土地生态质量作为自然与人类生产、生活活动交叉过程中是否协调的直接表现, 是衡量土地生态环境优劣程度的重要尺度。但是随着工业化和城市化进程的不断加快, 土地利用强度的不断加强, 景观特征功能复杂程度的不断增加, 生境质量抗干扰能力水平的日渐衰弱, 土地生态质量问题已成为21世纪人类社会可持续利用和发展土地资源过程中的主要“瓶颈”^[1]。

土地生态质量评价研究是在生态风险评价^[2]、生态系统健康评价^[3]等生态环境评价研究的基础上演变而来的, 可追溯到20世纪40年代^[4]。随着1976年联合国粮农组织(FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations)先后颁布了关于土地质量变化检测评估和适宜程度评价的一系列纲要文件后^{[3, 5]}, 土地生态质量评价研究开始得到广泛关注。在此基础上, 部分研究者从不同角度与影响重要性等方面对土地生态质量评价进行了开拓性的研究, 实现了土地生态质量评价从单一环境污染监测评价到人口、经济和资源环境可持续发展的多元化指标评价的提升^[6-7]；技术手段和研究视角不断更新与多元化, 则促进了土地生态质量评价和地理信息技术^[8]、统计学^[9]以及景观生态学^[10-11]等多学科的交叉融合, 不断贴合了实际发展的需要。国外土地生态质量研究主要侧重于概念和内涵的界定^[12-13]、评价模型的构建及评价方法的探索^[14-16]等方面。国内的研究则主要涉及土地生态环境敏感性^[17]、生态响应^[18]、动态监测和预警分析^[19-20]等方面。综上, 尽管国内外学者从不同的视角和实践, 围绕土地生态质量评价进行了大量的研究, 为后期土地生态质量的评价研究打下了良好的的基础, 但在以下几个方面仍有可突破的空间：一是土地生态质量评价指标体系过多的依赖社会统计资料, 对于影响土地生态质量情况的地理空间数据重视不够, 使得研究成果多受到行政边界的束缚, 难以反映研究区域内部土地生态质量情况的局部差异；二是对土地生态质量的评价角度多从生态承载力、生态环境敏感性、生态服务价值、生态响应等方面入手, 在结合研究区域特点的基础上将土地的景观属性、生态属性和经济属性同时纳入评价的研究还可进一步探索和完善；三是在顺应国家新一轮国土空间改造的背景下, 以试点区为研究对象, 从国土资源管理和强化国土资源土地生态调控的实例研究较少。

鉴于此, 本文以湖北省全域国土综合整治的试点区仙桃市作为研究对象, 从土地生态系统的景观特征、生境质量抗干扰能力和社会经济效益3个方面构建综合评价研究模型。运用改进熵权法从定性和定量相结合的角度确定指标权重。再结合GIS和Fragstats等软件对仙桃市的土地生态质量进行综合评价与探讨, 并在此基础上针对评价结果进行分析和提出对应的解决措施, 以期为仙桃市全域土地综合整治项目的实施提供理论支持和其他类似地区提供案例参考。

1 研究区概况

仙桃市是湖北省辖县级市, 全市国土总面积2538 km², 下辖3个街道、15个镇。地理位置为112°55′—113°49′E、30°04′—30°32′N, 位于湖北省中部, 江汉平原腹地, 长江城镇聚集发展轴上, 武汉经济圈内, 毗邻武汉、天门、潜江和荆州, 如图 1。仙桃市地处亚热带季风气候区, 境内四季分明, 降雨充沛, 河湖密布。地形以平原为主, 地势平坦, 整体呈现出西北高东南低的地势特征。截至2017年底, 仙桃市人口总量达到154.45万人, 人口密度为609人/km², 常住人口城镇化率为57.6%；地区GDP达718.66亿元, 人均地区GDP为46530元；建城区面积94.09 km², 仅占总面积的4%, 常用耕地面积903.46 km², 占总面积的35.60%。由此可见, 仙桃市既拥有国家编制长江经济带国土空间规划的机遇和建设人与自然和谐共生的美丽生态国土的需求, 也面临着平衡生态保护与区域经济可持续发展的挑战。

2 研究方法与数据处理 2.1 指标体系构建

土地生态质量水平的优劣是自然、社会和经济等共同作用的结果, 因此多维度、科学的创建评价指标体系是评价得以进行的前提与基础。生境质量的抗干扰能力作为土地生态安全的基础, 是土地生态系统功能正常运行的保障；土地景观格局特征中所包含的景观多样性和景观破碎度等, 则是土地生态系统结构特征协调与否的反映；社会经济效益则是土地生态可持续发展的动力和支撑^[21]。因此本文基于景观生态学的理论基础, 从土地的景观属性、生态属性和社会经济属性等3个维度出发构建评价指标体系。

在景观特征指标的选取方面, 主要参考景观生态学理论选取香农多样性指数(SHDI, Shannon′s diversity index)来表征仙桃市景观的丰富度, 选取最大斑块指数(LPI, Largest patch index)来反映景观的优势度, 用景观形状指数(LSI, Landscape shape index)来反映景观受人类活动干扰的程度, 用景观蔓延度(CONTAG, Contagion index)来反映景观之间在空间上的邻近关系^[21-23]。在生境质量抗干扰能力评价指标的选取方面, 主要是参照已有的研究成果^[24-28], 并针对仙桃市的实际情况, 从自然生态基础[坡度、归一化植被指数(NDVI, Normalized difference vegetation index)、水域]和人为干预因素(生态保护区、道路、土地利用结构)两大方面选取6个指标；在土地利用的社会经济效益方面则用人均收入水平、经济密度来反映人们对于土地生态质量治理与规划的需求和可能投入的力度, 用人均粮食生产量来反映土地生产的自给能力, 用人口密度来表征土地所承受的压力。

2.2 数据来源与处理

景观特征层中的基础数据, 主要是参照仙桃市现行的土地利用类型数据, 并在综合其景观特征的基础上, 划分成交通用地、水域及水利设施用地、城市建设用地、农村建设用地、耕地、湿地、林地、其他用地8种景观类型, 并为其逐一建立标识字段, 再利用ArcGIS 10.5的空间分析工具, 将矢量数据转换为Grid格式, 最后将导出的GeoTiff数据输入Fragstats软件平台进行分析；生境质量抗干扰能力层中, 用于计算坡度的DEM数据及求取NDVI值的Landsat影像, 均来自地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/), 土地利用结构多样性指数则主要是通过分析仙桃市土地利用类型数据获得, 水系和道路的数据则主要是利用ArcGIS 10.5在土地利用类型数据中提取, 并根据谷歌地图进行修正, 再利用ArcGIS 10.5的重分类、缓冲区分析及加权叠加分析等功能, 计算出各指标值的空间分布情况；土地利用的社会经济效益指标数据, 来源于仙桃市2017年的统计年鉴和统计公报(http://tjj.xiantao.gov.cn/), 再根据表 1中的公式计算得出。

2.3 确定指标权重

熵权法是一种根据信息量大小, 来计算指标权重的客观权重法^[29]。在计算过程中主要依据各指标的变异程度来求取各指标的熵值, 各指标的变异程度和权重与信息熵成反比, 以此计算出各指标的权重值。但是当信息熵(E_j)接近1时, 即使指标之间差别微小也可能造成熵权值发生较大的变化, 为了避免这一情况, 本文在采用熵权法得出各指标权重的基础上, 再用层次分析法(AHP, Analytic hierarchy process)所得权重对熵权进行修正, 以此解决各指标只能反映竞争层面上的相对激烈程度, 无法反映指标重要系数的缺陷, 使权重值更好的贴近实际情况。

(1) 客观权重的计算：第一步, 指标的标准化处理, 通过极值法使得各指标数据值介于0—1之间^[29]。

(1)

(2)

式中, E_j代表准则层i中的第j项指标, Min|X_ij|, Max|X_ij|代表准则层i中第j项指标内的最小值和最大值, 其中公式(1)用于正向指标的处理, 公式(2)用于负向指标的处理。

第二步, 计算信息熵E_j：

(3)

式中, E_j为第j个指标对应的熵值, , n代表评价指标的总数, 为了避免lnM_ij无意义, 规定M_ij=。

第三步, 计算指标权重W_1j：

(4)

(2) 主观权重的计算：基于YAAHP软件平台, 生成调查问卷。然后在充分运用生态学、人文地理学、自然地理学和城市规划学等专业的12位专家深厚的专业知识与丰富的实践经验的基础上完成调查问卷。再基于各专家填写的问卷信息, 计算各评价指标的权重。最后一致性检验值CR=0.0516, 小于0.1, 即认为所得到的权重W_2j较合理^[30]。

(3) 组合权重计算：利用拉格朗日公式优化指标权重得到组合权重值W_j^[31], 结果见表 1。

(5)

2.4 综合评价

利用ArcGIS的加权叠加工具, 测算景观特值、生境质量抗干扰能力、土地利用的社会经济效益与土地生态质量的综合评价值。并利用自然断点法^[32]能够将各个类之间的差异最大化, 更清晰的展示各评价值在空间上演变特征的优势, 将各评价值划分成对应的等级, 最终得到对应的空间分布图。其计算公式^[33-34]如下：

(6)

式中, P表示评价对象的复合评价值；n为评价因子的个数；W_j为评价因子j所占的权重值；χ_j代表第j个评价因子的得分值。

3 土地生态质量的空间分析 3.1 景观特征值分析

景观特征值是土地生态系统结构特征协调与否的反映, 通过关键因子识别与分析, 能够为土地景观格局的的优化奠定基础。如图 2所示, 景观特征值呈现出高等水平的乡镇主要是郑场镇、三伏潭镇、排湖风景区和沔城回族镇, 占总面积的11.36%。排湖、沔城回族镇和郑场是以单一的旅游业或农业作为经济发展的地区, 土地利用类型的多样化水平低, 景观集聚程度高, 优势类景观明显。且由于这些地区的水域、林地和耕地景观连接成片, 随土地利用景观的不断向外蔓延, 景观之间的空间邻近关系紧密。详见图 2。景观特征值水平较高的乡镇则主要分布在北部地区和东南角的沙湖镇, 占总面积的47.83%, 所占比例最大。北部地区是仙桃市的中心城区所在地和经济发展水平相对较高的区域, 土地利用类型的多样化, 使得该地的景观类型丰富度水平高, 详见图 2。中、低等水平区分别占总面积的35.15%和5.67%, 主要分布在西流河、彭场、杨林尾、郭河、通海口和张沟镇。这些地区都是仙桃市重要的工业和商贸型城镇, 经济发展水平相对较高, 人类对于土地的利用开发程度大, 在人类活动的剧烈干扰下, 容易导致同类型的景观斑块离散分布, 景观破碎程度高, 形状的规整度低。且由于受到人为阻隔的影响, 导致景观之间的连接度较差, 降低土地生态质量水平, 详见图 2。

3.2 生境质量抗干扰能力分析

生境质量抗干扰能力是土地生态安全的基础, 是土地生态系统功能正常运行的保障。生境质量抗干扰能力越强, 该地区可供开发利用的潜力就越高。生境质量抗干扰能力越低, 该地区的生态敏感性程度越高, 应引导性的发展生态经济。从图 3可知, 拥有高等生境质量抗干扰能力水平的地区, 主要集中分布在沿G318国道和G50高速公路分布的中北部地区, 占总面积的25.47%。主要是因为中北部地区是仙桃市的主城区所在地, 土地土地利用结构多样性水平高, 所以该地区的土地生态系统的较其他地区更稳定, 且仙桃市的交通布局主要呈π字型, 北部地区的交通通达度远高于南部地区详见图 3。较高抗干扰能力水平的地区紧沿高等质量水平地区分布, 分布范围最广, 占总面积的36.51%。由此可知仙桃市生境质量抗干扰能力的整体水平较高, 主要是因为仙桃市地处江汉腹地, 地势平坦, 坡度起伏小, 且处于亚热带季风气候区, 水热条件适宜, 植被覆盖度高, 详见图 3。地形条件和水热条件都适宜于人类土地利用开发的需求。中等抗干扰能力水平的地区则主要镶嵌分布在剅河镇、陈场镇、通海口镇等南部乡镇地区, 占总面积的32.61%。主要是因为这些地区河网密布且以农业发展为主, 土地利用结构单一, 详见图 3。低等抗干扰能力水平分布地区范围最小, 仅占总面积的5.47%。主要分布在沙湖和杨林尾等镇区。主要是由于这些区域内分布的沙湖国家湿地公园、五湖黄鳝国家级水产种质资源保护区、赵西垸森林公园等地, 都是仙桃市重要的生态保护和涵养区, 生态敏感性强, 详见图 3。

3.3 土地利用的社会经济效益分析

社会经济效益则是土地生态可持续发展的动力和支撑, 直接体现了地区土地空间对于开发建设活动的总体需求与支撑能力, 是土地利用效益和质量水平高低的直接体现与保障。从图 4可知, 经济效益水平呈现出从中心向两翼衰减的空间分异规律。中部中心城区和彭场镇是高等效益水平的集中分布区, 占总面积的13.16%。主要是因为中心城区经济发展程度高, 人均收入水平高, 而彭场镇作为全国重要的无纺布生产基地, 工业化水平较高, 经济效益水平好, 详见图 4。胡场镇、三伏潭镇、张沟镇、杨林尾镇、沙湖镇和西流河镇为较高效益分布区, 占总面积的44.80%, 所占面积最广。其中胡场和三伏潭凭借其交通优势主要以发展商贸物流为主, 而张沟镇是仙桃南部重要的工业商贸型城镇, 杨林尾镇、沙湖镇和西流河镇是仙桃市重要的水产养殖与稻米生产基地以及生态旅游发展规划区, 所以这些地区的人均收入水平和人均粮食产量相对较高, 详见图 4。中等效益地区则主要集中分布在西部地区, 占总面积的33.70%, 西部地区是仙桃市典型的农业生产区, 富硒土壤资源丰富, 但是由于境内青壮年人口流失严重, 生产力水平落后, 所以当地的资源优势未能很好的转换成经济优势, 详见图 4。低等效益水平地区主要分布在长埫口镇, 仅占总面积的8.34%, 主要是由于该地人口密度过高和土地的集约化利用水平太低, 详见图 4。

3.4 土地生态质量综合分析

综合分析和整体掌握仙桃市全域土地生态质量的空间分布规律, 能够为当前全域土地综合整治项目的实施提供科学依据和决策参考。如图 5所示, 仙桃市的土地生态质量水平呈中间高, 两侧低；且西翼高于东翼的空间分布特征。经统计, 其中危险、临界安全、较安全和安全区面积依次为546.18、1103.52、687.80、200.50 km², 分别占总面积的21.52%、43.48%、27.10%和7.90%。

如图 5所示, 土地生态质量水平处于安全状态的区域, 主要集中分布在中心城区, 作为仙桃市经济优势、政策优势最凸出以及景观格局整体规划较好的区域。该地区在其良好的生境质量抗干扰能力的基础上, 通过市政府的整体规划布局, 与当地较高生产效益的支持下, 实现了当地景观特征值、生境质量的抗干扰能力及土地利用的经济发展水平之间彼此增益的协同发展态势。极少部分则分布在了彭场镇, 从经济发展效益来看, 作为重要工业生产基地的彭场镇有着高等效益收入水平, 但是该地在注重工业生产, 发展经济的同时对其土地景观格局的保护和改造不足, 而拉低了该地整体的土地生态质量水平。土地生态质量水平处于较安全状态的地区则主要集中分布在西北部地区, 西北部地区富硒土壤资源丰富, 是仙桃市重要的农业生产重镇, 土地景观格局较好, 但是由于该地生产水平相对落后, 人口流失严重等原因, 使资源优势未能很好的转化成经济效益。土地生态质量水平处于临界安全的面积最广, 高达1103.44 km², 也主要分布在西部地区即镶嵌分布在较安全地区的周围地带。而处于危险状态地区的空间分布和生境质量的空间分布呈现出较强的一致性, 主要是分布在生境质量抗干扰能力水平低的生态保护和涵养区。

4 结论与展望 4.1 结论与建议

本文以湖北省仙桃市作为研究区, 从土地生态系统的景观格局特征、生境质量的抗干扰能力和社会经济效益3个角度出发, 在明确各角度内涵的基础上, 构建相应的评价指标体系和模型, 探究其三者的空间演变关系, 并在此基础上对其土地生态质量进行综合评价。结果表明中心城区土地生态质量水平明显高于周边地区, 且景观格局特征、生境质量的抗干扰能力和社会经济效益之间表现出相互增益的协同发展态势；而东西两翼地区的土地生态质量水平较低, 且西翼相对高于东翼。在此区域景观特征、生境质量的抗干扰能力和社会经济效益之间的协同性较差, 且两两之间的发展矛盾凸出。通过上述分析可知, 造成这种空间分布模式的背后驱动机制, 可归结于区域内资源条件禀赋的差异以及人为开发强度和政策发展导向的不同, 为此提出以下建议：

中心城区是仙桃市经济和政策优势的倾斜区, 因此该地区应在最大限度的利用这一优势的基础上, 做好城市用地布局规划, 尤其是城市的绿地规划, 可通过将城区绿地与建成区周边生态绿地、农地相联系, 构成一个完整的绿地系统以提升景观之间的空间邻近关系。并通过严格控制各主体功能区的建筑密度和容积率来有效的控制各主体功能区的土地利用强度。以此达到景观、生态和经济效益的最大协同发展效益。

西翼地区是仙桃市富硒土壤资源以及土地景观格局水平较高的区域, 且基质斑块多以农业用地为主。因此, 西翼地区可以利用其景观特征的优势, 积极响应湖北省政府的三乡工程建设(“市民下乡、能人回乡、企业兴乡”), 通过发展特色农业的方式来拉动当地的经济发展。如毛嘴镇、郑场镇等地区可以通过发展富硒农产品来打造具有地区特色的农业生产品牌, 并利用其交通便利的优势打通周边市场, 加大农产品销售的市场占有份额。而剅河镇、陈场镇等西南部地区各镇则可以通过延长农产品的生产链, 引进外资企业来增加就业岗位。并且通过利用其优美的自然风光来发展乡村旅游, 通过构建田园综合体来发展农业与旅游度假区、创意生态农业观光体验区等方式来提高土地的经济效益, 以此促进一二三产业的融合发展。

东翼地区是仙桃市生态保护的聚集区, 承担着仙桃市生态保护和涵养的重要使命。同时东南部地区的彭场镇、杨林尾镇也是仙桃市重要的工业生产基地。而近年来, 这些地区过于注重经济发展导致人为活动对该地的自然景观干扰较为严重, 且缺乏长远的规划设计导致其土地景观格局紊乱。所以东南部地区应该在追求经济发展的同时, 牢固树立绿水青山就是金山银山的发展理念, 在“山水林田湖草”是一个生命共同体的系统论的指导下, 进行有选择性的招商引资和生产规划布局。而对于已经造成的生态环境问题, 则应该努力抓住仙桃市作为全域土地综合整治试点的契机, 努力、务实的配合本底调查工作的进行, 为后期生态问题修复的工作夯实基础。以求促进景观格局特征、生境质量的抗干扰能力和社会经济效益三者的协同发展。

4.2 研究展望

本研究是在仙桃市全域土地生态整治项目实施的背景下所进行的, 对于仙桃市以及其他类似的全域土地整治的试点区具有一定的参考和实用价值, 也对于当前受到高度关注的国土综合整治与生态修复问题的认知和解决提供案例参考。但是本文对于土地生态质量在时间和空间复合维度上的权衡与协同的空间演变关系, 尚未展开深入研究；另外指标权重的确定方面, 在以客观数据为基础情况下, 针对仙桃市的实际情况融入了主观因素, 可能使得指标权重的普适性不足。且由于土地生态质量评价对象的广泛性、研究尺度的多样性以及区域内部的差异性, 使得该问题成为了一个长期复杂的学术课题, 仍有待进一步的探索与研究。

致谢: 感谢仙桃市自然资源和规划局给予数据资料收集支持。