基于土地利用變化下的縣域生態敏感性及灰色預測
——以河北省平山縣為例

郭年冬,陳召亞,李恒哲,郭文濤,許 皞

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院,河北 保定 071000; 2.河北省國土資源廳,石家莊 050000)

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基于土地利用變化下的縣域生態敏感性及灰色預測
——以河北省平山縣為例

郭年冬1,陳召亞1,李恒哲1,郭文濤2,許 皞1

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院,河北 保定 071000; 2.河北省國土資源廳,石家莊 050000)

平山縣作為石家莊地區的重要水源涵養及紅色旅游基地，是生態環境保護與建設的重要區域。在分析平山縣基于1997—2013年土地利用變化下的土地利用強度與生態系統服務價值變化的基礎之上，引入了生態敏感性指數模型，研究分析了平山縣1997—2013年土地利用變化對其生態敏感性的影響。結果表明：土地利用強度與生態系統服務價值在1997—2013年的變化趨勢大體一致，均呈現先減小后增大的趨勢；土地利用變化對于生態系統的敏感性作用較為強烈，其指數由2001年的3.23下降到2013年的1.36，降幅為237.5%；分析計算結果可以看出，位于平山縣城區及人口和商業密集的鄉鎮，其生態敏感性指數普遍高于其他地區，位于東部平原的鄉鎮生態敏感性普遍高于中西部山地丘陵區的鄉鎮。通過預測2017年平山縣土地利用結構，測算出2017年平山縣生態系統敏感性指數為1.68，雖屬低生態敏感性，但較2013年是增加的，需要引起關注。

土地利用變化; 生態敏感性; 灰色預測; 平山縣

近年來，在追求經濟快速發展的同時生態環境也遭到了嚴重的破壞，盡管黨和國家為治理生態環境做出了巨大的努力，但效果并不理想，生態環境保護形勢依然嚴峻。生態敏感性研究已成為生態系統可持續發展的研究熱點。生態敏感性這一概念最早出現于20世紀60年代后期，由外國學者Steive提出，其通過將生態適宜性分析中的地圖疊加法改進，進而提出了生態環境敏感性模型，該模型較地圖疊加法而言，具備更強的實用價值[1]。目前，國外對于該領域的研究大都集中于對單一生態環境敏感性做出具有針對性的評價研究，而對綜合性的生態敏感性評價研究還較為罕見[2-3]；相對于國外，我國對生態環境敏感性的研究開展較晚，且研究的重點與方向也不相同，在我國，絕大多數的研究都是針對在省(自治區、直轄市)、市或某一地形區層面開展的綜合性生態敏感性評價研究，尺度較大，范圍較廣，而針對縣域等中小尺度的研究較為少有，且對其生態敏感性進行進一步預測的研究更是罕見[4-6]。

平山縣地表水資源豐富，擁有大小水庫共65個，作為石家莊地區的重要水源涵養及生態保障區，其在資源的開發利用、工業生產、廢物處理等方面做出了很大的犧牲，對石家莊及周邊地區的生態環境安全，尤其是水資源供給、環境凈化等方面的貢獻作用明顯。同時，該縣也是全國紅色旅游及愛國主義教育的重要基地，中國革命圣地——西柏坡就坐落于此，作為全國著名的旅游縣，其境內還有駝梁山、天桂山、白鹿溫泉等中國著名景點。隨著二、三產業的發展，加之城鎮化進程不斷加快，使得該縣的生態環境也不可避免地受到了很大的影響，因此明確土地利用變化與生態敏感性的作用機制，有利于為土地整治規劃與管理提供技術支撐，豐富生態學理論體系，對于促進生態環境健康發展，實現土地資源可持續高效利用發揮著重要的作用。

本文首先對平山縣1997—2013年土地利用類型的變化情況進行分析，闡明各土地利用類型在數量和空間上的變化情況；其次通過引入生態敏感性指數模型，對平山縣基于土地利用結構變化的1997—2013年生態敏感性做出評價與分析，實現對生態敏感性的量化;最后，通過預測2017年平山縣土地利用結構，測算2017年平山縣生態系統敏感性指數，以期為促進平山縣生態環境健康發展，實現土地資源可持續高效利用提供參考與指導。

1　研究區現狀

本文選取河北省平山縣作為研究區，該縣位于石家莊西北部的太行山區，占地面積約為2 648 km2，總人口約46萬人，年降水量500～690 mm，年均氣溫0～12℃，其境內群山縱橫，層巒疊嶂，西北高、東南低，山地面積占全縣總面積的78%，由于其境內水庫數量眾多，因此該縣水域面積較大，為2.0 hm2，占全縣總面積的7.7%；平山縣的經濟發展態勢較為良好，相關數據表明到2012年底，全縣實現了163.2億元的經濟生產總值，同比2011年增長了9.59%，2012年財政收入為15.29億元，較2011年提高了4.25%；同時該縣也擁有豐富的自然資源，尤其是水電及地熱資源，已成為帶動平山縣經濟發展的又一新興產業。本文在參考已有研究[7-9]的的基礎上，結合全國土地利用現狀分類、中國科學院資源環境分類系統及當地生態環境特點，將土地利用類型劃分為耕地、林地、園地、草地、水域、城鎮村及工礦用地、其他土地7類主要的土地利用類型，結合平山縣土地覆被特征、土地利用方式特點及遙感影像，將城鎮村及工礦用地整合為建設用地，其他土地歸并為未利用地。其中該縣以未利用地與林地為主，分別占土地總面積的37.53%和33.35%，園地面積最少，只占總面積的1.24%。平山縣作為石家莊地區重要的生態緩地帶，擔負著“保水、阻沙、防風”之重任，其生態環境如何直接關系到石家莊地區的生態環境質量。

2　研究方法

2.1數據預處理

數據來源于對1997年、2001年、2005年、2009年和2013年的5期Landsat TM影像圖的解譯，應用ENVI 4.7對影像圖進行波段組合、幾何校正(誤差值不超過0.5個像元)、區域裁剪等數據預處理,然后在ArcGIS 9.3支持下，采用監督分類與目視解譯相結合的方法進行解譯從而獲取研究區不同時期的土地利用數據庫,經校驗本次所解譯的成果其精度及Kappa指數均大于0.8。社會經濟及農業相關數據來源于各年份的《河北省農村統計年鑒》、《河北省經濟年鑒》、《河北省統計年鑒》及《全國農產品成本收益資料匯編》等。

2.2生態系統服務價值評價方法

本研究在參考Costanza[10]與謝高地[11]等的研究成果之上，對河北省單位土地面積生態服務價值系數進行測算。2013年中國單個生態系統價值當量的經濟價值為507.45元/hm2，結合2013年《河北省統計年鑒》的相關數據，計算得出2013年河北省平均糧食產量為5 151.69 kg/hm2，全國平均糧食產量為5 935.50 kg/hm2，據此在對全國單個生態當量進行修正的基礎之上，確定河北省單個生態當量的價值為440.44元/hm2，通過計算，最終得到河北省單位土地面積生態服務價值系數(VC)(表1)。

生態系統服務價值的計算公式為：

ESV=∑Ak·VCk

(1)

式中：ESV為生態系統服務總價值(元)；Ak為第k類土地利用類型的面積(hm2)；VCk為第k類土地利用類型的單位面積土地生態服務價值系數(元/hm2)。

表1　河北省單位面積土地生態服務價值系數　元/hm2

2.3土地利用強度計算

土地利用的強度與充分性影響與決定著其內部能量及物質相互交換的生態過程。不同的土地利用方式所產生的環境污染問題也有所不同。根據資料顯示，土地利用的強度具有一定的范圍，即土地利用的上限和下限[12-13]。土地利用的量化過程建立在土地利用限度范圍的基礎上，即人類對土地資源的利用達到某一臨界值后，若無法對其進一步的開發與利用則達到土地利用的上限，反之，土地利用下限則表現為土地仍然處于沒有被人類進行任何干擾的狀態，據此特征，按照自然狀態下不同土地類型被人類活動干擾的程度，將土地利用的理想狀態分等定級，人類活動的干擾程度越大等級越高，Ⅰ級為其他土地，以未利用地為主;Ⅱ級為林地、水域及水利設施用地;Ⅲ級為農業用地，包含耕地、園地;Ⅳ級為包括城鎮村居民點在內的建設用地，并按照“1分、2分、3分、4分”對Ⅰ—Ⅳ級分別賦值。在實際計算過程中，某一區域內土地利用類型往往不是單一的，而是混雜著所有4種類型，這時就需要按照每種不同土地利用類型所占的面積比例對土地利用強度綜合指數進行測算，其計算公式為：

(2)

式中：L為研究區土地利用強度綜合指數；Gi為第i種土地利用類型的強度分級指數；Ai為第i種土地利用類型面積占研究區土地總面積的比例。

2.4平山縣土地利用變化下的生態敏感性評價

所謂敏感性就是指在某系統內具有關聯性的一組因素中，其中一種因素改變之后發生的變化對該系統預期結果所產生的影響性質及影響程度；而敏感性分析就是通過借助這種規律去探析區域間各個因素與生態系統的關聯程度并試圖將其量化，通常以將研究對象的變化率度與影響因素的變化率度的比值來表征[14]。具體計算公式如下：

(3)

式中：I(j)為研究區在第j年的土地利用變化下的生態敏感性指數；ΔESV(j-1,j)表示為第j-1年至第j年中生態系統服務價值的變化率；ESVj，ESVj-1分別為第j年和第j-1年的生態系統服務價值總量；ΔL(j-1,j)為第j-1年至第j年中土地利用強度綜合指數的變化率；Lj，Lj-1分別為第j年、第j-1年的土地利用強度綜合指數。其中研究的基準年為第j-1年。

本文以平山縣做為一個封閉區域進行研究，為了更加清晰表現出生態敏感性分布特點，本文在生態敏感性分析中通過建立各評價單元得分的頻率直方圖對其進行分級并探究。

2.5平山縣2017年土地利用結構預測

灰色預測模型是通過使用一定的數學方法對原始數據進行相關處理后，將其以借助于動態微分方程的形式來對其內在特征進行描述，從而建立了的抽象系統的動態演化模型[15-16]。

(4)

GM(1,1)模型所配套的標準解如下：

(5)

式中：a，u是未知的尚待確定參數；t表示為時間。

為了提高GM(1,1)模型預測結果的科學性，本次研究利用后驗差檢驗法對其預測結果進行精度校驗。其表達式為：

(6)

3　結果與分析

3.1平山縣土地利用變化分析

依據上述土地利用分類的理想狀態，本文將平山縣1997—2013年的各類土地面積進行了統計(表2)。通過分析平山縣土地利用的變化可以看出，1997—2013年研究區不同類型土地的分布及數量變化較為顯著，其中最直接的表現為耕地、園地、林地及建設用地面積大幅增加，水域及水利設施用地、未利用地面積明顯減少，其中耕地、林業用地、園地、及建設用地數量分別增長13.37%，8.80%，29.64%，10.49%，水域、未利用地分別減少12.41%，11.12%。平山縣建設用地由1997年7 671.07 hm2增加到2013年的10 519.52 hm2，年均增長189.9 hm2；耕地面積由1997年的40 374.87 hm2增加到2013年的47 773.39 hm2，年均增加493.23 hm2，其中，1997—2005年耕地面積呈遞減趨勢，這是由于平山縣受生態環境保護及水源涵養的定位的影響，致使未利用地資源利用的困難增加，加之農民對于耕作意愿的降低所致，但隨著平山縣經濟總量的增長及人口數量的增加，為保證糧食的供給和社會的穩定，保證一定數量的耕地資源勢在必行。

表2　1997-2013年平山縣各類型土地面積統計　hm2

3.2平山縣生態系統服務價值變化分析

根據公式(1)測算平山縣生態系統服務價值，結果見圖1。1997—2013年總價值呈現先減小后增加的趨勢，由1997年的125 925.44萬元減少到2001年的116 284.82萬元，年均減少1 928.12萬元，降幅為7.7%；從2001年開始，生態系統服務價值呈現遞增的趨勢，到2013年達到126 923.29萬元，年均增長886.54萬元，增幅為9.2%，這其中，從2005開始，生態系統服務價值的增長幅度較2001—2005年有明顯提升，到2013年的生態系統服務價值略高于1997年，這是由于2005年以后隨著政府加大對農業的扶持力度以及當地積極開展土地整治工程，使得耕地、園地、林地的面積有了較大幅度的增加，而未利用地面積則明顯減少，從而改變了平山縣土地利用格局，改善了生態環境質量，提升了生態系統服務價值總量。

圖1　平山縣生態系統服務價值變化

3.3平山縣土地利用強度變化分析

按照上述公式(2)測算出平山縣土地利用強度綜合指數，見圖2。1997—2013年平山縣土地利用強度整體呈上升的趨勢，其中1997—2001年是遞減的，由1.803下降到1.766，降幅為2.1%，到2013年土地利用強度增加到1.905，增幅為7.6%，在此過程中，土地利用強度變幅最大的年份為2009—2013年，變化幅度為0.079，變幅為4.3%，這是由于隨著社會經濟的發展及科學技術的提高，城鎮化進程的加快以及政府對農業生產的扶持力度加大，平山縣未利用地資源有了較大幅度的開發利用，加之當地農民積極開展土地整治工程，改善了原有的生產模式，使得人們對土地利用的意愿普遍提升，耕地、園地、林地及其建設用地面積明顯增加，未利用土地面積逐漸減少。

圖2　平山縣土地利用強度變化

3.4平山縣生態敏感性分析

根據公式(3)測算1997—2013年平山縣各鄉鎮基于土地利用結構變化下的生態敏感指數，結果見表3。2001年的生態敏感性指數是以1997年數據為基礎計算得到，從計算結果可以看出生態敏感性整體呈現先減小后增大，又減小的變化趨勢，但是除了2001—2005年的變化趨勢較大外，其余年份的變化幅度不大，其指數由2001年的3.23下降到了2013年的1.36，降幅為57.9%，說明隨著政府加大對生態環境的治理力度以及當地積極開展土地生態整治工程，其生態壓力有所減小，生態環境有了明顯的改善；分析計算結果可以看出，研究區生態敏感性分布呈現出以下2個特點：(1)城鎮大于鄉村，位于平山縣城區及人口和商業密集的鄉鎮，其生態敏感性指數普遍高于其他地區；(2)平原大于山區，大部分位于平原地區的鄉鎮，其生態敏感性普遍高于位于山地丘陵區的鄉鎮。

表3　2001-2013年平山縣土地利用變化下的生態敏感性指數

在ArcGIS平臺的支持下，利用平山縣二調數據庫資料，根據生態敏感性指數的計算公式對2009年和2013年的土地利用類型圖進行疊加處理，得到2013年平山縣的生態敏感性分布，通過得分頻率直方圖，將其生態敏感性劃分為4個等級：生態不敏感區域(I值小于等于1)、低生態敏感性區域(I值為1～2.37)、中等生態敏感性區域(I值為2.37～3.69)、高生態敏感性區域(I值大于等于3.69)。2013年平山縣生高態敏感性區域的面積最小，為153.69 hm2，僅為全縣總面積的0.06%；中等生態敏感性區域為2 772.59 hm2，占全縣總面積的1.05%；低生態敏感性區域為27 179.56 hm2，占全縣總面積的10.28%；生態不敏感區域面積最大，為234 262.33 hm2，占全縣總面積的88.61%，是平山縣土地的絕大部分，主要包括研究前后土地利用類型未發生變化的區域。

以2013年的敏感性分級標準為參考來看，1997—2013年平山縣土地利用變化下的生態敏感性總體不高，但是生態系統對這一改變的響應較為強烈，且變化幅度較大，由2001年的3.23下降到2013年的1.36，降幅為237.5%，由中等生態敏感性改善為低生態敏感性，但部分區域如平山鎮在研究期內均屬于高生態敏感性地區，應該引起高度重視。從分區結果中可以看出，處于高生態敏感性地區最為顯著的土地利用變化特征就是各類土地利用類型中建設用地不斷增多，耕地、林地等農業性用地逐漸減少。1997—2001年由于耕地面積不斷減少，建設用地及未利用地面積大幅增長，從而導致生態敏感性也較高，但是2001年以后，隨著未利用地的不斷開發，農業及林業用地面積開始呈增加的趨勢，其生態敏感性也隨之降低。

3.5基于土地利用結構預測的平山縣2017年生態敏感性測算

在充分考慮《平山縣土地利用總體規劃》(2010—2020年)以及《平山縣土地整治規劃》(2011—2020年)的基礎之上，以1997—2013年平山縣土地變更調查數據，運用灰色預測模型預測2017年平山縣各類用地規模，見表4。

表4　2017年平山縣土地利用結構　 hm2

為了將GM(1,1)模型預測值的精確性和可靠性提高，需要對灰色GM(1,1)預測模型精確性進行定級，根據模型預測精度等級評定標準[15-16]，當C<0.35且p≥0.95時，其精確性較高，為一級；當C≥0.65且p≤0.75時，精確性較差，不可使用。根據表4，該模型后驗差比值C<0.35，p=1>0.95，均為一級預測結果，精確性較高，預測結果可信度大，檢驗結果見表5。

表5　2017年平山縣生土地利用結構預測值精度檢驗

依據上述預測數據，帶入公式計算得到2017年平山縣土地利用強度指數為1.95，比2013年有所升高，生態系統服務價值為131 626.64萬元，較2013年增長3.7%。以2013年為基礎，將上述數值帶入公式(7)測算2017年平山縣生態敏感性指數為1.68，屬于低生態敏感性，但是比較2013年的生態敏感性指數，2017年是增加的，需要引起關注。

4　結論與討論

本文對平山縣基于土地利用變化下的生態敏感性進行了探究。通過引入生態敏感性模型，對平山縣23個鄉(鎮)及國有土地的生態敏感性進行了測算。研究結果表明：平山縣生態敏感性整體不高，但其對于土地利用變化的響應還是比較強烈的，生態敏感性指數由2001年的3.23下降到2013年的1.36，降幅為237.5%；平山縣生態敏感性分布狀況存在一定規律，即城鎮大于鄉村、平原大于山區；通過分析可以看出，生態敏感性較高的地區大都表現為建設用地不斷增多，耕地、園地等農業性用地減少，而低生態敏感性地區大都為研究前后土地利用類型未發生變化的區域。最后本文通過預測2017年平山縣土地利用結構，測算得出了2017年平山縣生態系統敏感性指數為1.68，屬于低生態敏感性，但較2013年是增加的，需要引起關注。

由于前人的研究大都是針對在省(自治區、直轄市)、市或某一地形區層面進行的綜合性生態敏感性評價研究，尺度較大，范圍較廣，而針對縣域等中小尺度的研究較為少有，且對其生態敏感性進行進一步預測的研究更是罕見，因此本文以平山縣為研究區，在分析其1997—2013年土地利用變化的基礎之上，進行了基于土地利用變化的生態敏感性研究及其2017年的生態敏感性預測，研究結果對于促進平山縣可持續發展、生態環境保護與土地資源高效持續利用發揮著重要指導作用，同時也為其他地區的生態敏感性研究提供了較為科學的依據。但本文僅通過生態敏感性模型對1997—2017年平山縣生態敏感性及其空間分布狀況進行了定量分析與預測,并未深入分析造成這種空間分布狀況的原因，今后可在此基礎上探索適當的方法對平山縣生態敏感性驅動力分析、改善平山縣生態環境的措施、建議等方面進一步深入分析研究。

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Ecological Sensitivity Research and Their Grey Forecast Based on Land Use Change in Pingshan County， Hebei Province

GUO Niandong1,CHEN Zhaoya1,LI Hengzhe1,GUO Wentao2,XU Hao1

(1.College of Resources and Environment Science,Agricultural University of Hebei,Baoding， Hebei 071000,China; 2.Hebei Provincial Department of land and resources,Shijiazhuang 050000,China)

Pingshan County,which is the important water conservation and red tourism base,is the ecological defense of Shijiazhuang area.To promote Pingshan County construction of ecological environment,by domestic and foreign research methods,based on the analysis of the Pingshan County in 1997—2013 land use change of the intensity and the value of ecosystem services,ecological sensitivity index model is introduced and the influence of land use change on the ecological sensitivity in Pingshan County during the period from 1997 to 2013 was analyzed.The results showed that the change trend of land use intensity and ecosystem service value in the period of 1997—2013 was the same,the change showed a decreasing trend and then rising,and the sensitivity of land use change to ecosystem was strong,and the index fell from 3.23 in 2001 to 1.36 in 2013,which declined by 237.5%,from the point of view of the calculation results of the township located in Pingshan County area and the population and commercial intensive township,the ecological sensitivity index is generally higher than other regions.By predicting Pingshan County land use structure in 2017,the ecosystem sensitivity index of Pingshan County will be 1.68 in 2017,and it belongs to the low ecological sensitivity,but it increases compared with 2013,so it need to be paid more attention.

land use change; ecological sensitivity; grey forecast; Pingshan County

2016-02-28

2016-03-17

河北省政府財政預算項目“河北省典型地區未利用地調查與多宜性評價及利用對策”(2014995161)

郭年冬(1990—)男,河北石家莊人,碩士研究生,研究方向為土壤與土地資源持續利用。E-mail:guo_niandong@163.com

許皞(1963—),男,河北定興人,教授,博士生導師,主要從事土壤與土地持續利用研究。E-mail:xuhao22003@yahoo.com.cn

F301.2; X171

A

1005-3409(2016)05-0229-06