升金湖國家自然保護區土地利用生態風險評價

盛書薇, 董 斌, 李 鑫, 李欣陽, 汪 慶, 楊少文, 汪 濤, 楊 李, 錢國英

(安徽農業大學 理學院, 安徽 合肥 230036)

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升金湖國家自然保護區土地利用生態風險評價

盛書薇, 董 斌, 李 鑫, 李欣陽, 汪 慶, 楊少文, 汪 濤, 楊 李, 錢國英

(安徽農業大學 理學院, 安徽 合肥 230036)

摘要：[目的] 為了有效保護升金湖國家自然保護區生態環境。[方法] 根據安徽省升金湖國家自然保護區1986,2002和2011年3期TM遙感影像,運用ERDAS,ArcGIS等軟件,結合升金湖自然保護區土地利用現狀,將升金湖自然保護區試驗區、核心區、緩沖區3個功能區的影像進行監督分類,劃分成建設用地、草地、耕地、林地、水域、未利用地、交通用地和園地8個地類,并統計各土地利用類型面積。采用層次分析法和模糊數學法建立土地利用生態風險評價模型,計算土地利用生態風險指數。[結果] 保護區整體的土地利用生態風險等級為中級,1986—2011年,土地利用生態風險逐漸增強。其中,核心區的土地利用生態風險指數相對較低,但也呈逐漸增強趨勢;試驗區的土地利用生態風險指數較大,緩沖區的土地利用生態風險指數變化明顯,土地利用生態風險較嚴重。[結論] 升金湖自然保護區生態風險呈上升趨勢,需要采取措施,建立預警機制,有效控制升金湖的生態風險。

關鍵詞：自然保護區; 土地利用; 生態風險; 評價模型; 升金湖

隨著人類社會的發展, 土地的利用也發生著劇烈的變化，土地利用的變化對土地生態系統的各個方面以及對區域的生態安全起著重要的作用。因此,研究土地利用生態風險,對于了解生態環境和合理利用土地資源,恢復和治理生態環境具有極其重要的現實意義,也能為制定生態安全條件下的土地利用規劃提供科學依據[1]。20多年來,生態風險評價研究經歷了從環境風險到生態風險再到區域生態風險評價的發展歷程[2]，區域生態風險評價近年來成為生態風險研究的重要方向。區域生態風險評價是在區域尺度上描述和評估區域的環境污染、人為活動或自然災害對生態系統及其組分產生不利作用的可能性和大小的過程[3]。近年來，國內外都有一些區域生態風險評價的研究，國外的研究主要有：在土地利用變化生態風險方面，Wallack[4]根據土地利用方式、營養物質濃度與殺蟲劑濃度之間的相關關系,以土地利用方式等數據代替殺蟲劑濃度，通過分區的方法定量地評價了殺蟲劑對水域造成的可能影響；Walker等[5]評價了農業土地利用和居住用地擴展對區域生態系統產生的潛在生態風險；Angela等[6]研究了Codorus Creek流域多壓力因子區域生態風險，利用相對風險評價的方法思想構建了基于壓力因子—受體—生境3者相互關系的概念模型。國內的研究主要有殷浩文[7]將生態風險評價過程分為5個基本部分：風險源分析、受體評價、暴露評價、危害評價和風險表征；王春梅等[8]應用Blither生態風險評價模式對東北地區森林資源進行了生態風險評價研究，指出東北區森林生態系統存在的主要生態風險問題。

升金湖自然保護區作為重要的國家自然保護區，其生態環境狀況的好壞不僅影響到人類的生活，還影響到很多珍稀鳥類的生存，因此對升金湖保護區的土地利用生態風險狀況進行評價，劃分土地利用生態風險等級，研究土地利用生態風險高低的原因，并給出治理意見，為當地的土地資源管理提供科學依據，促進當地土地利用與生態環境的協調發展十分的必要[9]。

1研究區概況

升金湖國家自然保護區位于安徽省南部池州市境內，瀕臨長江。地處東經116°55′—117°15′，北緯30°15′—30°30′。坐落于東至縣與貴池區交界處，全境以升金湖為中心，沿岸分別向外延伸2.5 km左右。總面積3 3340 hm2，其中升金湖面積13 300 hm2。升金湖功能區劃分為核心區、緩沖區、試驗區3個部分。其中，核心區10 150 hm2，位于保護區中心部位，主要由水面組成，是珍稀水鳥集中分布的區域。緩沖區10 300 hm2，位于核心區外圍，由保護區、退耕還湖人工圩、灘涂組成，有一定數量的珍稀水鳥分布。試驗區12 890 hm2，主要由保護區內沿湖四周的陸地部分組成。保護區以升金湖為主體，由升金湖及周圍的灘地組成，保護區除水域外，耕地占用面積最大，其次是林地，主要分布在保護區的東南方。園地、草地面積較小。保護區內生物資源極其豐富，生物種類繁多。升金湖是中國東部大型水禽重要的越冬地和遷徙停歇地。隨著經濟和社會的發展，如何在土地利用過程中既保證資源的有效利用，又能規避可能產生的生態風險，有效地保護與改善生態環境，這成為升金湖保護區土地利用生態風險研究的重點[10]。

2研究方法

2.1　數據源選擇與數據預處理

本文采用的土地利用數據為升金湖保護區1986年7月、2002年7月、2011年8月(月平均降雨量分別為173 mm，171 mm和170 mm)3期TM遙感影像，根據地區地理特征和影像質量，結合升金湖保護區1∶10 000地形圖和升金湖保護區功能分區圖，運用ERDAS軟件，進行波段融合、幾何校正、圖像增強和裁剪等數據預處理。參考中華人民共和國土地管理行業標準縣級土地利用總體規劃編制規程及相關文獻，結合研究區實際情況，通過監督分類將保護區的現狀土地覆被類型分為8個地類：建設用地、草地、耕地、林地、水域、未利用地、交通用地和園地[11]，分類結果經檢驗，Kappa系數為0.91，將外業調查的210個樣點與影像圖進行比照，95%的樣點與影像相符，分類精度較高。再運用ArcGIS軟件的統計功能對各地類面積進行統計，得出各地類面積及土地利用轉移矩陣(表1)。

表1　1986-2011年升金湖土地利用轉移矩陣　hm2

注：A代表1986年，B代表2011年。

從表1中可以看到，25 a，各地土地利用類型的面積均有變化，尤其是耕地和水域的面積變化比較明顯，耕地減少了4 604.58 hm2，有465.66 hm2轉變成建設用地，3 717.59 hm2轉變成了水域，建設用地和交通用地都有所增加。

參考池州市統計年鑒，經濟數據公報，整理當地的社會，經濟，環境數據，采用相關分析方法，篩選與升金湖保護區土地利用生態風險相關的指標，運用層次分析法確定生態風險指標權重，建立生態風險評價模型，最后計算土地利用生態風險指數。

2.2　模糊數學綜合評價法

層次分析方法是美國運籌學家薩蒂于20世紀70年代提出的一種定性與定量相結合的系統分析方法[12]。該方法既可以把定量與定性分析有機結合起來，又能體現生態風險評價的綜合性、整體性和層次性。模糊數學綜合評價是以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將不易定量的因素定量化，從而實現評價的一種方法[13]。這兩種方法在區域風險評價中應用較廣泛。本文在層次分析法確定各項因子權重的基礎上，利用模糊數學模型綜合評價升金湖保護區土地利用生態風險，計算土地利用生態風險指數，劃分土地利用生態風險等級，分析土地利用生態風險狀況。

2.3　評價指標因子及其權重

將升金湖保護區的遙感影像，運用ERDAS軟件中的Classifier模塊專家分類器分別提取建設用地、草地、耕地、林地、水域、未利用地、交通用地和園地，將這8類土地利用類型合并成土地利用格局圖。利用景觀生態分析軟件Fragstats 對斑塊、類型和景觀等森林景觀指數分別進行計算，從而得到整個研究區域3個時期的景觀指數[14]。升金湖土地利用生態風險的研究，不僅是從景觀角度評價生態風險，主要研究土地利用的變化引起的土地利用生態風險的變化，包括土地、景觀和人類活動的影響，得出的結果比較綜合全面。

黃峪口溝屬于季節性溝道，長度8.5km。近年溝道大部分干涸，僅在兩處長約800 m的溝段范圍內有長流水，其他溝段只有在強降雨條件下局部可出現短時間徑流。水體底質以泥沙和細砂為主，水流緩慢。溝道中游建有一個小塘壩，水面面積約5 000 m2。

土地利用生態風險評價因子的選擇及其權重的確定是評價的關鍵。升金湖保護區土地利用生態風險評價，主要是研究土地利用對人類及社會持續發展的適宜程度，土地利用生態系統受到人口、環境和經濟發展水平的壓力的大小。根據研究區土地利用特點以及資料的可獲取性，運用相關分析方法選取能體現土地利用生態風險的評價因子，分為土地利用因子、生態、環境和社會經濟因子4個類別，即4個準則層指標(見表2)。由于升金湖保護區屬于池州市境內，地跨貴池區和東至縣，研究區的各類指標不容易直接獲取，所以，本文選取的數據是按照每個縣的平均值或者單位面積進行計算，并且對所有指標進行歸一化處理，以消除不同量綱的影響并進行統一建模。

表2　土地利用生態風險評價指標

土地利用生態風險評價指標體系構建的關鍵是權重的確定。本文運用Yaahp層次分析法軟件對土地利用生態風險影響因子的權重進行確定，Yaahp層次分析軟件原理主要是專家打分，根據指標之間重要性的對比，選取相關的專家，通過軟件計算得出權重。生態風險評價指標包含4個指標層，分別是：土地利用因子、景觀生態因子、社會與經濟因子和環境因子。先對這一指標層的權重進行打分確定，其中土地利用因子和生態因子對生態風險的影響較大，社會與經濟因子和環境因子的影響較小。其次確定這4個指標層下的子指標權重，運用相關分析方法，將影響保護區生態風險的指標進行相關性分析，將相關顯著的指標進行剔除，最終選取了14個指標構建升金湖保護區土地利用生態風險評價指標體系。土地利用因子的子指標包括建設用地百分比，單位面積水資源總量，耕地墾殖指數；景觀生態因子的子指標包括植被覆蓋率、土地利用多樣性指數和土地利用優勢度指數，其中土地利用多樣性指數表征景觀中土地類型的復雜性、類型的齊全程度或多樣性的狀況。多樣性指數越大，表示土地類型越豐富，對于生態風險的穩定性起正向作用。土地利用優勢度指數表示一種或幾種土地利用類型在整體區域中的優勢或程度，優勢度越大，主導功能越顯著，地區生態穩定性也越強；社會與經濟因子的子指標包括人口密度，人均GDP，工業總產值和糧食總產量；環境因子的子指標包括年均降水量、年均氣溫、農村化肥施用量和農村農藥使用量。運用Yaahp層次分析軟件計算得出各類指標權重，判斷矩陣均采用群體判斷的方法構造，根據4個指標層的14個指標的遞階層次結構, 以上一層次元素為準則,對它所支配的下一層次各元素的相對重要性兩兩比較,使用1—9比例標度法, 請有關專家給出判斷矩陣的元素值,從而形成層次分析的判斷矩陣[15]。結果分別構造A-B，B-C的判斷矩陣，再進行層次單排序的一致性檢驗。當隨機一致性比率CR,即

CR=(λmax-n)/〔(n-1)·RI〕

(1)

式中：λmax——判斷矩陣的最大特征值； RI——平均隨機一致性指標； 當CR<0.1時,認為層次單排序結果有滿意的一致性,否則需要重新調整后再計算。最后計算得出層次總排序總一致性比例CR的值為0.043 8，小于規定的0.1，因此土地利用生態風險評價指標層次總排序具有滿意的一致性。評價指標體系及權重值見表2。

從表2中可以看出：建設用地面積比、植被覆蓋率、單位面積水資源總量、土地利用多樣性指數、人口密度和耕地墾殖指數這6個指標所占權重較大，對生態風險的影響較大。

2.4　評價模型的建立

2.4.1評價集確定按照升金湖保護區試驗區、核心區和緩沖區3個功能區，將反映土地利用生態風險特征的14個評價指標建立評價集。其中，評判對象集為Y={Yi(i=1,2,3)}，Yi——升金湖保護區第i個功能區;評判指標集為X={Xj(j=1,2,3,…,14)}，Xj——第j個評價指標。

2.4.2隸屬矩陣的確定本文選取的土地利用生態風險指標的隸屬度需由隸屬函數確定，針對定量指標所采用的隸屬函數是指對對n個方案的m個指標建立目標特征值矩陣，即3期升金湖自然保護區的14個指標組成的目標特征值矩陣為：

式中：m=1,2,…,14；n=1,2,3。

上述各項指標通過層次分析法確立權重后，再把升金湖保護區3個功能區的14個指標的實測和統計數據建立隸屬度函數，由于各指標的性質不同，各指標采取隸屬度函數也不同。具體方法如下：

x(i,j)=xmin(j)/x*(i,j) (值越小風險越小的指標因子)

式中：x(i,j)——指標特征值規格化的序列； x*(i,j)——第i樣本的第j個指標； xmax(j)——第j個指標的最大值；xmin(j)——第j個指標的最小值[15]。

保護區土地利用生態風險指標體系的14個指標中，值越大風險越大的指標因子有：建設用地百分比、人口密度、農村化肥施用量、農村農藥使用量，其余10個指標因子都是值越大風險越小。由此組成1986，2002和2011年3期升金湖保護區3個功能區的14個評價指標的隸屬度矩陣為：試驗區核心區緩沖區 試驗區核心區緩沖區 試驗區核心區緩沖區

由表1 可知，土地利用生態風險評價14個指標的權重矩陣A為:

A=[0.379 90.127 20.056 70.165 10.073 70.024 7

0.066 40.031 00.013 90.006 50.031 80.005 1

0.009 40.008 6]

2.4.3評價模型建立根據保護區土地利用生態風險評價指標以及各指標的權重，由于14個指標因子都對土地利用生態風險起作用，所以采用模糊數學中的加權平均模型建立該研究區的土地利用生態風險評價模型：

(2)

式中：ERI——土地利用生態風險指數；Gi——第i個土地利用生態風險評價指標的值；Ai——評價指標Gi的權重。該模型中乘以100是為了使評價結果便于運用[16]。

3結果與分析

3.1　評價結果及其動態變化

按照公式(2)的綜合評價模型分別計算了1986，2002和2011年升金湖保護區的土地利用生態風險值(見表3)。

表3　升金湖保護區各功能區土地利用生態風險評價得分

按照3個功能區面積比例，計算整個升金湖保護區的土地利用生態風險指數值結果如表4所示。

表4　升金湖保護區土地利用生態風險指數值ERI

保護區的主體為升金湖水域，整個保護區生態風險區域差異較大，參考土地利用生態風險評價分級標準，結合該區實際情況，將升金湖保護區土地利用生態風險分為4個等級，分別為:低風險區、較低風險區、中風險區和高風險區，生態風險值小于35的屬于低風險區。35~55屬于較低風險區，55~75之間的為中風險區，>75的為高風險區[17]。各功能區風險分級表見表5。

表5　土地利用生態風險總體分級

3.2　評價結果分析

升金湖保護區1986，2002和2011年的土地利用生態風險最終評價結果是,保護區3期的土地利用生態風險均為中級(表5)，總體的處于安全狀態。各功能區的土地利用生態風險有所差別，試驗區和緩沖區的土地利用生態風險較高，核心區的土地利用生態風險相對低一些(圖1)。

從表2可知，核心區和緩沖區的土地利用生態風險指數均在上升，且核心區的變化率較大。核心區是升金湖的主體部分，主要是水域，25 a間，水產養殖業的發展以及人類活動的影響，使核心區的土地利用生態風險增強。緩沖區的土地利用生態風險變化明顯，建設用地和交通用地增加較多，耕地有所減少，人類活動比較頻繁，對該地區的生態風險影響較大[18]。試驗區的土地利用生態風險指數先增后降，1986—2002年，土地利用生態風險增強，2002—2011年土地利用生態風險有所緩和，這段期間試驗區的林地面積增加較多，森林覆蓋率增加，使試驗區的土地利用生態風險指數有所降低。

圖1　升金湖保護區土地利用生態風險評價

升金湖25 a間，土地利用類型發生了一定的變化，耕地面積減少，主要轉化為建設用地、交通用地和水域。水域面積雖然增多，但是水質變差，農藥化肥的使用以及廢水的排放使升金湖的水質受到一定的影響，因此升金湖的風險在增強。升金湖棲息的鳥類數量也有所減少，珍稀鳥類變少，它們棲息的草地數量減少，種種跡象表明，升金湖的保護十分必要。

4結論與討論

(1) 1986—2002年，升金湖保護區土地利用生態風險變化較大，生態風險值上升了13.7，這段時間，國家處于快速發展時期，建設用地，交通用地數量劇增，人類對升金湖保護區的影響比較大。2002—2011年，升金湖保護區土地利用生態風險值上升了4.74，這期間保護區生態風險變化速度有所減緩，國家強調可持續發展，實現資源的可持續利用，因此人們在進行土地利用的同時，采取了一些保護環境措施，如增加林地的面積，對耕地進行保護，對農藥化肥的使用有所控制，使升金湖保護區的土地利用生態風險變化有所減緩。

(2) 升金湖保護區核心區的土地利用生態風險值比較低，核心區主要土地利用類型是水域，是該保護區的主體，影響著很多水禽的生存。25 a間，水產養殖業的發展對升金湖的水質有一定的影響，導致水質有一定程度的下降，保護區土地利用生態風險增大。試驗區和緩沖區建設用地和耕地比重較大，人類活動較頻繁，對生態風險的影響較大，生態風險值較高，土地利用生態風險較嚴重。

(3) 25 a間，人類對升金湖保護區的土地利用有較大的變化，對保護區的環境產生了一定的影響，保護區水禽的數量減少，水質變差，水面積有所減少。針對目前的狀況，需要采取一定的措施控制升金湖保護區的土地利用生態風險，避免其生態環境繼續惡化。保護區水產養殖應該注意量的控制，防止過度捕撈，注意生活污水的排放與治理，保護水質。試驗區和緩沖區的發展要注重環境的保護，耕地比例比較大的試驗區，農藥和化肥的用量要適當。合理利用耕地資源，控制建設用地的增加，土地利用要按照規劃執行，使保護區土地利用達到社會，經濟，生態效益的協調發展。

(4) 升金湖國家自然保護區是很多珍稀水禽的棲息地，人類的活動影響著保護區的環境也影響著水禽的生存，保護區的土地利用生態風險目前處于安全狀態。要控制土地利用生態風險的惡化，建立預測預警機制，使其保持在安全狀態。本文只是對升金湖自然保護區土地利用生態風險進行評價，還需進一步對土地利用生態風險進行預測預警研究，通過動態監測，保護升金湖的生態環境。

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Ecological Risk Assessment of Land Use in Shengjin Lake National Nature Reserve

SHENG Shuwei, DONG Bin, LI Xin, LI Xinyang,

WANG Qing, YANG Shaowen, WANG Tao, YANG Li, QIAN Guoying

(SchoolofScience,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China)

Abstract：[Objective] To protect Shengjin Lake national nature reserve, in Anhui Province, effectively. [Methods] On the basis of three periods of TM remote sensing images of Shengjin Lake national nature reserve in 1986, 2002 and 2011, by using ERDAS and ArcGIS tools, in consideration of the current land use in Shengjin Lake nature reserve for supervision classification, the Shengjin Lake nature reserve was classified into three function areas, such as experimental area, core area and buffer area. The nature reserve area was divided into eight parts of construction land, grassland, cultivated land, forest land, waters, unused land, traffic land and garden plot, and the land use area was summarized. By using the hierarchical analysis and fuzzy mathematics method of land use to build ecological risk assessment model, the ecological risk index of land use was draw up. [Results] The overall risk value of Shengjin Lake was intermediate, and the ecological risk index increased gradually from 1986 to 2011. Among them, the core area of ecological risk was lower, but it also trended to increase gradually. At the same time, experimental area of ecological risk value was higher than that of the core area, and the buffer area ecological risk value variation was obvious and ecological risk of land use was serious. [Conclusion] The ecological risk of Shengjin Lake nature reserve tends to rise. Some measures should be taken to build early warning mechanism to control the ecological risk of Shengjin Lake nature reserve.

Keywords:national nature reserve; land use; ecological risk; evaluation model; Shengjin Lake

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0305-06

中圖分類號：X36， F590

通信作者：董斌(1970—),男(漢族),安徽懷寧市人,博士,教授,碩士生導師,主要從事測繪地理信息技術及其生態環境應用研究。E-mail:dbhy123@sina.com。

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-04-21

資助項目：安徽省國土資源廳科技項目“升金湖國家自然保護區土地利用/覆被變化與生態風險評價研究”(2012-K-24); 安徽農業大學資助引進與穩定人才科研啟動項目(wd2011-07); 安徽省國土資源廳科技項目(2011-K-23); 安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2012Z108); 安徽省國土資源科技項目(2013-K-10)

第一作者：盛書薇(1990—),女(漢族),安徽淮南市人,碩士研究生,研究方向為土地信息技術及管理。E-mail:1016957650@qq.com。