重慶市江津區土地利用變化及其生態風險評價

楊成波， 劉秀華

(西南大學資源環境學院，重慶 400700)

土地利用是人與自然交叉最為密切的環節，土地利用變化將帶來景觀格局的改變，直接影響生態系統的結構和功能，因而土地利用變化被認為是對生態環境影響最為重要的變化之一[1]，合理的土地利用方式可以實現資源的最優配置，不合理的土地利用方式將給生態環境帶來風險。所謂生態風險是指環境自然變化，尤其是人類活動導致的自然環境物理破壞引起的不良生態效應的或然性、可能危險性[2]，具有復雜性、客觀性、不確定性等特征。生態風險評價是指在一種或多種外界因素的影響下，對發生或正在發生的不利于生態系統穩定和良性循環的生態后果進行評估。

目前，針對土地利用變化，國內外大多數學者將研究重點放在土地利用變化及其驅動因素分析[3]、土地利用變化特征與趨勢預測[4]以及土地利用變化與經濟發展的關系等方面，如曹銀貴等根據遙感影像圖，利用地理信息系統(GIS)技術對三峽庫區近30年土地利用類型的數量、空間分布及變化趨勢進行研究，總結出了三峽庫區土地利用的時空變化特性，其研究對庫區的土地利用規劃具有指導意義[5]。胡明等通過對陜西省安塞縣土地利用變化和當地的經濟發展進行研究，總結出當地的耕地面積雖然呈減少趨勢，但高技術、高產量農產品的增加促進了當地經濟的發展，加上以林地為代表的具有良好生態效益的土地利用面積的擴大促進了第三產業的發展，進而加快了當地的城鎮化水平[6]。而國內外對土地利用變化的生態效應研究還較為薄弱。我國的風險評價工作起步較晚，雖然在化工項目與易燃、易爆、有毒化學品等方面做過大量的工作，但針對由土地利用變化所引起的生態風險評價等方面的研究還較少。隨著人口增加以及工業化、城鎮化的快速推進，土地利用格局會隨著人類對土地與日俱增的需求而發生變化，從而引起生態系統結構和功能的改變，進而產生一定的生態風險，如何量化這些風險并進行科學的評價是本研究的重點以及創新點。

研究區域土地利用變化和隨之帶來的生態風險，對于了解區域生態環境現狀和合理利用有限的土地資源、治理和恢復生態環境具有極其重要的現實意義，也能為在生態安全條件下制定土地利用規劃提供科學依據[7-8]。本研究以重慶市江津區2009、2014年的土地利用現狀數據為基礎，分析2009—2014年江津區各地類的變化情況，并從土地利用變化及景觀格局變化2方面入手，構建基于土地利用指標和景觀生態指標的綜合生態風險指數模型，進而計算出江津區的生態風險變化情況，以探明隨著江津區土地利用格局變化所造成的區域生態風險的變化趨勢，為相關部門制定土地利用規劃和進行生態安全治理提供科學依據，以期促進江津區生態環境良性循環和健康發展。

1 研究區概況

江津區位于重慶市西南部，地處105°49′～106°38′E、28°28′～29°28′N之間，東鄰巴南、綦江，南靠貴州習水，西依永川，北接壁山。四面高山環抱，境內丘陵起伏，地貌以丘陵兼具低山為主，其中丘陵占78.2%，低中山占21.8%，隨著社會經濟的發展，人們對土地的需求不斷增大，也愈發多樣化。面對有限的土地資源，各土地利用主體都在為滿足自身的土地需求而相互爭奪。由此引發的土地利用沖突問題較為突出[9]，不合理的土地利用造成的水土流失、土地退化、環境污染、自然災害等生態問題較為嚴峻。

2 數據來源及分類系統

本研究的數據來源：重慶市江津區2009、2014年2期的土地利用現狀矢量數據；《重慶市國土資源和房地產年鑒》(2010—2012年)、《重慶市江津區統計年鑒》(2010—2014年)。

本研究根據中國常用土地分類標準及相關文獻[10-11]，將江津區地類分為8大類，分別為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地、其他農用地、未利用地。

3 研究方法

3.1 土地利用變化研究

本研究根據重慶市江津區2009、2014年2期的土地利用現狀矢量數據，利用ArcGIS將2期矢量數據進行疊加分析，得到2009—2014年6年間江津區各地類的變化情況，計算出2009—2014年各地類的變化量、變化率及平均年變化率。

3.2 綜合生態風險指數模型的構建

3.2.1 生態風險評價指標的選取 本研究在參考相關文獻的基礎上[12-14]，將江津區生態風險評價指標體系分為土地利用指標和景觀生態指標，具體的指標選取及各指標意義如下：

3.2.1.1 土地利用指標 (1)土地利用程度指數。土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，其變化是多種土地利用類型綜合變化的結果，可定量地揭示區域土地利用的綜合水平和變化趨勢。土地利用程度與生態風險程度呈負相關，屬于逆向指標，表達式：

(1)

式中：L為研究區內土地利用程度綜合指數；Ai為研究區內第i級土地利用程度分級指數(表1)；Ci為研究區內第i級土地利用程度分級面積百分比。

土地利用程度分級指數是指將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分等定級，本研究將土地利用程度劃分為4級[15-16](表1)。

表1 土地利用程度分級賦值

(2)耕地墾殖指數。耕地墾殖指數指研究區耕地面積占土地總面積的比例，它是衡量一個地區土地資源開發利用程度的重要指標。耕地墾殖指數與生態風險程度呈負相關，屬于逆向指標，通常以百分數表示：

(2)

式中：K為研究區的耕地墾殖率，%；P為研究區耕地面積，hm2；A為研究區土地總面積，hm2。

(3)植被覆蓋率指數。植被覆蓋率通常是指森林面積占土地總面積的比例，是反映森林資源和綠化水平的重要指標。植被覆蓋率與生態風險程度呈負相關，屬于逆向指標，一般用百分數表示：

(3)

式中：M為植被覆蓋指數，%；F為林地面積，hm2；G為草地面積，hm2；A為研究區土地總面積，hm2。

3.2.1.2 景觀生態指標 (1)景觀多樣性指數。景觀多樣性指數指不同類型的景觀在空間結構、功能機制和時間動態方面的多樣化和變異性，反映景觀類型的多少和所占比例的變化，揭示景觀的復雜程度。該指數與生態風險程度呈正相關，屬于正向指標，計算公式如下：

(4)

式中：H為研究區景觀多樣性指數；Pi為研究區內第i種土地利用類型占土地總面積的比例；m為研究區土地利用類型的總數。

(2)景觀優勢度指數。景觀優勢度指數用于測定景觀結構組成中斑塊類型支配景觀的程度，表示一種或幾種類型斑塊在一個景觀中的優勢或程度。該指數與生態風險程度呈負相關，屬于逆向指標，計算公式如下：

(5)

式中：I為研究區景觀優勢度；Hmax為最大多樣性指數，Hmax=lnm，m表示斑塊類型數。其中I值越大，表明組成景觀各類型所占比例差異大；I值小，表明景觀是由多個比例大致相等的類型組成的；當I=0時，則表示組成景觀各種類型所占比例相等。

(3)景觀破碎度指數。景觀破碎度指數指景觀被分割的破碎程度，景觀的破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一，可以反映人類活動對景觀格局的影響。該指數與生態風險程度呈正相關，屬于正向指標，計算公式如下：

(6)

式中：F為研究區綜合景觀破碎度指數；N為景觀的總斑塊數，個；A為研究區景觀總面積，hm2。

3.2.2 生態風險評價指標的標準化處理 閾值是指一個領域或一個系統的界限值，屬于臨界值，即當某一指標低于或超過某一系統的閾值后，系統結構將發生改變，不再穩定。因此，閾值是反映系統是否維持穩定的一個重要指標。指標閾值的確定目前還處在實踐和探索階段，本研究根據以下原則確定各個指標的閾值：(1)針對目前國家和行業已有標準的指標，采用國家規定的閾值；(2)國家無明文規定，相關權威專家經過科學研究已判定的標準指標，可作為該指標的閾值；(3)對于既無明文規定又沒有相關科學研究結論的指標，則從研究區的實際情況出發，分析比較經驗數據，得出相對準確的閾值；(4)對于正向指標，取指標上限為安全閾值，對于逆向指標，取指標下限為安全閾值。

以上所選取的各指標間由于類型和量綱的不同，不便于研究分析，因此本研究采用歸一化方法，依據各個指標的閾值，通過數學變換把量綱不同的指標統一轉化到[0，1]區間內，以便消除差異，使各指標具有可比性[17]。將指標無量綱化的數學轉換公式如下：

(7)

(8)

式中：xi為第i個指標的實際值；zi為第i個指標的安全閾值；ri為無量綱化后的各指標值，即標準值。

3.2.3 生態風險評價指標權重的確定 熵權法是一種在綜合考慮所有因素和提供的信息量的基礎上客觀賦權的數學方法，其優點是精度較高、客觀性較強[18]。用熵權法計算各指標權重的過程如下：

(1)第j個指標下第i個項目指標值的比重Pij：

(9)

式中：Tij為各個指標的標準值。

(2)第j個指標的熵值ej：

(10)

(3)第i個指標的權重Wj：

(11)

3.2.4 基于土地利用指標和景觀生態指標的綜合生態風險指數模型 江津區的綜合生態風險指數模型[19]如下：

(12)

式中：E表示綜合生態風險指數；Wi表示各個指標所占權重；bi表示各個指標的值。

4 結果與分析

4.1 重慶市江津區2009—2014年土地利用變化

通過ArcGIS軟件對重慶市江津區2009、2014年的土地利用現狀矢量圖進行空間分析并分別制作2009、2014年江津區土地利用現狀圖(圖1、圖2)以及2009—2014年江津區土地利用面積變化表(表2)。

結合圖1、圖2和表2可以分析得出2009—2014年6年間江津區土地利用類型變化情況，表現在以下4個方面。

4.1.1 耕地面積減少 耕地面積平均每年減少1.901 8%，6年共減少2 686.52 hm2。一方面，2014年江津區固定資產投資為575.0億元，約是2009年197.0億元的3倍。這表明江津區基本建設項目增加，農村興起“建房熱”，鄉鎮企業日益發展，房地產開發投資力度加大，城市規模逐漸擴張，這些變化是導致耕地減少的直接原因；另一方面，2009—2014年間，江津區大力加強農業基礎設施建設，提高農業技術水平，推動農業結構調整，2014年江津區農業總產值突破100億元，居全市第一，而2009年僅為28.5億元。這與江津區區委、區政府提出的“積極發展特色效益農業，加快構建‘1+5+1’的現代農業發展新格局”的發展思路密不可分。近年來，農業比較效益使農業結構逐漸改變，耕地不斷向其他農用地轉化，導致耕地面積減少；而政策的導向作用，使得生產效益差、坡度較大的地區實施退耕還林政策，這是導致耕地減少的又一主要原因。

4.1.2 園地、林地、草地和未利用地面積均下降，建設用地面積大幅度上升 園地、林地、未利用地面積減少幅度較大，草地面積基本保持不變。2011年，重慶市市委、市政府作出了戰略性決定，支持江津、合川、永川三區打造“雙百”城市。截至2020 年，江津區將形成100 km2 城區和100 萬城市人口。2009—2014年，江津區一系列的規劃和發展與占用園地、砍伐林木和開發未利用地是分不開的，是導致3種地類面積減少和建設用地面積增加的直接原因。

4.1.3 其他農用地面積增加 2009年8月，江津現代農業園區啟動建設，這直接促進了農業附屬配套設施的增加和完善，到2014年江津區第一產業投資額已達到4.1億元，而2009年僅為3.7億元，從2009年到2014年，園區基礎設施建設持續改善，僅2014年1年江津區就新建農村農路21 km、山坪塘4口、提灌站4個、蓄水池5個、石河堰1處，新增灌溉面積175.27 hm2，并相繼開工35 km天然氣管線，新架10 kV高壓輸電電網。江津區一系列的農業基礎設施建設促進了其他農用地面積的增加。

4.1.4 水域面積增加 水域是指陸地水域和水利設施用地，2009—2014年，江津區水域面積共增加了25.63 hm2。江津區境內有127 km長江岸線，占重慶市長江岸線的1/5。為了利用這一得天獨厚的資源優勢，江津區于2009年提出了以長江黃金水道為依托的思路，在沿線布局建設了德感工業園、珞璜工業園、白沙工業園和雙福工業園四大工業園區。在各大工業園內均布局了重要的港口碼頭，現代化的港口和通暢的航道，使得江津各大工業園區的經濟得到了極快發展，到2014年，江津工業園區的規模工業企業總數達262戶，工業園區實現規模工業產值突破 1 000億元。各大園區的快速發展和水利設施的不斷完善是江津區水域面積增加的主要原因。

表2 2009—2014年重慶市江津區土地利用面積變化

4.2 江津區2009—2014年生態風險指標分析

根據式(1)～式(6)計算得出江津區2009年和2014年的生態風險指標值(表3)，將各生態風險指標值帶入式(7)、式(8)得到各指標歸一化后的標準值(表4)，根據歸一化后的標準值，利用式(9)～式(11)可計算出各指標權重(表4)，最后依據式(12)計算出江津區2009年的生態風險指數為-0.371 5，2014年的生態風險指數為-0.360 3，可見風險指數有明顯增大。

表3 重慶市江津區2009年及2014年生態風險指標值

由表3可知，江津區土地利用程度指數由269.60增加到270.84，表明隨著鄉鎮企業的發展、城鎮化的推進以及城市規模的擴張，使得江津區的建設用地增加，未利用地減少，使全區土地利用程度明顯加大。耕地墾殖指數由43.88%減少到43.05%，植被覆蓋指數由31.00%減少到30.92%，在這6年間隨著“1+5+1”現代農業新格局的提出，使得部分耕地、林地和草地向能夠獲取更高收益的農用地類型轉化，導致耕地、林地和草地的面積減少，進而使得耕地墾殖指數和植被覆蓋指數減小。

景觀多樣性指數由1.389 55增加到1.402 56，表明6年間各種地類間的相互轉化增大了各景觀在空間結構和功能方面的多樣性，使江津區整體景觀的復雜程度增加。優勢度指數由2009年的0.689 89減少到2014年的0.676 88，表明從2009年到2014年， 江津區占優勢地位的景觀所占比例減小，耕地在整個景觀類型中占有明顯的優勢地位，耕地所占比例的減少使得耕地優勢度降低，進而使得全區景觀優勢度降低。景觀破碎度指數由2009年的0.794 82增加到2014年的 0.819 61，表明景觀被分割的程度加大，部分開發商不顧后果建樓的情況屢見不鮮，農民也頻頻將房屋蓋在農地里，這些都導致土地被無規則破壞，使得全區趨向于形成復雜、異質和不連續的斑塊。

表4 重慶市江津區生態風險評價指標體系、閾值、標準值及權重

江津區的生態風險指數由2009年的-0.371 5提高到2014年的-0.360 3，表明2009—2014年，隨著土地利用格局的變化，江津區的生態風險變大。一方面，2009—2014年，隨著土地利用變化，江津區景觀的復雜程度增加，景觀被無規則分割的程度加大，導致景觀多樣性指數和景觀破碎度指數增大；另一方面，2009—2014年，由于全區耕地、林地的減少和建設用地的增加，江津區的耕地墾殖指數、植被覆蓋指數和景觀優勢度指數變小，土地利用程度這一逆向指標雖然是變大的，但其相對變化幅度小于其余3個指標。因此，2009—2014年，江津區的生態風險呈增大的趨勢。

5 結論

2009—2014年，重慶市江津區土地利用變化顯著。主要表現為耕地、園地、林地、草地和未利用地面積減少，而水域、建設用地和其他農用地面積增加。隨著城鎮化的發展、城市規模的擴張、“雙百”城市的打造、江津現代農業園區以及江津區樞紐港的建設，耕地、園地、林地、草地、未利用地等非建設用地向建設用地、水域和其他農用地轉化，這8種地類之間的相互轉化是江津區土地利用變化的最主要形式。

2009—2014年，江津區生態風險指數增大。隨著江津區建設用地面積的增加和未利用地面積的減少，區域內的土地被大量地利用，但在土地利用的過程中還存在諸多不足，不合理的土地利用使得景觀被無規則分割的現象比較明顯，耕地墾殖指數和植被覆蓋指數的減小是導致生態風險增大的主要原因，應通過相應的措施控制其變化。江津區生態風險指數的增大應引起相關部門和人員的高度重視，可以通過合理布局和規劃將全區土地利用的變化程度和變化方向控制在合理范圍內，以降低整個區域的生態風險程度。在今后的發展中也要重視生態安全問題，不能只顧追求經濟上的發展而忽略生態上的安全。