廣西石漠化地區土地利用空間變化的生態風險研究*

謝 玲，鄧曉軍，盧月燕，嚴土強，李孝坤

(1.廣西師范大學環境與資源學院，桂林 541004； 2.廣西師范大學，巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室，桂林 541004； 3.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046； 4.浙江財經大學經濟學院，杭州 310018； 5.重慶師范大學地理與旅游學院,重慶 401331)

0 引言

土地資源生態安全是指在一定的時空范圍內，土地生態系統能保持其結構與功能的健康、平衡、可持續狀態，并為社會經濟與農業可持續發展提供穩定保障[1]。因此，土地生態安全是土地生態系統可持續發展的核心和基石。人類對土地利用的方式和變化，直接影響著土地生態系統的健康[2]，尤其巖溶強烈發育的喀斯特地區，生態環境極其脆弱，石漠化便是其土地生態系統破壞的表現形式之一[3-4]。研究土地利用變化對土地生態安全的影響，為進一步實現土地生態系統的平衡、土地資源的合理利用具有重要意義[5]。廣西區位于我國西南喀斯特地區，屬于世界三大連片巖溶發育區之一的東亞片區中心，是世界上面積分布最大、發育最為強烈的一片[6]。該區石漠化(輕度石漠化及其以上)土地面積多達2.729 457萬km2，占廣西區總國土面積的11.5%[7]。石漠化對該區的土地生態系統健康造成了嚴重的威脅，出現了可耕地面積減少，水源涵養能力下降，洪澇災害加劇，土地生產能力降低，巖溶區生態系統植被結構簡單化等問題，這也嚴重阻礙了該區社會經濟的可持續發展。石漠化的產生與發展有自然因素的影響也受人為因素影響[8]，因此，在雙重因素作用下石漠化地區的土地利用，直接關系著石漠化地區土地生態系統的安全與健康程度。石漠化地區的土地利用生態安全問題的研究，是在當前土地資源過度開發和利用、土地生態系統協調失衡背景下產生的，文章從分析土地利用的時空變化角度，探索土地空間轉移變化與土地生態風險之間的關系，以揭示2000—2015年廣西石漠化地區土地生態風險演變趨勢，通過采取相應措施，實現土地生態環境的動態平衡。

隨著人類對土地資源開發強度的增加，尤其是石漠化地區土地資源的生態風險與土地利用方式及其變化之間的關系如何，及其生態風險的量化已成為學術界的研究熱點。前人就土地生態安全的研究在方法上多采用生態足跡模型[9]、SD[10]和CLUE-S模型[11]、景觀生態模型[12]、土地利用變化測度模型[13]，構建生態安全評價指標體系[14]，采用主成分分析[15]、多元線性回歸和主成分分析[16]、地學統計分析及空間自相關分析方法[17]。研究涉及區域干旱區、沿海海岸、黃土臺塬、流域、城市等，但針對石漠化地區的土地利用空間變化及土地生態風險的研究卻極少，在為數不多的相關研究中，研究尺度以石漠化地區中的縣域為單位，并不能代表石漠化地區土地利用空間變化下的土地生態風險演變趨勢，因此該文選取廣西輕度石漠化以上的區域(包括輕度、中度、重度)作為研究區，以下簡稱石漠化地區，對其土地利用變化和土地生態風險進行時空分析，為研究區的土地利用生態安全保護、土地資源的可持續利用提供決策依據。

1 研究區概況

廣西是喀斯特地貌發育的典型地區，是我國石漠化最為嚴重的省份之一。廣西喀斯特地貌主要分布在桂西、桂西北的左江、右江流域，桂中的紅水河、柳江流域及桂東北的漓江流域中下游，以河池、百色、崇左、桂林、南寧發育最為普遍，輕度及以上石漠化地區面積各市分別占8 277.34km2、5 574.46km2、2 791.55km2、2 742.79km2、2 410.2km2。該文所選研究區域為廣西輕度及以上石漠化區域，共涉及10地市69個區縣占地18.3km2。地理位置北緯23°22 ′～26°24′，東經104°26′ ～112°04′，年均氣溫16 ～23℃，年平均降水1 500mm，氣候屬亞熱帶季風氣候區。研究區地表受紅水河、郁江、柳江及其支流的強烈切割，屬于黔桂溶洼、粵桂溶原侵蝕山區，巖溶發育典型，石漠化程度較深，地表出現干旱缺水，巖石裸露，植被覆蓋較少，伴隨水土流失、土地生產能力衰退或喪失。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

該研究數據來源于中科院資源環境數據中心的廣西1∶10萬土地利用現狀遙感監測數據庫。從中共獲取4期(2000年、2005年、2010年、2015年)1km×1km土地利用柵格數據，并以中科院資源環境數據中心配套數據的土地利用類型分類系統為基準，參照GB/T21010-2007《土地利用現狀分類》，將廣西輕度及以上石漠化地區的69個區/縣的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6類。2000—2015年分類后生成的廣西石漠化地區4期土地利用現狀見圖1。

圖1 2000—2015年土地利用現狀

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度

土地利用的相對變化度用以刻畫廣西石漠化地區在研究期內各地類的變化速度。該文利用綜合土地利用動態度指數(K)表征研究區土地利用年變化率，即各土地類型在研究期內變化的劇烈程度。K值越大，表示在研究期間土地利用變化程度越活躍，反之，土地利用變化程度越緩慢[14-15]。

(1)

式(1)中，K為綜合土地利用動態度；U(i，t0)為研究區i種土地利用類型初期面積，U(i-，t1)為研究區第i種土地利用類型的面積從初期至末期向其他用地類型轉移的面積，T為研究初期和末期的間隔年限。

2.2.2 土地利用轉移流

利用ArcToolbox中的Dissolve和Intersect工具，得出廣西石漠化區/縣各種類型土地轉移互換的面積(表1)。該文引入“土地利用轉移流”[18-19]用來表示該土地利用類型中所有參與土地利用變化的總量，并借助ArcGIS10.1用可視化的方式實現土地利用轉移的方向及強度表達，該方法更能直觀顯示研究區所有土地利用類型在時間上的演化過程。

ΔL=L(in)+L(out)

(2)

式(2)中，ΔL為某種土地利用的變化量，L(in)代表其他類型的土地轉換為該土地利用類型的面積數量，L(out)代表該土地利用類型轉變為其他類型的土地面積數量。土地轉移流凈值為土地轉入流與轉出流之差。

2.2.3 土地生態風險指數

為探尋土地利用轉移面積的大小類型變化對區域生態環境的影響程度，該文根據研究區的實際情況對區域生態安全指數[20-21](Ecological Risk Index，ERI)進行修正，用以表征石漠化地區各土地利用類型數量轉換對區域生態安全影響的大小。通過研究區各地級市不同類型的土地轉移面積，計算不同地區土地生態風險綜合指數，用以比較各地區土地綜合生態損失風險的大小及全區土地利用生態風險空間演化，從而建立土利用類型與區域生態風險的經驗聯系。

生態風險指數計算為：

(3)

式(3)中，ERI為土地生態風險指數，n為土地利用類型數，ΔAi為i種土地利用類型轉入—轉出量(變化量)的面積，A為研究區總面積，Wi為i種土地利用類型的生態風險強度系數，參考相關文獻，不同土地利用類型的生態風險強度指數系數為[19-20]：耕地0.32，林地0.14，草地0.16，水域0.45，建設用地0.72，未利用地0.82。其中ERI值越高，則生態安全指數則越低，區域生態風險指數同生態安全指數呈相反的變化趨勢。

3 結果分析

3.1 土地利用動態度分析

根據式(1)計算出廣西石漠化區/縣綜合土地利用動態度指數，結果表明： 2000—2005年，廣西石漠化地區綜合土地利用動態度為0.42%； 2005—2010年研究區綜合土地利用動態度為0.44%； 2010—2015年研究區綜合土地利用動態度為0.88%。從研究區土地利用動態度的變化來看，第三階段的相較于前兩階段土地利用變化頻繁，且2010—2015年研究區綜合土地利用動態度是前兩階段的兩倍，總體來說研究區土地利用的變化情況較為劇烈。另從廣西石漠化地區土地利用轉移面積表1也可看出，單方向的轉移量在前后5年的時間內均未超過500km2，其中以建設用地和耕地兩種地類的轉移變化最為劇烈。

3.2 土地利用轉移流變化分析

基于ArcGIS10.1的Generalization-Dissolve工具分別融合4期(2000年、2005年、2010年、2015年)廣西石漠化地區土地利用矢量數據，再利用ArcGIS10.1的Overlay-Intersect工具，進而得出廣西石漠化地區4個時間點、期間3次的土地利用轉移數據，根據各類用地的轉移量，得出研究區15年間各類土地的轉移狀況如表1。

表1 2000—2015年廣西石漠化地區土地利用轉移面積 km2

15年廣西石漠化地區土地利用中共存在24種土地轉移關系，并且各年份間土地轉移關系數量及類型均有差異，其中2000—2005年19種， 2005—2010年20種， 2010—2015年24種。做出不同時期土地系統關鍵轉移流貢獻率，見圖2，在各類土地利用轉移流中，其中以耕地、林地、建設用地、草地4種用地類型的轉移占絕對優勢。由研究區4期各土地利用類型轉移數據可得，3個時段的耕地面積呈現持續減少的態勢，耕地表現出逐年向建設用地轉移顯著增多； 林地表現出先增大后略有減小； 草地表現出先減小后增大，林、草地向建設用地持續增多的趨勢； 水域和建設用地面積都強烈的表現為增加， 15年分別增加了117.25km2、722.73km2，兩個主要流入方向為耕地與林地，其中建設用地的逐年增加也與城市化進程相關。

其中， 2000—2005年耕地、林地、草地、建設用地，4種土地利用類型間的轉移流占該期土地利用類型總轉移流的85.5%，研究區土地類型間的轉換表現出：草地向林地的轉換，耕地向建設用地的轉換，耕地向林地的轉換，面積共達292.876km2，其中以河池、百色、柳州、崇左、南寧5地的轉化最為明顯。

2005—2010年草地向林地的轉移、耕地向建設用地的轉移仍然是該階段的主要轉移流，高達113.18km2和91.95km2，以上兩種流向作為當期土地利用轉移的最大流向，分別占當期土地利用轉移流的26.1%和21.2%。該期以南寧、來賓、柳州、桂林4市土地利用的轉換較為劇烈，武鳴、南寧市轄區、柳江縣等地最為典型。其次，耕地、林地、草地、建設用地之間的轉移流占當期土地系統總轉移流的83.1%，較前一階段有所下降，說明該階段土地利用類型的轉移較前一階段更多樣化。同時，在此階段，其他用地類型向林地的轉移面積可達183km2，這也是2000年以來研究區林地面積逐年持續增大的原因。

2010—2015年研究區土地類型間的轉換表現出：各類用地向建設用地的轉化最為劇烈，達537.619km2之多，除此之外，林地向草地的轉入，林地向耕地的轉入數量也超過100km2，且林地在上兩個階段轉入累積量小于該階段的轉出量，因此該期林地面積出現銳減。與前兩期不同的是， 2010—2015年各用地類型出現了向未利用地的轉入，突出地表現為林地向未利用地的轉入的3.565km2。究其原因，可能與人工薪炭林大面積的采收相關。其次，耕地、林地、草地、建設用地之間的轉移流占整個土地系統轉移流的91.5%，較前兩期4類用地轉換數量更大，因此，以上4類用地變化是當期土地轉移的主要形式。其中桂林、南寧兩地草地向建設用地類型的轉入，賀州市林地向草地的轉入較為劇烈。

2000—2015年來看土地利用轉入轉出的方向更加多樣化、復雜化，從變化量上來說，變化幅度也越來越大，越來越劇烈，同時，不同時期土地轉移流在數量上也表現出差異性。因此由上述，耕地、林地、草地、建設用地的轉移數量與方向決定著廣西石漠化地區土地利用變化的特征。

3.3 土地生態風險空間異質性分析

土地利用生態風險指數，主要用以表征在土地利用過程中可能發生或者面臨生態問題的概率大小，該指數的計算旨在為廣西石漠化地區生態環境的保護提供決策依據[22]。根據各地區土地利用類型和面積，利用式(3)以各地級市為單位，計算出廣西石漠化地區2000年、2005年、2010年、2015年土地生態風險指數表2和生態風險空間分布圖3，鑒于2000—2010年研究區土地利用生態風險指數變化不大，在此，只做出首(2000年)、末(2015年)兩期土地利用生態風險空間分布圖。結果表明研究區生態風險指數介于0.165～0.255之間，借鑒相關文獻[23]，利用Natural breaks將研究區生態風險指數劃分成5個級別，依次為： 0.165

表2 2000—2015年廣西石漠化地區各地級市土地利用生態風險指數

年份梧州來賓南寧百色崇左貴港桂林河池賀州柳州均值20000.1680.2150.2290.1700.2020.2530.1890.1650.1810.1900.19620050.1680.2150.2300.1700.2020.2530.1900.1650.1810.1900.19620100.1680.2160.2310.1710.2020.2530.1900.1650.1810.1900.19720150.1720.2170.2330.1710.2030.2550.1920.1650.1830.1920.198

圖3 2000年、2015年廣西石漠化地區土地生態風險空間分級

由表2數據可知，總體來說，近15年來廣西石漠化各區/縣土地生態風險程度略微增大， 2000—2015年研究區土地生態風險值僅上升0.002，土地生態風險指數保持在較穩定水平，研究區土地生態風險指數地區平均水平處于中等生態風險級，從土地生態風險值的略微增大，說明研究區在整體上土地生態風險可能發生的綜合性概率略有所上升，這也是值得關注的一個問題。

由圖3可知廣西石漠化地區土地生態風險以貴港、南寧、來賓3地最高，到2015年研究區低生態風險指數的地區僅有河池一市，生態風險指數的變化表明廣西石漠化地區土地利用變化視角下的生態環境整體上有惡化的趨勢。研究區南部屬于生態風險重警區，且面積逐漸擴大，較高生態風險區也圍繞高生態風險區向周邊蔓延。

其次，研究區的土地生態安全風險也具有明顯的區域性，西南和東北的區/縣形成對稱，貴港、南寧兩地土地利用生態風險處于高風險狀態，可能與城市化、工業化建設、城市建成區范圍的不斷擴展有關； 在對高生態風險區土地利用特點充分認識的基礎上，加強土地利用管理，合理規劃城市發展空間，提高土地利用效率，盡量避免不合理的土地利用方式，減少土地利用格局的破碎度和分離度，通過建設城市綠道，構建城鄉之間的生態走廊，將會是提高該區土地用安全的有效措施。河池、百色兩地輕度石漠化面積雖高居我區石漠化面積的榜首，但其土地利用生態風險指數卻處于較低水平，可能其因社會經濟發展相對緩慢，人類活動對土地利用干預程度較低。因此生態風險指數相對較低，而且在整個研究時段內變化較小，在以后土地利用中，應加強林地、草地等生態用地的保護，避免人為因素造成的石漠化加劇，發揮其區域生態屏障作用。

但總體來說，隨著人類對生態環境的干擾強度的增強，致使研究區整體生態環境趨于退化、林草耕地的不斷減少，建設用地的增加，土地生態系統惡化的風險略有增高，也說明廣西石漠化地區土地的生態安全狀況有待進一步提高。鑒于此，今后應避免城市無序擴張的影響，積極增加耕地、園地和林地總量，加強建設用地的有效利用和整理，應在適度開發的基礎上保護生態環境，同時加強生態環境保護意識，平衡經濟價值與生態價值，避免生態高風險區域的擴展。

3.4 土地生態風險與土地轉移流分析

圖4 2000—2015年土地系統關鍵轉移流空間分布

通過分析土地類型的轉移方向和數量，做出2000—2015年土地系統關鍵轉移流空間分布圖4所示，以探討土地轉移流與土地生態風險之間的關系，通過對比圖3和圖4，體現出區域內土地利用空間結構變化對區域土地利用生態風險帶來的明顯變化。其中貴港、南寧、來賓、崇左、桂林、賀州等地的土地利用空間結構變化較為明顯，同時這些地區的土地利用生態風險指數也較高。由圖4可知， 2000—2005年土地利用轉移流中，貴港、南寧兩地的林地向建設用地的轉移數量較多，隨著城鎮化、工業化的快速發展，促使原有土地利用空間結構的變化，其土地生態風險指數上升，這也可能是導致研究區土地生態風險提高的主要原因[24]。相對來說，處于低土地利用生態風險區的百色、河池兩地，不難發現其土地利用轉移流中以林地向耕地、林地向草地的轉移為數較多，因建設用地的生態脆弱度較林地、草地高[25]，故河池、百色兩地的生態風險仍處于較低等級。2010—2015年研究區土地利用轉移流的流向和流量都比2000—2005年更為劇烈，僅有河池一地屬于低土地利用生態風險級，土地利用轉移流的數量也較其他地區小，隨著土地利用轉移量的增大，土地利用生態風險等級也轉向更高等級。

因此，土地利用生態風險值的高低，在一定程度上與土地利用轉移流流向地類的數量與流向地類的生態脆弱度決定的。同時，處于低土地利用生態風險等級的地區往往土地利用變化不是非常活躍，即土地利用類型變化的活躍程度與土地生態風險指數呈正相關。

4 結論

該文基于ArcGIS平臺，以遙感數據為基礎，探討了廣西石漠化區域土地利用空間結構變化規律，并利用土地生態風險指數，將人類干擾下的土地利用與區域生態風險組成有機聯系體，得出如下結論。

(1)2000—2015年廣西石漠化地區土地利用動態度呈逐漸增大趨勢，由2000年0.42%增大到2015年的0.84%。15年增長1倍之多，可見，研究區土地利用的變化較為活躍。

(2)不同時期土地轉移流在數量上也表現出差異性。隨著時間的推近，廣西石漠化地區各類土地利用轉入轉出量越來越大，轉入轉出方向也更加多樣化。15年突出的表現為耕地向建設用地的轉化最為明顯，且累計轉移量最大，同時，耕地、林地、草地、建設用地的轉移數量與方向決定著廣西石漠化地區土地利用變化。

(3)2000—2015年廣西石漠化各區/縣土地生態風險程度略有增大，土地生態風險值僅上升0.002，說明研究區土地生態系統惡化的風險略有增高，也說明廣西石漠化地區土地的生態安全狀況有待進一步提高。土地生態安全風險也具有明顯的區域性，南部的貴港、南寧兩地土地利用生態風險處于高風險狀態，西北的河池、百色兩地處于低土地利用生態風險級。

(4)土地生態風險指數與土地利用類型變化的活躍程度呈正相關，同時也與轉移流流向地類的數量與生態脆弱性相關。

該項目研究不僅為區域土地生態環境管理提供了理論基礎和可量化的決策支持，還為廣西石漠化地區土地生態安全提供了一定的參考。

5 討論

土地生態安全問題具有系統性和復雜性，土地生態安全也是一項系統工程，影響因素涉及較多方面，該文在借鑒國內外學者對土地生態安全研究的基礎上，以廣西石漠化地區為研究區，結合生態風險強度指數與土地利用轉移矩陣，客觀從土地利用轉移流的方向及數量計算出土地生態風險指數(RSI)，以反映出研究區、研究期內土地生態風險變化趨勢，實現了土地生態風險的空間化和可視化，因此，該研究的研究結論能夠較好地定量評價研究區土地生態系統健康風險狀況。后續的研究中，將通過構建土地生態安全指標體系，采用熵權權法確定權重，運用生態安全綜合模型的方法對研究區土地生態安全進行評估，其評價結果因所選指標及評價分級閾值的差異不近完全一致，但兩種結果同時表明研究區土地生態安全差異空間分布的一致性，這將有利為研究區制定不同土地生態風險值的分級分區預防及治理措施，為土地生態建設提供決策支持。