重庆市江津区土地利用变化及其生态风险评价

杨成波， 刘秀华

(西南大学资源环境学院，重庆 400700)

土地利用是人与自然交叉最为密切的环节，土地利用变化将带来景观格局的改变，直接影响生态系统的结构和功能，因而土地利用变化被认为是对生态环境影响最为重要的变化之一[1]，合理的土地利用方式可以实现资源的最优配置，不合理的土地利用方式将给生态环境带来风险。所谓生态风险是指环境自然变化，尤其是人类活动导致的自然环境物理破坏引起的不良生态效应的或然性、可能危险性[2]，具有复杂性、客观性、不确定性等特征。生态风险评价是指在一种或多种外界因素的影响下，对发生或正在发生的不利于生态系统稳定和良性循环的生态后果进行评估。

目前，针对土地利用变化，国内外大多数学者将研究重点放在土地利用变化及其驱动因素分析[3]、土地利用变化特征与趋势预测[4]以及土地利用变化与经济发展的关系等方面，如曹银贵等根据遥感影像图，利用地理信息系统(GIS)技术对三峡库区近30年土地利用类型的数量、空间分布及变化趋势进行研究，总结出了三峡库区土地利用的时空变化特性，其研究对库区的土地利用规划具有指导意义[5]。胡明等通过对陕西省安塞县土地利用变化和当地的经济发展进行研究，总结出当地的耕地面积虽然呈减少趋势，但高技术、高产量农产品的增加促进了当地经济的发展，加上以林地为代表的具有良好生态效益的土地利用面积的扩大促进了第三产业的发展，进而加快了当地的城镇化水平[6]。而国内外对土地利用变化的生态效应研究还较为薄弱。我国的风险评价工作起步较晚，虽然在化工项目与易燃、易爆、有毒化学品等方面做过大量的工作，但针对由土地利用变化所引起的生态风险评价等方面的研究还较少。随着人口增加以及工业化、城镇化的快速推进，土地利用格局会随着人类对土地与日俱增的需求而发生变化，从而引起生态系统结构和功能的改变，进而产生一定的生态风险，如何量化这些风险并进行科学的评价是本研究的重点以及创新点。

研究区域土地利用变化和随之带来的生态风险，对于了解区域生态环境现状和合理利用有限的土地资源、治理和恢复生态环境具有极其重要的现实意义，也能为在生态安全条件下制定土地利用规划提供科学依据[7-8]。本研究以重庆市江津区2009、2014年的土地利用现状数据为基础，分析2009—2014年江津区各地类的变化情况，并从土地利用变化及景观格局变化2方面入手，构建基于土地利用指标和景观生态指标的综合生态风险指数模型，进而计算出江津区的生态风险变化情况，以探明随着江津区土地利用格局变化所造成的区域生态风险的变化趋势，为相关部门制定土地利用规划和进行生态安全治理提供科学依据，以期促进江津区生态环境良性循环和健康发展。

1 研究区概况

江津区位于重庆市西南部，地处105°49′～106°38′E、28°28′～29°28′N之间，东邻巴南、綦江，南靠贵州习水，西依永川，北接壁山。四面高山环抱，境内丘陵起伏，地貌以丘陵兼具低山为主，其中丘陵占78.2%，低中山占21.8%，随着社会经济的发展，人们对土地的需求不断增大，也愈发多样化。面对有限的土地资源，各土地利用主体都在为满足自身的土地需求而相互争夺。由此引发的土地利用冲突问题较为突出[9]，不合理的土地利用造成的水土流失、土地退化、环境污染、自然灾害等生态问题较为严峻。

2 数据来源及分类系统

本研究的数据来源：重庆市江津区2009、2014年2期的土地利用现状矢量数据；《重庆市国土资源和房地产年鉴》(2010—2012年)、《重庆市江津区统计年鉴》(2010—2014年)。

本研究根据中国常用土地分类标准及相关文献[10-11]，将江津区地类分为8大类，分别为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地、其他农用地、未利用地。

3 研究方法

3.1 土地利用变化研究

本研究根据重庆市江津区2009、2014年2期的土地利用现状矢量数据，利用ArcGIS将2期矢量数据进行叠加分析，得到2009—2014年6年间江津区各地类的变化情况，计算出2009—2014年各地类的变化量、变化率及平均年变化率。

3.2 综合生态风险指数模型的构建

3.2.1 生态风险评价指标的选取 本研究在参考相关文献的基础上[12-14]，将江津区生态风险评价指标体系分为土地利用指标和景观生态指标，具体的指标选取及各指标意义如下：

3.2.1.1 土地利用指标 (1)土地利用程度指数。土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度，其变化是多种土地利用类型综合变化的结果，可定量地揭示区域土地利用的综合水平和变化趋势。土地利用程度与生态风险程度呈负相关，属于逆向指标，表达式：

(1)

式中：L为研究区内土地利用程度综合指数；Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数(表1)；Ci为研究区内第i级土地利用程度分级面积百分比。

土地利用程度分级指数是指将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分等定级，本研究将土地利用程度划分为4级[15-16](表1)。

表1 土地利用程度分级赋值

(2)耕地垦殖指数。耕地垦殖指数指研究区耕地面积占土地总面积的比例，它是衡量一个地区土地资源开发利用程度的重要指标。耕地垦殖指数与生态风险程度呈负相关，属于逆向指标，通常以百分数表示：

(2)

式中：K为研究区的耕地垦殖率，%；P为研究区耕地面积，hm2；A为研究区土地总面积，hm2。

(3)植被覆盖率指数。植被覆盖率通常是指森林面积占土地总面积的比例，是反映森林资源和绿化水平的重要指标。植被覆盖率与生态风险程度呈负相关，属于逆向指标，一般用百分数表示：

(3)

式中：M为植被覆盖指数，%；F为林地面积，hm2；G为草地面积，hm2；A为研究区土地总面积，hm2。

3.2.1.2 景观生态指标 (1)景观多样性指数。景观多样性指数指不同类型的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化和变异性，反映景观类型的多少和所占比例的变化，揭示景观的复杂程度。该指数与生态风险程度呈正相关，属于正向指标，计算公式如下：

(4)

式中：H为研究区景观多样性指数；Pi为研究区内第i种土地利用类型占土地总面积的比例；m为研究区土地利用类型的总数。

(2)景观优势度指数。景观优势度指数用于测定景观结构组成中斑块类型支配景观的程度，表示一种或几种类型斑块在一个景观中的优势或程度。该指数与生态风险程度呈负相关，属于逆向指标，计算公式如下：

(5)

式中：I为研究区景观优势度；Hmax为最大多样性指数，Hmax=lnm，m表示斑块类型数。其中I值越大，表明组成景观各类型所占比例差异大；I值小，表明景观是由多个比例大致相等的类型组成的；当I=0时，则表示组成景观各种类型所占比例相等。

(3)景观破碎度指数。景观破碎度指数指景观被分割的破碎程度，景观的破碎化是生物多样性丧失的重要原因之一，可以反映人类活动对景观格局的影响。该指数与生态风险程度呈正相关，属于正向指标，计算公式如下：

(6)

式中：F为研究区综合景观破碎度指数；N为景观的总斑块数，个；A为研究区景观总面积，hm2。

3.2.2 生态风险评价指标的标准化处理 阈值是指一个领域或一个系统的界限值，属于临界值，即当某一指标低于或超过某一系统的阈值后，系统结构将发生改变，不再稳定。因此，阈值是反映系统是否维持稳定的一个重要指标。指标阈值的确定目前还处在实践和探索阶段，本研究根据以下原则确定各个指标的阈值：(1)针对目前国家和行业已有标准的指标，采用国家规定的阈值；(2)国家无明文规定，相关权威专家经过科学研究已判定的标准指标，可作为该指标的阈值；(3)对于既无明文规定又没有相关科学研究结论的指标，则从研究区的实际情况出发，分析比较经验数据，得出相对准确的阈值；(4)对于正向指标，取指标上限为安全阈值，对于逆向指标，取指标下限为安全阈值。

以上所选取的各指标间由于类型和量纲的不同，不便于研究分析，因此本研究采用归一化方法，依据各个指标的阈值，通过数学变换把量纲不同的指标统一转化到[0，1]区间内，以便消除差异，使各指标具有可比性[17]。将指标无量纲化的数学转换公式如下：

(7)

(8)

式中：xi为第i个指标的实际值；zi为第i个指标的安全阈值；ri为无量纲化后的各指标值，即标准值。

3.2.3 生态风险评价指标权重的确定 熵权法是一种在综合考虑所有因素和提供的信息量的基础上客观赋权的数学方法，其优点是精度较高、客观性较强[18]。用熵权法计算各指标权重的过程如下：

(1)第j个指标下第i个项目指标值的比重Pij：

(9)

式中：Tij为各个指标的标准值。

(2)第j个指标的熵值ej：

(10)

(3)第i个指标的权重Wj：

(11)

3.2.4 基于土地利用指标和景观生态指标的综合生态风险指数模型 江津区的综合生态风险指数模型[19]如下：

(12)

式中：E表示综合生态风险指数；Wi表示各个指标所占权重；bi表示各个指标的值。

4 结果与分析

4.1 重庆市江津区2009—2014年土地利用变化

通过ArcGIS软件对重庆市江津区2009、2014年的土地利用现状矢量图进行空间分析并分别制作2009、2014年江津区土地利用现状图(图1、图2)以及2009—2014年江津区土地利用面积变化表(表2)。

结合图1、图2和表2可以分析得出2009—2014年6年间江津区土地利用类型变化情况，表现在以下4个方面。

4.1.1 耕地面积减少 耕地面积平均每年减少1.901 8%，6年共减少2 686.52 hm2。一方面，2014年江津区固定资产投资为575.0亿元，约是2009年197.0亿元的3倍。这表明江津区基本建设项目增加，农村兴起“建房热”，乡镇企业日益发展，房地产开发投资力度加大，城市规模逐渐扩张，这些变化是导致耕地减少的直接原因；另一方面，2009—2014年间，江津区大力加强农业基础设施建设，提高农业技术水平，推动农业结构调整，2014年江津区农业总产值突破100亿元，居全市第一，而2009年仅为28.5亿元。这与江津区区委、区政府提出的“积极发展特色效益农业，加快构建‘1+5+1’的现代农业发展新格局”的发展思路密不可分。近年来，农业比较效益使农业结构逐渐改变，耕地不断向其他农用地转化，导致耕地面积减少；而政策的导向作用，使得生产效益差、坡度较大的地区实施退耕还林政策，这是导致耕地减少的又一主要原因。

4.1.2 园地、林地、草地和未利用地面积均下降，建设用地面积大幅度上升 园地、林地、未利用地面积减少幅度较大，草地面积基本保持不变。2011年，重庆市市委、市政府作出了战略性决定，支持江津、合川、永川三区打造“双百”城市。截至2020 年，江津区将形成100 km2 城区和100 万城市人口。2009—2014年，江津区一系列的规划和发展与占用园地、砍伐林木和开发未利用地是分不开的，是导致3种地类面积减少和建设用地面积增加的直接原因。

4.1.3 其他农用地面积增加 2009年8月，江津现代农业园区启动建设，这直接促进了农业附属配套设施的增加和完善，到2014年江津区第一产业投资额已达到4.1亿元，而2009年仅为3.7亿元，从2009年到2014年，园区基础设施建设持续改善，仅2014年1年江津区就新建农村农路21 km、山坪塘4口、提灌站4个、蓄水池5个、石河堰1处，新增灌溉面积175.27 hm2，并相继开工35 km天然气管线，新架10 kV高压输电电网。江津区一系列的农业基础设施建设促进了其他农用地面积的增加。

4.1.4 水域面积增加 水域是指陆地水域和水利设施用地，2009—2014年，江津区水域面积共增加了25.63 hm2。江津区境内有127 km长江岸线，占重庆市长江岸线的1/5。为了利用这一得天独厚的资源优势，江津区于2009年提出了以长江黄金水道为依托的思路，在沿线布局建设了德感工业园、珞璜工业园、白沙工业园和双福工业园四大工业园区。在各大工业园内均布局了重要的港口码头，现代化的港口和通畅的航道，使得江津各大工业园区的经济得到了极快发展，到2014年，江津工业园区的规模工业企业总数达262户，工业园区实现规模工业产值突破 1 000亿元。各大园区的快速发展和水利设施的不断完善是江津区水域面积增加的主要原因。

表2 2009—2014年重庆市江津区土地利用面积变化

4.2 江津区2009—2014年生态风险指标分析

根据式(1)～式(6)计算得出江津区2009年和2014年的生态风险指标值(表3)，将各生态风险指标值带入式(7)、式(8)得到各指标归一化后的标准值(表4)，根据归一化后的标准值，利用式(9)～式(11)可计算出各指标权重(表4)，最后依据式(12)计算出江津区2009年的生态风险指数为-0.371 5，2014年的生态风险指数为-0.360 3，可见风险指数有明显增大。

表3 重庆市江津区2009年及2014年生态风险指标值

由表3可知，江津区土地利用程度指数由269.60增加到270.84，表明随着乡镇企业的发展、城镇化的推进以及城市规模的扩张，使得江津区的建设用地增加，未利用地减少，使全区土地利用程度明显加大。耕地垦殖指数由43.88%减少到43.05%，植被覆盖指数由31.00%减少到30.92%，在这6年间随着“1+5+1”现代农业新格局的提出，使得部分耕地、林地和草地向能够获取更高收益的农用地类型转化，导致耕地、林地和草地的面积减少，进而使得耕地垦殖指数和植被覆盖指数减小。

景观多样性指数由1.389 55增加到1.402 56，表明6年间各种地类间的相互转化增大了各景观在空间结构和功能方面的多样性，使江津区整体景观的复杂程度增加。优势度指数由2009年的0.689 89减少到2014年的0.676 88，表明从2009年到2014年， 江津区占优势地位的景观所占比例减小，耕地在整个景观类型中占有明显的优势地位，耕地所占比例的减少使得耕地优势度降低，进而使得全区景观优势度降低。景观破碎度指数由2009年的0.794 82增加到2014年的 0.819 61，表明景观被分割的程度加大，部分开发商不顾后果建楼的情况屡见不鲜，农民也频频将房屋盖在农地里，这些都导致土地被无规则破坏，使得全区趋向于形成复杂、异质和不连续的斑块。

表4 重庆市江津区生态风险评价指标体系、阈值、标准值及权重

江津区的生态风险指数由2009年的-0.371 5提高到2014年的-0.360 3，表明2009—2014年，随着土地利用格局的变化，江津区的生态风险变大。一方面，2009—2014年，随着土地利用变化，江津区景观的复杂程度增加，景观被无规则分割的程度加大，导致景观多样性指数和景观破碎度指数增大；另一方面，2009—2014年，由于全区耕地、林地的减少和建设用地的增加，江津区的耕地垦殖指数、植被覆盖指数和景观优势度指数变小，土地利用程度这一逆向指标虽然是变大的，但其相对变化幅度小于其余3个指标。因此，2009—2014年，江津区的生态风险呈增大的趋势。

5 结论

2009—2014年，重庆市江津区土地利用变化显著。主要表现为耕地、园地、林地、草地和未利用地面积减少，而水域、建设用地和其他农用地面积增加。随着城镇化的发展、城市规模的扩张、“双百”城市的打造、江津现代农业园区以及江津区枢纽港的建设，耕地、园地、林地、草地、未利用地等非建设用地向建设用地、水域和其他农用地转化，这8种地类之间的相互转化是江津区土地利用变化的最主要形式。

2009—2014年，江津区生态风险指数增大。随着江津区建设用地面积的增加和未利用地面积的减少，区域内的土地被大量地利用，但在土地利用的过程中还存在诸多不足，不合理的土地利用使得景观被无规则分割的现象比较明显，耕地垦殖指数和植被覆盖指数的减小是导致生态风险增大的主要原因，应通过相应的措施控制其变化。江津区生态风险指数的增大应引起相关部门和人员的高度重视，可以通过合理布局和规划将全区土地利用的变化程度和变化方向控制在合理范围内，以降低整个区域的生态风险程度。在今后的发展中也要重视生态安全问题，不能只顾追求经济上的发展而忽略生态上的安全。