地利用適宜性評價作為國土空間規劃“雙評價”的基礎，可為土地規劃與利用提供有力支撐和科學指導。

運用科學的指標進行系統計算，并用量化方式反映土地不同特征的空間差異，與現狀對比可判斷區域內用地的合理性，有利于提高土地利用率，有效緩解城鄉之間的用地矛盾，是協調引導“三生空間”和諧發展的橋梁[3]。國外早在19 世紀30 年代便開始科學地探索土地評價，土地評價經歷了從分類定級、潛力評價、適宜性評價到土地可持續利用4 個階段[5]。21 世紀以來，土地適宜性分析在各個方面都有廣泛的應用，不同用地類型方面：如農用地、建設用地等；土壤地質方面：如地質適宜性評價等；景觀生態方面：如景觀生態評價、環境影響評價等。其土地適宜性評價大多是“GIS+”的形式，如GIS+多指標決策、GIS+人工智能、GIS+計算機輔助制圖等[4]。在我國，土地質量評價最早出現于2 500 多年以前的《周禮·地官篇》，但我國現代的土地適宜性評價起步較晚，20世紀50 年代到70 年代中期才逐漸展開以專業人士為主的土地評價分析[3]，發展到現在，土地適宜性評價在各種用地類型、各種環境區域有著廣泛的應用，也取得了豐富成果。在研究區域方面，學者按照地理位置和用地類型等進行了細分[5-9]；在研究方法方面，主要采用了3S（RS、GIS、GPS）技術[10]、最小阻力模型[11]、層次分析法[12]、模糊數學法[13]、多因素分析決策[14]、BP 神經網絡[15]、灰色關聯度分析法[16]等方法，其中3S 技術運用較為廣泛。然而，這些研究方法多數會受到主觀因素影響，從而影響結果的準確性[17]，而物元模型可以較大程度地降低主觀因素的影響，使評價結果更加科學準確，能夠更加準確地反映土地利用適宜性情況，進而促進土地的合理利用與科學規劃。因此本文主要采用物元模型與GIS技術進行土地利用適宜性評價。

從“三生空間”角度進行土地利用適宜性評價可以清晰地識別鄉村各類土地及其適宜的功能，與現狀用途進行對比就可得出現狀土地利用適宜水平。從土地資源本底出發，先識別其單空間適宜性進而分析多空間適宜性，從而科學指導鄉村土地利用開發，調整不適宜用地，合理發展適宜用地。在“三生空間”與土地利用適宜性評價方面，張云路等[1]提出了鄉村空間適宜性評價的思路和策略，并以雄安新區北沙口為例進行了技術實證；李欣等[17]以江蘇省55 個縣域為研究對象，通過構建國土空間“三生”功能識別體系，探析了縣域“三生”功能的空間格局特征，并根據主導功能差異提出優化對策。周書宏等[3]采用物元模型，從“三生空間”角度對重慶市永川區進行了土地利用適宜性評價；農宵宵等[18]基于“三生”功能對柳州市國土空間適宜性進行了評價。在三生空間的評價方法方面，運用較多的主要有GIS 空間分析[19-20]、最小阻力模型[21]、數據包絡分析法[22]、空間計量模型[17]等。然而，目前部分研究的評價指標體系選取還不夠完善，土地利用“三生”功能的空間載體涉及較少。此外，鮮有成果從“三生空間”角度出發在鄉鎮尺度上進行土地利用適宜性評價。

基于此，為積極響應鄉村振興戰略，提升鄉鎮地區土地的合理利用，協調鄉鎮地區生活、生產、生態空間三者之間的關系，本文選取湖南省株洲市炎陵縣作為研究區域，構建“三生空間”評價指標體系，運用物元模型和GIS 技術從“三生空間”視角進行土地利用適宜性評價，旨在準確反映鄉鎮地區土地利用適宜性情況，為縣域尺度下的鄉村國土空間規劃編制提供科學指導。

2 研究數據

2.1 研究區概況

炎陵縣區位圖如圖1 所示。炎陵縣（113°34′E～114°07′E，26°03′N～ 26°29′N）地處湖南省東南邊緣，羅霄山脈中段，井岡山西麓，洣水上游。境內交通便利，全縣地貌以山地為主，山地、丘陵、崗地、平原分別占炎陵縣土地總面積的86.8%,7.7%,1.5%,4.0%。

2020 年末，炎陵縣土地總面積為202 979.85 ha。其中農用地面積為190 203.48 hm2，占土地總面積的93.71%；建設用地面積為6 129.70 hm2，占土地總面積的3.02%；其他土地面積為6 646.67 hm2，占土地總面積的3.27%。炎陵縣的土地利用現狀以農用地為主，且農用地破碎化程度較高，建設用地所占比例較少，其中主要是農村居民建設用地，城鎮建設用地較少；產業方面以第一產業為主，第二產業和第三產業發展相對較弱，總體上看，生活、生產、生態空間相互重疊，存在相互影響、相互制約等問題。

2.2 數據來源及處理

研究數據的來源及用途如表1 所示。首先對研究區的Landsat8 遙感影像運用Arcgis 軟件進行幾何校正和多光譜融合，利用炎陵縣行政區劃邊界進行圖像裁剪，然后通過ENVI 5.3 軟件解譯得到研究區的土地利用現狀圖；將獲取的DEM 數據進行拼接，以研究區面狀數據作為掩膜進行提取，得到研究區的DEM 數據；在此基礎上進行坡度、坡向分析，分別得到研究區坡度、坡向分布圖。

表1 數據來源及用途Table 1 Data sources with its application

3 研究方法

3.1 土地適宜性評價指標體系構建

參考已有相關研究成果[3,23-25]，綜合考慮炎陵縣實際情況，并在數據可獲取的基礎上，以鄉村聚落為評價單元，以農村居民點作為評價對象，從生活適宜度（A1）、生產適宜度（A2）、生態適宜度（A3）3 個層面遴選了12 個指標[3]，建立如下評價指標體系，從“三生空間”角度對炎陵縣用地適宜性進行綜合評價。

1）生活適宜度（A1），衡量炎陵縣各村鎮村民生活及出行便利程度，包括空間格局是否合理、對外交通是否便捷等。其中中心城區可達性（B1）表示村鎮距中心城區距離，村鎮越遠離中心城區便捷性越低；交通干線可達性（B2）表示村鎮距交通干線距離，并劃分等級，村鎮距交通干線越近等級越高，出行便捷度越高；道路結構指數（B3）反映村鎮道路通達程度，數值越大表示交通網絡通達性越高；交通質量指數（B4）表示村鎮外出交通方式的種類及質量等級。

2）生產適宜度（A2），主要判斷村鎮土地利用合理程度及村鎮生產的經濟效益。其中，人均農村居民點（B5）和人均村鎮工礦用地（B6）用于衡量村鎮土地利用現狀及合理性；耕作收益率（B7），通過計算農村居民點合理耕作半徑內的耕地面積占總耕地面積的比例，來判斷農業生產現狀的合理程度以及發達程度；城鎮用地面積比例（B8）值越高說明村鎮經濟發展越快，村鎮生產適宜度越高。

3）生態適宜度（A3），主要衡量村鎮發展過程中與生態環境的協調程度。其中，村鎮綠化率（B9）反映村鎮的生態環境質量；生態不適宜面積（B10）為村鎮中交通水利及其他建設用地等所占比例，這兩個指標綜合反映村鎮生產與生態的協調程度；坡度大于25°的用地比例（B11）從坡度值和高程值等方面來衡量村鎮用地受到自然災害的影響；水域面積比例（B12）用于衡量村鎮的濱水環境質量。根據炎陵縣相關資料并結合實地調查數據，采用熵值法和AHP層次分析法綜合確定各個指標的權重值（見表2）。

表2 炎陵縣“三生空間”土地適宜性評價指標體系框架表Table 2 Framework of land suitability evaluation index system of“three-livable space”in Yanling County

3.2 物元模型構建

本研究主要采用物元模型對炎陵縣進行土地利用適宜性評價。通過確定經典域和節域劃定不同等級，并判定各指標在不同等級的關聯度，進而用量化的方式直觀地表達各指標要素對土地利用適宜性的影響及程度，在此基礎上，計算得到村鎮的綜合關聯度，以此表示土地的適宜性評價等級。

1）確定評判等級的物元集合。

①確定待評物元R0，

式中：P0為炎陵縣各待評價村鎮；ci為具體評價指標；xi為P0在指標ci上的具體取值；i=1,2,…,n。

以鄉鎮為單位選取了炎陵縣下轄的10 個村鎮為待評價物元。計算各待評價物元在12 個指標上的取值，最終得到10 個待評價物元矩陣，其中霞陽鎮、沔渡鎮、十都鎮、壟溪鄉、水口鎮、策源鄉、鹿原鎮、船形鄉、下村鎮、中村瑤族鄉分別用R01～R010表示，以R01霞陽鎮為例，其計算方式見式（2）。

②確定經典域R0j，

式中：N0j為土地適宜性等級；ci為該等級下所選取的對應指標；x0ji為對應指標的取值范圍，即經典域；a、b分別為取值范圍的下限值和上限值（下同）。

③確定節域RP，

式中：P為炎陵縣全部待評村鎮；xpi為全部待評村鎮P關于指標ci的取值范圍，即節域。

通過參考已有相關研究，將評價體系中的各個指標劃分為5 個等級，分別為最適宜、高適宜、中適宜、低適宜和不適宜[3]。因各指標性質與取值區間不同，分級標準也有所差異，其中，B11和B12評價指標值越小土地適宜性等級越高，其余指標的評價指標數值越大土地適宜性等級越高（見表3）。

表3 炎陵縣“三生空間”土地適宜性評價的經典域量、節域值Table 3 Classical domain quantity and node domain value table of land suitability evaluation of“three-livable space”in Yanling County

2）確定評價指標關于各等級的關聯度：

3）確定待評價對象關于各等級的關聯度。

式中：Kj(P0)為待評價對象P0關于等級j的關聯度；ai為每個特征ci對應的權系數。

4）確定評價等級。

若Kj(P0)≤0，表示P0的等級已不在所劃分的各等級之內，應舍去。

4 結果與分析

4.1 物元模型綜合分析

限于篇幅，本文僅列出了炎陵縣10 個鄉鎮各評價指標關于等級R1（最適宜）的關聯函數值（見表4）。

表4 各鄉鎮關于R1 的關聯函數值Table 4 Correlation function values of R1 for each township

基于上述計算的各村鎮關于各等級的關聯函數值，計算得到炎陵縣各村鎮在5 個等級上的綜合關聯函數值，其中最大值所對應的等級即為村鎮“三生空間”土地利用適宜度的評價等級（見表5）。最終評價結果為，沔渡鎮、鹿原鎮、船形鄉、水口鎮的綜合關聯函數值分別為-0.448,-0.576,-0.664,-0.641，評價結果為最適宜；霞陽鎮、十都鎮、中村瑤族鄉、下村鄉的綜合關聯函數值分別為-0.438,-0.704,-0.542,-0.759，評價結果為高適宜；策源鄉的綜合關聯函數值為-0.824，評價結果為低適宜；壟溪鄉的綜合關聯函數值為-0.491，評價結果為不適宜。炎陵縣“三生空間”土地利用處于適宜狀態的（包括最適宜、高適宜）的占85%，剩余15%適宜性較低。

表5 各鄉鎮綜合關聯函數值及評價等級Table 5 Comprehensive correlation function value and evaluation grade of each township

4.2 土地利用適宜性分析

根據綜合關聯函數值得到“三生空間”視角下炎陵縣10 個村鎮土地利用適宜性評價結果，如圖2 所示。

從圖2 可以得出，總體來看，炎陵縣各村鎮土地利用適宜性情況存在差異，但大部分區域處于適宜狀態。具體分析如下：炎陵縣村鎮土地利用綜合評價85%處于適宜狀態（包括最適宜、高適宜）。其中，處于最適宜狀態的占總面積的50%，主要分布在炎陵縣西部交通發達區域和東北部森林覆蓋率高、環境良好區域。該區域應當充分利用自身資源條件發展適宜產業，如：可在西部地形平坦區域發展現代化農業以及食品加工業等，形成現代農業產業鏈；在東北部區域發展旅游業等。處于高適宜狀態的用地占總面積的35%，主要分布在炎陵縣北部和南部區域。其中，北部的霞陽鎮經濟發展較為迅速，但生態不適宜面積比例較高，應當在發展經濟的同時注重生態環境的保護與修復，協調人地關系，適當增加生態用地，提高綠化面積；南部區域受區位條件制約，中心城區可達性較差，生活便捷度不高，應當著重提升配套設施水平。處于低適宜狀態的用地占總面積的9%，主要位于炎陵縣西部。該區域交通條件較差，應當加強基礎設施建設，促進區域經濟增長。處于不適宜狀態的用地占總用地的6%，主要位于炎陵縣中部地區。該區域受地質災害的影響較大，之后的發展應當注意地質災害的預防與監測，建設和發展應避開災害易發地，同時適當增加災害防護設施。

為進一步揭示炎陵縣“三生空間”土地利用適宜性的空間分布情況，運用Arcgis 軟件分別將生活、生產、生態3 個層面的指標值進行疊加分析，得到炎陵縣生活適宜性評價圖、生產適宜性評價圖、生態適宜性評價圖（見圖3）。

由圖3 可得出，總體來看，炎陵縣的“三生空間”土地利用適宜性分布存在空間差異，生活和生產空間適宜性較高的區域重疊度較高，二者與生態空間適宜性較高的區域重合度較低。

具體分析如下：生活空間方面，炎陵縣生活適宜性較高的區域主要集中在炎陵縣西北部，即霞陽鎮、鹿原鎮、沔渡鎮，該區域交通發達，對外出行便捷合理；其中霞陽鎮的生活適宜性最高，這可能是由于霞陽鎮經濟發展水平較高，交通可達性良好，出行方式多樣；下村鄉生活適宜性最低，主要受城鎮重心度和地形因素影響，導致居民生活便捷度低。中心城區可達性（B1）和交通干線可達性（B2）是影響生活適宜性評價的兩個主要因素。生產空間方面，生產適宜性較高的區域主要集中在炎陵縣西北部即霞陽鎮、鹿原鎮，該區域地勢平坦、經濟發展水平較高，生產效益高；其中鹿原鎮的生產適宜性最高，這與鹿原鎮耕作收益率和人均農村居民點面積較高、生產效益良好有密切聯系；水口鎮的生產適宜性最低，主要原因是水口鎮的耕作收益率和人均工礦面積較低，生產效益較差。耕作收益率（B7）是影響生產適宜性評價的主要因素。生態空間方面，生態適宜性較高區域主要集中在炎陵縣東北部，即策源鄉、下村鄉、水口鎮、中村瑤族鄉，該區域森林覆蓋率高，人地關系較為和諧。其中策源鄉生態適宜性最高，這可能是因為策源鄉村鎮綠化率較高，生態不適宜面積較低，生態環境質量良好；壟溪鄉的生態適宜性最低，主要原因是壟溪鄉坡度大于25 °面積比例和生態不適宜面積比例較高，地質災害風險較大，生態環境質量較差。影響生產適宜性評價的主要因素是生態不適宜面積（B10）和坡度大于25 °的用地比例（B11）。

綜上，采用物元模型不僅可以表示出具體村鎮土地利用在“三生”視角各指標下的適宜程度以及綜合的適宜程度，還可以反映出各個指標對最終評價結果的影響及其程度，全面考慮部分與整體的關系，增強結果的科學性和說服力。

5 結論與討論

5.1 結論

基于炎陵縣2020 年現狀土地利用數據，從生活、生產、生態3 個方面選取指標，構建“三生空間”評價指標體系，綜合運用物元模型、GIS 空間分析等方法對炎陵縣土地利用適宜性進行了評價，結果表明：

1）炎陵縣85%的村鎮用地處于適宜狀態（包括最適宜50%、高適宜35%），說明目前大部分村鎮的土地利用較為合理，這與國家大力推進國土空間規劃以及政府的積極調控有關；而策源鄉和壟溪鄉土地利用的合理性有待提高。

2）炎陵縣“三生空間”土地利用適宜性分布存在空間差異。生活適宜性較高的區域主要集中在炎陵縣西北部，其中霞陽鎮的生活適宜性最高，下村鄉生活適宜性最低；生產適宜性較高的區域主要集中在炎陵縣西北部，其中鹿原鎮的生產適宜性最高，水口鎮的生產適宜性最低；生態適宜性較高區域主要集中在炎陵縣東北部，其中策源鄉生態適宜性最高，壟溪鄉的生態適宜性最低。

3）炎陵縣“三生空間”土地利用適宜性評價的影響因素具有差異性。影響生活適宜性評價的主要因素是中心城區可達性（B1）和交通干線可達性（B2）；影響生產適宜性評價的主要因素是耕作收益率（B7）；影響生產適宜性評價的主要因素是生態不適宜面積（B10）和坡度大于25°的用地比例（B11）。

5.2 討論

與傳統的土地利用適宜性評價相比，從“三生空間”視角進行鄉鎮土地利用適宜性評價。一方面，能夠從土地自然本底出發，通過對生活、生產、生態要素的識別，更為直觀地揭示研究區域的“三生”適宜性，為縣域尺度下的國土空間規劃提供具體參考，可以作為“雙評價”的基礎，與其很好地銜接。因此，炎陵縣應當從“三生空間”的角度綜合考慮縣域各村鎮的土地利用適宜程度，識別對土地適宜性影響較大的因素，趨利避害，才能實現更好的發展。另一方面，可以很好地評估現行規劃效果，從而制定更合理的規劃設計。因此，炎陵縣應當針對適宜性評價的主要影響因素，開展重點專題研究，從“三生空間”角度的適宜性評價結果出發，圍繞村莊空間優化調整、鄉村產業發展謀劃、生態環境保護提升等重要方面開展因地制宜的國土空間開發規劃。研究發現，炎陵縣西北部的生活適宜性和生產適宜性均較高，應當著重提高其生態適宜性，增加森林覆蓋率，改善生態環境質量，充分利用其區位優勢制定產業規劃，促進經濟發展；此外，東北部的生態適宜性較高，應當注重對交通等基礎設施的完善，災害易發點應注意防災減災和應急設施建設，利用生態優勢發展生態相關產業。

值得注意的是，物元模型與傳統的評價方法相比，得到的評價結果更加客觀準確，不僅能得到最終評價結果，更能用定量表達方式揭示各單個因子與評價結果的關系，從而為村鎮的發展建設提供優化改進方向。然而，采用物元模型對村鎮“三生空間”方面的土地適宜性進行評價的案例較少，節域和經典域的范圍選取不夠精確，研究結果可能與現實存在局部誤差，有待進一步提升其取值范圍的精確性。