松嫩平原土地利用生態(tài)安全評價與預測

馬玉妍，馬艷敏，于萬輝，張麗娟

（1.黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150025；2.哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱150025；3.吉林省氣象科學研究所，吉林 長春130062）

近年來，生態(tài)安全問題已成為國內外研究的熱點［1－3］。土地利用生態(tài)安全（land use ecological security，LUES）是生態(tài)安全的重要組成部分。土地利用生態(tài)安全評價，是指針對土地利用的宏觀結構調整與布局對環(huán)境與生態(tài)的可能影響做出的預測性評估，它對于避免規(guī)劃造成的環(huán)境影響和維護區(qū)域生態(tài)安全有著重要意義［4］。國內一些學者［4－11］利用不同的方法對我國不同區(qū)域的土地利用生態(tài)安全進行了評價和分析。 如 范 瑞 錠［5］、曲 青 林［6］、呂 建 樹［7］等 在 壓力—狀態(tài)—響應（PSR）模型框架下構建了福建、蘭州、濟寧等地區(qū)的土地利用生態(tài)安全評價的指標體系；王慶日［8］、張虹波［9］等拓展可拓理論構建了土地資源生態(tài)安全的物元判別模型，并以西藏和寧夏地區(qū)南部彭陽縣為例進行說明；鮑艷［10］、羅貞禮［11］等則是對影響生態(tài)安全的主要指標進行聚類分析得到阜新市、湖南省各分區(qū)的土地利用生態(tài)安全分類情況，從而得到研究區(qū)生態(tài)安全水平的整體分布。

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，是東北三大平原之一。自20世紀50年代以來，松嫩平原開發(fā)和建設速度加快，成為我國重要的重工業(yè)基地、糧食生產和能源基地。然而，人類活動對自然環(huán)境的干擾強度日益增大，大面積開荒、墾建脫節(jié)、重用輕養(yǎng)、超載過牧、環(huán)境污染等均導致了生態(tài)環(huán)境的惡化［12］。湯潔［13］、白 淑 英［14］王 宗 明［15］等 對 松 嫩 平 原土地利用變化及其對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響進行了研究，但對松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險時空變化評價和預測還缺乏相關研究。因此，對松嫩平原生態(tài)安全做出評價顯得更為重要和迫切。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究中所用的松嫩平原1980，2000，2010年Landsat－5TM遙感影像，來源于中科院地面觀測站，分辨率為30m。非遙感影像數據主要包括松嫩平原90m分辨率數字高程模型（DEM）以及國家基礎地理信息系統(tǒng)中1∶400萬的全國鐵路、省級公路矢量圖。

1.2 研究方法

1.2.1 空間動態(tài)變化、轉移矩陣分析模型 空間信息分析模型，測算動態(tài)變化速度和強烈程度。具體公式為：

式中：TRLi——第i種生態(tài)安全等級類型在研究時期的轉移速率；IRLi——第i種生態(tài)安全等級類型的新增速率；CCLi——第i種生態(tài)安全等級類型的變化速率；n——區(qū)域內生態(tài)安全等級的類別數，i∈（1，n）；LAi，t1，LAi，t2——第i類生態(tài)安全等級在研究期初期和末期的面積；ULAi——研究期內第i種生態(tài)安全等級未變化面積；t1，t2——研究時段。

轉移矩陣能夠反映出生態(tài)安全等級變化的特征、結構與變化方向。轉移矩陣的數學形式為：

式中：S——面積；n——生態(tài)安全等級數；i，j——研究初期與研究末期的生態(tài)安全等級。

1.2.2 綜合指數評價法 綜合指數評價法綜合考慮各個因子對總體對象的影響程度，把各個指標的優(yōu)劣綜合起來，用一個數值化指標加以集中，表示整個評價對象的優(yōu)劣。表達式為：

式中：Cvj——評價因子的總值；Qvij——對于因子j的指標i（Qij≥0）；Wci——指標i的權重值（0≤Wci≤1），通過層次分析法（AHP）計算得出；m——評價指標個數。

1.2.3 層次分析法 層次分析法是一種有效的決策思維方法。它把復雜問題“分解”成各個組成因素，用兩兩比較的方法確定各層次中諸要素的相對重要性，對所要解決的復雜問題的各項進行綜合判斷，得出各指標重要的總體順序和其權重。

1.2.4 馬爾可夫預測模型 馬爾可夫預測法，就是一種預測時間發(fā)生概率地方法。它是基于馬爾科夫鏈，根據事件的目前狀況預測其將來各個時刻（或時期）變動狀況的一種預測方法。

2 結果與分析

2.1 松嫩平原土地利用分類

應用ERDAS—IMAGE 9.1對松嫩平原地區(qū)1980，2000，2010年TM影像進行土地利用分類，利用GIS將土地利用類型合并成7個一級分類，分別為草地、耕地、林地、水域、未利用地、建筑用地和濕地。并提取沙地、鹽堿地、鄉(xiāng)村居民點、城鎮(zhèn)。以2010年土地利用（附圖7）、鄉(xiāng)村居民點、鹽堿地為例。

2.2 土地利用生態(tài)安全風險指標體系的建立

決定土地利用生態(tài)安全的因素主要包括土地利用類型、影響人類生活便捷的交通、高程、坡度等，以及影響人類生活質量的距離沙地、鹽堿地距離等。綜合相關文獻及松嫩平原實際，確定生態(tài)安全評價指標10個并進行分級，根據因子對生態(tài)安全造成不利影響的程度值賦予阻力值。由于各個指標在土地利用生態(tài)安全綜合評價中重要性不同，利用層次分析法（AHP）確定各個因子的權重值。各因子阻力值及相對權重詳見表1。

表1 土地利用生態(tài)安全指標因子賦值及權重

2.3 土地利用生態(tài)安全風險分級及評價

2.3.1 松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險分級 利用GIS對各指標數據進行處理并加權疊加得到生態(tài)安全綜合評價指數500m×500m柵格圖。

為更好地進行變深入化分析，根據生態(tài)安全綜合指數狀況進行等間距分級（表2）。分別得到1980，2010年松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險等級格局分布圖（附圖8）。

松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險在空間上呈現由東北向西南遞增的趨勢。東北部及東部邊緣地區(qū)及流域附近多處于低風險區(qū)、較低風險區(qū)；西南部地區(qū)多處在中度風險區(qū)、較高風險區(qū)，局部及交通線附近地區(qū)處于高安全區(qū)。整體上看，黑河市、齊齊哈爾北部、綏化市北部、哈爾濱市生態(tài)安全水平優(yōu)于齊齊哈爾市南部、綏化南部、大慶市、松原市、白城市、四平市、長春市。統(tǒng)計高、中、低風險等級面積，得到1980—2010年各生態(tài)安全風險等級比重變化情況（圖1）。在所有風險等級中，較低風險區(qū)所占比重最大，在50%以上，其次為中度風險區(qū)、低風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)。1980—2010年，低風險區(qū)逐步減少趨勢，中度風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)呈現先減后增的趨勢，較低風險區(qū)為先增后減趨勢?？梢钥闯?980—2000年，各風險區(qū)面積均減少并向較低風險區(qū)轉化，表明生態(tài)環(huán)境壓力有所緩解。而在2000—2010年，低、較低風險區(qū)均減少明顯，約占10%，向中、高風險轉化趨勢明顯。

圖1 1980－2010年松嫩平原土地利用生態(tài)安全等級比重變化

表2 松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險分級標準

2.3.2 松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險時空動態(tài)變化分析 通過ArcGIS軟件對1980，2000，2010年的生態(tài)安全等級矢量圖進行數據融合疊加，得到生態(tài)安全等級類型的轉移矩陣。并計算出各生態(tài)安全等級的未變化面積、轉移面積和新增面積及轉移速率、新增速率和變化速率，結果詳見表3。

表3 松嫩平原生態(tài)安全的轉移矩陣及動態(tài)變化率 km2

1980—2000年，高風險等級、較高風險等級、中度風險等級、低風險等級以轉出為主，而增加明顯的為較低風險等級，轉移特征表現出松嫩平原的生態(tài)安全等級有緩解的趨勢。2000—2010年，中度、較高、高風險等級的新增速率均明顯大于轉移速率，表明低、較低風險等級面積有所減少，中度、較高、高風險等級增加顯著。

2.4 土地利用生態(tài)安全風險預測

提取研究期前期（2000年）和后期（2010年）生態(tài)安全等級的狀態(tài)，各等級占總面積的比例量化表示為：

根據松嫩平原2000—2010年生態(tài)安全的轉移矩陣和2000年初始生態(tài)安全等級狀態(tài)計算得出兩期生態(tài)安全等級類型變化轉移概率矩陣。

生態(tài)安全等級轉移概率的計算方法為：2010年生態(tài)安全等級類型的增加面積除以2000年向其轉出的生態(tài)安全等級類型的面積總數，則為2000—2010年該生態(tài)安全等級類型的轉移概率，其轉移步長為10。從而得到2000年各類生態(tài)安全等級轉變?yōu)?010年的各類生態(tài)安全等級的轉移概率矩陣Pij。

根據A（n）以及松嫩平原2000—2010年生態(tài)安全的轉移概率矩陣對松嫩平原生態(tài)安全進行預測。預測結果詳見表4。

表4 松嫩平原生態(tài)安全預測表2020－2050年

從預測結果可以看出，松嫩平原仍以較低風險等級與中度風險等級為主體，占到總面積的85%以上，不過較低風險等級比重逐步減少，中度風險等級比重在增大。低風險等級與較高風險等級總體約10%，低風險等級比重逐步減小，較高風險等級比重逐步增加。高風險等級比重一直在1%以下，但是每10a增加約0.1%，面積逐步擴大?？傮w來看，未來40a內，松嫩平原生態(tài)安全等級結構惡化趨勢明顯，應當引起相關部門的注意。

3 結論

（1）松嫩平原土地利用生態(tài)安全風險在空間上呈東北向西南遞增的趨勢。東北部、東部邊緣地區(qū)及流域附近多處于低風險區(qū)、較低風險區(qū)，而西南部地區(qū)多處在中度風險區(qū)、較高風險區(qū)，西南部地區(qū)的局部及交通線附近處于高安全區(qū)。

（2）從等級結構上看較低風險區(qū)所占比重最大，在50%以上，其次為中度風險區(qū)、低風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)。1980—2000年，較低風險等級增加明顯，其它等級以轉出為主。生態(tài)環(huán)境壓力有所緩解。而在2000—2010年，低風險區(qū)和較低風險區(qū)均減少明顯，約10%，向中、高風險轉化趨勢明顯。生態(tài)環(huán)境惡化趨勢明顯。

（3）預測表明2020—2050年松嫩平原中度風險等級、較高風險等級、高風險等級均表現出逐步遞增，土地利用生態(tài)安全等級結構惡化趨勢明顯。

（4）1980—2010年，松嫩平原土地利用生態(tài)安全水平惡化趨勢明顯。究其原因主要是生態(tài)系統(tǒng)自身的脆弱性與人類活動強烈干預的結果。松嫩平原土地資源空前開發(fā)的歷史，使得耕地面積增加的同時破壞了原有植被，土地風蝕、沙化、鹽堿化日益加劇。1980—2010年，耕地面積增加了16 613.5km2，成為最主要的土地利用類型，比重接近60%。濕地、林地、草地均有所減少。濕地面積減少最為明顯，減少了5.08%，同時由于城市化進程加快，建設用地面積、城鎮(zhèn)居民點的分布增加明顯。雖然20世紀80年代中期至今開墾高潮已過，國家生態(tài)退耕、森林保護等生態(tài)政策的實施，沙化土地面積基本得到控制，局部堿化土地有所改良，但速度緩慢，生態(tài)安全問題仍十分嚴峻。只有使該區(qū)域生態(tài)、經濟和社會效益有機結合、相互協調，因地制宜地采取合理措施才能確保松嫩平原土地利用生態(tài)安全整體水平的恢復和穩(wěn)定的發(fā)展。

［1］劉紅，王慧，張興衛(wèi).生態(tài)安全評價研究述評［J］.生態(tài)學雜志，2006，25（1）：74－78.

［2］汪西林，謝寶元，關文彬.泥石流多發(fā)區(qū)生態(tài)安全評價：以汶川縣為例［J］.生態(tài)學雜志，2008，27（11）：1990－1996.

［3］Weng Changhua，Zhang Luoping，David K.Definitions and progress of ecosystem health and ecological security［J］.Ecological Economy，2006，2（3）：327－336.

［4］謝花林.基于GIS的典型農牧交錯區(qū)土地利用生態(tài)安全評價［J］.生態(tài)學雜志，2008，27（1）：135－139.

［5］范瑞錠，陳松林，戴菲，等.福建省土地利用生態(tài)安全評價［J］.福建師范大學學報：自然科學版，2010，26（5）：97－108.

［6］曲青林，曹愛霞，劉學錄.蘭州市土地利用生態(tài)安全評價［J］.環(huán)境科學研究，2009，22（6）：753－756.

［7］呂建樹.濟寧市土地利用生態(tài)安全研究［D］.山東 濟南：山東師范大學，2011：62－88.

［8］王慶日，譚永忠，薛繼斌，等.基于優(yōu)度評價法的西藏土地利用生態(tài)安全評價研究［J］.中國土地科學，2010，24（3）：48－54.

［9］張虹波，劉黎明，張軍連，等.區(qū)域土地資源生態(tài)安全評價的物元模型構建及應用［J］.浙江大學學報：農業(yè)與生命科學版，2007，33（2）：222－229.

［10］鮑艷，胡振琪，柏玉，等.主成分聚類分析在土地利用生態(tài)安全評價中的應用［J］.農業(yè)工程學報，2006，22（8）：87－90.

［11］羅貞禮.土地利用生態(tài)安全評價指標的系統(tǒng)聚類分析［J］.湖南地質，2002，21（4）：252－254.

［12］羅新正，朱坦，孫廣友.人類活動對松嫩平原生態(tài)環(huán)境的影響［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2002，12（4）：94－99.

［13］湯潔，汪雪格，斯藹，等.松嫩平原土地利用變化的聚類分析［J］.干旱區(qū)研究，2008，25（6）：829－834.

［14］白淑英，張樹文，張養(yǎng)貞.松嫩平原土地利用／覆被變化的動態(tài)過程分析：以大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣為例［J］.資源科學，2007，29（4）：164－169.

［15］王宗明，張柏，宋開山，等.松嫩平原土地利用變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響研究［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2008，18（1）：149－154.