松嫩平原土地利用生态安全评价与预测

2014-09-27马玉妍马艳敏于万辉张丽娟

水土保持通报 2014年2期

马玉妍，马艳敏，于万辉，张丽娟

（1.黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室，黑龙江哈尔滨150025；2.哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨150025；3.吉林省气象科学研究所，吉林长春130062）

近年来，生态安全问题已成为国内外研究的热点［1－3］。土地利用生态安全（land use ecological security，LUES）是生态安全的重要组成部分。土地利用生态安全评价，是指针对土地利用的宏观结构调整与布局对环境与生态的可能影响做出的预测性评估，它对于避免规划造成的环境影响和维护区域生态安全有着重要意义［4］。国内一些学者［4－11］利用不同的方法对我国不同区域的土地利用生态安全进行了评价和分析。如范瑞锭［5］、曲青林［6］、吕建树［7］等在压力—状态—响应（PSR）模型框架下构建了福建、兰州、济宁等地区的土地利用生态安全评价的指标体系；王庆日［8］、张虹波［9］等拓展可拓理论构建了土地资源生态安全的物元判别模型，并以西藏和宁夏地区南部彭阳县为例进行说明；鲍艳［10］、罗贞礼［11］等则是对影响生态安全的主要指标进行聚类分析得到阜新市、湖南省各分区的土地利用生态安全分类情况，从而得到研究区生态安全水平的整体分布。

松嫩平原位于黑龙江省西南部和吉林省西北部，是东北三大平原之一。自20世纪50年代以来，松嫩平原开发和建设速度加快，成为我国重要的重工业基地、粮食生产和能源基地。然而，人类活动对自然环境的干扰强度日益增大，大面积开荒、垦建脱节、重用轻养、超载过牧、环境污染等均导致了生态环境的恶化［12］。汤洁［13］、白淑英［14］王宗明［15］等对松嫩平原土地利用变化及其对区域生态系统服务价值的影响进行了研究，但对松嫩平原土地利用生态安全风险时空变化评价和预测还缺乏相关研究。因此，对松嫩平原生态安全做出评价显得更为重要和迫切。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

研究中所用的松嫩平原1980，2000，2010年Landsat－5TM遥感影像，来源于中科院地面观测站，分辨率为30m。非遥感影像数据主要包括松嫩平原90m分辨率数字高程模型（DEM）以及国家基础地理信息系统中1∶400万的全国铁路、省级公路矢量图。

1.2 研究方法

1.2.1 空间动态变化、转移矩阵分析模型空间信息分析模型，测算动态变化速度和强烈程度。具体公式为：

式中：TRLi——第i种生态安全等级类型在研究时期的转移速率；IRLi——第i种生态安全等级类型的新增速率；CCLi——第i种生态安全等级类型的变化速率；n——区域内生态安全等级的类别数，i∈（1，n）；LAi，t1，LAi，t2——第i类生态安全等级在研究期初期和末期的面积；ULAi——研究期内第i种生态安全等级未变化面积；t1，t2——研究时段。

转移矩阵能够反映出生态安全等级变化的特征、结构与变化方向。转移矩阵的数学形式为：

式中：S——面积；n——生态安全等级数；i，j——研究初期与研究末期的生态安全等级。

1.2.2 综合指数评价法综合指数评价法综合考虑各个因子对总体对象的影响程度，把各个指标的优劣综合起来，用一个数值化指标加以集中，表示整个评价对象的优劣。表达式为：

式中：Cvj——评价因子的总值；Qvij——对于因子j的指标i（Qij≥0）；Wci——指标i的权重值（0≤Wci≤1），通过层次分析法（AHP）计算得出；m——评价指标个数。

1.2.3 层次分析法层次分析法是一种有效的决策思维方法。它把复杂问题“分解”成各个组成因素，用两两比较的方法确定各层次中诸要素的相对重要性，对所要解决的复杂问题的各项进行综合判断，得出各指标重要的总体顺序和其权重。

1.2.4 马尔可夫预测模型马尔可夫预测法，就是一种预测时间发生概率地方法。它是基于马尔科夫链，根据事件的目前状况预测其将来各个时刻（或时期）变动状况的一种预测方法。

2 结果与分析

2.1 松嫩平原土地利用分类

应用ERDAS—IMAGE 9.1对松嫩平原地区1980，2000，2010年TM影像进行土地利用分类，利用GIS将土地利用类型合并成7个一级分类，分别为草地、耕地、林地、水域、未利用地、建筑用地和湿地。并提取沙地、盐碱地、乡村居民点、城镇。以2010年土地利用（附图7）、乡村居民点、盐碱地为例。

2.2 土地利用生态安全风险指标体系的建立

决定土地利用生态安全的因素主要包括土地利用类型、影响人类生活便捷的交通、高程、坡度等，以及影响人类生活质量的距离沙地、盐碱地距离等。综合相关文献及松嫩平原实际，确定生态安全评价指标10个并进行分级，根据因子对生态安全造成不利影响的程度值赋予阻力值。由于各个指标在土地利用生态安全综合评价中重要性不同，利用层次分析法（AHP）确定各个因子的权重值。各因子阻力值及相对权重详见表1。

表1 土地利用生态安全指标因子赋值及权重

2.3 土地利用生态安全风险分级及评价

2.3.1 松嫩平原土地利用生态安全风险分级利用GIS对各指标数据进行处理并加权叠加得到生态安全综合评价指数500m×500m栅格图。

为更好地进行变深入化分析，根据生态安全综合指数状况进行等间距分级（表2）。分别得到1980，2010年松嫩平原土地利用生态安全风险等级格局分布图（附图8）。

松嫩平原土地利用生态安全风险在空间上呈现由东北向西南递增的趋势。东北部及东部边缘地区及流域附近多处于低风险区、较低风险区；西南部地区多处在中度风险区、较高风险区，局部及交通线附近地区处于高安全区。整体上看，黑河市、齐齐哈尔北部、绥化市北部、哈尔滨市生态安全水平优于齐齐哈尔市南部、绥化南部、大庆市、松原市、白城市、四平市、长春市。统计高、中、低风险等级面积，得到1980—2010年各生态安全风险等级比重变化情况（图1）。在所有风险等级中，较低风险区所占比重最大，在50%以上，其次为中度风险区、低风险区、较高风险区、高风险区。1980—2010年，低风险区逐步减少趋势，中度风险区、较高风险区、高风险区呈现先减后增的趋势，较低风险区为先增后减趋势。可以看出1980—2000年，各风险区面积均减少并向较低风险区转化，表明生态环境压力有所缓解。而在2000—2010年，低、较低风险区均减少明显，约占10%，向中、高风险转化趋势明显。

图1 1980－2010年松嫩平原土地利用生态安全等级比重变化

表2 松嫩平原土地利用生态安全风险分级标准

2.3.2 松嫩平原土地利用生态安全风险时空动态变化分析通过ArcGIS软件对1980，2000，2010年的生态安全等级矢量图进行数据融合叠加，得到生态安全等级类型的转移矩阵。并计算出各生态安全等级的未变化面积、转移面积和新增面积及转移速率、新增速率和变化速率，结果详见表3。

表3 松嫩平原生态安全的转移矩阵及动态变化率 km2

1980—2000年，高风险等级、较高风险等级、中度风险等级、低风险等级以转出为主，而增加明显的为较低风险等级，转移特征表现出松嫩平原的生态安全等级有缓解的趋势。2000—2010年，中度、较高、高风险等级的新增速率均明显大于转移速率，表明低、较低风险等级面积有所减少，中度、较高、高风险等级增加显著。

2.4 土地利用生态安全风险预测

提取研究期前期（2000年）和后期（2010年）生态安全等级的状态，各等级占总面积的比例量化表示为：

根据松嫩平原2000—2010年生态安全的转移矩阵和2000年初始生态安全等级状态计算得出两期生态安全等级类型变化转移概率矩阵。

生态安全等级转移概率的计算方法为：2010年生态安全等级类型的增加面积除以2000年向其转出的生态安全等级类型的面积总数，则为2000—2010年该生态安全等级类型的转移概率，其转移步长为10。从而得到2000年各类生态安全等级转变为2010年的各类生态安全等级的转移概率矩阵Pij。

根据A（n）以及松嫩平原2000—2010年生态安全的转移概率矩阵对松嫩平原生态安全进行预测。预测结果详见表4。

表4 松嫩平原生态安全预测表2020－2050年

从预测结果可以看出，松嫩平原仍以较低风险等级与中度风险等级为主体，占到总面积的85%以上，不过较低风险等级比重逐步减少，中度风险等级比重在增大。低风险等级与较高风险等级总体约10%，低风险等级比重逐步减小，较高风险等级比重逐步增加。高风险等级比重一直在1%以下，但是每10a增加约0.1%，面积逐步扩大。总体来看，未来40a内，松嫩平原生态安全等级结构恶化趋势明显，应当引起相关部门的注意。

3 结论

（1）松嫩平原土地利用生态安全风险在空间上呈东北向西南递增的趋势。东北部、东部边缘地区及流域附近多处于低风险区、较低风险区，而西南部地区多处在中度风险区、较高风险区，西南部地区的局部及交通线附近处于高安全区。

（2）从等级结构上看较低风险区所占比重最大，在50%以上，其次为中度风险区、低风险区、较高风险区、高风险区。1980—2000年，较低风险等级增加明显，其它等级以转出为主。生态环境压力有所缓解。而在2000—2010年，低风险区和较低风险区均减少明显，约10%，向中、高风险转化趋势明显。生态环境恶化趋势明显。

（3）预测表明2020—2050年松嫩平原中度风险等级、较高风险等级、高风险等级均表现出逐步递增，土地利用生态安全等级结构恶化趋势明显。

（4）1980—2010年，松嫩平原土地利用生态安全水平恶化趋势明显。究其原因主要是生态系统自身的脆弱性与人类活动强烈干预的结果。松嫩平原土地资源空前开发的历史，使得耕地面积增加的同时破坏了原有植被，土地风蚀、沙化、盐碱化日益加剧。1980—2010年，耕地面积增加了16 613.5km2，成为最主要的土地利用类型，比重接近60%。湿地、林地、草地均有所减少。湿地面积减少最为明显，减少了5.08%，同时由于城市化进程加快，建设用地面积、城镇居民点的分布增加明显。虽然20世纪80年代中期至今开垦高潮已过，国家生态退耕、森林保护等生态政策的实施，沙化土地面积基本得到控制，局部碱化土地有所改良，但速度缓慢，生态安全问题仍十分严峻。只有使该区域生态、经济和社会效益有机结合、相互协调，因地制宜地采取合理措施才能确保松嫩平原土地利用生态安全整体水平的恢复和稳定的发展。