基于土地利用變化的桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價

胡金龍，王金葉，鄭文俊，滕明君，羅 楠

（1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于土地利用變化的桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價

胡金龍1,2，王金葉1，鄭文俊1，滕明君2，羅 楠1

（1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于桂林市區(qū)1986和2006年TM影像，提取2個時相土地利用類型數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù); 通過系統(tǒng)采樣和普通克呂格插值，編制生態(tài)風(fēng)險空間分布圖，定量評價桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險的時空變化特征。結(jié)果表明：20年間，桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險整體呈上升趨勢，高及較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)范圍不斷擴大，較低和中生態(tài)風(fēng)險區(qū)域持續(xù)減少；生態(tài)風(fēng)險的空間差異顯著，整體呈北高南低、中間高四周低，高風(fēng)險區(qū)由零散分布趨向于集中連片分布的格局特點；林地、草地和水域分布的區(qū)域以低生態(tài)風(fēng)險和較低生態(tài)風(fēng)險為主，耕地以中生態(tài)風(fēng)險為主，建設(shè)用地以較高生態(tài)風(fēng)險和高生態(tài)風(fēng)險為主，其中林地的生態(tài)風(fēng)險等級最低。研究結(jié)果可為桂林市區(qū)環(huán)境管理和生態(tài)風(fēng)險決策提供科學(xué)參考。

土地利用；生態(tài)風(fēng)險；空間分析；桂林市區(qū)

生態(tài)風(fēng)險是指一個種群、生態(tài)系統(tǒng)或整個景觀的正常功能受外界脅迫，從而在目前和將來減少該系統(tǒng)內(nèi)部某些要素或其本身的健康、生產(chǎn)力、遺傳結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)價值和美學(xué)價值的一種狀況[1-2]。近30年來，生態(tài)風(fēng)險評價研究經(jīng)歷了從環(huán)境風(fēng)險到生態(tài)風(fēng)險到區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價的發(fā)展歷程，評價范圍由局地擴展到區(qū)域景觀水平[3-4]。目前基于土地利用的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)研究的熱點問題之一[5-6]，同時也是開展城市生態(tài)風(fēng)險分析的重要手段，主要通過層次分析、專家咨詢和統(tǒng)計分析等方法[7-11]，確定不同土地利用類型生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)，建立土地利用方式與生態(tài)影響類型和強度之間的經(jīng)驗聯(lián)系，進(jìn)而為區(qū)域性生態(tài)保護(hù)決策提供更可靠的依據(jù)。本研究在3S技術(shù)的支持下，以遙感影像數(shù)據(jù)為基本信息源，探討了桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險的時空變化，為桂林市區(qū)環(huán)境管理和生態(tài)風(fēng)險決策提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

桂林市位于廣西東北部，地處南嶺山系的西南端，行政區(qū)地跨東經(jīng) 109°36′～ 111°29′、北緯24°15′～ 26°23′，北、東北面與湖南省交界，西、西南面與柳州地區(qū)相連，南、東南面與梧州市、賀州市相連，轄 5個城區(qū)12個縣，全市土地面積27 800 km2。區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，主要為中、低山地，兩側(cè)高，中部低，處在自西北向東南延伸的巖溶盆地中。地貌有巖溶山地、丘陵、臺地，巖溶（喀斯特）地貌發(fā)育完美，景觀奇特。本文研究的范圍主要選取桂林市區(qū)（2006年），其處于南北向巖溶盆地內(nèi)的漓江河谷階地和峰林平原之上，包括秀峰、疊彩、象山、七星、雁山五區(qū)，總面積約559.82 km2，是中國歷史文化名城和國際著名的風(fēng)景游覽城市。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

采用的數(shù)據(jù)資料有1986年11月、2006年9月的TM遙感影像，桂林市區(qū)1∶5萬地形圖，2006年桂林市區(qū)1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖以及行政區(qū)劃圖。參考全國土地利用分類方法，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類。采用基于知識的決策樹分類方法對桂林市區(qū)土地利用類型進(jìn)行解譯[12]，并對解譯結(jié)果進(jìn)行人工修正和檢驗，以提高解譯結(jié)果的精度。

2.2 采樣方法

根據(jù)研究區(qū)斑塊面積情況，采用1 km×1 km的正方形樣地對生態(tài)風(fēng)險指數(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)624個。每個樣地計算出一個綜合性生態(tài)風(fēng)險值，作為樣地中心點的生態(tài)風(fēng)險水平。

2.3 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

為建立土地利用類型與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險之間的經(jīng)驗聯(lián)系，利用各土地利用類型的面積比重，構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（IERI），用于描述樣地內(nèi)綜合生態(tài)風(fēng)險的相對大小，以便通過采樣方法將土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成空間化的生態(tài)風(fēng)險變量[13-14]。計算公式如下：

式中：IERI為生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；n為土地利用類型數(shù)量；

Ai為樣地內(nèi)第i種土地類型的總面積；A為樣地總面積；Wi為第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)。參考前人研究[13-14]，采用層次分析法確定生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)Wi，最終確定各土地利用類型生態(tài)風(fēng)險強度參數(shù)分別為：耕地0.223 2、林地0.054 0、草地0.083 2、水域0.092 1、建設(shè)用地0.363 8、未利用地0.183 7。

2.4 空間分析方法

區(qū)域生態(tài)風(fēng)險指數(shù)本身是一種空間變量，可以利用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行空間特征分析，在生態(tài)風(fēng)險系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，利用Arc GIS統(tǒng)計分析模塊，計算出半變異函數(shù)[15-16]：

式中：r(h)為變異函數(shù)；N(h)為樣本對數(shù)；h為空間距離；Z(xi)和Z(xi+h)分別為系統(tǒng)某屬性Z在空間位置x、x+h處的值。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行理論擬合，經(jīng)檢驗方法合理，然后對生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行克呂格插值，獲得桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 桂林市區(qū)土地利用總體變化特征

1986～2006 年間，桂林市區(qū)各土地利用類型中，林地一直居于首位，占總面積比例均在50%以上，面積有較大增加，凈增1 432.08 hm2；耕地作為第二大土地利用類型面積持續(xù)減少，所占總面積的比例由1986年的31.45%下降到2006年的23.07%，凈減4 692.78 hm2；與耕地變化特征相反，建設(shè)用地快速增加，由1986年的3 462.93 hm2迅速增加到2006年的7 021.35 hm2，凈增3 558.42 hm2，所占總面積的比例也由1986年的6.19%快速上升到2006年的12.54%；水域和草地的總面積略有下降，分別減少了102.96 hm2和331.74 hm2；未利用地持續(xù)增加，但研究期內(nèi)均未超過總面積的1%，在整體變化中反映不明顯。從單一土地利用類型動態(tài)度來看，建設(shè)用地的動態(tài)度達(dá)5.14%，遠(yuǎn)高于其它土地利用類型（見表1）。從整個研究期來看，各土地利用類型都發(fā)生了一定程度的轉(zhuǎn)移，其中草地和未利用地最為劇烈，轉(zhuǎn)化率均在70%以上，耕地轉(zhuǎn)移的絕對量最高，轉(zhuǎn)化為非農(nóng)用地的達(dá)8 425.60 hm2，其次為林地（見表2）。各土地利用類型轉(zhuǎn)移的主要去向為林地、建設(shè)用地、農(nóng)田，退耕還林政策的實施、果業(yè)種植、鄉(xiāng)村旅游的發(fā)展、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化以及第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展是主要的驅(qū)動因素。

表1 桂林市區(qū)1986年、2006年土地利用變化特征Table 1 Land use changes of Guilin city urban district in 1986 and 2006

表2 1986～2006年桂林市區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transition matrix of land use in Guilin city from 1986 to 2006 hm2

3.2 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間結(jié)構(gòu)分析

在生態(tài)風(fēng)險系統(tǒng)采樣的基礎(chǔ)上，計算半變異函數(shù)，進(jìn)行理論半變異函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)球狀模型擬合結(jié)果比較理想，桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間結(jié)構(gòu)分析主要基于球狀模型。結(jié)果（見表3）顯示，1986年的基臺值僅為0.003 9，表明該階段研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險強度的空間分布比較均勻，差異較小。隨著城市建設(shè)用地的快速擴張，生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間分布差異變大，基臺值增加到2006年的0.008 4，為1986年的2.15倍，表明桂林市區(qū)局部生態(tài)風(fēng)險強度提高，范圍增大，生態(tài)風(fēng)險強度的空間分布不均勻性增強。從變程的變化情況看，2006年變程較1986年有所增加，由13 638.30 m增加到16 426.10 m，表明生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間相關(guān)距離增加。1986年研究區(qū)人為改造活動以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，強度和方式主要受桂林市區(qū)復(fù)雜地形條件、道路可達(dá)性以及基層生產(chǎn)單元界限等因素的限制，因此生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的相關(guān)距離比較短。1986～2006年間，伴隨城市快速擴展，道路系統(tǒng)不斷完善，局部地形條件對人為改造活動的限制被突破，導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間相關(guān)距離增加。

表3 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的理論半變異函數(shù)Table 3 Theoretical semi-variogram of ecological risk index

3.3 桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險時間序列變化

根據(jù)公式（1）計算桂林市區(qū)624個樣區(qū)1986和2006年的生態(tài)風(fēng)險值，統(tǒng)計結(jié)果顯示，1986年各個樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險介于0.005 2～0.323 3之間，均值為0.118 9，2006年各樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險介于0.001 3～0.355 6之間，均值為0.122 3。從生態(tài)風(fēng)險的峰值和均值來看，2006年桂林市區(qū)的生態(tài)風(fēng)險有一定程度的增加。20年間各樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值變化趨勢存在較大差異，56.09%的樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值增加，40.38%的樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值降低，3.53%的樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值維持不變。參考相關(guān)文獻(xiàn)[1,5]，按照等分法將研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險劃分為5個等級：低生態(tài)風(fēng)險（≤0.10）、較低生態(tài)風(fēng)險（0.10～0.15）、中生態(tài)風(fēng)險（0.15～0.20）、 較高生態(tài)風(fēng)險（0.20～0.25）、高生態(tài)風(fēng)險（≥0.25）。依據(jù)上述分級標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計各等級風(fēng)險區(qū)的面積比例，結(jié)果（見表4）顯示，研究期間桂林市區(qū)以低和較低生態(tài)風(fēng)險為主，二者合計面積比例均在50%以上。不同風(fēng)險等級面積的變化趨勢存在較大差異，較低和中生態(tài)風(fēng)險呈減少趨勢，較低生態(tài)風(fēng)險下降最為明顯；高生態(tài)風(fēng)險、較高生態(tài)風(fēng)險和低生態(tài)風(fēng)險呈增加趨勢，其中高生態(tài)風(fēng)險增加最多，凈增3 125.51 hm2，主要因為建設(shè)用地的急劇增加。

表4 生態(tài)風(fēng)險級別克里格插值面積統(tǒng)計Table 4 Areas calculated by Kriging interpolation forassessing ecological risk grade

3.4 桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間變化

在半變異函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，利用ARCGIS軟件對1986和2006年624個樣區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行克呂格插值，獲得桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間分布圖（見圖1）。1986年桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險的空間差異顯著，整體呈北高南低、中間高四周低，高風(fēng)險區(qū)零散分布的格局特點。高及較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在桂林中心城區(qū)，占研究區(qū)比例分別為1.12%和5.33%；中生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布于研究區(qū)的中間地帶，呈南北狹長狀分布，屬于高分險和低風(fēng)險區(qū)的過渡地帶；低及較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布于城市郊區(qū)東南部和北部的山體以及林地和農(nóng)田交錯分布的區(qū)域，二者比例分別為35.60%和29.64%?？傮w來看，1986年桂林市區(qū)以低和較低生態(tài)風(fēng)險為主；2006年研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險分布格局與1986年類似，但高風(fēng)險區(qū)由零散分布轉(zhuǎn)向集中連片，高及較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的面積有顯著增加，分別增加5.58%和3.91%，凈增3 125.51 hm2和2 187.67 hm2，主要分布在中心城區(qū)，向四周呈蔓延之勢，此類區(qū)域無疑是今后生態(tài)環(huán)境建設(shè)需要重點關(guān)注的區(qū)域。中生態(tài)風(fēng)險區(qū)面積下降迅速，由1986年的28.31%下降到2006年的19.37%，凈減5 009.94 hm2，分布區(qū)域有所減少，可能由于耕地面積減少及林地增加引起部分區(qū)域向較高和較低生態(tài)風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)化。低及較低生態(tài)風(fēng)險分布于桂林市郊區(qū)地帶，呈一增一減的態(tài)勢，分別增加2.78%和減少3.32%，主要由農(nóng)田、草地向林地轉(zhuǎn)化引起，總體來看，2006年桂林市區(qū)仍以低和較低生態(tài)風(fēng)險為主，但高及較高風(fēng)險區(qū)域明顯增加且集中連片。

圖1 桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecological risk for Guilin city urban districts

3.5 不同土地利用類型的風(fēng)險分布

利用ARCGIS9.3的空間分析功能，對桂林市區(qū)各土地利用類型的風(fēng)險等級進(jìn)行統(tǒng)計，得到研究區(qū)1986和2006年不同土地利用類型風(fēng)險等級的面積分布（見表5、表6）。結(jié)果顯示：2個時相各土地利用類型不同風(fēng)險等級面積分布具有類似的特點，林地、草地和水域分布的區(qū)域以低和較低生態(tài)風(fēng)險為主，耕地以中生態(tài)風(fēng)險為主，建設(shè)用地以較高和高生態(tài)風(fēng)險為主；與1986年相比，2006 年各土地利用類型較高和高生態(tài)風(fēng)險比例有顯著提高。從風(fēng)險等級的強度來看，兩時段建設(shè)用地的風(fēng)險等級均最高，1986年建設(shè)用地較高和高生態(tài)風(fēng)險的比例分別為30.02%和13.86%，2006年二者的比例分別為26.55%和41.75%，高風(fēng)險區(qū)域所占比例明顯增加。研究期間，林地的生態(tài)風(fēng)險等級最低，1986和2006年林地低及較低生態(tài)風(fēng)險比例合計分別為84.34%和85.43%。上述結(jié)果表明生態(tài)風(fēng)險與人類活動緊密相連，人為干擾頻繁的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險發(fā)生的機率高，而人為干擾弱的地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，生態(tài)風(fēng)險的等級低。

4 結(jié)論與討論

（1）1986～2006 年桂林市區(qū)林地面積一直居于首位，占總面積比例均在50%以上。土地利用總體變化特征表現(xiàn)為建設(shè)用地快速增加，耕地大幅減少，林地和未利用地有所增加，水域和草地略有下降。建設(shè)用地的變化速度最快，遠(yuǎn)高于其它土地利用類型。受退耕還林、果業(yè)種植、鄉(xiāng)村旅游、城市擴張等因素的驅(qū)動，各土地利用類型向林地和建設(shè)用地發(fā)展。

表5 1986年各土地利用類型生態(tài)風(fēng)險面積統(tǒng)計Table 5 Areas of various ecological risk grades from different land use types in 1986

表6 2006年各土地利用類型生態(tài)風(fēng)險面積統(tǒng)計Table 6 Areas of various ecological risk grades from different land use types in 2006

（2）1986～2006年桂林市區(qū)56.09%的樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值增加，40.38%的樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值降低，3.53%的樣區(qū)生態(tài)風(fēng)險值維持不變，生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的均值分別為0.118 9和0.122 3，整體生態(tài)風(fēng)險增加。從不同風(fēng)險等級面積的變化趨勢來看，較低和中生態(tài)風(fēng)險減少，高生態(tài)風(fēng)險、較高生態(tài)風(fēng)險和低生態(tài)風(fēng)險增加。1986～2006年桂林市區(qū)生態(tài)風(fēng)險的空間差異顯著，整體呈北高南低、中間高四周低、高風(fēng)險區(qū)由零散分布趨向于集中連片分布的格局特點。伴隨建設(shè)用地的快速擴張，高和較高生態(tài)風(fēng)險區(qū)的面積有顯著增加，但研究區(qū)整體仍以低和較低生態(tài)風(fēng)險為主。

（3）研究期間各土地利用類型不同風(fēng)險等級面積分布具有類似的特點，林地、草地和水域分布的區(qū)域以低和較低生態(tài)風(fēng)險為主，耕地以中生態(tài)風(fēng)險為主，建設(shè)用地以較高和高生態(tài)風(fēng)險為主。從風(fēng)險等級的強度來看，兩時段建設(shè)用地的風(fēng)險等級最高，林地的生態(tài)風(fēng)險等級最低，表明人為干擾頻繁的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險發(fā)生的機率高，反之，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，生態(tài)風(fēng)險的等級低。

（4）研究期間桂林市區(qū)雖一直維持在較低的生態(tài)風(fēng)險水平，但風(fēng)險程度呈進(jìn)一步上升的趨勢。在今后城市的發(fā)展過程中應(yīng)加強土地利用管理，盡量避免不合理的土地利用方式，嚴(yán)格保護(hù)區(qū)域內(nèi)林地和耕地，控制建設(shè)用地密度，將城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)起來，從而維持城市較低的生態(tài)風(fēng)險，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

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Ecological risk assessment for Guilin urban district based on land use change

HU Jin-long1,2, WANG Jin-ye1, ZHENG Wen-jun1, TENG Ming-jun2, LUO Nan1
(1. Tourism College, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 2.College of Horticulture & Forestry Science,Huazhong Agriculture University, Wuhan 430070, Hubei, China)

Based on TM image data of Guilin city urban districts taken in 1986 and 2006, the land use data of Guilin city in each year were extracted, an ecological risk index was constructed; the distribution map of spatial distribution of ecological risk was gained by system sampling and general Adalbert Krueger interpolation, thus the ecological risk characteristics of temporal and spatial changes in Guilin city urban districts were quantitatively evaluated. The results show that the total ecological risk in Guilin city increased in past 20 years, the areas of extremely high and high ecological risk were expanding, while the areas of low and moderate ecological risk were decreasing; the spatial differences of ecological risk was signif i cant, the ecological risk was higher in the north and lower in the south,and higher in middle area than in peripheral area, and the distribution of high ecological risk tended to be centralized from scattered distribution; the majority of the woodland, grassland and water body belonged to the extremely low and low ecological risk areas and the cropland belonged to moderate ecological risk areas, whereas the construction land belonged to the high and extremely high ecological risk areas; the level of ecological risk of woodland was the lowest among land use types. The results can provide scientif i c references for environmental management and ecological risk decision-making of Guilin city.

land use; ecological risk; spatial analysis; urban district of Guilin city

S718.5

A

1673-923X(2013)03-0084-05

2012-10-16

國家科技支撐計劃課題（2012BAC16B04）；國家哲學(xué)社會科學(xué)基金（10CMZ011）；廣西自然科學(xué)基金項目（2012GXNSFBA053136）；廣西科技攻關(guān)課題（桂科攻1298006）；廣西高等學(xué)校立項科研項目（201204LX156）

胡金龍（1980-），男，山東諸城人，講師，博士，主要從事景觀生態(tài)規(guī)劃、園林設(shè)計、土地資源管理等研究；

E-mail： 43765934@qq.com

鄭文?。?979-），男，湖北天門人，副教授，博士，主要從事生態(tài)旅游與景觀規(guī)劃教學(xué)與科研工作

[本文編校：謝榮秀]