貴州省土地系統脆弱性測度及其空間分異特征

張 穎, 楊智謀, 陳瑜琦, 趙宇鸞

(1.中國土地勘測規劃院 國土資源部 土地利用重點實驗室, 北京 100035；2.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550001 ; 3.畢節四中, 貴州 畢節 551700)

土地資源是人類生產、生活和生存的物質基礎和來源，為人類提供生存空間和活動場所[1]。20世紀90年代以來，我國進入了快速城鎮化階段，多方面增長的用地需求與有限的土地資源的矛盾日益凸顯[2-3]。在全球氣候變化、資源利用等問題不斷加劇的背景下，人類社會的全面協調可持續發展受到嚴重威脅，特別是在生態環境脆弱地區。貴州省是我國典型的生態環境脆弱區，脆弱的生態環境不僅直接影響、制約貴州工業、農業、交通、城建、生態和旅游等各方面的建設，而且還間接威脅著長江和珠江中下游沿岸的可持續發展[4]。但令人欣喜的是，2000年以來，貴州省石漠化惡化趨勢得到抑制并呈現逆轉[5]，退耕還林政策的實施、鄉村人口的遷移加快了森林轉型[6-7]，生態環境得到顯著改善。由此，土地系統脆弱性呈現什么樣的變化特征是需要探討的問題。

土地系統脆弱性分析概念框架由美國哈佛大學國際可持續發展項目組在脆弱性的基礎上提出[8]，此概念框架隨后應用在了墨西哥和北極的格陵蘭、芬馬克等地區的脆弱性研究中[9]。我國土地脆弱性研究還處于起步階段，在廣度和深度上有待提升[10]，多從生態系統服務角度、土地利用結構等方面對土地脆弱性進行評價，研究的是靜態的土地系統脆弱性或單一的土地利用脆弱性，未將土地系統視為自然—社會綜合作用的有機統一體，且缺乏對土地系統脆弱性的動態過程分析。因此，選取貴州省為研究樣區，構建自然—社會耦合的評價指標體系，引入PSR模型綜合量化區域土地系統脆弱性，分析土地系統脆弱性時空演變格局及過程，旨在深入認識人類對土地資源利用的程度和情況，了解人類活動對區域自然環境的干擾程度，對區域因地制宜出臺山區發展政策，更好地保障山區生態和經濟協調發展具有重要意義。

1 研究區概況

貴州省南鄰廣西、西連云南、北接四川和重慶，面積17.6萬km2。貴州省為高原山地地貌，以山地為主，其間交錯分布著丘陵、峽谷和小盆地(俗稱壩子)，地形支離破碎，地表崎嶇不平，地勢由西、中部向北、東、南傾斜，境內分布有烏蒙山、武陵山等山脈。貴州省是我國巖溶地貌分布最典型、最廣泛、最重要的區域之一，巖溶面積占全省總面積的73.8%，是我國典型的生態環境脆弱區。森林覆蓋率從2000年的23.83%增長到2015年的50%，森林轉型特征明顯。

當前，貴州經濟發展仍處于一個欠發達、欠開發的階段，2015年全省GDP 總量約為10 502.56 億元，僅占全國的1.6%，居全國省市區第25位，人均GDP 為29 847元，居全國省市區第29位。經濟總量小、人均水平低是貴州省經濟建設進程中急需突破的難題。2015年農村貧困人口為493萬人，貧困人口數量排全國省市區第1位，占全國8.77%，農村貧困發生率高達14%，國家級貧困縣數量達66個。貧困人口多集中分布在偏遠的深山區、石山區，生存環境惡劣、生活條件差、生計能力低。貧困是貴州省經濟社會發展急需突破的難題。如何在堅守“生態”和“發展”兩條底線的前提下提高山區經濟發展、實現山區脫貧致富目標是貴州省面臨的棘手問題。對貴州省土地系統脆弱性進行測度和時空差異分析，有利于貴州山區走兼顧經濟發展與生態保護的路徑。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

土地利用空間數據來源于貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室，分析獲得各縣域墾殖系數、建設用地比例、草地面積比例和林地面積比例等數據。農民人均純收入、化肥投入水平、人均GDP等社會經濟統計數據來源于貴州省統計年鑒、統計公報和政府工作報告。

研究期2000—2015年時間跨度較大，期間行政范圍發生變化，研究對行政區域進行了部分合并，將南明區、云巖區、花溪區、白云區、烏當區和觀山湖區合并為貴陽市轄區，將紅花崗區、匯川區和播州區合并為遵義市轄區，將碧江區和萬山區合并為銅仁市轄區，將凱里市和麻江縣合并為凱里市，將鐘山區和水城縣合并為六盤水市轄區，共78個研究單元。

2.2 土地系統脆弱性模型構建

脆弱性是指系統容易受到損害的可能性、程度或狀態。土地系統脆弱性是指在一定時空條件下，土地系統在面臨外界壓力或擾動下的應對程度和可能性響應[10]。基于土地系統脆弱性的概念，在VSD(Vulnerability scoping diagram)脆弱性評估框架的指導下[11]，將土地系統分解成壓力—敏感—適應3個維度，從3個維度出發分別選取土地系統的壓力、敏感性、適應力評價指標，構建社會—自然環境耦合的土地系統脆弱性評價指標體系。

PSR(Pressure-State-Response)即壓力、狀態、響應，該模型關注人類與環境的相互關系[12]。因此，將PSR模型引入土地系統脆弱性程度評估有助于更好地了解區域人地關系、量化區域土地系統脆弱性程度。用土地系統脆弱性指數量化區域土地系統脆弱性程度，其中，將土地系統脆弱性指數分成壓力指數、狀態指數、響應指數和綜合指數來刻畫土地系統的壓力、敏感性、適應力和脆弱性。

土地系統脆弱性綜合指數(LSVI,Land System Vulnerability Index)表征區域土地系統脆弱性程度，該指數越大，表示區域土地系統脆弱性程度越高，人地矛盾越突出，人地關系越緊張。土地系統脆弱性指數具體包括壓力指數(LP)、狀態指數(LS)、響應指數(Lr)和綜合指數，土地系統脆弱性綜合指數計算公式為：

LSVI=r1Lp+r2Ls+r3Lr

(1)

式中：LSVI代表土地系統脆弱性綜合指數；r1，r2，r3分別表示土地系統壓力指數、狀態指數、響應指數的權重；LP代表壓力指數；LS表示狀態指數；Lr表示響應指數。

(2)

式中：U(Xx)代表第x個指標的標準化值；WX表示對應的第x個指標的權重。

(3)

式中：U(Xy)代表第y個指標的標準化值；Wy表示對應的第y個指標的權重。

(4)

式中：U(Xz)代表第z個指標的標準化值；Wz表示對應的第z個指標的權重。

2.3 指標選取與說明

較短時間內，區域土地系統的變化更多的是受經濟發展、人類生產生活等人文因素的驅動[12]。根據貴州省自然、社會環境現狀，分別對農業開發、城鎮建設、人口規模、地方經濟水平、農民收支等因子進行選取和篩選，構建土地系統脆弱性評價指標體系(表1)。壓力指數指標的選取主要考慮貴州巖溶山區土地系統承受的壓力主要來源于農牧業的發展、人口規模的擴大、農民收支等因素的影響。狀態指數指標表示土地系統敏感性，土地系統具有自我調節功能，土地利用結構和功能、土地利用效益和開發程度均影響土地系統的自我調節能力。響應指數指標是土地使用者和政府部門等利益相關者為提高土地系統變化的應對力，以更好地適應土地系統變化而采取的一系列土地生態保護措施、農業工程技術手段、鄉村人口產業轉移政策、土地保護財政投入策略等。

表1 指標因子選取及其權重

注：“+”是指該指標與土地系統脆弱性呈正相關關系，該指標值越大，對土地系統脆弱性的貢獻值越大；“—”是指該指標與土地系統脆弱性呈負相關關系，該指標值越小，對土地系統脆弱性的貢獻值越小。

2.4 研究方法

(1) 變化斜率分析法。變化斜率分析法能模擬每個研究單元的變化趨勢，此方法是在研究期間內，利用最小二乘法擬合變量的斜率，用以綜合表示該變量的時空格局演變特征。研究將利用變化斜率分析法逐個研究單元計算其土地系統脆弱性指數的斜率，以此來表征各縣(區)土地系統脆弱性變化趨勢的時空演變特點。斜率計算公式為[13]：

(5)

式中：Xslope為土地系統脆弱性變化斜率；LSVIi為第i年某一研究單元土地系統脆弱性指數值；n為研究時間段數，共4個時間段。當Xslope大于0時，表明土地系統脆弱性呈現增加趨勢；當Xslope小于0時，代表土地系統脆弱性呈現減小趨勢。

(2) 空間自相關法.全局空間自相關可以定量描述區域某種地理現象在空間上的整體分布狀況和差異程度，局域空間自相關刻畫局域內部異質性的分布狀況，度量某一區域單元與其周邊區域的空間差異程度[14]。本研究采用常用的Global Moran′sI指數和Getis-OrdGi*指數來測度貴州省土地系統脆弱性壓力指數、狀態指數、響應指數和綜合指數變化的全局空間自相關程度和局域空間自相關程度[15-17]。

Global Moran′sI指數計算公式為：

(6)

(7)

式中：E(I)與var(I)分別為Moran′sI的期望值與方差。當|ZScore|>1.96(α=0.05)，可以拒絕零假設H0(n個空間對象屬性值之間不存在空間自相關性)，變量在空間上存在顯著的空間自相關性。I的取值范圍[-1,1],當I>0，全局空間自相關呈正相關，說明地理對象存在集聚特征；當I<0，表明負相關關系，說明地理對象存在離散現象；I的絕對值越大，說明相關程度越高；當I=0，地理對象則呈隨機分布，不存在空間自相關性。

Getis-OrdGi*指數計算公式為[18]：

(8)

3 結果與分析

3.1 土地系統脆弱性評價

3.1.1 全省土地系統脆弱性指數變化 2000—2015年貴州省壓力指數在整體上呈現波動上升的趨勢(圖1)，由2000年的0.145 8上升至2015年的0.272 6，土地系統壓力呈現加重的趨勢；狀態指數呈現波動緩慢上升的趨勢，由0.118 0上升至0.125 2,整體處于一個比較穩定的狀態；響應指數呈現波動下降的趨勢，由0.285 2下降至0(響應指數在2015年為0，是相對于其他時間點而言適應能力的提高，這是由于響應指標數值在此時間為最大值造成),土地系統適應力顯著提升。2000年以來貴州經濟得到快速發展，增長速度位于全國前列，地方政府有更多的資金投入到農業工程的修建中，提供了更多的就業崗位吸納農村勞動力從事非農活動，提高了土地系統的適應能力。

土地系統脆弱性綜合指數呈現先上升后緩慢下降的趨勢，土地系統脆弱性程度在總體上有所緩解。在區域土地系統壓力增大、敏感性略增、適應能力提高的情況下，土地系統脆弱性程度降低，主要得益于區域土地系統適應能力的提高。可見，山區提高農業經營技術、農村勞動力就業轉移、實施退耕還林等生態保護政策、興修農業工程等方面對于維護人地系統平衡有明顯的積極效應。

3.1.2 縣域土地系統脆弱性變化趨勢 為了分析貴州省內部土地系統脆弱性變化趨勢，采用斜率分析法，對土地系統壓力、敏感性、適應力和脆弱性變化趨勢進行完整探討(圖2)。2000—2015年土地系統壓力稍微加重的縣(區)較少，土地系統壓力變化趨勢總體上處于”穩中減輕”的態勢，土地系統壓力得到緩解。土地系統敏感性變化總體上呈現“穩中下降”的趨勢，多數縣域的土地系統敏感性皆處于穩定或有一定程度減輕的狀態。土地系統適應力皆處于穩定或呈現不同程度的提高，總體上呈現“穩中提高”的趨勢，傾向于增強的趨勢發展。

土地系統脆弱性程度略微增大的縣(區)較少(6個縣域)，大部分縣域的土地系統脆弱性變化皆處于穩定或呈現不同程度降低的趨勢，總體上呈現“穩中下降”的趨勢，。這與區域采取積極的生態保護策略、農業科技投入政策、土地保育措施等響應政策密不可分，人類有意識保護土地系統、適應土地系統，有助于促進人地關系和諧發展。

圖2 2000-2015年貴州省縣域土地系統壓力、敏感性、適應力以及脆弱性變化趨勢

3.2 土地系統脆弱性變化的時空格局

3.2.1 總體空間變化 分別計算各指數的Global Moran′sI值(表2)。時段Ⅳ壓力指數的Global Moran′sI值為0.154 2，表明貴州省土地系統壓力變化的空間分布呈現顯著的集聚特征，土地系統壓力變化快的地區其周圍區域變化也快，反之亦然。分時間段來看，時段I、時段Ⅱ、時段Ⅲ的土地系統壓力指數變化的Global Moran′sI值分別為0.162 02，0.152 3，0.259 7，土地系統壓力變化的空間分布呈現先減弱后增強集聚趨勢。

時段Ⅳ的狀態指數變化的Global Moran′sI值為0.465 3，土地系統敏感性變化的空間分布呈現較顯著的集聚特征，土地系統敏感性變化快的地區其周圍區域變化也快，反之亦然。分時間段來看，狀態指數變化的Global Moran′sI值由時段I的0.465 7下降為時段Ⅱ的0.423 8又上升為時段Ⅲ的0.465 3，土地系統敏感性變化的空間分布呈現集聚的趨勢先減弱后又增強。

從土地系統響應指數來看，除了時段Ⅱ外，其余時間段的響應指數的變化量皆通過顯著性水平α=0.05的檢驗，時段Ⅳ的響應指數變化的Global Moran′sI值為0.154 1，土地系統適應力變化的空間分布呈現顯著的集聚特征，適應力變化快的地區其周圍區域變化也快，反之亦然。分時間段來看，響應指數變化的Global Moran′sI值由時段I的0.110 6上升為時段Ⅲ的0.285，土地系統適應力變化的空間分布呈現集聚的趨勢在增強。

時段Ⅳ的脆弱性綜合指數變化的Global Moran′sI值為0.160 2，表明土地系統脆弱性變化的空間分布呈現顯著的集聚特征，即土地系統脆弱性變化快的地區其周圍區域變化也快，反之亦然。土地系統脆弱性綜合指數變化的Global Moran′sI值由時段I的0.389 6下降為時段Ⅱ的0.136 6又上升為時段Ⅲ的0.246，土地系統脆弱性變化的空間分布呈現集聚的趨勢先減弱后又增強。

貴州省總體的土地系統壓力、敏感性、適應力和脆弱性程度變化在2000—2015年的空間分布皆呈現明顯的集聚特征，且集聚趨勢均為先減弱后增強的特點。

表2 貴州省土地系統脆弱性指數動態變化的Global Moran′s I值

3.2.2 局域空間演化的冷熱點分析

(1) 土地系統壓力演化的冷熱點分析。2000—2005年，土地系統壓力指數變化的冷、熱點區域傾向于集中分布(圖3)。土地系統壓力指數變化的熱點區域集中分布于東南部的黎平縣、從江縣、榕江縣和荔波縣，表明該區域的土地系統壓力有所增強；冷點區域集中分布于西南部的興義市、安龍縣、興仁縣等11個縣域，多數縣(區)屬于峰叢洼地區，該區域的土地系統壓力有所緩解。

2005—2010年，土地系統壓力指數變化的熱點區較為分散，而冷點區較為集中。熱點區域主要位于西南部的興義市等峰叢洼地區、東北部武陵山區的松桃縣和銅仁市、黔東南的臺江縣，這些區域的土地系統壓力有所增強；冷點區域集中分布于貴州省遵義市轄區及周邊縣城和黔東南的從江縣等，該區域的土地系統壓力有所緩解。

2010—2015年，貴州省土地系統壓力指數變化的冷、熱點區域傾向于集中分布。熱點區域集中分布于西部的威寧縣等，表明該區域的土地系統壓力有所增強；冷點區域集中分布于黔中地區的貴陽市轄區及其周邊縣(區)，該區域的土地系統壓力有所緩解。

研究期內土地系統壓力變化的冷、熱點局域演化空間分異特征明顯，熱點區向西轉移，冷點區向北轉移。

(2) 土地系統敏感性演化的冷熱點分析。2000—2005年，土地系統狀態指數變化的冷、熱點區域集聚分布點較多(圖4)。熱點區域主要分布于東北部的務川縣等、黔中地區的修文縣等、西南部的安龍縣等，這些區域的土地系統敏感性有所增強；冷點區域主要分布于黔西北地區的七星關區等、黔南的羅甸縣等、普定縣和凱里市等，這些區域的土地系統敏感性皆有所減小。

2005—2010年，土地系統狀態指數變化的冷、熱點區區域演化較為集中分布。熱點區域主要分布于東南部的劍河縣等和黔中、黔南的部分縣(區)，這些區域的土地系統敏感性有所增大；冷點區域主要分布于北部綏陽縣等和中西部織金縣等，這些區域的土地系統敏感性有所緩解。

2010—2015年，貴州省土地系統狀態指數變化的冷、熱點區域演化集聚特征顯著圖。熱點區域集中分布于西南部的望謨縣、紫云縣和羅甸縣，該區域的土地系統敏感性有所增大；冷點區域集中分布于西部的威寧縣等，該區域的土地系統敏感性有所減小。

研究期內土地系統敏感性變化的冷、熱點局域演化空間分異特征明顯，熱點區由北向南再向西遷移，冷點區由西向東再向西遷移。

(3) 土地系統適應力演化的冷熱點分析。2000—2005年，土地系統響應指數變化的冷、熱點區域較為分散(圖5)。熱點區域主要分布于大方縣、黔西南的貞豐縣等，這些縣城的土地系統適應能力有所降低；冷點區域主要集中分布于黔中城市群貴陽市轄區等和其他邊緣地區的興義市、荔波縣等，這些區域的土地系統適應能力皆有所提高。

圖4 貴州省土地系統狀態指數演化的冷、熱點區域

2005—2010年，土地系統響應指數變化的熱點區域演化分散分布，冷點區域集中分布。熱點區域主要有黔西北地區的七星關區等和其他地區的正安縣、貴定縣、長順縣和興仁縣，這些區域的土地系統適應力有所降低；冷點區域主要分布于東北部武陵山區的松桃縣等，這些區域的土地系統適應能力有所提高。

2010—2015年，土地系統響應指數變化的冷、熱點區域演化集聚特征顯著。熱點區主要集中分布于東北部武陵山區的松桃縣等和中部修文縣，這些縣(區)的土地系統適應力有所降低。冷點區域集中分布于西部的威寧縣等，表明這些區域的土地系統適應能力有所增大。

研究期內土地系統適應力變化的冷、熱點局域演化空間分異特征明顯，熱點區由分散演化為集中并由西向東遷移，冷點區也由分散演化為集中并由西向東后又向西遷移。

圖5 貴州省土地系統響應指數演化的冷、熱點區域

圖6 貴州省土地系統脆弱性綜合指數演化的冷、熱點區域

(4) 土地系統脆弱性演化的冷熱點分析。2000—2005年，土地系統脆弱性綜合指數變化的冷、熱點區域集聚特征明顯(圖6)。熱點區域主要分布于東南部的黎平縣等，這些縣城的土地系統脆弱性程度有所上升；冷點區域主要分布于西南部的興義市等和東北部的松桃縣和銅仁市轄區，這些區域的土地系統脆弱性程度皆有所下降。

2005—2010年，土地系統脆弱性綜合指數變化的冷、熱點區域演化趨于集聚分布。熱點區域位于西南部的興義市等和黔東南的臺江縣，這些區域的土地系統脆弱性程度有所加重；冷點區域主要分布于黔東南的黎平縣等和中北部的遵義市轄區等，這些區域的土地系統脆弱性程度有所降低。

2010—2015年，土地系統脆弱性綜合指數變化的冷、熱點區域演化集聚特征顯著。熱點區域集中分布于3個區域，分別是黔西北地區的七星關區等、東北地區等和南部的都勻市等，這些區域的土地系統脆弱性程度有所上升；冷點區集中分布于黔中經濟區的貴陽市等，這些縣(區)的土地系統脆弱性程度有所降低。

研究期內土地系統脆弱性程度變化的冷、熱點局域演化空間分異特征明顯，熱點區由集中演化為分區集聚并由東向西遷移，冷點區由分散演化為集中并由周圍向中心遷移。

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 在貴州山區森林轉型現象明顯和石漠化程度出現好轉的條件下，區域土地系統脆弱性在一定程度上得到緩解。2000—2015年貴州省在土地系統壓力增大、土地敏感性略增、土地適應能力提高的條件下，土地系統脆弱性程度有所減小，主要得益于區域土地系統適應能力的提高。可見，山區提高農業經營技術、農村勞動力就業轉移、實施退耕還林等生態保護政策、提高農業投入等方面對于維護人地系統平衡有明顯的積極效應。

(2) 武陵山區、烏蒙山區和南部峰叢洼地區是土地系統變化的主要區域，而這三大區域是貴州省的集中貧困區，人多地少，土地系統壓力存在較大壓力，由此說明這些區域的土地系統在外界環境的干擾下容易發生變化，區域土地系統承受閾值較低，較為脆弱。因此，這三大區域在土地利用開發的過程中應是重點關注的區域。

(3) 文章重點對脆弱性的演化進行分析，未涉及脆弱性的分等定級和分區及相應的管控策略，這是下一步工作須完善的。

4.2 結 論

(1) 土地系統脆弱性綜合指數呈現先上升后緩慢下降的趨勢，土地系統脆弱性程度在總體上有所減小。其中2000—2015年貴州省土地系統壓力指數呈現波動上升的趨勢，由2000年的0.145 8上升至2015年的0.272 6，土地系統壓力呈現加重的趨勢；土地系統狀態指數由0.118 0上升至0.125 2,土地系統敏感性略有增加；響應指數呈現波動下降的趨勢，由0.285 2下降至0，土地系統適應力顯著提升。

(2) 從各縣脆弱性變化趨勢看，2000—2015年貴州省區域內部土地系統脆弱性整體上朝著較好的方向發展，大部分縣域的土地系統脆弱程度得到緩解。從縣域脆弱性變化趨勢看，土地系統脆弱性程度略微增大的縣(區)較少，共6個縣(區)，其余縣(區)的土地系統脆弱性變化皆處于穩定或呈現不同程度降低的趨勢，總體上呈現“穩中下降”的趨勢。

(3) 從全局空間差異看，2000—2015年貴州省土地系統壓力指數變化、狀態指數變化、響應指數變化、綜合指數變化的Global Moran′sI值分別為0.154 2，0.465 3，0.154 1，0.160 2，表明貴州省土地系統壓力、敏感性、適應力和脆弱性變化的空間分布呈現顯著的集聚特征。

(4) 在局域空間分異方面，貴州省土地系統壓力、敏感性、適應力和脆弱性變化的冷、熱點局域演化空間分異特征明顯。武陵山區、烏蒙山區和西南部峰叢洼地區是土地系統壓力、適應力與脆弱性程度變化的熱點區；而土地系統敏感性變化的熱點區主要分布于黔中經濟區、武陵山區和西南部峰叢洼地區。