基于綜合模糊評價的三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險評價

張曉媛，周啟剛，張建軍

（重慶工商大學 旅游與國土資源學院，重慶400067）

研究土地利用變化及其對土地生態環境產生的風險，對于了解生態環境和合理利用土地資源，恢復和治理生態環境具有極其重要的現實意義，也能為制定生態安全條件下的土地利用規劃提供科學依據［1－3］。當前國內生態風險研究主要集中在水環境化學風險、區域災害以及景觀生態風險方面［4］。土地利用變化的生態效應研究還比較薄弱，特別是綜合生態效應的研究更為少見［5］。目前，國內外風險評價研究主要把定性和定量相結合，創立了許多風險評價方法，主要有：主成分分析法、灰色關聯法、層次分析法、模糊綜合評價法等［6］。模糊綜合評價法是層次分析法和模糊理論相結合的一種評價方法，對于多因子、多層次的生態風險評價具有很好的適用性。

三峽庫區屏障帶重慶段由于受三峽庫區水位變化的影響，呈現不穩定的特征，屬于典型而特殊的生態環境脆弱帶［7－11］。在這一生態脆弱帶，人類活動（特別是人類對土地的利用方式）會對本身極為脆弱的生態環境帶來巨大的影響，甚至會帶來災難性的后果［12－13］?；谝陨显?，本文以2007年、2010年兩期遙感影像、社會經濟統計數據和環境監測數據為基礎數據源，采用PSR模型構建風險源、風險受體和風險響應評價指標體系，利用綜合模糊評價法建立評價模型，對三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險進行綜合評價，以期為三峽庫區土地利用及生態保護提供參考。

1 研究區概況

三峽庫區位于長江上游末端，東起巫山縣、西至江津市、南起武隆縣、北至開縣。三峽庫區重慶段面積占整個三峽庫區總面積的85．6%，其行政范圍包括重慶市22個區、縣（自治縣）。庫區（重慶段）內水系發達，屬亞熱帶季風氣候，年降水量1 000～1 800 mm，分布均勻。三峽庫區屏障帶是全國乃至全世界最大的庫區屏障帶，具有典型性以及特殊性，其土地利用生態風險評價研究具有理論意義和實踐價值。屏障帶重慶段區域經濟發展相對落后，經濟發展與水庫保護產生了巨大的矛盾。屏障區經濟發展滯后、水土流失、地質災害、環境污染等問題已引起全國乃至全世界的關注。

2 數據源與研究方法

2．1 數據源與預處理

本研究主要采用2007年和2010年兩期Landsat TM遙感影像數據。兩期影像數據均采用Albers投影，中央經線為東經105°，雙標準緯線分別采用北緯25°和47°。收集三峽庫區重慶段1∶5萬DEM數據，以及2007和2010年相關社會經濟數據和資源環境監測數據。

本研究采用Erdas 8．7圖像處理軟件，經假彩色合成、增強，參照地形圖對影像進行幾何糾正、配準，使數據的空間位置偏差控制在0．5個像元以內。相關社會經濟環境數據預處理主要包括數據的標準化和空間化。

2．2 土地利用遙感圖像解譯

本研究中選用Landsat TM 4、3、2波段組合成假彩色遙感影像，結合三峽庫區屏障帶重慶段的實際情況，采用目視解譯與計算機分類相結合的方法，獲取2007年和2010年三峽庫區內土地利用現狀數據。根據中國科學院“八五”期間“國家資源環境遙感宏觀調查”的土地利用分類體系，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地6個地類。

2．3 三峽庫區重慶段屏障帶范圍提取

本研究所指的三峽庫區屏障帶是指受三峽庫區修建、蓄水影響最大，同時也極易影響三峽庫區生態安全的區域。庫區屏障帶劃分采用1∶5萬DEM提取175水位線和第一層山脊線，再利用村組界線進行封閉，形成三峽庫區重慶段屏障帶范圍。

2．4 土地利用生態風險評價指標選取方法

基于PSR模型，從生態“壓力—狀態—響應”3個方面選擇評價指標，構建評價指標體系。壓力指標反映人類活動給環境造成的負荷；狀態指標表征環境質量、自然資源與生態系統的狀況；響應指標表征人類面臨環境問題所采取的對策與措施。從PSR概念模型出發，遵循科學性、完備性、針對性、可比性和可操作性的原則著眼于對三峽庫區生態風險的影響以及與目前各種評價方法的適應性，建立指標體系。

2．5 土地利用生態風險評價方法

利用層次分析法確定土地利用生態風險各評價指標的權重，然后運用模糊數學的理論構建評判矩陣，最后通過運算得出土地利用生態風險等級，具體為：

（1）層次分析法確定權重。采用專家評判的方法獲得各評價指標兩兩比較的矩陣B，通過求解判斷矩陣的最大特征根λmax和特征向量G，得出各指標值的權重。

（2）隸屬度判斷。隸屬度函數是模糊控制的應用基礎，能否正確地構造隸屬度函數是用好模糊控制的關鍵之一。綜合考慮土地利用生態風險評價的各因素，將評價集定義為：

評價指標在評判集上的隸屬度計算公式為：

（3）模糊綜合評價。在進行模糊綜合評判時，應從評價指標的最底層開始，分別對生態風險壓力、生態風險狀態、生態風險響應下的各個指標進行相對于評判集的隸屬度的評判，得到模糊評判向量Bij，從而構成上一級的單因素評判矩陣。然后采用“加權平均型”模糊算子進行模糊運算。即：

式中：bj——綜合模糊評判集；am——指標權重矩陣；rmn——指標的隸屬度矩陣。bj的含義為：綜合考慮所有因素的影響時，評判對象對評判集中第j個元素的隸屬度。

最后對獲得的模糊向量，采用加權平均原則對模糊評判結果進行處理，具體為：用1，2，3，4，5分別代表評判集中的低風險、較低風險、中度風險、較高風險、高風險，則：

3 三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險評價

3．1 評價單元劃分

由于本次研究范圍較大，基于評價單元內部土地利用具有相對均一性、單元間具有可比性的原則，采用縣級行政區作為土地利用生態風險評價的基本單元；同時考慮重慶市主城區內（主城九區）土地利用與社會經濟環境有較高的一致性，將重慶市主城區合并為一個評價單元?；谝陨蟿澐址椒ǎ瑢⑷龒{庫區重慶段劃分為14個評價單元。

3．2 土地利用生態風險評價指標體系構建

根據三峽庫區土地利用方式的種類，結合區域地形地貌特征，以及區域經濟社會狀況和具體土地利用條件，確定由三峽庫區重慶段土地利用產生的生態風險壓力指標有5類：農用地比例、工業污染物排放強度、農田面源污染強度、路網密度和建設用地比例；生態風險的狀態指標為斑塊密度、形狀指數、周長面積分維數、多樣性指數；風險響應指標以綜合結構指數、人口密度、地表植被覆蓋度以及耕地墾殖指數為主要指標（表1）。

表1 土地利用生態風險評價指標體系

3．3 評價指標權重確定

通過AHP構建判斷矩陣，利用matlab軟件計算矩陣的最大特征值及特征向量，得到各指標值以及生態風險壓力、生態風險狀態和生態風險響應的權重（表2）。

表2 三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險評價指標及其權重

從表2可以看出，壓力、狀態和響應各指標對土地利用風險的影響存在明顯差異。在生態壓力中工業面源污染的貢獻最大，農業面源污染次之，而農用地比例與生態壓力相關性最小，且對生態壓力起負效應；生態狀態各指標的權重從大到小依次為：多樣性指數、周長面積分維數、形狀指數、斑塊密度；生態壓力各指標中地表植被覆蓋度貢獻率較高，綜合結構指數和人口密度權重相當，耕地墾殖指數的相關性最小。生態壓力、生態狀態、生態響應3個子系統在整個評價單元土地利用生態風險中的相對權重，也揭示了它們之間的相對重要性關系，其中生態壓力權重值為0．375，這是由于區域所面臨的風險壓力是生態風險的來源，對生態風險的影響大；生態響應權重與生態壓力相同，區域面臨風險壓力時所反映出的風險大小是生態風險的直觀表征；生態狀態與生態風險的影響最較小，權重為0．25。

3．4 評價結果

根據公式（3—4），在ArcGIS軟件支持下，計算得到評價單元生態壓力、生態狀態、生態狀態以及綜合生態風險評判結果，見表3。

表3 三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險評價值

根據綜合風險值的最大值和最小值在ArcMAP中采用四舍五入法將評價結果進行分級，將其分為高風險區、較高風險區、中等風險區、較低風險區、低風險區共5個等級，結果見表4。

表4 三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險等級

4 結果與分析

4．1 土地利用生態風險時間變化特征

4．1．1 生態風險值時間變化特征 三峽庫區屏障帶重慶段土地利用風險值總體有明顯增大趨勢。2007年，庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險平均值為2．84，2010年為2．99，比2007年增加了0．15，增加比例為5．5%，年增幅為1．8%。可以看出，三峽庫區重慶段屏障帶土地利用生態環境總體以一定的速度與規模惡化，長期發展的結果堪憂。

三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險值呈兩頭小、中間大的梭行分布。2007年，其生態風險最大值為4．53，最小值為1．16，主要集中在2．5～3．5之間；其中風險值在1～2．5之間的有4個區縣，包括江津、長壽、武隆及重慶主城九區，占總體評價單元的28．57%；風險值在2．5～3．5之間的有8個區縣，占評價單元總數的57．1%；風險值大于3．5只有巫溪和巫山，只占評價單元總數的14．29%。2010年，其生態風險分布在1．22～4．67之間；其中，風險值小于2．5的有5個評價單元，包括長壽、江津、石柱、武隆以及重慶主城九區；風險值在2．5～3．5之間的有5個評價單元；風險值大于3．5的區縣有4個，包括奉節、巫溪、巫山及云陽。

三峽庫區屏障帶重慶段各評價單元的生態風險值時間變化差異明顯。2007—2010年，奉節、巫溪、云陽及忠縣4個評價單元明顯增加；奉節因其土地利用綜合結構指數的大幅增加導致其生態風險變化明顯，因此防治生態風險應從土地利用結構抓起；路網密度以及工業污染的增加對巫溪生態風險的增加起主要作用；云陽土地利用生態風險值的增加因其農業面源污染、路網密度以及土地利用綜合結構指數多項因素的增加，生態風險的治理應從多方面進行綜合管制；長壽生態風險值增加的主導因素是工業污染的增加，大型重工業的遷入使得其工業污染大量增加。石柱、巫山的土地利用生態風險值顯著降低，石柱工業污染的大幅降低，而對生態風險呈負相關的農用地比例以及植被覆蓋指數的增加導致其土地利用生態風險顯著降低；巫山由于高速公路的修建導致路網密度增加，但其植被覆蓋指數也顯著增加，使得其生態風險值不增反減，且變化明顯。其余評價單元存在變化，但不明顯（圖1）。

圖1 2007－2010年三峽庫區屏障帶重慶段綜合生態風險值

4．1．2 生態風險等級時間變化特征 從風險等級來看，三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險以中度風險為主，2007年中度風險的評價單元有8個，低風險和較低風險包括長壽、江津、武隆以及主城九區4個評價單元，而僅有巫溪和巫山兩個區縣屬于高風險及較高風險；2010年豐都、涪陵、開縣、萬州、忠縣5個區縣的屏障帶屬于中度風險等級，其中除開縣、忠縣外，其他3個區縣皆為長江橫穿區域，屏障帶面積較大；較高風險與較低風險生態風險的區縣個數相差為1，較高風險區域包括奉節、巫山、云陽3個縣，而長壽、石柱、武隆、主城九區則表現出較低的生態風險；而巫溪縣內的屏障帶呈現高風險。風險大小在外界其他因素一定的情況下，取決于人類活動的范圍及力度，在一定強度的開發活動下，范圍越大，風險越大；在某一范圍內，開發強度越大，風險越大。

三峽庫區屏障帶重慶段的土地利用生態風險等級的轉化存在一定規律。由表4可以看出，豐都、涪陵、開縣、萬州、武隆、忠縣以及主城九區的土地利用生態風險等級未發生改變；長壽、奉節、江津、巫溪、云陽的風險等級升高；僅有石柱以及巫山兩個評價單元的生態風險等級降低，說明三峽庫區屏障帶重慶段的土地利用生態風險由2007年到2010年存在一定的惡化，急需治理。其中長壽由低風險轉為較低風險，奉節由中度風險轉為高風險，江津由低風險轉為較低風險，巫山則由高風險轉化較高風險，由此可得，三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險等級的轉化都在相鄰兩個風險級之間，未發生跨級轉換。

4．2 三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險空間變化特征分析

根據2007及2010年三峽庫區屏障帶重慶段的土地利用生態風險等級分布情況，制作三峽庫區屏障帶重慶段2007及2010年土地利用生態風險等級分布圖（圖2—3）。

圖2 2007年三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險等級

圖3 2010年三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險等級

由圖2與圖3可直觀看出，2007年三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險東北高，西南低。位于重慶東北的巫山表現出高風險，因為該區域的經濟相對落后，人地矛盾突出，對土地的利用強度較高；處于三峽庫區中段的奉節、云陽、萬州、開縣、忠縣、豐都、石柱等表現出中度風險，該區域距離重慶1小時經濟圈相對較遠，經濟發展受核心經濟圈影響小，發展相對較慢，對土地利用強度較弱；西南區域包括長壽、武隆及主城九區屬于較低風險或低風險，此區域為重慶經濟發展最快的區域，土地利用的集約度高，粗放型浪費較少，從而生態風險較低；而最西南部的江津則隸屬于低風險。2010年三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險分布規律與2007年相似，都表現為由東北向西南逐步降低，高風險與較高風險區域仍位于重慶東北部，具體包括巫山、巫溪、奉節以及云陽；而萬州、開縣、忠縣、豐都、涪陵仍為中度風險；長壽、江津、石柱、武隆及主城九區屬于較低風險，無低風險區。

2007—200年，從空間動態來看，三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險空間分布規律未發生較大改變。高風險與較高風險區域擴大，將奉節與云陽也涵蓋在內；由于江津與長壽的生態風險增加，低風險區域消失。

5 結 論

采用三峽庫區2007年、2010年遙感數據、社會經濟數據以及環境監測數據，基于PSR模型構建評價指標體系，利用綜合模糊評判法對三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險進行評價。得出如下結論：

（1）基于PSR模型構建評價指標體系，利用層次分析法確定評價指標權重，采用綜合模糊評判法對三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險進行評價是可行的。

（2）三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險時間變化特征為：土地利用生態風險等級的轉化都在相鄰兩個風險級之間進行，未發生跨級轉換。其中長壽、奉節、江津、巫溪、云陽的風險等級升高；僅有石柱以及巫山兩個評價單元的生態風險等級降低。土地利用生態風險由2007年到2010年存在一定的惡化。

（3）三峽庫區屏障帶重慶段土地利用生態風險空間特征為東北高，西南低，由東北向西南逐漸降低。2007—2010年，空間分布規律未發生較大改變。高風險與較高風險區域擴大，將奉節與云陽也涵蓋在內；由于江津與長壽的生態風險增加，低風險區域消失。

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