基于LUCC的生態型城市土地生態敏感性評價

劉焱序，李春越，任志遠，，文 雯

（1.陜西師范大學 旅游與環境學院，西安710062；2.陜西師范大學 西北國土資源研究中心，西安710062；3.陜西省城鄉規劃設計研究院，西安710032）

自1995年國際地圈—生物圈計劃（IGBP）和人文領域計劃（IHDP）聯合發表了《土地利用／土地覆被變化（LUCC）科學研究計劃》以來，國內外學者基于LUCC進行了時空變化、驅動機制、生態環境效應等一系列研究。在生態環境效應研究方面，敏感性評價是分析區域生態環境穩定性的主要方法之一[1]，是生態安全區劃的重要組成部分。土地生態敏感性評價通過調整土地開發和保護的結構布局，可以有效地促進土地資源的可持續利用。然而，目前的土地生態敏感性分析多基于靜態的土地格局，結合LUCC的研究較少，不能反應敏感性分區與土地覆被動態變化的關系。同時，目前的研究方法在指標選取中多基于層次分析法、專家打分法、德爾菲法等，對連續變量的處理和最終級別的劃分依據尚有改進的空間。將LUCC研究方法應用于土地生態敏感性評價，可將不同的敏感性格局與土地利用變化程度相結合，從時間角度對比分析生態保護的空間布局。

位于秦巴山區的商洛市植被茂密，生態服務功能顯著[2]，近年來，由于保障南水北調中線工程水源與建設生態旅游城市需要，當地政府政策不斷向生態保護方向傾斜。本文利用研究區1990年、2000年、2009年3期遙感影像，基于LUCC相關理論，對研究區土地利用現狀進行分析，并結合DEM和有關圖鑒，對研究區進行土地生態敏感性評價并分區。基于各敏感區土地利用動態統計，可分析研究區生態保護在時間上的持續性和空間上的合理性，從而為生態型城市的建設布局模式提供建議。

1 數據準備

1.1 研究區概況

秦嶺山區位于我國中部，是我國南北地理與氣候分界線，植被茂密，生態服務功能顯著。商洛市地處陜西省東南部秦嶺山中，總面積19 293km2，2010年總人口244萬人，內設商州區、洛南縣、丹鳳縣、商南縣、山陽縣、鎮安縣、柞水縣六縣一區。商洛市總體地勢西北高，東南低，高山少，低山和川原丘陵較多。最高點位于秦嶺主脊牛背梁，海拔2 802.1m；最低點位于商南縣丹江谷地，海拔216.4m。年均溫7.8～14.0℃，年較差23～25℃，年降水量706.1～844.6 mm，主要集中于4—10月，年太陽總輻射量501.6～1 518.3kJ／cm2，年均日照時間1 874～2 123h，可以滿足植物旺盛生長的需要。作為陜西省重點生態保護區和南水北調重要水源涵養基地，研究區大部分地區屬于限制開發區，經濟條件較差，生態基礎較好，環境保護與生態建設意義重大。

1.2 數據來源

本研究選用商洛地區1990年Landsat－5TM，2000年與2009年Landsat－7ETM＋3期影像，每期4景，圖像拍攝時間在4月至9月，來源于中科院數據應用環境中心。2009年ETM＋影像已由該中心進行條帶修復，可基本消除2003年后傳感器損壞的影響。同時選用該中心提供的30m分辨率DEM數據。降水數據取自1980—2000年陜西省96個氣象站點月平均數據，并統計20a間降水月數據平均值。土壤侵蝕程度來源于《商洛地區地理志》中的土壤分布圖，并對照南京土壤所中國土壤數據庫對各土類的疏松或黏化程度描述進行分類。地質災害發生率與生態保護區或水源涵養地空間位置來源于《商洛市地質災害防治規劃》和《商洛市土地利用總體規劃（2006—2020年）》中的紙質圖集。

1.3 數據處理

通過監督分類與人機交互結合的方法將研究區土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地、未利用地6大類，隨機抽樣500個柵格點進行檢驗，總體解譯精度均大于85%。拼接30m分辨率DEM數據生成坡度圖。土壤分布類型共10類，侵蝕從弱到強依次為褐土、棕壤、黃棕壤。資料中地質災害發生率的分區同時考慮了災害發生次數和造成的損失量，可直接使用。將地質災害發生率、生態保護區與水源涵養地、土壤分布類型3個圖集掃描并矢量化。依據先前的土地類型解譯結果進行投影的配準以保證精度。降水數據采用普通克里金法進行插值，并使用商洛市矢量邊界裁切后將結果轉化為30m分辨率柵格圖像。最終將所有圖像轉為Albers投影，中央經線設為33°E，兩條中央緯線分別設為33°N與34°N，以保持投影的一致性和美觀性。

2 土地利用與覆被變化分析

基于遙感影像得出19a間研究區土地利用面積變化情況：1990—2009年研究區耕地面積不斷減少；林地與建筑用地面積有所增加，建筑用地面積增幅超過一半；水域與草地面積呈現波動但總體上減少；未利用地大幅減少。同時，各地類在不同時段變化幅度差異很大。耕地在1990—2000年僅減少3%左右，而在2000年后減少超過20%。這主要是由于1999年后陜西省實施退耕還林政策導致坡耕地面積減少，但也有部分是由于糧食作物收益低導致農戶轉而經營果園。建設用地在前10a和后9a增長幅度分別超過20%與24%，說明近年來城市擴展迅速。林地增幅分別達3.4%和6.24%，且林地基數較大，可知研究區林業規模明顯擴大。通過1990年與2009年解譯圖像疊置分析得出，耕地轉出為林地的面積占總轉移面積的43.97%。由于總轉移面積包括轉入面積與轉出面積且兩者相等，即可得耕地向林地與園地轉移面積占土地變化面積的87.94%。僅通過地類數量的變化難以對人類活動的效應進行度量，因此有必要對研究區土地集約程度進行分析。根據劉紀遠等提出的土地利用程度綜合分析方法，可將土地利用程度分級指數表（表1）代入土地利用程度綜合指數模型和土地利用程度變化模型中，得出研究區土地利用程度及變化[3－4]。其土地利用程度的指數越高，則人類對土地利用的集約性越強。土地利用程度綜合指數和變化模型如下：

式中：Lj——研究區土地利用程度綜合指數；Ai——研究區第i級土地利用程度分級指數；Ci——研究區第i級利用類型面積百分比；n——分級數。Lb，La——b時間和a時間的區域土地利用程度綜合指數；Cib，Cia——b時間和a時間的第i級利用類型面積百分比。如ΔLb－a＞0，或Rj＞0，則研究區土地利用處于發展期，否則處于調整期或衰退期。

根據公式計算出研究區各區縣土地利用綜合指數（表2），研究區土地利用程度變化率小于0，說明商洛市研究區發現土地利用總體處于調整期或衰退期。其中洛南縣土地利用程度變化率大于0，表明該縣仍處于發展期；鎮安縣土地利用變化率最小，表示其衰退最快或調整幅度最大。在全國土地利用總體處于發展期的大背景下，研究區土地利用程度卻出現降低現象是由研究區19a來尤其是近9a來耕地面積大幅減少、林地面積顯著增加引起的。盡管建筑用地面積有所增大，但林地面積增大有絕對數量上的優勢，說明退耕還林還草等政策或農民自發經營果園起到了明顯的作用。

表1 土地利用程度分級

3 土地生態敏感性評價

3.1 評價指標

敏感性評價應明確研究區內可能發生的主要生態環境問題類型及可能性，內容包括沙漠化敏感性、鹽漬化敏感性、凍融侵蝕敏感性、水土流失敏感性、酸雨敏感性、石漠化敏感性等[5]。商洛市地處秦嶺，植被茂密，不存在沙漠化鹽漬化問題。但研究區地勢高、坡度大，降水量充沛，導致水土流失情況較嚴重，滑坡泥石流等地質災害時有發生。同時，商洛市處于南水北調中線工程項目區，水源涵養與生態保護在研究區內有重要意義。因此，本文選用年降水量、海拔高度、坡度分級、土地利用方式、水土流失強度、地質災害情況、生態保護區及水源涵養地建設等因素作為評價因子[6－15]（表3）。

表2 商洛市1990－2009年土地利用程度變化量與變化率

表3 研究區單因素生態環境敏感性分級標準

（1）水土敏感性指標。研究區年均降水量為700～1 000mm，由于研究區降水變化率大，干旱與雨澇災害交替，對生態環境產生了一定的負面影響，因此劃分為輕、中、高3個等級。土地利用方式尤其是耕地布局與坡度關系密切。通過解譯圖像疊置坡度圖，可以清晰分辯出研究區土地覆被的合理性。根據土壤侵蝕模數將土壤侵蝕程度分為5級，中度以上土壤侵蝕面積占研究區總面積的80%以上。

（2）災害敏感性指標。由于降水及地形坡度等原因，研究區滑坡、泥石流等地質災害頻繁發生。根據地質災害發生率將其分為4級，中度以上地質災害易發區占研究區總面積的50%以上。

（3）生境敏感性指標。研究區動植物種類繁多，垂直差異性明顯。海拔720m以下為川道區，720～1 100m為淺山丘陵區，2 250m是秦嶺南北坡樺林與衫林的平均分界帶。根據《陜西省秦嶺生態環境保護條例》，海拔1 500～2 600m的中山針闊葉混交林生態功能區為限制開發區。

3.2 基于指標分類的敏感性評價

將不敏感到極度敏感5級指標分別用1，2，3，4，5表示，根據專家打分，并結合經驗與當地實際情況，水土敏感性中降水、坡度、覆被與土壤侵蝕分別賦權重0.2，0.15，0.15，0.5，災害敏感性中降水、坡度、災害發生率分別賦權重0.15，0.15，0.7，生境敏感性中海拔高度與保護區分別賦權重0.2，0.8。最終將圖鑒及數據統一轉換為30m分辨率的grid格式，帶入公式進行疊加運算：

式中：P——生態敏感性評價值；Ai——指標貢獻值；Wi——各因素權重。

疊加結果（表4）顯示：水土敏感性P值范圍在1.2～4.15，其中近90%的區域位于2～4之間；災害敏感性P值范圍在1.3～4.85，其中42%區域P值達4以上；生境敏感性P值范圍在1～5均有分布。將3個指標疊加后除以3即可得綜合敏感性分區圖（圖1）。基于得出的P值在1.45～4.17之間，本文將研究區劃標分準為低敏感區1.45～2，中敏感區2～3，高敏感區3～4.17。

表4 研究區敏感性分級

圖1 研究區敏感性分級

計算縣域綜合敏感性可知：中敏感區面積占全市的比例較大，各縣均超過60%；柞水縣低敏感區比例最高，占縣域面積的26%；山陽縣與鎮安縣高敏感區相對較大，分別占縣域面積的19.7%和18.7% 。其中商南新開嶺自然保護區與洛南大鯢自然保護區的存在使得商南縣和洛南縣具有較高的生境敏感性；鎮安縣與山陽縣高敏感區水土敏感性與災害敏感性等級較高，滑坡泥石流并由此引發的水土流失可能是該區的主要問題；商州區高敏感區西段是由于二龍山水庫保護區生境敏感性高，東段環境屬于地質災害與水土流失均相對較重的區域。

3.3 基于不確定性的敏感性評價

在指標分類中，對連續變量進行人工分級，如降水量799mm和801mm分屬兩個不同級別，而801 mm與899mm卻屬于同一級別，顯然有悖于其實際功效。因此，基于連續變量出現的不確定性，將敏感性指標中連續部分采用灰色系統法[16]對變量間灰色關聯度予以計算。其原理為選擇第k個因子的最優指標集C＊（k）作為參考數列，評價C（k）與最優集的關聯度，公式如下：

式中：ξi（k）——第i個單元內第k個評價因子與最優值關聯度；C（k）——單元屬性；σ——分辨系數，一般取0.5。本研究單元為像元大小，參考數列為最敏感對應的像元，關聯度越高說明越敏感，結果在[0，1]區間內。將其他敏感性因子也標準化至[0，1]區間，則敏感度范圍由[1，5]調整至[0，1]。

大尺度的生態安全等級有相對統一的劃分標準，而市域生態敏感性計算則較為靈活，重在突出內部空間差異性。人為進行打分判定往往會使較多變量集中在某區間，從而使大部分區域處于某一個或兩個等級內。為擴大不同像元的差異性，本研究使用客觀的變異系數作為權重，以獲得良好的區分度[17－18]。其公式為：

式中：w——評價因子權重；v——變異系數；S——標準差。w取值在（0，1）之間。

為排除某些極值點，以鄉為格網單元，在Arc－MAP下進行區域統計，并計算統計結果的變異系數。得出水土敏感性中降水、坡度、覆被與土壤侵蝕分別賦權重0.21，0.07，0.17，0.55，災害敏感性中降水、坡度、災害發生率分別賦權重0.28，0.09，0.63，生境敏感性中保護區與海拔高度分別賦權重0.98和0.02。綜合敏感性仍為3指標疊加后除以3，所得敏感性在（0.1～0.78）區間內。依據使數量分布較均勻的幾何分級法，選擇0.2和0.4為斷裂點，得出改進的綜合敏感性分區圖（圖2）。相比基于指標分類的敏感性評價方法，基于不確定性的評價方法顯然具有更強的科學依據，可信度更高。由于所獲得的30m分辨率圖像離散孤點更少，敏感區相對更集中，因此更便于進行市域環境保護與生態建設的區劃。

圖2 改進的研究區敏感性分級

4 生態敏感區LUCC響應

基于土地利用度級別為1～4，將2009年與1990年土地利用度逐像元相減，可得－3～3之間共7個等級的土地利用度變化。與改進的綜合敏感性分區圖套合，土地利用度為0表示未改變，不予統計，其他可依次表示為退化和進化的高中低3等共6個級別（表5）。

表5 敏感區土地利用度變化 %

土地利用度變化以低度進化和低度退化為主，中度進化也占少量比例；高度進化與高度退化絕對數量很低，相差不明顯。由此可知，雖然研究區土地集約程度整體降低，但升降幅度區域差異很大。低度退化即土地利用程度下降一級，主要體現了耕地向林地轉化。低度進化即土地利用程度升高一級，包含未利用地造林植草、城市擴展占用耕地、草地水域被開墾為耕地等多種可能性。中度進化即19a間土地利用程度連升兩級，包含未利用地轉變為耕地，林地／草地／水域轉變為居民點／工礦用地兩種情況，表明研究區近年來耕地復墾和采礦業發展取得了一定實效。

通過生態敏感性分區統計可清晰反映土地利用度變化的空間差異。高敏感區的低度退化比率最低而中度進化比率最高，說明土地集約性下降最慢的區域為高敏感區域，而中、低敏感區集約性下降相對較快。鑒于土地集約性越高意味著人類活動越強，中度進化的比例表明研究區土地敏感性越高的區域人類活動強度降低度越慢。由于人類對土地的集約利用本身存在累積效應，其集約性越高，降低其利用度的成本也就越大。這也解釋了低度退化占有70%以上的比例而中度退化比例不足1%的原因。由于敏感性值往往與人類活動關系密切，基于上述人類活動越強地區生態修復成本越高的規律，生態恢復側重于中、低敏感區顯然機會成本更小。然而，在生態敏感性較低區域進行生態環境建設，其生態安全效應顯然低于對高敏感區進行生態修復。因此，該側重方式從生態安全角度考慮并不盡合理。雖然研究區生態恢復效果顯著，但其生態建設的布局模式仍值得討論。

5 結論與討論

本研究通過土地利用與覆被變化相關模型與生態敏感性分區相結合，選取水土、災害、生境為評價要素，得出研究區各區縣土地利用程度與土地生態敏感性的對比關系。結果表明：（1）研究區土地利用程度有退化趨勢，大量耕地向林地與園地轉移，生態環境不斷改善，說明近年來研究區生態城市的建設工作取得了一定成效。（2）進一步對土地生態敏感性進行評價，發現研究區土地生態安全問題依然突出存在，高敏感區面積有限但存在較嚴重的水土流失、地質災害或生態保護壓力。（3）使用灰色模型降低評價因子的不確定性，并使用變異系數擴大權重內部差異，得出改進的生態敏感性分級，可增大敏感性評價的區分度。（4）研究區生態恢復更側重于中低敏感性區域，而對高敏感性區域可能出于經濟成本的考慮，生態恢復力度相對較低。

目前，在國家、省市、縣鄉等尺度上的生態敏感性評價尚無相對統一的評價指標體系，因此需要針對具體研究區域選取合理的指標進行評價。在評價過程中發現，研究區內降雨、坡度、地質災害、土壤結構等指標年際變化不大，因此改變地表土地覆被類型，降低其土地利用程度，是未來一定時間內提高生態安全度的最有效途徑。然而，在不同區域降低土地利用程度產生的生態效益差別明顯。低敏感性區域本身覆被條件較好、坡度較緩、土壤侵蝕較少，其生態安全的提升空間有限；而高敏感性區域生態環境脆弱或生態保護意義重大，應作為重點生態建設區域。然而在區域生態建設過程中，往往生態敏感性越高其生態恢復的經濟成本越大，導致在具體布局中側重數量上的提升而忽視質量上的提高，對生態安全的提升作用有限。隨著生態環境建設在全國的逐步開展，以造林植草的數量作為成果衡量標準難以體現生態建設在水土保持、水源涵養、防風固沙等方面取得的實際功效。健康的生態發展模式應為低敏感區以保護為主，而高敏感區重視建設，從而進一步提高區域生態安全，改善人居環境。同時，對于土地生態高敏感性區域中生態安全程度不易提高的部分區域，進行合理的生態移民也是切實有效的措施。

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