寧安市土地生態(tài)脆弱性時空變化分析

張 龍，宋 戈，孟 飛，王學偉

（1.東北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，哈爾濱150030；2.東北大學 土地管理研究所，沈陽110819；3.黑龍江省村鎮(zhèn)發(fā)展研究中心，哈爾濱150030）

隨著人口急劇增長和經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動廣度和深度不斷加深，引發(fā)了水土流失、森林減少、生物多樣性喪失等一系列問題，加劇了土地生態(tài)系統(tǒng)的退化。土地生態(tài)脆弱性研究作為可持續(xù)分析的重要分析工具之一，越發(fā)引起學術(shù)界關(guān)注［1－2］。目前，國內(nèi)外學者在區(qū)域土地生態(tài)脆弱性評價方面開展了大量的研究，國外的研究除借助“3S”技術(shù)深入到各類型區(qū)域外，還出現(xiàn)與景觀學相結(jié)合或針對特殊條件的土地生態(tài)脆弱性評價體系［3－4］。國內(nèi)的研究主要集中在半濕潤、半干旱和干旱區(qū)域的生態(tài)脆弱帶［5－8］。在評價方法上，多采用綜合指數(shù)法［9－10］，以自然環(huán)境、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等離散的點上數(shù)據(jù)作支撐，以行政區(qū)域或流域為評價單元進行的，較大程度上限制了對土地生態(tài)脆弱性自然空間分布規(guī)律的揭示。一些學者嘗試從景觀視角出發(fā)，采用能準確指示各種生態(tài)影響的空間分布與梯度變化特征的景觀指數(shù)建立評價模型，實現(xiàn)土地生態(tài)脆弱性評價的定量化和空間化［11－14］。研究的時空尺度上，多集中于省域尺度或流域尺度的空間變化研究，縣域尺度及時空變化研究相對較少。研究土地生態(tài)脆弱性在時間上的變化，可以有效地揭示區(qū)域土地生態(tài)脆弱性的演變方向，有助于了解區(qū)域土地生態(tài)脆弱性的變化機制。因此，開展區(qū)域土地生態(tài)脆弱性時空變化研究不僅可以了解區(qū)域土地生態(tài)脆弱程度的變化，而且有助于因地制宜地利用土地資源和保護脆弱生態(tài)環(huán)境［15］，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義［16－17］。

寧安市林地景觀和農(nóng)田景觀交錯分布，頻繁的人類活動成為自然生態(tài)環(huán)境的最大干擾之一，近20a來，景觀格局的變化使原有的土地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能趨向良性和不穩(wěn)定性的雙重變化。本文以寧安市為研究區(qū)，基于景觀生態(tài)學原理，選取破碎度、分維倒數(shù)、分離度、土壤侵蝕敏感性和土地利用生態(tài)適宜度指數(shù)，構(gòu)建景觀類型脆弱度指數(shù)計算模型和土地生態(tài)脆弱度指數(shù)計算模型，利用連續(xù)覆蓋全區(qū)的格網(wǎng)進行空間系統(tǒng)采樣，利用ArcGIS軟件進行普通克里格法插值，生成土地生態(tài)脆弱度空間分布圖，分析研究區(qū)1991年、2000年、2010年20a來土地生態(tài)脆弱性的時空變化，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧安市位于黑龍江省東南部偏西，張廣才嶺和老爺嶺之間的牡丹江上游谷地（43°39′24″—44°49′40″N，128°7′54″—130°00′44″E）。屬于低山丘陵區(qū)，由于地質(zhì)時期新構(gòu)造運動折皺、沉積、臺升、凹陷、河流沖刷搬遷淤積作用，從西南向東北形成了山地、丘陵漫崗、沿江平原三種地形。總的地勢為西南高，東北低，四周高，中間低。市域內(nèi)土壤以山地暗棕壤為主要土類，自然植被可分為山地夏綠林和草甸草原兩種類型。屬中溫帶大陸季風氣候，年平均氣溫4.5℃，氣候溫和，積溫2 600～2 700℃，平均降水量500～600 mm。寧安市轄7鎮(zhèn)、5鄉(xiāng)，2010年人口44萬人，土地總面積為7 923.9km2，現(xiàn)有耕地24.03km2、林地48.03km2、草地1.87km2、水域1.52km2。隨著人口膨脹、大面積毀林開荒以及過度采伐，區(qū)域植被覆蓋度降低，水土流失導(dǎo)致土地生產(chǎn)力持續(xù)下降，土地生態(tài)脆弱性逐漸凸顯。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用基本數(shù)據(jù)為寧安市1991年、2000年和2010年7月的30m×30m分辨率Landsat TM／ETM＋影像數(shù)據(jù)，與1∶10萬地形圖配準；參照中國科學院的國家基本資源與環(huán)境遙感調(diào)查數(shù)據(jù)庫中的土地利用／土地覆被分類體系［18］，結(jié)合研究區(qū)特點，以土地生態(tài)系統(tǒng)類型為基礎(chǔ)，將其分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地與其他用地6個一級類型，建立解譯標志；在遙感數(shù)據(jù)處理軟件ENVI 4.7支持下，圖像經(jīng)過幾何校正和圖像增強處理后，在ArcGIS 9.3平臺下通過人機交互式的判讀方法，對遙感數(shù)據(jù)進行目視解譯，解譯精度在85%以上。解譯數(shù)據(jù)存儲為shp文件，并轉(zhuǎn)為grid文件，以計算景觀格局指數(shù)。用收集到90m×90m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)，并對坡度進行分級，與土地利用數(shù)據(jù)進行疊加處理，以計算土壤侵蝕敏感性指數(shù)和土地生態(tài)適宜度指數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)范圍和采樣的工作量，將研究區(qū)劃分為5km×5km的正方形作為評價單元，采樣方式為等間距，共有340個采樣區(qū)，計算每一樣本區(qū)的土地生態(tài)脆弱度指數(shù)，利用ArcGIS 9.3軟件提取研究區(qū)每個樣本區(qū)中心點坐標，并將樣本區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)賦給中心點，在此基礎(chǔ)上進行普通克里格法插值，并根據(jù)脆弱度指數(shù)分級標準進行重分類，獲得全區(qū)土地生態(tài)脆弱度空間分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀類型脆弱度指數(shù)指標選取 景觀格局作為自然與人為多種因素相互作用所產(chǎn)生的區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，既是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的最終結(jié)果。不同的景觀類型在維護生物多樣性、完善景觀結(jié)構(gòu)、促進景觀整體功能發(fā)揮等方面的作用不同，并且不同景觀類型對外界干擾的敏感性和抵抗能力也存在差異［16］，敏感性越強，景觀越脆弱，適應(yīng)能力越強，景觀

在反映景觀所受干擾強度的景觀格局指數(shù)中，選取破碎度、分維倒數(shù)以及分離度，并結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境問題，選取土壤侵蝕敏感性指數(shù)，構(gòu)建景觀類型敏感性指數(shù)。各種土地利用類型具有不同的生態(tài)功能，土地利用生態(tài)適宜性表征了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的好壞，從一定程度上反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù)能力。本文以土地利用生態(tài)適宜性作為土地生態(tài)脆弱性的適應(yīng)性因素。景觀格局指數(shù)是運用Fragstats 3.3軟件計算得出，各指數(shù)的計算公式和指標含義參見參考文獻［11，14］。土壤侵蝕敏感性的計算，依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準：“土壤侵蝕分類分級標準”（SL190－2007）中面蝕（片蝕）分級指標，利用不同景觀類型對不同土壤侵蝕等級的適宜度面積加權(quán)來表示土壤侵蝕敏感性指數(shù)［19］，其公式為：越穩(wěn)定。因此景觀類型脆弱度可以表達為敏感性指數(shù)與適應(yīng)性指數(shù)的比值［19］，即：

式中：SWi——景觀類型i的土壤侵蝕敏感性指數(shù)；Bij——i類景觀分布在j土壤侵蝕等級上的面積；Bi——i類景觀總面積；Sij——i類景觀相對于j土壤侵蝕等級的權(quán)重；j——土壤侵蝕等級；n——土壤侵蝕等級數(shù)。在土地利用生態(tài)適宜度計算中，將坡度分為0°～5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25～35°五個級別，計算公式如下：

式中：Pi——某一土地利用類型生態(tài)適宜度；n——坡度等級數(shù)；j——坡度級別；Aij——j坡度級別內(nèi)i類土地的面積；Ai——i類景觀總面積；Pij——適宜度權(quán)重。

2.2.2 景觀類型脆弱度指數(shù)計算模型 根據(jù)公式（1）即可得到景觀類型脆弱度指數(shù)計算模型：

式中：VIi——景觀類型i的脆弱度指數(shù)；FNi，F(xiàn)Ii，F(xiàn)Di，SWi，Pi——景觀類型i的破碎度、分維倒數(shù)、分離度、土壤侵蝕敏感性以及土地利用生態(tài)適宜度；α，β，γ，δ——權(quán)重，α＋β＋γ＋δ＝1。

2.2.3 土地生態(tài)脆弱度指數(shù)計算模型 利用所建立的景觀類型脆弱度指數(shù)，將景觀類型脆弱度與區(qū)域土地生態(tài)脆弱狀況聯(lián)系起來，將其轉(zhuǎn)化為空間化的區(qū)域土地生態(tài)脆弱度，進而從空間上反映整個區(qū)域土地生態(tài)脆弱性特征。將各景觀類型脆弱度指數(shù)經(jīng)面積加權(quán)得到土地生態(tài)脆弱度指數(shù)，其公式如下：

式中：EVI——土地生態(tài)脆弱度指數(shù)；Ai——i景觀類型面積；m——景觀類型個數(shù)；TA——樣本區(qū)總面積；VIi——i景觀類型的脆弱度指數(shù)。

2.2.4 評價標準的確定 為了便于比較研究區(qū)土地生態(tài)脆弱性的大小，根據(jù)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)分布情況，運用ArcGIS軟件提供的自然斷點法（Natural breaks），經(jīng)過不斷調(diào)整，最終將土地生態(tài)脆弱度指數(shù)分級為生態(tài)良好區(qū)（＜0.179 7）、輕度脆弱區(qū)（0.179 7～0.289 0）、一 般 脆 弱 區(qū) （0.289 0～0.388 7）、中度脆弱區(qū)（0.388 7～0.489 3）、重度脆弱區(qū)（＞0.489 3）。本文的分級標準主要用于比較研究區(qū)內(nèi)土地生態(tài)脆弱度的大小情況，是針對研究區(qū)的相對標準，不能與其他研究區(qū)相比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型脆弱度分析

對各指數(shù)經(jīng)過歸一化無量綱處理，根據(jù)公式（4）計算各個景觀類型脆弱度指數(shù)（表1）。由表1可知：（1）林地、耕地、草地的破碎度較高，20a間林地和耕地呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，草地、水域和其他用地逐年遞減，建設(shè)用地在2000年減少后又有所增加。（2）建設(shè)用地分維倒數(shù)最高，并逐年增加，其他用地次之，并逐年減少。其他景觀類型分維倒數(shù)均較小，且變化不大。（3）建設(shè)用地分離度最高，其他用地次之，林地和耕地雖然破碎度較高，但區(qū)內(nèi)有集聚分布趨勢，分離度不高，破碎化的加劇導(dǎo)致其分離度也逐漸增加。（4）20a來耕地的土壤侵蝕敏感性逐年增大，且在各種景觀類型中最高。林地、草地、水域和其他用地呈逐年遞減趨勢，建設(shè)用地逐年遞增。（5）林地、草地各個年份的生態(tài)適宜度均為1，耕地生態(tài)適宜度逐漸降低，水域和其他用地逐漸增加。（6）20a來研究區(qū)各景觀類型脆弱度排序為：耕地＞建設(shè)用地＞其他用地＞水域＞草地＞林地，隨著人類活動干擾的加劇，耕地和建設(shè)用地景觀類型脆弱度逐年增加。林地景觀脆弱度呈先增高后降低的趨勢，這跟區(qū)域先毀林造田，后退耕還林密切相關(guān)。林地、草地自身景觀類型系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，故土地生態(tài)脆弱性表現(xiàn)不明顯。水域景觀類型脆弱度呈遞減趨勢，其他用地在2000年降低后又增加。

表1 研究區(qū)景觀類型脆弱度指數(shù)

3.2 土地生態(tài)脆弱性時空變化分析

3.2.1 土地生態(tài)脆弱性時序變化 由研究區(qū)1991年、2000年及2010年340個評價單元的土地生態(tài)脆弱度指數(shù)計算結(jié)果可知，各評價單元的土地生態(tài)脆弱度指數(shù)變化趨勢為先減后增、持續(xù)降低、持續(xù)增加和先增后減，這4種趨勢占全區(qū)面積比例分別為3.1%，5.5%，49%，42.4%。20a來研究區(qū)61.7%的樣本區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)增大，土地生態(tài)脆弱性增高。

對研究區(qū)340個評價單元土地生態(tài)脆弱度指數(shù)各級所占面積進行統(tǒng)計（圖1）可知，1991—2010年各脆弱度分區(qū)面積變化趨勢不一，生態(tài)良好區(qū)和輕度脆弱區(qū)面積總體呈減少趨勢，生態(tài)良好區(qū)在1991—2000年間大幅減少，在2000—2010年間又有所增加。輕度脆弱區(qū)略微增加后又出現(xiàn)減少，20a生態(tài)良好區(qū)和輕度脆弱區(qū)平均年減少率分別為0.74%和1.12%。一般脆弱區(qū)面積總體呈減少趨勢，平均年減少率為1.98%。中度脆弱區(qū)在1991—2000年間減少，2000—2010年間又略微增加，平均年減少率為1.63%。重度脆弱區(qū)在20a間急劇增加，平均年增長率為10.77%。

圖1 研究區(qū)各評價等級脆弱性面積所占比例

3.2.2 土地生態(tài)脆弱性空間變化 由圖2可知，研究區(qū)土地生態(tài)脆弱性的分布總體呈中北部重，外延逐漸減輕的特征。重度、中度脆弱度區(qū)主要分布在中北部的耕地與建設(shè)用地景觀集中的地區(qū)，分布范圍逐年擴大。較輕的脆弱度分區(qū)主要分布在研究區(qū)的東部、南部及西部地區(qū)，這些地區(qū)是林地和草地景觀集聚的地區(qū)。具體分布情況如下：（1）1991年研究區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)平均值為0.250 6，脆弱度指數(shù)整體較低。重度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)占全區(qū)面積分別比重為2.77%和18.19%，主要分布于三陵鄉(xiāng)、海浪鎮(zhèn)、蘭崗鎮(zhèn)和東京城鎮(zhèn)；一般脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)占全區(qū)面積比重分別為12.47%和26.19%，分布于沙蘭鎮(zhèn)東部、鏡泊鄉(xiāng)北部、馬河鄉(xiāng)北部、石巖鎮(zhèn)北部、蘭崗鎮(zhèn)、江南朝鮮族滿族鄉(xiāng)西部和寧安市區(qū)東南部；生態(tài)良好區(qū)占全區(qū)面積比重為40.38%，主要分布于沙蘭鎮(zhèn)西部、鏡泊鄉(xiāng)南部、馬河鄉(xiāng)南部、石巖鎮(zhèn)南部、臥龍朝鮮族鄉(xiāng)和江南朝鮮族滿族鄉(xiāng)西部。（2）2000年研究區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)平均為0.286 7，整體增高。重度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)所占全區(qū)比重分別為17.57%和11.31%，范圍擴大，蔓延到沙蘭鎮(zhèn)西部、鏡泊小鎮(zhèn)、鏡泊鄉(xiāng)東部、石巖鎮(zhèn)北部、臥龍朝鮮族鄉(xiāng)和江南朝鮮族滿族鄉(xiāng)西部；一般脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)占全區(qū)面積比重分別為12.32%和28.51%，分布于沙蘭鎮(zhèn)、鏡泊小鎮(zhèn)、鏡泊鄉(xiāng)、馬河鄉(xiāng)和臥龍朝鮮族鄉(xiāng)的部分，范圍擴大；原有生態(tài)良好區(qū)逐漸惡化，占全區(qū)面積比重下降為30.28%。（3）2010年研究區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)平均為0.295 2。重度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)范圍有所擴大，所占全區(qū)面積比重分別為21.4%和13.08%。其中鏡泊鄉(xiāng)開始出現(xiàn)重度脆弱區(qū)，中度脆弱區(qū)范圍也有所擴大；一般脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)占全區(qū)面積比重分別為9.8%和20.9%，分布于鏡泊鄉(xiāng)北部、馬河鄉(xiāng)和臥龍朝鮮族鄉(xiāng)的部分，面積減少，向生態(tài)良好區(qū)轉(zhuǎn)化，生態(tài)良好區(qū)面積占全區(qū)比重有所升高，增加至34.82%。

圖2 研究區(qū)土地生態(tài)脆弱度空間分布

4 結(jié)論與討論

（1）通過景觀類型脆弱度計算模型得出，耕地和建設(shè)用地土地生態(tài)脆弱度最高，并呈逐年上升趨勢。1991—2010年，全區(qū)耕地和建設(shè)用地分別增加7.39%和0.7%，兩類景觀受人類活動干擾最大，不適宜耕作的土地被開墾，以及建設(shè)用地的增加，加劇了土地生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

（2）1991年、2000年以及2010年研究區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果表明：研究區(qū)61.7%的樣本區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)增大，生態(tài)良好區(qū)在大幅減少后又有所增加；輕度脆弱區(qū)略微增加后又出現(xiàn)減少；一般脆弱區(qū)面積總體呈減少趨勢；中度脆弱區(qū)減少后又略微增加；重度脆弱區(qū)在20a間急劇增加。中高脆弱區(qū)所占全區(qū)面積比重不斷增加，輕微脆弱區(qū)面積比重逐年減少，研究區(qū)土地生態(tài)脆弱性不斷加劇。

（3）1991年、2000年以及2010年研究區(qū)土地生態(tài)脆弱度指數(shù)普通克里格法插值結(jié)果表明：研究區(qū)土地生態(tài)脆弱性逐年增高，分布總體呈現(xiàn)中北部重，外延逐漸減輕的特征，分布范圍逐年擴大；20a間，重度脆弱區(qū)由零星分布發(fā)展到集中連片，并逐步擴大；一般脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)環(huán)繞重度脆弱區(qū)，并向外延滾動，20a間面積比重增加后又減少。

本文以景觀格局指數(shù)作為寧安市土地生態(tài)脆弱性的主要評價指標，景觀格局的改變必然會引起區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)功能的變化，故通過研究景觀格局指數(shù)的變化來識別區(qū)域土地生態(tài)脆弱性時空變化是可行的。本文的土地生態(tài)脆弱度指數(shù)分級是為了便于比較研究區(qū)脆弱度大小的不同，是相對標準，如何實現(xiàn)評價標準的統(tǒng)一仍需進一步探討。本文的研究結(jié)果可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與重建，以及土地資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)，根據(jù)區(qū)域土地生態(tài)脆弱度的時空變化，有針對性地進行生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護以及土地利用的結(jié)構(gòu)調(diào)整，從而提高研究區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)寧安市生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟建設(shè)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

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