基于RS及GIS的南昌市土地生態(tài)安全動態(tài)評價及分區(qū)

余文波, 蔡海生, 張 瑩, 曾君喬

(1.江西農(nóng)業(yè)大學 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室/南昌市鄱陽湖生態(tài)重點實驗室, 南昌 330045;2.江西農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)村土地資源利用與保護研究中心, 南昌 330045)

經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程、人類活動及資源利用的不合理，導致土地開發(fā)強度加大，土地利用方式快速轉(zhuǎn)變，使原本自然生態(tài)系統(tǒng)脆弱的地區(qū)，受到外界干擾極易破壞，自然調(diào)節(jié)和恢復能力差，生態(tài)環(huán)境安全問題突出[1]。隨著20世紀80年代環(huán)境管理目標及觀念的改變，生態(tài)安全研究逐漸加多，肖篤寧等[2]認為生態(tài)安全研究是從人類對自然資源的利用與人類生存環(huán)境兩個角度來分析人地生態(tài)安全系統(tǒng)；王根緒等[3]認為生態(tài)安全是在生態(tài)系統(tǒng)完整性和各種風險下，人類維持自身及生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的可持續(xù)能力的認識和研究判斷；曲格平[4]從國土生態(tài)安全、水生態(tài)安全、環(huán)境與健康安全、生物安全等論述了中國生態(tài)安全的問題。十八屆三中全會提出建立系統(tǒng)完整的生態(tài)文明制度體系，劃定生態(tài)保護紅線，用制度保護生態(tài)環(huán)境。十八屆五中全會更是把增強生態(tài)文明建設(shè)首度寫入國家五年規(guī)劃；2017年10月，國家印發(fā)了《國家生態(tài)文明試驗區(qū)(江西、貴州)實施方案》，將生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)文明體制改革推向一個新的高潮。開展土地生態(tài)安全動態(tài)評價，為區(qū)域經(jīng)濟社會加快走上生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路助力，順應(yīng)了生態(tài)文明建設(shè)的時代要求。

區(qū)域生態(tài)安全問題日趨嚴峻，研究主要涉及研究方法、指標體系的構(gòu)建、研究尺度、預(yù)警、安全格局、安全閾值等方面。國內(nèi)外生態(tài)安全評價研究日趨成熟，研究內(nèi)容更加廣泛，包括耕地、森林、濕地、海洋等[5-7]；研究區(qū)域及尺度不斷擴展，涉及城市、流域、行政區(qū)劃等；研究方法不斷發(fā)展有綜合評價法、物元模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、能值分析、懲罰變權(quán)模型等[6-12]。3S技術(shù)的發(fā)展，不少學者將3S技術(shù)和多元統(tǒng)計分析理論結(jié)合起來，成為當今研究熱點領(lǐng)域之一，廣泛運用到土地利用變化、土地生態(tài)安全評價、流域管理等中來[13-14]，借助3S技術(shù)手段獲取遙感數(shù)據(jù)，運用景觀生態(tài)學理念，結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)(土壤、氣候、地質(zhì)等)等非遙感數(shù)據(jù)進行時空動態(tài)分析，已成為土地生態(tài)安全評價的主流趨勢，但是針對評價后分區(qū)及結(jié)果的應(yīng)用、對策調(diào)控是一個薄弱的環(huán)節(jié)。

基于此，利用RS和GIS技術(shù)，選取鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)重要核心城市——南昌市作為研究區(qū)域，以2000—2015年的土地利用變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合DEM數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用PSR模型構(gòu)建指標體系，利用AHP法和熵值法綜合起來組合賦權(quán)確定指標權(quán)重，實現(xiàn)3 km×3 km格網(wǎng)尺度水平的土地生態(tài)安全綜合評價，探討土地利用變化視角下，格網(wǎng)尺度的土地生態(tài)安全時空動態(tài)格局演變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進行分區(qū)研究及調(diào)控，為該區(qū)域今后的生態(tài)保護、國土空間開發(fā)分區(qū)利用與土地政策制定提供科學的參考意見。

1 研究區(qū)概況

南昌市屬亞熱帶濕潤季風氣候，位于江西中北部，贛江、撫河的下游，處于我國第一大淡水湖鄱陽湖西南岸，城市綠化覆蓋率達到42.96%，是一座文化底蘊豐富的文明花園城市。基于遙感數(shù)據(jù)南昌市15年間土地利用變化最明顯的是耕地和建設(shè)用地，建設(shè)用地面積年均增加了7.9 hm2，耕地面積年均減少了8.6 hm2，表明城鎮(zhèn)化進程對土地利用方式的影響巨大；2015年農(nóng)民人均純收入為13 693元，相比2005年，增加了9 815元；國民生產(chǎn)總值從2000年的435.10億元到2015年的4 000.01億元，經(jīng)濟總體發(fā)展較快。“十一五”期間南昌市提出建設(shè)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)；十八大以來開展生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)，提出“綠色崛起”戰(zhàn)略，南昌市開始走轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)之路，堅持以生態(tài)環(huán)境為資源優(yōu)勢，保護生態(tài)環(huán)境，綠水青山變金山。“十二五”期間，南昌市重點圍繞建設(shè)生態(tài)環(huán)保、發(fā)展低能現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)為理念，以“綠色崛起”為戰(zhàn)略，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，整合森林、湖泊、濕地、清水、候鳥等南昌市核心的戰(zhàn)略性生態(tài)資源。南昌市探索生態(tài)崛起之路任重而道遠。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

研究數(shù)據(jù)來源于3類：遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)。Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)分為2000年、2010年、2015年3期數(shù)據(jù)，一共6景，覆蓋整個研究區(qū)域。通過ENVI 5.3軟件，對影像進行波段(543波段)組合、圖像增強、影像拼接、影像裁剪及目視解譯等處理，采用監(jiān)督分類中的支持向量機分類的方法進行遙感影像分類處理，按照中科院的分類標準將研究區(qū)土地利用類型分為6大類：耕地、建設(shè)用地、林地、草地、未利用地、水域[15]。3期數(shù)據(jù)Kappa系數(shù)分別為96%，86%，92%，作為土地生態(tài)安全評價部分指標的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于2001年、2011年、2016年江西省統(tǒng)計年鑒、南昌市統(tǒng)計年鑒及同時期南昌市各縣區(qū)的社會統(tǒng)計公報，DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云下載的30 M空間分辨率高程數(shù)據(jù)，行政區(qū)劃為全國第二次土地調(diào)查成果1∶10萬的矢量圖。

2.2 研究方法

2.2.1 指標體系構(gòu)建 壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型(PSR)是由聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署在20世紀80年代末提出的，PSR模型反映了壓力、狀態(tài)與響應(yīng)之間的相互作用。本文以考慮南昌市實地情況和指標選取的科學性、動態(tài)性、完整性等原則為出發(fā)點，參考學者們已有的研究[16-18]，構(gòu)建了“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”生態(tài)安全評價模型，分為目標層、準則層、指標層3層(表1)。壓力層主要是從人類活動對土地資源的干擾及人地矛盾考慮；狀態(tài)層是從土地生態(tài)系統(tǒng)的功能狀況、生態(tài)環(huán)境狀況等考慮；響應(yīng)層主要從采取的政策措施及本身的生態(tài)建設(shè)等出發(fā)選取指標。

表1 南昌市土地生態(tài)安全評價指標體系

2.2.2 確定評價單元 本文土地生態(tài)安全評價是基于柵格數(shù)據(jù)的，以3 km×3 km的格網(wǎng)作為基本的評價單元，運用ArcGIS分析工具得到每一個評價單元的生態(tài)安全指標值。本文通過ArcGIS軟件的Fishnet工具將研究區(qū)域劃分為909個格網(wǎng)作為分析研究的信息數(shù)據(jù)的空間載體，針對不同的數(shù)據(jù)特點，采用的量化方法如下：

(1) 對于人口密度、經(jīng)濟密度、農(nóng)村人均純收入等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以南昌市各縣區(qū)行政區(qū)為統(tǒng)計單元來統(tǒng)計指標，采用矢量化的方法后將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，然后利用空間分析里面的以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計工具得到每個格網(wǎng)的數(shù)據(jù)。

(2) 對于土地利用數(shù)據(jù)等柵格數(shù)據(jù)，直接統(tǒng)計分析得到每個格網(wǎng)的數(shù)據(jù)，坡度數(shù)據(jù)是利用ArcGIS軟件將DEM轉(zhuǎn)換而來，采用分區(qū)統(tǒng)計得到。

(3) 對于景觀多樣性、景觀破碎度等數(shù)據(jù)，先是利用ArcGIS軟件將各時期的土地利用變化矢量數(shù)據(jù)按照格網(wǎng)批量轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，得到每一個格網(wǎng)的土地利用類型數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)批量導入到景觀格局分析Fragstats 3.4軟件中，計算每個格網(wǎng)在景觀水平上的多樣性、破碎度、分離度等指數(shù)；NDVI數(shù)據(jù)通過基于遙感數(shù)據(jù)利用ENVI 5.3軟件計算得出。

2.2.3 指標量化 針對不同的指標數(shù)據(jù)特征，使用不同的方法對其進行標準化處理，使其標準化到0～1，文章具體采用極差標準化法及等級賦值法。

(1) 等級賦值法。對于土地利用類型、坡度、NDVI等指標，土地利用類型指標、NDVI等利用專家知識及參考學者們的研究[19-20]，采用等級賦值法的方法進行標準化處理。具體標準選取如表2所示。

(2) 極差標準化法。將指標劃分為正向指標及負向指標，正向指標表示數(shù)值越大，生態(tài)安全狀況越好，反之亦然。具體處理方法如下：

(1)

(2)

表2 等級賦值法分級標準及判分

2.2.4 權(quán)重計算 權(quán)重的確定方法有很多，為了使指標權(quán)重更趨于合理及科學，本文在綜合主觀確定權(quán)重的層次分析法及客觀的熵值法的基礎(chǔ)上，分別計算兩者的權(quán)重，然后平均加權(quán)得到每一期的綜合指標權(quán)重，利用層次分析法及熵值法的組合賦權(quán)法，既可以科學體現(xiàn)數(shù)據(jù)本身的內(nèi)在特質(zhì)，又能很好地表達人的主觀能動性，能在一定程度上解決單一賦權(quán)重方法不確定性的問題[21]。以下介紹熵值法的計算過程：

(1) 確定指標信息熵值e及效用值d。

(3)

指標的信息效用值等于信息熵與1之間的差值：

dj=1-ej

(4)

(2) 指標權(quán)重計算：

(5)

2.2.5 土地生態(tài)安全指數(shù)計算 綜合權(quán)重為層次分析法和熵值法各取0.5系數(shù)作為其加權(quán)相乘得到每一期的綜合權(quán)重值。權(quán)重乘以極差標準化及等級賦值后的值得到綜合指數(shù)ESI。生態(tài)安全值越大，表明南昌市土地生態(tài)安全狀況越好，反之，則越差。如下：

(6)

2.2.6 土地生態(tài)安全評價等級標準 根據(jù)上述方法計算的土地生態(tài)安全綜合評價分值位于0～1，分值越大表明生態(tài)安全水平越高，反之，生態(tài)安全等級越低。本文參考相關(guān)研究[22-23]，將研究區(qū)域劃分為5個等級(表3)。

表3 南昌市土地生態(tài)安全等級劃分標準

2.2.7 分區(qū)理念 土地生態(tài)安全評價后，為了更好地服務(wù)于研究區(qū)域，便于生態(tài)環(huán)境的治理及調(diào)控，對研究區(qū)域進行分區(qū)，針對不同的土地生態(tài)安全等級進行優(yōu)化采取措施，提高區(qū)域生態(tài)安全值及減少人類活動對環(huán)境的破壞，同時及時修復生態(tài)環(huán)境，利于建設(shè)美麗中國。本文依照格網(wǎng)化后的土地生態(tài)安全評價值，采取相對變化率(C)進行分區(qū)，分為生態(tài)退化區(qū)、生態(tài)持平區(qū)、生態(tài)恢復區(qū)3種[24]。

將C≤0的劃為生態(tài)退化區(qū)(生態(tài)環(huán)境變化相對變差)；01的劃為生態(tài)恢復區(qū)(生態(tài)環(huán)境變化相對變好)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于格網(wǎng)的水平評價結(jié)果與分析

總體上來看，從2000年的臨界安全到2010年及2015年的以較安全為主，土地生態(tài)安全呈現(xiàn)變好的走勢。如表4所示，2000年南昌市土地生態(tài)安全以臨界安全為主，面積比例達到76.96%，面積為5 525.57 hm2，不安全次之、較安全最少；2010年較安全取代臨界安全成為主要的成分，比例達到55.41%，臨界安全比例為44.59%，而不安全比例為0.01%，10年間南昌市臨界安全下降了32.37%，年均下降速度為3.2%，面積減少了2 324.21 hm2，不安全等級逐漸退出了，相對變化很大；2015年南昌市以較安全為主，比例為76.65%，其次為安全等級，比例為19.97%，臨界安全比例為0.38%；2010—2015年，5年間相對變化較大的為臨界安全等級，比例從44.59%變?yōu)?.38%，下降比例為44.2%，年均下降速度為8.84%，面積下降為3 137.63 hm2；2000—2015年，臨界安全等級比例下降了76.58%，面積為5 498.56 hm2，年均下降比例為5.11%，較安全等級提升了70.35%，年均提升比例為4.69%，面積為5 051 hm2。

從格網(wǎng)數(shù)看，2000年，臨界安全等級的格網(wǎng)數(shù)最多為684個，除了北部外，其他地區(qū)分布連片集中，整體性較好，而不安全及較安全等級分布較為零散，組團性較差。2010年，以臨界安全及較安全為主導，格網(wǎng)數(shù)分別為407個和499個，和2000年比較，較安全等級的格網(wǎng)數(shù)增加了418個，主要集中呈現(xiàn)出從東北到西南的條狀，變化較小格網(wǎng)集中東北部，由臨界安全變化到較安全的格網(wǎng)主要是東南部及西部區(qū)域。2015年，相較于2000年來說，不安全等級格網(wǎng)從144個變?yōu)?個，南昌市土地生態(tài)安全經(jīng)歷了從不安全到臨界安全的總體趨勢變化，格網(wǎng)數(shù)變化最多的是647個，由2000年最初的81個到2015年的728個。2010—2015年，變化最明顯的是臨界安全等級的格網(wǎng)數(shù)，從2010年的407個到2015年的6個，5年間減少了401個。

表4 南昌市土地生態(tài)安全綜合評價結(jié)果

3.2 基于格網(wǎng)的時空評價結(jié)果與分析

如圖1所示，從空間結(jié)構(gòu)看，2000年，南昌市土地生態(tài)安全北部及中西部低、中南部高；2010年南昌市中東部較高，西南和東北方向較為平穩(wěn)；2015年南昌市整個市域較高，以中北部及西南部低。15年間，南昌市土地生態(tài)安全空間格局變化大，變化最大的是北部及中西部，其次為東部為主，經(jīng)歷了3層等級逐漸向兩層等級結(jié)構(gòu)變化的趨勢，內(nèi)部差異性呈現(xiàn)出由大變小、由分散到聚集的空間演變規(guī)律。15年間變化最明顯的區(qū)域是位于東北部的，格網(wǎng)從不安全變?yōu)榘踩燃墸袞|部及西北部的格網(wǎng)區(qū)域，從臨界安全等級變?yōu)榘踩燃墸鄬碚f，西南部及中北部的格網(wǎng)變化情況最慢；2010—2015年，東北到西南部的格網(wǎng)呈現(xiàn)出條狀的空間變化趨勢，由臨界安全等級變?yōu)榘踩燃墶?/p>

從行政區(qū)劃看，2000年不安全等級主要分布在新建縣北部、灣里區(qū)、青山湖區(qū)、西湖區(qū)等，臨界安全為安義縣、新建縣南部、南昌縣北部、進賢縣等，較安全集中在南昌縣南部。2010年臨界安全主要是集中在南昌縣、新建縣北部、灣里區(qū)，安義縣西北部等，較安全主要為進賢縣、新建縣中部及南部、青云譜區(qū)、青山湖區(qū)、安義縣等，其中變化趨勢最大的是青云譜區(qū)及青山湖區(qū)等。2015年臨界安全主要分布在灣里區(qū)的北部及中部，進賢縣、南昌縣、新建縣東北部、安義縣、青云譜區(qū)等處于較安全等級，安全等級主要集中在東湖區(qū)、青山湖區(qū)及新建縣北部及南部區(qū)域，相較于2010年，變化最大的區(qū)域是新建縣北部區(qū)域，從臨界安全變?yōu)榱税踩燃墶?/p>

圖1 2000年、2010年、2015年南昌市土地生態(tài)安全格局狀況

3.3 生態(tài)安全分區(qū)及治理對策

從圖2可以看出，2000—2015年，南昌市土地生態(tài)安全分區(qū)以生態(tài)持平區(qū)為主，面積為6 477.03 hm2；其次生態(tài)恢復區(qū)面積為693.73 hm2；生態(tài)退化區(qū)最少面積為9.39 hm2。南昌縣、進賢縣、安義縣全部及灣里區(qū)、青山湖區(qū)等都處于生態(tài)持平區(qū)，生態(tài)恢復區(qū)分區(qū)有新建、南昌北部濕地生態(tài)恢復區(qū)及東西湖城市生態(tài)恢復區(qū)。東西湖城市生態(tài)恢復區(qū)等作為南昌市的主城區(qū)，早就轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式，以第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主，同時加速生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、生活性服務(wù)業(yè)的升級轉(zhuǎn)變，同時加快老城區(qū)“舊城復興”之路，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)拆遷、改造、保留三者的關(guān)系，注重在保護特色紅色資源的基礎(chǔ)上，提高市民的生活環(huán)境，強化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在生態(tài)保護的理念下注重平穩(wěn)發(fā)展；新建、南昌北部濕地生態(tài)恢復區(qū)以土地生態(tài)保護為主，禁止開發(fā)土地，加強濕地及生態(tài)保護區(qū)的保護。其他生態(tài)持平區(qū)土地生態(tài)問題良好，要穩(wěn)發(fā)展、重保護的理念，所以其要以綠色發(fā)展作為發(fā)展導向，優(yōu)化三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，加大對區(qū)域水資源及濕地、生態(tài)保護區(qū)的保護；嚴格控制用地指標，清理閑置土地，針對部分南昌、進賢等農(nóng)業(yè)強縣要優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高技術(shù)水平，發(fā)展優(yōu)勢特色的現(xiàn)代種植業(yè)；加快舊城改造工程，提高綠地及森林覆蓋率；加快編制村莊規(guī)劃，嚴格加強農(nóng)村建房審批及整治農(nóng)村衛(wèi)生情況，加快土壤污染及農(nóng)田水利設(shè)施治理，減少農(nóng)業(yè)面源污染，保護耕地資源。

圖2 2000-2015年南昌市土地生態(tài)安全分區(qū)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

從格網(wǎng)尺度分析土地生態(tài)安全時空分異規(guī)律，格網(wǎng)選取是3 km×3 km尺度相對較大是否會弱化數(shù)據(jù)空間層面上可視化的差異性，有待進一步深入探討；統(tǒng)計數(shù)據(jù)要考慮從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度進行空間矢量化，會提高評價精度。限于指標的可獲得性及有限性，指標體系是參考學者們研究而來，指標選取后并沒有進行相關(guān)性分析，需對指標進行相關(guān)性分析，從研究區(qū)域出發(fā)選取具有區(qū)域性、特色性的指標。

基于3S技術(shù)對南昌市土地生態(tài)安全動態(tài)評價的基礎(chǔ)上進行合理分區(qū)，對分區(qū)結(jié)果進行管控，為優(yōu)化國土空間開發(fā)格局、構(gòu)建國土全域保護格局及生態(tài)功能區(qū)綜合整治提供重要信息；同時如何選取預(yù)警模型對該區(qū)域土地生態(tài)安全走勢進行正確預(yù)測，是今后的趨勢之一。

4.2 結(jié) 論

(1) 時間上，15 a來，南昌市土地生態(tài)安全經(jīng)歷了以臨界安全到以較安全為主的良好發(fā)展態(tài)勢。其中，2010—2015年，臨界安全等級和較安全等級5年間變化最大，綠色崛起戰(zhàn)略及打造生態(tài)文明建設(shè)“江西樣板”是“十二五”生態(tài)安全狀況快速好轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動力。

(2) 時空分異上，從分散逐漸呈現(xiàn)出同一等級集中連片性的空間規(guī)律。2000年北部及中西部低、中南部高；2010年中東部較高，西南和東北方向較為平穩(wěn)；2015年南昌市整體較高，中北部及西南部低。

(3) 分區(qū)上，生態(tài)持平區(qū)面積最廣，生態(tài)恢復區(qū)則是小區(qū)域成片集中。南昌縣、進賢縣、安義縣全部及灣里區(qū)、青山湖區(qū)等都處于生態(tài)持平區(qū)，生態(tài)恢復區(qū)有新建縣北部濕地生態(tài)恢復區(qū)及東西湖城市生態(tài)恢復區(qū)。

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