广西左右江革命老区土地利用空间变化的生态风险测度

毛碑裙 毛丹 韦燕飞 童新华

[摘要]随着经济的快速发展，土地利用变化越来越活跃，区域生态安全受到威胁，开展山区生态风险测度对区域生态建设和可持续发展具有重要意义。以广西左右江革命老区为研究范围，基于GIS和RS技术，构建土地利用动态变化空间分析模型，结合土地利用转移矩阵，引入土地生态风险指数、土地利用变化综合生态风险度，对研究区土地利用变化及其生态风险进行测度和分析。结果表明2010～2015年期间：（1）研究区主要在草地、耕地、林地、建设用地等地类间剧烈转化，土地利用结构发生改变;（2）经济快速发展、建设用地不断扩张、人口密度和粮食需求量增加，导致土地生态系统、景观格局稳定性下降，土地生态风险发生率变大;（3）研究表明生态风险指数和土地利用的综合生态风险度结论一致，均呈上升趋势，土地利用程度综合指数和耕地垦殖指数增大，景观多样性和植被覆盖指数减小，研究区生物多样性和生态安全受到威胁，生态风险程度呈上升趋势。

[关键词]土地利用变化;生态风险;空间变化;GIS;广西左右江革命老区

[中国分类号]F301[文献标识码]A

人类活动及其对土地利用的方式与生态系统的稳定相关联，土地利用空间变化，在一定程度上影响土地资源的结构与类型以及区域生态环境安全。国家非常重视广西的发展及如何保护广西的生态环境，各相关部门于2016年共同讨论制定了《岩溶地区石漠化综合治理工程“十三五”建设规划》。此外，通过编制和实施2006～2020年全国各级土地利用总体规划，使得广西各地区的土地利用变化明显，针对石漠化山区，对土地利用空间变化及土地生态风险的研究也引起了人们的重视。

随着科技的发展、时间的推移、生态系统的变化，越来越多的人开始关注因土地利用变化而产生的生态风险，尽管我国较晚开始研究土地利用变化和生态风险的相互关系，但是现在已经引起了学术界的关注，纵观国内外开展的针对性研究，很多研究发现，土地利用的作用和强度，可能影响生态系统之间可用资源的相互转化。彭文君等对贵州省晴隆县石漠化山区1988～2016年土地利用空间上的变化及其对土地生态产生的风险进行研究。杨勇等基于西安市长安区1985年、2000年和2013年的遥感数据，借助GIS和RS技术，结合生态风险相关指标和模型评价研究区的生态风险。马彩虹等凭借GIS技术，分析了黄土台源区土地资源开发利用的恃征与土地利用生态风险分布情况，并提出建议。刘亚等分析了西峡县1990～2005年15年间土地利用和生态风险的变化特征以及两者的关系。程丽华等运用土地利用指数和景观指数评价1999～2009年广西岑溪市的土地生态风险。彭青青等利用熵权法计算黄石市各区域各地类的生态风险参数，研究黄石市的土地生态风险。L.L.Ubugunov验证了采用风险分析技术对荒漠化进行生态评价的可行性。Paukert等通过生态风险指数和景观分析，得到区域生态风险的情况。Valicla等分析流域的生态风险变化，研究区域生态安全。对于生态风险的相关研究，主要集中在生态风险变化为何是因为土地利用而引起的，这些研究成果为项目的研究提供了较好的借鉴，但对所选研究区域的研究较少，大多分析研究城区、道路、水域等区域，对石漠化地区土地生态风险的研究较少。因此，针对石漠化山区，研究土地利用空间变化及土地生态风险是十分必要的。本文以此为切入点，借助RS和GIS技术，构建相关模型和指标体系—土地利用空间分析模型和生态风险评价体系，进而对土地利用变化的生态风险进行测度，反映土地生态风险动态变化的状况，为区域土地生态环境的管理和保护石漠化地区生态安全提供借鉴。

1    研究区概况

广西左右江革命老区位于广西西南部，介于104°28′～109°09′E、21°36′～25°37′N间，包含南宁市的隆安县和马山县及百色市、河池市、崇左市，是集革命老区、少数民族地区、边境地区、大石山区、贫困地区、生态保护重点区域、资源富集区和城镇带重点发展区域多种社会经济功能交织的特殊区域。因其是亚热带季风气候，所以该区炎热时期偏长，寒冷时期较短，寒苦恶劣天气较少，光照和雨量相对来说较为充足。该地区地形复杂，地貌类型主要由山地、平原、丘陵组成，是中国较为突出的喀斯特地区，生态环境优势、区位优势、动植物和农业特色资源优势明显，土地利用空间格局变化显著，生态环境问题突出。该区域土地总面积为9.17万hm2，2014年底左右江革命老区总人口为1177.17万人，生产总值达到2270.1亿元，这归功于其充分利用独特丰富的资源，大力发展生态旅游、种植特色果树、药材或娱乐休闲等产业。还有区域内多民族聚居，少数民族人口占总數人口的83%。研究区位置示意图如图1所示。

2    数据来源与研究方法

2.1    数据来源

本文的数据主要来源于地理空间数据云平台与《广西统计年鉴》。在地理空间数据云下载研究区2010年和2015年Landsat影像，结合ENVI5.1遥感影像处理软件进行预处理，流程为辐射定标、大气校正、拼接与裁剪。应用监督分类与目视解译相结合的方法将土地分为六类：林地、草地、耕地、水域、未利用地和建设用地，并进行精度评价，其总体精度及Kappa系数分别达到0.90，0.86。然后用ArcGIS10.2，对研究区2010年、2015年两期遥感影像提取研究所需的土地利用类型的数据，将所得的两期类型图进行融合、叠加分析处理，再经栅格计算器计算出土地利用类型面积转移矩阵，为测算土地利用类型的空间转化率、土地生态风险指数和土地利用变化的综合生态风险度奠定基础。

2.2    研究方法

2.2.1    土地利用动态变化空间分析模型。土地利用动态变化的空间分析模型可以准确的测算土地利用类型在某个时段变化的活跃程度，本文利用该空间分析模型分析在研究期土地利用类型的新增部分和转移部分如何变化及两者的变化速率为多少。计算公式如下：

IRLn=100%                                 （1）

TRLn= 100%                                     （2）

CCLn=100%=IRLn+TRLn  （3）

上述公式中：代表研究初期（2010年），代表研究末期（2015年）;IRLn为第n种地类的转入速率;为2015年第n种地类的面积;为研究期间第n种地类未变化部分的面积;是研究期间第n种地类新增部分面积，TRLn为第n种地类的转出速率;是研究期间转移部分的面积;CCLn为第n种土地利用类型的空间变化速率。

2.2.2    土地利用空间变化率指数。 计算某地类空间变化程度时可用土地利用空间变化率指数，前面引用的空间分析模型同时分析了新增和转移变化过程，并计算它们的变化速率，但是不能体现各地类的相互变化程度，所以，土地利用空间变化率指数能弥补不足，进而分析研究期间各地类间的相互变化情况。其计算公式如下：

Fn

Fn =                                                              （4）

上述公式中：分别表示研究初期和研究末期的时间，Fn是第n种地类的空间变化率指数;A是研究区的面积;是研究期间该类型土地的总变化量。

2.2.3   土地生态风险指数。基于左右江革命老区2010、2015年的遥感影像数据，按照各地类面积比重，运用土地生态风险指数，关联土地利用和生态风险，以反映综合生态风险。其计算公式如下：

RE =                                                                        （5）

上述公式中：m是土地利用类型的数量，RE是土地生态风险指数;是研究区的总面积;指第n种地类总面积;是第n种地类的生态风险强度系数。通过参考相关文献，确定生态风险强度系数为：林地0.14、草地0.16、耕地0.32、建设用地0.72、未利用地0.82、水域0.45。

2.2.4    土地利用變化综合生态风险度的指标选取。选取六个土地利用指标及景观指标对土地利用变化的风险度进行分析，其中土地利用程度分级指数参考学者刘纪远研究，确定为：未利用地为1，草地、林地、水域为2，耕地为3，建设用地为4。各指标的详细信息如表1。

3    结果与分析

3.1    土地利用动态变化的空间类型

运用Arcgis10.2中的工具箱中栅格计算器处理广西左右江革命老区2010年和2015年的土地利用数据，得到广西左右江革命老区2010～2015年的土地利用面积转移矩阵，以及该区近5年来32个县的土地利用类型变化情况。

2010～2015年间，大量草地转为耕地的地区有德保县、田阳县、扶绥县、那坡县、靖西县、宁明县、大新县、宜州市、罗城仫佬族自治县、环江自治县、大化瑶族自治县等;草地转为林地的地区主要有隆林各族自治县、宁明县、右江区、田林县、都安瑶族自治县、田东县、大化瑶族自治县、南丹县、大新县、环江毛南族自治县、天峨县等;草地转为建设用地的主要地区有扶绥县、宁明县、凭祥市、右江区、靖西县、金城江区、罗城仫佬族自治县等;大量林地转为耕地的地区主要有德保县、田阳县、靖西县、平果县、田东县、扶绥县、环江毛南族自治县、江州区、罗城仫佬族自治县、龙州县、宜州市等;林地转为建设用地的地区有右江区、江州区、扶绥县、田阳县、平果县、宁明县、宜州市等;田林县、乐业县、隆林各族自治县等地区的耕地转为林地，还有许多县域的水域、林地、耕地相互转换。左右江革命老区的草地、林地、耕地、建设用地等四种土地利用类型相互转换较为剧烈。

由图2中各地类的转移去向和新增来源的转化率可知，研究期间，左右江革命老区草地转移去向占地类总减少面积的比重最大，高达67.96%，大部分转为耕地、建设用地及林地，但是其新增来源仅有7.68%，林地转移去向占比为22.18%，水域、未利用地所占比重小;新增来源占新增总面积的比重由大到小依次为林地、耕地、草地、建设用地、水域、未利用地，其中林地有66.95%、耕地有23.18%，林地虽然转移去向相对也较大，但因其新增来源所占比重最大且高于转移去向，所以林地面积整体还是增加的。建设用地新增和转移占比为1.61%和0.73%，未利用地和水域无明显变化。总体而言，研究区的林地、草地、耕地间转化率较大，水域、建设用地、未利用地间转化率基本不变，耕地、建设用地、林地的扩张，说明研究区近5年来经济快速发展，着重发展特色种植业，人民生活质量得到改善，建设用地需求量增加，且退耕还林的政策取得实效。

3.2     土地利用类型面积转移矩阵分析

通过栅格计算器计算得到2010～2015年左右江革命老区土地利用类型变化的面积转移矩阵（表2），最后利用Arcgis10.2制作2010～2015年土地利用转移信息图（图3）。分析可知，2010～2015年以来，研究区的耕地、建设用地、林地的面积增加，相反地，草地、水域面积变小，未利用地基本不变，但也呈减少趋势。重点体现在：占用大量的林地用于建设各类建筑或种植农作物，即林地→建设用地和耕地;大量垦草种植或修建房屋，表现为草地→耕地、建设用地、林地;退耕还林使得研究区耕地向林地和草地转变;因各地区存在修建水坝、渠道、桥梁和建设蓄水工程等现象，出现了水域→建设用地这一转化形式;还有部分水域转为林地和耕地，是因为区域的一些河流因为水位下降而出现中心洲和有部分居民在河边的河床处种植粮食。

3.3    土地利用动态变化的空间特征

根据公式（1）、（2）、（3）计算研究区域的土地利用类型的空间变化速率（表3），2010～2015年左右江革命老区林地、耕地变化较活跃，空间变化速率分别为46.94%、31.70%，转入速率分别为33.97%、21.37%，林地的轉出速率比耕地大，草地的转出速率最快，达到19.56%，但转入速率仅有1.28%，然后依次为林地、水域、未利用地、建设用地。研究区的林地、耕地空间变化最为强烈，可见，研究区域城镇化发展快，建设用地扩张，特色产业发展等都依靠草地、林地、耕地的转化。

3.4    土地利用类型空间变化的剧烈程度

由公式（4）计算、分析可知，2010～2015年左右江革命老区的草地变化最为强烈（表4），变化率高达13.57%，林地、耕地、水域、建设用地、未利用地变化依次减弱，分别为9.79%、3.76%、0.18%、0.14%、0.03%，林地、耕地面积变大，无明显变化的有水域、建设用地和未利用地，特别是未利用地。说明扶贫政策和西部大开发等契机使得研究区的休闲、红色、绿色旅游业和芒果、核桃等种植业迅速发展，各种基础设施系统完善，林地、草地、耕地等地类相互转化越来越活跃，空间变化越来越显著。

3.5    土地生态风险空间分析

由公式（5）计算得到2010年、2015年研究区各县域的土地生态风险指数（表5），近5年来有9个县区的土地生态风险指数是下降的，其他21个县都呈上升趋势，还有两个县的风险指数值没有发生变化，扶绥县、隆安县、江州区、田林县的风险指数变化较大。虽然各县区的风险指数波动不大，但是整体是上升的，还需要人们共同保护土地生态安全，改善环境质量。

根据自然间断点分级法，结合本文计算所得的土地生态风险指数值，将其划分为五个等级，分别为低（0～0.0119）、较低（0.0120～0.0157）、中（0.0158～0.0194）、较高（0.0195～0.0244）、高（0.0245～0.0406）五个级别，通过Arcgis10.2软件分析处理得到2010年和2015年左右江革命老区各县域的土地生态风险空间分布图（图4）。各县两个时期变化不算特别明显，2010年有7个县域处于低生态风险级，9县域处于较低生态风险级，5个县域处于中等生态风险级，9个较高风险级，其余5个县域处于高风险级，末期低生态风险级县域减少2个，较低、高生态风险级均减少1个，中等、较高风险级县域分别增加1个和3个，其中田林县从高等生态风险级变成较高生态风险级，隆安县从中等风险级变成较高风险级。虽然各县域的土地生态风险空间分布图显示有少部分县域的生态风险等级下降，但石漠化面积还很大，生态环境质量也较差，需要相关部门制定一些有针对性的措施提高环境质量。

由于部分地区过度开发矿产资源，且土地利用变化主要只体现在草地、林地、耕地、建设用地等地类间的剧烈转换，城镇化扩展较快，各类建设规划不够合理，研究区的生态较为脆弱，发生土地生态风险机率较高。

3.6    土地利用变化的综合生态风险度分析

根据所选的三个土地利用指数和三个景观指数分析：土地利用综合指数、耕地垦殖指数、景观破碎度越大，则风险程度也越大，计算时取正号;植被覆盖指数、景观多样性和景观优势度指数越大，风险度越小，计算时取负号。最后将这六个指数归一化，求和便可得到研究区2010年、2015年土地利用变化的综合生态风险度，如表6所示。

2010～2015年研究区的生态风险度由0.838增加至2.448，表明研究区的生态风险程度呈上升趋势。

（1）土地利用程度综合指数增加。近5年来，研究区发展迅速，环山路和基础设施不断增加，各种经济活动离不开土地资源开发利用，所以在人类活动干扰下，研究区的土地利用程度综合指数增加。

（2）耕地垦殖指数增加。石山区的人均耕地少，当地居民大量开荒耕种，随着科学技术的发展，耕种方式有所创新，“小块并大块”模式得到推广，且财政投入资金加大，对农民起激励作用，所以研究区开垦种植的面积不断增加。

（3）破碎度指数增加。因为人类活动强度的增加，原本同一地类相连接的大片面积被分割多个斑块，研究区建设用地的斑块数增加最多，草地斑块面积减少幅度最大，导致生态风险强度增加。

（4）植被覆盖指数减小。因城市化发展，建设用地占用了很多草地，农民过度的开垦草地种植粮食或果树，草地面积大幅度减少，土地利用方式不合理，此外，人类的乱砍滥伐和过度开采，使植被受到重创，数量越来越少，所以研究区植被覆盖率下降，生态环境问题日益突出。

（5）多样性指数减小。景观多样性反映了景观的复杂程度，与生产力水平、物种分布、生物多样性等密切相关，研究区的景观类型较为单一，会影响生物多样性和区域生态安全。

（6）优势度指数减小。受人类活动的影响，研究区各类景观类型以及所占的比例差异都发生了变化，建设用地景观的扩张，草地景观类型面积占比减少，景观格局稳定性下降，生态风险发生几率变大。

4    结论

本文基于ENVI5.1监督分类方法获得土地利用变化数据，通过Arcgis10.2、Fragstats4.2等软件，构建土地利用动态变化空间分析模型和生态风险评价体系，对广西左右江革命老区的土地利用变化时空特点、转化过程以及生态环境演变规律进行研究分析和总结归纳，为保障区域生态安全提供参考。

（1）通过分析土地利用变化时空特点和转化过程可知：2010～2015年左右江革命老区县域土地利用类型主要在林地、草地、耕地、建设用地间相互转化十分剧烈，总体变化体现为林地、耕地、建设用地面积不断增加，草地面积急剧减少，未利用地、水域变化不显著，呈减少趋势，究其原因，第一是喀斯特石漠化地区可利用耕地少，人们大量毁林毁草用于种植和建房，或靠砍伐树木改善生活水平;第二是2012～2015年广西石漠化综合治理的工作方案中讲到要推进贫困多石山区的经济发展，对部分石漠化地区进行了土地、河域整治;第三是研究区以西部大开发和扶贫政策为契机，加快城镇化进程、旅游业发展、大量种植果树，及实施退耕还林等政策。

（2）通过分析土地生态风险空间变化可知：2010～2015年左右江革命老区有65.63%的县域土地生态风险值增加，28.13%的县域土地生态风险值减少，生态风险指数整体增加，且石漠化地区裸岩多，土地贫瘠，水源逐渐枯竭，植被难生长，自然灾害多发，会导致土地结构恶化、森林植被和种群数量减少、人地矛盾加剧、经济发展受阻碍等，虽然近年来研究区石漠化等级有所好转，但石漠化面积仍很大，综合治理面临新挑战，总而言之，研究区土地生态系统、景观格局稳定性下降，生态安全受威胁，生态环境问题突出，生态风险发生率变大。为了保障研究区生态安全，应该因地制宜，合理开发土地等自然资源，结合区域特色，发展种植核桃或芒果+农作物或珍贵药材、特色农业+观光旅游等产业，调整土地利用结构布局，降低土地生态风险发生率。

（3）通过分析土地利用变化的综合生态风险度可知：区域土地利用的综合生态风险度呈上升趋势，具体表现为景观多样性、景观优势度、植被覆盖指数减小，耕地垦殖指数也增大，土地利用程度綜合指数则增大两倍，反映研究区生态系统日趋脆弱、人地矛盾突出、区域生态安全问题愈演愈烈、人口—环境—经济发展恶性循环，这与石漠化带来的危害有关，也与研究区经济快速发展、建设用地不断扩张、各类用地分布不合理、人口密度增加、粮食需求量增加、各种体制不完善等有关。

土地利用变化的综合生态风险度和前面的土地生态风险值研究结论一致，表明本文所用的研究方法是科学合理且可行的。若要改善区域生态环境，降低土地生态风险，就得合理的开发利用土地、矿产、自然生态等各种资源，调整土地利用结构，完善各项机制，保障区域生态安全;城镇发展要合理规划，控制建设用地密度;广泛推广一些取得实效的治理模式，调动农民积极性，提高土地生产力;利用区域特色和区位优势，发展生态旅游、特色农业和畜牧业;实施占补平衡、退耕还林、封山育林等政策;重视经济、环境、生态三效益统一和生态文明建设，实现可持续发展。

[参考文献]

[1] 彭文君，舒英格.基于GIS的石漠化山区县域土地利用空间变化的生态风险测度[J].水土保持研究，2017，25（1）：343-348.

[2] 杨勇，任志远.城市近郊区土地利用生态风险评价——以西安市长安区为例[J].土壤通报，2015，46（3）：520-524.

[3] 马彩虹.基于GIS的黄土台塬区土地资源开发利用与生态风险分析[D].陕西：陕西师范大学，2013.

[4] 刘亚.县域土地利用变化与生态风险研究——以西峡县为例[D].郑州：华北水利水电大学，2017.

[5] 程丽华，曾春阳，郭文娟.基于土地利用变化的生态风险评价—以广西岑溪市为[J].山东国土资源，2011，27（7）：53-56.

[6] 彭青青.资源型城市土地利用生态风险评价—以黄石市为例[J].环境与可持续发展，2017，6：174-176.

[7] Ubugunov L L，Kulikov A I，Kulikov M A.On the application of risk analysis technology for assessment of the ecological hazard of desertification （by the example of Republic ofBuryatia）[J].Contenmporary Problem of Ecology，2011，4（2）：178-185.

[8] Paukert C P，Pittier J B.Development and assessment of a landscape-scale ecological therat index for the lower Colorado River Basin[J]. Ecological lndicators，2011，11：304-310.

[9] Valicla l，Tomasky G，Hauxwell J，et al.Producing sustainability management and risk assessment of land-derived nitrongen loads to shallow estuaries[J].Ecological Application，2000，10：1006-1023.

[10] 杨永峰，孙希华，王百田.基于土地利用景观结构的山东省生态风险分析[J].水土保持通报，2010，30（1）：232-235.

[11] 刘纪远.数字国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究[J].遥感学报，1997，1（3）：225-230.

[12] 李鑫. 基于3S的土地利用生态风险评价研究——以升金湖国家自然保护区为例[D].安徽：安徽农业大学，2014.