基于土地利用變化的糧食主產(chǎn)區(qū)土地生態(tài)安全研究

摘要：通過RS和GIS平臺，綜合運用遙感影像、統(tǒng)計報表及抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)，研究糧食主產(chǎn)區(qū)縣域土地利用變化及其生態(tài)安全狀況。模型分析表明，在當前快速城鎮(zhèn)化的背景下，近6年來河南省新鄭市高景觀生態(tài)功能性用地內(nèi)部轉(zhuǎn)移加劇、單一功能基礎(chǔ)設(shè)施用地增加明顯，達82.89%，高通道、高增長區(qū)域結(jié)構(gòu)演變相對劇烈，平均幅度超過5.56%，整體呈現(xiàn)“Y”型支撐、外圍交錯散布土地利用變化空間格局。相對應(yīng)，土地利用結(jié)構(gòu)變動引致土地生態(tài)安全性降低，且表現(xiàn)出各區(qū)域同向退化、整體均衡趨勢。進一步研究發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)化速度與土地利用結(jié)構(gòu)變動呈正相關(guān)，切實影響生態(tài)環(huán)境，貢獻率超過45%，遠大于工業(yè)化及其他因素，而指向性土地制度因素對生態(tài)安全影響較小。

關(guān)鍵詞：土地利用變化；生態(tài)安全；糧食主產(chǎn)區(qū)；新鄭市；河南省

中圖分類號：X821 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3451-05

生態(tài)安全和糧食安全是國家安全的重要組成部分，土地資源作為其重要的支撐載體，其生態(tài)安全事關(guān)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。20世紀以來，人類經(jīng)濟活動的加劇和對土地資源的不合理開發(fā)利用，導(dǎo)致自然土地覆被格局劇烈改變，對區(qū)域及全球生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了重大影響[1-6]。中國隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快，越來越普遍地面臨著生態(tài)問題。土地生態(tài)安全已逐漸成為當前生態(tài)學(xué)、地理學(xué)以及資源與環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿任務(wù)和重要課題，引起了學(xué)者們的重視并投入力量研究，已取得了許多很有價值的研究成果[2-4，7-10]。國內(nèi)張軍以等[3]探討了PSR框架評價體系及權(quán)重的確定方法；李明月等[7]借鑒歷史數(shù)據(jù)運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法評價城市土地生態(tài)安全；陳彩虹等[8]基于PSR模型利用層次分析和模糊數(shù)學(xué)方法對湖南省長沙市生態(tài)安全進行評價分析；蒙吉軍等[9]以GIS和計量手段研究典型區(qū)域生態(tài)安全狀況；楊志等[10]探討基于PSR模型土地生態(tài)狀況評價的問題及思路；許聯(lián)芳[11]將3S和計量技術(shù)匹配，測算縣域生態(tài)資產(chǎn)并分析了區(qū)域生態(tài)狀況及其驅(qū)動因素。

上述研究者近年來的關(guān)注焦點主要在土地生態(tài)安全的指標體系構(gòu)建和對生態(tài)安全閾值的確定上，這對于揭示土地生態(tài)環(huán)境演變及其內(nèi)在影響機制作出了貢獻。但結(jié)合LUCC來評價的研究還相對較少[12]，且僅有的研究對象多集中在指定區(qū)域。由于中國國土面積廣袤，各地經(jīng)濟發(fā)展水平和發(fā)展環(huán)境迥異。在某一類型區(qū)域的研究成果應(yīng)用于其他區(qū)域則不盡適合。如山東省棲霞市山區(qū)的生態(tài)安全整體變化幅度較小，生態(tài)環(huán)境的主要影響因素是土壤養(yǎng)分與水土流失等[13]。而在北京市近郊區(qū)生態(tài)安全變化加劇且與中心城區(qū)距離呈逆向變化，土地利用結(jié)構(gòu)變化等人文社會因素則為生態(tài)安全構(gòu)成的主要來源[14]。在經(jīng)濟發(fā)展水平較低的農(nóng)村地區(qū)，地理環(huán)境因素、土地利用類型與結(jié)構(gòu)在土地生態(tài)安全中發(fā)揮著較大作用[15，16]。因此，從土地利用變化的視角研究特殊類型區(qū)域的土地生態(tài)環(huán)境及其影響因素具有重要意義。

河南省作為中國的農(nóng)業(yè)大省，糧食優(yōu)勢突出（2011年糧食產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的9.7%，僅次于黑龍江省的9.75%），生態(tài)保障功能全面，在國內(nèi)占有重要地位[15]。而新鄭市是鄭州市的遠郊型縣級市，位于河南省中部，屬糧食主產(chǎn)區(qū)，境內(nèi)地貌類型多樣，為豫西山區(qū)的向東過渡地帶，山地、丘陵、崗地和平原兼有，土地的利用形式多種多樣，有“河南縮影”之稱。近年來，新鄭市的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程加快，土地生態(tài)安全格局面臨著較大挑戰(zhàn)。發(fā)展中的經(jīng)濟增長階段、快速城鎮(zhèn)化背景、特殊的政策區(qū)域和有代表性的土地利用結(jié)構(gòu)，使其在研究土地利用變化對生態(tài)安全的影響中具有典型意義。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的原始數(shù)據(jù)為2005年和2011年兩個時段的遙感影像、土地利用現(xiàn)狀圖、實地調(diào)查與采樣數(shù)據(jù)以及研究時段內(nèi)各年度的統(tǒng)計年鑒報表等。遙感影像的行政界線、地貌資料和幾何糾正參照2005年的新鄭市1∶10萬土地利用現(xiàn)狀圖；土地利用數(shù)據(jù)按照中國通用的土地利用現(xiàn)狀分類標準，運用ERDAS IMAGE 9.2，進行人機交互影像解譯，結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù)，在Arcmap中進行屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。由于新鄭市部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)量檢驗后發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)與相關(guān)部門協(xié)調(diào)并結(jié)合實地調(diào)查進行了核實修正。

2 研究方法

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用數(shù)量變化分析 2005～2011年，河南省新鄭市土地利用變化規(guī)模整體較大、類型差異明顯，基礎(chǔ)設(shè)施用地擴張顯著，功能性景觀用地增減不均，其他類型用地略有增加。具體看，草地面積變化最大，無論是絕對量還是相對值，減少量均居第一，分別達4 091.98 hm2、87.46%，而同具景觀功能的園地亦趨減，達2 268.77 hm2。隨著退耕還林及基本農(nóng)田保護制度等政策的實施，林地及耕地面積穩(wěn)增，同樣連續(xù)性的政策支持使得水域及水利設(shè)施的用地量攀升。隨著縣域經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)加快，建設(shè)用地漸增，其中城鎮(zhèn)村及工礦用地微增237.15 hm2，遠小于交通運輸用地增加的1 146.81 hm2，這也體現(xiàn)了新鄭市作為河南航空港區(qū)的特殊地位和區(qū)位優(yōu)勢，見表1。

3.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化空間分析 2005～2011年新鄭市土地利用結(jié)構(gòu)溫和變化，土地利用結(jié)構(gòu)變化綜合動態(tài)度年均為6.10%。從空間變化看，無論是總體或是局部差異均不明顯，由快速城鎮(zhèn)化區(qū)域引領(lǐng)結(jié)構(gòu)演變，高通道、高增長區(qū)域相對劇烈，平均幅度超過5.56%，整體呈現(xiàn)點狀引導(dǎo)、“Y”型支撐、外圍交錯散布土地利用變化空間格局。與全市的平均值相比，15個（鄉(xiāng)鎮(zhèn)街）道土地利用結(jié)構(gòu)變化高低參半。土地利用結(jié)構(gòu)變化最大的為龍湖鎮(zhèn)，達8.08%，主因為近年大學(xué)城在龍湖鎮(zhèn)集聚發(fā)展，新村鎮(zhèn)則因經(jīng)濟快速增長以7.54%的動態(tài)度緊隨其后，二者以中心—外圍特征點狀散布。孟莊鎮(zhèn)、薛店鎮(zhèn)、和莊鎮(zhèn)、新煙街道辦事處屬高通道、高增長區(qū)域，土地利用結(jié)構(gòu)變化居第二梯隊，以新鄭市中心城區(qū)為支點呈現(xiàn)“Y”字型空間分布。動態(tài)度最小的是新建街道辦事處為3.18%，主要因其是老城區(qū)，建設(shè)用地比重較大，逆轉(zhuǎn)困難。

3.2 土地生態(tài)安全評價

3.2.1 建立評價指標體系 通過查閱文獻、咨詢專家，并借鑒已有的研究成果，結(jié)合新鄭市土地生態(tài)現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟發(fā)展水平及數(shù)據(jù)的可獲取性，從生態(tài)環(huán)境因素、社會經(jīng)濟因素和環(huán)境污染因素三個方面構(gòu)建新鄭市的土地生態(tài)安全評價指標體系，運用層次分析法（AHP）確定指標權(quán)重，詳見表2。為了消除評價指標量綱不同帶來不可評價性[9]，采用極差標準化法進行無量綱化處理[10]。

參考已有的研究成果將新鄭市的土地生態(tài)安全評價標準分為5個等級[3，14，18]（表3），土地生態(tài)綜合指數(shù)值的取值范圍為[0，1]，越接近于1，生態(tài)安全度越高。

3.2.2 新鄭市生態(tài)安全演變 利用ArcGIS軟件將新鄭市經(jīng)處理過的兩期土地利用矢量圖各自與當年的土地生態(tài)安全等級圖進行疊置分析，得出新鄭市各地類在不同土地生態(tài)安全等級分布情況。從整體上來看，新鄭市土地生態(tài)狀況較好，但2011年較2005年稍有減弱，不過沒有處于不安全狀態(tài)的區(qū)域，主要是安全狀態(tài)和較安全狀態(tài)區(qū)域。變化的區(qū)域是郭店鎮(zhèn)、城關(guān)鄉(xiāng)、觀音寺鎮(zhèn)、梨河鎮(zhèn)和八千鄉(xiāng)，由安全狀態(tài)退化為較安全狀態(tài)。

從土地安全等級類別演變看，2005年Ⅳ較安全狀態(tài)的區(qū)域略大于安全狀態(tài)的區(qū)域，2011年Ⅳ較安全狀態(tài)明顯高于其他各種狀態(tài)。Ⅲ臨界安全狀態(tài)和Ⅱ較不安全狀態(tài)的面積在這兩年中大體不變，變化主要集中在Ⅴ安全狀態(tài)向Ⅳ較安全狀態(tài)的轉(zhuǎn)變上，在這兩種狀態(tài)中，正向維持生態(tài)功能的地類中草地和園地均有所減少，耕地和林地均有所增加；負向維持生態(tài)功能的地類中，交通運輸用地的增加較為明顯。

3.3 土地利用變化與生態(tài)安全的疊加分析

從土地利用結(jié)構(gòu)變化空間分布與土地生態(tài)安全的擬合看出，新鄭市位于交通要道沿線、毗鄰鄭州市區(qū)、經(jīng)濟高增長等特點使類型區(qū)土地利用調(diào)整顯著影響著土地生態(tài)安全狀況。相關(guān)分析表明，在α=0.05顯著水平，土地利用結(jié)構(gòu)綜合變化動態(tài)度與生態(tài)安全變化率的Spearman相關(guān)系數(shù)為-0.37，表明土地利用幅度與生態(tài)安全呈反向關(guān)系，土地利用變化實質(zhì)影響生態(tài)安全。

作為驅(qū)動土地利用變化的主導(dǎo)因素，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化對新鄭市而言，其對土地生態(tài)環(huán)境的作用有所不同。利用上述數(shù)據(jù)，對土地生態(tài)安全綜合指數(shù)與城鎮(zhèn)化水平、工業(yè)化率分別作相關(guān)分析檢驗得知，在α=0.01顯著水平，Spearman的相關(guān)系數(shù)分別為-0.81、-0.196，說明城鎮(zhèn)化水平與土地生態(tài)安全呈強負相關(guān)關(guān)系，而工業(yè)化的負面影響遠低于城鎮(zhèn)化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，新鄭市整體處于城鎮(zhèn)化快速增長階段（2006年以來年均城鎮(zhèn)化速度高達1.72%），工業(yè)化率高達65.57%，為典型的二元經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，也就是說對于地區(qū)發(fā)展而言，在快速城鎮(zhèn)化、工業(yè)化成熟的階段，城鎮(zhèn)化是驅(qū)動土地生態(tài)安全減弱的主因，工業(yè)化的負面作用則相對弱化。

4 結(jié)論和討論

基于河南省新鄭市土地利用及生態(tài)變化的數(shù)據(jù)分析表明，土地利用與生態(tài)安全水平密切相關(guān)，區(qū)域類型、經(jīng)濟發(fā)展階段影響區(qū)域生態(tài)安全。通過研究得出如下結(jié)論：①2005～2011年，新鄭市土地利用變化規(guī)模整體較大、類型差異明顯，各地類均出現(xiàn)增、減雙向轉(zhuǎn)移，基礎(chǔ)設(shè)施用地擴張顯著，高景觀生態(tài)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)移加劇，達82.89%，熱點地類占流動主導(dǎo)地位；②遠郊型縣域與市轄區(qū)相比[14]，土地利用結(jié)構(gòu)的變化較為溫和，僅為6.1%?？焖俪擎?zhèn)化區(qū)域引領(lǐng)著結(jié)構(gòu)演變，高通道、高增長區(qū)域的變化相對劇烈，平均幅度超過5.56%，整體呈現(xiàn)點狀引導(dǎo)、“Y”型支撐、外圍交錯散布土地利用變化的空間格局；③土地生態(tài)安全水平處于微弱退化中。臨界安全狀態(tài)和較不安全狀態(tài)面積大體平衡，變化主要集中在安全狀態(tài)向較安全狀態(tài)的轉(zhuǎn)變上。沿交通要道、“涓滴效應(yīng)”顯著、高增長等類型區(qū)土地利用變化對生態(tài)安全影響更顯著；④土地利用變化實質(zhì)影響著生態(tài)安全，土地利用的變化幅度與生態(tài)安全呈反向關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達-0.37。且表現(xiàn)出各區(qū)域同向退化、整體均衡趨勢；⑤發(fā)展中區(qū)域，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化主導(dǎo)土地利用變化，進而影響生態(tài)環(huán)境，城鎮(zhèn)化水平與土地生態(tài)安全呈強負相關(guān)的關(guān)系，而工業(yè)化的負面影響遠低于城鎮(zhèn)化，二者與生態(tài)安全水平的相關(guān)系數(shù)分別為-0.81、-0.196。

與現(xiàn)有的土地生態(tài)評價的相關(guān)討論相聯(lián)系，本研究結(jié)果有以下啟迪：①保護性政策或制度因素，盡管短期會引致土地利用格局變化，但對生態(tài)環(huán)境的影響微弱；②區(qū)位條件中經(jīng)濟社會因素如經(jīng)濟增長階段、城鎮(zhèn)化背景、特殊區(qū)域政策，正緩步替代地理環(huán)境因素影響力，城鎮(zhèn)化與工業(yè)化對中部糧食主產(chǎn)區(qū)土地生態(tài)狀況差異正是例證之一；③在快速城鎮(zhèn)化、工業(yè)化成熟階段，城鎮(zhèn)化是驅(qū)動土地生態(tài)安全減弱的主因，工業(yè)化對土地生態(tài)安全的負面作用已大大弱化；④土地利用變化對生態(tài)安全的影響力度與研究尺度、研究對象相關(guān)聯(lián)，如對大尺度區(qū)域的年際影響更為平穩(wěn)，縣域比市轄區(qū)更易保持生態(tài)平衡。

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