基于地理格网的韩城市土地生态安全评价

夏积德，李俊锋，齐养周

(1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西测绘地理信息局，陕西 西安 710054；3.周至县水务局，陕西 周至 710400)

随着经济的快速发展，城镇化速度的加快，对于土地的开发利用程度大大提高，土地资源的可利用性逐渐减少，人与土地的矛盾日益突显[1]。土地生态安全作为我国生态文明建设背景下重要的国家发展战略之一，从根本上关系到该区的土地生态安全以及人类长远利益[2]。

土地生态安全评价是对区域土地的综合分析，涉及社会、经济、自然、人为等众多影响因素[3～4]，其目的主要在于正确清楚认识区域土地生态安全现状及演变趋势，为后期治理与修复提供可参考因素及决策依据，实现区域土地生态安全的可持续性，更好的实现人与自然的和谐相处与土地的可持续利用[5～6]。

国内外学者从不同角度对土地生态安全评价问题做了探索[7～8]，但是研究方向与成果存在生态指标不完整、体系差异大等问题[9～10]。从实际的土地生态问题角度出发，进行土地生态安全评价和建立评价指标体系成为今后的发展方向。

以陕西省韩城市为研究对象，运用地理格网技术，结合GIS、ENVI等软件及PSR模型和层次分析法等对韩城市土地生态安全进行综合评价，通过对该研究区的土地数据综合分析与研究，探究其土地生态安全现状及其安全指数与等级，并在一定程度上提出了合理建议。为改善研究区土地生态安全现状，减少土地的不合理利用提供支持。以期为今后黄土高原区域土地生态安全的治理，国家相关政策的制定提供决策依据。

1 实验方法

1.1 研究区概况

韩城总面积1 621 km2，人口50万。地势西北高，东南低。西部深山多为梁状山岭，一般海拔900 m以上，韩(城)黄(龙)分界处的大岭海拔1 788 m，为本市全境最高点。中部浅山区多为黄土丘陵，海拔600～900 m。东部黄土台原，一般海拔400～600 m，澽水下游川道和黄河滩地，多在海拔400 m以下。市南的芝川口海拔357 m为全市陆面最低处。境内山原川滩等地貌类型兼有，其中深山和浅山丘陵占总面积的69%。

韩城地处暖温带半干旱地带，属大陆性季风气候。年平均气温13.5℃，积温为4 626℃。平均年降水量559.7 mm，无霜期208 d，年日照2 436 h，有利于发展农业生产。但降雨量不均， 7、8、9月份多雨。春夏季易发生干旱，夏季阵雨多、强度大，水土流失严重。

韩城市由新城办、金城办、龙门镇、桑树坪镇、芝川镇、西庄镇、芝阳镇、板桥镇等8个区域组成。

1.2 数据来源与预处理

本文数据主要包括韩城市GF2影像、韩城市行政区划图、《韩城市2015年统计年鉴》和《韩城市2017年统计年鉴》。

对于格网数据，通过格网计算获得，在ArcGIS中，利用创建渔网工具，将韩城市分成1 km*1 km的正方形格网，进行计算，获得部分评价要素数据，将各个数据连接整合，得到土地生态安全综合评价指数，对韩城市土地利用类型图进行数据可视化表达，对其生态安全进行综合评价研究。

1.3 研究方法与评价指标

1.3.1 评价指标的确定 PSR模型即压力——状态——响应模型，体现了人类与环境之间的作用与反作用关系[11]。PSR模型回答了“发生了什么、为什么发生、我们将如何做”3个可持续发展的基本问题。本研究将人类及其他因素对土地生态安全的影响因素概括为三个部分，即压力安全、状态安全、经济安全。结合韩城市土地利用现状及其综合因素的考量，结合PSR模型，确定评价指标层，其中包括人均耕地面积、人口密度、人口增长率、建设占耕地面积比例、城镇化面积等5个压力安全指标；人均粮食产量、森林覆盖率、草地覆盖率等三个状态安全指标；非农业人口比重、人口老龄化、农村居民点面积、农村居民点面积、生产总值、人均纯收入等5个响应安全指标，共计13个指标。其相关指标及相应权重如表1 所示。

表1 韩城市生态安全评价指标体系

1.3.2 数据处理与评价模型

(1)数据处理。由于各个土地生态安全评价指标对土地生态安全评价的影响不一，本研究采用极差法对个指标数据进行标准化处理。使用正向标准化(公式1)和负向标准化(公式2)公式对土地生态安全正效应指标和负效应指标进行处理，公式如下：

(1)

(2)

式中，Sij——为第i个栅格第j项指标的原始值；

maxSj——第j个指标的最大值；

minSj——第j个指标的最小值；

Sij——原数据标准化后的值，其范围为0～1。

(2)地理格网方法。本研究在GIS的支持下，依据研究区的空间几何尺度、生态评价因子数据源特征确定以1km*1km格网作为统计数据空间化定位平台，利用 ArcGIS10.2.2中的中fishnet工具创建1 km*1 km矢量格网对统计数据进行空间化[12]，通过叠加分析(联合、相交等)将统计数据赋值给每个格网，进行模拟和量化，然后将数据在同一坐标与投影系统下进行运算与分析[13]，将其转换城30 m分辨率栅格数据参与模型运算。

(3)生态安全综合评价模型。层次分析法是一种定性与定量相结合的分析方法，具有系统性及层次化性[14]。本研究结合各指标之间的相关性以及该区地理环境和发展状况构建适宜的层次体系、结合相关文献资料以及专家评分为各指标赋予权重并构建生态评价模型。土地综合生态安全评价值的计算公式为:

(3)

式中Z值越大，表明该区安全程度越高。

2 结果与分析

2.1 土地利用现状分析

通过对韩城市GF影像进行解译与监督分类，解译出韩城市土地利用现状分布图，如图1所示。主要土地利用类型有：水体、耕地、园地、建设用地、裸地、林地、自然保留地、草地。韩城总体上呈现出西北高、东南低的地势，西部多为山地。韩城市西部地区主要以林地与自然保留地为主。中部及南部地势低平，适合粮食种植、开发建设等各种人类生产活动，其中粮食作物的种植，多以耕地与园地为主。在北部地区，以花椒为主要经济作物，其自然地理条件、温度气候、海拔高度、土壤特性、光热资源，均适宜花椒的种植。中偏北部即龙门镇地区，主要以工矿开采为主，龙门镇为韩城市重要的煤矿开采经济镇，其经济发达，生产总值及人均经济收入都位居各镇前列。在东南区，黄河经过，形成部分冲积扇与滩涂，以及黄河生态景区，包括黄河湿地公园、龙门风景名胜区等旅游景点，其旅游业的发展对韩城市的经济发展也具有一定的促进作用。

图1 韩城市土地利用现状

2.2 综合生态安全评价分析

研究区基于13个生态安全指标来综合计算与分析韩城市的土地生态安全，由于其存在量纲的不一致性，因此对13个指标分别进行归一化处理，进而得出综合安全指数0.211489～0.678176。如图2所示，其指数最高值约为最低值的3倍。

图2 韩城市土地生态安全综合指数

由于“自然间断点”可对各个分类间隔进行识别，基于数值相似，对相似值进行最恰当的分组，并可使各个类之间的差异最大化。因此，在ArcGIS软件中，基于自然间断点分级法将综合安全指标数值分为四类，如表3分别为不安全(0.211489 - 0.378753)、临界安全(0.378754 - 0.471063)、较安全(0.471064 - 0.532268)、安全(0.532269 - 0.678176)四类。

由图2可知，金城办和新城办综合生态安全指数最低，板桥镇生态安全指数最高，其综合生态安全指数值代表土地生态安全的健康质量状况，其值越高，该区土地生态系统越健康；其值越低，该区土地生态系统危险程度越高。因此，在韩城市6镇2办中，金城办与新城办土地生态安全有待提高，而板桥镇处于安全的土地生态系统，希望市政府制定相关计划继续保持其良好的土地生态安全状况，保持良好的自然地理环境与得天独厚的气候条件，保持该区可持续发展。结合人均耕地面积、人口密度、人口自然增长率等13个相关生态安全指标，以及韩城市的社会经济发展状况，可知金城办与新城办位于韩城市较中心地位，其经济发展呈环状形态，环状中心经济发达，逐渐向外，经济能力减弱。金城办与新城办经济较发达，人口高度集中，住宅与建设用地占据主要土地面积，其自然资源与物质消耗也居高，因此对该区土地压力较大，其土地生态安全无法保持较好的状态。而板桥镇处于西部林区，相对于市中心，人口、住房、建设等压力相对较小，物质能耗于资源利用也相对减少，其得天独厚的地理位置条件及优越的自然环境也为其土地的安全与健康提供了一定的保障。其他5个乡镇，依据其综合生态安全指数从大到小依次排列为：芝阳镇、桑树坪镇、西庄镇、芝川镇、龙门镇。

从由表2和图3可以看出，韩城市土地生态安全状况存在较明显的空间分异特征。不安全地区分布在韩城市中南部，占地面积为92.77 km2,面积占比为5.7%；该区经济发达，为韩城市中心地段，土地压力大。临界安全地区分布在韩城市中部及南部，占地面积为213.57 km2，面积占比为13.17%。较安全地区主要分布在韩城市北部地区，占地面积为879.25 km2，面积占比为53.99%；该区以花椒为主要种植作物，享有“花椒之都”的美誉。安全地区分布在该区西部地区，占地面积为435.41 km2，面积占比26.86%；该区以林地为主，是各种乔木、灌木林生长之地。

表2 研究区生态安全等级评价结果

图3 韩城市土地生态安全等级

经上述分析可见，该研究区总体上生态安全水平较高，局部地区生态安全状况较差，其研究结果与实际情况相吻合。以此研究结果为借鉴依据，采取相关措施与政策，有利于更好地实现生态安全的可持续性与良好的发展性。

2.3 乡镇土地生态安全评价

板桥镇地处韩城市中西部山区，其土地综合安全指数为0.551 431～0.678 176，整体处于安全状态。

金城办位于韩城市中心位置，地处河谷川道和黄土台原区，土地综合安全指数为0.31 776-0.394 187。整体生态安全指数不高，其中96.76%处于不安全状态，3.24%处于临界状态。

龙门镇位于韩城市东北部，其土地生态安全综合指数为0.350 611～0.475 619。整体处于临界安全状态，其中3.54%为不安全状态，95.68%为临界安全状态，0.78%为较安全状态。

桑树坪镇位于韩城市北部，属暖温带大陆性季风型气候，其土地生态安全综合指数为0.46 726～0.60 4647。其中62.82%处于较安全状态， 37.13%处于安全状态。

西庄镇位于桑树坪镇南部、龙门镇西部。其土地生态安全综合指数为0.432 009～0.568 672。其中61.13%处于临界安全状态，28.69%处于较安全状态， 10.18%处于安全状态。

新城办处于韩城市中心位置，是全市的政治、经济、文教和商贸中心。其土地生态安全综合指数为0.211 489～0.30 961。整体处于不安全状态，政府及各部门应该予以重视，制定相关政策，改善土地生态安全状况，合理开发与利用，实现可持续发展。

芝川镇地处韩城市东南部，该镇土地生态安全指数为0.390 911～0.541 516。其中85.30%处于临界安全状态，13.18%处于较安全状态， 1.52%处于安全状态。由于该镇西北地区靠近山区，其土地生态安全指数相对较高。

芝阳镇地处韩城市南部，该镇土地生态安全综合指数为0.491 921～0.609 339。其中60.85%处于较安全状态，39.15%处于安全状态。整体土地生态安全指数相对较高。

综合来看，板桥镇土地生态安全状况居各乡镇首位，土地生态安全状况较好；桑树坪镇次之，新城办与金城办土地生态安全状况较差。

3 结论

以陕西省韩城市为研究对象，利用GF影像数据、行政区划数据及部分统计数据，结合格网GIS技术，对韩城市土地生态安全进行综合分析与评价。主要结论及建议如下：

(1)韩城市土地生态安全状况存在较明显的空间分异特征。研究区土地综合生态安全指数为0.211 489～0.678 176，将其分为四个等级(不安全、较安全、临界安全、安全)。不安全地区在韩城市中南部，面积占比为5.7%；临界安全地区在韩城市中部及南部，面积占比为13.17%；较安全地区在韩城市北部地区，面积占比为53.99%；安全地区在韩城市西部地区，面积占比26.86%。

(2)韩城市各乡镇土地生态安全等级综合来看，板桥镇土地生态安全状况最好，桑树坪镇次之，新城办与金城办土地生态安全状况较差。

(3)韩城市总体上生态安全水平较高，局部地区生态安全状况较差。从中心向四周土地生态安全等级逐渐提高，说明其生态状况良好。研究结果与实际情况相吻合，笔者研究所用模型和方法在城市土地生态安全评价中的可行性及适用性得到验证。

(4)基于笔者分析研究，建议韩城市在今后建设和发展中，应着重保护耕地，对于工矿用地的环境、污水排放量、废弃排放量等应严加管控，减少对周边地区环境的污染。政府及相关部门应加大对研究区土地资源的管理力度，提高土地生态安全质量。