基于LUCC的生态环境人为干扰度分析——以广西巴马瑶族自治县为例

曾 兰，吴良林

(广西师范学院 地理科学与规划学院,广西 南宁 530001)

当前人类活动愈加频繁和全球环境变化日益突出，这两者共同作用于地表自然环境和生态系统，对生态环境的影响急剧增加。人类活动对生态环境的干扰影响程度越来越高，对土地不合理开发利用问题仍然是生态环境系统中最突出的问题之一[1]。人类活动对生态环境的干扰已经成为影响生态环境演化的主要驱动力，在2016年第35届国际地质大会(IGC)上有35名科学家表决通过了人类活动已推动地球进入新的地质时代——人类世(Anthropocene)这一提案，地球表面系统由稳定态进入了不稳定的人类世(Anthropocene)时代。

人类活动对生态环境系统来说是一种双重性的干扰，可以维持生态环境系统的稳定性，但它也会改变生态环境系统的格局，生态环境中最脆弱的地区往往是人类活动强度最大的区域[2-3]。人为干扰与生态环境系统之间是否能够和谐共生已成为当前科学研究领域的热点问题之一[4]。“Hemeroby”这个概念是由芬兰植物学家Jalas引入，后来经历了“生态干扰度”到“人为干扰度”的变化，由最初用来测量人类对植物区系和植被的影响到现被广泛应用于生态环境监测与评价上[5-6]。迄今为止，对人为干扰度的评价研究热点已经涵盖了海洋、林地、农业、城市等生态系统类型，但大多数都是用生态学角度来开展研究，主要集中在干扰的生态效应方面，从综合视角对整体生态环境人为干扰程度的评价研究明显不足[7-11]。土地利用/覆被变化(LUCC)作为人地关系最直观的表现形式，客观地展现了人类活动所改变的空间格局和时空变化过程[12]。用GIS与RS技术相结合来定量分析人为干扰度对LUCC的研究及空间异质性格局变化的研究明显不足，未能建立一套完善的生态环境系统的人为干扰强度综合评价体系。

巴马瑶族自治县(以下简称巴马县)的旅游资源丰富，自1990年以来，巴马县的旅游业进入一个快速发展时期，各级政府为加快巴马县旅游业的发展，通过资金、资源、规划等引导旅游业发展，发布了一系列的政策文件来用项目建设来推动脱贫攻坚的进程。但旅游项目的建设过度依赖优越的自然环境，这大大超过了当地生态环境的实际承载力，给生态环境带来了巨大的压力,生态环境恶化趋势日益严重,严重制约了巴马县的整体协调发展[13]。为此，本文以巴马县为研究区，从2005年和2017年2期高分辨率的GoogleEarth影像中解译的土地利用/覆被变化(LUCC)数据，用人为干扰度指数与GIS空间分析方法，分析不同人为干扰度强度背景下的景观时空格局变化，建立一套完善的生态环境系统的人为干扰强度综合评价体系，以期为县级尺度下人为干扰度监测评价机制提供理论依据和为土地合理化利用以及人地关系协调发展的人为干预策略。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

巴马县位于广西西北部，地处桂西北通往桂东南沿海地区和大西南地区的咽喉要地。巴马县县域面积为1971 km2，其中石山约占30%，丘陵坡地占69%，境内山多地少，土地贫瘠，是一个典型的喀斯特地区。巴马县的地势总体是西北高，东南低，海拔大多在500～800 m之间，巴马县属于国家级限制开发区域、国家级重点生态功能区，也处于生态敏感区中的土壤侵蚀敏感区、石漠化敏感区，生态环境系统极其脆弱，任何自然或人为因素的干扰都有可能会破坏当地的生态环境。

1.2 巴马县LUCC数据处理

从91卫图中下载2005年和2017年2期高分辨率的GoogleEarth影像数据，2005年的GoogleEarth影像数据的分辨率约为17.44 m，2017年的影像数据分辨率约为1.0～4.0 m。运用ENVI软件对这2期影像数据进行图像预处理、图像配准等，参照《全国土地利用现状分类》分类标准，在ENVI软件中用基于样本的面向对象分类来提取，通过目视解译校正得到分类结果，将2期分类结果进行Kappa系数精度检验，检验精度均在75%以上，满足分析需要，最终得到2期不同时期的土地利用覆被类型图(如图2)。将这2期土地利用覆被图运用ArcGIS软件进行空间分析、面积量算等得到人为干扰度相关指数计算结果。

图1 巴马县区位图

2 评价指标与方法

根据前人研究成果，用转移率(Uk)、人为干扰指数(M)、干扰总强度指数(THI)和人类干扰指数变化率(ACR)来评价研究区内人类活动的强度、趋势[6,14,16,18,20]。

本次研究参考陈爱莲等[6]的人为干扰度等级来对土地利用/覆被分类结果进行分级，如人为干扰程度为最高级H7(完全干扰)，建设用地和公路用地很难将土地利用类型逆转为农用地，完全受人类活动的干扰；无干扰区域几乎无人类活动，能很好保持着原始土质地表，如冰川与常年积雪的区域。根据人类活动对不同土地利用类型的干扰程度判定，确定了不同的土地利用类型的人为干扰度等级(表1)。

(1)转移率

(1)

式中，Uk单位为%，Ui为研究初期第i类土地利用/覆盖类型面积，ΔUi-j为研究时段内第i类土地利用/覆盖类型转为其它地类的总面积。利用2005年、2017年这2期土地利用/土地覆被(LUCC)分类结果，用转移矩阵的方法计算出各等级的面积转移率，进而来描述不同地类的转移变化情况。

图2 2005年、2017年巴马县土地利用/覆被分类结果图

表1 不同土地利用类型的人为扰度赋值

(2)人为干扰指数

(2)

式中，无量纲，n为统计单元内中人为干扰度，A为该统计单元的总面积，Ai为该统计单元中第i种土地利用类型的面积，Pi为第i种土地利用类型的干扰人为干扰度的相对值。用人为干扰指数来分析研究区内生态环境中受到人类活动的干扰程度。

(3)人为干扰强度指数

(3)

式中，无量纲，Mi、Mj为该统计单元中研究初期、研究末期的人为干扰指数的值。THI的值越大，表示人为干扰总强度越高，反之人为干扰总强度越低。

(4)人类干扰指数变化率

(4)

式中，无量纲。人类干扰指数变化率表征的是在某一段时间内，人类干扰变化趋势及变化的剧烈强度，如果ACR>0.1，表示人类活动的干扰呈现增强的发展趋势，如果ACR<-0.1，说明人类活动的干扰呈现减弱的发展趋势，如果ACR在-0.1～0.1之间，表示人类活动的干扰程度基本能保持稳定。

3 结果与分析

3.1 巴马县生态环境人为干扰度动态变化

由表2、表3可知，巴马县不存在无干扰类型地表覆盖，从这2期的土地利用数据来看，中度干扰所占的面积最大，约占70%以上，其次为微弱干扰、重度干扰，这2个等级的面积占比约为20%以上。2005～2017年期间，仅微弱干扰的面积是大幅度减少的，其余干扰类型的土地利用面积均呈增加趋势。

由图3可知，巴马县2期人为干扰度的空间分布趋势基本一致，即中心城区的人为干扰程度普遍较高，并呈现向四周逐渐减弱的空间分布格局。在2005～2017年间，巴马县发生转移的人为干扰度等级主要是微弱干扰、严重干扰和重度干扰，其他等级的变化量比较小。具体而言，仅微弱干扰类型的面积减少了3.18%，其中微弱干扰类型的面积有28.17%转化为中度干扰、重度干扰、严重干扰和完全干扰，微弱干扰转化为中度干扰和重度干扰的面积之和约占整个迁移量的92.33%，这说明了人类活动对未利用地和滩涂的开发利用强度不断增加。重度干扰类型的面积增加比例最明显，达到了1.41%，这主要是因为耕地和园地面积的增大，而且是由微弱干扰和严重干扰迁移而来的，说明了近年来巴马县实施了一系列保护耕地的方针政策，如保护永久基本农田、土地集约利用等耕地保护措施，这些保护耕地的措施取得了一定的成效。其次是中度干扰类型的面积增长幅度到了1.12%，2005年以来巴马县的森林覆盖率达到了70%以上，再加上巴马县高度重视生态建设和林业发展，认真贯彻落实有关法律法规和林业发展方针政策，从而林地保护利用取得明显成效。完全干扰类型的面积的增加幅度为0.59%，这是由于城市发展使得城乡建设用地大幅度增加导致的。据了解，巴马县为加快推进巴马长寿养生国际旅游区核心区和城镇化建设步伐，为保障重大项目建设用地工作，2017年计划巴马县的征地面积超过1333 hm2，而国际旅游新城区征收面积约占81.5%[21]。巴马县的旅游业风生水起，旅游业的发展依托特有的生态环境资源，如岩溶地貌景观，但现有旅游环境保护能力与旅游业的快速发展不相匹配，人类活动对自然环境的干扰也在不断增强，这给生态环境也带来沉重的压力。

表2 巴马县不同人为干扰度等级面积

表3 2005～2017年巴马县人为干扰度等级变化转移矩阵

3.2 巴马县生态环境人为干扰强度动态变化

从整体来说，巴马县是属于中度人为干扰区域，人为干扰指数值由3.93升至4.03，人类干扰是在不断增强的，中心城区的人为干扰度指数由4.12上升至4.24，都高于巴马县的总体人为干扰度指数水平，由此，巴马县的城乡发展的重心仍然以中心城区为主。从各乡镇的人类干扰指数来看，各乡镇的人类干扰指数是基本一致的，都属于中度人为干扰区域，所有乡镇的人类干扰指数值都是在增加的，但是增加幅度不是很大，所略乡的增长速度最快，由3.95上升到4.13，增长幅度为0.18(图4)。

用网格作为统计单元，将研究区划分为500 m×500 m的网格，用人为干扰强度指数和人类干扰指数变化率评价该区域受到的人类活动的干扰强度，揭示区域内部人为干扰强度变化，直观分析人为干扰强度的空间分布规律。通过对比不同年份的巴马县人为干扰度的变化情况，县内表现出由四周向中心不断减弱的空间分布特征，干扰总强度的值域在5～6.91之间的仅占总面积的0.96%，干扰总强度高的分布在巴马镇的中心城区内，这些地区多为城镇建设用地或农村居民点用地。在2005～2017年期间，在计算人类干扰指数变化率时，有92.48%能基本保持稳定，有0.06%的区域人类干扰程度较弱，有6.56%的区域人类活动干扰程度是比较强的，其主要分布在巴马镇和所略乡(图5、图6)。

因此，所略乡和巴马镇受到人类干扰的程度比较高，主要是这2个乡镇的城乡发展的加快和农业结构调整，大力发展种植业。所略乡大力培植以油茶为主的支柱产业，油茶产业是巴马县油茶重要生产基地，全乡约有油茶林面积5000多hm2，占林地面积的60%以上。巴马镇狠抓核桃产业的发展，从而使得种植面积在不断增大。巴马镇的地势相对来说比较平坦，有着丰富的旅游资源，如巴马长寿博物馆、龙洪自然风景区、赐福湖景区等，旅游区的生态环境是非常脆弱的，旅游区容量过多也会破坏旅游区生态环境的平衡，人类旅游活动都会对地表产生不同程度的冲击。虽然巴马县在城乡发展和旅游业的发展过程中，也陆续实施了一系列的《关于巴马1995年实现造林灭荒的决定》、《巴马盘阳河流域生态环境保护条例》等，但效果都不太明显，人类活动的干扰所造成的影响远远大于环境保护的效果。

图3 巴马县土地利用/覆被变化(LUCC)下不同人为干扰度分级图

图4 巴马县及各乡镇的人为干扰指数

4 结论与展望

本文基于2005年和2017年的遥感影像，结合人为干扰理论与GIS空间分析方法，从LUCC数据变化来定量分析了巴马县人类活动对生态环境干扰程度的动态变化。结果表明：

(1)在2005～2017年期间，巴马县属于中度干扰类型，在这12年期间人为干扰度值有上升的趋势，主要是因为人类活动对未利用地和滩涂的开发程度比较高，微弱干扰类型的面积转化为中度干扰和重度干扰的面积之和约占整个迁移量的92.33%，虽然实施了一系列的政策方针来保护耕地林地，对建设用地进行合理规划利用，但是这些举措实施力度远远小于城乡发展与旅游业发展的开发利用程度。

图5 巴马县人为干扰总强度指数变化分布图

图6 巴马县人类干扰指数变化率分布图

(2)从人为干扰度指数的空间分布来看，巴马县呈现由中心城区向四周逐渐减弱分布的空间格局，从区域的人为干扰强度变化来看，巴马镇和所略乡受到人类干扰的程度比较高，这主要是因为这2个乡镇的农业结构调整和种植业的发展，巴马镇对旅游资源的开发利用程度非常高，对生态环境造成了不同程度的冲击。

巴马县有着独特旅游资源，生态环境十分脆弱，恢复能力低，如那社乡的水晶宫内的石柱都有了风化的现象。因此，巴马县在之后的城乡发展和旅游业的发展中，要合理安排土地利用规划布局，要更加注重环境承载力和旅游环境容量，注重生态环境的保护，降低人类活动的干扰程度。