昌 亭，周生路，戴 靚，陳 龍

（南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京210023）

近年來，我國在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的背景下，土地利用方式更加多樣化，土地利用更加強(qiáng)調(diào)集約節(jié)約利用，區(qū)域土地生態(tài)問題凸顯并逐漸成為研究的熱點(diǎn)［1－2］。目前國內(nèi)外關(guān)于土地生態(tài)系統(tǒng)做了較多的研究，主要集中在土壤污染［3］、土地利用景觀格局［4］、土地生態(tài)評價（承載力評價［5］、安全評價［6－7］、風(fēng)險評價［8］、適宜性評價［9］）、土地生態(tài)預(yù)警［10］等方面。城市化是驅(qū)動土地生態(tài)系統(tǒng)變化的重要因素，為了探究城鎮(zhèn)化是否會影響土地生態(tài)的質(zhì)量，本文提出區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量分布具有城鄉(xiāng)梯度規(guī)律這一假說，分析土地生態(tài)質(zhì)量的空間分布特征，從而探究這一假說是否成立。

本文基于國土資源部科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地生態(tài)狀況調(diào)查與評估”項(xiàng)目提出的土地生態(tài)指數(shù)指標(biāo)體系，計算得到金壇市行政村尺度的各準(zhǔn)則層和綜合層分值，首先通過土地生態(tài)指數(shù)熱點(diǎn)分析驗(yàn)證城鎮(zhèn)化對土地生態(tài)質(zhì)量影響的規(guī)律；其次通過環(huán)形梯度分析計算土地生態(tài)指數(shù)距離衰減量；再通過條帶梯度分析，對從城鎮(zhèn)中心區(qū)輻射出的各個方向進(jìn)行重采樣，分析土地生態(tài)各準(zhǔn)則層與綜合層的分值狀況，進(jìn)一步探討城鎮(zhèn)化對土地生態(tài)的影響機(jī)理。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)金壇市（31°33′42″—31°53′22″N，119°17′45″—119°44′59″E）位于江蘇省南部，是南京、上海和杭州三角地帶的中心，屬長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，金壇市是我國農(nóng)村綜合實(shí)力百強(qiáng)市（縣）。金壇全市總面積975.49km2，金壇東西相距約50km，南北相距約40km。金壇市市級行政區(qū)域界線主要涉及7個鎮(zhèn)和1個開發(fā)區(qū)的區(qū)域單位，共165個行政村單元。2011年末，金壇市行政區(qū)域內(nèi)人口54.9萬人，近十年來人口年平均增長率為0.17‰，城鎮(zhèn)化率達(dá)到49.60%，城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民人均收入逐年上漲。金壇市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中，土地生態(tài)問題凸顯。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

構(gòu)建土地生態(tài)指數(shù)的指標(biāo)體系，從基礎(chǔ)、脅迫、結(jié)構(gòu)與效益角度構(gòu)建4個準(zhǔn)則層和15個指標(biāo)（表1），權(quán)重確定方法選擇主觀賦權(quán)較為典型的層次分析法和客觀賦權(quán)較為典型的熵權(quán)法綜合得到各元指標(biāo)層和準(zhǔn)則層權(quán)重值［11－12］。研究時段靜態(tài)指標(biāo)基期年選取2011年，動態(tài)指標(biāo)基期年選取2009—2011年。各指標(biāo)計算公式及解釋、數(shù)據(jù)來源見表1。根據(jù)土地生態(tài)指數(shù)指標(biāo)體系，計算得到金壇市行政村單元各準(zhǔn)則層和土地生態(tài)指數(shù)的值，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上探討金壇市土地生態(tài)質(zhì)量分布的城鄉(xiāng)梯度規(guī)律。

表1 土地生態(tài)指數(shù)指標(biāo)體系及數(shù)據(jù)來源

2.2 研究方法

2.2.1 冷熱點(diǎn)分析 空間熱／冷點(diǎn)布局的分析旨在探究各指標(biāo)類型屬性值的“中心”（高值集聚，hotspots）和“洼地”（低值集聚，coldspots），主要基于空間計量地理學(xué)的空間自相關(guān)思想，其數(shù)理依據(jù)為Anselin在1995年所提出的空間局部自相關(guān)統(tǒng)計量（Local Indicators of Spatial Association，LISA），通過計算局部Getis－Ord G值定量判斷區(qū)域極高或極低值要素的聚集情況。Getis－Ord表達(dá)式為

2.2.2 梯度分析模型 常用的城鄉(xiāng)梯度分析，主要包括條帶梯度分析（transect gradient analysis）和環(huán)形梯度分析（circle gradient analysis）兩種［14］；為研究梯度分析中的各向異性問題，也有學(xué)者開展了四向與八向環(huán)形梯度分析［15］。條帶梯度分析是以區(qū)域城鎮(zhèn)中心為基準(zhǔn)，取東西向或南北向或其他方向上特定長寬的連續(xù)單位空間，進(jìn)而分析特定方向上研究對象的梯度變化；環(huán)形梯度分析也是以區(qū)域城鎮(zhèn)中心為基礎(chǔ)，以特定長度為增量半徑向外做圓而等距環(huán)，進(jìn)而分析由城鎮(zhèn)中心向遠(yuǎn)郊鄉(xiāng)村研究對象的梯度變化。條帶梯度分析有利于揭示研究對象變化的細(xì)節(jié)信息，而環(huán)形梯度分異有利于揭示研究對象變化的一般趨勢。因此，本文將首先運(yùn)用環(huán)形梯度分析確定金壇市土地生態(tài)指數(shù)空間分異的城鄉(xiāng)梯度變化規(guī)律和梯度力，再結(jié)合條帶梯度分析城鎮(zhèn)化對土地生態(tài)影響的細(xì)節(jié)。

環(huán)形梯度分析與條帶梯度分析的步驟相似，包括城鎮(zhèn)中心的確定，增量半徑或樣方大小的選取，以及各梯度研究對象信息統(tǒng)計對比三個主要步驟。其具體操作較為簡單，關(guān)鍵在于城鎮(zhèn)中心的確定和增量半徑或樣方大小的選取兩步驟。已有相關(guān)研究中，對城鎮(zhèn)中心的確定或回避［16］或以地區(qū)政府經(jīng)緯度為代表，缺乏科學(xué)性與普適性。本文認(rèn)為，選取區(qū)域中心商業(yè)區(qū)（Central Business District，CBD）范圍，運(yùn)用重心法計算城鎮(zhèn)中心經(jīng)緯度可以較好地滿足相關(guān)研究及推廣需求。

重心模型的基本原理為：假設(shè)某區(qū)域CBD由n個相對集聚的不連續(xù)平面空間單元構(gòu)成，其中第i個單元的地理中心坐標(biāo)為（Xi，Yi），Zi為該平面單元的占地面積，則CBD重心坐標(biāo)（ˉX，ˉY）為

重心模型實(shí)質(zhì)上對離散要素空間坐標(biāo)的面積加權(quán)，該過程不涉及主觀判斷，主要是相對的客觀計算，可以基于ArcGIS軟件平臺等完成操作。此外，增量半徑或樣方大小問題在已有研究中也通常被忽視或回避［17－18］，選取的主觀性較強(qiáng)。本文認(rèn)為，尺度選擇主要應(yīng)依據(jù)信息解譯原則，即所選擇的研究尺度應(yīng)足夠小以致充分揭示研究對象的梯度變化規(guī)律，但尺度不宜比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的“最粗”尺度小。據(jù)此，本文提出基于平均單元面積法確定所選尺度。具體公式為

式中：Si——基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計單元的面積；n——其數(shù)量。就本文而言，Si為金壇市165個行政村的相應(yīng)面積，n即等于165。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地生態(tài)指數(shù)冷熱點(diǎn)分析

在ArcGIS 9.3中的Hot Spot Analysis下，進(jìn)行土地生態(tài)指數(shù)的冷熱點(diǎn)計算，可以得到其空間分異的冷熱點(diǎn)圖（圖1）。

圖1 土地生態(tài)指數(shù)空間冷熱點(diǎn)分布

顯而易見，金壇市縣域范圍內(nèi)的土地生態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)出的“核心—邊緣”結(jié)構(gòu)，即由城鎮(zhèn)中心向遠(yuǎn)郊土地生態(tài)指數(shù)下降，主城區(qū)附近片區(qū)土地生態(tài)指數(shù)顯著低值集聚，而外圍遠(yuǎn)郊各村的區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)則呈顯著高值集聚。這一空間分異現(xiàn)象與空間經(jīng)濟(jì)學(xué)或新經(jīng)濟(jì)地理學(xué)所證實(shí)，由于規(guī)模報酬遞增與交易成本所導(dǎo)致的區(qū)域發(fā)展過程中自生演化的城鄉(xiāng)二元“核心—邊緣”結(jié)構(gòu)［19－20］相契合。

3.2 土地生態(tài)城鄉(xiāng)梯度分析

土地生態(tài)指數(shù)熱點(diǎn)分析表明金壇市土地生態(tài)質(zhì)量具有城鄉(xiāng)分布規(guī)律，為了進(jìn)一步探討金壇市細(xì)節(jié)上的土地生態(tài)質(zhì)量城鄉(xiāng)梯度規(guī)律，運(yùn)用城鄉(xiāng)梯度法對金壇市作土地環(huán)形梯度和條帶梯度的分析。城鄉(xiāng)梯度分析法在景觀生態(tài)學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中得到廣泛運(yùn)用，并被證明為揭示事物空間分布模式及其人文影響因素的有效研究方法［20］。其基本思想是，通過空間換時間的策略，使得特定事物在不同發(fā)展階段下的不同狀況在同一地理范圍內(nèi)得到空間顯化，從而可以通過進(jìn)一步的對比研究發(fā)現(xiàn)事物的發(fā)展規(guī)律與驅(qū)動機(jī)制。

3.2.1 土地生態(tài)環(huán)形梯度分析 首先，在2011年金壇市土地利用數(shù)據(jù)庫中，提取所有城鎮(zhèn)用地，通過Fragstats定位出其最大斑塊。在ArcGIS 9.3中，利用mean center工具定位出最大城鎮(zhèn)斑塊的重心，即得到CBD重心。其次，根據(jù)165個行政村面積統(tǒng)計，得到平均面積為5.42km2，則每個評價單元平均外切步長為2 328.83m。同時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中柵格數(shù)據(jù)基本重采樣到30m空間分辨率。所以，環(huán)形梯度增量半徑的選取滿足為外切步長和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)空間分辨率的最小公倍數(shù)，即2 400m。最后，以CBD重心為中心，每2 400m為增量半徑，通過multiple ring buffer向外作12個圈層以進(jìn)行環(huán)形梯度分析（圖2）。

圖2 金壇市環(huán)形梯度分析示意圖

對這12個從CBD中心向外拓展的各圈層所包含的行政區(qū)域的土地生態(tài)基礎(chǔ)分值、土地生態(tài)結(jié)構(gòu)分值、土地生態(tài)脅迫分值、土地生態(tài)效益分值和土地生態(tài)指數(shù)5個值進(jìn)行面積加權(quán)，以得到各圈層可比的5個指標(biāo)值，如圖3所示。

圖3 各圈層土地生態(tài)狀況分值對比

研究發(fā)現(xiàn)：沿著金壇市“城鎮(zhèn)—城鄉(xiāng)結(jié)合部—近郊—遠(yuǎn)郊”梯度變化，從CBD中心向外，總體上區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)不斷升高；各圈層土地生態(tài)基礎(chǔ)相差不大，由內(nèi)向外呈逐步升高趨勢，即就區(qū)域生態(tài)本底而言，外圍地區(qū)略優(yōu)于核心地區(qū)；金壇市外圈層比內(nèi)圈層土地生態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)良，城鎮(zhèn)遠(yuǎn)郊地帶較近郊地區(qū)明顯要好；各區(qū)域由于直接人為驅(qū)動的生態(tài)脅迫程度不具備明顯的梯度特征，而具有顯著的局域特性；中遠(yuǎn)郊地帶土地利用的生態(tài)效益優(yōu)于近郊地帶，但差別不大。

進(jìn)一步地對土地生態(tài)指數(shù)與各圈層半徑做回歸分析，結(jié)果如圖4所示，方程擬合顯著，城鄉(xiāng)空間梯度變化能解解釋92.3%的區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)差異。結(jié)果表明，沿地區(qū)CBD中心向外圍地帶的梯度來看，區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量的改善非常顯著，每2 400m向外總土地生態(tài)指數(shù)提高1.6個百分點(diǎn)，金壇市最邊緣地帶土地生態(tài)指數(shù)比其最核心圈層要高17.6個點(diǎn)。

圖4 土地生態(tài)指數(shù)的城鄉(xiāng)梯度擬合分析

3.2.2 土地生態(tài)條帶梯度分析 為更好地研究金壇市土地生態(tài)指數(shù)城鄉(xiāng)梯度細(xì)節(jié)，本節(jié)嘗試建立如圖5所示的8方向4條帶分析梯度，并以金壇市CBD中心為零點(diǎn)，對每個樣方編號。其中，東—西樣帶有17個樣方，西11個東5個；南—北樣帶有14個樣方，南8個北5個，但由于南半樣帶跨非評價區(qū)的錢資蕩和長蕩湖地區(qū)，導(dǎo)致樣方南—4數(shù)據(jù)失真、樣方南—5數(shù)據(jù)缺失；西北—東南樣帶有11個樣方，西北6個東南4個；東北—西南樣帶有10個樣方，東北2個西南7個。

同樣利用面積加權(quán)求和法，計算每個樣方的土地生態(tài)基礎(chǔ)分值、土地生態(tài)結(jié)構(gòu)分值、土地生態(tài)脅迫分值、土地生態(tài)效益分值和土地生態(tài)指數(shù)5個指數(shù)值進(jìn)行比較，各樣帶統(tǒng)計曲線對比如圖6所示。

觀察4條土地綜合分值曲線是否大致呈倒U型曲線，以及橫坐標(biāo)0值處曲線位于最低點(diǎn)，可見無論從哪個方向取條帶梯度樣方，從邊緣地區(qū)向核心地區(qū)過渡，局地土地生態(tài)分值將顯著下降，其原因在于生態(tài)結(jié)構(gòu)的差異。圖5表明東—西向、南—北向兩條樣帶的綜合分值曲線呈明顯倒U型，西北—東南向和東北—西南向兩樣帶的綜合分值曲線也近0值范圍內(nèi)呈倒U型。和生態(tài)結(jié)構(gòu)曲線的對比觀察發(fā)現(xiàn)，綜合分值曲線的整體走勢主要取決于生態(tài)結(jié)構(gòu)曲線。

圖5 金壇市條帶梯度分析示意圖

圖6 各樣帶土地生態(tài)狀況分值對比

另一方面，觀察四條土地綜合分值曲線的反常值所屬樣方，對應(yīng)圖5找到其空間位置，根據(jù)其是否包含城鎮(zhèn)建成區(qū)以及包含面積或與建成區(qū)臨近程度，可以發(fā)現(xiàn)包含建制鎮(zhèn)的樣方區(qū)域，其局地土地生態(tài)質(zhì)量將會出現(xiàn)異常波動，比正常狀態(tài)要差。圖中有東—7樣方、西—3樣方、南—2樣方、南—4樣方、北—3樣方、北4樣方、西南—3樣方、西南—4樣方、西北—2樣方、西北—4樣方和東南—3樣方等計11個樣方出現(xiàn)逆城鄉(xiāng)梯度規(guī)律現(xiàn)象。結(jié)合圖6分析可知，北4樣方受邊緣效應(yīng)影響、南—2樣方和南—4樣方由于包含錢資蕩水域或長蕩湖局域而造成指數(shù)信息失真，其他逆城鄉(xiāng)梯度樣方除西北—4樣方和西南—4樣方外都主要受到城鎮(zhèn)建成區(qū)的影響，這兩個樣方的反?？赡苁怯捎趨^(qū)域土壤酸化較嚴(yán)重導(dǎo)致的，需要后續(xù)研究進(jìn)一步探究。

為定量揭示區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)與各準(zhǔn)則層分值的相關(guān)關(guān)系，以4條帶51個樣方為樣本通過逐步回歸，建立了如下作用方程。

式中：y——各樣方土地生態(tài)指數(shù)；x1——生態(tài)結(jié)構(gòu)分值；x2——生態(tài)脅迫分值。方程通過顯著性檢驗(yàn)，擬合精度超過90%，表明生態(tài)結(jié)構(gòu)與生態(tài)脅迫是影響區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)的主要因素，且由回歸系數(shù)可知區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量對土地生態(tài)結(jié)構(gòu)的敏感性比對土地生態(tài)脅迫的敏感性更強(qiáng)。

結(jié)合以上分析，可以得出結(jié)論：從區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的核心地區(qū)向邊緣地區(qū)過渡，局地土地生態(tài)質(zhì)量具有顯著改變的城鄉(xiāng)梯度響應(yīng)規(guī)律，其改變主要源于邊緣地區(qū)的土地生態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)于核心地區(qū)，而不同地區(qū)土地利用生態(tài)結(jié)構(gòu)分值的不同則是導(dǎo)致局地土地生態(tài)質(zhì)量波動變化的主要原因。

4 結(jié)論

（1）金壇市的土地生態(tài)指數(shù)冷熱點(diǎn)分析顯示，土地生態(tài)質(zhì)量空間分異特征符合城鄉(xiāng)梯度規(guī)律，土地生態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)“核心—邊緣”結(jié)構(gòu)，城鎮(zhèn)化是導(dǎo)致土地生態(tài)質(zhì)量分布城鄉(xiāng)梯度規(guī)律的重要原因。

（2）金壇市的環(huán)形梯度分析表明，土地生態(tài)指數(shù)沿著金壇市“城鎮(zhèn)—城鄉(xiāng)結(jié)合部—近郊—遠(yuǎn)郊”梯度變化，總體上隨該梯度區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)不斷升高，沿城鎮(zhèn)中心向外每增加2 400m土地生態(tài)指數(shù)提高1.6%。

（3）金壇市的條帶梯度表明土地生態(tài)質(zhì)量分布的城鄉(xiāng)梯度規(guī)律：土地綜合分值曲線大致呈倒U型曲線，最大城鎮(zhèn)斑塊處曲線位于最低點(diǎn)；包含建制鎮(zhèn)的樣方區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量處于低值，主要原因是受到城鎮(zhèn)建成區(qū)的影響，由此說明不僅城鎮(zhèn)中心土地生態(tài)質(zhì)量狀況處于最低值，而且城鎮(zhèn)所在地土地生態(tài)質(zhì)量都會比正常狀態(tài)差。區(qū)域土地生態(tài)指數(shù)與各準(zhǔn)則層分值之間的回歸分析表明區(qū)域土地生態(tài)質(zhì)量主要影響途徑是通過對區(qū)域土地生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中對土地利用的人文脅迫作用，且主要取決于結(jié)構(gòu)分值的影響。

（4）本文對土地生態(tài)指數(shù)空間分異規(guī)律作了深入探究，而對土地生態(tài)指數(shù)空間分異的驅(qū)動力分析和主控因子識別將在進(jìn)一步研究中進(jìn)行探索。

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