霍林河流域中下游土地利用變化及生態安全響應

李 闖，劉吉平

（吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平136000）

生態安全是指生態系統的健康和完整情況，是人類在生產、生活和健康等方面不受生態破壞與環境污染等影響的保障程度，包括飲用水與食物安全、空氣質量與綠色環境等基本要素。國外對生態安全的研究始于20世紀70年代末，現已取得了不少成果，主要集中在生態安全定義的擴展、環境變化與安全的經驗性研究、環境變化與安全的綜合性研究及環境變化與安全內在關系研究等方面，除此之外，國內外部分學者還對生態安全的概念、特點和內涵等方面做了論述[1－4]，但是這些研究探討的多是在全球或是國家層面上的問題，而對地方或區域層面上的生態安全研究尚顯薄弱，對一些地方或區域特別的環境壓力與安全的關系有所忽略[5－6]。因此，開展區域生態安全評價研究具有十分重要的科學意義和實踐意義。而土地利用變化（LUCC）影響著能量交換、水分循環、土壤侵蝕與堆積、作物生產等陸地主要生態過程的結構和功能，最終造成生態系統的變化[7]。近幾年來已有學者開始探討LUCC的景觀生態效應，對土地利用類型的變化進行量化處理[8]，但是目前的研究還不夠深入，缺乏對區域土地利用變化生態安全響應的研究。

本文以GIS和RS技術為平臺，運用FRAGSTATS軟件，采用景觀生態學的空間格局分析方法，計算和分析不同土地利用類型的總體變化趨勢，在此基礎上分析霍林河流域中下游生態安全在時間、空間格局上的變化特征，以期為霍林河流域的生態整治、維護物種多樣性及促進生態環境、經濟與社會的協調發展提供重要的理論依據。

1 研究區概況

霍林河是松花江流域嫩江水系的一級支流，發源于內蒙古扎魯特旗德魯特勒罕山北麓，海拔1 439 m，全長約590km，流域總面積36 623km2，流域西部為大興安嶺南端東麓的低山丘陵區，向東過渡為松遼平原地帶。受新構造運動影響，上游山區持續抬升，中下游平原以沉降為主，形成隆狀沙丘與壟間洼地交錯相間排列的微地貌格局，從而發育了面積廣泛的沼澤和湖泊，有科爾沁、向海和查干湖濕地，其中向海濕地為國家重要濕地。氣候上屬北溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫4.6～5.6℃；年降水量一般低于400mm，遠小于蒸發量，水資源較為缺乏，一般年份霍林河為內陸無尾河。土壤類型主要有黑鈣土、淡黑鈣土、風沙土、鹽漬土、草甸土和沼澤土沙土。植被包括草甸植被、草原植被、沼澤植被、鹽生植被、堿生植被和沙地植被。選擇霍林河流域中下游沿岸地區作為研究區，地理坐標為44°02′—45°38′N，122°02′—124°43′E，在行政區劃上主要包括吉林省的通榆縣、乾安縣、洮南市、大安市、前郭縣和長嶺縣，面積23 090km2，約占全流域面積的63.04%。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源與處理

霍林河流域1970年土地利用現狀是以70年代出版的1∶10萬地形圖為基礎資料數據提取而來，首先在ArcGIS 9.2中對掃描地圖進行校正，再對其添加投影，之后對校正好的地圖進行數字化；2005年遙感數據集 Landsat7／ETM＋由美國 USGS（http：∥glovis.usgs.gov／）提供，空間分辨率為30m，統一采用西安1980坐標系統、Albers投影以及2005年霍林河流域行政區劃圖；氣象數據來源于中國氣象局氣象共享中心；社會經濟數據來源于2006年吉林省統計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類型劃分及轉移分析 土地利用／覆蓋變化是人類利用土地各種活動的綜合反映，其變化在很大程度上記錄了人與自然相互作用的過程[9]，以霍林河流域中下游各縣的1970年和2005年兩期土地利用數據為基礎，采用土地利用的一級與二級相結合，以耕地、林地、草地、河渠、湖泊、城鎮建設用地、農村居民點、沙地、鹽堿地和沼澤地10大類作為生態安全研究的類型。

土地利用結構的變化程度可以用轉移概率來描述，利用GIS的空間分析方法，在ArcGIS 9.2的支持下，對研究區兩期的土地利用圖執行tabulate area操作[10]，獲得1970—2005年的土地利用轉移矩陣，并在此基礎上建立土地利用轉移概率矩陣。為避免某些時段可能與其它時段有逆轉的現象，這里引入累計轉換率，本文采用總土地面積，而不用各個土地利用類型面積是為了使各土地利用類型之間在數量上更有可比性[11]。其計算公式如下：

式中：Pij——i類土地利用覆被類型向j類土地利用覆被類型的累計轉換率；i，j——研究區內土地利用覆被類型；Sij——某一時段i土地利用覆被類型向j土地利用覆被類型轉換的面積；n——時段；S總——研究區土地總面積。

2.2.2 土地利用綜合指數構建 土地利用結構及其變化是自然和人文等多種因素作用于一定區域生態環境體系的綜合反映，因此，對某區域景觀空間格局的研究是揭示該區域生態狀況的有效手段。景觀生態學注重空間異質性和空間格局的研究，提出了景觀多樣性指數及景觀均勻度、優勢度、分離度、生境破碎化指數等不同的定量指標，為景觀空間格局分析奠定了基礎[12]。國內一些學者在此基礎上，通過構建綜合性的土地利用指數，如干擾度指數、脆弱度指數、生態環境風險指數等[13－17]，本文引用該方法，利用以下評價指數對區域土地利用變化及生態安全進行研究。

首先，計算斑塊面積（CA）指數，然后，選取斑塊數（NP）、斑塊密度（PD）、面積加權平均分維數（FRAC—AM）和香農多樣性（SHDI）等指數，研究類型和景觀水平上各等級斑塊的空間格局，由于文章篇幅有限，相應類型級別上的指標不予給出，所有指數的計算均在Fragstats 3.3下完成。

（1）干擾度指數（Ei）。以破碎度、分離度和優勢度為基礎構建土地利用干擾度指數，其公式為：

式中：Ei——干擾度指數；Ci——破碎度；Si——分離度；Ki——優勢度；a，b，c——它們的權重，且a＋b＋c＝1。以上三個指標由于量綱不同，須進行歸一化處理，其計算過程見文獻[12]。權重反映了各指數對景觀所表征的生態環境不同的影響程度，借鑒前人的相關研究成果[12－13，17]并結合研究區的實際情況，本文對3個指數權重的賦值分別為0.3，0.2，0.5。

（2）脆弱度指數（Fi）。對研究區內各種土地利用類型的脆弱度采用專家咨詢法予以確定，其結果為人居地脆弱度最低，其次是濕地，而鹽堿地最為脆弱。分別對每種土地類型脆弱度進行賦值，鹽堿地10、沙地9、耕地8、草地7、林地6、河渠5、沼澤地4、湖泊3、城鎮用地2、農村居民點1，并由此進行歸一化后作為這種土地類型的脆弱度指數[14]，詳見表1。

表1 土地利用／覆蓋要素的脆弱性指數

（3）風險指數（Ri）。風險指數Ri表示在遭遇干擾或自然條件改變時，各土地利用／覆蓋類型所受到生態損失的差別，即其自然屬性損失的程度，是某一土地利用類型的干擾度指數和脆弱度指數（Fi）的綜合，用下式表示。

2.2.3 生態安全綜合指數測算 利用所建立的土地利用綜合指數，引入生態安全指數，將土地利用格局與區域生態環境狀況相聯系，把土地利用類型的空間結構變化轉化為生態安全的空間變量。

根據研究區內景觀斑塊的面積情況，確定網格的面積為100km2。利用10km×10km的正方形柵格對景觀穩定性指數進行空間化，采樣方式為等間距系統采樣法，共有樣區266個。計算每一樣區內各類土地利用類型的景觀穩定性指數，以此作為樣區中心點的生態安全水平。用于描述一個樣區內生態安全的相對大小，以便通過采樣方法將景觀空間結構轉化成空間化的生態環境變量[18]，其計算公式為：

3 結果與分析

式中：ESIk——第k小區生態安全指數；k——從1至266個采樣區；m——景觀類型的數量；AKi——第k個小區i類景觀類型的面積；AK——第k個小區的總面積。ESIk越大，表明該小區的生態安全程度越高，反之生態安全程度越低。

根據上述生態安全評價方法，對研究區1970年、2005年各土地利用類型的生態安全狀況進行評價，利用ArcGIS軟件的地統計分析功能，選用普通克呂格插值法將研究區各樣地生態安全數值分為5個級別，繪制土地利用生態安全空間分布圖。

3.1 土地利用結構變化分析

根據公式（1）計算出霍林河流域中下游土地利用轉換概率矩陣，由表2可知，各土地利用類型相互轉化較復雜，研究區生態系統既有正向演替又有逆向演替，如草地→林地、耕地→林地、耕地→草地、沙地→林地、鹽堿地→草地等轉化為生態系統的正向演替，而林地→草地、林地→耕地、草地→鹽堿地、耕地→鹽堿地等轉化為生態系統的逆向演替[13]。但隨著研究區人口的增長和經濟的發展以及過度放牧使草地大面積轉化為耕地和鹽堿化；同時，農村居民點和城鎮用地面積持續增加，其主要來源于耕地，其次為草地和林地的轉化，表明人類對研究區的自然生態系統干擾頻繁。

對霍林河流域中下游1970年和2005年的土地利用類型進行統計與分析，研究區在35a期間各土地利用類型的結構發生了變化。從表3可知，1970年耕地是研究區的主要類型，幾乎占全區的一半，其次是草地，占24.6%，而到2005年，耕地仍是研究區的主要土地利用類型，但鹽堿地達到23.36%，取代了草地的面積，土地鹽堿化較嚴重，耕地、草地、鹽堿地三者之和在兩個時期都達到全區的80%以上。35 a間，研究區各土地利用類型的面積呈現耕地、林地、湖泊、城鎮用地、農村居民點、鹽堿地增加，而草地、河渠、沙地、沼澤地減少的變化趨勢。林地是所有土地利用類型中年變化率最快的，其次是農村居民點增加顯著，主要由耕地轉化而來，而草地減少了近一半，主要轉化為耕地和鹽堿地，使鹽堿地增加了5個百分點，說明人類活動對生態環境具有較強的擾動。

表2 霍林河流域中下游1970－2005年各時段土地利用轉換概率矩陣 %

表3 霍林河流域各年土地利用類型面積及其變化

3.2 生態安全的動態變化

根據公式（2）—（4）計算霍林河流域中下游266個樣區的1970年和2005年的土地利用變化生態安全指數，并對生態安全指數進行克呂格插值，結果表明，35a間，土地利用結構變化導致生態安全指數的時空變化較強，生態安全程度總體呈下降趨勢，平均生態安全指數由1970年的0.707 6下降到2005年的0.681 8，且破碎化嚴重。較高的生態安全指數（ESI＞0.7）主要分布于該區域的西北部，向西南逐漸降低，并達到最低值；由于東南地區人口密度大，人類對自然環境的開發強度大，因此較低的生態安全指數（ESI＜0.5）分布于流域的東南部。西北部ESI相對較高，尤其是1970年，其ESI多大于0.8，大安市境內有的地方甚至達到了0.9以上，主要是因為當時該地區以草地為主，景觀穩定性強；到了2005年，由于不合理的灌溉、超強度的開發，加上氣候的影響，大面積草地轉化為鹽堿地；在生態安全總體下降的趨勢下也存在個別地方ESI升高的現象，通榆縣境內西北部的向海濕地自然保護區ESI已由1970年的0.7達到了0.8以上，說明一些人為的保護政策已經發揮了作用；另外南部和東部地區也有部分地方由于退耕還林、還草，其ESI由0.6達到了0.7以上，0.6以下的區域也逐漸變小；但東南角ESI變化較小，仍是最低區域。

3.3 生態安全動態變化的驅動力分析

分析其生態環境退化的主要原因可以從自然要素和人文要素兩方面進行。自然方面通過圖1可以看出，1970—2005年，研究區氣溫升高，而降水則整體呈現下降趨勢。表明35a來霍林河流域中下游地區經歷了一個干旱化過程（雖然僅利用氣溫和降水兩個因子來分析區域氣候的變化趨勢存在一定的不確定性，但仍能在一定程度上反映區域氣候變化的宏觀特征），加速了土地沙化和鹽堿化，從而對土地利用結構變化產生重大影響，同時35a間，該地區又經歷了嚴重的自然災害，這些因素對區域生態環境質量在大的自然地理背景上造成了一定的壓力，也就加大了生態安全退化的速度。

圖1 1970－2005年研究區氣溫與降水的變化趨勢

自然因素為生態安全的退化提供了內在原因，而人為因素則加速了這種變化，即人為影響疊加在自然因素之上，對生態環境的退化產生放大作用。一方面，干旱的氣候使生態環境退化日益嚴重，另一方面，強烈的人為活動是影響霍林河流域中下游生態安全指數降低和空間分布變化的主要原因。圖2是1970—2005年的人均收入和人口密度分布圖，從圖中可以看出，兩者呈正向增長，由于人口的增加，相應地對土地的需求加大，促使耕地、城鎮用地、農村居民點的比例在土地利用結構中的比例不斷擴大，這種不合理的土地開墾都大大的加速了土地生態安全的退化，加之改革開放之后，經濟增長迅速，從而對資源的需求量也大量增加，這在一定程度上對生態環境造成了干擾；另外，霍林河流域地處吉林省西部和內蒙古沙漠邊緣，其特殊的地理位置也對其生態安全退化有重要影響。因此，在自然和人為因素的綜合作用下，區域生態安全表現出下降趨勢。

圖2 1970－2005年研究區人均收入與人口密度的變化趨勢

4 結論與討論

本文以吉林省西部的霍林河流域中下游為研究區域，基于土地利用數據和GIS軟件的空間分析功能，以景觀生態學的空間格局分析方法，通過構建干擾度指數、脆弱度指數、風險指數等一系列指數計算和分析了不同土地利用類型的總體變化趨勢，結果表明，1970—2005年期間，該流域各土地利用類型呈不同的變化趨勢，研究區土地利用類型受人類活動擾動強；通過土地利用轉移分析，各土地利用類型相互轉化較復雜，其中耕地、林地、草地之間相互轉化較頻繁，表明研究區生態系統在外界因素的影響下既有正向演替又有逆向演替。

通過分析可以看出，在自然與人為因素雙重作用下，霍林河流域中下游地區由于土地利用結構變化而導致的生態安全指數在時空分布上差異性較強。另外，霍林河流域地處吉林省西部和內蒙古沙漠邊緣，其特殊的地理位置也對其生態安全退化有重要影響，因此在這35a期間，流域土地利用生態安全指數整體呈下降趨勢，并由西北向東南降低，達最小值0.5以下。

綜上所述，通過運用景觀生態學的空間格局分析方法對霍林河流域中下游地區的生態安全在時空特征上進行了分析，由于側重從自然因子進行分析，對其它地貌、地形、災害及人文因素沒有考慮，因此并不具有絕對性。但所用的分析方法和模型對分析區域土地利用變化和生態安全是可行的，許多學者已運用此方法進行了研究[13－19]。通過本文的分析，為霍林河流域的生態整治、維護物種多樣性及促進生態環境、經濟與社會的協調發展提供了重要的理論依據，從而避免由決策失誤而帶來的重大生態、經濟損失。

[1]肖篤寧，陳文波，郭福良.論生態安全的基本概念和研究內容[J].應用生態學報，2002，13（3）：354－358.

[2]Zhao Y Z，Zou X Y，Cheng H，et al.Assessing the ecological security of the Tibetan plateau：Methodology and a case study for Lhaze County[J].Journal of Environmental Management，2006，80：120－131.

[3]Yu K I.Security patterns and surface model in landscape planning[J].Landscape and Urban Plan，1996，36（5）：1－17.

[4]Jon B.Security and climate change[J].Global Enveronmental Change，2003，13：7－17.

[5]劉吉平，呂憲國，楊青，等.三江平原東北部濕地生態安全格局設計[J].生態學報，2009，29（3）：1083－1090.

[6]崔勝輝，洪華生，黃云鳳，等.生態安全研究進展[J].生態學報，2005，25（4）：861－868.

[7]王志強，張柏，于磊，等.吉林省西部土地利用／覆被變化與濕地生態安全響應[J].干旱區研究，2006，23（3）：419－426.

[8]岳書平，張樹文，閆業超，等.公主嶺市土地利用變化的生態效應研究[J].資源科學，2006，28（6）：161－166.

[9]何方，吳楠，李玲，等.淮河流域上游山丘區景觀格局動態變化研究[J].水土保持研究，2009，16（1）：33－38.

[10]盧曉寧，鄧偉，張樹清.近50a來霍林河流域下游沿岸濕地景觀格局演變[J].干旱區地理，2006，29（6）：829－837.

[11]李曉燕，張樹文.基于景觀結構的吉林西部生態安全動態分析[J].干旱區研究，2005，22（1）：57－620.

[12]李新琪，新疆艾比湖流域平原區景觀生態安全研究[D].上海：華東師范大學，2008：71－75.

[13]王娟，崔保山，姚華榮，等.縱向嶺谷區瀾滄江流域景觀生態安全時空分異特征[J].生態學報，2008，28（4）：1681－1690.

[14]李月臣.中國北方13省市區生態安全動態變化分析[J].地理研究，2008，27（5）：1150－1160.

[15]郭濼，薛達元，余世孝，等.泰山景觀生態安全動態分析與評價[J].山地學報，2008，26（3）：331－338.

[16]史培軍，宋常青，景貴飛.加強我國土地利用／覆蓋變化及其對生態環境安全影響的研究[J].地球科學進展，2002，17（2）：161－168.

[17]陳鵬，潘曉玲.干旱區內陸河流域區域景觀生態風險分析[J].生態學雜志，2003，22（4）：116－120.

[18]萬利，陳佑啟，譚靖，等.北京郊區生態安全動態評價與分析[J].地理科學進展，2009，28（2）：238－244.

[19]白淑英，張樹文，張養貞.農牧交錯區50a來耕地開發過程及其驅動因素分析：以大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣為例[J].資源科學，2005，27（2）：71－76.