武漢市土地利用生態風險評價

摘要：利用武漢市土地生態環境及社會經濟資料，分析了武漢市土地利用變化情況，在此基礎上，綜合運用主成分分析、K均值聚類等方法，建立了土地利用生態風險評價模型，分析和評價了武漢市土地利用生態風險。結果表明2003-2010年武漢市土地利用的生態風險呈逐年擴大趨勢，風險值從2003年的

-1.003 3（Ⅴ）上升為0.557 5（Ⅱ），即由安全級降為風險級。根據此評價結果，提出了協調武漢市城市土地利用與生態環境的對策。

關鍵詞：土地利用；生態風險；PCA模型；K均值聚類；武漢市

中圖分類號：F301.2；S181 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3731-05

土地利用變化在很大程度上反映了人類活動與自然生態條件變化的綜合影響。隨著社會經濟快速發展，城市化進程加快，人類對土地的需求越來越大，這種強烈需求使得人地關系矛盾步步升級，隨之而來的土地生態問題也日益突出，如土地利用結構不合理，水土流失、土地荒漠化、土壤污染、土地生態破壞性加劇等。面對嚴峻的現實，人們開始意識到生態環境的重要性，并有意調控土地利用方式，改善生態環境，促使二者關系趨于協調。武漢市地處我國中部腹地，位于江漢平原東部，該區域土地類型多樣，適宜性廣泛，水資源優勢突出，為全市的經濟社會發展提供了重要的物質基礎。但由于武漢市社會經濟的發展、城市化建設的擴張、人口的增加和土地利用方式不當等原因，大量的土地在城市化、工業化過程中喪失，土地生態功能下降，人地矛盾突出。本研究以武漢市2003-2010年土地利用現狀為對象，建立主成分分析（PCA）和K均值聚類的生態風險評價模型，對武漢市土地利用生態風險進行評價，旨在把握武漢市土地利用與生態環境協調發展程度的變化規律，以期能充分認識武漢市土地資源利用和兩型社會建設所面臨的問題，為城市區域社會經濟和生態環境建設發展戰略的制定提供參考依據。

1 武漢市土地利用變化情況

1.1 土地利用數量變化

武漢市地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼備，全市土地總面積849 400 hm2，占全省土地總面積的4.57%。表1選取了武漢市2003年和2010年兩個時段土地資源利用狀況，統計出了各地類的面積及其變化情況。

由表1可以看出，8年間武漢市農用地和未利用地總量減少，城市建設用地迅速增加。在農用地類型中，耕地、牧草地顯著流失，其中牧草地減少最快，8年共減少6 604.97 hm2，減幅為95.93%；耕地面積由2003年所占總土地面積的44.16%減少到2010年的39.57%。林地、園地面積增加最多，8年共增加了22 767.71 hm2，兩者增幅共計38.79%。在建設用地類型中，交通水利用地面積增速快于居民點及工礦用地的速度，增幅比例達33.77%。在未利用地類型中，未利用土地和其他土地共減少了6 111.91 hm2。值得注意的是，大部分未利用地是難以開發的山丘區荒草地和裸巖地，可墾地較少，耕地后備資源相對貧乏。

1.2 土地利用結構變化

由于土地利用類型分類較多，影響程度判斷難度較大，因此引入土地利用結構生態風險指數[1-3]，計算各種類型土地面積比重，來衡量8年間武漢市各類型土地生態風險變化情況：

借鑒已有的研究方法[3，4]，結合區域經濟快速發展特點，本研究利用層次分析法確定了不同土地利用類型的生態風險參數（耕地0.311 5；園地0.109 6；林地0.158 7；牧草地0.035 5；其他農用地0.034；居民點及工礦用地0.018 1；交通運輸用地0.225 9；水利設施用地0.055 2；未利用地0.051 5）與生態風險指數。

結合公式（1）與武漢市土地利用類型面積變化數據，計算得出武漢市土地利用結構風險指數（表2）。由表2可知，武漢市9種土地利用類型中，耕地生態風險指數的平均值最大為0.126 8；其次是林地，為0.015 8；牧草地生態風險指數最小，為0.000 1。這說明耕地變化對生態環境和社會經濟發展潛在影響最大，其次是林地，牧草地潛在生態影響最小。8年間，不同土地類型平均生態風險指數大小順序為耕地>林地>未利用地>其他農用地>交通運輸用地>居民點及工礦用地>園地>水利設施用地>牧草地。

由圖1可以看出，8年間武漢市土地利用結構生態風險指數的變化趨勢大致可分為2個階段：2003-2005年生態風險指數急劇下降，2006-2010年生態風險指下降趨勢變緩且趨近平穩，這與武漢市土地利用結構變化的趨勢一致。2003-2005年雖然園地、林地面積以每年1%的速度遞增，但牧草地面積急劇縮減，從2003年的6 884.97 hm2減少到2005年的4 248 hm2，加之耕地數量進一步減少，導致了這3年土地生態風險的加大。

2 武漢市土地利用生態風險評價

2.1 指標體系建立

土地利用生態風險是指不合理的開發利用土地導致某些自然異常因素、生態環境惡化，給人類社會帶來損失的可能。土地利用生態風險評價是從城市土地利用的角度描述和評估城市的環境污染、人為活動或自然災害對生態系統及其組成成分產生不利作用的可能性和大小的過程[5]。由于土地生態系統是一個復雜系統，涉及的風險源、暴露體和終點比較多[4]，因此需要構建一套完整的評價指標體系。本研究在綜合考慮生態風險指標的可得性與可操作性基礎上，對指標進行篩選，保留重要指標，從自然、社會經濟環境狀況出發，根據武漢市實際情況最終形成了以下評價指標體系（表3）。

由于不同變量之間具有不同的單位和不同的變異程度，這會導致數據在分析過程中因單位不統一而造成結果的差異。因此，在進行主成分分析前，首先進行數據的標準化，也稱為無量綱化，即將異度量的各指標值分別轉化為無量綱的相對指標值。本研究采用統計學軟件SPSS 20.0中的Z-score法對數據進行標準化變換[6]（表3）。

2.2 建立主成分分析法與K均值聚類的武漢市土地生態風險評價模型

主成分分析法（PCA）是去掉重復信息、簡化數據結構的一種多元統計方法[5]。利用PCA可以把多個相關的指標變換成少數幾個互相無關的綜合變量（主成分），通過選擇適當的主成分價值函數模型，可以把多維系統降成一維系統。K均值聚類是最常用的聚類算法之一，它通過尋找一組聚類中心把對象集合劃分成一組聚類[6]。通過SPSS軟件，利用主成分分析方法，最終確定m個特征值，m即為因子變量個數，其數值確定見SPSS輸出結果（表4）。

由表4的第1列至第4列可以看出因子分析的初始解對原有變量總體的刻畫情況，第1列為23個初始解的序號，第2列為因子變量的特征值，它是衡量因子變量重要程度的指標[5]，第4列則是各因子變量的累積方差貢獻率。由主成分分析得出有5個特征值大于1[7]，分別是12.429、4.955、1.807、1.469和1.361。這5個成分累計方差貢獻率達到95.74%，當提取前5個公因子時，特征值變化明顯，當提取第5個之后的公因子時，特征值變化很小，基本趨于平緩。說明前5個因子基本反映了原指標變量的絕大部分信息，即m=5符合分析要求。

2.3 因子得分函數

計算因子得分的方法有回歸法、Bartlette法、Anderson-Rubin法等[8]。根據上述計算公式，將因子變量表示為原有變量的線性組合，并代入樣本數據，計算出相應的因子得分。

2.4 風險等級劃分

在上述因子分析的基礎上，應用5個因子的方差貢獻率作為各自權重，計算土地利用生態風險度。公式如下：

按此公式，得到武漢市8年來土地利用生態風險度。為了對所研究時段的土地利用生態風險特征進行分析，參照譚三清等[5]和宋志鯤等[8]關于生態風險等級劃分標準相關研究，結合K均值聚類的方法對土地利用的生態風險進行了等級劃分。其計算結果是：惡劣級（T>1.2）、風險級（0.17

結合城市土地利用不同級別風險的特點[5，9，10]，將每種等級的土地利用系統特征表述為表7。

3 結果分析

根據各年度計算的城市土地風險值，結合每個等級的城市土地利用分析的土地系統特征，評定了武漢市2003-2010年的土地利用風險狀況（表8）。從表8中可以發現，在所考察時段，武漢市土地利用的生態風險總體上趨于惡化。2003-2004年武漢市土地生態風險處于安全級別，但此后6年生態風險值呈逐年擴大趨勢，說明土地利用的生態狀況受到了破壞，生態環境問題較為嚴重。

通過分析8年間武漢市土地利用生態風險等級，結合每個等級的土地利用特征，可將生態風險狀態劃分為3個時間段。

1）2003-2004年，生態風險指數緩慢增長階段，但土地生態風險總體處于安全級別，說明此階段武漢市土地生態環境良好，系統服務功能基本完善，受干擾后可自行恢復。

2）2005-2006年，生態風險指數進一步上升，風險等級由安全級逐步降為良好級、敏感級，這一變化反映了當地政府對土地利用的投入強度逐步增強，導致生態環境受到了一定程度的破壞。

3）2007-2010年，武漢市土地利用生態風險等級進一步惡化，盡管2010年武漢市土地生態風險指數較上一年有所減少，但仍處于風險級，這一數據的測算與實際情況相符。其原因在于2005年以后武漢市開始了大規模的市政建設，建設步伐加快使得城市周邊土地不斷被蠶食，農用地持續減少，閑置土地增多，土壤遭受城市建設破壞和城市垃圾等污染而退化，土地生態環境質量下降，系統服務功能受到破壞并且退化。

4 結語

本研究引入土地利用生態風險指數，測算武漢市各地類結構年際變化情況，建立PCA和K均值聚類的土地生態風險模型，利用土地生態風險度來評價武漢市土地利用的相對生態風險，有一定的全面性。因為土地利用類型的改變勢必會引起區域生態功能的變化，故通過研究不同土地利用類型間的遷移變化特征來識別區域生態環境的變化趨勢及其內在因素是可行的、有效的。

通過對武漢市土地利用的生態風險評價，可為區域生態環境管理提供數量化的決策依據和理論支持。根據土地利用生態風險年際間的高低程度，應在高生態風險時段進行生態建設與環境保護，以提高該城市區域的土地生產功能和環境功能，但是也不能忽視中、低生態風險時段的生態建設，才能實現武漢市的生態環境、社會經濟建設協調發展。

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