霍林河流域中下游土地利用變化及生態(tài)安全響應(yīng)

李 闖，劉吉平

（吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平136000）

生態(tài)安全是指生態(tài)系統(tǒng)的健康和完整情況，是人類(lèi)在生產(chǎn)、生活和健康等方面不受生態(tài)破壞與環(huán)境污染等影響的保障程度，包括飲用水與食物安全、空氣質(zhì)量與綠色環(huán)境等基本要素。國(guó)外對(duì)生態(tài)安全的研究始于20世紀(jì)70年代末，現(xiàn)已取得了不少成果，主要集中在生態(tài)安全定義的擴(kuò)展、環(huán)境變化與安全的經(jīng)驗(yàn)性研究、環(huán)境變化與安全的綜合性研究及環(huán)境變化與安全內(nèi)在關(guān)系研究等方面，除此之外，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者還對(duì)生態(tài)安全的概念、特點(diǎn)和內(nèi)涵等方面做了論述[1－4]，但是這些研究探討的多是在全球或是國(guó)家層面上的問(wèn)題，而對(duì)地方或區(qū)域?qū)用嫔系纳鷳B(tài)安全研究尚顯薄弱，對(duì)一些地方或區(qū)域特別的環(huán)境壓力與安全的關(guān)系有所忽略[5－6]。因此，開(kāi)展區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)踐意義。而土地利用變化（LUCC）影響著能量交換、水分循環(huán)、土壤侵蝕與堆積、作物生產(chǎn)等陸地主要生態(tài)過(guò)程的結(jié)構(gòu)和功能，最終造成生態(tài)系統(tǒng)的變化[7]。近幾年來(lái)已有學(xué)者開(kāi)始探討LUCC的景觀生態(tài)效應(yīng)，對(duì)土地利用類(lèi)型的變化進(jìn)行量化處理[8]，但是目前的研究還不夠深入，缺乏對(duì)區(qū)域土地利用變化生態(tài)安全響應(yīng)的研究。

本文以GIS和RS技術(shù)為平臺(tái)，運(yùn)用FRAGSTATS軟件，采用景觀生態(tài)學(xué)的空間格局分析方法，計(jì)算和分析不同土地利用類(lèi)型的總體變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上分析霍林河流域中下游生態(tài)安全在時(shí)間、空間格局上的變化特征，以期為霍林河流域的生態(tài)整治、維護(hù)物種多樣性及促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

霍林河是松花江流域嫩江水系的一級(jí)支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古扎魯特旗德魯特勒罕山北麓，海拔1 439 m，全長(zhǎng)約590km，流域總面積36 623km2，流域西部為大興安嶺南端東麓的低山丘陵區(qū)，向東過(guò)渡為松遼平原地帶。受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，上游山區(qū)持續(xù)抬升，中下游平原以沉降為主，形成隆狀沙丘與壟間洼地交錯(cuò)相間排列的微地貌格局，從而發(fā)育了面積廣泛的沼澤和湖泊，有科爾沁、向海和查干湖濕地，其中向海濕地為國(guó)家重要濕地。氣候上屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫4.6～5.6℃；年降水量一般低于400mm，遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，水資源較為缺乏，一般年份霍林河為內(nèi)陸無(wú)尾河。土壤類(lèi)型主要有黑鈣土、淡黑鈣土、風(fēng)沙土、鹽漬土、草甸土和沼澤土沙土。植被包括草甸植被、草原植被、沼澤植被、鹽生植被、堿生植被和沙地植被。選擇霍林河流域中下游沿岸地區(qū)作為研究區(qū)，地理坐標(biāo)為44°02′—45°38′N(xiāo)，122°02′—124°43′E，在行政區(qū)劃上主要包括吉林省的通榆縣、乾安縣、洮南市、大安市、前郭縣和長(zhǎng)嶺縣，面積23 090km2，約占全流域面積的63.04%。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

霍林河流域1970年土地利用現(xiàn)狀是以70年代出版的1∶10萬(wàn)地形圖為基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)提取而來(lái)，首先在ArcGIS 9.2中對(duì)掃描地圖進(jìn)行校正，再對(duì)其添加投影，之后對(duì)校正好的地圖進(jìn)行數(shù)字化；2005年遙感數(shù)據(jù)集 Landsat7／ETM＋由美國(guó) USGS（http：∥glovis.usgs.gov／）提供，空間分辨率為30m，統(tǒng)一采用西安1980坐標(biāo)系統(tǒng)、Albers投影以及2005年霍林河流域行政區(qū)劃圖；氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象共享中心；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2006年吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類(lèi)型劃分及轉(zhuǎn)移分析 土地利用／覆蓋變化是人類(lèi)利用土地各種活動(dòng)的綜合反映，其變化在很大程度上記錄了人與自然相互作用的過(guò)程[9]，以霍林河流域中下游各縣的1970年和2005年兩期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用土地利用的一級(jí)與二級(jí)相結(jié)合，以耕地、林地、草地、河渠、湖泊、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、沙地、鹽堿地和沼澤地10大類(lèi)作為生態(tài)安全研究的類(lèi)型。

土地利用結(jié)構(gòu)的變化程度可以用轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述，利用GIS的空間分析方法，在ArcGIS 9.2的支持下，對(duì)研究區(qū)兩期的土地利用圖執(zhí)行tabulate area操作[10]，獲得1970—2005年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并在此基礎(chǔ)上建立土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣。為避免某些時(shí)段可能與其它時(shí)段有逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這里引入累計(jì)轉(zhuǎn)換率，本文采用總土地面積，而不用各個(gè)土地利用類(lèi)型面積是為了使各土地利用類(lèi)型之間在數(shù)量上更有可比性[11]。其計(jì)算公式如下：

式中：Pij——i類(lèi)土地利用覆被類(lèi)型向j類(lèi)土地利用覆被類(lèi)型的累計(jì)轉(zhuǎn)換率；i，j——研究區(qū)內(nèi)土地利用覆被類(lèi)型；Sij——某一時(shí)段i土地利用覆被類(lèi)型向j土地利用覆被類(lèi)型轉(zhuǎn)換的面積；n——時(shí)段；S總——研究區(qū)土地總面積。

2.2.2 土地利用綜合指數(shù)構(gòu)建 土地利用結(jié)構(gòu)及其變化是自然和人文等多種因素作用于一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，因此，對(duì)某區(qū)域景觀空間格局的研究是揭示該區(qū)域生態(tài)狀況的有效手段。景觀生態(tài)學(xué)注重空間異質(zhì)性和空間格局的研究，提出了景觀多樣性指數(shù)及景觀均勻度、優(yōu)勢(shì)度、分離度、生境破碎化指數(shù)等不同的定量指標(biāo)，為景觀空間格局分析奠定了基礎(chǔ)[12]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建綜合性的土地利用指數(shù)，如干擾度指數(shù)、脆弱度指數(shù)、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等[13－17]，本文引用該方法，利用以下評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)區(qū)域土地利用變化及生態(tài)安全進(jìn)行研究。

首先，計(jì)算斑塊面積（CA）指數(shù)，然后，選取斑塊數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、面積加權(quán)平均分維數(shù)（FRAC—AM）和香農(nóng)多樣性（SHDI）等指數(shù)，研究類(lèi)型和景觀水平上各等級(jí)斑塊的空間格局，由于文章篇幅有限，相應(yīng)類(lèi)型級(jí)別上的指標(biāo)不予給出，所有指數(shù)的計(jì)算均在Fragstats 3.3下完成。

（1）干擾度指數(shù)（Ei）。以破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度為基礎(chǔ)構(gòu)建土地利用干擾度指數(shù)，其公式為：

式中：Ei——干擾度指數(shù)；Ci——破碎度；Si——分離度；Ki——優(yōu)勢(shì)度；a，b，c——它們的權(quán)重，且a＋b＋c＝1。以上三個(gè)指標(biāo)由于量綱不同，須進(jìn)行歸一化處理，其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。權(quán)重反映了各指數(shù)對(duì)景觀所表征的生態(tài)環(huán)境不同的影響程度，借鑒前人的相關(guān)研究成果[12－13，17]并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，本文對(duì)3個(gè)指數(shù)權(quán)重的賦值分別為0.3，0.2，0.5。

（2）脆弱度指數(shù)（Fi）。對(duì)研究區(qū)內(nèi)各種土地利用類(lèi)型的脆弱度采用專(zhuān)家咨詢法予以確定，其結(jié)果為人居地脆弱度最低，其次是濕地，而鹽堿地最為脆弱。分別對(duì)每種土地類(lèi)型脆弱度進(jìn)行賦值，鹽堿地10、沙地9、耕地8、草地7、林地6、河渠5、沼澤地4、湖泊3、城鎮(zhèn)用地2、農(nóng)村居民點(diǎn)1，并由此進(jìn)行歸一化后作為這種土地類(lèi)型的脆弱度指數(shù)[14]，詳見(jiàn)表1。

表1 土地利用／覆蓋要素的脆弱性指數(shù)

（3）風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Ri）。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ri表示在遭遇干擾或自然條件改變時(shí)，各土地利用／覆蓋類(lèi)型所受到生態(tài)損失的差別，即其自然屬性損失的程度，是某一土地利用類(lèi)型的干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)（Fi）的綜合，用下式表示。

2.2.3 生態(tài)安全綜合指數(shù)測(cè)算 利用所建立的土地利用綜合指數(shù)，引入生態(tài)安全指數(shù)，將土地利用格局與區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況相聯(lián)系，把土地利用類(lèi)型的空間結(jié)構(gòu)變化轉(zhuǎn)化為生態(tài)安全的空間變量。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)景觀斑塊的面積情況，確定網(wǎng)格的面積為100km2。利用10km×10km的正方形柵格對(duì)景觀穩(wěn)定性指數(shù)進(jìn)行空間化，采樣方式為等間距系統(tǒng)采樣法，共有樣區(qū)266個(gè)。計(jì)算每一樣區(qū)內(nèi)各類(lèi)土地利用類(lèi)型的景觀穩(wěn)定性指數(shù)，以此作為樣區(qū)中心點(diǎn)的生態(tài)安全水平。用于描述一個(gè)樣區(qū)內(nèi)生態(tài)安全的相對(duì)大小，以便通過(guò)采樣方法將景觀空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成空間化的生態(tài)環(huán)境變量[18]，其計(jì)算公式為：

3 結(jié)果與分析

式中：ESIk——第k小區(qū)生態(tài)安全指數(shù)；k——從1至266個(gè)采樣區(qū)；m——景觀類(lèi)型的數(shù)量；AKi——第k個(gè)小區(qū)i類(lèi)景觀類(lèi)型的面積；AK——第k個(gè)小區(qū)的總面積。ESIk越大，表明該小區(qū)的生態(tài)安全程度越高，反之生態(tài)安全程度越低。

根據(jù)上述生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法，對(duì)研究區(qū)1970年、2005年各土地利用類(lèi)型的生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)分析功能，選用普通克呂格插值法將研究區(qū)各樣地生態(tài)安全數(shù)值分為5個(gè)級(jí)別，繪制土地利用生態(tài)安全空間分布圖。

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

根據(jù)公式（1）計(jì)算出霍林河流域中下游土地利用轉(zhuǎn)換概率矩陣，由表2可知，各土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化較復(fù)雜，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)既有正向演替又有逆向演替，如草地→林地、耕地→林地、耕地→草地、沙地→林地、鹽堿地→草地等轉(zhuǎn)化為生態(tài)系統(tǒng)的正向演替，而林地→草地、林地→耕地、草地→鹽堿地、耕地→鹽堿地等轉(zhuǎn)化為生態(tài)系統(tǒng)的逆向演替[13]。但隨著研究區(qū)人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及過(guò)度放牧使草地大面積轉(zhuǎn)化為耕地和鹽堿化；同時(shí)，農(nóng)村居民點(diǎn)和城鎮(zhèn)用地面積持續(xù)增加，其主要來(lái)源于耕地，其次為草地和林地的轉(zhuǎn)化，表明人類(lèi)對(duì)研究區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)干擾頻繁。

對(duì)霍林河流域中下游1970年和2005年的土地利用類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，研究區(qū)在35a期間各土地利用類(lèi)型的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。從表3可知，1970年耕地是研究區(qū)的主要類(lèi)型，幾乎占全區(qū)的一半，其次是草地，占24.6%，而到2005年，耕地仍是研究區(qū)的主要土地利用類(lèi)型，但鹽堿地達(dá)到23.36%，取代了草地的面積，土地鹽堿化較嚴(yán)重，耕地、草地、鹽堿地三者之和在兩個(gè)時(shí)期都達(dá)到全區(qū)的80%以上。35 a間，研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的面積呈現(xiàn)耕地、林地、湖泊、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、鹽堿地增加，而草地、河渠、沙地、沼澤地減少的變化趨勢(shì)。林地是所有土地利用類(lèi)型中年變化率最快的，其次是農(nóng)村居民點(diǎn)增加顯著，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，而草地減少了近一半，主要轉(zhuǎn)化為耕地和鹽堿地，使鹽堿地增加了5個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的擾動(dòng)。

表2 霍林河流域中下游1970－2005年各時(shí)段土地利用轉(zhuǎn)換概率矩陣 %

表3 霍林河流域各年土地利用類(lèi)型面積及其變化

3.2 生態(tài)安全的動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)公式（2）—（4）計(jì)算霍林河流域中下游266個(gè)樣區(qū)的1970年和2005年的土地利用變化生態(tài)安全指數(shù)，并對(duì)生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行克呂格插值，結(jié)果表明，35a間，土地利用結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致生態(tài)安全指數(shù)的時(shí)空變化較強(qiáng)，生態(tài)安全程度總體呈下降趨勢(shì)，平均生態(tài)安全指數(shù)由1970年的0.707 6下降到2005年的0.681 8，且破碎化嚴(yán)重。較高的生態(tài)安全指數(shù)（ESI＞0.7）主要分布于該區(qū)域的西北部，向西南逐漸降低，并達(dá)到最低值；由于東南地區(qū)人口密度大，人類(lèi)對(duì)自然環(huán)境的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，因此較低的生態(tài)安全指數(shù)（ESI＜0.5）分布于流域的東南部。西北部ESI相對(duì)較高，尤其是1970年，其ESI多大于0.8，大安市境內(nèi)有的地方甚至達(dá)到了0.9以上，主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)該地區(qū)以草地為主，景觀穩(wěn)定性強(qiáng)；到了2005年，由于不合理的灌溉、超強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)，加上氣候的影響，大面積草地轉(zhuǎn)化為鹽堿地；在生態(tài)安全總體下降的趨勢(shì)下也存在個(gè)別地方ESI升高的現(xiàn)象，通榆縣境內(nèi)西北部的向海濕地自然保護(hù)區(qū)ESI已由1970年的0.7達(dá)到了0.8以上，說(shuō)明一些人為的保護(hù)政策已經(jīng)發(fā)揮了作用；另外南部和東部地區(qū)也有部分地方由于退耕還林、還草，其ESI由0.6達(dá)到了0.7以上，0.6以下的區(qū)域也逐漸變小；但東南角ESI變化較小，仍是最低區(qū)域。

3.3 生態(tài)安全動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力分析

分析其生態(tài)環(huán)境退化的主要原因可以從自然要素和人文要素兩方面進(jìn)行。自然方面通過(guò)圖1可以看出，1970—2005年，研究區(qū)氣溫升高，而降水則整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。表明35a來(lái)霍林河流域中下游地區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)干旱化過(guò)程（雖然僅利用氣溫和降水兩個(gè)因子來(lái)分析區(qū)域氣候的變化趨勢(shì)存在一定的不確定性，但仍能在一定程度上反映區(qū)域氣候變化的宏觀特征），加速了土地沙化和鹽堿化，從而對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生重大影響，同時(shí)35a間，該地區(qū)又經(jīng)歷了嚴(yán)重的自然災(zāi)害，這些因素對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在大的自然地理背景上造成了一定的壓力，也就加大了生態(tài)安全退化的速度。

圖1 1970－2005年研究區(qū)氣溫與降水的變化趨勢(shì)

自然因素為生態(tài)安全的退化提供了內(nèi)在原因，而人為因素則加速了這種變化，即人為影響疊加在自然因素之上，對(duì)生態(tài)環(huán)境的退化產(chǎn)生放大作用。一方面，干旱的氣候使生態(tài)環(huán)境退化日益嚴(yán)重，另一方面，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)是影響霍林河流域中下游生態(tài)安全指數(shù)降低和空間分布變化的主要原因。圖2是1970—2005年的人均收入和人口密度分布圖，從圖中可以看出，兩者呈正向增長(zhǎng)，由于人口的增加，相應(yīng)地對(duì)土地的需求加大，促使耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)的比例在土地利用結(jié)構(gòu)中的比例不斷擴(kuò)大，這種不合理的土地開(kāi)墾都大大的加速了土地生態(tài)安全的退化，加之改革開(kāi)放之后，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，從而對(duì)資源的需求量也大量增加，這在一定程度上對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了干擾；另外，霍林河流域地處吉林省西部和內(nèi)蒙古沙漠邊緣，其特殊的地理位置也對(duì)其生態(tài)安全退化有重要影響。因此，在自然和人為因素的綜合作用下，區(qū)域生態(tài)安全表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖2 1970－2005年研究區(qū)人均收入與人口密度的變化趨勢(shì)

4 結(jié)論與討論

本文以吉林省西部的霍林河流域中下游為研究區(qū)域，基于土地利用數(shù)據(jù)和GIS軟件的空間分析功能，以景觀生態(tài)學(xué)的空間格局分析方法，通過(guò)構(gòu)建干擾度指數(shù)、脆弱度指數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等一系列指數(shù)計(jì)算和分析了不同土地利用類(lèi)型的總體變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，1970—2005年期間，該流域各土地利用類(lèi)型呈不同的變化趨勢(shì)，研究區(qū)土地利用類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)；通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移分析，各土地利用類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化較復(fù)雜，其中耕地、林地、草地之間相互轉(zhuǎn)化較頻繁，表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在外界因素的影響下既有正向演替又有逆向演替。

通過(guò)分析可以看出，在自然與人為因素雙重作用下，霍林河流域中下游地區(qū)由于土地利用結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的生態(tài)安全指數(shù)在時(shí)空分布上差異性較強(qiáng)。另外，霍林河流域地處吉林省西部和內(nèi)蒙古沙漠邊緣，其特殊的地理位置也對(duì)其生態(tài)安全退化有重要影響，因此在這35a期間，流域土地利用生態(tài)安全指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，并由西北向東南降低，達(dá)最小值0.5以下。

綜上所述，通過(guò)運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的空間格局分析方法對(duì)霍林河流域中下游地區(qū)的生態(tài)安全在時(shí)空特征上進(jìn)行了分析，由于側(cè)重從自然因子進(jìn)行分析，對(duì)其它地貌、地形、災(zāi)害及人文因素沒(méi)有考慮，因此并不具有絕對(duì)性。但所用的分析方法和模型對(duì)分析區(qū)域土地利用變化和生態(tài)安全是可行的，許多學(xué)者已運(yùn)用此方法進(jìn)行了研究[13－19]。通過(guò)本文的分析，為霍林河流域的生態(tài)整治、維護(hù)物種多樣性及促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)，從而避免由決策失誤而帶來(lái)的重大生態(tài)、經(jīng)濟(jì)損失。

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