基于土地利用變化的糧食主產區土地生態安全研究

摘要：通過RS和GIS平臺，綜合運用遙感影像、統計報表及抽樣調查數據，研究糧食主產區縣域土地利用變化及其生態安全狀況。模型分析表明，在當前快速城鎮化的背景下，近6年來河南省新鄭市高景觀生態功能性用地內部轉移加劇、單一功能基礎設施用地增加明顯，達82.89%，高通道、高增長區域結構演變相對劇烈，平均幅度超過5.56%，整體呈現“Y”型支撐、外圍交錯散布土地利用變化空間格局。相對應，土地利用結構變動引致土地生態安全性降低，且表現出各區域同向退化、整體均衡趨勢。進一步研究發現，城鎮化速度與土地利用結構變動呈正相關，切實影響生態環境，貢獻率超過45%，遠大于工業化及其他因素，而指向性土地制度因素對生態安全影響較小。

關鍵詞：土地利用變化；生態安全；糧食主產區；新鄭市；河南省

中圖分類號：X821 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3451-05

生態安全和糧食安全是國家安全的重要組成部分，土地資源作為其重要的支撐載體，其生態安全事關經濟社會的可持續發展。20世紀以來，人類經濟活動的加劇和對土地資源的不合理開發利用，導致自然土地覆被格局劇烈改變，對區域及全球生態環境都產生了重大影響[1-6]。中國隨著工業化、城鎮化進程的加快，越來越普遍地面臨著生態問題。土地生態安全已逐漸成為當前生態學、地理學以及資源與環境科學研究領域的前沿任務和重要課題，引起了學者們的重視并投入力量研究，已取得了許多很有價值的研究成果[2-4，7-10]。國內張軍以等[3]探討了PSR框架評價體系及權重的確定方法；李明月等[7]借鑒歷史數據運用BP神經網絡方法評價城市土地生態安全；陳彩虹等[8]基于PSR模型利用層次分析和模糊數學方法對湖南省長沙市生態安全進行評價分析；蒙吉軍等[9]以GIS和計量手段研究典型區域生態安全狀況；楊志等[10]探討基于PSR模型土地生態狀況評價的問題及思路；許聯芳[11]將3S和計量技術匹配，測算縣域生態資產并分析了區域生態狀況及其驅動因素。

上述研究者近年來的關注焦點主要在土地生態安全的指標體系構建和對生態安全閾值的確定上，這對于揭示土地生態環境演變及其內在影響機制作出了貢獻。但結合LUCC來評價的研究還相對較少[12]，且僅有的研究對象多集中在指定區域。由于中國國土面積廣袤，各地經濟發展水平和發展環境迥異。在某一類型區域的研究成果應用于其他區域則不盡適合。如山東省棲霞市山區的生態安全整體變化幅度較小，生態環境的主要影響因素是土壤養分與水土流失等[13]。而在北京市近郊區生態安全變化加劇且與中心城區距離呈逆向變化，土地利用結構變化等人文社會因素則為生態安全構成的主要來源[14]。在經濟發展水平較低的農村地區，地理環境因素、土地利用類型與結構在土地生態安全中發揮著較大作用[15，16]。因此，從土地利用變化的視角研究特殊類型區域的土地生態環境及其影響因素具有重要意義。

河南省作為中國的農業大省，糧食優勢突出（2011年糧食產量占全國糧食總產量的9.7%，僅次于黑龍江省的9.75%），生態保障功能全面，在國內占有重要地位[15]。而新鄭市是鄭州市的遠郊型縣級市，位于河南省中部，屬糧食主產區，境內地貌類型多樣，為豫西山區的向東過渡地帶，山地、丘陵、崗地和平原兼有，土地的利用形式多種多樣，有“河南縮影”之稱。近年來，新鄭市的城鎮化、工業化進程加快，土地生態安全格局面臨著較大挑戰。發展中的經濟增長階段、快速城鎮化背景、特殊的政策區域和有代表性的土地利用結構，使其在研究土地利用變化對生態安全的影響中具有典型意義。

1 數據來源與處理

本研究采用的原始數據為2005年和2011年兩個時段的遙感影像、土地利用現狀圖、實地調查與采樣數據以及研究時段內各年度的統計年鑒報表等。遙感影像的行政界線、地貌資料和幾何糾正參照2005年的新鄭市1∶10萬土地利用現狀圖；土地利用數據按照中國通用的土地利用現狀分類標準，運用ERDAS IMAGE 9.2，進行人機交互影像解譯，結合實地調查數據，在Arcmap中進行屬性數據與空間數據的關聯，形成基礎數據庫。由于新鄭市部分統計數據經數量檢驗后發現異常，經與相關部門協調并結合實地調查進行了核實修正。

2 研究方法

3 結果分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用數量變化分析 2005～2011年，河南省新鄭市土地利用變化規模整體較大、類型差異明顯，基礎設施用地擴張顯著，功能性景觀用地增減不均，其他類型用地略有增加。具體看，草地面積變化最大，無論是絕對量還是相對值，減少量均居第一，分別達4 091.98 hm2、87.46%，而同具景觀功能的園地亦趨減，達2 268.77 hm2。隨著退耕還林及基本農田保護制度等政策的實施，林地及耕地面積穩增，同樣連續性的政策支持使得水域及水利設施的用地量攀升。隨著縣域經濟發展和城鎮建設加快，建設用地漸增，其中城鎮村及工礦用地微增237.15 hm2，遠小于交通運輸用地增加的1 146.81 hm2，這也體現了新鄭市作為河南航空港區的特殊地位和區位優勢，見表1。

3.1.3 土地利用結構變化空間分析 2005～2011年新鄭市土地利用結構溫和變化，土地利用結構變化綜合動態度年均為6.10%。從空間變化看，無論是總體或是局部差異均不明顯，由快速城鎮化區域引領結構演變，高通道、高增長區域相對劇烈，平均幅度超過5.56%，整體呈現點狀引導、“Y”型支撐、外圍交錯散布土地利用變化空間格局。與全市的平均值相比，15個（鄉鎮街）道土地利用結構變化高低參半。土地利用結構變化最大的為龍湖鎮，達8.08%，主因為近年大學城在龍湖鎮集聚發展，新村鎮則因經濟快速增長以7.54%的動態度緊隨其后，二者以中心—外圍特征點狀散布。孟莊鎮、薛店鎮、和莊鎮、新煙街道辦事處屬高通道、高增長區域，土地利用結構變化居第二梯隊，以新鄭市中心城區為支點呈現“Y”字型空間分布。動態度最小的是新建街道辦事處為3.18%，主要因其是老城區，建設用地比重較大，逆轉困難。

3.2 土地生態安全評價

3.2.1 建立評價指標體系 通過查閱文獻、咨詢專家，并借鑒已有的研究成果，結合新鄭市土地生態現狀、社會經濟發展水平及數據的可獲取性，從生態環境因素、社會經濟因素和環境污染因素三個方面構建新鄭市的土地生態安全評價指標體系，運用層次分析法（AHP）確定指標權重，詳見表2。為了消除評價指標量綱不同帶來不可評價性[9]，采用極差標準化法進行無量綱化處理[10]。

參考已有的研究成果將新鄭市的土地生態安全評價標準分為5個等級[3，14，18]（表3），土地生態綜合指數值的取值范圍為[0，1]，越接近于1，生態安全度越高。

3.2.2 新鄭市生態安全演變 利用ArcGIS軟件將新鄭市經處理過的兩期土地利用矢量圖各自與當年的土地生態安全等級圖進行疊置分析，得出新鄭市各地類在不同土地生態安全等級分布情況。從整體上來看，新鄭市土地生態狀況較好，但2011年較2005年稍有減弱，不過沒有處于不安全狀態的區域，主要是安全狀態和較安全狀態區域。變化的區域是郭店鎮、城關鄉、觀音寺鎮、梨河鎮和八千鄉，由安全狀態退化為較安全狀態。

從土地安全等級類別演變看，2005年Ⅳ較安全狀態的區域略大于安全狀態的區域，2011年Ⅳ較安全狀態明顯高于其他各種狀態。Ⅲ臨界安全狀態和Ⅱ較不安全狀態的面積在這兩年中大體不變，變化主要集中在Ⅴ安全狀態向Ⅳ較安全狀態的轉變上，在這兩種狀態中，正向維持生態功能的地類中草地和園地均有所減少，耕地和林地均有所增加；負向維持生態功能的地類中，交通運輸用地的增加較為明顯。

3.3 土地利用變化與生態安全的疊加分析

從土地利用結構變化空間分布與土地生態安全的擬合看出，新鄭市位于交通要道沿線、毗鄰鄭州市區、經濟高增長等特點使類型區土地利用調整顯著影響著土地生態安全狀況。相關分析表明，在α=0.05顯著水平，土地利用結構綜合變化動態度與生態安全變化率的Spearman相關系數為-0.37，表明土地利用幅度與生態安全呈反向關系，土地利用變化實質影響生態安全。

作為驅動土地利用變化的主導因素，城鎮化、工業化對新鄭市而言，其對土地生態環境的作用有所不同。利用上述數據，對土地生態安全綜合指數與城鎮化水平、工業化率分別作相關分析檢驗得知，在α=0.01顯著水平，Spearman的相關系數分別為-0.81、-0.196，說明城鎮化水平與土地生態安全呈強負相關關系，而工業化的負面影響遠低于城鎮化。進一步研究發現，新鄭市整體處于城鎮化快速增長階段（2006年以來年均城鎮化速度高達1.72%），工業化率高達65.57%，為典型的二元經濟結構，也就是說對于地區發展而言，在快速城鎮化、工業化成熟的階段，城鎮化是驅動土地生態安全減弱的主因，工業化的負面作用則相對弱化。

4 結論和討論

基于河南省新鄭市土地利用及生態變化的數據分析表明，土地利用與生態安全水平密切相關，區域類型、經濟發展階段影響區域生態安全。通過研究得出如下結論：①2005～2011年，新鄭市土地利用變化規模整體較大、類型差異明顯，各地類均出現增、減雙向轉移，基礎設施用地擴張顯著，高景觀生態用地內部轉移加劇，達82.89%，熱點地類占流動主導地位；②遠郊型縣域與市轄區相比[14]，土地利用結構的變化較為溫和，僅為6.1%。快速城鎮化區域引領著結構演變，高通道、高增長區域的變化相對劇烈，平均幅度超過5.56%，整體呈現點狀引導、“Y”型支撐、外圍交錯散布土地利用變化的空間格局；③土地生態安全水平處于微弱退化中。臨界安全狀態和較不安全狀態面積大體平衡，變化主要集中在安全狀態向較安全狀態的轉變上。沿交通要道、“涓滴效應”顯著、高增長等類型區土地利用變化對生態安全影響更顯著；④土地利用變化實質影響著生態安全，土地利用的變化幅度與生態安全呈反向關系，相關系數達-0.37。且表現出各區域同向退化、整體均衡趨勢；⑤發展中區域，城鎮化、工業化主導土地利用變化，進而影響生態環境，城鎮化水平與土地生態安全呈強負相關的關系，而工業化的負面影響遠低于城鎮化，二者與生態安全水平的相關系數分別為-0.81、-0.196。

與現有的土地生態評價的相關討論相聯系，本研究結果有以下啟迪：①保護性政策或制度因素，盡管短期會引致土地利用格局變化，但對生態環境的影響微弱；②區位條件中經濟社會因素如經濟增長階段、城鎮化背景、特殊區域政策，正緩步替代地理環境因素影響力，城鎮化與工業化對中部糧食主產區土地生態狀況差異正是例證之一；③在快速城鎮化、工業化成熟階段，城鎮化是驅動土地生態安全減弱的主因，工業化對土地生態安全的負面作用已大大弱化；④土地利用變化對生態安全的影響力度與研究尺度、研究對象相關聯，如對大尺度區域的年際影響更為平穩，縣域比市轄區更易保持生態平衡。

參考文獻：

[1] 楊京平，盧劍波.生態安全的系統分析[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2] 史培軍，宮 鵬，李曉兵，等.土地利用/覆蓋變化研究的方法與實踐[M].北京：科學出版社，2000.

[3] 張軍以，蘇維詞，張鳳太.基于PSR模型的三峽庫區生態經濟區土地生態安全評價[J].中國環境科學，2011，31（6）：1039-1044.

[4] 劉紀遠，劉明亮，莊大方，等. 中國近期土地利用變化的空間格局分析[J].中國科學，2002，32（12）：1031-1039.

[5] 程晉南，趙庚星，李 紅，等. 基于RS和GIS的土地生態環境狀況評價及其動態變化[J].農業工程學報，2008，24（11）：83-88.

[6] 王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討[J].地理科學進展，1999，18（1）：81-87.

[7] 李明月，賴笑娟.基于BP神經網絡方法的城市土地生態安全評價——以廣州市為例[J].經濟地理，2011，31（2）：289-293.

[8] 陳彩虹，齊旭明.基于PSR模型的長沙市生態安全評價[J].中南林業科技大學學報，2010，30（1）：105-109.

[9] 蒙吉軍，趙春紅，劉明達.基于土地利用變化的區域生態安全評價——以鄂爾多斯市為例[J].自然資源學報，2011，26（4）：578-590.

[10] 楊 志，趙冬至，林元燒.基于PSR模型的河口生態安全評價指標體系研究[J]，海洋環境科學，2011，30（1）：139-142.

[11] 許聯芳.喀斯特區域土地利用變化及其生態效應研究——以環江毛南族自治縣為例[D].長沙：中國科學院亞熱帶農業生態研究所，2007.

[12] 袁 磊，雷國平，張小虎.資源型城市土地生態安全評價——以大慶市為例[J].地域研究與開發，2009（6）：80-85.

[13] 曲衍波，齊 偉，商 冉，等.基于GIS的山區縣域土地生態安全評價[J].中國土地科學，2008，22（4）：38-44.

[14] 類淑霞，郝晉珉，尚 韜.基于土地利用變化的區域土地生態安全動態評價——以北京市朝陽區為例[J].生態經濟，2011，7（241）：38-42.

[15] 李小建，周雄飛，鄭純輝.河南農區經濟發展差異地理影響的小尺度分析[J].地理學報，2008，63（2）：147-154.

[16] 韋仕川，吳次芳，楊 楊，等. 基于RS 和GIS 的黃河三角洲土地利用變化及生態安全研究[J].水土保持學報，2008，22（1）：185-189.

[17] 梁治平，周 興.土地利用動態變化模型的研究綜述[J].廣西師范學院學報（自然科學版），2006（S1）：22-26.

[18] 陳西蕊，張蓉珍.基于P-S-R模型的陜西省土地資源生態安全動態評價[J].南方農業學報，2011，42（2）：224-228.