基于土地利用演变的生态敏感性评价——以香格里拉市为例*

刘乐怡，杨双娜，张龙，宋钰红,3

(1.西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学 地理与生态旅游学院，云南 昆明 650224；3.国家林业与草原局西南风景园林工程技术研究中心，云南 昆明 650224)

生态环境是人类生存和发展的物质基础。19世纪以来，城市化进程使人类活动与生态环境之间的矛盾冲突日益加剧，生态功能衰退、过度开发等生态问题显著。在社会经济发展的同时，加强对区域生态环境的保护和修复已成为各国专家学者的共识。

土地利用/土地覆盖变化(land-use and land-cover change，LUCC)受自然因素和人文因素的相互影响，是全球变化与可持续发展的重要研究内容[1]，其变化具有复杂的非线性特征[2]。学界倡导关注土地利用变化，从而保护生物多样性、生态环境和生态系统服务[3]。在社会生产生活发生改变的大环境下，土地利用在研究方向、研究内容和深度上不断扩展并加深[4]。

生态环境敏感性是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度，能够说明发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小[5]，是评价区域生态环境的重要途径。生态敏感性在不同生态环境现状中体现出较大差异，生态敏感性越高说明生态环境越不稳定，区域发生生态环境问题的可能性越大；生态敏感性越低说明生态环境越稳定，区域发生生态环境问题的可能性越小。不同区域生态敏感性评价需根据该地实际的生态环境特点、生态问题严重程度，客观科学地划分生态敏感性区域。

目前国内学者在生态敏感性领域的研究已取得大量研究成果，主要聚焦以下几方面：(1)在研究发展层面，早期生态敏感性研究主要聚焦于单一生态因子探究，如肖荣波等[6]学者在识别石漠化敏感区域的基础上进行生态评价与空间分析，谷花云[7]采用定量评价方法对贵州省生态系统进行酸沉降相对敏感性研究；后期生态敏感性研究逐渐从单一转向多影响因子的综合研究，如崔宁等[8]学者对高原湖泊生态敏感性和生态功能重要性进行分析并提出保护对策。(2)研究对象层面呈现多元化态势，生态敏感性评价及空间分异性研究主要涉及乡村聚落集群[9-10]、各级行政区划等[11-13]范畴，以及山地、盆地、水系(河流、湖泊等)流域等[14-17]自然地理特征区，多集中于东部沿海地区和南部低山丘陵地区。(3)研究途径上，大尺度自然属性研究区域主要涉及土壤侵蚀敏感性、酸雨敏感性[7]、沙漠化敏感性[18]、石漠化敏感性[6]、盐渍化敏感性等评价途径，小尺度行政单位属性研究区域通常选取高程、坡度、坡向、植被类型、环境质量等多因素进行生态敏感性综合评价。(4)研究方法多采用定性与定量相结合的研究方法，如刘青青等以生态敏感性功能分区对国家公园功能区进行差异化调控[19]，吴帛阳应用ArcGIS结合AHP-熵值法，对自然保护区生态敏感性进行分析并提出生态保护对策等[20]。

近年来，较多学者基于土地利用方式评价区域生态敏感性。如林荣清以南水北调中线为研究区，选取人为和自然因素建立生态敏感性指标体系，通过单因子和综合生态敏感性评价研究了南水北调中线生态环境存在的问题及原因[21]；马聆萧等分析了青岛西海岸新区土地利用功能与生态敏感性的匹配程度[22]；景英利用GIS软件对兰州新区进行生态敏感性分区，结合土地承载力分析了土地生态功能分区，根据兰州新区生态功能区划分提出具体的土地利用建议[23]；吴爱林采用统计资料研究分析了长江三角洲16地市2000—2014年生态系统服务价值的时空演化规律以及2015—2020年生态敏感性时空演变规律[24]。

1 研究方法

1.1 数据来源与处理

本文以中国科学院空天信息创新研究院发布的1985—2020年全球30 m精细地表覆盖动态监测产品(GLC-FCS30-1985-2020)作为研究数据源，通过数据共享服务系统(https://data.casearth.cn/)获取。研究区矢量范围数据采用云南省矢量范围数据(2020年)。使用分辨率为30 m的DEM数据，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)。利用ArcGIS的空间分析功能提取坡向、坡度、高程等基本信息。

1.2 分析方法

1.2.1 土地利用类型分析方法

本研究土地利用分析部分通过土地利用转移矩阵、单一土地利用动态度、综合土地利用动态度来衡量香格里拉市土地利用变化特征。生态敏感性评价部分，首先分析单因子生态敏感性，再使用变异系数法确定单因子权重，最终通过加权叠加分析香格里拉市综合生态敏感性。

土地利用转移矩阵是分析土地利用类型中不同地类之间转换情况的方法。一般情况下，矩阵的列表示初始年份的土地利用类型，行表示结束年份的土地利用类型，中间数值表示土地利用类型中的相互转换面积大小[25-28]。计算公式如下。

NC(n，i)=NC(n)×10+NC(i)

式中:NC(n，i)表示第n年，第i年的土地利用变化状况；NC(n)表示第n年的土地利用现状；NC(i)表示第i年的土地利用现状[29]。转移矩阵形式如下。

式中：Sij表示第i种地类转变为第j种地类的面积；n代表土地利用类型数目[30]。

土地利用动态度是衡量土地利用动态变化速度的重要指标，单一土地利用动态度计算公式如下。

式中，Kj为初年到末年某地类的动态度；LUit0为初始年某地类的面积；LUit1为结束年某地类的面积；T为累计研究时长。

综合土地利用动态度反映了研究区在一定时间范围内土地利用数量的总体变化情况，计算公式如下。

式中：LC为综合土地利用动态度，LUi为研究初期第i类土地的面积，△LUi-j为某一时间段第i类土地转化为j类土地的面积绝对值，T为累计研究时长[31]。

1.2.2 生态敏感性分析方法

研究针对香格里拉市地理环境特征，进行筛选样本地生态敏感性影响因子并建立指标体系。首先，在实地调研所收集资料的基础上，结合前人相关研究案例，将香格里拉市生态敏感性划分为5级，分别为1、3、5、7、9，其中“1”为一般敏感、“3”为轻度敏感、“5”为中度敏感、“7”为高度敏感、“9”为极度敏感。最终筛选出6个最为重要的香格里拉市生态敏感性影响因子，分别为土地利用类型、坡度、坡向、高程、水域缓冲区、植被覆盖度。等级指标体系见表1。

表1 香格里拉生态敏感性评价因子指标体系

香格里拉市生态敏感性评价因子指标体系中，根据土地利用对生态敏感性的影响程度，将建设用地赋值为1，划为一般敏感区域。林地极易受到人类生产生活的影响，稳定性最差，因此将林地划分为极度敏感。

植被覆盖度通过遥感影像解译计算植被归一化指数获得。植被覆盖度与植被面积、植被茂盛程度呈正相关。水域、冰川雪地生态敏感性极易受到人类生产生活影响，遂将其划为极度敏感区域。

坡度是指坡面垂直高度与水平方向距离之间的比值，能够反映地表在该点的陡缓程度[32]。坡度较大的坡面地势陡峭植被生长稀疏，坡度较小的坡面，地势平坦，植被生长茂盛。本文使用ArcGis提取研究区DEM数据中的坡度信息[33]。

坡向是指地表面上某一点的切平面的法线，对于研究区山地生态环境有着较大的作用[34]。香格里拉市山地特征明显，因此选择坡向作为香格里拉生态敏感性评价指标因子之一。本次研究中坡向因子参照8坡向分类方法，将8坡向、平地根据太阳辐射强度划分为5个敏感等级。

本文根据样本量丰富完善并具有普遍性的特点，选择使用变异系数法求取生态敏感性各指标因子权重值(表2)，计算公式如下。

式中:wi为指标因子权重；v为变异系数；s为指标因子标准差；x为指标因子均值；i为指标因子的序号数，i=1，2，…，i[35]。

表2 香格里拉各评价指标因子权重

2 结果与分析

2.1 土地利用分析

根据《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)结合香格里拉市地形特点，将香格里拉市土地利用类型划分为林地、草地、耕地、冰川雪地、建设用地、其他用地、水域7种土地类型。根据土地利用类型统计结果分析可知，在 7种土地利用类型中林地在4个研究时间段内都占据明显面积优势，1990—2020年林地面积分别是：8 350.93 hm2、8 297.40 hm2、8 218.00 hm2、8 133.16 hm2，这与香格里拉市山地分布广泛、森林覆盖度高的实际情况相符。香格里拉市第二优势土地利用类型为草地，其余用地类型占比相近且较小。详细数据见表3。

表3 1990—2020年香格里拉土地利用类型面积及比例

2.1.1 土地利用转移特征分析

由表4可知，1990—2000年间草地向耕地的转移最为明显，少部分草地、耕地、林地转移为建设用地，但建设用地未向其他用地转出。这与1990—2000年间香格里拉市城市建设进程加快的实际情况相符。冰川雪地与其他类型都有转化，说明因为气候原因冰雪对其他地类有所遮盖。

表4 香格里拉1990—2000年土地利用类型转移矩阵

由表5可知， 2000—2010年时期内草地、林地的总体转入量较高。冰川雪地主要表现为向草地、林地方向转化。其他用地向各类土地利用类型转化量都较少。林地在这一阶段主要转化为草地、其次为耕地，较少部分转化为建设用地和其他用地。说明在这一时期地方对土地开发程度加大。水域在这一阶段主要转化为其他用地和草地，有少量转化为冰川雪地，这一变化与数据采集季节有关，但也体现了冰川雪地土地利用类型不稳定。

表5 香格里拉2000—2010年土地利用类型转移矩阵

由表6可知，2010—2020年间草地、林地的转移流最为明显，其次是建设用地、耕地，水域、其他用地转移流最不显著。其中冰川雪地主要由草地转换得到，草地主要由林地转换得到。

表6 香格里拉2010—2020年土地利用类型转移矩阵

土地利用转移桑基图对香格里拉市1990—2020年的土地利用转移进行可视化呈现。林地在3个阶段的变化中始终是香格里拉市覆盖最广的土地利用类型，且30年间各土地利用类型之间的土地转移持续增加(图1)。

图1 香格里拉市土地利用的转移桑基

2.1.2 香格里拉单一土地利用动态度

分析1990—2020年香格里拉市单一土地利用动态度，结果表明香格里拉土地利用仅2000—2010年水域动态度大于1%，说明这一阶段水域面积变化较大，与其他阶段相比较呈现大幅度增长趋势。1990—2000年、2010—2020年草地动态度最小，说明这2个阶段草地总体面积变化较小。3个时期林地动态度体现了林地的总体面积变化小，但持续稳步增加的发展趋势，结合2010—2020年耕地负向动态度变化加大，判断主要由于云南省将80%退耕还林还草任务倾斜给贫困区县有关，香格里拉市属于项目中“三区三州”重点区域(表7)。

表7 香格里拉1990—2020年单一土地利用动态度

2.1.3 香格里拉综合土地利用动态度

根据综合土地利用动态度模型计算得出香格里拉各阶段综合土地利用动态度。1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年香格里拉市综合土地利用动态度分别为0.04%、0.07%、0.08%，呈上升趋势。1990—2020年越往后期土地利用变化强度越剧烈，主要受人口增加、经济发展的影响。

2.2 生态敏感性评价结果

由香格里拉市2020年高程各敏感区占比情况(图2a)可知:受高程影响，极度敏感区分布集中，且主要分布于香格里拉北部及个别南部高海拔雪山;高度敏感区面积最大;中度敏感区广泛分布在香格里拉中部地区;一般敏感区分布少、占比最小，仅为8.09%。结果体现了香格里拉市高海拔的特征。

图2 香格里拉市2020年单因子生态敏感性分布

2020年香格里拉市坡度因子影响下的生态敏感性评价中，高度敏感区面积最大，其次是中度敏感区和极度敏感区，一般敏感区域面积最小且集中于研究区中部(图2b)。说明香格里拉中部坡度较低，四周地形坡度普遍高于中部。以坡向为因子进行生态敏感性评价时，各敏感度级别所占比例数据差距较大(图2c)。体现了坡向变化对高原山地生态敏感性有显著影响。

香格里拉市水域单因子生态敏感性评价中，一般敏感区域面积占比较大，其它敏感等级区域面积所占比重较小且数值接近(图2d)。植被覆盖度单因子生态敏感性分析结果中，极度敏感区域面积最大，其他敏感区大多均匀分布于研究区，轻度敏感区相对集中分布于研究区北部，一般敏感地区分布分散(图2e)。

研究区林地面积较大，林地属于极度敏感地区。研究区极度敏感区是一般敏感与轻度敏感区面积之和的7倍(图2f)。说明香格里拉市土地利用类型单因子生态敏感性高。

通过变异系数法求得单因子权重值，使用ArcGis叠加分析功能，得到香格里拉市生态敏感性综合评价结果(图3)。在6个生态敏感性单因子的综合影响下，香格里拉市中部地区整体生态敏感性较低，中部向外围扩散为中度敏感。以香格里拉市主城区为中心以圈层形式向周围扩散，生态敏感性逐渐增高。

图3 香格里拉市2020年综合生态敏感性分布

从综合生态敏感性分析结果来看，香格里拉市高度敏感以上区域占研究区面积51.87%以上，轻度生态敏感性以上区域占研究区面积91.38%以上，说明香格里拉市综合生态敏感性高，生态环境受外界干扰反映强烈，生态环境自我恢复能力弱(表8)。

表8 香格里拉市2020年单因子及综合生态敏感性评价结果

本研究对香格里拉市土地利用类型变化和生态敏感性进行分析评价，研究结果主要为保护生态环境修复生态系统服务。香格里拉市整体土地利用动态度持续提高，在各个研究阶段林地都在数量上占据明显优势地位。研究区整体生态敏感性较高，以轻度敏感以上区域为主。香格里拉市的生态敏感性分布受高程、坡度、植被覆盖度等自然因素影响大，高度生态敏感以上区域大多分布在自然资源丰富、植被覆盖率高、坡度大且生态环境受到破坏后难以短时间恢复的高山地带，主要集中在香格里拉市东北部三江并流国家自然保护区的高海拔山地区域。一般敏感区分布在城市建成区并以此为中心向四周轻度敏感区扩散。

3 结论与讨论

作为对地方部署的重要衔接，云南省“十四·五”规划中强调“三屏两带”为重点的生态保护红线。说明在中观层级的生态战略中，严守滇西北高山峡谷生态屏障，是云南省推进重要生态系统保护和修复、提升生态系统质量和稳定性的重要保障。

作为全球34个生物多样性热点地区之一，香格里拉市在“十三·五”期间生态环境保护成效显著。根据本研究结果，应继续不断加大生物多样性保护、生态保护和修复力度，结合香格里拉市土地利用演变和生态敏感性评价结果研判生态环境保护形势，明确规划目标，构建指标体系，对地方生态可持续发展提供精准目标和科学思路。

落实到香格里拉市地方实践中，林地、冰川雪地、水域等高敏感性土地利用类型分布区应以生态保护和修复为主，着重保护山林整体和金沙江沿线生态脆弱区，严格限制高敏感区内人为活动干扰，从动植物、景观、水源多维度进行有效保护；中度生态敏感区域以加强生态保育为主，在保证生态稳定的前提下，提高生物多样性，减少人为活动干扰；城市建成区及其周边应以人地和谐为主。城乡建设应基于城市容量研究，严格执行土地分类，控制过度开发，进行政策性管控的同时，强调生态环境补偿。增强公众参与和自然保护意识。积极发展高原特色产业，科学选取藏区旅游线路，在实现生态可持续的前提下，探索高原山地生态敏感地区的高质量发展之路。