廣西左右江革命老區土地利用空間變化的生態風險測度

毛碑裙 毛丹 韋燕飛 童新華

[摘要]隨著經濟的快速發展，土地利用變化越來越活躍，區域生態安全受到威脅，開展山區生態風險測度對區域生態建設和可持續發展具有重要意義。以廣西左右江革命老區為研究范圍，基于GIS和RS技術，構建土地利用動態變化空間分析模型，結合土地利用轉移矩陣，引入土地生態風險指數、土地利用變化綜合生態風險度，對研究區土地利用變化及其生態風險進行測度和分析。結果表明2010～2015年期間：（1）研究區主要在草地、耕地、林地、建設用地等地類間劇烈轉化，土地利用結構發生改變;（2）經濟快速發展、建設用地不斷擴張、人口密度和糧食需求量增加，導致土地生態系統、景觀格局穩定性下降，土地生態風險發生率變大;（3）研究表明生態風險指數和土地利用的綜合生態風險度結論一致，均呈上升趨勢，土地利用程度綜合指數和耕地墾殖指數增大，景觀多樣性和植被覆蓋指數減小，研究區生物多樣性和生態安全受到威脅，生態風險程度呈上升趨勢。

[關鍵詞]土地利用變化;生態風險;空間變化;GIS;廣西左右江革命老區

[中國分類號]F301[文獻標識碼]A

人類活動及其對土地利用的方式與生態系統的穩定相關聯，土地利用空間變化，在一定程度上影響土地資源的結構與類型以及區域生態環境安全。國家非常重視廣西的發展及如何保護廣西的生態環境，各相關部門于2016年共同討論制定了《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》。此外，通過編制和實施2006～2020年全國各級土地利用總體規劃，使得廣西各地區的土地利用變化明顯，針對石漠化山區，對土地利用空間變化及土地生態風險的研究也引起了人們的重視。

隨著科技的發展、時間的推移、生態系統的變化，越來越多的人開始關注因土地利用變化而產生的生態風險，盡管我國較晚開始研究土地利用變化和生態風險的相互關系，但是現在已經引起了學術界的關注，縱觀國內外開展的針對性研究，很多研究發現，土地利用的作用和強度，可能影響生態系統之間可用資源的相互轉化。彭文君等對貴州省晴隆縣石漠化山區1988～2016年土地利用空間上的變化及其對土地生態產生的風險進行研究。楊勇等基于西安市長安區1985年、2000年和2013年的遙感數據，借助GIS和RS技術，結合生態風險相關指標和模型評價研究區的生態風險。馬彩虹等憑借GIS技術，分析了黃土臺源區土地資源開發利用的恃征與土地利用生態風險分布情況，并提出建議。劉亞等分析了西峽縣1990～2005年15年間土地利用和生態風險的變化特征以及兩者的關系。程麗華等運用土地利用指數和景觀指數評價1999～2009年廣西岑溪市的土地生態風險。彭青青等利用熵權法計算黃石市各區域各地類的生態風險參數，研究黃石市的土地生態風險。L.L.Ubugunov驗證了采用風險分析技術對荒漠化進行生態評價的可行性。Paukert等通過生態風險指數和景觀分析，得到區域生態風險的情況。Valicla等分析流域的生態風險變化，研究區域生態安全。對于生態風險的相關研究，主要集中在生態風險變化為何是因為土地利用而引起的，這些研究成果為項目的研究提供了較好的借鑒，但對所選研究區域的研究較少，大多分析研究城區、道路、水域等區域，對石漠化地區土地生態風險的研究較少。因此，針對石漠化山區，研究土地利用空間變化及土地生態風險是十分必要的。本文以此為切入點，借助RS和GIS技術，構建相關模型和指標體系—土地利用空間分析模型和生態風險評價體系，進而對土地利用變化的生態風險進行測度，反映土地生態風險動態變化的狀況，為區域土地生態環境的管理和保護石漠化地區生態安全提供借鑒。

1? ? 研究區概況

廣西左右江革命老區位于廣西西南部，介于104°28′～109°09′E、21°36′～25°37′N間，包含南寧市的隆安縣和馬山縣及百色市、河池市、崇左市，是集革命老區、少數民族地區、邊境地區、大石山區、貧困地區、生態保護重點區域、資源富集區和城鎮帶重點發展區域多種社會經濟功能交織的特殊區域。因其是亞熱帶季風氣候，所以該區炎熱時期偏長，寒冷時期較短，寒苦惡劣天氣較少，光照和雨量相對來說較為充足。該地區地形復雜，地貌類型主要由山地、平原、丘陵組成，是中國較為突出的喀斯特地區，生態環境優勢、區位優勢、動植物和農業特色資源優勢明顯，土地利用空間格局變化顯著，生態環境問題突出。該區域土地總面積為9.17萬hm2，2014年底左右江革命老區總人口為1177.17萬人，生產總值達到2270.1億元，這歸功于其充分利用獨特豐富的資源，大力發展生態旅游、種植特色果樹、藥材或娛樂休閑等產業。還有區域內多民族聚居，少數民族人口占總數人口的83%。研究區位置示意圖如圖1所示。

2? ? 數據來源與研究方法

2.1? ? 數據來源

本文的數據主要來源于地理空間數據云平臺與《廣西統計年鑒》。在地理空間數據云下載研究區2010年和2015年Landsat影像，結合ENVI5.1遙感影像處理軟件進行預處理，流程為輻射定標、大氣校正、拼接與裁剪。應用監督分類與目視解譯相結合的方法將土地分為六類：林地、草地、耕地、水域、未利用地和建設用地，并進行精度評價，其總體精度及Kappa系數分別達到0.90，0.86。然后用ArcGIS10.2，對研究區2010年、2015年兩期遙感影像提取研究所需的土地利用類型的數據，將所得的兩期類型圖進行融合、疊加分析處理，再經柵格計算器計算出土地利用類型面積轉移矩陣，為測算土地利用類型的空間轉化率、土地生態風險指數和土地利用變化的綜合生態風險度奠定基礎。

2.2? ? 研究方法

2.2.1? ? 土地利用動態變化空間分析模型。土地利用動態變化的空間分析模型可以準確的測算土地利用類型在某個時段變化的活躍程度，本文利用該空間分析模型分析在研究期土地利用類型的新增部分和轉移部分如何變化及兩者的變化速率為多少。計算公式如下：

IRLn=100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

TRLn= 100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

CCLn=100%=IRLn+TRLn? （3）

上述公式中：代表研究初期（2010年），代表研究末期（2015年）;IRLn為第n種地類的轉入速率;為2015年第n種地類的面積;為研究期間第n種地類未變化部分的面積;是研究期間第n種地類新增部分面積，TRLn為第n種地類的轉出速率;是研究期間轉移部分的面積;CCLn為第n種土地利用類型的空間變化速率。

2.2.2? ? 土地利用空間變化率指數。 計算某地類空間變化程度時可用土地利用空間變化率指數，前面引用的空間分析模型同時分析了新增和轉移變化過程，并計算它們的變化速率，但是不能體現各地類的相互變化程度，所以，土地利用空間變化率指數能彌補不足，進而分析研究期間各地類間的相互變化情況。其計算公式如下：

Fn

Fn =? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

上述公式中：分別表示研究初期和研究末期的時間，Fn是第n種地類的空間變化率指數;A是研究區的面積;是研究期間該類型土地的總變化量。

2.2.3? ?土地生態風險指數。基于左右江革命老區2010、2015年的遙感影像數據，按照各地類面積比重，運用土地生態風險指數，關聯土地利用和生態風險，以反映綜合生態風險。其計算公式如下：

RE =? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

上述公式中：m是土地利用類型的數量，RE是土地生態風險指數;是研究區的總面積;指第n種地類總面積;是第n種地類的生態風險強度系數。通過參考相關文獻，確定生態風險強度系數為：林地0.14、草地0.16、耕地0.32、建設用地0.72、未利用地0.82、水域0.45。

2.2.4? ? 土地利用變化綜合生態風險度的指標選取。選取六個土地利用指標及景觀指標對土地利用變化的風險度進行分析，其中土地利用程度分級指數參考學者劉紀遠研究，確定為：未利用地為1，草地、林地、水域為2，耕地為3，建設用地為4。各指標的詳細信息如表1。

3? ? 結果與分析

3.1? ? 土地利用動態變化的空間類型

運用Arcgis10.2中的工具箱中柵格計算器處理廣西左右江革命老區2010年和2015年的土地利用數據，得到廣西左右江革命老區2010～2015年的土地利用面積轉移矩陣，以及該區近5年來32個縣的土地利用類型變化情況。

2010～2015年間，大量草地轉為耕地的地區有德保縣、田陽縣、扶綏縣、那坡縣、靖西縣、寧明縣、大新縣、宜州市、羅城仫佬族自治縣、環江自治縣、大化瑤族自治縣等;草地轉為林地的地區主要有隆林各族自治縣、寧明縣、右江區、田林縣、都安瑤族自治縣、田東縣、大化瑤族自治縣、南丹縣、大新縣、環江毛南族自治縣、天峨縣等;草地轉為建設用地的主要地區有扶綏縣、寧明縣、憑祥市、右江區、靖西縣、金城江區、羅城仫佬族自治縣等;大量林地轉為耕地的地區主要有德保縣、田陽縣、靖西縣、平果縣、田東縣、扶綏縣、環江毛南族自治縣、江州區、羅城仫佬族自治縣、龍州縣、宜州市等;林地轉為建設用地的地區有右江區、江州區、扶綏縣、田陽縣、平果縣、寧明縣、宜州市等;田林縣、樂業縣、隆林各族自治縣等地區的耕地轉為林地，還有許多縣域的水域、林地、耕地相互轉換。左右江革命老區的草地、林地、耕地、建設用地等四種土地利用類型相互轉換較為劇烈。

由圖2中各地類的轉移去向和新增來源的轉化率可知，研究期間，左右江革命老區草地轉移去向占地類總減少面積的比重最大，高達67.96%，大部分轉為耕地、建設用地及林地，但是其新增來源僅有7.68%，林地轉移去向占比為22.18%，水域、未利用地所占比重小;新增來源占新增總面積的比重由大到小依次為林地、耕地、草地、建設用地、水域、未利用地，其中林地有66.95%、耕地有23.18%，林地雖然轉移去向相對也較大，但因其新增來源所占比重最大且高于轉移去向，所以林地面積整體還是增加的。建設用地新增和轉移占比為1.61%和0.73%，未利用地和水域無明顯變化。總體而言，研究區的林地、草地、耕地間轉化率較大，水域、建設用地、未利用地間轉化率基本不變，耕地、建設用地、林地的擴張，說明研究區近5年來經濟快速發展，著重發展特色種植業，人民生活質量得到改善，建設用地需求量增加，且退耕還林的政策取得實效。

3.2? ? ?土地利用類型面積轉移矩陣分析

通過柵格計算器計算得到2010～2015年左右江革命老區土地利用類型變化的面積轉移矩陣（表2），最后利用Arcgis10.2制作2010～2015年土地利用轉移信息圖（圖3）。分析可知，2010～2015年以來，研究區的耕地、建設用地、林地的面積增加，相反地，草地、水域面積變小，未利用地基本不變，但也呈減少趨勢。重點體現在：占用大量的林地用于建設各類建筑或種植農作物，即林地→建設用地和耕地;大量墾草種植或修建房屋，表現為草地→耕地、建設用地、林地;退耕還林使得研究區耕地向林地和草地轉變;因各地區存在修建水壩、渠道、橋梁和建設蓄水工程等現象，出現了水域→建設用地這一轉化形式;還有部分水域轉為林地和耕地，是因為區域的一些河流因為水位下降而出現中心洲和有部分居民在河邊的河床處種植糧食。

3.3? ? 土地利用動態變化的空間特征

根據公式（1）、（2）、（3）計算研究區域的土地利用類型的空間變化速率（表3），2010～2015年左右江革命老區林地、耕地變化較活躍，空間變化速率分別為46.94%、31.70%，轉入速率分別為33.97%、21.37%，林地的轉出速率比耕地大，草地的轉出速率最快，達到19.56%，但轉入速率僅有1.28%，然后依次為林地、水域、未利用地、建設用地。研究區的林地、耕地空間變化最為強烈，可見，研究區域城鎮化發展快，建設用地擴張，特色產業發展等都依靠草地、林地、耕地的轉化。

3.4? ? 土地利用類型空間變化的劇烈程度

由公式（4）計算、分析可知，2010～2015年左右江革命老區的草地變化最為強烈（表4），變化率高達13.57%，林地、耕地、水域、建設用地、未利用地變化依次減弱，分別為9.79%、3.76%、0.18%、0.14%、0.03%，林地、耕地面積變大，無明顯變化的有水域、建設用地和未利用地，特別是未利用地。說明扶貧政策和西部大開發等契機使得研究區的休閑、紅色、綠色旅游業和芒果、核桃等種植業迅速發展，各種基礎設施系統完善，林地、草地、耕地等地類相互轉化越來越活躍，空間變化越來越顯著。

3.5? ? 土地生態風險空間分析

由公式（5）計算得到2010年、2015年研究區各縣域的土地生態風險指數（表5），近5年來有9個縣區的土地生態風險指數是下降的，其他21個縣都呈上升趨勢，還有兩個縣的風險指數值沒有發生變化，扶綏縣、隆安縣、江州區、田林縣的風險指數變化較大。雖然各縣區的風險指數波動不大，但是整體是上升的，還需要人們共同保護土地生態安全，改善環境質量。

根據自然間斷點分級法，結合本文計算所得的土地生態風險指數值，將其劃分為五個等級，分別為低（0～0.0119）、較低（0.0120～0.0157）、中（0.0158～0.0194）、較高（0.0195～0.0244）、高（0.0245～0.0406）五個級別，通過Arcgis10.2軟件分析處理得到2010年和2015年左右江革命老區各縣域的土地生態風險空間分布圖（圖4）。各縣兩個時期變化不算特別明顯，2010年有7個縣域處于低生態風險級，9縣域處于較低生態風險級，5個縣域處于中等生態風險級，9個較高風險級，其余5個縣域處于高風險級，末期低生態風險級縣域減少2個，較低、高生態風險級均減少1個，中等、較高風險級縣域分別增加1個和3個，其中田林縣從高等生態風險級變成較高生態風險級，隆安縣從中等風險級變成較高風險級。雖然各縣域的土地生態風險空間分布圖顯示有少部分縣域的生態風險等級下降，但石漠化面積還很大，生態環境質量也較差，需要相關部門制定一些有針對性的措施提高環境質量。

由于部分地區過度開發礦產資源，且土地利用變化主要只體現在草地、林地、耕地、建設用地等地類間的劇烈轉換，城鎮化擴展較快，各類建設規劃不夠合理，研究區的生態較為脆弱，發生土地生態風險機率較高。

3.6? ? 土地利用變化的綜合生態風險度分析

根據所選的三個土地利用指數和三個景觀指數分析：土地利用綜合指數、耕地墾殖指數、景觀破碎度越大，則風險程度也越大，計算時取正號;植被覆蓋指數、景觀多樣性和景觀優勢度指數越大，風險度越小，計算時取負號。最后將這六個指數歸一化，求和便可得到研究區2010年、2015年土地利用變化的綜合生態風險度，如表6所示。

2010～2015年研究區的生態風險度由0.838增加至2.448，表明研究區的生態風險程度呈上升趨勢。

（1）土地利用程度綜合指數增加。近5年來，研究區發展迅速，環山路和基礎設施不斷增加，各種經濟活動離不開土地資源開發利用，所以在人類活動干擾下，研究區的土地利用程度綜合指數增加。

（2）耕地墾殖指數增加。石山區的人均耕地少，當地居民大量開荒耕種，隨著科學技術的發展，耕種方式有所創新，“小塊并大塊”模式得到推廣，且財政投入資金加大，對農民起激勵作用，所以研究區開墾種植的面積不斷增加。

（3）破碎度指數增加。因為人類活動強度的增加，原本同一地類相連接的大片面積被分割多個斑塊，研究區建設用地的斑塊數增加最多，草地斑塊面積減少幅度最大，導致生態風險強度增加。

（4）植被覆蓋指數減小。因城市化發展，建設用地占用了很多草地，農民過度的開墾草地種植糧食或果樹，草地面積大幅度減少，土地利用方式不合理，此外，人類的亂砍濫伐和過度開采，使植被受到重創，數量越來越少，所以研究區植被覆蓋率下降，生態環境問題日益突出。

（5）多樣性指數減小。景觀多樣性反映了景觀的復雜程度，與生產力水平、物種分布、生物多樣性等密切相關，研究區的景觀類型較為單一，會影響生物多樣性和區域生態安全。

（6）優勢度指數減小。受人類活動的影響，研究區各類景觀類型以及所占的比例差異都發生了變化，建設用地景觀的擴張，草地景觀類型面積占比減少，景觀格局穩定性下降，生態風險發生幾率變大。

4? ? 結論

本文基于ENVI5.1監督分類方法獲得土地利用變化數據，通過Arcgis10.2、Fragstats4.2等軟件，構建土地利用動態變化空間分析模型和生態風險評價體系，對廣西左右江革命老區的土地利用變化時空特點、轉化過程以及生態環境演變規律進行研究分析和總結歸納，為保障區域生態安全提供參考。

（1）通過分析土地利用變化時空特點和轉化過程可知：2010～2015年左右江革命老區縣域土地利用類型主要在林地、草地、耕地、建設用地間相互轉化十分劇烈，總體變化體現為林地、耕地、建設用地面積不斷增加，草地面積急劇減少，未利用地、水域變化不顯著，呈減少趨勢，究其原因，第一是喀斯特石漠化地區可利用耕地少，人們大量毀林毀草用于種植和建房，或靠砍伐樹木改善生活水平;第二是2012～2015年廣西石漠化綜合治理的工作方案中講到要推進貧困多石山區的經濟發展，對部分石漠化地區進行了土地、河域整治;第三是研究區以西部大開發和扶貧政策為契機，加快城鎮化進程、旅游業發展、大量種植果樹，及實施退耕還林等政策。

（2）通過分析土地生態風險空間變化可知：2010～2015年左右江革命老區有65.63%的縣域土地生態風險值增加，28.13%的縣域土地生態風險值減少，生態風險指數整體增加，且石漠化地區裸巖多，土地貧瘠，水源逐漸枯竭，植被難生長，自然災害多發，會導致土地結構惡化、森林植被和種群數量減少、人地矛盾加劇、經濟發展受阻礙等，雖然近年來研究區石漠化等級有所好轉，但石漠化面積仍很大，綜合治理面臨新挑戰，總而言之，研究區土地生態系統、景觀格局穩定性下降，生態安全受威脅，生態環境問題突出，生態風險發生率變大。為了保障研究區生態安全，應該因地制宜，合理開發土地等自然資源，結合區域特色，發展種植核桃或芒果+農作物或珍貴藥材、特色農業+觀光旅游等產業，調整土地利用結構布局，降低土地生態風險發生率。

（3）通過分析土地利用變化的綜合生態風險度可知：區域土地利用的綜合生態風險度呈上升趨勢，具體表現為景觀多樣性、景觀優勢度、植被覆蓋指數減小，耕地墾殖指數也增大，土地利用程度綜合指數則增大兩倍，反映研究區生態系統日趨脆弱、人地矛盾突出、區域生態安全問題愈演愈烈、人口—環境—經濟發展惡性循環，這與石漠化帶來的危害有關，也與研究區經濟快速發展、建設用地不斷擴張、各類用地分布不合理、人口密度增加、糧食需求量增加、各種體制不完善等有關。

土地利用變化的綜合生態風險度和前面的土地生態風險值研究結論一致，表明本文所用的研究方法是科學合理且可行的。若要改善區域生態環境，降低土地生態風險，就得合理的開發利用土地、礦產、自然生態等各種資源，調整土地利用結構，完善各項機制，保障區域生態安全;城鎮發展要合理規劃，控制建設用地密度;廣泛推廣一些取得實效的治理模式，調動農民積極性，提高土地生產力;利用區域特色和區位優勢，發展生態旅游、特色農業和畜牧業;實施占補平衡、退耕還林、封山育林等政策;重視經濟、環境、生態三效益統一和生態文明建設，實現可持續發展。

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