武漢市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

摘要：利用武漢市土地生態(tài)環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料，分析了武漢市土地利用變化情況，在此基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用主成分分析、K均值聚類等方法，建立了土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，分析和評(píng)價(jià)了武漢市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明2003-2010年武漢市土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈逐年擴(kuò)大趨勢(shì)，風(fēng)險(xiǎn)值從2003年的

-1.003 3（Ⅴ）上升為0.557 5（Ⅱ），即由安全級(jí)降為風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。根據(jù)此評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了協(xié)調(diào)武漢市城市土地利用與生態(tài)環(huán)境的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：土地利用；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；PCA模型；K均值聚類；武漢市

中圖分類號(hào)：F301.2；S181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）15-3731-05

土地利用變化在很大程度上反映了人類活動(dòng)與自然生態(tài)條件變化的綜合影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，人類對(duì)土地的需求越來越大，這種強(qiáng)烈需求使得人地關(guān)系矛盾步步升級(jí)，隨之而來的土地生態(tài)問題也日益突出，如土地利用結(jié)構(gòu)不合理，水土流失、土地荒漠化、土壤污染、土地生態(tài)破壞性加劇等。面對(duì)嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)，人們開始意識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性，并有意調(diào)控土地利用方式，改善生態(tài)環(huán)境，促使二者關(guān)系趨于協(xié)調(diào)。武漢市地處我國(guó)中部腹地，位于江漢平原東部，該區(qū)域土地類型多樣，適宜性廣泛，水資源優(yōu)勢(shì)突出，為全市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。但由于武漢市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化建設(shè)的擴(kuò)張、人口的增加和土地利用方式不當(dāng)?shù)仍?，大量的土地在城市化、工業(yè)化過程中喪失，土地生態(tài)功能下降，人地矛盾突出。本研究以武漢市2003-2010年土地利用現(xiàn)狀為對(duì)象，建立主成分分析（PCA）和K均值聚類的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)武漢市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在把握武漢市土地利用與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展程度的變化規(guī)律，以期能充分認(rèn)識(shí)武漢市土地資源利用和兩型社會(huì)建設(shè)所面臨的問題，為城市區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略的制定提供參考依據(jù)。

1 武漢市土地利用變化情況

1.1 土地利用數(shù)量變化

武漢市地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?，全市土地總面積849 400 hm2，占全省土地總面積的4.57%。表1選取了武漢市2003年和2010年兩個(gè)時(shí)段土地資源利用狀況，統(tǒng)計(jì)出了各地類的面積及其變化情況。

由表1可以看出，8年間武漢市農(nóng)用地和未利用地總量減少，城市建設(shè)用地迅速增加。在農(nóng)用地類型中，耕地、牧草地顯著流失，其中牧草地減少最快，8年共減少6 604.97 hm2，減幅為95.93%；耕地面積由2003年所占總土地面積的44.16%減少到2010年的39.57%。林地、園地面積增加最多，8年共增加了22 767.71 hm2，兩者增幅共計(jì)38.79%。在建設(shè)用地類型中，交通水利用地面積增速快于居民點(diǎn)及工礦用地的速度，增幅比例達(dá)33.77%。在未利用地類型中，未利用土地和其他土地共減少了6 111.91 hm2。值得注意的是，大部分未利用地是難以開發(fā)的山丘區(qū)荒草地和裸巖地，可墾地較少，耕地后備資源相對(duì)貧乏。

1.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化

由于土地利用類型分類較多，影響程度判斷難度較大，因此引入土地利用結(jié)構(gòu)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[1-3]，計(jì)算各種類型土地面積比重，來衡量8年間武漢市各類型土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化情況：

借鑒已有的研究方法[3，4]，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展特點(diǎn)，本研究利用層次分析法確定了不同土地利用類型的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)（耕地0.311 5；園地0.109 6；林地0.158 7；牧草地0.035 5；其他農(nóng)用地0.034；居民點(diǎn)及工礦用地0.018 1；交通運(yùn)輸用地0.225 9；水利設(shè)施用地0.055 2；未利用地0.051 5）與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

結(jié)合公式（1）與武漢市土地利用類型面積變化數(shù)據(jù)，計(jì)算得出武漢市土地利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（表2）。由表2可知，武漢市9種土地利用類型中，耕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值最大為0.126 8；其次是林地，為0.015 8；牧草地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小，為0.000 1。這說明耕地變化對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)撛谟绊懽畲?，其次是林地，牧草地潛在生態(tài)影響最小。8年間，不同土地類型平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小順序?yàn)楦?gt;林地>未利用地>其他農(nóng)用地>交通運(yùn)輸用地>居民點(diǎn)及工礦用地>園地>水利設(shè)施用地>牧草地。

由圖1可以看出，8年間武漢市土地利用結(jié)構(gòu)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的變化趨勢(shì)大致可分為2個(gè)階段：2003-2005年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)急劇下降，2006-2010年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指下降趨勢(shì)變緩且趨近平穩(wěn)，這與武漢市土地利用結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)一致。2003-2005年雖然園地、林地面積以每年1%的速度遞增，但牧草地面積急劇縮減，從2003年的6 884.97 hm2減少到2005年的4 248 hm2，加之耕地?cái)?shù)量進(jìn)一步減少，導(dǎo)致了這3年土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的加大。

2 武漢市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 指標(biāo)體系建立

土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指不合理的開發(fā)利用土地導(dǎo)致某些自然異常因素、生態(tài)環(huán)境惡化，給人類社會(huì)帶來損失的可能。土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是從城市土地利用的角度描述和評(píng)估城市的環(huán)境污染、人為活動(dòng)或自然災(zāi)害對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及其組成成分產(chǎn)生不利作用的可能性和大小的過程[5]。由于土地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，涉及的風(fēng)險(xiǎn)源、暴露體和終點(diǎn)比較多[4]，因此需要構(gòu)建一套完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本研究在綜合考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的可得性與可操作性基礎(chǔ)上，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，保留重要指標(biāo)，從自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境狀況出發(fā)，根據(jù)武漢市實(shí)際情況最終形成了以下評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表3）。

由于不同變量之間具有不同的單位和不同的變異程度，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)在分析過程中因單位不統(tǒng)一而造成結(jié)果的差異。因此，在進(jìn)行主成分分析前，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，也稱為無量綱化，即將異度量的各指標(biāo)值分別轉(zhuǎn)化為無量綱的相對(duì)指標(biāo)值。本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 20.0中的Z-score法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換[6]（表3）。

2.2 建立主成分分析法與K均值聚類的武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

主成分分析法（PCA）是去掉重復(fù)信息、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種多元統(tǒng)計(jì)方法[5]。利用PCA可以把多個(gè)相關(guān)的指標(biāo)變換成少數(shù)幾個(gè)互相無關(guān)的綜合變量（主成分），通過選擇適當(dāng)?shù)闹鞒煞謨r(jià)值函數(shù)模型，可以把多維系統(tǒng)降成一維系統(tǒng)。K均值聚類是最常用的聚類算法之一，它通過尋找一組聚類中心把對(duì)象集合劃分成一組聚類[6]。通過SPSS軟件，利用主成分分析方法，最終確定m個(gè)特征值，m即為因子變量個(gè)數(shù)，其數(shù)值確定見SPSS輸出結(jié)果（表4）。

由表4的第1列至第4列可以看出因子分析的初始解對(duì)原有變量總體的刻畫情況，第1列為23個(gè)初始解的序號(hào)，第2列為因子變量的特征值，它是衡量因子變量重要程度的指標(biāo)[5]，第4列則是各因子變量的累積方差貢獻(xiàn)率。由主成分分析得出有5個(gè)特征值大于1[7]，分別是12.429、4.955、1.807、1.469和1.361。這5個(gè)成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到95.74%，當(dāng)提取前5個(gè)公因子時(shí)，特征值變化明顯，當(dāng)提取第5個(gè)之后的公因子時(shí)，特征值變化很小，基本趨于平緩。說明前5個(gè)因子基本反映了原指標(biāo)變量的絕大部分信息，即m=5符合分析要求。

2.3 因子得分函數(shù)

計(jì)算因子得分的方法有回歸法、Bartlette法、Anderson-Rubin法等[8]。根據(jù)上述計(jì)算公式，將因子變量表示為原有變量的線性組合，并代入樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的因子得分。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

在上述因子分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用5個(gè)因子的方差貢獻(xiàn)率作為各自權(quán)重，計(jì)算土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)度。公式如下：

按此公式，得到武漢市8年來土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)度。為了對(duì)所研究時(shí)段的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行分析，參照譚三清等[5]和宋志鯤等[8]關(guān)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)研究，結(jié)合K均值聚類的方法對(duì)土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了等級(jí)劃分。其計(jì)算結(jié)果是：惡劣級(jí)（T>1.2）、風(fēng)險(xiǎn)級(jí)（0.17

結(jié)合城市土地利用不同級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)[5，9，10]，將每種等級(jí)的土地利用系統(tǒng)特征表述為表7。

3 結(jié)果分析

根據(jù)各年度計(jì)算的城市土地風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)合每個(gè)等級(jí)的城市土地利用分析的土地系統(tǒng)特征，評(píng)定了武漢市2003-2010年的土地利用風(fēng)險(xiǎn)狀況（表8）。從表8中可以發(fā)現(xiàn)，在所考察時(shí)段，武漢市土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體上趨于惡化。2003-2004年武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于安全級(jí)別，但此后6年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值呈逐年擴(kuò)大趨勢(shì)，說明土地利用的生態(tài)狀況受到了破壞，生態(tài)環(huán)境問題較為嚴(yán)重。

通過分析8年間武漢市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)合每個(gè)等級(jí)的土地利用特征，可將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)劃分為3個(gè)時(shí)間段。

1）2003-2004年，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)緩慢增長(zhǎng)階段，但土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體處于安全級(jí)別，說明此階段武漢市土地生態(tài)環(huán)境良好，系統(tǒng)服務(wù)功能基本完善，受干擾后可自行恢復(fù)。

2）2005-2006年，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)一步上升，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由安全級(jí)逐步降為良好級(jí)、敏感級(jí)，這一變化反映了當(dāng)?shù)卣畬?duì)土地利用的投入強(qiáng)度逐步增強(qiáng)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的破壞。

3）2007-2010年，武漢市土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)一步惡化，盡管2010年武漢市土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較上一年有所減少，但仍處于風(fēng)險(xiǎn)級(jí)，這一數(shù)據(jù)的測(cè)算與實(shí)際情況相符。其原因在于2005年以后武漢市開始了大規(guī)模的市政建設(shè)，建設(shè)步伐加快使得城市周邊土地不斷被蠶食，農(nóng)用地持續(xù)減少，閑置土地增多，土壤遭受城市建設(shè)破壞和城市垃圾等污染而退化，土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，系統(tǒng)服務(wù)功能受到破壞并且退化。

4 結(jié)語

本研究引入土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，測(cè)算武漢市各地類結(jié)構(gòu)年際變化情況，建立PCA和K均值聚類的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型，利用土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)度來評(píng)價(jià)武漢市土地利用的相對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，有一定的全面性。因?yàn)橥恋乩妙愋偷母淖儎?shì)必會(huì)引起區(qū)域生態(tài)功能的變化，故通過研究不同土地利用類型間的遷移變化特征來識(shí)別區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì)及其內(nèi)在因素是可行的、有效的。

通過對(duì)武漢市土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理提供數(shù)量化的決策依據(jù)和理論支持。根據(jù)土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)年際間的高低程度，應(yīng)在高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段進(jìn)行生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)，以提高該城市區(qū)域的土地生產(chǎn)功能和環(huán)境功能，但是也不能忽視中、低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段的生態(tài)建設(shè)，才能實(shí)現(xiàn)武漢市的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展。

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