基于国土功能导向的鹤壁市资源环境承载力评价及其空间分异研究

时间：2024-08-31

张合兵，张青磊，李铭辉，谢放放

（河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000）

0 引言

经济的飞速发展，一方面给人类生活营造了便利的条件，另一方面却带来了资源枯竭和环境破坏等问题。不可再生资源的枯竭和环境损害［1］成为限制国家经济高质量发展［2］的短板之一。摸清资源环境本底空间，可以有效指导区域“三区三线”划定、主体功能定位、生产生活布局等国土空间规划相关工作。

承载力最初为机械概念，后被引入生态学领域［3］。有很多学者对承载力相关概念进行延伸，从生物、物理承载力延伸到社会、经济等综合承载力［4-7］。国内外学者从评价尺度、指标体系构建、指标权重计算等方面对资源环境承载力开展研究。资源环境承载力存在空间分异特征，大多数学者以热点分析和聚类分析为主要分析方法，借助GIS空间信息处理工具，发掘研究区资源环境承载力空间分异特征。刘国徽等［8］在充分获得资源环境、社会经济及地理信息数据的基础上，对江川区进行资源环境承载力评价，得出资源环境承载力中等以上的区域占全域60%以上；李凤英［9］使用单因子评价和多因子评价相结合的方法对丽江市开展资源环境承载力评价，得出丽江市各地区承载力的差异和限制短板因素；冯欢等［10］通过GIS空间分析功能探索重庆市县域资源环境承载力的空间相关性，发现存在正相关性，承载力高的县域和承载力低的县域在空间上存在聚集性；杨亮洁等［11］详细刻画了甘肃省资源环境承载力的时空动态特征，并提出促进甘肃协调发展的政策建议；卢亚丽等［12］运用状态空间法对河南省各城市资源环境承载力进行了评价，但在对市县尺度资源环境承载力评价时，在国土功能与评价指标内在联系以及空间尺度与评价指标的相关性方面研究不够深入，从而在指导市县尺度国土空间布局优化时缺乏针对性。因此，本文选取河南国土空间规划试点市——鹤壁市为研究区域，通过构建资源环境承载力评价指标体系，选取适当的评价方法，运用GIS空间分析中全局空间自相关和局部空间自相关进行相关空间格局分异特征分析，以期为市县级国土空间规划体系中资源环境承载力评价的相关工作提供思路。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况和数据来源

鹤壁市地处河南省北部，行政区位于北纬35°26′～36°53′，东经113°59′～114°45′间，全市总面积为2 182 km2。截至2017年，鹤壁市总人口为170.07万人。鹤壁市耕地质量较高，下属浚县和淇县是国家优质小麦和商品粮生产基地；自然环境优越，生态宜居，是中国优秀旅游城市。随着社会经济发展，鹤壁市资源环境压力日益突出。

本研究主要数据来源于Landsat8遥感影像、数字高程DEM数据、鹤壁市2017年土地利用现状数据、鹤壁市地质灾害规划数据、2017年鹤壁统计年鉴等。根据国土空间资源环境禀赋指导国土空间布局优化，可以有效协调社会经济发展与资源环境保护之间的关系。

1.2 研究内容和研究方法

1.2.1 市县尺度资源环境承载力评价中的空间异质性

空间异质性最初是生态学领域中的名词，指的是生态格局及过程在空间分布上的不均匀和复杂性［13-15］。根据我国国土空间规划思路及土地利用现状分类标准，在对市县级国土空间划分时，分为城镇空间、农业空间、生态空间［16］。由于各类空间功能不同，资源环境短板存在明显差别，如：单一考虑人均生态用地指标时，生态空间表现最佳，城镇空间表现最差；单一考虑人均建设用地指标时，生态空间表现最差，城镇空间表现最佳。用人均建设用地面积指标去考量生态空间，对于生态空间的资源环境短板发掘并无用处。因此应充分考虑各类国土空间异质性，才能更好地体现资源环境承载力的空间格局分异特征。

1.2.2 基于国土功能视角的指标体系构建

由于市县级空间尺度的特殊性，部分指标数据在该尺度下空间分异特征不明显，需要对现有指标数据进行有效甄别，才能提高评价指标与空间尺度的匹配度。现有国土空间规划中的农业空间、城镇空间、生态空间，分别对应的主体功能为农业耕作、城镇建设、生态保护功能。农业耕作与城镇建设都需要相应的水土资源条件，但农业耕作依赖性更高；城镇建设对地质环境依赖性较高，对社会经济环境条件（如公共服务设施完备性、人口聚散性等）也存在依赖性。

大部分自然资源都存在一定的流动性，通过一定的技术手段可以实现特定区域流动性资源的均衡化分配，如南水北调、西气东输等。市县尺度空间下自然资源的流动成本较低，不需要投入较多人力物力，即可实现自然资源的均衡化分配，因此流动性资源在市县尺度空间下差异化不明显。土地资源作为不可再生资源，其位置具有不可移动性，不同用途的土地，其服务功能也有所不同，因此土地资源应根据土地用途作为不同的资源类别单独考虑。

在地形、气候、植被覆盖等多因素作用下，污染物由污染源向周边区域扩散。由于污染源在时空尺度上具有动态性，其扩散往往具有动态性，因此很难确定特定区域污染物时空稳定状态。但地质环境却是环境类指标特例，地质环境条件的好坏与地质运动、人类活动相关，在短期内地质环境条件几乎不具有动态变化特征，在各类空间尺度下的差异化表现明显。

土地利用与资源环境状况存在必然联系，不同的土地利用类型是人类综合多种因素（包括资源环境要素）的选择。人类选择某块土地进行生产生活活动，间接证明该区域具有相对的资源环境优势。

因此，结合数据获取难易程度、相关性和精度，选取土地资源类、地质环境类、生态环境类、社会经济类指标构建指标体系（表1）。根据专家经验构建指标相对重要性判别矩阵，最终得出各指标权重。当CR＜0.1时，极为矩阵通过一致性检验。农耕视角下的资源环境承载力A-RECC构建的矩阵CR值为0.017 6；城建视角下的资源环境承载力U-RECC构建的矩阵CR值为0.094；生态视角下的资源环境承载E-RECC构建的矩阵CR值为0.083 4。说明指标权重合理，通过一致性检验。

表1 鹤壁市资源环境承载力评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of resource environmenl carrying capacity in Hebi city

1.2.3 资源环境承载力准则层指标赋值及计算方法

地形优势能够反映出一个地区地形条件的优劣，地形优越的地区能优先承载农业生产活动。地形坡度良好的土地容易集中连片，从而方便农业生产资料的规模化投入，计算公式为

式中：VSLOPEi为i像元的高程值；F1为坡度最终计算方法，将i像元值按表2的赋值原则进行赋值，按好、较好、一般、较差、差分级，分别对应像元值为5，4，3，2，1。

表2 坡度分级表Tab.2 Slope classification table

土壤优势度与农业耕作密切相关，不同土壤类型具有不同的理化特性，理化特性优良的土壤在农业耕作方面更具有优势。土壤按质地分为砂土、壤土、黏土。砂土保水性差，黏土透气性差。鹤壁市耕地大部分为旱地，种植小麦、玉米等粮食作物，因此按对应的粮食作物适宜程度，对像元所在位置砂土赋值为1，黏土赋值为3，壤土赋值为5，按好、一般、差分级，分别对应像元值5，3，1。

地质稳定度［18］反映的是滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害在区域内的易发概率，地质灾害高易发区域对人类生产生活活动的承载能力极低，特别是在城镇建设中，对建筑物产生不利影响，计算公式为

式中：VDISi为i像元距灾害点（崩塌、泥石流、滑坡、塌陷等灾害点）在相应缓冲距离内的级别值；VFAULTi为断层分布值，处于断层区的像元值为1，其他像元值为0；F2为地质稳定程度最终分级处理方法，对与像元值大于等于5的均赋值为5，像元值小于5的保留原值，按好、较好、一般、较差、差分级，分别对应像元值5，4，3，2，1（表3）。

表3 灾害点缓冲区分级表Tab.3 Hazard point buffer rating table

人口密度［19-20］能够反映出区域内社会经济的活跃程度，是城镇建设重要参考指标。人口密度高的区域，往往对城镇基础设施需求程度高，已形成基础设施完善的城镇区，计算公式为

式中：VPi为各乡镇2017年底常住人口数；VPSi为各乡镇面积；F3为人口密度最终处理方法，使用自然断点法将研究区人口密度分为5级，用等级值代表i像元人口密度分值，按高、较高、一般、较低、低分级，分别对应像元值5，4，3，2，1。

路网密度［17］反映的是区域内道路的密集程度，路网密度高的区域能够承载更多人类生产生活活动。产品的生产销售需要一定的交通条件，人类的生产生活活动需要一定的路网加以支撑，因此路网密度与城镇建设密切相关，计算公式为

式中：VLi为以i像元为中心，搜索半径5 km圆内道路总长度，m；VSi为搜索圆面积，km2；F4为路网密度最终分级处理方法，使用自然断点法将研究区路网密度分为5级，用等级值代表i像元路网密度分值，像元值越高代表该像元所在位置路网密度越大，按高、较高、一般、较低、低分级，分别对应像元值5，4，3，2，1。

植被覆盖度在生态敏感性和生态重要性中都具有重要参考价值，是反映区域内生态环境优越性的重要指标。计算为

式中：NDVIi为i像元植被覆盖指数值；NDVImax为研究区范围内植被覆盖指数最大值；NDVImin为研究区范围内植被覆盖指数最小值；F5是植被覆盖度最终处理方法，使用等间隔断点法将研究区植被覆盖度分为5级，用等级值代表i像元植被覆盖度分值，像元值越高，代表该像元所在位置植被覆盖度越高，按高、较高、一般、较低、低分级，分别对应像元值5，4，3，2，1。

生态斑块聚合度能反映出地域内生态斑块连片程度，主要提取土地利用现状中生态用地（生态用地指耕地、建设用地和其他人工设施用地以外的用地类型）图斑进行分析，统计分析范围为最小行政单元，基于fragststs v4.2.1软件实现。计算公式为

式中：Gji为相似邻接斑块数数量；F6为生态斑块聚合度最终处理方法，使用自然断点法将研究区生态斑块聚合度分为5级，用等级值代表i像元生态斑块聚合度分值，按高、较高、一般、较低、低分级，分别对应像元值5，4，3，2，1。

耕地资源丰富度、建设用地规模量、生态用地丰富度主要反映各类用地资源在一定空间范围内的潜力优势。使用自然断点法将3类用地占比分为5个等级，像元值越高，代表相应类别用地占比越高。耕地资源丰富度、生态用地丰富度按丰富、较丰富、一般、较不丰富、不丰富，分别对应像元值5，4，3，2，1。建设用地规模量按大、较大、一般、较小、小，分别对应像元值5，4，3，2，1。

1.2.4 资源环境承载力的评价模型及分级方法

农耕视角下的资源环境承载力（A-RECC）是指农业耕作相关资源环境条件的优劣性。其数值根据准则层相关指标数值及权重进行综合计算，计算公式为

式中：VA-RECCi为i像元的A-RECC值；VAij为i像元对应的Aj项指标数值；WAij为i像元对应的Aj项指标权重；n为该目标层对应的准则层指标个数。

城建视角下的资源环境承载力（U-RECC）是指城镇建设相关资源环境条件的优劣性。其数值根据准则层相关指标数值及权重进行综合计算，计算公式为

式中：VU-RECCi为i像元的U-RECC值；VUij为i像元对应的Uj项指标数值；WUij为i像元对应的Uj项指标权重；n为该目标层对应的准则层指标个数。

生态视角下的资源环境承载力（E-RECC）是指在生态保护相关资源环境条件的优劣性。其数值根据准则层相关指标数值及权重进行综合计算，计算公式为

式中：VE-RECCi为i像元的E-RECC值；VEij为i像元对应的Ej项指标数值；WEij为i像元对应的Ej项指标权重；n为该目标层对应的准则层指标个数。

根据计算的目标层像元值，按表4分级标准进行分级。

表4 目标层分级标准表Tab.4 Classification criteria for target layer

2 结果与分析

2.1 研究区资源环境承载力评价结果

（1）A-RECC评价结果。从全域数量统计看，A-RECC等级高的区域占全域面积的56.02%，为1 199.11 km2；A-RECC等级低的区域占全域面积的10.34%，为221.30 km2。从全域空间布局看，A-RECC等级高的区域集中分布在鹤壁市东部平原地区；A-RECC等级低的区域集中分布在鹤壁市西部山脉地区，见图1。从各乡镇的数量统计看，A-RECC等级高的区域占比大于50%的乡镇有14个，其中小河镇占比最高，达到91.97%，面积为97.62 km2；善堂镇A-RECC等级高的区域面积最大，为138.69 km2。A-RECC等级高的区域大部分存在连片性，区域内土质良好、地势平坦，极适于粮食生产。

（2）U-RECC评价结果。从全域数量统计看，U-RECC等级高的区域占全域面积的6.9%，为147.66 km2；U-RECC等级低的区域占全域面积的9.11%，为194.93 km2。从全域空间布局看，U-RECC等级高的区域集中分布在鹤壁市沿淇河中下游一带和东部偏南地区；U-RECC等级低的区域集中分布在鹤壁市西部山脉地区，见图1。

图1 鹤壁市资源环境承载力等级分布图Fig.1 Distribution map of resource environment carrying capacity grade in Hebi city

从各乡镇的数量统计看，U-RECC等级高的区域占比大于10%的乡镇有6个，其中城关镇占比最高，达到99.63%，面积为13.59 km2；大赉店镇U-RECC等级高的区域面积最大，为42.16 km2。U-RECC等级高的区域有众多省道、国道交通干线穿越，地质相对稳定，人口集聚特征明显。

（3）E-RECC评价结果。从全域数量统计看，E-RECC等级高的区域占全域面积的16.52%，为353.71 km2；E-RECC等级低的区域占全域面积的50.27%，为1 076.03 km2。从全域空间布局看，E-RECC等级高的区域集中分布在鹤壁市西部山脉地区和盘石头水库一带；E-RECC等级低的区域集中分布在鹤壁市东部平原一带，见图1。从各乡镇的数量统计看，E-RECC等级高的区域占比大于50%的乡镇有4个，其中黄洞乡占比最高，面积最大，达到94.51%，为107.68 km2。URECC等级高的区域由于地形条件差，人迹罕至，植被密集。

2.2 资源环境承载力空间分异分析

2.2.1 空间自相关分析方法

全局空间自相关是为了探究全域空间内某一属性值是否存在一定的关联性，通常使用莫兰指数（Moran's I）来度量，公式为

式中：wkm为要素k和m之间的空间权重；n为要素总数；ak和am为要素属性值。莫兰指数通常在－1～1之间，正值代表正相关，负值代表负相关，0代表不相关。

局部空间自相关是为了探究要素属性的空间集聚特征以及属性值的热点、冷点，通常使用热点分析和聚类分析，计算公式为

式中：k为中心元素；m为邻域所有元素；Lk，m为元素k和m在空间上的距离；am为邻域要素m的属性值；n为要素总数；S为邻域要素标准差。

GiZ越大，代表越趋近于热点，反之趋近于冷点。

2.2.2 研究区资源环境承载力的分异特征

鹤壁市资源环境承载力的空间分异特征明显，在聚类分布、热点分布等方面均存在差异，如图2所示。具体分析结果如下。

图2 鹤壁市3种功能指向的资源环境承载力LISA聚集图和空间格局热点图Fig.2 LISA aggregation map and spatial pattern hot spotmap of resource and environmental carrying capacity directed by three functions in Hebi city

（1）对鹤壁市3种指向的资源环境承载力进行Z值检验，鹤壁市E-RECC对应的Global Moran’I为0.639 462，A-RECC对应的Global Moran’I为0.559 06，U-RECC对应的Global Moran’I为0.214 609，3种指向的资源环境承载力的全局空间自相关Z值得分均大于2.58，随机产生此聚类模式的可能性均小于1%，说明99%置信度下3种指向的资源环境承载力空间自相关是显著的。Moran’I大于0，说明鹤壁市3种指向的资源环境承载力具有空间正相关性，承载力较低区域与承载力较低的区域相邻，承载力较高的区域与承载力较高的区域相邻。鹤壁市资源环境承载力在空间分布上具有较高的聚集性。

（2）从聚类分布看，在E-RECC聚类分区中，高高聚类整体呈现“西部集中连片，东部局域分散”的格局，主要分布在鹤壁市的西部太行山一带；在E-RECC聚类分区中，低低聚类整体呈现“东部大片分散”的格局，主要分布鹤壁市东部平原地区。在A-RECC聚类分区中，高高聚类整体呈现“东部集中连片，北部局域分散”的格局，主要分布在鹤壁市东南部广袤平原区。在A-RECC聚类分区中，低低聚类整体呈现“西部边缘连片”的格局，主要分布在鹤壁市西部太行山一带。在U-RECC聚类分区中，高高聚类整体呈现“中部集中连片，东部边缘连片”的格局，主要分布在鹤壁市东北部、沿南北走向中轴线一带和东部偏南小片区域，该区域位于鹤壁市建成区。在U-RECC聚类分区中，低低聚类整体呈现“西部集中连片”的格局，主要分布在鹤壁市西部太行山一带，与A-RECC聚类分区中低低聚类区域相吻合。

（3）从热点分布看，整体空间格局与聚类分布吻合度较高。E-RECC热点区主要分布在鹤壁市西部沿太行山一带，E-RECC冷点区主要分布在鹤壁市东部；A-RECC热点区主要分布在鹤壁市东部，A-RECC低冷点区主要分布在鹤壁市西部；U-RECC热点区主要分布在鹤壁市沿南北走向中轴线一带和东部偏南地区，U-RECC冷点区主要分布在鹤壁市西部。

（4）空间分异驱动机理。E-RECC的高高聚类区和热点分区与该区域的自然景观关联度较高，太行山风景名胜区和云梦山风景名胜区是鹤壁市主要自然名胜区，盘石头水库及沿淇河一带是鹤壁市主要生态廊道，该区域生态环境条件较优越，植被覆盖密集；E-RECC的低低聚类区和冷点分区与人口活动区域关联度较高，该区域人类活动密集，大多数土地都用于建设和耕作，因此生态条件相对较差。A-RECC的高高聚类区和热点分区与该区域的耕地分布关联度较高，与鹤壁市高标准农田具有较高重合性，该区域地势平坦，耕地资源充足，在发展农业生产方面容易形成集中连片的耕地；A-RECC的低低聚类区和冷点分区与该区域的地势交通关联度较高，该区域以山地为主，交通条件较差，人口稀少，因此大片区域都不适宜于农业耕作。U-RECC的高高聚类区和热点分区与该区域的建成城区布局关联度较高，区域内分布有鹤壁市中心城区，多条交通干线穿越其中，基础设施建设基本完善，在城镇建设方面发展程度较高；U-RECC的低低聚类区和冷点分区与该区域的地形地势关联度较高，该区域以山地为主，受长期自然降水侵蚀，该区域内易发滑坡、泥石流等自然灾害，白云岩及煤炭等矿产资源丰富，长期采矿活动导致区域内易发塌陷，由于地质条件较差，城镇建设难度较大，风险较高。