土地利用生态健康动态评价方法及应用研究

徐苏容，周振民

（1.河南建筑职业技术学院，郑州 450006；2.华北水利水电大学，郑州 450011）

0 引 言

20世纪以来，生态系统与生物圈受到气候和人类共同的影响［1］。土地利用模式直接影响着生态系统的健康。特别是在经济发达和人口密集的地区［2］。土地利用生态健康是现代生态学研究的热点之一［3］。近年来，世界范围内的土地资源生态健康面临着严峻的挑战［4，5］。土地生态系统的改善、规划和建设，对于实现自然、经济和社会复合系统的复合功能，促进土地资源的可持续利用和社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。生态系统健康的概念引入土地开发利用，可以追溯到19世纪的欧美许多国家和地区［6］。FABOS［7］基于生态健康原理和模型，提出了区域生态土地利用优化方案。THEOBALD 等［8］和ODELL等人［9］将生物信息纳入土地利用规划。2010年Jazebi等人［10］，提出了基于隐马尔可夫理论（Hidden Markov Models）和小波理论转换的土地利用确定性评价方法，并将成果应用于土地利用开发。2017年Liu等［11］人提出了未来土地利用模式模拟分析方法，通过综合考虑人类活动与自然影响，模拟了多目标土地利用方案。2017年Sadeghi 等［12］通过可靠性、脆弱性与可恢复性分析，研究了流域生态健康的时空变化。

中国土地生态健康评价从20 世纪80年代开始，取得了许多有效的成果。2010年谭莉梅［13］等人研究了河北省太行山区域耕地资源空间分布特征，提出了土地资源的优化管理。2018年牛海鹏等人［14］对河南省耕地数量时空动态变化及其特征进行了研究，提出了河南省耕地数量的动态变化。2019年，于伟宣［15］以上海杭州湾为例，开展了基于隐马尔可夫模型的城市群生态系统健康评价研究，构建了包括模型选择、指标计算、精度验证等在内的城市群生态系统健康评价方法与体系。2012年，柯为民［16］以常德市鼎城区为例，研究了土地利用生态健康评价，依据土地利用动态度模型和土地利用程度模型，对区域内土地利用进行动态分析程度计算。2016年，冯雨林等人［17］基于景观转移矩阵，研究了黑龙江双河自然保护区土地覆被转移。2017年刘培德等人［18］基于混合指标值TODIM 方法，对东营市生态系统健康进行了评价。2018年罗双晓等人［19］基于CAMarkov 模型，对成都市天府新区土地时空变化进行了预测。对该区未来土地利用发展趋势进行了评价。

综上所述，以往的土地利用生态健康评价，大多是基于土地利用方式或者基于土地生态健康影响因素的评价。缺乏土地利用动态变化下的生态健康影响评价，也缺乏土地资源开发利用与生态健康两者的相互反馈机制的评价。在中国经济转型过程中，人口增长、经济社会、城市化和工业化飞速发展，土地生态健康状况也处于动态化。以往评价方法，不能反映土地利用动态变化对生态健康的影响、生物多样性变化、水土流失、土地荒漠化、缺水、酸雨和环境污染等动态状况。因此，本文基于马尔可夫理论（Markov），构建农村土地利用转化模型，筛选了19项指标构成土地利用生态健康评价指标体系，给出了等级划分、权重和计分办法。该方法先评价土地转化状态，基于评价结果，再进行土地利用的生态健康评价。对于反映土地利用动态变化条件下的生态健康和生态环境影响，优化利用土地资源的结构和功能具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 资料来源

土地利用数据来源于2015年1∶10 000 比例的地形图以及2010年和2020年的TM 遥感图像。人口统计和社会经济数据来源于《卫辉市统计年鉴》（卫辉市市统计局，2020），农业经济资料、水利工程资料和城市建设资料分别来源于卫辉市农业局、水利局和城建局。资料可分为两大类，一是基本统计数据，包括人口数量，年龄，受教育水平，就业状况，住房标准，土地利用收益，二是定性资料，包括土地利用方式，建筑工程，农田水利工程，交通设施，建筑物类型，以及不同人群对现状土地利用情况的态度和未来发展观点。

1.2 土地利用生态健康评价方法

1.2.1 土地利用转化模型构建

（1）土地利用类型转化马尔可夫（Markov）模型。定义土地利用类型转化的Markov模型为：

即：随机变量At在t时刻的状态a的概率与n时刻之前有关，而与n-t更早的时刻不相关，符合这种假设时则称变量At符合n阶Markov 过程，当n=1 时，即是常用的一阶Markov 链，定义如下：

式中：k=1 时，aij称为一步转移概率，其转移概率矩阵A可表示为：

式中：对角线a11，a22，…，aNN代表自2010年到2020年未发生变化的土地类型；非对角线a12，a21，…，a1n，an1代表该时期内发生变化的土地利用类型。

（2）土地利用转化率。

式中：Bij指第k时期第i类土地利用类型向第（k+1）时期第j个土地利用类型转化率；Aij指第k时期第i类土地利用类型向第（k+1）时期第j个土地利用类型转化面积，hm2。

（3）土地利用转化贡献率。

式中：Cij指第k个时期第i类土地类型向第（k+1）时期第j类土地类型转化面积占总转化面积的比例。

（4）土地利用变化率为。

式中：Rij反映了第k时期到第（k+1）时期土地使用类型面积的变化程度。

1.2.2 土地利用生态健康评价指标体系

针对卫辉市2010年到2020年土地利用生态健康的状况，筛选了19 项指标，对土地利用生态健康的结构指标、弹性价值指标以及映射指标进行定量描述，组成卫辉市土地利用生态健康评价指标体系，见表1。

表1 土地利用生态健康评价指标体系Tab.1 Evaluation indicators of land use ecological health

分为目标层、准则层和指标层3 个等级。准则层土地利用对生态健康影响的方式、时间和程度不同分解为结构指标、弹性健康指标和土地利用映射指标；指标层是指可以量化、计算的指标数据或指标群。

1.2.3 土地利用生态健康等级划分标准与权重

根据土地生态健康评价标准［5，20］，综合考虑卫辉市土地利用结构变化以及不同的土地利用子系统对生态系统稳定和健康的影响，结合卫辉市在利用和改造耕地、建设用地时对生态环境影响相互之间的关系，将土地利用划分为5 个等级，见表2。

表2 土地利用生态健康评价等级划分Tab.2 Evaluation indexes for land use ecological health

1.2.4 土地利用生态健康评价量化计算

对釆用的指标值进行加权计算，得到生态健康状况的综合分值，本文采用加权法计算综合分值，如下式：

式中：F为不同指标量化计算分值；pi表示第i个指标的无量纲归一化处理；wi表示第个指标的权重值；综合评价值在［0，1］之间，其数值越大，土地利用越健康；反之，值越小，土地利用生态健康状况越差。

2 实例研究——以河南省卫辉市为例

2.1 概 况

河南省卫辉市（县级市）是中国优秀民族建筑文化传承保护城市，位于河南省北部，太行山东南，总面积868 km2（图1）。2020年总人口53.08 万人。区内地势西高东低，北部、西北为山区和丘陵地区，中部和南部为平原地区。2010年卫辉市耕地面积为43 967.77 hm2，其中旱地3 656.96 hm2，水田40 310.81 hm2，建设用地为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 耕地面积44 721.76 hm2，其中旱地3 625.06 hm2，水田41 096.69 hm2；建设用地面积为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。

图1 卫辉市区位示意图Fig.1 The schematic map of Weihui County location

随着城市化的发展和经济结构的转型，卫辉市耕地生态环境脆弱。2021年7月26日遭遇了历史罕见的洪水，全城被淹。平均水深达到1.5 m，大部分耕地农田进水，平均深度在1.0 m以上，为了有效地协调土地利用、生态健康和可持续发展之间的相互关系，需要在诊断生态健康状况的基础上进一步优化土地资源开发利用。

2.2 资料分析

土地利用分类采用了中国国土资源部的土地资源分类系统和分类方法［8］。生态系统类型按主要生态因素划分。土地利用类型与生态类型之间的分类处理，允许不同时期的数据有所重叠。土地利用类型与生态类型不对应时，应用优化协调的方法进行调整。对林地、果园等山丘地区的乔木生态系统，未利用土地的低植被草地生态系统、裸地生态系统和裸岩生态系统均进行了系统分类。不同类型土地利用的人口统计和其他数据的统计分析分别采用使用Excel 和ArcviewGIS 联合操作。土地利用生态类型分类结果见表3。

表3 土地利用生态类型分类统计Tab.3 Classification of land use Ecotypes

2.3 土地利用类型变化计算结果

自2010年到2020年，土地利用变化主要集中在7个生态类型，包括耕地、住宅用地、工业用地和果树林地等，土地利用转化矩阵计算结果见表4。

由表4 可知，由耕地向居民住宅和工业用地转化的土地面积为1 197.84 hm2，占总转化面积的14.8%，主要分布在西南部和主城区周围。耕地向果园转化面积为847.46 hm2，占总转化面积的10.5%，主要分布在东北部和北部。耕地面积的转化主要与城镇化建设和农业种植结构调整有关。未开发利用土地向果园转化的面积为418.91 hm2，占总转化面积的15.46%，主要集中在北部山区和西北部山区的缓坡土地和陡坡地。由于城镇化建设，果园、水域和未开发利用土地向住宅和工业用地转化面积不断增加。

表4 土地利用转化矩阵（2010-2020）Tab.4 Land use change matrix（2010-2020）

2.4 生态健康评价

根据表1、2 的各项指标评价赋分和评价等级标准，采取代表性抽样的方法对两个时期内的土地利用面积和生态健康进行评价。2010年评价样本面积为28 164.84 hm2，2020年评价样本面积为26 389.64 hm2，评价结果见表5。

由表5可知，2010年和2020年的土地利用生态健康情况基本理想，属于亚健康以上生态类型的土地面积分别占总评价面积的73.52% 和73.15%。2010年健康的生态类型面积为10 847.0 hm2，占总评价面积的38.51%，而2020年属于健康的生态类型面积仅有9 023.57 hm2，占总评价面积只有34.19%，生态类型健康的面积明显下降。2010年生态类型恶化的土地面积为2 965.53 hm2，到了2020年生态类型恶化的面积增加到3 637.23 hm2，生态类型恶化的土地面积增加了22.65%。

表5 生态健康评价等级与范围Tab.5 The evaluated grade on ecological health and scope

健康的生态系统主要集中在山区乔木，灌木，和缓坡地的耕地。2010年，山区的灌木和旱田生态系统属于健康，到2020年都普遍下降为亚健康状态。2010年缓坡地区开始退化的林地生态系统，到2020年退化为病态生态系统；2010年缓坡地和陡坡地属于病态的草地植被生态系统到2020年退化为恶化状态。

健康的生态系统主要分布在北部和西北部山区和缓坡地，亚健康的生态系统主要分布在东北部和东北部的缓坡地区和部分平原地区，病态的生态系统主要分布在西部和南部地区。主要原因是受人类活动的影响。属于恶化的生态系统主要分布在东部、西部和南部。

3 结 论

土地利用是一个复杂、动态、可控系统。土地利用模式对生态系统的健康有直接影响。在动态经济、人口密集地区，这些影响尤其明显。然而，土地利用的关键是如何保护良好的生物多样性和生态系统功能。生态健康强调了不同因素的动态和谐，土地利用涉及到多种因素耦合。生态健康可作为土地可持续利用的基础。土地资源利用变化和土地生态健康评价是土地可持续利用的前提条件。

通过人类活动与生态健康的时空协调，可以实现土地可持续利用的目标。土地生态健康评价是实现人类与土地资源和谐、相伴共存、共同发展的不可缺少的组成部分。因为土地生态健康不仅符合生态学原理，而且满足了社会经济的可持续发展需求。

本文提出了土地利用生态健康动态评价方法。以河南省卫辉市为例，在土地利用生态类型分类的基础上，计算了土地利用转化矩阵，开展了土地利用生态健康评价。研究结果对于卫辉市开展灾后重建，实现土地资源利用与生态健康和谐发展，以及社会经济可持续发展都具有一定参考价值。

由于建设性占地和生态环境污染的干扰，卫辉市农业区生态健康不容乐观。应当进一步优化协调区域内的土地利用结构，采取有效措施，强化管理，科学规划，科学治理，实行生态监督制度，实现土地资源的高质量可持续开发利用。