松嫩平原土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

馬玉妍，馬艷敏，于萬(wàn)輝，張麗娟

（1.黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150025；2.哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150025；3.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春130062）

近年來(lái)，生態(tài)安全問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1－3］。土地利用生態(tài)安全（land use ecological security，LUES）是生態(tài)安全的重要組成部分。土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)，是指針對(duì)土地利用的宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)整與布局對(duì)環(huán)境與生態(tài)的可能影響做出的預(yù)測(cè)性評(píng)估，它對(duì)于避免規(guī)劃造成的環(huán)境影響和維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全有著重要意義［4］。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者［4－11］利用不同的方法對(duì)我國(guó)不同區(qū)域的土地利用生態(tài)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析。 如 范 瑞 錠［5］、曲 青 林［6］、呂 建 樹(shù)［7］等 在 壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（PSR）模型框架下構(gòu)建了福建、蘭州、濟(jì)寧等地區(qū)的土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系；王慶日［8］、張虹波［9］等拓展可拓理論構(gòu)建了土地資源生態(tài)安全的物元判別模型，并以西藏和寧夏地區(qū)南部彭陽(yáng)縣為例進(jìn)行說(shuō)明；鮑艷［10］、羅貞禮［11］等則是對(duì)影響生態(tài)安全的主要指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析得到阜新市、湖南省各分區(qū)的土地利用生態(tài)安全分類(lèi)情況，從而得到研究區(qū)生態(tài)安全水平的整體分布。

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，是東北三大平原之一。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，松嫩平原開(kāi)發(fā)和建設(shè)速度加快，成為我國(guó)重要的重工業(yè)基地、糧食生產(chǎn)和能源基地。然而，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的干擾強(qiáng)度日益增大，大面積開(kāi)荒、墾建脫節(jié)、重用輕養(yǎng)、超載過(guò)牧、環(huán)境污染等均導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化［12］。湯潔［13］、白 淑 英［14］王 宗 明［15］等 對(duì) 松 嫩 平 原土地利用變化及其對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響進(jìn)行了研究，但對(duì)松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)還缺乏相關(guān)研究。因此，對(duì)松嫩平原生態(tài)安全做出評(píng)價(jià)顯得更為重要和迫切。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究中所用的松嫩平原1980，2000，2010年Landsat－5TM遙感影像，來(lái)源于中科院地面觀測(cè)站，分辨率為30m。非遙感影像數(shù)據(jù)主要包括松嫩平原90m分辨率數(shù)字高程模型（DEM）以及國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)中1∶400萬(wàn)的全國(guó)鐵路、省級(jí)公路矢量圖。

1.2 研究方法

1.2.1 空間動(dòng)態(tài)變化、轉(zhuǎn)移矩陣分析模型 空間信息分析模型，測(cè)算動(dòng)態(tài)變化速度和強(qiáng)烈程度。具體公式為：

式中：TRLi——第i種生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型在研究時(shí)期的轉(zhuǎn)移速率；IRLi——第i種生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型的新增速率；CCLi——第i種生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型的變化速率；n——區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全等級(jí)的類(lèi)別數(shù)，i∈（1，n）；LAi，t1，LAi，t2——第i類(lèi)生態(tài)安全等級(jí)在研究期初期和末期的面積；ULAi——研究期內(nèi)第i種生態(tài)安全等級(jí)未變化面積；t1，t2——研究時(shí)段。

轉(zhuǎn)移矩陣能夠反映出生態(tài)安全等級(jí)變化的特征、結(jié)構(gòu)與變化方向。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式為：

式中：S——面積；n——生態(tài)安全等級(jí)數(shù)；i，j——研究初期與研究末期的生態(tài)安全等級(jí)。

1.2.2 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法綜合考慮各個(gè)因子對(duì)總體對(duì)象的影響程度，把各個(gè)指標(biāo)的優(yōu)劣綜合起來(lái)，用一個(gè)數(shù)值化指標(biāo)加以集中，表示整個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣。表達(dá)式為：

式中：Cvj——評(píng)價(jià)因子的總值；Qvij——對(duì)于因子j的指標(biāo)i（Qij≥0）；Wci——指標(biāo)i的權(quán)重值（0≤Wci≤1），通過(guò)層次分析法（AHP）計(jì)算得出；m——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.2.3 層次分析法 層次分析法是一種有效的決策思維方法。它把復(fù)雜問(wèn)題“分解”成各個(gè)組成因素，用兩兩比較的方法確定各層次中諸要素的相對(duì)重要性，對(duì)所要解決的復(fù)雜問(wèn)題的各項(xiàng)進(jìn)行綜合判斷，得出各指標(biāo)重要的總體順序和其權(quán)重。

1.2.4 馬爾可夫預(yù)測(cè)模型 馬爾可夫預(yù)測(cè)法，就是一種預(yù)測(cè)時(shí)間發(fā)生概率地方法。它是基于馬爾科夫鏈，根據(jù)事件的目前狀況預(yù)測(cè)其將來(lái)各個(gè)時(shí)刻（或時(shí)期）變動(dòng)狀況的一種預(yù)測(cè)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 松嫩平原土地利用分類(lèi)

應(yīng)用ERDAS—IMAGE 9.1對(duì)松嫩平原地區(qū)1980，2000，2010年TM影像進(jìn)行土地利用分類(lèi)，利用GIS將土地利用類(lèi)型合并成7個(gè)一級(jí)分類(lèi)，分別為草地、耕地、林地、水域、未利用地、建筑用地和濕地。并提取沙地、鹽堿地、鄉(xiāng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)。以2010年土地利用（附圖7）、鄉(xiāng)村居民點(diǎn)、鹽堿地為例。

2.2 土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的建立

決定土地利用生態(tài)安全的因素主要包括土地利用類(lèi)型、影響人類(lèi)生活便捷的交通、高程、坡度等，以及影響人類(lèi)生活質(zhì)量的距離沙地、鹽堿地距離等。綜合相關(guān)文獻(xiàn)及松嫩平原實(shí)際，確定生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)10個(gè)并進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)因子對(duì)生態(tài)安全造成不利影響的程度值賦予阻力值。由于各個(gè)指標(biāo)在土地利用生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)中重要性不同，利用層次分析法（AHP）確定各個(gè)因子的權(quán)重值。各因子阻力值及相對(duì)權(quán)重詳見(jiàn)表1。

表1 土地利用生態(tài)安全指標(biāo)因子賦值及權(quán)重

2.3 土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)及評(píng)價(jià)

2.3.1 松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí) 利用GIS對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并加權(quán)疊加得到生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指數(shù)500m×500m柵格圖。

為更好地進(jìn)行變深入化分析，根據(jù)生態(tài)安全綜合指數(shù)狀況進(jìn)行等間距分級(jí)（表2）。分別得到1980，2010年松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)格局分布圖（附圖8）。

松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)在空間上呈現(xiàn)由東北向西南遞增的趨勢(shì)。東北部及東部邊緣地區(qū)及流域附近多處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；西南部地區(qū)多處在中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，局部及交通線附近地區(qū)處于高安全區(qū)。整體上看，黑河市、齊齊哈爾北部、綏化市北部、哈爾濱市生態(tài)安全水平優(yōu)于齊齊哈爾市南部、綏化南部、大慶市、松原市、白城市、四平市、長(zhǎng)春市。統(tǒng)計(jì)高、中、低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積，得到1980—2010年各生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重變化情況（圖1）。在所有風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中，較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占比重最大，在50%以上，其次為中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。1980—2010年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐步減少趨勢(shì)，中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為先增后減趨勢(shì)?？梢钥闯?980—2000年，各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積均減少并向較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化，表明生態(tài)環(huán)境壓力有所緩解。而在2000—2010年，低、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均減少明顯，約占10%，向中、高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)明顯。

圖1 1980－2010年松嫩平原土地利用生態(tài)安全等級(jí)比重變化

表2 松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析 通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)1980，2000，2010年的生態(tài)安全等級(jí)矢量圖進(jìn)行數(shù)據(jù)融合疊加，得到生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣。并計(jì)算出各生態(tài)安全等級(jí)的未變化面積、轉(zhuǎn)移面積和新增面積及轉(zhuǎn)移速率、新增速率和變化速率，結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 松嫩平原生態(tài)安全的轉(zhuǎn)移矩陣及動(dòng)態(tài)變化率 km2

1980—2000年，高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以轉(zhuǎn)出為主，而增加明顯的為較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，轉(zhuǎn)移特征表現(xiàn)出松嫩平原的生態(tài)安全等級(jí)有緩解的趨勢(shì)。2000—2010年，中度、較高、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的新增速率均明顯大于轉(zhuǎn)移速率，表明低、較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積有所減少，中度、較高、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)增加顯著。

2.4 土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

提取研究期前期（2000年）和后期（2010年）生態(tài)安全等級(jí)的狀態(tài)，各等級(jí)占總面積的比例量化表示為：

根據(jù)松嫩平原2000—2010年生態(tài)安全的轉(zhuǎn)移矩陣和2000年初始生態(tài)安全等級(jí)狀態(tài)計(jì)算得出兩期生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型變化轉(zhuǎn)移概率矩陣。

生態(tài)安全等級(jí)轉(zhuǎn)移概率的計(jì)算方法為：2010年生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型的增加面積除以2000年向其轉(zhuǎn)出的生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型的面積總數(shù)，則為2000—2010年該生態(tài)安全等級(jí)類(lèi)型的轉(zhuǎn)移概率，其轉(zhuǎn)移步長(zhǎng)為10。從而得到2000年各類(lèi)生態(tài)安全等級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)?010年的各類(lèi)生態(tài)安全等級(jí)的轉(zhuǎn)移概率矩陣Pij。

根據(jù)A（n）以及松嫩平原2000—2010年生態(tài)安全的轉(zhuǎn)移概率矩陣對(duì)松嫩平原生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 松嫩平原生態(tài)安全預(yù)測(cè)表2020－2050年

從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，松嫩平原仍以較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為主體，占到總面積的85%以上，不過(guò)較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重逐步減少，中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重在增大。低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)總體約10%，低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重逐步減小，較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重逐步增加。高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)比重一直在1%以下，但是每10a增加約0.1%，面積逐步擴(kuò)大。總體來(lái)看，未來(lái)40a內(nèi)，松嫩平原生態(tài)安全等級(jí)結(jié)構(gòu)惡化趨勢(shì)明顯，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)部門(mén)的注意。

3 結(jié)論

（1）松嫩平原土地利用生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)在空間上呈東北向西南遞增的趨勢(shì)。東北部、東部邊緣地區(qū)及流域附近多處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，而西南部地區(qū)多處在中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，西南部地區(qū)的局部及交通線附近處于高安全區(qū)。

（2）從等級(jí)結(jié)構(gòu)上看較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占比重最大，在50%以上，其次為中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。1980—2000年，較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)增加明顯，其它等級(jí)以轉(zhuǎn)出為主。生態(tài)環(huán)境壓力有所緩解。而在2000—2010年，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均減少明顯，約10%，向中、高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)明顯。生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)明顯。

（3）預(yù)測(cè)表明2020—2050年松嫩平原中度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均表現(xiàn)出逐步遞增，土地利用生態(tài)安全等級(jí)結(jié)構(gòu)惡化趨勢(shì)明顯。

（4）1980—2010年，松嫩平原土地利用生態(tài)安全水平惡化趨勢(shì)明顯。究其原因主要是生態(tài)系統(tǒng)自身的脆弱性與人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干預(yù)的結(jié)果。松嫩平原土地資源空前開(kāi)發(fā)的歷史，使得耕地面積增加的同時(shí)破壞了原有植被，土地風(fēng)蝕、沙化、鹽堿化日益加劇。1980—2010年，耕地面積增加了16 613.5km2，成為最主要的土地利用類(lèi)型，比重接近60%。濕地、林地、草地均有所減少。濕地面積減少最為明顯，減少了5.08%，同時(shí)由于城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地面積、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)的分布增加明顯。雖然20世紀(jì)80年代中期至今開(kāi)墾高潮已過(guò)，國(guó)家生態(tài)退耕、森林保護(hù)等生態(tài)政策的實(shí)施，沙化土地面積基本得到控制，局部堿化土地有所改良，但速度緩慢，生態(tài)安全問(wèn)題仍十分嚴(yán)峻。只有使該區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益有機(jī)結(jié)合、相互協(xié)調(diào)，因地制宜地采取合理措施才能確保松嫩平原土地利用生態(tài)安全整體水平的恢復(fù)和穩(wěn)定的發(fā)展。

［1］劉紅，王慧，張興衛(wèi).生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究述評(píng)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（1）：74－78.

［2］汪西林，謝寶元，關(guān)文彬.泥石流多發(fā)區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)：以汶川縣為例［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（11）：1990－1996.

［3］Weng Changhua，Zhang Luoping，David K.Definitions and progress of ecosystem health and ecological security［J］.Ecological Economy，2006，2（3）：327－336.

［4］謝花林.基于GIS的典型農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（1）：135－139.

［5］范瑞錠，陳松林，戴菲，等.福建省土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)［J］.福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，26（5）：97－108.

［6］曲青林，曹愛(ài)霞，劉學(xué)錄.蘭州市土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（6）：753－756.

［7］呂建樹(shù).濟(jì)寧市土地利用生態(tài)安全研究［D］.山東 濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2011：62－88.

［8］王慶日，譚永忠，薛繼斌，等.基于優(yōu)度評(píng)價(jià)法的西藏土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究［J］.中國(guó)土地科學(xué)，2010，24（3）：48－54.

［9］張虹波，劉黎明，張軍連，等.區(qū)域土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)的物元模型構(gòu)建及應(yīng)用［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2007，33（2）：222－229.

［10］鮑艷，胡振琪，柏玉，等.主成分聚類(lèi)分析在土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（8）：87－90.

［11］羅貞禮.土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的系統(tǒng)聚類(lèi)分析［J］.湖南地質(zhì)，2002，21（4）：252－254.

［12］羅新正，朱坦，孫廣友.人類(lèi)活動(dòng)對(duì)松嫩平原生態(tài)環(huán)境的影響［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2002，12（4）：94－99.

［13］湯潔，汪雪格，斯藹，等.松嫩平原土地利用變化的聚類(lèi)分析［J］.干旱區(qū)研究，2008，25（6）：829－834.

［14］白淑英，張樹(shù)文，張養(yǎng)貞.松嫩平原土地利用／覆被變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析：以大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣為例［J］.資源科學(xué)，2007，29（4）：164－169.

［15］王宗明，張柏，宋開(kāi)山，等.松嫩平原土地利用變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響研究［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2008，18（1）：149－154.