松嫩平原土地利用生態安全評價與預測

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境遙感監測重點實驗室，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，生態安全問題已成為國內外研究的熱點［1－3］。土地利用生態安全（land use ecological security，LUES）是生態安全的重要組成部分。土地利用生態安全評價，是指針對土地利用的宏觀結構調整與布局對環境與生態的可能影響做出的預測性評估，它對于避免規劃造成的環境影響和維護區域生態安全有著重要意義［4］。國內一些學者［4－11］利用不同的方法對我國不同區域的土地利用生態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—響應（PSR）模型框架下構建了福建、蘭州、濟寧等地區的土地利用生態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安全的物元判別模型，并以西藏和寧夏地區南部彭陽縣為例進行說明；鮑艷［10］、羅貞禮［11］等則是對影響生態安全的主要指標進行聚類分析得到阜新市、湖南省各分區的土地利用生態安全分類情況，從而得到研究區生態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，松嫩平原開發和建設速度加快，成為我國重要的重工業基地、糧食生產和能源基地。然而，人類活動對自然環境的干擾強度日益增大，大面積開荒、墾建脫節、重用輕養、超載過牧、環境污染等均導致了生態環境的惡化［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域生態系統服務價值的影響進行了研究，但對松嫩平原土地利用生態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 空間動態變化、轉移矩陣分析模型 空間信息分析模型，測算動態變化速度和強烈程度。具體公式為：

式中：TRLi——第i種生態安全等級類型在研究時期的轉移速率；IRLi——第i種生態安全等級類型的新增速率；CCLi——第i種生態安全等級類型的變化速率；n——區域內生態安全等級的類別數，i∈（1，n）；LAi，t1，LAi，t2——第i類生態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——生態安全等級數；i，j——研究初期與研究末期的生態安全等級。

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、鄉村居民點、城鎮。以2010年土地利用（附圖7）、鄉村居民點、鹽堿地為例。

2.2 土地利用生態安全風險指標體系的建立

決定土地利用生態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，確定生態安全評價指標10個并進行分級，根據因子對生態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 土地利用生態安全指標因子賦值及權重

2.3 土地利用生態安全風險分級及評價

2.3.1 松嫩平原土地利用生態安全風險分級 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安全風險等級格局分布圖（附圖8）。

松嫩平原土地利用生態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及流域附近多處于低風險區、較低風險區；西南部地區多處在中度風險區、較高風險區，局部及交通線附近地區處于高安全區。整體上看，黑河市、齊齊哈爾北部、綏化市北部、哈爾濱市生態安全水平優于齊齊哈爾市南部、綏化南部、大慶市、松原市、白城市、四平市、長春市。統計高、中、低風險等級面積，得到1980—2010年各生態安全風險等級比重變化情況（圖1）。在所有風險等級中，較低風險區所占比重最大，在50%以上，其次為中度風險區、低風險區、較高風險區、高風險區。1980—2010年，低風險區逐步減少趨勢，中度風險區、較高風險區、高風險區呈現先減后增的趨勢，較低風險區為先增后減趨勢。可以看出1980—2000年，各風險區面積均減少并向較低風險區轉化，表明生態環境壓力有所緩解。而在2000—2010年，低、較低風險區均減少明顯，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安全等級比重變化

表2 松嫩平原土地利用生態安全風險分級標準

2.3.2 松嫩平原土地利用生態安全風險時空動態變化分析 通過ArcGIS軟件對1980，2000，2010年的生態安全等級矢量圖進行數據融合疊加，得到生態安全等級類型的轉移矩陣。并計算出各生態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 松嫩平原生態安全的轉移矩陣及動態變化率 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 土地利用生態安全風險預測

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

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

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

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

表4 松嫩平原生態安全預測表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。總體來看，未來40a內，松嫩平原生態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、東部邊緣地區及流域附近多處于低風險區、較低風險區，而西南部地區多處在中度風險區、較高風險區，西南部地區的局部及交通線附近處于高安全區。

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

（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安全水平惡化趨勢明顯。究其原因主要是生態系統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，國家生態退耕、森林保護等生態政策的實施，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，生態安全問題仍十分嚴峻。只有使該區域生態、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安全整體水平的恢復和穩定的發展。

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