退耕還林背景下寒地山區土地生態安全格局動態變化

侯大偉，劉 艷，孫 華

?

退耕還林背景下寒地山區土地生態安全格局動態變化

侯大偉，劉 艷，孫 華※

（南京農業大學土地管理學院，南京210095）

為了研究退耕還林工程引起的土地生態安全格局變化，該文應用遙感和GIS技術對牡丹江地區2000－2014年土地利用變化特征進行了分析，并基于DPSIR概念框架構建評價指標體系，從空間上揭示了研究區退耕還林期間土地生態安全水平及格局變化。結果表明，退耕還林工程的實施對研究區土地利用結構產生了極大的影響，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，能夠顯著提高區域土地生態安全水平，2000－2014年，各坡度等級內安全、較安全、臨界安全面積共增加1 088.6 km2；14 a來研究區土地生態安全水平總體呈“先改善后惡化”的趨勢，但仍較2000年工程實施前有了較大幅度的提升，西部、東部及南部地區土地生態安全水平顯著提高，但中部牡丹江河谷盆地土地生態安全水平提升緩慢，建議新一輪退耕還林工程將此地區作為重點調控整治區域。

土地利用；生態；植被；退耕還林；土地生態安全；寒地山區

0 引 言

土地資源作為人類活動的載體，保障其生態安全是實現社會可持續發展的基礎[1]。土地生態安全受自然因素和人為因素的共同影響，一般指土地生態系統的結構和功能在其彈性限度內處于不受或少受威脅的動態平衡狀態，并能夠為區域的可持續發展提供穩定的生態服務價值[2]。近年來，人類活動導致的土地利用/覆被變化（LUCC），不僅改變了自然景觀面貌，而且影響著物質循環和能量分配，極大地威脅著土地生態系統的平衡與穩定[3-5]。因此，保證區域土地生態安全，促進土地資源可持續利用已成為生態學、地理學等領域研究的前沿課題。

退耕還林工程旨在有步驟有計劃地治理水土流失嚴重和產量低而不穩的坡耕地和沙化耕地，造林還草，恢復植被，逐步提高區域生態環境質量，是迄今為止世界范圍內投入力度最大、政策性最強的生態修復工程[6]。因此，從空間上準確把握退耕還林期間土地生態安全水平及格局變化，對于合理規劃土地用途、維持區域生態系統平衡尤為重要。現階段，針對退耕還林生態效應的研究主要集中在退耕生態效益、生態補償機制、生態格局建立等方面[7-10]，對于退耕期間土地生態安全水平及格局變化分析尚屬薄弱環節，且已有研究多以矢量邊界為評價單元，一定程度上不能揭示其單元內部的空間異質性和諸如社會、經濟等因素對區域生態系統所產生的影響[11-17]，亟待進行空間上更精細的動態變化研究以指導具體生態修復工程的實施。

高鳳杰等[17]研究了牡丹江地區2000－2014年土地利用變化特征，并基于DPSIR概念框架構建評價指標體系，從空間上揭示了研究區退耕還林前后土地生態安全水平及格局變化。本文在其研究的基礎上，從指標選取及評價單元確定方面做出了相應改進與完善。指標選取方面，以往研究[17]選取壓力、狀態、影響因子時，過分強調社會經濟發展對生態系統造成的影響，忽略了對生態系統自身變化的探討（如選取人口密度及公路里程表征生態壓力，同時選取工業產值能耗、生活污水排放量反映人類行為對生態系統的影響），導致其結果以地區經濟發展水平為導向，難以真實反映地區實際生態環境質量（如東寧縣由于經濟發展水平低而導致其始終處于不安全水平）；本研究在選取驅動力、壓力因子時，充分考慮社會、經濟發展等驅動因素對生態系統造成的影響，狀態、影響因子則更多反映生態系統自身承載能力、恢復能力及脆弱性（如生態彈度、景觀穩定性、土壤侵蝕強度），較之以往[17]，指標體系及評價結果能夠更加真實地反映退耕還林工程實施期間土地生態安全水平及格局的變化情況。評價單元選取方面，本研究以空間柵格為具體評價單元，能夠清晰反映各行政單元內部的空間分異特征，也在一定程度上避免了由于各別指標值差異過大對行政單元整體生態安全水平的影響。指標體系的優化以及評價單元的精細化，將為衡量退耕還林工程的實施效果提供理論支撐及判定依據，為第三輪退耕還林工程劃定重點生態修復區域提供借鑒參考。同時，將土地利用變化和土地生態安全格局動態變化分析兩個熱點問題相結合，深化了研究的理論深度及現實意義。

1 研究區概況

牡丹江地區（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業生態系統及四周環繞的森林景觀組成，區域內人均耕地面積少，坡耕地比重大，是中國典型的寒地山區。隨著經濟發展及人口的增加，區域森林覆蓋率急劇下降，水土流失嚴重，區域生態安全形勢不容樂觀。圖1為研究區位置示意圖。

圖1 研究區位置示意圖

2 數據來源和研究方法

2.1 數據及處理

本研究采用的基礎資料主要包括2000年、2007年、2014年的LandsatTM影像；研究區30m數字高程模型（DEM）；1∶10萬土壤類型圖、土壤可蝕性分布圖；牡丹江地區2000年后各氣象站點的觀測數據（氣象站點編號：54093/54092/54099/54094/54096）、2000－2014年牡丹江市社會經濟統計年鑒以及牡丹江市土地利用總體規劃（2006－2020）等相關規劃文件。首先對影像進行圖像配準、波段融合等處理，其次采用人工目視解譯的方法進行相應年期的土地利用分類。參考全國第二次土地調查分類體系，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設用地、水域及未利用地6類。解譯完成后，核對當地土地利用詳查資料并進行實地調查，林地、耕地、建設用地解譯精度在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。

本研究數據可劃分為矢量數據和柵格數據2種，前者主要包括人口分布、工業產值能耗分布等行政單元統計數據，后者則主要包括利用遙感數據衍生獲得的土壤侵蝕強度、坡度、植被覆蓋度等。由于統計單元不同，不便于數據計算和結果分析，為此以柵格像元為基本評價單元（30 m×30 m），利用網格轉化方法對矢量數據進行柵格化、配準、重采樣等處理，將所有數據統一校正到能與TM影像配合套準。

2.2 土地利用變化分析

2.2.1 土地利用結構分析

土地利用結構是指在一定區域內各種土地利用類型的空間分布格局及數量的比例關系[18]。在GIS軟件中以2000、2007、2014年土地利用類型圖為輸入圖層，利用統計分析工具，對3期土地利用類型的數量、比例結構進行統計。

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，同時也反映了人類因素與自然環境因素的綜合效應。其計算公式為

式中L為土地利用綜合程度指數，為土地利用程度變化率，A為研究區第級土地利用程度分級指數，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，該地區土地利用處于發展階段；<0，處于衰退期；=0，則處于穩定期。

根據劉紀遠等[19-20]提出的數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因素影響下的自然平衡保持狀態分為4級，并分別賦予指數：未利用地賦值1，林地、草地、水域賦值2，耕地賦值3，城鎮用地賦值4。

2.3 評價體系的構建

生態系統的演變是一個復雜的動態過程，尤其是全球氣候變化以及人類干擾活動日趨劇烈的背景下，生態系統的受損程度及動態變化愈發受到重視。研究表明，土地生態安全的變化是驅動力（D）、壓力（P）、狀態（S）、影響（I）、響應（R）等因素相互作用的過程：發展驅動力導致人類對生態系統的干擾增加，產生壓力迫使生態系統發生改變，對人類社會和生態系統產生影響，促使人類做出響應，響應機制反作用于以上過程以保證系統平衡與穩定。牡丹江地區地形起伏較大，降水所引起的土壤侵蝕以及人類活動對生態系統的干擾是導致區域水土流失、生態環境質量下降的重要因素。因此，分別從自然條件及社會經濟發展方面選取評價因子以表征驅動力因素及其對于生態資源的需求和壓力。狀態指生態系統中各成分的背景值，是驅動力和壓力共同作用的結果，選取土壤侵蝕強度、景觀穩定性及生態環境彈度作為狀態因子，揭示人類改造后土地資源的現實表現及動態變化規律。人類在改造自然的同時，不僅改變了區域自然條件，而且對其他方面也會產生深刻影響，因此在選取評價因子時，應綜合考慮自然、社會、經濟等多方面因素，系統地反映人類行為對于生態系統的影響[21-24]。基于以上認識，遵循科學性、代表性等原則，構建土地生態安全評價指標體系（表1）。

表1 土地生態安全評價指標體系

2.4 指標標準化

由于各因子量綱不同，所以不具有可比性。因此，必須對其進行標準化處理，以消除不同量綱之間的影響。各項指標與生態安全指數之間存在正向或逆向的關系，正向關系采用公式（3），負向關系采用公式（4）。

式中F為評價指標的作用分值，X、min、max分別為評價指標的實際值、最小值和最大值。

2.5 指標權重確定

每個指標在土地生態安全研究中所起作用不同，所以需要通過權重來反映各指標的貢獻率。熵權法是根據指標的變異程度，利用信息熵計算指標的熵權，再通過熵權對指標權重進行修正，從而得到指標權重。與其他方法相比，熵權法精度較高，客觀性較強，避免了主觀因素造成的誤差。其步驟如下：

1）計算第個指標下第個項目的指標值比重P

式中r為標準化之后的指標值。

2）計算指標信息熵

3）計算指標權重W

2.6 土地生態安全評價

在確定研究區各評價因子空間分布及相應指標權重后，采用綜合指數法在ArcGIS軟件中進行空間疊加處理，獲取土地生態安全指數及空間分布。

（10）

（13）

式中為生態安全指數，用于表示生態安全水平的高低。越高，說明土地生態狀況越好；越低，說明土地生態狀況越差。分別代表驅動力、壓力、狀態、影響、響應因子的綜合指數值。X為驅動力指標量化后的值，W為驅動力指標的權重，其他同理。利用自然斷點法（natural breaks）劃定生態安全指數（ESI）的臨界閾值，并將生態安全指數與土地生態安全水平做出關聯（表2）。

表2 生態安全指數分級標準

3 結果分析

3.1 土地利用/覆被變化分析

土地利用變化分析表明：退耕還林工程的實施極大地影響了牡丹江地區土地利用結構，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、草地為研究區主要土地利用類型，經過14 a的退耕還林改造，牡丹江地區林地面積持續增加，草地面積比例持續下降，耕地面積則呈現先減少后增加的趨勢。退耕還林工程旨在抑制坡地墾殖，恢復植被，提高區域生態承載力[25]。然而，在工程實施過程中，人們往往過分強調造林面積，且將坡度指標作為衡量退耕與否的唯一標準，這種做法雖然能夠在短期內快速提高區域植被覆蓋度，但也會對地區糧食安全產生威脅，造成坡地復墾現象的發生[26-27]。因此，2007－2014年，研究區耕地面積出現反彈，林地增速放緩。

從土地利用程度變化來看，研究區2000年、2007年、2014年土地利用程度指數總體保持穩定且3個年份土地利用程度指數范圍均在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、建設用地面積減少，林地面積大量增加，土地利用強度下降；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，土地利用強度提高[28-29]。

表3 土地利用/覆被變化

3.2 土地生態安全格局變化分析

3.2.1 時間特征

2000－2007年，研究區安全面積凈增加9 226.41 km2；其中，由較安全等級轉化而來6 682.46 km2，占2000年較安全面積的73.07%，由臨界安全轉化而來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%。研究區不安全和極不安全面積共減少5 501.31 km2，分別轉化為臨界安全面積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年土地生態安全數量轉移

2007－2014年間，研究區安全面積減少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化數量明顯大于2000－2007年（表5）。

從14 a整體變化來看，研究區土地生態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，各坡度等級內安全、較安全、臨界安全面積共增加1 088.6 km2。

然而，也應該清楚地認識到，研究區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在保證退耕數量的前提下，兼顧較安全、臨界安全地區土地質量的鞏固與提升，注重提高現存耕地墾殖效率，由傳統粗放耕作向集約化經營轉變，在不影響地區糧食安全的前提下逐步提高研究區臨界安全及以上水平地區面積比例[29]。

表5 2007－2014年土地生態安全數量轉移

3.2.2 空間特征

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

2000年，東寧大部分地區、穆棱南部地區處于安全水平，海林西部、寧安南部呈現較安全水平。臨界安全、不安全、極不安全地區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。此外，牡丹江市區土地生態安全水平較差，幾乎全部處于不安全和極不安全水平。2007年，西部及南部地區包括海林大部分地區和寧安南部、穆棱南部在內的大面積土地已經轉化為安全水平，這主要得益于區域植被覆蓋度的提高以及坡地水土保持能力的增強；同時，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水平也顯著提高，牡丹江市區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安全水平稍有下降，但整體生態安全面積仍明顯高于2000年。

圖2 研究區生態安全空間分布圖

2000－2007年間，研究區整體生態安全狀況呈上升趨勢。其中，由較安全、臨界安全、不安全、極不安全水平轉化為安全水平的土地主要分布在研究區西部、南部地區，以上地區地形起伏較大，水土流失嚴重，加之常年形成的以資源消耗為主體的經濟發展模式，造成退耕還林工程實施前該地區生態環境較為惡劣。以上地區被劃定為退耕還林工程的首批重點整治區域，經過7 a的土地整治及退耕還林，安全面積大幅增加，區域生態環境顯著改善（圖3a）。2007－2014年間，土地生態安全水平提高的區域主要分布在研究區東南部即東寧北部地區（圖3a）。該地區地形起伏較大，同時坡耕地的大量存在以及農藥化肥的不合理施用在一定程度上造成了土壤質量下降，進而影響區域土地生態安全水平。退耕還林工程的實施緩解了地區生態壓力，提高了水土保持能力，生態安全、較安全面積顯著提高。2007－2014年間的生態退化主要發生在中部牡丹江河谷盆地（圖3b），該地區地形起伏不大，土壤肥力較高，存在大量優質耕地。近年來，隨著地區經濟及城鎮化水平不斷發展，糧食安全日益受到重視，為增加土地利用效益，土地利用強度不斷提高，導致該地區土地生態水平退化。

圖3 研究區生態安全格局變化圖

指標體系構建合理與否直接影響研究結果的準確性。以往研究[17]中，東寧縣土地生態安全水平始終處于不安全、極不安全狀態，而牡丹江市區土地生態安全水平則始終高于其他地區，究其原因，主要在于以往研究[17]在構建評價指標體系時過分強調社會經濟發展對區域土地生態系統的人為干擾，選取諸如城鎮化水平、生活污水排放量及公路密度等指標，導致評價結果多以社會經濟發展水平為導向，難以真實反映退耕還林期間土地生態系統自身狀態的變化。本文對其指標體系進行了改進與完善，除充分考慮社會經濟發展對區域生態系統產生的壓力及驅動作用外，更多選取能夠反映生態系統承載力、恢復力、脆弱性的評價因子，以區域生態系統自身變化為導向，使其評價結果能夠更加準確合理。指標體系優化及完善后，東寧縣大部分土地生態安全狀態處于較安全及安全水平，而牡丹江市及周邊區域雖經過退耕還林工程的改造，土地生態安全水平得以提高，但大部分地區尚處在臨界安全水平以下，此區域仍是未來生態修復工程的重點整治區域。

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，恢復植被，逐步提高區域生態承載力的過程[30]。因此，定量地分析不同坡度等級內土地生態安全格局及林地、耕地數量變化對測度區域退耕還林生態效應具有重要意義。結果表明，2000－2014年間，各坡度等級內林地面積持續增加，耕地面積先減少后增加。其中，林地面積在不同坡度等級內均呈現逐年增加趨勢，10～15°范圍內面積增加最多，為449.1 km2，占退耕前該坡度等級內林地面積的6.21%；大于25°面積增長最少，為26.74 km2。各等級內耕地面積均減少，但呈現先減少后增加的趨勢。其中，第一階段10～15°等級內耕地減少最多，為291.98 km2，占退耕前該坡度等級內耕地面積的24.62%。由于退耕還林工程造成研究區耕地保有量下降[29]，且人口增長對糧食的需求量日益增加，因此2007－2014年，各坡度等級內出現小規模的復墾現象，耕地面積小幅增加。各坡度等級內安全、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均呈現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安全面積的79.19%；此外，10～15°、15～20°、20～25°、以及大于25°內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、土地生態安全格局變化趨勢發現，增加林地面積、減少陡坡開墾能夠有效提高土地生態安全水平。陡坡開墾、森林覆蓋率下降是造成研究區水土流失加劇、土地生態安全水平下降的主要原因，退耕還林工程的實施，能夠有效控制坡地墾殖，顯著增加林地面積，在提高區域土地生態安全水平方面效果顯著。

a. 各坡度等級內林地面積比例

a. Proportion of forest land area in each slope level

b. 各坡度等級內耕地面積比例

表6 各坡度等級內土地生態安全格局變化

4 討 論

4.1 未來重點整治區域及主要土地利用類型調控

土地生態安全水平在一定程度上揭示了人類活動對生態系統承載力的影響[31]。因此，保證土地生態安全是實現可持續發展、促進區域生態系統與社會經濟系統協調的基礎。從研究結果來看，退耕還林工程的實施明顯增加林地面積，改善區域土地生態安全水平，抑制生態退化，尤其在坡耕地治理方面發揮著愈加重要的作用。牡丹江地區屬中國典型寒地山區，降水集中所造成的土壤侵蝕以及較大的地形起伏是區域生態退化的主要原因，加之經濟發展和糧食安全的雙重壓力，生態系統十分脆弱。在這種背景下，新一輪退耕還林工程的實施重點應是平衡糧食生產、生態保護與經濟發展之間的關系，摒棄粗放的土地利用模式，實現地區協調發展。

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

2）未來應重點加強對中部牡丹江河谷盆地的生態修復力度。2000－2014年，中部牡丹江河谷盆地土地生態安全水平呈“先改善后惡化”的總體趨勢，但較2000年退耕還林工程實施前有了較大幅度的提高。然而，該地區臨界安全以下的面積仍有很多，屬牡丹江地區土地生態安全水平較低的地區。與其他地區相比，該地區地形起伏不大，土壤肥力較高，存在大量優質耕地，同時也是牡丹江地區的經濟及工業中心。近年來，隨著地區經濟及城鎮化水平的不斷發展，為提高土地利用效益，不斷提高土地利用強度，導致該地區土地生態水平提升緩慢。下一輪退耕還林工程應將此區域作為重點整治區域，在保證糧食安全的前提下，提高植被覆蓋度，增強其水土保持能力；加大土地整治力度，針對土地質量較高的撂荒地進行適當的復墾，針對土壤侵蝕嚴重的土地進行植樹造林，提高其水土保持能力，針對廢棄居民點嘗試合并，提高建設用地集約化水平；法制建設應緊跟政策導向，根據牡丹江市區及周邊的企業排污狀況制定更加嚴格的環境保護條例及監督機制，防治與修復同步推進。

4.2 數據源及方法的拓展

退耕還林工程的實施直接改變了土地利用結構及生態安全水平，而土地利用/覆被類型的變化與區域土地生態安全格局的變化密切相關。因此，精確估算土地利用/覆蓋變化，合理評價土地生態安全水平，對測度及鞏固退耕還林效果尤為重要。但從研究過程來看，在數據源選擇、指標權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影像進行土地利用解譯發現，與單純利用地物光譜特征進行監督分類與非監督分類相比，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，對三者進行有效區分比較困難。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果進行判讀與修正，有效提高了解譯精度。隨著國產高分系列衛星的投入使用，高分辨率影像的獲取與直接應用將更加便利。

2）應用多源數據進行土地生態安全空間評價。由于本研究以空間柵格為評價單元，但部分統計數據以行政單元進行統計，針對這部分指標，研究中主要采用柵格化的方法，導致評價結果在空間上可能出現邊界差異。隨著信息技術的快速發展，利用多源遙感數據進行空間評價已逐漸成為一種趨勢，未來研究可考慮應用諸如DMSP/OLS夜間燈光數據等能夠從空間上表征研究區經濟發展水平的遙感數據，進而提高評價精度。

3）進行退耕還林工程綜合效益分析評價。退耕還林是一項歷時較長、投入較大的生態修復工程，其實施過程中必然對地區土地利用方式及產業結構產生深刻影響。因此在重點評價所取得的生態效益的同時，還應綜合考慮工程實施對區域經濟效益及社會效益的影響。因此，進一步的研究可以將系統動力學、多目標線性規劃等方法有機結合，進行不同情景下退耕還林工程的綜合效益模擬分析，探討能夠平衡生態效益、經濟效益及社會效益的發展模式，緩和地區生態保護與經濟發展之間的矛盾。

5 結 論

本文首先應用遙感和GIS技術對牡丹江地區2000－2014年土地利用/覆蓋變化進行分析，其次基于DPSIR概念框架構建評價指標體系，對研究區退耕還林期間土地生態安全水平進行評價，并從空間上揭示了其土地生態安全格局變化。與以往研究[17]相比，本研究所選評價因子以區域生態系統自身變化為導向，更能準確反映其承載力、恢復力及脆弱性，提高了結果的準確性；同時，以空間柵格為評價單元，能夠清晰表達研究結果的空間分異特征，為區域未來生態修復工程的實施提供借鑒及參考，提高了研究的適用性。主要得到以下結論：

1）退耕還林工程的實施極大地影響了牡丹江地區土地利用/覆被變化。其中，林地增加1 520.16 km2且呈持續增加趨勢，草地面積持續減少，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，研究區林地面積大幅度增加，草地、耕地面積下降，土地利用強度下降，2007－2014年，耕地面積增加，草地、未利用地面積減少，土地利用強度提高。

2）退耕還林工程的實施能夠有效控制坡地墾殖，增加林地面積，提高坡地生態安全水平。2000－2014年，林地在不同坡度等級內持續增加，耕地先減少后增加，其中10°～15°內林地增加最多，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，區域生態安全水平顯著提高。

3）退耕還林工程實施以來，牡丹江地區土地生態安全水平呈“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%。研究區西部及南部地區生態恢復較快，2007年后始終保持安全水平；東部地區自2007年后其生態水平也得到了顯著提高；中部牡丹江河谷盆地土地生態安全水平雖有提高，但部分區域仍處于臨界安全水平以下，該地區地勢較為平坦，土壤肥力較高，是牡丹江地區經濟及工業中心，新一輪退耕還林工程應將此地區劃定為重點整治區域。

[1] 彭建，汪安，劉焱序，等. 城市生態用地需求測算研究進展與展望[J]. 地理學報，2015，70(2)：333－346.

Peng Jian, Wang An, Liu Yanxu, et al. Research progress and prospect on measuring urbanecological land demand[J]. Acta Geographica Sinica.2015, 70(2): 333－346. (in Chinese with English abstract)

[2] 喻鋒，李曉波，張麗君，等. 中國生態用地研究：內涵、分類與時空格局[J]. 生態學報，2015，35(14)：4931－4943.

Yu Feng, Li Xiaobo, Zhang Lijun, et al. Study of ecological land in China: conception, classification, and spatial temporal pattern[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(14): 4931－4943. (in Chinese with English abstract)

[3] Lawler J J, Lewis D J, Nelson E，et al. Projected land-use change impacts on ecosystem services in the United States[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(20): 7492－7497.

[4] Zhou Hongjian, Rompaey A V, Wang Jing’ai. Detecting the impact of the “grain for green” program on the mean annual vegetation cover in the Shaanxi province, China using SPOT-VGT NDVI data[J]. Land Use Policy, 2009, 26(4): 954－960.

[5] Zhou Decheng, Zhao Shuqing, Zhu Chao. The Grain for green project induced land cover change in the Loess Plateau: A case study with Ansai County, Shanxi Province, China[J]. Ecological Indicators, 2012, 23(4): 88－94

[6] Wang Xiuhong, Lu Changhe, Fang Jinfu. Implications for development of grain-for-green policy based on cropland suitability evaluation in desertification-affected north China[J]. Land Use Policy,2007,24(2): 417－424.

[7] Xu Jianying, Chen Liding, Lu Yihe. Sustainability evaluation of the grain for green project: From local people’s responses to ecological effectiveness in Wolong Nature Reserve[J]. Environ Manage, 2007, 40(1):113－122.

[8] 趙榮欽，李志萍，韓宇平，等. 區域“水－土－能－碳”耦合作用機制分析[J]. 地理學報，2016，71(9)：1613－1628.

Zhao Rongqin, Li Zhiping, Han Yuping, et al. The coupling interaction mechanism of regional water-land-energy-carbon system[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(9):1613－1628. (in Chinese with English abstract)

[9] 劉淑娟，張偉，王克林，等. 桂西北典型喀斯特峰叢洼地退耕還林還草的固碳效益評價[J]. 生態學報，2016，36(17)：5528－5536.

Liu Shujuan, Zhang Wei, Wang Kelin. Evaluation of carbon sequestration after conversion of cropland to forest and grassland projection in karst peak-cluster depression area of northwest Guangxi, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(17): 5528－5536. (in Chinese with English abstract)

[10] 李國平，石涵予. 退耕還林生態補償標準、農戶行為選擇及損益[J]. 中國人口·資源與環境，2015(5)：152－161.

LI Guoping, Shi Hanyu. The payment of grain to green project, the behavior choice of peasants and their gains and losses[J]. China Population, Resources and Environment, 2015(5): 152－161. (in Chinese with English abstract)

[11] 殷培杰，杜世勇，白志鵬. 2008年山東省17城市生態承載力分析[J]. 環境科學學報，2011，31(9)：2048－2057.

Yin Peijie, Du Shiyong, Bai Zhipeng. Analysis and evaluation of the ecological carrying capacity of 17 cities in Shandong Province in 2008[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31(9): 2048－2057. (in Chinese with English abstract)

[12] 曾勇. 區域生態風險評價：以呼和浩特市區為例[J]. 生態學報，2010，30(3)：668－673.

Zeng Yong. The regional ecological risk assessment of Hohhot City[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(3): 668－673. (in Chinese with English abstract)

[13] 徐美，朱翔，劉春臘. 基于RBF的湖南省土地生態安全動態預警[J]. 地理學報，2012，67(10)：1411－1422.

Xu Mei, Zhu Xiang, Liu Chunla. Early-warning of Land Ecological Security in Hunan Province Based on RBF[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(10): 1411－1422. (in Chinese with English abstract)

[14] 余敦，陳文波. 基于物元模型的鄱陽湖生態經濟區土地生態安全評價[J]. 應用生態學報，2011，22(10)：2681－2685.

Yu Dun, Chen Wenbo. Land ecological safety in Poyang Lake Eco-economic Zone: An evaluation based on matter-element model[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(10): 2681－2685. (in Chinese with English abstract)

[15] 王鵬，況福民，鄧育武，等. 基于主成分分析的衡陽市土地生態安全評價[J]. 經濟地理，2015，35(1)：168－172.

Wang Peng, Kuang Fumin, Deng Yuwu. Assesment of land eco-security of the hengyang city on the principal component[J]. Economic Geography, 2015, 35(1): 168－172. (in Chinese with English abstract)

[16] 張利，陳影，王樹濤，等. 濱海快速城市化地區土地生態安全評價與預警：以曹妃甸新區為例[J]. 應用生態學報，2015，26(8)：2445－2454.

Zhang Li, Chen Ying, Wang Shutao. Assessment and early warning of land ecological security in rapidly urbanizing coastal area: A case study of Caofeidian new district, Hebei, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(8): 2445－2454. (in Chinese with English abstract)

[17] 高鳳杰，侯大偉，馬泉來，等. 退耕還林背景下寒地山區土地生態安全演變研究[J]. 干旱區地理，2016，39(4)：800－808.

Gao Fengjie, Hou Dawei, Ma Quanlai,et al. Land use and ecological security in cold mountain area under background of sloping land conversion program[J]. Arid Land Geography, 2016, 39(4): 800－808. (in Chinese with English abstract)

[18] 汪濱，張志強. 黃土高原典型流域退耕還林土地利用變化及其合理性評價[J]. 農業工程學報，2017，33(7)：235－245，316. Wang Bin, Zhang Zhiqiang. Land use change driven by Sloping Land Conversion Program in typical watershed on Loess Plateau and its rationality evaluation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 235－245, 316. (in Chinese with English abstract)

[19] 劉紀遠，張增祥，莊大方，等. 20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J]. 地理研究，2003(1)：1－12.

Liu Jiyuan, Zhang Zengxiang, Zhuang Dafang, et al. A study on the spatial-temporal dynamic changes of land-use and driving forces analyses of China in the 1990s[J]. Geographical Research, 2003(1): 1－12. (in Chinese with English abstract)

[20] 莊大方，劉紀遠. 中國土地利用程度的區域分異模型研究[J]. 自然資源學報，1997(2)：10－16.

Zhuang Dafang Liu Jiyuan. Study on the model of regional differentiation of land use degree in China[J]. Journal of Natural Resources, 1997(2): 10－16. (in Chinese with English abstract)

[21] 張繼權，伊坤朋，Hiroshi Tani，等. 基于DPSIR的吉林省白山市生態安全評價[J]. 應用生態學報，2011，22(1)：189－195.

Zhang Jiquan, Yi Kunpeng, Hiroshi Tani, et al. Ecological security assessment of Baishan City in Jilin Province based on DPSIR[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(1): 189－195. (in Chinese with English abstract)

[22] 于伯華，呂昌河. 基于DPSIR模型的農業土地資源持續利用評價[J]. 農業工程學報，2008，24(9)：53－58.

Yu Bohua, Lü Changhe. Assessment of sustainable use of agricultural land resources based on DPSIR Framework[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(9): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[23] Tscherning K, Helming K, Krippner B, et al. Does research applying the DPSIR framework support decision making?[J]. Land Use Policy, 2012, 29(1): 102－110.

[24] Gregory A J, Atkins J P, Burdon D, et al. A problem structuring method for ecosystem-based management: The DPSIR modelling process[J]. European Journal of Operational Research, 2013, 227(3): 558－569.

[25] Peng H, Cheng G, Xu Z, et al. Social, economic, and ecological impacts of the ‘‘Grain for Green’’ project in China: A preliminary case in Zhangye, Northwest China[J]. Journal of Environmental Management, 2007, 85(3): 774－784.

[26] 陳海，郗靜，梁小英，等. 農戶土地利用行為對退耕還林政策的響應模擬：以陜西省米脂縣高渠鄉為例[J]. 地理科學進展，2013，32(8)：1246－1256.

Chen Hai, Xi Jing, Liang Xiaoying, et al. Simulation of the changes of farmer households’land-use behaviors in response to China’s Grain to Green policy:A case study in Gaoqu Commune of Mizhi County, Shaanxi Province[J]. Progress in Geography, 2013, 32(8): 1246－1256. (in Chinese with English abstract)

[27] 王兵，劉國彬，張光輝，等. 黃土高原實施退耕還林（草）工程對糧食安全的影響[J]. 水土保持通報，2013(3)：241－245.

Wang Bing, Liu Guobin, Zhang Guanghui, et al. Effects of grain for green project on food security on loess plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2013(3): 241－245. (in Chinese with English abstract)

[28] 衛丹. 牡丹江地區農村居民點用地時空變化特征研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2015.

Wei Dan. Research on Spatial-Temporal Change Characteristics of Rural Settlement in Mu Danjiang City[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[29] 牡丹江市人民政府. 牡丹江市土地利用總體規劃（2006－2020）[C]//2011: 5－8. http://www.doc88.com/p-0783737702698.html.

[30] 郝海廣，烏蘭圖雅. 基于土地適宜性評估退耕還林還草工程的效果：以科爾沁左翼后旗吉爾嘎朗鎮為例[J]. 土壤，2011，43(5)：828－834.

Hao Haiguang, Wulantuya. Evaluation on results of grain for green project in Horqin Sandy Land: A case study of Jilgalang Town[J]. Soils, 2011, 43(5): 828－834. (in Chinese with English abstract)

[31] 方愷，段崢. 全球主要國家環境可持續性綜合評估：基于碳、水、土地的足跡-邊界整合分析[J]. 自然資源學報，2015，30(4)：539－548.

Fang Kai, Duan Zheng. An integrated assessment of national environmental sustainability by synthesizing carbon, water and land footprints and boundaries[J]. Journal of Natural Resources, 2015, 30(4): 539－548. (in Chinese with English abstract)

[32] Feng Zhiming, Yang Yanzhao, Zhang Yaoqi, et al. Grain-for-green policy and its impacts on grain supply in West China[J]. Land Use Policy, 2005, 22(4): 301－312.

[33] Xu Zhigang, Xu Jintao, Deng Xiangzjeng, et al. Grain for green versus grain: Conflict between food security and conservation Set-Aside in China[J]. World Development, 2006, 34(1): 130－148, 2006.

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

國家自然科學基金（項目編號：41371484）

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

孫 華，博士，博士生導師，主要從事資源環境評價與規劃管理研究。Email：hsun@sina.com