韩江流域土地利用时空变化特征及其生态安全评估

管雅芳，焦阳，臧传富

（华南师范大学地理科学学院，广州 510000）

0 引言

根据《中国生态环境状况公报》[1]显示，截至2019年，全国水土流失总面积为271.08万km2，荒漠化土地面积为261.16 万km2，沙化土地面积为172.12 万km2，中国的土地生态安全问题依然严峻。究其原因，区域的土地利用/覆被变化(LUCC)发挥着关键作用[2-3]。由于城市化、工业化等进程改变区域的LUCC状况，对其土壤、气候、流域水质等方面产生一定的影响[4-5]，从而威胁区域的土地生态安全。因此，联系LUCC 与生态安全两方面的研究，有利于为区域产生的土地生态问题提供相关的解决思路，对维持区域的土地生态安全状态有着重要的现实意义。

随着IGBP Ⅱ工作的开展，LUCC与生态安全方面的研究逐渐受到广泛的关注。其中，喻锋等[6]基于土地利用变化状况，指出土壤侵蚀、地表覆盖和土地沙化是影响皇甫川流域生态不安全的主要成因；HE等[7]通过分析兰州市的土地利用变化现状、构建生态安全评价指标体系，结果表明经济因素是影响其生态安全的主要因素；CHAI等[8]将武汉市的土地利用变化与生态安全进行耦合分析，发现建成区的面积与生态安全密切相关；蒙吉军等[9]基于鄂尔多斯市的土地利用情况，发现人类活动是影响生态环境状态的重要因素；Wang等[10]也揭示出青海湖流域的生态安全状况随土地利用变化而变化。由此可知，区域生态安全的影响因素与当地的土地利用变化密切相关，由于不同区域土地利用变化的驱动因素不同，导致不同区域的生态安全状况存在差异。然而在大部分LUCC与土地生态安全评价的综合研究中，对LUCC 的驱动因素分析较少。基于此，本研究拟从流域尺度揭示其土地利用的时空变化特征，同时增加对土地利用变化的驱动因素分析，以揭示人类活动对土地资源的影响机制[11]，从而进一步探究区域的LUCC与土地生态安全之间的内在逻辑关系。

研究区韩江流域地处粤、赣、闽交界处，其中的大部分地区都属于水源涵养、土壤保持及物种多样性保护的重要区域[12]，其余如粤东沿海等局部地区为省级的重点开发区域，故维持韩江流域的土地生态安全尤为重要。而且，结合以往研究发现，关于韩江流域的研究整体偏少，缺乏对其土地利用变化与土地生态安全评价的研究。因此，为丰富LUCC 与土地生态安全评价方面的研究实例，本研究将结合1980—2020年韩江流域的土地利用类型时空变化特征，进一步探究此变化的驱动力因素，并采用压力-状态-响应模型构建韩江流域的土地生态安全评价指标体系，运用综合指数评价方法综合评估韩江流域的生态安全状况，以期为韩江流域的土地空间合理规划和土地生态环境的改善提供相关科学依据，促进韩江流域土地资源的可持续利用。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

韩江流域(115°18′—117°20′N，23°03′—24°56′E)包括汕头、潮州、河源、梅州、汕尾、揭阳、深圳、三明、龙岩、漳州、赣州等三省11个地级市，其中由于研究区内三明市、深圳市、赣州市所占面积比例不超过1.0%，对流域的贡献很小，因此，本研究并未对此三市进行土地利用变化驱动力分析和生态安全评估。韩江流域面积总共4.06万km2，其中，广东省占比73.5%，福建省占比26.3%，江西省内的流域面积最小，仅占0.2%。同时，由于韩江、练江、榕江3 条河流基本实现水系联通，因此将此3 条河流的流域范围均纳入研究区域内（见图1）。流域内社会经济发展不平衡，人口较集中分布于韩江入海口附近的汕潮揭地区，该地区人口密度大，经济相对发达，城镇化水平高，人地矛盾尤为突出；而流域北部主要为山区，人口密度较小，经济发展也相对落后，但由于矿产开发、森林砍伐等经济活动的影响，生态环境受到一定程度的污染和破坏。

图1 韩江流域区位示意图

1.2 数据来源

本研究涉及的1980、1990、2000、2010、2020年等5期韩江流域的土地利用栅格分类数据来源于中国科学院环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)，其空间分辨率为30 m。流域内各城市的社会经济数据从中国知网经济社会大数据平台(https://data.cnki.net/)的各级统计年鉴以及各地方政府的统计网站处获取，气温、降水等自然统计数据从中国气象数据网(http://data.cma.cn/)获取，其中部分缺值数据采用插值处理。将各城市所占流域面积与流域总面积之比作为权重，对各城市的统计数据进行加权处理，由此计算得到流域范围内的各指标统计数据。但由于1980—2000 年研究区内城市的统计信息体系相对不完善，统计年鉴数据存在大量的缺失，同时2020年部分城市的年鉴数据还未更新，因此本研究只分析2000—2019年的土地利用变化驱动因素和生态安全状况。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化分析本研究选择构建土地利用转移矩阵[13]，定量分析1980—2020年间韩江流域各土地利用类型的转移变化情况。同时，采用ArcGIS空间分析方法，根据每10 年1 期总共4 期的土地利用变化，总结1980—2020年韩江流域的土地利用类型时空变化特征。

由于人口变化、经济发展及技术进步等社会经济因素对土地利用方式的影响较自然因素更为显著[14]。因此，本研究基于主成分分析方法的基本思路，结合韩江流域的实际情况和现有资料，从人口、经济发展、产业结构变化与政策、人类活动强度、环境因素等5方面选取代表性的指标，共选取18个社会经济指标和2个环境指标进行主成分分析，从众多因子中找出影响总面积变化的主要驱动因子。之后进一步对土地利用类型细分，选取研究期内变化最明显的地类，以进行逐步回归分析，探究人类活动对土地利用变化的影响。

1.3.2 土地生态安全评价本研究采用压力-状态-响应(P-S-R)概念模型框架[15]，参考往年相关的土地生态安全评价研究结果[16-17]，结合韩江流域的土地生态环境特点，在整体性、针对性、科学性及数据可获取性等原则的基础上[18-19]，结合研究区内LUCC 的驱动力分析结果，按照目标层、准则层、指标层的层次结构依次构建韩江流域的土地生态安全指标体系，总共22 项指标，其中部分年份数据采用插值处理。收集整理各指标数据之后，运用极差法[20]将其标准化处理，采用熵权法[21]确定各项指标的权重，最后根据综合指数评价法[22]计算2000—2019年韩江流域的土地生态安全综合指数，依据综合指数构造梯形型模糊隶属度函数[23]，并参照以往研究，将土地生态安全等级划分为安全级(S)、较安全级(RS)、较不安全级(RU)和不安全级(U) 4 个等级[22]，选择最大隶属度对应的等级，从而将2000—2019年韩江流域的土地生态安全分级，定量分析韩江流域的土地生态安全状况。

2 结果与分析

2.1 韩江流域1980—2020年土地利用时空变化特征

结合表1 和图2、3 可知，1980—2020 年内的40 年间，韩江流域土地利用面积整体变化最明显的地类是耕地和城乡、居民、工矿等建设用地。其中，耕地面积的减少量最大，总共1013.89 km2，处于持续剧烈减少的态势，其减少量在1990—2000 年期间达到最大值。从空间分布上来看，研究区东南部，即汕潮揭建成区附近在研究期内耕地大面积减少，占用耕地的现象尤为严重。城乡、工矿、居民用地面积的增加量最大，共增加1301.61 km2，处于持续扩张的态势，且城乡、工矿、居民等建设用地的增加主要来源为耕地；研究期内建设用地面积的增加量呈现先增加后减少的趋势，在2000—2010 年期间达到增量的最大值。林地的减少量为405.37 km2，大都集中于2000年以后，减少量中约70%的用地都转换为建设用地，零散分布于韩江流域北部。1990—2000 年草地的退化主要贡献于林地和建设用地，变化区域较集中地分布于福建省龙岩市、漳州市境内。其余土地利用类型如水域、未利用土地、海洋的转入量与转出量相对较少，面积相对稳定。

表1 1980—2020年韩江流域土地利用转移矩阵km2

图2 1980—2020年韩江流域土地利用总体变化情况（a、b分别为流域北部、东南部的放大图）

图3 1980—2020年韩江流域分期土地利用变化情况

2.2 韩江流域土地利用变化的驱动力结果分析

由表2可知，3个主成分的特征值均大于1，且其累计贡献率可以高达93.6%，表明韩江流域内土地利用变化的驱动作用可以由第一主成分F1、第二主成分F2和第三主成分F3共同解释。其中，第一主成分F1的贡献率为72.7%，根据第一主成分的载荷矩阵结果，发现第一主成分包括X1、X2、X4、X5、X6、X7、X8、X11、X13、X14、X15等11 个驱动因子，说明经济发展、人口增长和产业结构的调整是影响韩江流域土地利用变化的主要社会经济因素。

表2 2000—2019年韩江流域主成分分析结果

基于上述主成分分析结果，进一步采用Ⅱ级土地利用分类体系进行土地利用变化驱动因子的分析，选取2000—2019年韩江流域范围内面积变化最大的6种地类——城镇用地、其他建设用地、农村居民点、旱地、水田、有林地，对此6种地类的土地利用变化面积与外生驱动因素进行逐步回归，通过0.05%的显著性检验，得到各地类的逐步回归方程，如表3所示。结果显示，6种土地利用类型中，城镇用地、其他建设用地和农村居民点都整体处于明显增加的态势，而旱地、水田和有林地则都整体处于明显减少的态势。从方程中各因子的系数可以看出，城镇用地面积变化Y1与常住人口X1呈现较显著的正相关，其他建设用地的面积变化Y2与城镇化率X4呈现较显著的正相关，但旱地Y3和水田Y4面积的变化与常住人口X1呈现较显著的负相关；有林地Y5与人口密度X2呈现较显著的负相关，但农村居民点Y6的变化与人口密度X2呈现较显著的正相关。综合而言，以上相关的驱动因子均与人口增长与社会经济发展密切相关，说明人口增长和经济发展是促进2000—2019 年间韩江流域用地类型发生较大变化的主要驱动因素。

表3 韩江流域主要土地利用地类与驱动因子逐步回归分析结果

2.3 基于土地利用变化的韩江流域2000—2019年的生态安全评估

由表4可知，准则层中压力、状态和响应三层的权重分别为0.284、0.421和0.295，其中，状态层的权重数值最高，表明状态层是影响安全评估的重要因素。从指标层中各指标的权重可以看出，财政支出中科学事业费支出、人口密度、人均生产总值、第二产业占GDP的比重、第三产业占GDP的比重、人均耕地面积、粮食总产量、农村居民人均可支配收入、经济密度等9个指标的权重数值均超过0.050，表明人口、经济、产业结构等方面的变化对流域的土地生态安全发挥着重要的作用，与LUCC的主要驱动因素有较大的重合度。

表4 韩江流域土地生态安全评价指标体系

通过相应的权重计算每年的综合指数，如表5 所示，结果发现2000—2008年研究区土地生态安全指数呈现逐年降低的趋势，在自然环境因素和人类活动的共同影响下，尤其由于这一时期人口密度的迅速增加，韩江流域土地生态安全的压力逐年增大，说明流域内的土地生态系统遭到一定程度上的破坏，环境发生一定程度上的恶化。之后2008—2019 年生态安全指数实现回升，可能是由于人均生产总值的增加，从而缓解人口密度增大所带来的土地生态安全压力。此外，值得注意的是，韩江流域的土地生态安全响应指数在研究期内呈现逐年上升的趋势，表明针对韩江流域所面临的土地生态压力，流域主体积极采取促进土地生态安全的各项应对措施。

表5 韩江流域2000—2019年土地生态安全综合值

但对综合指数值进行隶属度分级计算发现，2000—2001年流域的土地生态不安全程度较低，处于较不安全等级级别；之后在2002—2017 年内，其土地生态不安全程度加重，等级转变为不安全级别，说明在此阶段流域内的土地生态环境受到破坏和污染，土地生态环境逐渐恶化，生态安全一直处于不安全的状态中。经过有效的环境治理，但环境恢复具有一定的滞后性，2018年之后流域的土地生态系统才重新变为较不安全等级级别，土地生态环境有一定的改善，但仍未达到安全的环境状态。整体来看，2000—2019年韩江流域的土地生态安全等级变化集中于“较不安全级”和“不安全级”两者之间，整体呈现出不稳定的态势。

3 结论

本研究对1980—2020 年韩江流域的土地利用变化展开研究，并对后20年的土地利用变化驱动因素和土地生态安全进行分析和评价，得出以下结论。

（1）1980—2020 年间，韩江流域不同土地利用类型的面积变化量为：城乡、居民、工矿用地＞耕地＞林地＞草地＞水域。城乡、居民、工矿等建设用地和耕地是该流域变化最突出的2种土地类型，其中，研究期内建设用地面积急剧增加，其增加的主要来源为耕地，空间上主要集中于流域东南部的潮汕平原地区；此外，2000年以后林地的减少量也较多，大都转换为建设用地，零散分布于韩江流域北部。

（2）人口增长、经济发展和产业结构的调整是韩江流域土地利用变化的主要驱动力，其中，人口和经济增长推动城市化进程加快，加剧建设用地与生态用地之间的矛盾，导致地类中的建设用地增加，耕地、林地等生态用地减少。

（3）基于土地利用变化的驱动力评估流域生态安全状况，发现2000—2019年韩江流域的土地生态安全综合指数呈现先降后增的趋势；2000—2001年土地生态安全处于较不安全级，2001—2017年土地生态安全状态有所恶化，转变为不安全级，直到2018年后，土地生态环境逐渐改善，重新转变为较不安全级。

4 讨论

根据本研究结果发现，1980—2020年间韩江流域主要集中于耕地和建设用地两种地类的转移变化上，而其他地类的转移变化并不十分显著。这主要是由于40年来随着中国改革开放政策的深入，流域内城市化和社会经济快速发展，使人们对土地的需求迅速增加，转而征用边缘的近郊土地，因此大量耕地被转化为建设用地，建设用地和耕地的矛盾日益突出。除此之外，1980—2020 年间韩江流域的土地利用变化呈现较明显的空间异质性，这主要是由流域内的主要2 个省份——广东省和福建省的经济发展情况和土地资源利用状况的差异导致。广东省内尤其是汕潮揭的中心城区以及汕尾、梅州市的中心城区，由于其经济的发展和城市化进程的快速推进，建设用地向郊区扩张的态势十分显著，并导致一定的空间差异；其中，东南部的汕潮揭地区集中表现为大量的耕地转化为建设用地，建设用地与耕地的矛盾最为突出。与此同时，由于韩江流域的中上、下游之间存在地势差异，这种差异也对流域内的LUCC产生了较大的影响[24]。韩江流域下游地势平坦，属于三角洲平原区，中上游地势相对起伏，属于山地丘陵区。山地丘陵区和三角洲平原区变化差别较大的地类主要是林地和水域，且主要集中在1990—2000年间，期间山地丘陵区的林地和水域面积主要呈现增加趋势，而三角洲平原区的林地和水域面积则呈现减少趋势。

对LUCC 进行驱动力分析，结果表明，韩江流域2000—2019 年土地利用变化受社会经济发展的影响显著。同时，通过结合多位学者对汕头市[25]、梅州市[26]、广东省境内地区[24]、龙岩市和漳州市等流域内部分城市和地区[14]的研究，均发现在1980—2000 年期间，经济发展是区域内LUCC的重要驱动因子，且经济社会的发展尤其显著地影响了这一时期内耕地的剧烈减少和建设用地的剧烈增加。因此，综上所述，可以认为1980—2019 年间韩江流域LUCC 主要受经济社会发展因素的驱动。在社会经济快速发展的驱动下，1980—2020年韩江流域的建设用地面积从716.04 km2增加到2015.61 km2，增加近3 倍，尤其在1990—2010年期间，韩江流域建设用地面积随着城市化进程增长速度最快，城市剧烈扩张，与此时中国的城市化进程保持一致[27]。

土地生态安全是由土地自然生态安全、土地经济安全和土地社会安全组成的一个复杂系统[28]，因此，它受到自然、经济、社会等多方面因素的影响，而根据以往研究显示，人为因素对土地生态安全的影响比自然因素更大[29-30]，这一结论也与本研究结果相符。本研究选取自然、经济和社会多方面的指标，对韩江流域的土地生态安全进行评价，发现2000—2019年韩江流域的土地生态安全状态主要受经济社会因素的影响，与主要驱动因素相符合，并经历过先恶化后改善的变化过程。人口集聚、产业结构变化等经济社会因素在短期内驱动流域的土地利用方式迅速发生变化，城市快速扩张，建设用地占用大量耕地、林地等生态用地，造成生态用地的急剧减少，从而使土地生态系统遭受退化、侵蚀等威胁和破坏，流域的土地生态安全状态恶化，这与LIANG等[31]的结果相似。之后由于《海峡西岸经济区发展规划》、《赣闽粤原中央苏区振兴发展规划》等一系列流域相关的经济发展战略相继提出，经济发展又对生态环境的要求有所提高，所以流域内对耕地、林地等生态用地的保护力度加大，城市扩张速度受到控制，土地生态环境逐渐改善，2018年土地生态安全状态发生转变。

由此可知，土地利用变化和土地生态安全的主要影响因素重合度较高，且经济社会因素通过作用于区域的土地利用变化，从而影响区域的土地生态安全。本研究中流域的城市化快速推进，使人口增长、经济社会发展等因素迅速发生变化，驱动流域的土地利用变化，即流域内建设用地面积增加，耕地、林地等生态用地面积减少，其他地类变化小，从而改变区域的生态安全状态，这与MOARRAB[32]、WU[33]、LU[34]等的研究结果相一致，其研究结果均表明快速的城市化进程是影响其生态安全的直接因素。因此，需要通过优化和调整土地利用格局来改善区域的生态安全条件[35-36]，为改善韩江流域的土地生态环境质量，韩江流域政府主体应严守土地的“三区三线”，保护耕地、林地等生态用地，控制城市建设用地的增长速度，着重提高流域的土地利用效率，缓解人地矛盾，减缓土地生态压力。