徐蘇容，周振民

（1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450006；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011）

0 引 言

20世紀(jì)以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)與生物圈受到氣候和人類(lèi)共同的影響［1］。土地利用模式直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的健康。特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口密集的地區(qū)［2］。土地利用生態(tài)健康是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一［3］。近年來(lái)，世界范圍內(nèi)的土地資源生態(tài)健康面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［4，5］。土地生態(tài)系統(tǒng)的改善、規(guī)劃和建設(shè)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)的復(fù)合功能，促進(jìn)土地資源的可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。生態(tài)系統(tǒng)健康的概念引入土地開(kāi)發(fā)利用，可以追溯到19世紀(jì)的歐美許多國(guó)家和地區(qū)［6］。FABOS［7］基于生態(tài)健康原理和模型，提出了區(qū)域生態(tài)土地利用優(yōu)化方案。THEOBALD 等［8］和ODELL等人［9］將生物信息納入土地利用規(guī)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(zhuǎn)換的土地利用確定性評(píng)價(jià)方法，并將成果應(yīng)用于土地利用開(kāi)發(fā)。2017年Liu等［11］人提出了未來(lái)土地利用模式模擬分析方法，通過(guò)綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)與自然影響，模擬了多目標(biāo)土地利用方案。2017年Sadeghi 等［12］通過(guò)可靠性、脆弱性與可恢復(fù)性分析，研究了流域生態(tài)健康的時(shí)空變化。

中國(guó)土地生態(tài)健康評(píng)價(jià)從20 世紀(jì)80年代開(kāi)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(qū)域耕地資源空間分布特征，提出了土地資源的優(yōu)化管理。2018年牛海鵬等人［14］對(duì)河南省耕地?cái)?shù)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其特征進(jìn)行了研究，提出了河南省耕地?cái)?shù)量的動(dòng)態(tài)變化。2019年，于偉宣［15］以上海杭州灣為例，開(kāi)展了基于隱馬爾可夫模型的城市群生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究，構(gòu)建了包括模型選擇、指標(biāo)計(jì)算、精度驗(yàn)證等在內(nèi)的城市群生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法與體系。2012年，柯為民［16］以常德市鼎城區(qū)為例，研究了土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)，依據(jù)土地利用動(dòng)態(tài)度模型和土地利用程度模型，對(duì)區(qū)域內(nèi)土地利用進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析程度計(jì)算。2016年，馮雨林等人［17］基于景觀轉(zhuǎn)移矩陣，研究了黑龍江雙河自然保護(hù)區(qū)土地覆被轉(zhuǎn)移。2017年劉培德等人［18］基于混合指標(biāo)值TODIM 方法，對(duì)東營(yíng)市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2018年羅雙曉等人［19］基于CAMarkov 模型，對(duì)成都市天府新區(qū)土地時(shí)空變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。對(duì)該區(qū)未來(lái)土地利用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

綜上所述，以往的土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)，大多是基于土地利用方式或者基于土地生態(tài)健康影響因素的評(píng)價(jià)。缺乏土地利用動(dòng)態(tài)變化下的生態(tài)健康影響評(píng)價(jià)，也缺乏土地資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)健康兩者的相互反饋機(jī)制的評(píng)價(jià)。在中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、城市化和工業(yè)化飛速發(fā)展，土地生態(tài)健康狀況也處于動(dòng)態(tài)化。以往評(píng)價(jià)方法，不能反映土地利用動(dòng)態(tài)變化對(duì)生態(tài)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(huán)境污染等動(dòng)態(tài)狀況。因此，本文基于馬爾可夫理論（Markov），構(gòu)建農(nóng)村土地利用轉(zhuǎn)化模型，篩選了19項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，給出了等級(jí)劃分、權(quán)重和計(jì)分辦法。該方法先評(píng)價(jià)土地轉(zhuǎn)化狀態(tài)，基于評(píng)價(jià)結(jié)果，再進(jìn)行土地利用的生態(tài)健康評(píng)價(jià)。對(duì)于反映土地利用動(dòng)態(tài)變化條件下的生態(tài)健康和生態(tài)環(huán)境影響，優(yōu)化利用土地資源的結(jié)構(gòu)和功能具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)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(tǒng)計(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《衛(wèi)輝市統(tǒng)計(jì)年鑒》（衛(wèi)輝市市統(tǒng)計(jì)局，2020），農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)資料、水利工程資料和城市建設(shè)資料分別來(lái)源于衛(wèi)輝市農(nóng)業(yè)局、水利局和城建局。資料可分為兩大類(lèi)，一是基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括人口數(shù)量，年齡，受教育水平，就業(yè)狀況，住房標(biāo)準(zhǔn)，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(nóng)田水利工程，交通設(shè)施，建筑物類(lèi)型，以及不同人群對(duì)現(xiàn)狀土地利用情況的態(tài)度和未來(lái)發(fā)展觀點(diǎn)。

1.2 土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)化模型構(gòu)建

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

即：隨機(jī)變量At在t時(shí)刻的狀態(tài)a的概率與n時(shí)刻之前有關(guān)，而與n-t更早的時(shí)刻不相關(guān)，符合這種假設(shè)時(shí)則稱變量At符合n階Markov 過(guò)程，當(dāng)n=1 時(shí)，即是常用的一階Markov 鏈，定義如下：

式中：k=1 時(shí)，aij稱為一步轉(zhuǎn)移概率，其轉(zhuǎn)移概率矩陣A可表示為：

式中：對(duì)角線a11，a22，…，aNN代表自2010年到2020年未發(fā)生變化的土地類(lèi)型；非對(duì)角線a12，a21，…，a1n，an1代表該時(shí)期內(nèi)發(fā)生變化的土地利用類(lèi)型。

（2）土地利用轉(zhuǎn)化率。

式中：Bij指第k時(shí)期第i類(lèi)土地利用類(lèi)型向第（k+1）時(shí)期第j個(gè)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化率；Aij指第k時(shí)期第i類(lèi)土地利用類(lèi)型向第（k+1）時(shí)期第j個(gè)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化面積，hm2。

（3）土地利用轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)率。

式中：Cij指第k個(gè)時(shí)期第i類(lèi)土地類(lèi)型向第（k+1）時(shí)期第j類(lèi)土地類(lèi)型轉(zhuǎn)化面積占總轉(zhuǎn)化面積的比例。

（4）土地利用變化率為。

式中：Rij反映了第k時(shí)期到第（k+1）時(shí)期土地使用類(lèi)型面積的變化程度。

1.2.2 土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

針對(duì)衛(wèi)輝市2010年到2020年土地利用生態(tài)健康的狀況，篩選了19 項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)土地利用生態(tài)健康的結(jié)構(gòu)指標(biāo)、彈性價(jià)值指標(biāo)以及映射指標(biāo)進(jìn)行定量描述，組成衛(wèi)輝市土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation indicators of land use ecological health

分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3 個(gè)等級(jí)。準(zhǔn)則層土地利用對(duì)生態(tài)健康影響的方式、時(shí)間和程度不同分解為結(jié)構(gòu)指標(biāo)、彈性健康指標(biāo)和土地利用映射指標(biāo)；指標(biāo)層是指可以量化、計(jì)算的指標(biāo)數(shù)據(jù)或指標(biāo)群。

1.2.3 土地利用生態(tài)健康等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重

根據(jù)土地生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［5，20］，綜合考慮衛(wèi)輝市土地利用結(jié)構(gòu)變化以及不同的土地利用子系統(tǒng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和健康的影響，結(jié)合衛(wèi)輝市在利用和改造耕地、建設(shè)用地時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響相互之間的關(guān)系，將土地利用劃分為5 個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。

表2 土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分Tab.2 Evaluation indexes for land use ecological health

1.2.4 土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)量化計(jì)算

對(duì)釆用的指標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到生態(tài)健康狀況的綜合分值，本文采用加權(quán)法計(jì)算綜合分值，如下式：

式中：F為不同指標(biāo)量化計(jì)算分值；pi表示第i個(gè)指標(biāo)的無(wú)量綱歸一化處理；wi表示第個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；綜合評(píng)價(jià)值在［0，1］之間，其數(shù)值越大，土地利用越健康；反之，值越小，土地利用生態(tài)健康狀況越差。

2 實(shí)例研究——以河南省衛(wèi)輝市為例

2.1 概 況

河南省衛(wèi)輝市（縣級(jí)市）是中國(guó)優(yōu)秀民族建筑文化傳承保護(hù)城市，位于河南省北部，太行山東南，總面積868 km2（圖1）。2020年總?cè)丝?3.08 萬(wàn)人。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西高東低，北部、西北為山區(qū)和丘陵地區(qū)，中部和南部為平原地區(qū)。2010年衛(wèi)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(shè)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(shè)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(wèi)輝市區(qū)位示意圖Fig.1 The schematic map of Weihui County location

隨著城市化的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，衛(wèi)輝市耕地生態(tài)環(huán)境脆弱。2021年7月26日遭遇了歷史罕見(jiàn)的洪水，全城被淹。平均水深達(dá)到1.5 m，大部分耕地農(nóng)田進(jìn)水，平均深度在1.0 m以上，為了有效地協(xié)調(diào)土地利用、生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展之間的相互關(guān)系，需要在診斷生態(tài)健康狀況的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化土地資源開(kāi)發(fā)利用。

2.2 資料分析

土地利用分類(lèi)采用了中國(guó)國(guó)土資源部的土地資源分類(lèi)系統(tǒng)和分類(lèi)方法［8］。生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型按主要生態(tài)因素劃分。土地利用類(lèi)型與生態(tài)類(lèi)型之間的分類(lèi)處理，允許不同時(shí)期的數(shù)據(jù)有所重疊。土地利用類(lèi)型與生態(tài)類(lèi)型不對(duì)應(yīng)時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化協(xié)調(diào)的方法進(jìn)行調(diào)整。對(duì)林地、果園等山丘地區(qū)的喬木生態(tài)系統(tǒng)，未利用土地的低植被草地生態(tài)系統(tǒng)、裸地生態(tài)系統(tǒng)和裸巖生態(tài)系統(tǒng)均進(jìn)行了系統(tǒng)分類(lèi)。不同類(lèi)型土地利用的人口統(tǒng)計(jì)和其他數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析分別采用使用Excel 和ArcviewGIS 聯(lián)合操作。土地利用生態(tài)類(lèi)型分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 土地利用生態(tài)類(lèi)型分類(lèi)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Classification of land use Ecotypes

2.3 土地利用類(lèi)型變化計(jì)算結(jié)果

自2010年到2020年，土地利用變化主要集中在7個(gè)生態(tài)類(lèi)型，包括耕地、住宅用地、工業(yè)用地和果樹(shù)林地等，土地利用轉(zhuǎn)化矩陣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4 可知，由耕地向居民住宅和工業(yè)用地轉(zhuǎn)化的土地面積為1 197.84 hm2，占總轉(zhuǎn)化面積的14.8%，主要分布在西南部和主城區(qū)周?chē)８叵蚬麍@轉(zhuǎn)化面積為847.46 hm2，占總轉(zhuǎn)化面積的10.5%，主要分布在東北部和北部。耕地面積的轉(zhuǎn)化主要與城鎮(zhèn)化建設(shè)和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)。未開(kāi)發(fā)利用土地向果園轉(zhuǎn)化的面積為418.91 hm2，占總轉(zhuǎn)化面積的15.46%，主要集中在北部山區(qū)和西北部山區(qū)的緩坡土地和陡坡地。由于城鎮(zhèn)化建設(shè)，果園、水域和未開(kāi)發(fā)利用土地向住宅和工業(yè)用地轉(zhuǎn)化面積不斷增加。

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

2.4 生態(tài)健康評(píng)價(jià)

根據(jù)表1、2 的各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)賦分和評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采取代表性抽樣的方法對(duì)兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的土地利用面積和生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。2010年評(píng)價(jià)樣本面積為28 164.84 hm2，2020年評(píng)價(jià)樣本面積為26 389.64 hm2，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

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

表5 生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)與范圍Tab.5 The evaluated grade on ecological health and scope

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

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

3 結(jié) 論

土地利用是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、可控系統(tǒng)。土地利用模式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的健康有直接影響。在動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)、人口密集地區(qū)，這些影響尤其明顯。然而，土地利用的關(guān)鍵是如何保護(hù)良好的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能。生態(tài)健康強(qiáng)調(diào)了不同因素的動(dòng)態(tài)和諧，土地利用涉及到多種因素耦合。生態(tài)健康可作為土地可持續(xù)利用的基礎(chǔ)。土地資源利用變化和土地生態(tài)健康評(píng)價(jià)是土地可持續(xù)利用的前提條件。

通過(guò)人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)健康的時(shí)空協(xié)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用的目標(biāo)。土地生態(tài)健康評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)與土地資源和諧、相伴共存、共同發(fā)展的不可缺少的組成部分。因?yàn)橥恋厣鷳B(tài)健康不僅符合生態(tài)學(xué)原理，而且滿足了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展需求。

本文提出了土地利用生態(tài)健康動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。以河南省衛(wèi)輝市為例，在土地利用生態(tài)類(lèi)型分類(lèi)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了土地利用轉(zhuǎn)化矩陣，開(kāi)展了土地利用生態(tài)健康評(píng)價(jià)。研究結(jié)果對(duì)于衛(wèi)輝市開(kāi)展災(zāi)后重建，實(shí)現(xiàn)土地資源利用與生態(tài)健康和諧發(fā)展，以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都具有一定參考價(jià)值。

由于建設(shè)性占地和生態(tài)環(huán)境污染的干擾，衛(wèi)輝市農(nóng)業(yè)區(qū)生態(tài)健康不容樂(lè)觀。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步優(yōu)化協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)，采取有效措施，強(qiáng)化管理，科學(xué)規(guī)劃，科學(xué)治理，實(shí)行生態(tài)監(jiān)督制度，實(shí)現(xiàn)土地資源的高質(zhì)量可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。