基于模糊聚类的迁西县土地生态差异划分

刘 童，刘亚静

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210)

随着人类活动范围的不断扩大，人类对土地资源的开发与利用程度越来越高，给社会带来了巨大的经济效益，同时也破坏了区域生态环境的结构、紊乱了区域生态环境的功能[1]。而土地整治就是对人类活动所造成的不合理利用土地资源和自然灾害损毁的土地资源进行结构上的优化整理，从而改善生态环境，促进国土资源合理高效利用、统筹经济社会可持续发展[2-5]。目前，国外学者通过构建自然-社会-经济[6-7]综合土地整治指标体系，采用不同的分类方法对土地进行整治分类。结果表明，不同时空尺度下的土地分类结果受多种因素的影响，不仅受土地自然条件的影响，还受人类活动范围、土地参与人的意愿[8]和生态环境的影响。因此，为了突破传统土地置换模式的人为因素影响，将模糊数学思想应用于土地整治分区，使土地分配更加客观、科学、合理[9]，从而有效减少土地细碎化，促进乡村地区人口转移和乡村土地一体化[10]。同样国内许多专家学者也基于不同方法、不同指标体系建立了不同尺度上的区域土地整治分区。如朱慕熔[11]综合考虑自然、社会经济和土地因素构建指标对江西省横峰县进行了模糊聚类土地分区研究；璩路路[12]等建立土地资源、经济状况和土地退化准则层，对长河流域土地进行了整治划分研究；张天中[13]等人针对典型生态脆弱城市兰州市，以生态、自然、土地利用状态为依据构建了分区指标体系；黄晓阳[14]等人对黄土台塬农业用地从自然、台塬特征、土地整治限制因素等3个层面出发构建指标评价体系以实现土地分区。以上传统的土地整治分区主要考虑了自然地理要素及社会经济要素，此单方面要素已不能够准确概括社会、经济、生态环境之间存在的复杂交互耦合关系[15]，也不能完全符合国家“十三五”期间开展土地生态整治以改善生态环境的现势目标要求[16]。因此本研究基于模糊数学和聚类分析理论方法，从保护生态环境角度出发，结合经济、社会、生态、土地利用数据等多个指标特征，建立生态评价体系对河北省迁西县进行土地整治分区，并基于分区结果提出土地整治的总体宏观发展方向，以达到土地资源在经济效益、社会效益和生态效益上的有机统一。

1 研究区概况

迁西县地处河北省东北部，京津唐承秦腹地，境内层峦拔地，河川纵横，是著名的中国板栗之乡、国家级园林县城和全国休闲农业与乡村旅游示范县。全县地势呈锥型，由四周向中间倾斜。县域面积1 439 km2，其地貌特征呈典型的低山丘陵景观，其中,山地、丘陵面积占73.3%，呈“七山一水分半田、半分道路和庄园”的自然格局。全县区域共17个乡镇，总人口41万。境内有林地面积约950 km2，全县森林覆盖率平均水平达63%，位居全省第二位。县域内矿产资源丰富，已发现和探明的矿产种类有36种，其中铁矿储量含量最多，约4.7亿t，钢、铁、材常年产量1 000万t。县域水域面积广阔，占全县总面积的11.4%，包含大中小84座水库以及6条主要河流。迁西县素有“诗意山水、画境栗乡”之美誉，又是全国十佳宜居县城、国家级生态示范区以及全国百佳深呼吸小城。

图1 研究区位置

2 指标来源与研究方法

2.1 分区指标来源

实现对迁西县土地系统、科学、合理的生态分区，需要构建不同类型的观测和评价生态指标，才能够准确的反映研究区内生态土地资源的结构以及功能划分[15]。本研究区指标主要分为了经济社会、生态以及土地利用数据共18个指标，建立生态环境的指标体系。其中：经济社会指标包含GDP(亿元)、人均纯收入(元)、人口密度(人·km-2)、人均栗树数(株·人-1)；生态指标包含人均耕地面积(hm2·人-1)、湿地占比(%)、 荒山地占比(%)、 人均农村道路面积(m2·人-1)、人均农村居民点面积(m2·人-1)、水资源储量(km2)、 水域面积比率(%)、 森林覆盖率(%)、郁闭度、植被盖度 、人均林地面积(hm2·人-1)；土地自然数据包含平均坡度(°)、土层厚度(m)、林地质量(等)。

土地平整工程的选取指标：耕地集中连片度反映区域内耕地的平整度、规则度和破碎度，故选取耕地集中连片度(hm2/块)这项指标；人均农村居民点面积反映了各分区农村居民点用地的集约利用水平及“空心村”的程度，故选取人均农村居民点面积(hm2/人)这项指标；坡度的大小代表土地的平整度，而大于25°坡耕地极易引起水土流失，不应进行土地平整工程，故选取坡度和>25°坡耕地比重(%)这项指标；地形起伏度是描述特定区域内地形特征的一个宏观指标，现用于划分区域内的地貌类型，故选取地形起伏度(m)这项指标。

农田水利工程的选取指标：耕地的有效灌溉率反映了农田水利工程配套设施的完善程度，故选取耕地有效灌溉率(%)这项指标。

道路工程指标的选取：道路通达度及人均农村道路面积反映了道路工程区域内农村道路的建设与完善状况，故选取道路通达度、人均农村道路面积(m2/人)等两项指标代表道路工程。

生态保护的指标的选取：森林及水域状况反映了一个区域内生态环境的好坏，森林水域集中的地方不宜进行土地整治，应对其划定生态保护红线。

农用地等级反映了区域范围内农用地的整体质量好坏，反映了农用地自身肥沃程度，农用地质量和基础设施的基本情况。

以上指标中经济社会指标来自于《2006-2012年迁西年鉴》，生态和土地利用数据据通过利用ARCGIS10.5软件强大的空间分析能力对迁西县林业用地斑块处理合成获取，以及利用EXCLE软件计算相应百分占比所得。

2.2 研究方法

研究指标样本之间往往具有模糊性，而无需先验知识的无监督分类方法就可以解决这一问题[17]，实现对指标数据样本的自动分类。与监督分类相比，无监督分类不需专家指导和预先分析数据，在分析效率和客观性上有着天然的优势。聚类分析就是一种不需专家指导、无监督的分类方法，根据一定的准则将物理或抽象的指标样本进行区分和分类，并能保证聚类同一子集之间的紧密性，又能确保不同子集之间的分离性[18]。考虑到客观指标样本之间本身存在模糊性，因此将模糊数学的思想和聚类分析相结合。利用优化目标函数确定每个指标样本点对所有中心的隶属度[19]，从而决定样本点所属类，最终达到自动分类的目的，以更加客观描述样本分类结果。

2.2.1 指标体系的建立

社会、经济与生态本就是一个相互作用、相互反馈的体系[20]，如何准确的反映研究区土地分区的机构合理性和功能适配性，取决于社会、经济、生态三者的有机统一。因此对本研究区域从社会经济、生态、土地自然三个角度出发，分别选取相应的指标，构建土地生态指标体系，如下表1所示。

表1迁西县土地生态分区指标

2.2.2 指标数据标准化

样本指标之间一般存在不同的量纲，这致使构建的评价指标间不能达成统一的尺度[23]，获取准确的分区结果。因此，在进行模糊聚类之前，需要对选取的指标进行标准化处理来消除变量之间的量纲关系，使数据之间产生可比性关系[21-22]。此外，由于每个指标的作用效果分为正向负向，应对指标采用特定的标准化方式[23]。本研究区指标采用的标准化方法如下：

(1)

负向指标：

(2)

2.2.3 模糊聚类

本文采用SPSS19.0统计软件作为分析软件，采用系统聚类分析中的Ward[24](离差平方和)方法和平方欧氏距离的度量标准，对迁西县17个乡镇进行模糊聚类分析。聚类结果如下图2为聚类树状图，表2为聚类表。

(1)迁西县土地指标模糊聚类树状图

图2 迁西县土地指标模糊聚类树状图

(2)迁西县土地生态指标聚类表。

3 结果与讨论

依据类内距离尽量近，类间距离尽量远的准则，选取6为截距，如图2红色虚线将迁西县土地分为四类，分别是南部角砾岩地区(新庄子乡、东莲花院乡、新集镇)、北部片麻岩地区(滦阳镇、汉儿庄乡、渔户寨镇、上营乡)、中南部川谷平原地区(兴城镇、尹庄乡、罗家屯镇)、中南部碳酸盐岩类地区(洒河桥镇、东荒峪镇、太平寨镇、三屯营镇、旧城乡、金厂峪镇、白庙子乡)。

从分类结果可知，迁西县生态环境存在地域差异性，南部角砾岩地区和中南部川谷平原地区生态环境状态较差，中北部碳酸盐岩类地区和北部片麻岩地区生态条件较好。如下图3为迁西县土地模糊聚类分区图。

表2迁西县土地分区指聚类表

图3 迁西县模糊聚类土地分区图

3.1 南部角砾岩地区

角砾岩地区位于县城南部地区，主要分布在滦河以南，新庄子乡以北，夹河以东，尹庄乡以西的新集盆地，包括3个乡镇，分别为新庄子乡、东莲花院乡、新集镇，全区占全县总面积的15.2%，面积约为212.2 km2。该地区地貌特征以低丘、残丘为主，耕地面积相对较多，人均耕地可达0.08 hm2。但由于该区土层瘠薄，土壤有机质含量不高，水源不足，荒山比较多，粮食单产量较低，森林覆盖率处于全县中下水平。该地区经济效益不明显，农民人均纯收入处在全县最底层，是全县最贫困地区。

3.2 北部片麻岩地区

片麻岩地区位于长城以南至滦河以北，该地区包括滦阳镇、汉儿庄乡、渔户寨镇、上营乡4个乡镇，全区总面积约占25.9%。该区社会生活条件水平较高，GDP和农民人均收入都为全县最高区。境内以低山丘陵为主，自然环境条件较其它地区优越，植被盖度大，森林相对茂密，整体生态环境处于良性状态。但该区人均耕地面积小，人口密度压力较大。

3.3 中北部碳酸盐岩类地区

碳酸盐岩类地区涉及洒河桥镇、旧城乡、东荒峪镇、三屯营镇、金厂峪镇、太平寨镇、白庙子乡7个乡镇，全区总面积为560 km2，占全县面积的40%。该区GDP和农民人均收入处于全县中等水平，人口密度压力适中，水资源条件良好，森林种植密度大、生长浓密、覆盖率整体较高。因此总体生态环境处于优性状态，但该区地势较高，起伏大。

3.4 中南部川谷平原地区

中南部川谷平原地区以兴城镇、尹庄乡、罗家屯镇3个乡镇组成，该区主要由滦河、沙河、清河、长河的洪冲积扇联合而成。全区总面积约264.4 km2，占全县总面积的18.9%。该区地面比较平坦开阔，土壤质地沙粘适中，交通便利，湿地占比多，但森林覆盖率低，生长密度小且稀疏，土层厚度薄，土壤肥力不够。

4 结 语

土地资源的科学合理利用与否对于生态环境的优劣程度具有渐变性，符合模糊数学的特征。利用模糊聚类分析模型能够在一定程度上避免土地分区中存在的主观性和粗糙性以提高土地分区精度，准确解决土地适宜性等级归属模糊问题。本文并且依托ARCGIS和SPSS软件强大的数据统计分析能力，将模糊聚类分析方法应用到土地生态分区中，简化了土地分区的流程，取得了较好的分类结果。