基于模糊聚類的遷西縣土地生態(tài)差異劃分

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)

隨著人類活動范圍的不斷擴大，人類對土地資源的開發(fā)與利用程度越來越高，給社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益，同時也破壞了區(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行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化整理，從而改善生態(tài)環(huán)境，促進國土資源合理高效利用、統(tǒng)籌經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展[2-5]。目前，國外學(xué)者通過構(gòu)建自然-社會-經(jīng)濟[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行整治分類。結(jié)果表明，不同時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碎化，促進鄉(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、社會經(jīng)濟和土地因素構(gòu)建指標(biāo)對江西省橫峰縣進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)濟狀況和土地退化準(zhǔn)則層，對長河流域土地進行了整治劃分研究；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個層面出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)評價體系以實現(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經(jīng)濟要素，此單方面要素已不能夠準(zhǔn)確概括社會、經(jīng)濟、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，從保護生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，結(jié)合經(jīng)濟、社會、生態(tài)、土地利用數(shù)據(jù)等多個指標(biāo)特征，建立生態(tài)評價體系對河北省遷西縣進行土地整治分區(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，以達到土地資源在經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益上的有機統(tǒng)一。

1 研究區(qū)概況

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63%，位居全省第二位。縣域內(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，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

2 指標(biāo)來源與研究方法

2.1 分區(qū)指標(biāo)來源

實現(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)濟社會、生態(tài)以及土地利用數(shù)據(jù)共18個指標(biāo)，建立生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)體系。其中：經(jīng)濟社會指標(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)這項指標(biāo)；人均農(nóng)村居民點面積反映了各分區(qū)農(nóng)村居民點用地的集約利用水平及“空心村”的程度，故選取人均農(nóng)村居民點面積(hm2/人)這項指標(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)進行土地平整工程，故選取坡度和>25°坡耕地比重(%)這項指標(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(%)這項指標(biāo)。

道路工程指標(biāo)的選?。旱缆吠ㄟ_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，故選取道路通達度、人均農(nóng)村道路面積(m2/人)等兩項指標(biāo)代表道路工程。

生態(tài)保護的指標(biāo)的選?。荷旨八驙顩r反映了一個區(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行土地整治，應(yīng)對其劃定生態(tài)保護紅線。

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)濟社會指標(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軟件計算相應(yīng)百分占比所得。

2.2 研究方法

研究指標(biāo)樣本之間往往具有模糊性，而無需先驗知識的無監(jiān)督分類方法就可以解決這一問題[17]，實現(xiàn)對指標(biāo)數(shù)據(jù)樣本的自動分類。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]?？紤]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)確定每個指標(biāo)樣本點對所有中心的隸屬度[19]，從而決定樣本點所屬類，最終達到自動分類的目的，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、經(jīng)濟與生態(tài)本就是一個相互作用、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)的機構(gòu)合理性和功能適配性，取決于社會、經(jīng)濟、生態(tài)三者的有機統(tǒng)一。因此對本研究區(qū)域從社會經(jīng)濟、生態(tài)、土地自然三個角度出發(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)建的評價指標(biāo)間不能達成統(tǒng)一的尺度[23]，獲取準(zhǔn)確的分區(qū)結(jié)果。因此，在進行模糊聚類之前，需要對選取的指標(biāo)進行標(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，由于每個指標(biāo)的作用效果分為正向負向，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)

負向指標(biāo)：

(2)

2.2.3 模糊聚類

本文采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件作為分析軟件，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個鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行模糊聚類分析。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。

3 結(jié)果與討論

依據(jù)類內(nèi)距離盡量近，類間距離盡量遠的準(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

3.1 南部角礫巖地區(qū)

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0.08 hm2。但由于該區(qū)土層瘠薄，土壤有機質(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)。

3.2 北部片麻巖地區(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個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全區(qū)總面積約占25.9%。該區(qū)社會生活條件水平較高，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。

3.3 中北部碳酸鹽巖類地區(qū)

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。

3.4 中南部川谷平原地區(qū)

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。

4 結(jié) 語

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軟件強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力，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。