劉 童,劉亞靜
(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)
隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大,人類對土地資源的開發(fā)與利用程度越來越高,給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也破壞了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)、紊亂了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的功能[1]。而土地整治就是對人類活動(dòng)所造成的不合理利用土地資源和自然災(zāi)害損毀的土地資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化整理,從而改善生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)國土資源合理高效利用、統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[2-5]。目前,國外學(xué)者通過構(gòu)建自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)[6-7]綜合土地整治指標(biāo)體系,采用不同的分類方法對土地進(jìn)行整治分類。結(jié)果表明,不同時(shí)空尺度下的土地分類結(jié)果受多種因素的影響,不僅受土地自然條件的影響,還受人類活動(dòng)范圍、土地參與人的意愿[8]和生態(tài)環(huán)境的影響。因此,為了突破傳統(tǒng)土地置換模式的人為因素影響,將模糊數(shù)學(xué)思想應(yīng)用于土地整治分區(qū),使土地分配更加客觀、科學(xué)、合理[9],從而有效減少土地細(xì)碎化,促進(jìn)鄉(xiāng)村地區(qū)人口轉(zhuǎn)移和鄉(xiāng)村土地一體化[10]。同樣國內(nèi)許多專家學(xué)者也基于不同方法、不同指標(biāo)體系建立了不同尺度上的區(qū)域土地整治分區(qū)。如朱慕熔[11]綜合考慮自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地因素構(gòu)建指標(biāo)對江西省橫峰縣進(jìn)行了模糊聚類土地分區(qū)研究;璩路路[12]等建立土地資源、經(jīng)濟(jì)狀況和土地退化準(zhǔn)則層,對長河流域土地進(jìn)行了整治劃分研究;張?zhí)熘衃13]等人針對典型生態(tài)脆弱城市蘭州市,以生態(tài)、自然、土地利用狀態(tài)為依據(jù)構(gòu)建了分區(qū)指標(biāo)體系;黃曉陽[14]等人對黃土臺塬農(nóng)業(yè)用地從自然、臺塬特征、土地整治限制因素等3個(gè)層面出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)評價(jià)體系以實(shí)現(xiàn)土地分區(qū)。以上傳統(tǒng)的土地整治分區(qū)主要考慮了自然地理要素及社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素,此單方面要素已不能夠準(zhǔn)確概括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境之間存在的復(fù)雜交互耦合關(guān)系[15],也不能完全符合國家“十三五”期間開展土地生態(tài)整治以改善生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)勢目標(biāo)要求[16]。因此本研究基于模糊數(shù)學(xué)和聚類分析理論方法,從保護(hù)生態(tài)環(huán)境角度出發(fā),結(jié)合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、土地利用數(shù)據(jù)等多個(gè)指標(biāo)特征,建立生態(tài)評價(jià)體系對河北省遷西縣進(jìn)行土地整治分區(qū),并基于分區(qū)結(jié)果提出土地整治的總體宏觀發(fā)展方向,以達(dá)到土地資源在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益上的有機(jī)統(tǒng)一。
遷西縣地處河北省東北部,京津唐承秦腹地,境內(nèi)層巒拔地,河川縱橫,是著名的中國板栗之鄉(xiāng)、國家級園林縣城和全國休閑農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村旅游示范縣。全縣地勢呈錐型,由四周向中間傾斜??h域面積1 439 km2,其地貌特征呈典型的低山丘陵景觀,其中,山地、丘陵面積占73.3%,呈“七山一水分半田、半分道路和莊園”的自然格局。全縣區(qū)域共17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),總?cè)丝?1萬。境內(nèi)有林地面積約950 km2,全縣森林覆蓋率平均水平達(dá)63%,位居全省第二位??h域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富,已發(fā)現(xiàn)和探明的礦產(chǎn)種類有36種,其中鐵礦儲量含量最多,約4.7億t,鋼、鐵、材常年產(chǎn)量1 000萬t??h域水域面積廣闊,占全縣總面積的11.4%,包含大中小84座水庫以及6條主要河流。遷西縣素有“詩意山水、畫境栗鄉(xiāng)”之美譽(yù),又是全國十佳宜居縣城、國家級生態(tài)示范區(qū)以及全國百佳深呼吸小城。
圖1 研究區(qū)位置
實(shí)現(xiàn)對遷西縣土地系統(tǒng)、科學(xué)、合理的生態(tài)分區(qū),需要構(gòu)建不同類型的觀測和評價(jià)生態(tài)指標(biāo),才能夠準(zhǔn)確的反映研究區(qū)內(nèi)生態(tài)土地資源的結(jié)構(gòu)以及功能劃分[15]。本研究區(qū)指標(biāo)主要分為了經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)以及土地利用數(shù)據(jù)共18個(gè)指標(biāo),建立生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)體系。其中:經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)包含GDP(億元)、人均純收入(元)、人口密度(人·km-2)、人均栗樹數(shù)(株·人-1);生態(tài)指標(biāo)包含人均耕地面積(hm2·人-1)、濕地占比(%)、 荒山地占比(%)、 人均農(nóng)村道路面積(m2·人-1)、人均農(nóng)村居民點(diǎn)面積(m2·人-1)、水資源儲量(km2)、 水域面積比率(%)、 森林覆蓋率(%)、郁閉度、植被蓋度 、人均林地面積(hm2·人-1);土地自然數(shù)據(jù)包含平均坡度(°)、土層厚度(m)、林地質(zhì)量(等)。
土地平整工程的選取指標(biāo):耕地集中連片度反映區(qū)域內(nèi)耕地的平整度、規(guī)則度和破碎度,故選取耕地集中連片度(hm2/塊)這項(xiàng)指標(biāo);人均農(nóng)村居民點(diǎn)面積反映了各分區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)用地的集約利用水平及“空心村”的程度,故選取人均農(nóng)村居民點(diǎn)面積(hm2/人)這項(xiàng)指標(biāo);坡度的大小代表土地的平整度,而大于25°坡耕地極易引起水土流失,不應(yīng)進(jìn)行土地平整工程,故選取坡度和>25°坡耕地比重(%)這項(xiàng)指標(biāo);地形起伏度是描述特定區(qū)域內(nèi)地形特征的一個(gè)宏觀指標(biāo),現(xiàn)用于劃分區(qū)域內(nèi)的地貌類型,故選取地形起伏度(m)這項(xiàng)指標(biāo)。
農(nóng)田水利工程的選取指標(biāo):耕地的有效灌溉率反映了農(nóng)田水利工程配套設(shè)施的完善程度,故選取耕地有效灌溉率(%)這項(xiàng)指標(biāo)。
道路工程指標(biāo)的選?。旱缆吠ㄟ_(dá)度及人均農(nóng)村道路面積反映了道路工程區(qū)域內(nèi)農(nóng)村道路的建設(shè)與完善狀況,故選取道路通達(dá)度、人均農(nóng)村道路面積(m2/人)等兩項(xiàng)指標(biāo)代表道路工程。
生態(tài)保護(hù)的指標(biāo)的選取:森林及水域狀況反映了一個(gè)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的好壞,森林水域集中的地方不宜進(jìn)行土地整治,應(yīng)對其劃定生態(tài)保護(hù)紅線。
農(nóng)用地等級反映了區(qū)域范圍內(nèi)農(nóng)用地的整體質(zhì)量好壞,反映了農(nóng)用地自身肥沃程度,農(nóng)用地質(zhì)量和基礎(chǔ)設(shè)施的基本情況。
以上指標(biāo)中經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)來自于《2006-2012年遷西年鑒》,生態(tài)和土地利用數(shù)據(jù)據(jù)通過利用ARCGIS10.5軟件強(qiáng)大的空間分析能力對遷西縣林業(yè)用地斑塊處理合成獲取,以及利用EXCLE軟件計(jì)算相應(yīng)百分占比所得。
研究指標(biāo)樣本之間往往具有模糊性,而無需先驗(yàn)知識的無監(jiān)督分類方法就可以解決這一問題[17],實(shí)現(xiàn)對指標(biāo)數(shù)據(jù)樣本的自動(dòng)分類。與監(jiān)督分類相比,無監(jiān)督分類不需專家指導(dǎo)和預(yù)先分析數(shù)據(jù),在分析效率和客觀性上有著天然的優(yōu)勢。聚類分析就是一種不需專家指導(dǎo)、無監(jiān)督的分類方法,根據(jù)一定的準(zhǔn)則將物理或抽象的指標(biāo)樣本進(jìn)行區(qū)分和分類,并能保證聚類同一子集之間的緊密性,又能確保不同子集之間的分離性[18]。考慮到客觀指標(biāo)樣本之間本身存在模糊性,因此將模糊數(shù)學(xué)的思想和聚類分析相結(jié)合。利用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確定每個(gè)指標(biāo)樣本點(diǎn)對所有中心的隸屬度[19],從而決定樣本點(diǎn)所屬類,最終達(dá)到自動(dòng)分類的目的,以更加客觀描述樣本分類結(jié)果。
2.2.1 指標(biāo)體系的建立
社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)本就是一個(gè)相互作用、相互反饋的體系[20],如何準(zhǔn)確的反映研究區(qū)土地分區(qū)的機(jī)構(gòu)合理性和功能適配性,取決于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三者的有機(jī)統(tǒng)一。因此對本研究區(qū)域從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、土地自然三個(gè)角度出發(fā),分別選取相應(yīng)的指標(biāo),構(gòu)建土地生態(tài)指標(biāo)體系,如下表1所示。
表1遷西縣土地生態(tài)分區(qū)指標(biāo)
2.2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化
樣本指標(biāo)之間一般存在不同的量綱,這致使構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)間不能達(dá)成統(tǒng)一的尺度[23],獲取準(zhǔn)確的分區(qū)結(jié)果。因此,在進(jìn)行模糊聚類之前,需要對選取的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理來消除變量之間的量綱關(guān)系,使數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生可比性關(guān)系[21-22]。此外,由于每個(gè)指標(biāo)的作用效果分為正向負(fù)向,應(yīng)對指標(biāo)采用特定的標(biāo)準(zhǔn)化方式[23]。本研究區(qū)指標(biāo)采用的標(biāo)準(zhǔn)化方法如下:
(1)
負(fù)向指標(biāo):
(2)
2.2.3 模糊聚類
本文采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件作為分析軟件,采用系統(tǒng)聚類分析中的Ward[24](離差平方和)方法和平方歐氏距離的度量標(biāo)準(zhǔn),對遷西縣17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行模糊聚類分析。聚類結(jié)果如下圖2為聚類樹狀圖,表2為聚類表。
(1)遷西縣土地指標(biāo)模糊聚類樹狀圖
圖2 遷西縣土地指標(biāo)模糊聚類樹狀圖
(2)遷西縣土地生態(tài)指標(biāo)聚類表。
依據(jù)類內(nèi)距離盡量近,類間距離盡量遠(yuǎn)的準(zhǔn)則,選取6為截距,如圖2紅色虛線將遷西縣土地分為四類,分別是南部角礫巖地區(qū)(新莊子鄉(xiāng)、東蓮花院鄉(xiāng)、新集鎮(zhèn))、北部片麻巖地區(qū)(灤陽鎮(zhèn)、漢兒莊鄉(xiāng)、漁戶寨鎮(zhèn)、上營鄉(xiāng))、中南部川谷平原地區(qū)(興城鎮(zhèn)、尹莊鄉(xiāng)、羅家屯鎮(zhèn))、中南部碳酸鹽巖類地區(qū)(灑河橋鎮(zhèn)、東荒峪鎮(zhèn)、太平寨鎮(zhèn)、三屯營鎮(zhèn)、舊城鄉(xiāng)、金廠峪鎮(zhèn)、白廟子鄉(xiāng))。
從分類結(jié)果可知,遷西縣生態(tài)環(huán)境存在地域差異性,南部角礫巖地區(qū)和中南部川谷平原地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)較差,中北部碳酸鹽巖類地區(qū)和北部片麻巖地區(qū)生態(tài)條件較好。如下圖3為遷西縣土地模糊聚類分區(qū)圖。
表2遷西縣土地分區(qū)指聚類表
圖3 遷西縣模糊聚類土地分區(qū)圖
角礫巖地區(qū)位于縣城南部地區(qū),主要分布在灤河以南,新莊子鄉(xiāng)以北,夾河以東,尹莊鄉(xiāng)以西的新集盆地,包括3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),分別為新莊子鄉(xiāng)、東蓮花院鄉(xiāng)、新集鎮(zhèn),全區(qū)占全縣總面積的15.2%,面積約為212.2 km2。該地區(qū)地貌特征以低丘、殘丘為主,耕地面積相對較多,人均耕地可達(dá)0.08 hm2。但由于該區(qū)土層瘠薄,土壤有機(jī)質(zhì)含量不高,水源不足,荒山比較多,糧食單產(chǎn)量較低,森林覆蓋率處于全縣中下水平。該地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益不明顯,農(nóng)民人均純收入處在全縣最底層,是全縣最貧困地區(qū)。
片麻巖地區(qū)位于長城以南至灤河以北,該地區(qū)包括灤陽鎮(zhèn)、漢兒莊鄉(xiāng)、漁戶寨鎮(zhèn)、上營鄉(xiāng)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),全區(qū)總面積約占25.9%。該區(qū)社會(huì)生活條件水平較高,GDP和農(nóng)民人均收入都為全縣最高區(qū)。境內(nèi)以低山丘陵為主,自然環(huán)境條件較其它地區(qū)優(yōu)越,植被蓋度大,森林相對茂密,整體生態(tài)環(huán)境處于良性狀態(tài)。但該區(qū)人均耕地面積小,人口密度壓力較大。
碳酸鹽巖類地區(qū)涉及灑河橋鎮(zhèn)、舊城鄉(xiāng)、東荒峪鎮(zhèn)、三屯營鎮(zhèn)、金廠峪鎮(zhèn)、太平寨鎮(zhèn)、白廟子鄉(xiāng)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),全區(qū)總面積為560 km2,占全縣面積的40%。該區(qū)GDP和農(nóng)民人均收入處于全縣中等水平,人口密度壓力適中,水資源條件良好,森林種植密度大、生長濃密、覆蓋率整體較高。因此總體生態(tài)環(huán)境處于優(yōu)性狀態(tài),但該區(qū)地勢較高,起伏大。
中南部川谷平原地區(qū)以興城鎮(zhèn)、尹莊鄉(xiāng)、羅家屯鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)組成,該區(qū)主要由灤河、沙河、清河、長河的洪沖積扇聯(lián)合而成。全區(qū)總面積約264.4 km2,占全縣總面積的18.9%。該區(qū)地面比較平坦開闊,土壤質(zhì)地沙粘適中,交通便利,濕地占比多,但森林覆蓋率低,生長密度小且稀疏,土層厚度薄,土壤肥力不夠。
土地資源的科學(xué)合理利用與否對于生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度具有漸變性,符合模糊數(shù)學(xué)的特征。利用模糊聚類分析模型能夠在一定程度上避免土地分區(qū)中存在的主觀性和粗糙性以提高土地分區(qū)精度,準(zhǔn)確解決土地適宜性等級歸屬模糊問題。本文并且依托ARCGIS和SPSS軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力,將模糊聚類分析方法應(yīng)用到土地生態(tài)分區(qū)中,簡化了土地分區(qū)的流程,取得了較好的分類結(jié)果。