基于RS－GIS的大連金州區(qū)土地利用生態(tài)風險時空分布研究

王 耕，李澤陽，王曉蕊，張召鵬

（遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧大連116029）

基于RS－GIS的大連金州區(qū)土地利用生態(tài)風險時空分布研究

王 耕，李澤陽，王曉蕊，張召鵬

（遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧大連116029）

為探究快速發(fā)展地區(qū)的土地利用和覆被變化規(guī)律，解譯大連金州區(qū)2005年、2010年、2015年三期Landsat TM影像，構造綜合生態(tài)風險指數(shù)模型，以街道作為生態(tài)風險評價單元，基于GIS和地統(tǒng)計學方法，將土地利用結構轉化為生態(tài)風險變量，通過土地利用類型的時空轉移探究生態(tài)風險演變，揭示金州區(qū)“十五”到“十二五”以來土地利用變化引起的生態(tài)風險時空分布規(guī)律。結果表明：2005—2015年金州區(qū)土地利用發(fā)生變化的面積達1164.9km2，占總面積的85.45%，建設用地面積增加，耕地、林地等面積減少，綜合生態(tài)風險指數(shù)由2005年的0.1073增加到2015年的0.1506，增加了28.75%；高風險區(qū)集中在南部和西部地區(qū)，較低風險區(qū)集中在中部和東北部的山地地區(qū)，生態(tài)風險變化大致呈現(xiàn)遞階結構，由東北向西南逐漸增加，這與人口與經(jīng)濟的集聚等因素相關。研究結果揭示了城市化快速發(fā)展下，金州區(qū)土地利用人為干擾的空間差異。該結論可為金州未來建立生態(tài)型新城新區(qū)以及土地利用規(guī)劃提供科學依據(jù)。

土地利用；生態(tài)風險；風險指數(shù)；評價；金州區(qū)

土地利用/覆被變化（LUCC）已成為人類活動對地區(qū)變化乃至全球變化影響研究的前沿和焦點，LUCC改變了全球生態(tài)系統(tǒng)格局與結構［1，2］，對土地利用生態(tài)風險評價上有重要意義。土地利用的生態(tài)風險評價不僅是環(huán)境學、生態(tài)學、地理學和社會科學等耦合研究的焦點［3］，也是近年來城市化及土地利用研究中倍受關注的熱點問題。眾多專家學者對土地利用的生態(tài)風險做了大量研究。從評價方法上看，目前主要有兩種模式：一種是基于景觀生態(tài)學指標的評價模式。楊勇、任志遠［4］等利用景觀生態(tài)指標研究了西安市近郊區(qū)的土地利用生態(tài)風險；周汝佳［5］等研究了鹽城海岸帶土地利用生態(tài)風險。第二種是基于殷浩文［6］提出的“風險源分析—風險受體評價—暴露評價—危害評價—風險表征”的程序評價模式。孫洪波［7］等利用風險要素評價程序評價了昆山市土地利用生態(tài)風險；趙源、黃成敏［8］等用相對風險模型（RRM）評價了樂山市土地利用生態(tài)風險；許開鵬［9］等用風險因子評價法對云貴高原的土地利用優(yōu)化進行了研究。這種基于景觀的生態(tài)風險評價更傾向于傳統(tǒng)地理學思想，更強調空間尺度、空間格局、區(qū)域和局地的關系［10］。

總結相關的文獻研究，土地利用風險研究內容多集中于對區(qū)域風險現(xiàn)狀的評估與分析，且評價方法成熟，而土地利用變化導致的生態(tài)風險轉移情況是土地利用生態(tài)風險時空演變的關鍵要素，目前的研究案例還很缺乏。從研究區(qū)位選擇看，已有的研究區(qū)域主要集中在人為擾動強度大的流域［11－13］、城市［14，15，25］、農(nóng)牧交錯帶［16］，而生態(tài)脆弱的濱海沿岸、濕地、沙漠綠洲等地區(qū)隨著人地關系矛盾的日益加劇，土地生態(tài)風險演變的研究還需深入。

金州區(qū)作為濱海城市大連周邊重要的增長極，近年來海岸城市化的飛速發(fā)展凸顯了土地利用的生態(tài)風險。本文以大連金州區(qū)為典型區(qū)域，基于RS、GIS和地統(tǒng)計學方法，通過土地利用結構轉化的生態(tài)風險量探究風險的演變［17］，并分析其時空分布特征和規(guī)律，進一步揭示了土地利用的時空變化對生態(tài)風險的影響，旨在為經(jīng)濟發(fā)展和土地利用開發(fā)與規(guī)劃提供科學決策，實現(xiàn)土地利用與區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況

金州區(qū)位于遼寧省南部、大連市區(qū)東北部，地處121°40′00″—122°20′00″E、39°0′0″—39°20′0″N，東瀕黃海，西臨渤海（圖1）。金州區(qū)地形以地山丘陵為主，共轄26個街道147個行政村，目前人口總計72.91萬人，總面積1390km2，海岸線161.23km。金州區(qū)土地利用一直以農(nóng)業(yè)用地為主，從20世紀80年代起作為國家較早的沿海開發(fā)開放地區(qū)，建設用地規(guī)模不斷擴大，尤其是“十五”到“十二五”期間，隨著金州新區(qū)的建立，土地利開發(fā)強度提高到了16.78%，盡管圍填海一時緩解了用地的不足，但土地利用的劇烈變化而導致的生態(tài)風險卻與日俱增。自2010年金州新區(qū)成立之日，隨著建設用地面積需求的增加，2005—2010年耕地面積共減少了5105.5km2，2010—2015年耕地面積減少了116.37km2，平均每年減少約5.12%。由于農(nóng)藥與化肥的過度使用和污染物的持續(xù)排放，土地污染面積擴大；濕地面積的大幅減少，國家一級重點保護物種白尾海雕的數(shù)量逐年減少，面臨著土地生態(tài)功能的不斷喪失，生物多樣性威脅加劇，未來金州區(qū)土地可持續(xù)利用堪憂，生態(tài)風險研究迫在眉睫。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云Landsat TM影像，并在ENVI5.1軟件中通過幾何校正、融合、鑲嵌和裁剪等手段，利用監(jiān)督分類和人機交互解譯相結合的方法，解譯了三期的金州土地利用類型圖。根據(jù)野外調查樣點對解譯精度進行了驗證，結果滿足空間分析與實際應用需求。基于ArcGIS獲得金州區(qū)土地利用專題數(shù)據(jù)，結合第二次全國土地調查數(shù)據(jù)、金州土地利用類型圖等，依據(jù)2007年頒布的《土地利用分類》國家標準和金州區(qū)土地利用情況，將本研究區(qū)域地類劃分為：耕地（旱地、水田、水澆地）、園地、林地、草地（牧草地）、城鎮(zhèn)村及工礦用地（城鎮(zhèn)、采礦、農(nóng)村居民點、風景名勝設施）、交通運輸用地（公路、鐵路、港口碼頭）、水域及水利設施用地（河流水面、坑塘水面、水庫水面、灘涂、農(nóng)田水利、水工建筑）、其他用地（設施農(nóng)用地、特殊用地、自然保留地）等8種類型（圖2，見封二）。

2.2 研究方法

建立模型：將解譯完成的三期遙感影像圖轉入ArcGIS，通過地類斑塊的識別，建立以街道為單位的生態(tài)風險評價樣地數(shù)據(jù)庫，將所得生態(tài)風險指數(shù)進行空間化計算。利用金州區(qū)各類土地要素的面積比重，構造各土地利用類型的生態(tài)風險指數(shù)IER，用于描述一個樣地內的綜合生態(tài)風險指數(shù)［18］，每個樣地的中心點代表本區(qū)域的生態(tài)風險指數(shù)。計算公式為：

式中，i為土地利用類型數(shù)；Si為研究區(qū)域內第i種土地利用類型的面積；S為生態(tài)風險評價單元的總面積；Wi為第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風險強度參數(shù)。生態(tài)風險強度Wi的確定采用層次分析法實現(xiàn)［19］。

圖3 生態(tài)風險指數(shù)遞階層次結構模型

土地利用生態(tài)風險評價是一個多目標的復雜問題，影響土地利用的因素有很多，可采用層次分析法建立評價指標體系并賦權。根據(jù)金州區(qū)的實際情況并結合專家咨詢，選取了土壤、空氣、地貌、水、生物多樣性和社會經(jīng)濟價值等六個要素作為決策層，建立生態(tài)風險指數(shù)層次遞階結構模型（圖2），依據(jù)該模型創(chuàng)建判斷矩陣，然后進行元素之間重要性的比較。經(jīng)過驗證，所有判斷矩陣均通過了一致性檢驗，且判斷矩陣的隨機一致性比率 CR＝0.0608＜0.1，認為判斷矩陣具有滿意的一致性。最終得出各土地利用類型的權重為：耕地（0.0740）、園地（0.0680）、林地（0.0931）、草地（0.0990）、城鎮(zhèn)村及工礦用地（0.0963）、交通運輸用地（0.2027）、水域及水利設施用地（0.1501）、其他用地（0.2169）。

地統(tǒng)計方法：以街道為評價單元進行系統(tǒng)采樣，通過ArcGIS10.0中的地統(tǒng)計分析［20］模塊進行克里金插值，制作空間風險等級圖，探究金州土地利用生態(tài)風險時空分布。由于區(qū)域的生態(tài)安全與風險不是絕對的，是相對于臨近區(qū)域的［21］，而空間自相關是度量具有空間特征要素與其他相鄰具有相同空間特征要素之間的相關性方法［22］。因此，通過空間分布特征來研究要素的集聚性、異常性與相互之間的作用關系。全局空間自相關是對屬性值在整個區(qū)域的空間特征描述，表示全局空間自相關的指標和方法很多，本文采用Moran′s I 來表示［23］。

計算公式為：

式中，n為樣本量，即空間位置的個數(shù)；Xi、Xj為空間位置i和j的觀察值；Wij表示空間位置i和j的鄰近關系。當i和 j為鄰近的空間位置時，Wij＝1；反之，Wij＝0。全局 Moran′s I指數(shù) I的取值范圍為［－ 1，1］，大于0為正相關，小于0為負相關，等于0則無關。

局部空間自相關是測度某一小區(qū)域的地理要素或現(xiàn)象的某一屬性在空間上的分異情況，用局部Moran′s Il表示。

計算公式為［23］：

當Ii≥E（Ii）時，表明區(qū)域內第 i個地理單元周圍有一種相似屬性值的空間集聚現(xiàn)象，即空間正相關現(xiàn)象；當Ii＜E（Ii）時，表明區(qū)域內第 i個地理單元與其周圍區(qū)域的屬性值差別較大，即存在著一種空間負相關現(xiàn)象。

3 結果與分析

3.1 評價結果

根據(jù)式（1）構建的綜合生態(tài)風險指數(shù)模型，統(tǒng)計各風險樣地的地類圖斑，計算各街道的生態(tài)風險指數(shù)，計算結果見表1。由表1的計算結果可知，2005—2015年金州區(qū)的平均生態(tài)風險指數(shù)從 0.1073增長到0.1506，增加了28.75%。通過面積統(tǒng)計，得到金州區(qū)土地利用類型面積與比例（表2）。

表1 金州區(qū)各街道生態(tài)風險指數(shù)

表2 金州區(qū)土地利用類型面積及比例

2005—2015年，金州區(qū)耕地、林地、草地面積不斷減小，建筑用地面積比例不斷增大。根據(jù)表1的生態(tài)風險值，采用自然間斷法將金州區(qū)生態(tài)風險值劃為5級，即低風險區(qū)（IER≤0.099）、較低風險區(qū)（0.099≤IER≤0.124）、中風險區(qū)（0.124≤IER≤0.149）、較高風險區(qū)（0.149≤IER≤0.174）和高風險區(qū)（IER≤0.174）；利用泛克里金插值法對金州區(qū)生態(tài)風險指數(shù)進行空間插值，得到金州區(qū)三年土地利用生態(tài)風險指數(shù)空間等級分布圖（圖4，見封二）。統(tǒng)計金州區(qū)不同風險區(qū)的面積大小與比例（表3）表明，2005—2015年金州區(qū)較低風險面積在減小，高風險區(qū)域和較高風險區(qū)域及所占比重逐年增加。

表3 金州區(qū)土地生態(tài)風險等級面積及比例

3.2 結果分析

土地利用時間變化：為了清楚地表現(xiàn)土地利用類型的演變情況，本文建立了土地利用轉移矩陣［24］，在ArcGIS中將2005年和2015年金州區(qū)的土地利用圖斑進行空間疊置分析，將所得數(shù)據(jù)結果導入Excel中，利用數(shù)據(jù)透視表，建立金州區(qū)2005—2015年的土地利用轉移矩陣（圖4，見封二）。從表4可見，2005—2015年金州區(qū)土地利用發(fā)生變化的面積達1264.9km2，占土地總面積的85.45%，可見經(jīng)濟實力的快速提升對土地利用變化的脅迫程度比較明顯，尤其是西南部地區(qū)（圖4），由于土地利用類型的演變，導致生態(tài)風險由低一級轉向更高一級。2005—2010年，金州區(qū)生態(tài)風險向更高一級轉移的街道主要有大孤山街道、站前街道、海青島街道、馬橋子街道等，分別轉移了0.039、0.022、0.013和0.006。主要原因是因為該區(qū)域開發(fā)強度較大，對原有土地類型的改造較強烈。2005—2015年金州區(qū)特殊用地、自然保留地面積減少最多，減少了336.2km2，主要是經(jīng)濟發(fā)展對特殊用地和自然保留地的開發(fā)利用。此外，金州區(qū)草地、園地、水域、交通和其他用地也有所減少，其中草地主要轉化為耕地（0.1km2）、交通用地（0.1km2）和其他用地（0.2km2）；園地主要向耕地、草地和其他用地轉化，轉化面積分別為21.4km2、28.4km2、42.4km2。金州區(qū)中部山區(qū)地帶和城鄉(xiāng)過渡帶的生態(tài)風險轉移不明顯，但較低風險區(qū)向中風險區(qū)的轉移以及低風險區(qū)向較低風險區(qū)的轉移尤為明顯。2005—2015年金州區(qū)耕地面積有所增加，主要是園地、林地和城鎮(zhèn)工礦用地的轉入，分別轉入面積21.4km2、13.8km2、23.5km2；林地和城鎮(zhèn)面積也有所增加，主要由城鎮(zhèn)工礦用地和耕地轉入，轉入面積分別為18.5km2、15.6km2。金州區(qū)東北部地區(qū)和耕作區(qū)的較低風險區(qū)面積擴大，低風險區(qū)面積減小。

表4 2005—2015年金州區(qū)土地利用轉移矩陣（km2）

土地利用空間變化：全局空間自相關是檢驗研究區(qū)某要素空間模式及其顯著性的一種變化模式［25］。在ArcGIS軟件中計算得大連金州區(qū)生態(tài)風險指數(shù)的全局 Moran′s I估計值分別為：2005 年 0.0933、2010 年0.1743、2015 年 0.2125（表 5）。從結果可見三年的全局Moran′s I估計值均為正值，且逐年增大，說明金州區(qū)土地利用的生態(tài)風險指數(shù)具有正相關性，且通過了5%的顯著性檢驗，相鄰單元之間相互影響，具有一定的相似性。為了清楚地看到相鄰評價單元之間的相互關系，在ArcGIS中利用局部空間自相關進行聚類和異常值分析，結果見圖5。

圖5 金州區(qū)土地利用生態(tài)風險指數(shù)空間聚類

從圖5可見，2005年金州區(qū)綜合生態(tài)風險指數(shù)低值區(qū)（LL）主要是向應街道、亮甲店街道和得勝街道。這三個街道的鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展主要以農(nóng)業(yè)為主，開發(fā)力度比其他區(qū)域相對較小，生態(tài)風險相對較低。登沙河街道為高低值區(qū)（HL），較其他街道的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)風險略高。這是由于該地區(qū)人口密度較大，主要經(jīng)濟來源為果園種植業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品種植、養(yǎng)殖業(yè)和工業(yè)等，土地利用的類型復雜多變。2010年金州區(qū)綜合生態(tài)風險指數(shù)低值區(qū)（LL）集中在向應、華家屯、登沙河和杏樹屯四個街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)。較其他區(qū)域有更明顯的低值集聚，其中土地利用類型主要以耕地、園地、林地為主，生態(tài)風險相對較低。2015年金州區(qū)綜合生態(tài)風險指數(shù)低值區(qū)（LL）只有華家屯和杏樹屯兩個地區(qū)，這兩個地區(qū)受人類干擾程度較小，開發(fā)強度較其他地區(qū)相對較小，其他地區(qū)綜合生態(tài)風險指數(shù)沒有明顯集聚現(xiàn)象，但經(jīng)過開發(fā)的綜合生態(tài)風險指數(shù)總體呈上升趨勢。

表5 金州區(qū)生態(tài)風險指數(shù)全局空間自相關結果

4 結論與討論

2005—2015年期間大連市金州區(qū)土地發(fā)生變化的面積達1164.9km2，占土地總面積的85.45%。自2010年金州新區(qū)建立以來，金州區(qū)建設用地面積達到174.55km2，開發(fā)強度達到16.78%，而且還有繼續(xù)增長的趨勢。借助國家“十二五”計劃的契機，金州新區(qū)建立了多個主體功能區(qū)，形成了“一核、兩帶、多點”的工業(yè)布局，沿海岸線布局多個產(chǎn)業(yè)園區(qū)，改變了以往的土地利用形式，大大增加了土地的壓力，高風險土地面積擴大，應引起政府和社會的廣泛重視，在開發(fā)的同時注意控制風險不再上升，謀求降低風險的措施，有規(guī)劃地合理布局綠地和水域、濕地等生態(tài)用地［26］。

金州區(qū)生態(tài)風險逐漸呈現(xiàn)遞階結構，較高風險區(qū)集中在西南地區(qū)，較低風險區(qū)集中在東北部，中間屬于過渡地帶。從“十五”到“十二五”期間，金州區(qū)綜合生態(tài)風險指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，土地利用的生態(tài)風險逐漸增強。隨著經(jīng)濟的飛速提升，金州區(qū)由村落向城鎮(zhèn)的演化速率加快，土地利用類型產(chǎn)生了急劇演變，耕地、林地、園地和草地面積不斷減少，城鎮(zhèn)等建筑用地面積不斷擴大，而且多集中在地勢較為平坦的南部和西部地區(qū)，這些地區(qū)人口密度大、交通便利，具有發(fā)展現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的天然優(yōu)勢。此外，金州區(qū)擁有國家級經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，引進了外資外企、興建廠房、水利工程，改變了土地利用方式，導致了土地生態(tài)脅迫逐年加劇。

區(qū)域土地生態(tài)安全的演變涉及的影響因素眾多且復雜，自然與人文關系耦合多變，結合土地利用變化構造生態(tài)風險指數(shù)，一定程度上反映了因土地利用變化而導致的生態(tài)風險時空差異，如能分析出人文因素對土地生態(tài)風險的影響，結論將更具有實際指導意義。近年來，金州區(qū)的圍填海和沿海養(yǎng)殖區(qū)不斷擴大，一定程度上改變了土地利用格局，對土地生態(tài)安全也造成了脅迫。本文僅分析了風險轉移的狀態(tài)，未進行轉移機制的探究，今后應進行補充和完善。

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Ecological Risk of Land－use Time and Space Distribution Research in Jinzhou District of Dalian City Based on RS and GIS

WANG Geng，LI Ze－ yang，WANG Xiao－ rui，ZHANG Zhao－ peng
（School of Urban and Environment，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China）

In order to explore the rapid development of land use and cover changes，by deciphering the Landsat8 TM of Jinzhou District，this paper explored the ecological risk of land use transformation since “The 10th Five－ Year Plan”to“The 12th Five－ Year Plan”.Then，established the IER，based on geostatistics and spatial autocorrelation to analyze the ecological risk index.Land use structure could be converted to ecological risk variables，by the time－ spatial diversion of land use type to explore the evolution of the ecological risk.The results showed that the land use transform were of 1164.9km2，85.45%of the total，construction land area increased.The IER increased from 0.1073 in 2005 to 0.1506 in 2015，and the high risk area concentrated in the south and west，the low risk area was concentrated in the central and northeast mountain areas，the change trend of ecological risk generally presented ladder structure，increased gradually from northeast to southwest，this result related to population and economic agglomeration.The results revealed that the rapid development of urbanization，the Jinzhou District land use spatial difference of human disturbance，the conclusion could be established for the golden state in the future ecological new town district and provided scientific basis for land use planning.

land-use；ecological risk；risk index；evaluation；Jinzhou District

F301.2

A

1005－8141（2017）11－1312－05

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.11.006

2017－09－11；

2017－10－23

教育部共建人文社會科學重點研究基地項目（編號：15JJD790039）；遼寧省教育廳人文社會科學重點研究基地專項項目（編號：ZJ2014030）資助。

及通訊作者簡介：王耕（1973－），女，遼寧省沈陽人，博士，教授，主要從事區(qū)域生態(tài)安全與管理。