基于GIS的玛沁县土地生态安全性评价

摘 要 基于遥感影像和社会经济统计数据，以P-S-R概念模型为框架，选取相应指标，构建了青海省玛沁县土地生态安全评价指标体系。在ARCGIS平台下，采用主成分分析法确定各指标权重，计算土地生态安全综合值，确定土地生态安全等级，最终形成玛沁县土地生态安全格局。结果表明：玛沁县土地生态安全处于恶化、风险、敏感、较安全、安全状态的比例分别为2.78%、15.54%、27.89%、12.22%、41.56%，玛沁县土地生态安全状况总体以敏感状态和安全状态为主。较安全与安全状态区域主要分布于玛沁县东部，西部地区土地生态安全状态以敏感和风险为主。鉴于玛沁县当前土地生态安全格局，提出需要加强生态环境保护力度与完善牧民社会保障措施等建议，为玛沁县土地生态可持续发展提供有益参考。

关键词 土地；生态安全性评价；主成分分析；GIS；青海省玛沁县

中图分类号：X87 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.25.010

知网出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/50.1186.s.20161010.0954.022.html 网络出版时间：2016-10-10 9：54：00

生态安全对于国家安全而言具有十分重要的作用，如果一个国家或地区的生态环境能够维系其社会经济各方面协调发展，就可以说该国家或地区的生态是安全的，反之，就处于不安全状态[1]。生态安全的基础便是土地生态安全。土地生态安全是指地球陆地表层岩土部分内，由各种有机物和无机物构成的生态系统的结构不受破坏，同时该生态系统为人类提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展的需要[2-3]。保证土地生态系统良性运行，才能为区域内生态环境系统的可持续发展提供保障，是区域生态安全稳定的重要组成部分。土地生态安全评价是土地生态安全研究的重要方面，并成为当前土地可持续利用研究的前沿阵地[4-6]。综合目前土地生态安全评价的方法主要有综合指数法、生态足迹法、BP神经网络法、物元分析法、主成分分析法、层次分析法、灰色系统评价法等[7]。建立土地生态安全评价指标体系的方法主要有PSR框架模型、DPSIR框架模型、自然-经济-社会概念框架模型[8-9]。叶亚平等从环境质量、环境影响程度以及环境适宜度3个方面，对我国部分（30个）省份进行了生态环境质量评价[10]；周华荣等以我国县域为准，构建了生态环境质量评价指标体系，对新疆生态环境质量进行系统评价[11]；杨春红等以经济特区汕头市为例，基于PSR模型构建土地生态安全评价指标体系，采用主成分分析法确定各项指标权重，对2001—2008年汕头市土地生态安全状况进行评价[12]；荣联伟等基于PSR模型框架构建土地生态安全动态评价指标体系，运用主成分分析法确定权重，对2001—2010年晋城市土地生态安全总体状况进行评价，并运用GM（1， 1）模型对未来土地生态安全状况进行预测分析[13]；王鹏等利用SPSS主成分分析法，针对2011年衡阳市生态安全状况，采用相关统计年鉴的数据资料，构建指标体系对其进行评价，并提出相关建议[14]；裴婷婷等以白银市为例，运用PSR模型和层次分析法构建土地生态安全评价指标体系，结合熵权法与特尔菲法测算各指标权重，并运用综合指数界定了白银市土地生态安全的等级[15]；杜忠潮等基于PSR模型，从土地自然资源现状、土地社会经济环境压力和人文影响三方面选取相关指标构建评价体系，利用SPSS软件主成分分析法对陕西省10个省辖区的土地生态安全进行了定量研究[16]。综合国内外学者对土地生态安全评价的研究成果来看，研究范围主要位于我国社会经济比较发达的中东部地区，针对西部地区特别是自然生态环境十分脆弱的青藏高原地区则研究成果较少；此外，对研究区域进行土地生态安全评价多是采用SPSS等统计软件进行量化分析，不能得到土地生态安全的空间分布信息，有关土地生态安全评价的空间分析研究尚显薄弱。

本文的研究区玛沁县地处三江源国家自然保护区核心地带，属于典型的牧业区，生态系统异常敏感和脆弱，也是黄河重要的流经区域与水源涵养地，其特殊的自然地理条件，使得对其土地生态安全进行研究有了特殊的意义。玛沁县生态区位十分重要，任何微小的变化都足以牵动整个三江源地区乃至黄河流域的生态变化，是国家生态环境建设的重点地区[17]。

本文基于2013年玛沁地区卫星遥感影像以及各项社会经济统计数据，采用PSR模型构建玛沁县土地生态安全评价指标体系，结合主成分分析法确定权重，利用GIS和RS技术研究2013年玛沁县土地生态安全状况，为玛沁县的土地资源合理分配及其生态环境建设提供理论依据与基础数据。

1研究区概况

玛沁县位于东经98°～100°56’，北纬33°43′～35°16′，地处青海省东南部，果洛藏族自治州东北部，东部与甘肃省玛曲县毗连，北部与海南藏族自治州同德县、兴海县相邻，西与玛多县、达日县接壤，南与甘德县相连，系国家级“三江源”生态保护区。全县总面积1.34万km2，其中草场面积117.57万hm2，可利用草场面积108.53万hm2，占草场面积的92.3%。属典型的高原山地类型，平均海拔4100 m以上。

2数据来源及研究方法

2.1数据来源及处理

本研究数据来源主要包括2013年8月11日的美国 Landsat 卫星TM遥感影像数据以及DEM高程数据，空间参考都处理为WGS-84坐标系。非遥感数据主要包括青海省测绘局发布的1∶280000玛沁县地图、青海1∶250000数字化地图、玛沁县统计年鉴以及青海省国民经济和社会发展统计年鉴等官方统计资料（表1，图1～图5）。对遥感影像进行处理的软件均采用ArcGIS10.0与ENVI5.1。

在数据处理过程中，对遥感数据主要采取几何校正、图像镶嵌、图像裁剪以及大气校正，从而获得玛沁县地物真实反射率；对非遥感数据的处理，在GIS平台下，结合玛沁县周边县市相应指标数据，将各项指标进行插值处理，利用玛沁县掩膜数据进行裁剪，得到相应数据。对所有数据的处理均转换成栅格数据结构，以便在GIS平台下进行地图代数的运算与评价模型的分析。

2.2研究方法

本研究采用P-S-R概念模型，即压力（pressure）-状态（state）-响应（response）模型，该模型是由联合国环境规划署（UNEP）与经济合作开发组织（OECD）共同建立的。该模型具有清晰的因果联系，即人类活动对环境施加一定压力，环境状态因此发生变化；而人类应对环境变化所做出的响应，可以恢复自然环境或遏制环境退化。在P-S-R框架模型中，“压力”指标指人类活动对环境的压力，“状态”指标指自然环境当前的状态或趋势，“响应”指标指人类面临环境问题所采取的对策。这3个环节紧密联系，构成土地生态安全研究的不同侧重点，具有较强的系统性[16]。

3玛沁县土地生态安全评价

3.1指标体系构建

土地生态安全评价指标体系的选择要遵循科学性、目的性和实用性等原则[12]。选择的评价指标能够客观反映土地生态系统所呈现的状态，包括自然因素、社会经济因素以及政策因素等。本研究根据玛沁县自然地理条件实际状况，并结合当地社会经济统计数据，在参照国内外相关生态安全评价研究的基础上建立了P-S-R框架模型，采用能够体现玛沁县土地生态安全的15个要素，其中压力指标5个、状态指标6个、响应指标4个，建立了玛沁县土地生态安全评价指标体系（见表2）。

3.2指标标准化

在涉及不同领域指标的评价体系中，普遍会出现各指标具有不同的量纲和数量级。如果不同性质的指标间数值有较大差异时，不经处理而直接用真实值进行比较分析，势必导致某些真实值大的指标在评价过程中的作用被过高估计，同时减弱了值域范围小的指标的作用。

为去除指标量纲和度量方式上的差异，保证各指标要素之间的公平性及合理性，本文使用极差标准化方法对各指标进行无量纲化处理，具体过程如公式①和②。

正向指标： ①

逆向指标： ②

式中，X′i 表示第i个指标标准化后的值，Ci表示第i个指标的真实值，Cimax和Cimin分别表示第i个指标的最大值和最小值，各项指标标准化均在在ArcGIS中使用栅格计算器完成。

3.3指标权重确定

在将各项指标标准化的基础上，运用ArcGIS10.0的GRID模块的PRINCOMP函数完成主成分分析。主成分分析就是通过一系列数理运算，将原始具有一定相关性的众多指标，重新组合成新的、互无相关的综合指标[18]。主成分分析将多元变量归结为较少的一些变量，实质上是一个降维的过程[19]。ArcGIS10.0计算的各主成分结果如表3所示。

由表3可知，前三项主成分的累计贡献率已经超过了85%，达到了90.26%，能够涵盖原先15项指标的大部分信息，所以将前3项作为主成分因子作进一步分析，在确定特征向量时只需要计算原先各指标与前3项主成分相对应的特征向量，结果如表4所示。

方差贡献率揭示了相应成分贡献率的波动情况，其值越大，表明该主成分越重要。因此，方差贡献率可以理解为相应主成分的权重。而原始指标基本涵盖在已确定的主成分中，所以指标系数可以通过以主成分方差贡献率为权重，对指标在主成分的线性组合中的系数做加权平均来求取。

③

③式中，xi为第i个指标的系数，αij为第i个指标在第j个主成分中对应的特征向量，Rj为第j个主成分，n为主成分的个数。各指标系数如表5。

由于所有指标的权重之和为1，所以指标权重需要在综合模型中指标系数的基础上进行归一化处理，最终结果如表6。

3.4土地生态安全综合值计算

通过P-S-R框架模型构建玛沁县土地生态安全评价指标体系，在各个指标标准化并确定权重的基础上，可以计算出玛沁县土地生态安全综合值。加权指数法目前应用广泛，而且操作简单，具有较强说服力。本研究将玛沁县土地生态安全各项指标进行综合分析，采用线性加权指数方法计算玛沁县土地生态安全综合值[20-21]。计算公式如下：

④

④式中，S为土地生态安全综合指数；pi为各个土地生态安全评价指标的安全指数，wi为土地生态安全评价指标i的权重；n为评价指标总个数。结合已经获得的各个指标数据及确定的权重，计算玛沁县土地生态安全综合值。一般来说，S值越大，表明土地生态安全综合指数越高，生态系统越稳定；S值越小，表明土地生态安全综合指数越小，生态系统趋于恶化。

本研究对每个评价单元计算结果的输出使用GRID格式的栅格数据，像元大小为30 m×30 m，地理坐标系使用GCS_WGS_1984，利用ArcGIS 10.0中Spatial Analyst模块下的地图代数功能，计算玛沁县土地生态安全综合指数。

计算所得的土地生态安全综合值数介于0～1，为了反映出玛沁县土地生态安全状况，需要对土地生态安全综合值设定评判等级。评判等级的设定需要按照实用性的要求，同时考虑人们对分数等级优劣档次的认知习惯，在借鉴已有的研究成果，结合考虑玛沁县土地生态系统实际状况的基础上，以非等间距的方式将玛沁县土地生态安全划分为恶化、风险、敏感、较安全、安全5个等级，并将5个等级的系统特征进行描述，得到玛沁县土地生态安全标准综合评判集（表7）。依据综合评价结果和等级判别标准，描绘2013年玛沁县土地生态安全示意图（图6）。

4结果与分析

4.1评价结果

根据统计结果分析，2013年玛沁县土地生态安全综合指数范围在0.3754～0.7084。生态安全状况以敏感和安全为主。其中，土地生态安全状况呈恶化状态的区域占比2.78%，面积为373.07 km2；风险状态区域占比15.54%，面积为2028.41 km2；敏感状态区域占27.89%，面积为3737.48 km2；较安全状态区域占12.22%，面积为1638.12 km2；安全状态区域占41.56%，面积为5568.92 km2。较安全与安全状态区域总占比达到53.78%，面积总和为7207.04 km2，恶化与风险状态区域总占比18.32%，面积总和为2455.48 km2，较安全与安全区域总面积远远超过恶化与风险区域总面积，表明玛沁县土地生态安全综合状况良好，自然生态环境得到切实保护。

从2013年玛沁县土地生态安全示意图可以看出，玛沁县土地生态安全状况呈现出较为明显的地带性变化。以位于玛沁县西北部的下大武乡、雪山乡为界，东部地区的土地生态安全状况主要以较安全与安全为主，主要分布于东倾沟乡、大武乡、大武镇、拉加镇以及切木曲、洋玉、德科河三大林场地区，该地区海拔较低，坡度较缓，沟谷地区有河流经过、年降水量多、气温适中等自然条件，适宜植被生长，植被覆盖度高，故生态安全状况良好；在界限以西以南等大部分地区，土地生态安全状况主要以敏感与风险为主，西部边缘山地的土地生态安全呈现恶化状态，该地区海拔较高，平均海拔均在4000 m以上，且多为高山沟谷，坡度较大，年降水量少，气温较低，自然条件恶劣，不适宜植被生长，植被覆盖度低，土壤侵蚀强度大，土地生态系统脆弱性高，土地生态安全状况亟待改善。

4.2对策建议

从玛沁县土地生态安全总体状况可以看出，影响玛沁县土地生态系统状态的因素主要为自然原因，但人类的活动与影响也同样重要。建议从2个方面对玛沁县土地生态安全实施保护。

（1）加大生态保护与建设力度。玛沁县位于三江源国家生态保护建设示范区，其生态区位的重要性对于整个青藏高原而言尤为突出，玛沁县的切木曲、洋玉、德科河三大林场是重要的林木产出地，更是多条河流的水源涵养地，对于生态环境的重要性不言而喻。对玛沁县土地生态退化地区要加强退化草地的恢复，并采取有效措施保持原有草地生态系统的稳定性，加强绿化造林工作，减少人类活动的干预和影响，促进玛沁县土地生态安全呈现良性发展。

（2）完善玛沁县牧民的社会保障措施。玛沁县是一个藏民族聚居的纯牧业县，是典型的牧业区，放牧是玛沁县很多牧民的唯一收入来源，在建设三江源国家生态保护区时，应充分考虑解决牧民生活来源这一重要问题。应当根据玛沁县地理位置、资源条件，并结合广大牧民具体生活实际，集中扶持具有当地特色及发展潜力的产业，转变牧民生产生活方式，增强广大牧民自我发展能力。充分发挥特产商贸、农牧产民加工等行业的优势，帮助牧民实现收入增加、生活改善，充分调动广大牧民参与生态环境保护的积极性与主动性，促使广大牧民能够享有持续健全的社会保障。

5结论与讨论

土地生态安全是整个生态系统安全的基础，关系到人类社会的可持续发展，对于土地生态安全的保护必须落到实处。土地生态安全评价能够反映研究区内土地生态系统的综合状况，识别研究区内土地生态存在恶化风险的区域，为土地资源的可持续利用与科学规划提供依据。本研究基于ArcGIS10.0平台，采用P-S-R框架模型，结合玛沁县实际情况，选取了反映玛沁县土地生态安全状况的15个指标，对玛沁县土地生态安全进行了综合评价与分析，得出玛沁县土地生态安全状况总体呈现良好态势，比较准确地反映了玛沁县土地生态安全格局，为进一步进行玛沁县土地利用调控提供了基础数据。

健全完善的指标体系与科学有效的评价方法是进行土地生态安全评价的基础与保障，同时也是土地生态安全评价的重点与难点，然而受到数据可得性以及数据连续性等因素的制约，本研究的评价指标体系以及评价方法还有待拓展与深入分析。另外，本研究只反映了土地生态安全的静态格局，缺乏对土地生态安全的阶段性与动态性分析，需深入探索土地生态安全的动态评价方法，才能实现更进一步地评价研究区的土地生态安全状况，为区域土地生态安全的动态监测做好准备。

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（责任编辑：丁志祥）