太行山山区土地多功能评价——以阜平县为例

冯哲，康营，齐跃普，丁超，许皞，王树涛

(1河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2石家庄师兄弟土地环境技术服务有限公司，河北 保定 071000)

土地是人类社会赖以发展的基本自然资源，随着经济的飞速发展，与土地利用引发的资源环境问题也在逐渐凸显，如何合理充分地发挥土地功能，对高效利用土地资源实现区域可持续发展起着至关重要的作用[1]。我们通常把土地与人类活动相互作用过程中所表现出来的能够提高经济发展、促进社会进步和保护生态环境的能力称之为土地功能[2]。开展土地多功能评价对实施国土空间规划、统筹城乡发展有重要的意义[3]。

国外土地功能研究的开端是农业功能[4]。Munoz M等研究将土地功能从农业功能扩展到社会、经济与生态环境等领域，对土地功能的概念加以延伸，开创了土地多功能的研究[5]；Wiggering H建立较为完整的土地生态系统框架[6]； Reidsma P使用模拟和监测的方法对土地多功能利用进行评价[7]。国内对于土地多功能的研究，首先提出了土地的社会保障功能，随后提出土地的生态功能和经济功能[9-11]；对多功能农地利用的考察，运用土地功能概念，在指标研究和区域空间功能分区理论方面进行探索[9,12]；随着对土地功能的深入研究，重心逐步转到国土空间功能利用和主体功能区上[13-14]。土地利用多功能研究尺度主要集中在以行政区划为基础单元的国家、省市等中宏观尺度上，基于县域评价单元的城市群研究相对较少[14]。

本试验以太行山典型山区县阜平县为研究对象，基于土地的生产功能、生活功能、生态功能(以下统称为三生功能)，结合阜平县典型特点选取适当的评价指标，建立评价指标体系，结合GIS空间叠加分析，对阜平县土地三生功能进行评价。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区概况

位于河北省保定市西部的阜平县地处太行山中北部地区，地势由西北(海拔2.2 km)至东南(海拔0.2 km)逐渐降低，其内由西北至东南横贯县域的沙河属于海河流域的大清河水系。阜平县共有13个乡镇，209个行政村，1 208个自然村，是国家级贫困县。土地总范围2 496 km2，其中耕地1.46万hm2。县域内80%的田地主要分布在山地或平坝地，土地资源条件较差，可作为农业生产用地的面积较少，生产成本高且生产力低。由于土地资源较为短缺，土地碎片化严重，对产业链的形成产生了极大制约。随着生产、生活功能用地无序扩张，土地利用出现诸多问题，加剧了人地之间的矛盾，农业现代化进程迟缓，产业发展水平难以得到有效提高。

1.2 数据来源

1.2.1 图件资料 阜平县2018年土地利用现状变更调查成果数据，阜平县的土地利用总体规划图、农用地分等定级图、行政区划图、地形地貌图、植被分布图、土壤类型图等基础矢量数据图件，以及农业生产、人口、气候、水资源等统计数据。

1.2.2 实地调查 在划分的每个评价单元里随机选取了3个点进行剖面构型、表土质地、有效土层厚度、地形坡度、海拔5个评价指标数据的记录，另外采用“S”型取土法在每个样点随机取3个点的土壤进行混合装袋做标记，后期对取回的土壤进行土壤有机质的测定，最后对每个评价指标数据取平均值作为该评价单元里评价指标的最终表达。

2 研究方法

2.1 土地多功能评价单元的确定

网格法可以取得范围较小、精度较大的结果，且划分依据较客观，是一种科学合理的划分评价单元方法[15]。阜平县区域内最小的村域为龙泉关镇的台南村，其面积为9.73 km2。通过搜集文献以及实地调研，研究评价单元决定采用3 km×3 km的正方形网格。评价单元比龙泉关镇的台南村面积小，能更加具体清晰地反映每个评价指标的特征及特征量的大小对评价单元的影响。

2.2 土地功能评价指标体系

从土地生产功能、生活功能和生态功能出发，通过查阅相关资料，选择如下指标作为土地多功能的评价因子，详见表1。根据研究区的特点选用了部分定性指标，为便于后期的统计和计算，将这些定性指标进行赋值量化，详见表2。

表1 土地多功能评价指标体系

表2 土地多功能评价定性指标赋值

2.3 指标的标准化

运用极差标准化方法对采集到的指标数据进行标准化处理[19]。其计算公式如下：

当指标值是正向指标时，发展走向为越大越好；

公式：X’ij=(Xij-minXj)/(maxXj-minXj)

(1)

当指标值是负向指标时，发展走向为越小越好；

公式：X’ij=(maxXj-Xij)/(maxXj-minXj)

(2)

式中Xij和X’ij指第i个评价单元第j项指标的原始值和标准化值，而maxXj和minXj分别表示为第j项指标的最大值和最小值。

2.4 权重的确定

结合研究选取评价指标的特点及相关资料的查询，最终决定采用层次分析法和熵权法相结合的方法确定指标的权重[22-23]。

2.4.1 层次分析法 将一个问题分解为若干个层次，再将每一个层分解成若干个成对单元；然后将成对的2个单元进行比较，判断出哪个单元更加重要；最后将所有层次进行综合，得到总排序的层次。

(1)构造判断矩阵

分析系统中各因子之间的关系，建立系统的递阶层次结构，然后对同一层次元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，从而确定其相应的权重。构造指标重要程度判断矩阵。

(2)层次单排序

①分别计算判断矩阵每一行元素的积Mi，公式为：

(3)

(4)

(5)

④计算判断矩阵的最大特征根

(6)

⑤一致性检验

式中：CI为一致性指标，N为矩阵阶数，CR为随机一致性指标，RI为平均随机一致性指标。通过检验计算得到CR的值，当CR<0.10时，说明层次单排序的计算结果是合理可行的，当CR>0.10时，则需要对判断矩阵再次进行调整，直至满意。

2.4.2 熵权法 依据各项评价指标的变异大小，通过信息熵计算出各评价指标的熵权，再利用熵权计算出各评价指标相应的权重。

①计算第i个评价区县第j项评价指标值的比重Pij：

(7)

②计算第j项指标的熵值：

(8)

式(8)中ln为自然对数，1/lnm为比例系数，m为样本数，Ej∈[0，1]。

③计算第j项指标的信息熵冗余度，指标值冗余度越大，熵值就越小，对土地利用多功能水平的影响就越大。

gi=1-Ej

(9)

④计算第j项指标的权重：

(10)

2.4.3 主客观组合赋权法 为了同时兼顾指标权重的准确客观性，实现主客观权重的统一，本试验采用主观客观相组合的方法来确定土地利用多功能各项评价指标的权重。

通过层次分析法计算出的土地利用多功能各项评价指标的主观权重向量为:

ω=(ω1,ω2,ω3…ωm)T

(11)

通过熵权法计算出的土地利用多功能各项评价指标的客观权重向量为:

μ=(μ1,μ2,μ3…μm)T

(12)

取2者的平均值作为综合权重为：

(13)

2.5 评价模型

经过前面对各个评价指标数据的处理，计算出每个评价单元的指标标准化值和每个指标的权重值，最后根据评价模型计算各个评价单元的土地多功能值，计算公式如下：

(14)

式中：Rij为第i个评价单元第j项指标的标准化值；

Wj为第j项指标的权重值；

R值在0～1之间；某项土地功能的R值越大，表明该评价单元越倾向某项功能。

2.6 加权综合指数

应用加权综合指数法计算基于本研究的阜平县各评价单元的土地生产功能、生活功能、生态功能的综合指数。

(15)

式中：Rj为第j项指标的土地多功能值;

Wj为第j项指标的权重值。

3 结果与分析

3.1 土地生产功能评价

根据2.3中公式(1)、公式(2)分别对土地生产功能评价指标的数据进行标准化处理，依据2.4层次分析法和熵权法，确定阜平县土地生产功能各评价指标权重如表3。

表3 土地生产功能评价各指标权重

阜平县土地生产功能评价最终结果，详见图1。

由图1可知，通过综合分析计算，最终确定阜平县土地生产功能评价的范围为：0.058～0.393。为了更加直观且客观地对综合分值进行归类分析，用聚类分析法，结合SPSS17.0软件，将阜平县土地生产功能评价结果划分为3级，Ⅰ级(0.058～0.150)；Ⅱ级(0.150～0.227)；Ⅲ级(0.227～0.393)，Ⅰ级生产功能区占阜平县土地总面积的19.22%，主要分布在阜平县地势较为平坦、水资源较丰富主要进行土地生产的东南部低山丘陵地带。Ⅱ级生产功能区占阜平县土地总面积的40.91%，面积较大但是分布较为分散，主要分布在城镇的周边及低山丘陵区，地势起伏变化大，如果想作为耕地进行农业生产且产量较高，则需要投入一定的资金和人力。Ⅲ级生产功能区占阜平县土地总面积的39.87%，面积大且分布较为集中，主要分布在阜平县的西部和北部。该区域是太行山山脉在阜平县的延伸部分，海拔高、地势复杂且险要，植被丰富，多为灌木和草本植物，不利于农业的生产。

3.2 土地生活功能评价

同上述方法最终确定阜平县土地生活功能各个评价指标的综合权重，见表4。

表4 土地生活功能评价各指标权重

阜平县土地生活功能最终结果，详见图2。

由图2可知，同上述原理，用聚类分析法，结合SPSS17.0软件，将阜平县土地生活功能评价结果划分为3级，Ⅰ级(0.158～0.971)；Ⅱ级(0.085～0.158)；Ⅲ级(0.009～0.085)，Ⅰ级生活功能区占阜平县土地总面积的14.80%，大多分布在中心村用地、城镇用地等建设用地范围内。Ⅱ级生活功能区分布较为分散，所在区域大都地势较为平坦，周边水资源、耕地资源较为丰富，远离自然灾害区，占阜平县土地总面积的28.16%。Ⅲ级生活功能区占阜平县土地总面积的57.04%，主要集中在阜平县境内西部和北部的太行山山脉，这些区域海拔高、坡度大，容易发生水土流失、滑坡、泥石流等自然灾害，生活交通不方便，人类不适宜在此居住。

3.3 土地生态功能评价

同上述方法最终确定阜平县土地生态功能各评价指标的综合权重,见表5。

图2 阜平县土地生活功能评价结果图

图3 阜平县土地生态功能评价结果图

表5 土地生态功能评价各指标权重

阜平县土地生态功能评价最终结果，详见图3。

由图3可知，同上述原理，用聚类分析法，结合SPSS17.0软件，将阜平县土地生态功能评价结果划分为3级，Ⅰ级(0.164～0.427)；Ⅱ级(0.076～0.164)；Ⅲ级(0.015～0.076)，划分为Ⅰ级生态功能区占阜平县土地总面积的36.98%，集中分布在阜平县境内的西部和北部的太行山山脉，这些区域海拔高，地势陡峭，气候湿冷，植被丰富且受人为干扰较小，是阜平县主要的生态保护区，具有水土保持、调节气候等多种生态功能。Ⅱ级生态功能区面积占阜平县土地总面积的33.13%，其分布较为分散，但大多分布在河流水库的沿岸以及海拔相对较低但是依旧不利于人居住和进行农业生产的区域，这些区域对环境比较敏感，极容易受到人为或者环境变化的影响，因此该区域是生态保护关注的重点对象。Ⅲ级生态功能区面积占阜平县土地总面积的29.89%，其分布大致与阜平县的居民生活的场所和粮食生产区相重合，生态功能不明显，对生态环境不敏感。

3.4 土地功能综合评价

阜平县各乡镇土地功能综合评价结果占比情况见表6，阜平县土地的生产、生活、生态功能具体分布情况详见图4。

图4 阜平县土地功能综合评价结果图

表6 阜平县各乡镇土地功能综合评价结果占比表

由图4和表6可知，横向对比各评价单元的土地生产、生活、生态功能的综合指数，取综合指数最大值确定为该评价单元的主要功能。其中为生产功能的评价单元占阜平县土地总面积34.66%，这些区域主要分布于阜平县内的低山丘陵地带，具体在阜平镇的北部和南部，城南庄镇的中部及东部以及史家寨乡的南部大部分区域，这些区域地势较为平坦、水利设施比较完善，方便进行各种农业的生产活动，另外交通较为便捷，适合农产品对外运输和销售；为生活功能的评价单元占阜平县土地总面积19.13%，主要分布于阜平县的中部，具体在阜平镇的中部和东部，王林口乡的西部大部分区域以及平阳镇的南部，这些区域远离险峻陡峭的区域、对外交通便利，人口聚集，生活便利；确定为生态功能的评价单元占阜平县土地总面积46.21%，主要分布在境内西部的吴王口乡、龙泉关镇、天生桥镇和夏庄乡西部的大部分区域，以及境内北部的沙窝乡、史家寨乡、大台乡和台峪乡的北部区域，这些区域海拔较高，地势起伏变化较大，植被丰富，受人为干扰较小；自然景观美丽且很有特色，具有生物多样性保护、水源涵养、旅游开发等价值，对地方的生态调节和区域可持续发展起着关键作用。

4 结论

结合文献资料与阜平县的特点，选取30个有关土地三生功能的评价指标，构建基于阜平县土地三生功能的评价指标体系，并计算土地三生功能评价值。

研究结果表明，阜平县Ⅰ级生产功能区主要集中在阜平县东南部大部分区域；Ⅰ级生活功能区主要集中阜平县中部和东部部分区域；Ⅰ级生态功能区主要集中在阜平县西部大部分区域以及北部和东南部部分区域。

最终确定为生态功能的评价单元面积最大，占阜平县土地总面积46.21%，主要分布在境内西部大部分区域以及北部部分区域；其次为生产功能区，占阜平县土地总面积34.66%，具体在阜平县中部大部分区域以及东部和东南部部分区域；生活功能区最小，占阜平县土地总面积19.13%，主要分布于阜平县的中部及东部部分区域。