退耕還林背景下寒地山區(qū)土地生態(tài)安全格局動(dòng)態(tài)變化

侯大偉，劉 艷，孫 華

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退耕還林背景下寒地山區(qū)土地生態(tài)安全格局動(dòng)態(tài)變化

侯大偉，劉 艷，孫 華※

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，南京210095）

為了研究退耕還林工程引起的土地生態(tài)安全格局變化，該文應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)對牡丹江地區(qū)2000－2014年土地利用變化特征進(jìn)行了分析，并基于DPSIR概念框架構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，從空間上揭示了研究區(qū)退耕還林期間土地生態(tài)安全水平及格局變化。結(jié)果表明，退耕還林工程的實(shí)施對研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了極大的影響，林地面積增加1 520.16 km2，草地、耕地面積分別減少878.50、517.14 km2，土地利用強(qiáng)度先下降后上升；退耕還林工程在有效控制坡地墾殖、增加林地面積的同時(shí)，能夠顯著提高區(qū)域土地生態(tài)安全水平，2000－2014年，各坡度等級內(nèi)安全、較安全、臨界安全面積共增加1 088.6 km2；14 a來研究區(qū)土地生態(tài)安全水平總體呈“先改善后惡化”的趨勢，但仍較2000年工程實(shí)施前有了較大幅度的提升，西部、東部及南部地區(qū)土地生態(tài)安全水平顯著提高，但中部牡丹江河谷盆地土地生態(tài)安全水平提升緩慢，建議新一輪退耕還林工程將此地區(qū)作為重點(diǎn)調(diào)控整治區(qū)域。

土地利用；生態(tài)；植被；退耕還林；土地生態(tài)安全；寒地山區(qū)

0 引 言

土地資源作為人類活動(dòng)的載體，保障其生態(tài)安全是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。土地生態(tài)安全受自然因素和人為因素的共同影響，一般指土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能在其彈性限度內(nèi)處于不受或少受威脅的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，并能夠?yàn)閰^(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供穩(wěn)定的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[2]。近年來，人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用/覆被變化（LUCC），不僅改變了自然景觀面貌，而且影響著物質(zhì)循環(huán)和能量分配，極大地威脅著土地生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定[3-5]。因此，保證區(qū)域土地生態(tài)安全，促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用已成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域研究的前沿課題。

退耕還林工程旨在有步驟有計(jì)劃地治理水土流失嚴(yán)重和產(chǎn)量低而不穩(wěn)的坡耕地和沙化耕地，造林還草，恢復(fù)植被，逐步提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，是迄今為止世界范圍內(nèi)投入力度最大、政策性最強(qiáng)的生態(tài)修復(fù)工程[6]。因此，從空間上準(zhǔn)確把握退耕還林期間土地生態(tài)安全水平及格局變化，對于合理規(guī)劃土地用途、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡尤為重要。現(xiàn)階段，針對退耕還林生態(tài)效應(yīng)的研究主要集中在退耕生態(tài)效益、生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制、生態(tài)格局建立等方面[7-10]，對于退耕期間土地生態(tài)安全水平及格局變化分析尚屬薄弱環(huán)節(jié)，且已有研究多以矢量邊界為評價(jià)單元，一定程度上不能揭示其單元內(nèi)部的空間異質(zhì)性和諸如社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響[11-17]，亟待進(jìn)行空間上更精細(xì)的動(dòng)態(tài)變化研究以指導(dǎo)具體生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施。

高鳳杰等[17]研究了牡丹江地區(qū)2000－2014年土地利用變化特征，并基于DPSIR概念框架構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，從空間上揭示了研究區(qū)退耕還林前后土地生態(tài)安全水平及格局變化。本文在其研究的基礎(chǔ)上，從指標(biāo)選取及評價(jià)單元確定方面做出了相應(yīng)改進(jìn)與完善。指標(biāo)選取方面，以往研究[17]選取壓力、狀態(tài)、影響因子時(shí)，過分強(qiáng)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，忽略了對生態(tài)系統(tǒng)自身變化的探討（如選取人口密度及公路里程表征生態(tài)壓力，同時(shí)選取工業(yè)產(chǎn)值能耗、生活污水排放量反映人類行為對生態(tài)系統(tǒng)的影響），導(dǎo)致其結(jié)果以地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為導(dǎo)向，難以真實(shí)反映地區(qū)實(shí)際生態(tài)環(huán)境質(zhì)量（如東寧縣由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低而導(dǎo)致其始終處于不安全水平）；本研究在選取驅(qū)動(dòng)力、壓力因子時(shí)，充分考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等驅(qū)動(dòng)因素對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，狀態(tài)、影響因子則更多反映生態(tài)系統(tǒng)自身承載能力、恢復(fù)能力及脆弱性（如生態(tài)彈度、景觀穩(wěn)定性、土壤侵蝕強(qiáng)度），較之以往[17]，指標(biāo)體系及評價(jià)結(jié)果能夠更加真實(shí)地反映退耕還林工程實(shí)施期間土地生態(tài)安全水平及格局的變化情況。評價(jià)單元選取方面，本研究以空間柵格為具體評價(jià)單元，能夠清晰反映各行政單元內(nèi)部的空間分異特征，也在一定程度上避免了由于各別指標(biāo)值差異過大對行政單元整體生態(tài)安全水平的影響。指標(biāo)體系的優(yōu)化以及評價(jià)單元的精細(xì)化，將為衡量退耕還林工程的實(shí)施效果提供理論支撐及判定依據(jù)，為第三輪退耕還林工程劃定重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)區(qū)域提供借鑒參考。同時(shí)，將土地利用變化和土地生態(tài)安全格局動(dòng)態(tài)變化分析兩個(gè)熱點(diǎn)問題相結(jié)合，深化了研究的理論深度及現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

牡丹江地區(qū)（128°02′38″－131°18′9″E，43°24′50″－45°59′12″N）位于黑龍江省東南部，地處北溫帶中部，多年平均氣溫2.2～4.5 ℃，冰凍期180 d左右，系張廣才嶺、老爺嶺山脈，行政區(qū)劃上包括牡丹江市、林口縣、東寧縣、穆棱縣、寧安縣、綏芬河市、海林市，以中部牡丹江河谷盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及四周環(huán)繞的森林景觀組成，區(qū)域內(nèi)人均耕地面積少，坡耕地比重大，是中國典型的寒地山區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口的增加，區(qū)域森林覆蓋率急劇下降，水土流失嚴(yán)重，區(qū)域生態(tài)安全形勢不容樂觀。圖1為研究區(qū)位置示意圖。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)及處理

本研究采用的基礎(chǔ)資料主要包括2000年、2007年、2014年的LandsatTM影像；研究區(qū)30m數(shù)字高程模型（DEM）；1∶10萬土壤類型圖、土壤可蝕性分布圖；牡丹江地區(qū)2000年后各氣象站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)（氣象站點(diǎn)編號：54093/54092/54099/54094/54096）、2000－2014年牡丹江市社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒以及牡丹江市土地利用總體規(guī)劃（2006－2020）等相關(guān)規(guī)劃文件。首先對影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、波段融合等處理，其次采用人工目視解譯的方法進(jìn)行相應(yīng)年期的土地利用分類。參考全國第二次土地調(diào)查分類體系，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域及未利用地6類。解譯完成后，核對當(dāng)?shù)赝恋乩迷敳橘Y料并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，林地、耕地、建設(shè)用地解譯精度在90%以上，未利用地、草地、水域精度在85%以上，成果可信度較高，可為本研究使用。

本研究數(shù)據(jù)可劃分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)2種，前者主要包括人口分布、工業(yè)產(chǎn)值能耗分布等行政單元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，后者則主要包括利用遙感數(shù)據(jù)衍生獲得的土壤侵蝕強(qiáng)度、坡度、植被覆蓋度等。由于統(tǒng)計(jì)單元不同，不便于數(shù)據(jù)計(jì)算和結(jié)果分析，為此以柵格像元為基本評價(jià)單元（30 m×30 m），利用網(wǎng)格轉(zhuǎn)化方法對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化、配準(zhǔn)、重采樣等處理，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一校正到能與TM影像配合套準(zhǔn)。

2.2 土地利用變化分析

2.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

土地利用結(jié)構(gòu)是指在一定區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的空間分布格局及數(shù)量的比例關(guān)系[18]。在GIS軟件中以2000、2007、2014年土地利用類型圖為輸入圖層，利用統(tǒng)計(jì)分析工具，對3期土地利用類型的數(shù)量、比例結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2.2 土地利用程度分析

土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，他不僅反映了土地利用中土地的自然屬性，同時(shí)也反映了人類因素與自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)。其計(jì)算公式為

式中L為土地利用綜合程度指數(shù)，為土地利用程度變化率，A為研究區(qū)第級土地利用程度分級指數(shù)，C為第級土地利用程度面積比，C、C分別為研究期初和研究期末第級土地利用程度土地所占總面積比。此外，如果>0，該地區(qū)土地利用處于發(fā)展階段；<0，處于衰退期；=0，則處于穩(wěn)定期。

根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等[19-20]提出的數(shù)量化土地利用程度分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡保持狀態(tài)分為4級，并分別賦予指數(shù)：未利用地賦值1，林地、草地、水域賦值2，耕地賦值3，城鎮(zhèn)用地賦值4。

2.3 評價(jià)體系的構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)的演變是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，尤其是全球氣候變化以及人類干擾活動(dòng)日趨劇烈的背景下，生態(tài)系統(tǒng)的受損程度及動(dòng)態(tài)變化愈發(fā)受到重視。研究表明，土地生態(tài)安全的變化是驅(qū)動(dòng)力（D）、壓力（P）、狀態(tài)（S）、影響（I）、響應(yīng)（R）等因素相互作用的過程：發(fā)展驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致人類對生態(tài)系統(tǒng)的干擾增加，產(chǎn)生壓力迫使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變，對人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，促使人類做出響應(yīng)，響應(yīng)機(jī)制反作用于以上過程以保證系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定。牡丹江地區(qū)地形起伏較大，降水所引起的土壤侵蝕以及人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)的干擾是導(dǎo)致區(qū)域水土流失、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的重要因素。因此，分別從自然條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面選取評價(jià)因子以表征驅(qū)動(dòng)力因素及其對于生態(tài)資源的需求和壓力。狀態(tài)指生態(tài)系統(tǒng)中各成分的背景值，是驅(qū)動(dòng)力和壓力共同作用的結(jié)果，選取土壤侵蝕強(qiáng)度、景觀穩(wěn)定性及生態(tài)環(huán)境彈度作為狀態(tài)因子，揭示人類改造后土地資源的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。人類在改造自然的同時(shí)，不僅改變了區(qū)域自然條件，而且對其他方面也會(huì)產(chǎn)生深刻影響，因此在選取評價(jià)因子時(shí)，應(yīng)綜合考慮自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，系統(tǒng)地反映人類行為對于生態(tài)系統(tǒng)的影響[21-24]?；谝陨险J(rèn)識，遵循科學(xué)性、代表性等原則，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 土地生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系

2.4 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各因子量綱不同，所以不具有可比性。因此，必須對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除不同量綱之間的影響。各項(xiàng)指標(biāo)與生態(tài)安全指數(shù)之間存在正向或逆向的關(guān)系，正向關(guān)系采用公式（3），負(fù)向關(guān)系采用公式（4）。

式中F為評價(jià)指標(biāo)的作用分值，X、min、max分別為評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值、最小值和最大值。

2.5 指標(biāo)權(quán)重確定

每個(gè)指標(biāo)在土地生態(tài)安全研究中所起作用不同，所以需要通過權(quán)重來反映各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算指標(biāo)的熵權(quán)，再通過熵權(quán)對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正，從而得到指標(biāo)權(quán)重。與其他方法相比，熵權(quán)法精度較高，客觀性較強(qiáng)，避免了主觀因素造成的誤差。其步驟如下：

1）計(jì)算第個(gè)指標(biāo)下第個(gè)項(xiàng)目的指標(biāo)值比重P

式中r為標(biāo)準(zhǔn)化之后的指標(biāo)值。

2）計(jì)算指標(biāo)信息熵

3）計(jì)算指標(biāo)權(quán)重W

2.6 土地生態(tài)安全評價(jià)

在確定研究區(qū)各評價(jià)因子空間分布及相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重后，采用綜合指數(shù)法在ArcGIS軟件中進(jìn)行空間疊加處理，獲取土地生態(tài)安全指數(shù)及空間分布。

（10）

（13）

式中為生態(tài)安全指數(shù)，用于表示生態(tài)安全水平的高低。越高，說明土地生態(tài)狀況越好；越低，說明土地生態(tài)狀況越差。分別代表驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)因子的綜合指數(shù)值。X為驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)量化后的值，W為驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)的權(quán)重，其他同理。利用自然斷點(diǎn)法（natural breaks）劃定生態(tài)安全指數(shù)（ESI）的臨界閾值，并將生態(tài)安全指數(shù)與土地生態(tài)安全水平做出關(guān)聯(lián)（表2）。

表2 生態(tài)安全指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

土地利用變化分析表明：退耕還林工程的實(shí)施極大地影響了牡丹江地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)，其中林地、草地及耕地變化尤為明顯。截止2014年，林地面積共增加1 520.16 km2，面積比例由2000年的69%上升到2014年72.91%；耕地、草地面積則分別減少517.14、878.5 km2（表3）。林地、耕地、草地為研究區(qū)主要土地利用類型，經(jīng)過14 a的退耕還林改造，牡丹江地區(qū)林地面積持續(xù)增加，草地面積比例持續(xù)下降，耕地面積則呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。退耕還林工程旨在抑制坡地墾殖，恢復(fù)植被，提高區(qū)域生態(tài)承載力[25]。然而，在工程實(shí)施過程中，人們往往過分強(qiáng)調(diào)造林面積，且將坡度指標(biāo)作為衡量退耕與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這種做法雖然能夠在短期內(nèi)快速提高區(qū)域植被覆蓋度，但也會(huì)對地區(qū)糧食安全產(chǎn)生威脅，造成坡地復(fù)墾現(xiàn)象的發(fā)生[26-27]。因此，2007－2014年，研究區(qū)耕地面積出現(xiàn)反彈，林地增速放緩。

從土地利用程度變化來看，研究區(qū)2000年、2007年、2014年土地利用程度指數(shù)總體保持穩(wěn)定且3個(gè)年份土地利用程度指數(shù)范圍均在200～300之間，反映土地利用程度處于中等水平；2000－2007年間，土地利用程度變化率為=?0.01＜0，此階段耕地、建設(shè)用地面積減少，林地面積大量增加，土地利用強(qiáng)度下降；2007－2014年，土地利用程度變化率=0.005＞0，此階段耕地面積增加，草地、未利用地面積減少，土地利用強(qiáng)度提高[28-29]。

表3 土地利用/覆被變化

3.2 土地生態(tài)安全格局變化分析

3.2.1 時(shí)間特征

2000－2007年，研究區(qū)安全面積凈增加9 226.41 km2；其中，由較安全等級轉(zhuǎn)化而來6 682.46 km2，占2000年較安全面積的73.07%，由臨界安全轉(zhuǎn)化而來4 063.81 km2，占2000年臨界安全面積的41.98%；安全面積退化3 199.54 km2，其中，轉(zhuǎn)出為較安全等級3 049.1 km2，占2007年較安全等級總面積的37.58%。研究區(qū)不安全和極不安全面積共減少5 501.31 km2，分別轉(zhuǎn)化為臨界安全面積1 339.79、1 586.88 km2，占2000年不安全、極不安全面積的26.13%、29.47%。至2007年，不安全、極不安全面積比例已由2000年的13.25%、13.92%下降到8.38%及4.58%（表4）。

表4 2000－2007年土地生態(tài)安全數(shù)量轉(zhuǎn)移

2007－2014年間，研究區(qū)安全面積減少949.41 km2，較安全面積減少1 279.14 km2，臨界安全面積減少879.95 km2，而不安全面積、極不安全面積分別增加703.7、2 404.8 km2；其中，不安全、極不安全面積主要由臨界安全面積轉(zhuǎn)化而來，共2 691.66 km2，占2007年臨界安全面積的38.02%；2014年不安全、極不安全面積比例分別為9.95%、10.79%，與2007年比較有所下降，但仍低于2000年。此外，安全、較安全、臨界安全等級之間的相互轉(zhuǎn)化數(shù)量明顯大于2000－2007年（表5）。

從14 a整體變化來看，研究區(qū)土地生態(tài)安全水平有了顯著提高。與2000年相比，2014年的不安全、極不安全土地面積共減少2 487.99 km2，安全面積增加8 211.29 km2，由2000年的24.15%增加到2014年的45.38%，2000－2014年，各坡度等級內(nèi)安全、較安全、臨界安全面積共增加1 088.6 km2。

然而，也應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，研究區(qū)較安全及臨界安全面積較2000年分別下降了5.80%和9%。因此，下一輪退耕還林工程應(yīng)在保證退耕數(shù)量的前提下，兼顧較安全、臨界安全地區(qū)土地質(zhì)量的鞏固與提升，注重提高現(xiàn)存耕地墾殖效率，由傳統(tǒng)粗放耕作向集約化經(jīng)營轉(zhuǎn)變，在不影響地區(qū)糧食安全的前提下逐步提高研究區(qū)臨界安全及以上水平地區(qū)面積比例[29]。

表5 2007－2014年土地生態(tài)安全數(shù)量轉(zhuǎn)移

3.2.2 空間特征

牡丹江地區(qū)退耕還林工程實(shí)施期間土地生態(tài)安全水平總體呈“先改善后惡化”的趨勢。2000年土地生態(tài)安全指數(shù)最低（0.688），2007年最高（0.832），2014年土地生態(tài)安全指數(shù)（0.732）稍有下降，但仍較2000年退耕還林工程實(shí)施前有了顯著提高。

2000年，東寧大部分地區(qū)、穆棱南部地區(qū)處于安全水平，海林西部、寧安南部呈現(xiàn)較安全水平。臨界安全、不安全、極不安全地區(qū)主要分布在中部牡丹江河谷盆地、海林東部以及林口大部分地區(qū)。此外，牡丹江市區(qū)土地生態(tài)安全水平較差，幾乎全部處于不安全和極不安全水平。2007年，西部及南部地區(qū)包括海林大部分地區(qū)和寧安南部、穆棱南部在內(nèi)的大面積土地已經(jīng)轉(zhuǎn)化為安全水平，這主要得益于區(qū)域植被覆蓋度的提高以及坡地水土保持能力的增強(qiáng)；同時(shí)，分布在中部牡丹江河谷盆地的大量臨界安全水平以下土地的生態(tài)水平也顯著提高，牡丹江市區(qū)極不安全土地面積大幅度減少。至2014年，中部牡丹江河谷盆地的生態(tài)安全水平稍有下降，但整體生態(tài)安全面積仍明顯高于2000年。

圖2 研究區(qū)生態(tài)安全空間分布圖

2000－2007年間，研究區(qū)整體生態(tài)安全狀況呈上升趨勢。其中，由較安全、臨界安全、不安全、極不安全水平轉(zhuǎn)化為安全水平的土地主要分布在研究區(qū)西部、南部地區(qū)，以上地區(qū)地形起伏較大，水土流失嚴(yán)重，加之常年形成的以資源消耗為主體的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，造成退耕還林工程實(shí)施前該地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為惡劣。以上地區(qū)被劃定為退耕還林工程的首批重點(diǎn)整治區(qū)域，經(jīng)過7 a的土地整治及退耕還林，安全面積大幅增加，區(qū)域生態(tài)環(huán)境顯著改善（圖3a）。2007－2014年間，土地生態(tài)安全水平提高的區(qū)域主要分布在研究區(qū)東南部即東寧北部地區(qū)（圖3a）。該地區(qū)地形起伏較大，同時(shí)坡耕地的大量存在以及農(nóng)藥化肥的不合理施用在一定程度上造成了土壤質(zhì)量下降，進(jìn)而影響區(qū)域土地生態(tài)安全水平。退耕還林工程的實(shí)施緩解了地區(qū)生態(tài)壓力，提高了水土保持能力，生態(tài)安全、較安全面積顯著提高。2007－2014年間的生態(tài)退化主要發(fā)生在中部牡丹江河谷盆地（圖3b），該地區(qū)地形起伏不大，土壤肥力較高，存在大量優(yōu)質(zhì)耕地。近年來，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化水平不斷發(fā)展，糧食安全日益受到重視，為增加土地利用效益，土地利用強(qiáng)度不斷提高，導(dǎo)致該地區(qū)土地生態(tài)水平退化。

圖3 研究區(qū)生態(tài)安全格局變化圖

指標(biāo)體系構(gòu)建合理與否直接影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。以往研究[17]中，東寧縣土地生態(tài)安全水平始終處于不安全、極不安全狀態(tài)，而牡丹江市區(qū)土地生態(tài)安全水平則始終高于其他地區(qū)，究其原因，主要在于以往研究[17]在構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系時(shí)過分強(qiáng)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾，選取諸如城鎮(zhèn)化水平、生活污水排放量及公路密度等指標(biāo)，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果多以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為導(dǎo)向，難以真實(shí)反映退耕還林期間土地生態(tài)系統(tǒng)自身狀態(tài)的變化。本文對其指標(biāo)體系進(jìn)行了改進(jìn)與完善，除充分考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力及驅(qū)動(dòng)作用外，更多選取能夠反映生態(tài)系統(tǒng)承載力、恢復(fù)力、脆弱性的評價(jià)因子，以區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自身變化為導(dǎo)向，使其評價(jià)結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確合理。指標(biāo)體系優(yōu)化及完善后，東寧縣大部分土地生態(tài)安全狀態(tài)處于較安全及安全水平，而牡丹江市及周邊區(qū)域雖經(jīng)過退耕還林工程的改造，土地生態(tài)安全水平得以提高，但大部分地區(qū)尚處在臨界安全水平以下，此區(qū)域仍是未來生態(tài)修復(fù)工程的重點(diǎn)整治區(qū)域。

3.3 退耕還林的坡地改造效果分析

退耕還林工程是針對易造成水土流失的6°以上坡耕地及沙化耕地退耕造林，恢復(fù)植被，逐步提高區(qū)域生態(tài)承載力的過程[30]。因此，定量地分析不同坡度等級內(nèi)土地生態(tài)安全格局及林地、耕地?cái)?shù)量變化對測度區(qū)域退耕還林生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。結(jié)果表明，2000－2014年間，各坡度等級內(nèi)林地面積持續(xù)增加，耕地面積先減少后增加。其中，林地面積在不同坡度等級內(nèi)均呈現(xiàn)逐年增加趨勢，10～15°范圍內(nèi)面積增加最多，為449.1 km2，占退耕前該坡度等級內(nèi)林地面積的6.21%；大于25°面積增長最少，為26.74 km2。各等級內(nèi)耕地面積均減少，但呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。其中，第一階段10～15°等級內(nèi)耕地減少最多，為291.98 km2，占退耕前該坡度等級內(nèi)耕地面積的24.62%。由于退耕還林工程造成研究區(qū)耕地保有量下降[29]，且人口增長對糧食的需求量日益增加，因此2007－2014年，各坡度等級內(nèi)出現(xiàn)小規(guī)模的復(fù)墾現(xiàn)象，耕地面積小幅增加。各坡度等級內(nèi)安全、較安全、臨界安全面積共增加1 088.6 km2（表6）。其中，安全面積在不同坡度等級內(nèi)均呈現(xiàn)先大幅增加后小幅減少的趨勢，6～10°增加最多，為2 043.58 km2，占退耕前該坡度等級內(nèi)安全面積的79.19%；此外，10～15°、15～20°、20～25°、以及大于25°內(nèi)安全面積則分別增加1 989.81、1 131.73、420.11、160.66 km2。通過分析各坡度等級耕地、林地、土地生態(tài)安全格局變化趨勢發(fā)現(xiàn)，增加林地面積、減少陡坡開墾能夠有效提高土地生態(tài)安全水平。陡坡開墾、森林覆蓋率下降是造成研究區(qū)水土流失加劇、土地生態(tài)安全水平下降的主要原因，退耕還林工程的實(shí)施，能夠有效控制坡地墾殖，顯著增加林地面積，在提高區(qū)域土地生態(tài)安全水平方面效果顯著。

a. 各坡度等級內(nèi)林地面積比例

a. Proportion of forest land area in each slope level

b. 各坡度等級內(nèi)耕地面積比例

表6 各坡度等級內(nèi)土地生態(tài)安全格局變化

4 討 論

4.1 未來重點(diǎn)整治區(qū)域及主要土地利用類型調(diào)控

土地生態(tài)安全水平在一定程度上揭示了人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)承載力的影響[31]。因此，保證土地生態(tài)安全是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。從研究結(jié)果來看，退耕還林工程的實(shí)施明顯增加林地面積，改善區(qū)域土地生態(tài)安全水平，抑制生態(tài)退化，尤其在坡耕地治理方面發(fā)揮著愈加重要的作用。牡丹江地區(qū)屬中國典型寒地山區(qū)，降水集中所造成的土壤侵蝕以及較大的地形起伏是區(qū)域生態(tài)退化的主要原因，加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全的雙重壓力，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。在這種背景下，新一輪退耕還林工程的實(shí)施重點(diǎn)應(yīng)是平衡糧食生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，摒棄粗放的土地利用模式，實(shí)現(xiàn)地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1）嚴(yán)格控制新的退耕與復(fù)墾，高度重視糧食自給能力。2000－2014年，牡丹江地區(qū)耕地面積共減少517.14 km2，存在著糧食自給不足的風(fēng)險(xiǎn)。糧食安全問題將直接影響退耕還林成果的鞏固和生態(tài)恢復(fù)的效果。2007－2014年，牡丹江地區(qū)耕地面積增加295.88 km2，其中除耕地布局調(diào)整、永久基本農(nóng)田劃定及未利用地開荒外，不少地區(qū)開始出現(xiàn)了復(fù)墾現(xiàn)象，相關(guān)研究也表明一些退耕農(nóng)戶有復(fù)墾意愿。為了確保糧食安全并鞏固退耕還林成果，首先應(yīng)嚴(yán)格遵守耕地保護(hù)制度，對于基本農(nóng)田劃定區(qū)域停止退耕并通過采取間作套種、精準(zhǔn)施肥等措施，提高現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)潛力；其次，對25°以上水土流失嚴(yán)重的耕地進(jìn)行堅(jiān)決退耕，25°以下尤其是15°以下水土流失不嚴(yán)重的耕地可以通過梯改等措施適當(dāng)增加耕地存量；最后，對閑置率較高的農(nóng)村居民點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)合并以增加耕地存量[32-33]。

2）未來應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對中部牡丹江河谷盆地的生態(tài)修復(fù)力度。2000－2014年，中部牡丹江河谷盆地土地生態(tài)安全水平呈“先改善后惡化”的總體趨勢，但較2000年退耕還林工程實(shí)施前有了較大幅度的提高。然而，該地區(qū)臨界安全以下的面積仍有很多，屬牡丹江地區(qū)土地生態(tài)安全水平較低的地區(qū)。與其他地區(qū)相比，該地區(qū)地形起伏不大，土壤肥力較高，存在大量優(yōu)質(zhì)耕地，同時(shí)也是牡丹江地區(qū)的經(jīng)濟(jì)及工業(yè)中心。近年來，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化水平的不斷發(fā)展，為提高土地利用效益，不斷提高土地利用強(qiáng)度，導(dǎo)致該地區(qū)土地生態(tài)水平提升緩慢。下一輪退耕還林工程應(yīng)將此區(qū)域作為重點(diǎn)整治區(qū)域，在保證糧食安全的前提下，提高植被覆蓋度，增強(qiáng)其水土保持能力；加大土地整治力度，針對土地質(zhì)量較高的撂荒地進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)墾，針對土壤侵蝕嚴(yán)重的土地進(jìn)行植樹造林，提高其水土保持能力，針對廢棄居民點(diǎn)嘗試合并，提高建設(shè)用地集約化水平；法制建設(shè)應(yīng)緊跟政策導(dǎo)向，根據(jù)牡丹江市區(qū)及周邊的企業(yè)排污狀況制定更加嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)條例及監(jiān)督機(jī)制，防治與修復(fù)同步推進(jìn)。

4.2 數(shù)據(jù)源及方法的拓展

退耕還林工程的實(shí)施直接改變了土地利用結(jié)構(gòu)及生態(tài)安全水平，而土地利用/覆被類型的變化與區(qū)域土地生態(tài)安全格局的變化密切相關(guān)。因此，精確估算土地利用/覆蓋變化，合理評價(jià)土地生態(tài)安全水平，對測度及鞏固退耕還林效果尤為重要。但從研究過程來看，在數(shù)據(jù)源選擇、指標(biāo)權(quán)重確定等方面尚存在一定的局限性，需要在未來研究中深入探討。

1）提高遙感影像的解譯精度。本文利用Landsat影像進(jìn)行土地利用解譯發(fā)現(xiàn)，與單純利用地物光譜特征進(jìn)行監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類相比，人工目視解譯具有更高的精度，能夠有效判讀林地、建設(shè)用地和水域，但由于耕地、草地及部分未利用地在遙感影像中顯示的光譜特征比較相似，加之影像分辨率只有30或15 m，對三者進(jìn)行有效區(qū)分比較困難。因此，本研究主要借助Google Earth 高空間分辨率影像對人工目視解譯結(jié)果進(jìn)行判讀與修正，有效提高了解譯精度。隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星的投入使用，高分辨率影像的獲取與直接應(yīng)用將更加便利。

2）應(yīng)用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行土地生態(tài)安全空間評價(jià)。由于本研究以空間柵格為評價(jià)單元，但部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以行政單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，針對這部分指標(biāo)，研究中主要采用柵格化的方法，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果在空間上可能出現(xiàn)邊界差異。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行空間評價(jià)已逐漸成為一種趨勢，未來研究可考慮應(yīng)用諸如DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)等能夠從空間上表征研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高評價(jià)精度。

3）進(jìn)行退耕還林工程綜合效益分析評價(jià)。退耕還林是一項(xiàng)歷時(shí)較長、投入較大的生態(tài)修復(fù)工程，其實(shí)施過程中必然對地區(qū)土地利用方式及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深刻影響。因此在重點(diǎn)評價(jià)所取得的生態(tài)效益的同時(shí)，還應(yīng)綜合考慮工程實(shí)施對區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的影響。因此，進(jìn)一步的研究可以將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多目標(biāo)線性規(guī)劃等方法有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行不同情景下退耕還林工程的綜合效益模擬分析，探討能夠平衡生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的發(fā)展模式，緩和地區(qū)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾。

5 結(jié) 論

本文首先應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)對牡丹江地區(qū)2000－2014年土地利用/覆蓋變化進(jìn)行分析，其次基于DPSIR概念框架構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，對研究區(qū)退耕還林期間土地生態(tài)安全水平進(jìn)行評價(jià)，并從空間上揭示了其土地生態(tài)安全格局變化。與以往研究[17]相比，本研究所選評價(jià)因子以區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自身變化為導(dǎo)向，更能準(zhǔn)確反映其承載力、恢復(fù)力及脆弱性，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性；同時(shí)，以空間柵格為評價(jià)單元，能夠清晰表達(dá)研究結(jié)果的空間分異特征，為區(qū)域未來生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施提供借鑒及參考，提高了研究的適用性。主要得到以下結(jié)論：

1）退耕還林工程的實(shí)施極大地影響了牡丹江地區(qū)土地利用/覆被變化。其中，林地增加1 520.16 km2且呈持續(xù)增加趨勢，草地面積持續(xù)減少，兩階段共減少878.5 km2，耕地呈先減少后增加的趨勢，共減少517.14 km2。2000－2007年，研究區(qū)林地面積大幅度增加，草地、耕地面積下降，土地利用強(qiáng)度下降，2007－2014年，耕地面積增加，草地、未利用地面積減少，土地利用強(qiáng)度提高。

2）退耕還林工程的實(shí)施能夠有效控制坡地墾殖，增加林地面積，提高坡地生態(tài)安全水平。2000－2014年，林地在不同坡度等級內(nèi)持續(xù)增加，耕地先減少后增加，其中10°～15°內(nèi)林地增加最多，為449.1 km2，占退耕前該坡度等級林地面積的6.21%，此外，退耕還林期間各坡度等級安全、較安全、臨界安全面積共增加1 088.6 km2，區(qū)域生態(tài)安全水平顯著提高。

3）退耕還林工程實(shí)施以來，牡丹江地區(qū)土地生態(tài)安全水平呈“先改善后惡化”的趨勢，但仍較退耕還林前有了顯著提高。研究區(qū)不安全、極不安全面積共減少2 487.99 km2，安全面積增加8 211.29 km2，面積比例由24.15%增加到45.38%。研究區(qū)西部及南部地區(qū)生態(tài)恢復(fù)較快，2007年后始終保持安全水平；東部地區(qū)自2007年后其生態(tài)水平也得到了顯著提高；中部牡丹江河谷盆地土地生態(tài)安全水平雖有提高，但部分區(qū)域仍處于臨界安全水平以下，該地區(qū)地勢較為平坦，土壤肥力較高，是牡丹江地區(qū)經(jīng)濟(jì)及工業(yè)中心，新一輪退耕還林工程應(yīng)將此地區(qū)劃定為重點(diǎn)整治區(qū)域。

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Analysis on dynamic change of ecological security pattern of land in cold mountainous region under background of Grain for Green Project

Hou Dawei, Liu Yan, Sun Hua※

(,,210095,)

Over the last few decades, humanity has been facing increasingly serious environmental challenges at local and global scales due to industrial revolution and population growth. Moreover, the consumption of forest and the degeneration of grassland and arable land have engendered a frequent alteration in land cover that often leads to a decreased stability of ecosystems. Land has been considered as the foundation of human life, so paying attention to ensure the ecological security of land resources is essential to realize sustainable development of social activities. Land ecological security, which is restricted by natural and human factors, is driven by land use and cover change, and it can be mainly characterized by the appearance of landscape and material cycle, which are essential to regional ecological security. Hence, the Chinese government launched “the Grain for Green Project” in 1999, which aimed at curbing water loss and soil erosion to improve ecological conditions by converting cultivated land with a slope greater than 25° to forest or grassland. Up to now, the Grain for Green Project is an ecological restoration engineering which has the largest investment and the strongest policy all over the world. As a consequence, methods of the land eco-security during the Grain for Green Project in China have gradually become the focus of research by international scholars in recent years. Many scholars attempt to make some breakthrough from the quantity and structure of land resources, and have taken some empirical studies in the region where the ecological environment is typical and fragile. Most of these studies belong to the static research which is combined with LUCC (land use/cover change) and focus on the current environment, and it rarely reflects the dynamic change patterns of land eco-security for the study area. However, the concept of ecological security emphasizes the sustainability of ecosystems, focusing on reducing the probability of ecological disaster with social development. So the land eco-security will be the focus in ecosystem evolution process due to the systemic complexity. The study of pattern changes in the land ecological level caused by the project has an important theoretical significance and practical value for speeding up regional vegetation restoration, reducing the intensity of soil erosion and achieving a sustainable social and economic development. This paper, by using remote sensing and GIS (geographic information system) technologies, analyzes the characteristics of changes in land use from 2000 to 2014. Based on the DPSIR framework, it also reveals the ecological security level and pattern changes of land during the implementation of the project. The results show that: 1) The implementation of the project has significantly influenced the structure of land use in the study area with an increase of forest area by 1 520.16 km2and a reduction of grassland and arable land respectively by 878.50 and 517.14 km2. The intensity of land use increases after a fall in the first place. 2) While controlling land reclamation and increasing the forest area, the project can remarkably improve the ecological level of regional land. Between 2000 and 2014, the safe, relatively safe and moderately safe areas in different slope levels have increased altogether by 1 088.6 km2. It can see an improvement and then a degradation in the ecological security of land in the study area, but it is still an improvement compared with that in 2000 when the project was not implemented. The ecological levels of land in the east, west and southwest of the areas have increased significantly, but in the middle basin of Mudanjiang River, the improvement is slow. It is recommended that during further implementation of the project, that area should be treated as one area which requires particular regulation and renovation.

land use; ecology; vegetation; the Grain for Green project; land eco-security

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.035

TP79; S157.2

A

1002-6819(2017)-18-0267-10

2017-04-27

2017-09-04

國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：41371484）

侯大偉，博士生，主要從事土地可持續(xù)利用及土地資源管理研究。Email：326052061@qq.com

孫 華，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事資源環(huán)境評價(jià)與規(guī)劃管理研究。Email：hsun@sina.com