西南山區生態敏感區土地生態安全評價——以秀山縣為例

韓 蕾，孔祥斌，郭洪峰，羅 卓

（1.重慶市國土資源和房屋勘測規劃院，重慶400020；2.國土資源部 土地利用重點實驗室重慶研究中心，重慶400020；3.中國農業大學 資源與環境學院 土地資源管理系，北京100193）

當今，經濟社會快速發展，土地利用成為人類活動作用于生態系統的重要途徑，人類干擾強度持續加大，人地關系日益緊張，土地生態安全問題越發受到關注［1－4］。尤其是我國西南山區生態敏感區，地形地貌十分復雜，山多坡陡，溝壑頻繁，植被稀疏，加上人類的無序開發，導致水土流失、土地質量下降等土地生態安全問題更為突出［5－6］。因此研究西南山區生態敏感區的土地生態安全狀況，對改善生態環境質量，提高生態系統的服務功能，建立國家生態安全體系，實現可持續發展都具有十分重要的作用。

土地生態安全是資源安全的重要方面，是指一定時空范圍內，土地生態系統能夠保持其結構與功能不受威脅或少受威脅的健康、平衡狀態，并能夠為保障人類社會經濟與土地可持續發展提供穩定、均衡、充裕的自然資源，從而維持土地自然、社會、經濟復合體長期協調發展［7－9］。土地生態安全評價是設計土地利用優化方案和建設安全格局的基礎，是一項復雜的、具有探索性的工作，也是當前土地生態安全研究的主要方向［10－12］。目前已開展的土地生態安全評價多以大區域尺度為研究對象，評價結果具有一定的宏觀指導性，但往往評價精度比較粗略，缺乏指標數據的定量化和連續性變化的空間表達［13－16］。本研究以西南山區生態敏感區的秀山縣為例，集成GIS和模型應用，從土地生態安全的定義出發，進行高精度的土地生態安全評價，并結合區域特征，針對存在的問題提出對策，以期使決策者獲得比較準確和完整的信息，為當地農業結構調整和土地可持續利用提供科學依據。

1 研究區概況和數據處理

1.1 研究區概況

重慶市秀山縣位于四川省盆周山區的東南邊陲，位于東經108°43′06″—109°18′58″，北緯28°09′43″—28°53′05″，東與湖南龍山、保靖、花垣接壤，西、南依貴州省松桃苗族自治縣，北鄰酉陽土家族苗族自治縣。全縣幅員面積約2 305km2，轄32個鄉鎮。境內平壩、丘陵、低山、中山互相交錯，呈西南高東北低的趨勢，中部是一個類似三角形的盆地，素有“小成都”之稱。土壤類型以黃壤為主，紅黃壤次之。氣候類型屬亞熱帶季風性濕潤氣候，有降水充沛集中、四季分明、無霜期較長、日照不多等特征。近年來，秀山縣社會經濟快速發展，使得縣內土地資源生態安全面臨著嚴峻的挑戰，因此本文選擇秀山縣作為縣域土地資源生態安全評價的研究對象。

1.2 數據來源及處理

本文采用的基礎數據包括：秀山縣1∶1萬的DEM數字高程模型（DEM）；秀山縣土壤圖和土壤志資料；2011年秀山縣土地利用現狀圖；2011年重慶市MODIS影像數據；重慶市各氣象站點和水文站點的觀測資料；2011年重慶市土壤侵蝕數據；2011年秀山縣統計年鑒等。上述基礎數據主要包括矢量數據和柵格數據兩種格式。由于統計單元的不同，不便于利用多源數據進行相關比較和綜合分析。本研究基于GIS技術，將基礎數據全部以柵格數據進行表述。考慮數據源精度，將評價基本單元大小定義為25m×25m的柵格，整個研究區域共劃分為7 903 720個柵格。

2 土地生態安全評價方法及應用

土地生態系統是地球陸地表面上相互作用、相互依存的地貌、水文、植被、土壤等自然要素之間以及與人類活動之間相互作用形成的統一整體［17］。就土地生態系統的自然狀態而言，土地生態系統處于一種相對穩定的平衡態，其服務功能能夠滿足人類需要；而人類對土地生態系統進行的調整逐漸改變了土地系統的平衡，并導致土地生態安全狀況的不斷變化。可見土地生態系統自然要素與人類活動的作用程度與結果是系統安全性變化的關鍵。從這個角度來講，土地生態安全評價就是要評價土地生態系統自然條件對人類需要的滿足程度以及人類活動對自然條件變化的影響程度。土地生態安全的評價方法為：土地生態評價指標的選取；土地生態評價指標體系的構建；指標信息的提取與量化處理；指數法進行評價指標空間疊加；劃分山區土地生態安全等級；評價結果分析及調控對策。

2.1 評價指標的選取

在沒有極端限制條件下，土地生態安全受多因素綜合作用影響，在不同的區域應著重體現土地生態系統的區域特征。山區首要的生態問題是地質災害和水土流失，是由于不利的自然條件與不合理的人類經濟活動相互交織而產生，其次是人類各種生產活動對環境造成的污染和影響。綜合考慮秀山縣生態環境和土地利用結構特點，選取地形位指數、年降水量、土壤質地、植被覆蓋度、土壤質地、土壤有機質含量、土壤侵蝕程度、土地利用強度、道路影響度和城鎮影響度作為評價指標。地形、年降水量、土壤質地和植被覆蓋度是影響地質災害和水土流失的主要因素。土壤有機質含量是反映土壤質量的最佳單一指標，對多個生態過程有重要影響。土壤侵蝕程度、土地利用強度、道路影響度和城鎮影響度主要反映人類活動對土地生態系統的作用。

2.2 評價指標信息的提取及量化處理

2.2.1 地形位指數 地形條件對生態穩定性的約束往往表現為高程和坡度的綜合作用，單一高程或坡度上的空間分析無法體現這種綜合影響［18－19］。為綜合反映地形條件的空間分異，本研究利用地理信息模型建模方法，地形位指數（圖1）將高程與坡度進行合成，更能綜合反映山區地形條件（公式1）。一般情況下，地形位指數越大，地形越復雜，生態脆弱性越強。本研究選用地形位指數作為評價地形的指標，首先建立秀山縣數字高程模型，從中提取坡度，然后采用公式（1）進行合成，得到秀山縣地形位指數分布（圖1）。

式中：T——地形位指數；——空間任一柵格的高程值和該點所在的平均高程值；——空間任一柵格的坡度值和該點所在的平均坡度值。秀山縣高程范圍為7～1 660m，坡度范圍為0～86.78°，轉化后的地形位指數范圍為0.15～1.16。地形位指數量化公式為：

式中：Xi——地形位指數實際值；Xmax——地形位指數最大值。

2.2.2 年降水量 降水是山區水資源主要來源，也是影響土壤侵蝕的主要因素，主要受經緯度和地形因素影響。降水量的獲取是通過收集重慶市各氣象站點和水文站點的觀測資料，采用ArcGIS中Kriging插值工具和柵格裁剪工具，得到秀山縣年均降水量分布圖（圖2）。綜合考慮農林經濟作物生長對降水的需求和降水對水土流失的影響，以當地農作物生長的適宜需水量（1 300mm）為閾值，在SPSS軟件支持下，采用曲線回歸模擬建立年降水量的隸屬函數量化模型（3）。

式中：Y——年降水量的量化值（0—1）；X——年降水量（mm）。

圖1 秀山縣地形位指數分布

圖2 秀山縣年降水量分布

2.2.3 土壤質地 土壤質地關系土壤的物理性質、工程性質以及保水保肥和抗蝕能力。以秀山縣1∶10萬土壤圖和土壤志等資料為基礎，經圖件數字化和系統分類后，得到秀山縣柵格數據格式的土壤質地圖。根據土壤學知識和當地農業生產情況，并結合專家經驗，對秀山縣土壤質地進行量化賦值（表1）。

表1 秀山縣土壤質地量化標準

2.2.4 土壤有機質含量 土壤有機質是土壤系統的基礎物質，影響土壤的物理、化學和生物學性質以及土壤的生產力，是反映土壤質量狀況的最佳指標。文中土壤有機質含量主要根據土壤圖及土壤報告提供的信息初步判斷獲取，然后對實地調查中可獲取的因素核實校正。按照重慶市農用地分等的土壤表層養分分級標準，土壤有機質含量達到30.0g／kg為優等，賦值1；達到20.0g／kg為中上水平，賦值0.8；達到10.0g／kg為中等，賦值0.6；達到6.0g／kg為中下水平，賦值0.4（圖3）。由此有機質含量的量化函數見公式（4）。

式中：Y——土壤年有機質的量化值（0－1）；Xi——土壤有機質含量（g／kg）。

2.2.5 土壤侵蝕程度 土壤侵蝕程度是地殼表層土壤在自然營力和人類活動的作用下，單位面積和單位時間段內被剝蝕并發生位移的土壤侵蝕量。參考水利部的SL190—196《土壤侵蝕分類及分級標準》（HJ／T192—2006），土壤侵蝕程度分為無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕及劇烈侵蝕五級（圖4）。結合水土保持學知識和全縣土壤侵蝕情況，并結合專家經驗，對秀山縣土壤質地進行量化賦值（表2）。

表2 秀山縣土壤侵蝕程度量化標準

將9項因子按照土地生態安全指數模型進行柵格計算，對各柵格的綜合分值進行頻率曲線統計，以頻率突變點為等級劃分的主要依據，并結合實際樣點的調查驗證，將秀山縣土地生態系統劃分為4個安全級別，對評價圖屬性庫進行統計得到各級別的面積。

圖4 秀山縣土壤侵蝕程度分布

2.2.6 土地利用強度與植被覆蓋度 土地利用強度定量表達了人類活動對土地生態景觀的干擾強度［21－23］。根據秀山縣2011年土地利用變更調查矢量數據，采用ArcGIS空間分析功能將矢量數據轉換為柵格數據，得到秀山縣土地利用類型（圖5）。參考《國家生態環境狀況評價技術規范》（HJ／T192—2006），將不同土地利用類型的生態效應權重進行歸一化，得到土地利用強度量化分值（表3）。

植被覆蓋度是反映生態系統水土保持和調節氣候功能的重要因子。采用歸一化植被指數（NDVI）進行表征。首先根據EOSDIS網站下載的MODIS影像數據計算出歸一化植被指數，然后利用公式（6）和公式（7）估算植被覆蓋度。NDVI指數越大，植被覆蓋度越大，生態越安全（圖6）。

式中：NDVI——每個像元的歸一化植被指數值；Band2，Band1——對應近紅外波段與可見光紅波段；VFC——植被覆蓋度；NDVImin，NDVImax——最小、最大歸一化植被指數值。

表3 秀山縣土地利用量化標準

2.2.7 道路影響度和城鎮影響度 在城鎮化和工業化起步階段，道路建設和城鎮化、工業化發展對生態過程產生直接和間接的干擾。靠近道路和城鎮的區域，人類活動頻繁，土地生態系統承受的人文社會壓力增大，土地生態系統安全程度降低；反之遠離道路和城鎮的區域，土地生態系統相對比較安全。從數字化土地利用現狀圖中提取道路和城鎮駐地的線、面分布，采用ArcGIS空間分析功能進行道路和城鎮駐地的全縣域緩沖，然后參考《城鎮土地定級規程》中道路通達度的計算模型，建立公式（7）對道路和城鎮影響度進行量化處理。

圖5 秀山縣土地利用類型

圖6 秀山縣植被覆蓋度分布

式中：F——道路或城鎮作用指數；ri——道路或城鎮的相對影響半徑，計算公式為ri＝di／d，其中di為緩沖距離，d為道路和城鎮的影響距離，d值可以分別采用式（8）和式（9）計算：

式（8）為道路影響距離計算公式，d1為全市骨干道路總長度（452km）；式（9）為城鎮影響距離計算公式，s為秀山縣面積，n為城鎮個數（30）；計算道路和城鎮影響距離分別為2.7km和16km。

2.3 土地生態安全級別確定

考慮山區地形是影響區域水分、土壤和氣候等非生物環境的主要因素。為此本研究將地形位指數作為土地生態安全評價的主導因子，構建土地生態安全指數模型：

式中：FT——地形位指數的量化值；Fi，wi——其他8項因子的量化值和權重。指標權重采用層次分析和專家經驗法綜合確定，年降水量、土壤質地、土壤有機質含量、土壤侵蝕程度、植被覆蓋度、土地利用強度、道路影響度和城鎮影響度的權重分別為0.10，0.11，0.14，0.08，0.27，0.20，0.05，0.05（表4）。

表4 秀山縣土地生態安全指數與土地生態安全評價結果

3 生態安全綜合分析與調控對策

秀山縣土地生態狀況整體良好，土地生態安全和較安全狀態面積為1 503.47km2，占全市面積的35.20%。將土地生態安全級別圖與地形圖、二級指標分區圖對比可看出：土地生態安全區域主要分布在中部平壩丘陵區；土地生態較安全區域在全縣均有分布，但主要位于海拔較低、坡度較小的位置；縣內東部低山區、西部低山區、東部中山區及西部中山區的土地生態安全性相對較低，處于土地生態預警和中警狀態。針對各級別的自然特征和存在的生態環境問題，提出相應的調控措施。

（1）土地生態安全級。該級別區域面積為485.52km2，占全縣面積的21.23%，主要位于中部平壩丘陵區。區域內地勢平坦開闊，氣候溫暖、濕潤、日照充足，且田多土少，土壤質地以壤質為主，保水保肥功能較強，土地生態系統處于安全狀態。該級別存在的主要生態問題是建設開發與耕地保護之間的矛盾。根據秀山縣土地利用現狀圖可知，秀山縣縣城正好位于該區域。隨著城鎮化的發展，新增建設用地大量占用耕地問題突出。因此，應該注重保護耕地和農地生態環境，集約節約利用城鎮建設用地，加強農田、水域、道路及農村居民點等用地的優化，減少耕地尤其是優質耕地的占用。

（2）土地生態較安全級。該級別區域面積最大，為1 013.95km2，占全縣面積的43.97%，在全縣均有分布，多分布在各區域坡度較小、海拔相對較低的位置。區域內土地利用類型多為耕地、園地，既保證了區域糧食生產安全，也維護了區域生態環境的穩定。存在的生態環境問題是水土流失問題開始顯現和土壤肥力降低。因此，在實際生產中可以通過開展土地整治項目，改善農田基礎設施條件，提高作物產出率；同時采用增施有機肥、合理輪作、秸稈還田等措施提高土壤肥力，從而促使土地資源可持續利用，增加土地生態系統的穩定性。

（3）土地生態預警級。該級別區域面積為687.27km2，占全縣面積的29.81%，主要分布在縣的東部低山區南端、西部低山區、及東部中山區和西部中山區中海拔相對較低的位置。區域內地勢起伏大，海拔450～900m，坡度較大，溝田多，坡地多，土層較薄，日照不足，水資源缺乏，不利于農作物生長。土地利用類型為林地、園地、草地和坡耕地。主要生態問題是水資源不足和土壤較貧瘠，應合理調整土地利用結構。因此，對區域內25°以上的坡耕地全部退耕還林；對水土保持設施條件尚可的坡耕地和園地應加強土壤肥力培育。

（4）土地生態中警級。該級別區域面積為115.09km2，占全縣面積的4.99%，主要分布在東部中山區和西部中山區。區域內地勢較高，山谷起伏，海拔800～1 600m，冬寒春冷，全年濕潤，風力較大，降雨量豐富，日照較少，土壤多為黃壤，土多田少，坡度大，水土流失嚴重，土壤保水保肥性能差，作物單產較低，土地生態系統脆弱。該區域應限制農業生產，以自然植被保護為主，充分發揮當地優良樹種優勢，加強水土保持林建設，科學安排林種布局，增加區域植被覆蓋度，防止水土流失。

4 結論與討論

本研究從土地生態安全概念和西南山區生態敏感區的土地生態特征出發，應用地理信息系統技術（GIS）、數字高程模型（DEM）、遙感影像以及土地利用現狀圖等數據，在各項評價因子空間量化和分析的基礎上，建立了以地形位指數為主導因子的土地生態安全評價模型，并以秀山縣為例進行了實證研究。通過分析，我們得出以下結論：

（1）秀山縣各項生態安全評價因子在空間分布上具有高度的相似性，且具有較好的區域集聚度，導致秀山縣土地生態安全在空間分布上具有明顯的區域特征。

（2）秀山縣土地生態安全等級主要為土地生態較安全級，占全縣面積的43.97%，主要分布于秀山縣東南部、中部、東北部相連接的條帶狀區域，該區域為秀山縣糧食主產區；土地生態預警級占全縣面積的29.81%，且在空間分布上呈塊狀分布；土地生態安全級占全縣面積的21.23%，在空間分布上與土地生態較安全級具有相似性，但主要集中于中部平壩丘陵區，該區域也是秀山縣縣城所在區域；土地生態中警級占秀山縣面積較小，空間上呈線型分布，該區域主要為山區。由此可見，秀山縣土地生態安全空間格局與土地利用格局具有較高的耦合性。

（3）利用GIS和模型應用，對各土地生態安全級存在的生態環境問題提出了符合區域針對性強、實際操作性強的調控建議，對區域生態規劃總體定位以及周邊土地生態系統協調發展具有較強的指導意義。

文章以縣域為研究尺度，以25m×25m柵格為評價單元，較以前基于行政單元和流域為數據載體的研究，提高了研究精度，為區域土地利用調控提供了較為準確的信息。但在評價指標選取、評價指標體系的構建上還需進一步研究探索。

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