基于土地利用演變的生態敏感性評價
——以香格里拉市為例*

劉樂怡，楊雙娜，張龍，宋鈺紅,3

(1.西南林業大學 園林園藝學院，云南 昆明 650224；2.西南林業大學 地理與生態旅游學院，云南 昆明 650224；3.國家林業與草原局西南風景園林工程技術研究中心，云南 昆明 650224)

生態環境是人類生存和發展的物質基礎。19世紀以來，城市化進程使人類活動與生態環境之間的矛盾沖突日益加劇，生態功能衰退、過度開發等生態問題顯著。在社會經濟發展的同時，加強對區域生態環境的保護和修復已成為各國專家學者的共識。

土地利用/土地覆蓋變化(land-use and land-cover change，LUCC)受自然因素和人文因素的相互影響，是全球變化與可持續發展的重要研究內容[1]，其變化具有復雜的非線性特征[2]。學界倡導關注土地利用變化，從而保護生物多樣性、生態環境和生態系統服務[3]。在社會生產生活發生改變的大環境下，土地利用在研究方向、研究內容和深度上不斷擴展并加深[4]。

生態環境敏感性是指生態系統對人類活動干擾和自然環境變化的反映程度，能夠說明發生區域生態環境問題的難易程度和可能性大小[5]，是評價區域生態環境的重要途徑。生態敏感性在不同生態環境現狀中體現出較大差異，生態敏感性越高說明生態環境越不穩定，區域發生生態環境問題的可能性越大；生態敏感性越低說明生態環境越穩定，區域發生生態環境問題的可能性越小。不同區域生態敏感性評價需根據該地實際的生態環境特點、生態問題嚴重程度，客觀科學地劃分生態敏感性區域。

目前國內學者在生態敏感性領域的研究已取得大量研究成果，主要聚焦以下幾方面：(1)在研究發展層面，早期生態敏感性研究主要聚焦于單一生態因子探究，如肖榮波等[6]學者在識別石漠化敏感區域的基礎上進行生態評價與空間分析，谷花云[7]采用定量評價方法對貴州省生態系統進行酸沉降相對敏感性研究；后期生態敏感性研究逐漸從單一轉向多影響因子的綜合研究，如崔寧等[8]學者對高原湖泊生態敏感性和生態功能重要性進行分析并提出保護對策。(2)研究對象層面呈現多元化態勢，生態敏感性評價及空間分異性研究主要涉及鄉村聚落集群[9-10]、各級行政區劃等[11-13]范疇，以及山地、盆地、水系(河流、湖泊等)流域等[14-17]自然地理特征區，多集中于東部沿海地區和南部低山丘陵地區。(3)研究途徑上，大尺度自然屬性研究區域主要涉及土壤侵蝕敏感性、酸雨敏感性[7]、沙漠化敏感性[18]、石漠化敏感性[6]、鹽漬化敏感性等評價途徑，小尺度行政單位屬性研究區域通常選取高程、坡度、坡向、植被類型、環境質量等多因素進行生態敏感性綜合評價。(4)研究方法多采用定性與定量相結合的研究方法，如劉青青等以生態敏感性功能分區對國家公園功能區進行差異化調控[19]，吳帛陽應用ArcGIS結合AHP-熵值法，對自然保護區生態敏感性進行分析并提出生態保護對策等[20]。

近年來，較多學者基于土地利用方式評價區域生態敏感性。如林榮清以南水北調中線為研究區，選取人為和自然因素建立生態敏感性指標體系，通過單因子和綜合生態敏感性評價研究了南水北調中線生態環境存在的問題及原因[21]；馬聆蕭等分析了青島西海岸新區土地利用功能與生態敏感性的匹配程度[22]；景英利用GIS軟件對蘭州新區進行生態敏感性分區，結合土地承載力分析了土地生態功能分區，根據蘭州新區生態功能區劃分提出具體的土地利用建議[23]；吳愛林采用統計資料研究分析了長江三角洲16地市2000—2014年生態系統服務價值的時空演化規律以及2015—2020年生態敏感性時空演變規律[24]。

1 研究方法

1.1 數據來源與處理

本文以中國科學院空天信息創新研究院發布的1985—2020年全球30 m精細地表覆蓋動態監測產品(GLC-FCS30-1985-2020)作為研究數據源，通過數據共享服務系統(https://data.casearth.cn/)獲取。研究區矢量范圍數據采用云南省矢量范圍數據(2020年)。使用分辨率為30 m的DEM數據，來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)。利用ArcGIS的空間分析功能提取坡向、坡度、高程等基本信息。

1.2 分析方法

1.2.1 土地利用類型分析方法

本研究土地利用分析部分通過土地利用轉移矩陣、單一土地利用動態度、綜合土地利用動態度來衡量香格里拉市土地利用變化特征。生態敏感性評價部分，首先分析單因子生態敏感性，再使用變異系數法確定單因子權重，最終通過加權疊加分析香格里拉市綜合生態敏感性。

土地利用轉移矩陣是分析土地利用類型中不同地類之間轉換情況的方法。一般情況下，矩陣的列表示初始年份的土地利用類型，行表示結束年份的土地利用類型，中間數值表示土地利用類型中的相互轉換面積大小[25-28]。計算公式如下。

NC(n，i)=NC(n)×10+NC(i)

式中:NC(n，i)表示第n年，第i年的土地利用變化狀況；NC(n)表示第n年的土地利用現狀；NC(i)表示第i年的土地利用現狀[29]。轉移矩陣形式如下。

式中：Sij表示第i種地類轉變為第j種地類的面積；n代表土地利用類型數目[30]。

土地利用動態度是衡量土地利用動態變化速度的重要指標，單一土地利用動態度計算公式如下。

式中，Kj為初年到末年某地類的動態度；LUit0為初始年某地類的面積；LUit1為結束年某地類的面積；T為累計研究時長。

綜合土地利用動態度反映了研究區在一定時間范圍內土地利用數量的總體變化情況，計算公式如下。

式中：LC為綜合土地利用動態度，LUi為研究初期第i類土地的面積，△LUi-j為某一時間段第i類土地轉化為j類土地的面積絕對值，T為累計研究時長[31]。

1.2.2 生態敏感性分析方法

研究針對香格里拉市地理環境特征，進行篩選樣本地生態敏感性影響因子并建立指標體系。首先，在實地調研所收集資料的基礎上，結合前人相關研究案例，將香格里拉市生態敏感性劃分為5級，分別為1、3、5、7、9，其中“1”為一般敏感、“3”為輕度敏感、“5”為中度敏感、“7”為高度敏感、“9”為極度敏感。最終篩選出6個最為重要的香格里拉市生態敏感性影響因子，分別為土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區、植被覆蓋度。等級指標體系見表1。

表1 香格里拉生態敏感性評價因子指標體系

香格里拉市生態敏感性評價因子指標體系中，根據土地利用對生態敏感性的影響程度，將建設用地賦值為1，劃為一般敏感區域。林地極易受到人類生產生活的影響，穩定性最差，因此將林地劃分為極度敏感。

植被覆蓋度通過遙感影像解譯計算植被歸一化指數獲得。植被覆蓋度與植被面積、植被茂盛程度呈正相關。水域、冰川雪地生態敏感性極易受到人類生產生活影響，遂將其劃為極度敏感區域。

坡度是指坡面垂直高度與水平方向距離之間的比值，能夠反映地表在該點的陡緩程度[32]。坡度較大的坡面地勢陡峭植被生長稀疏，坡度較小的坡面，地勢平坦，植被生長茂盛。本文使用ArcGis提取研究區DEM數據中的坡度信息[33]。

坡向是指地表面上某一點的切平面的法線，對于研究區山地生態環境有著較大的作用[34]。香格里拉市山地特征明顯，因此選擇坡向作為香格里拉生態敏感性評價指標因子之一。本次研究中坡向因子參照8坡向分類方法，將8坡向、平地根據太陽輻射強度劃分為5個敏感等級。

本文根據樣本量豐富完善并具有普遍性的特點，選擇使用變異系數法求取生態敏感性各指標因子權重值(表2)，計算公式如下。

式中:wi為指標因子權重；v為變異系數；s為指標因子標準差；x為指標因子均值；i為指標因子的序號數，i=1，2，…，i[35]。

表2 香格里拉各評價指標因子權重

2 結果與分析

2.1 土地利用分析

根據《土地利用現狀分類》(GB/T21010-2017)結合香格里拉市地形特點，將香格里拉市土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、冰川雪地、建設用地、其他用地、水域7種土地類型。根據土地利用類型統計結果分析可知，在 7種土地利用類型中林地在4個研究時間段內都占據明顯面積優勢，1990—2020年林地面積分別是：8 350.93 hm2、8 297.40 hm2、8 218.00 hm2、8 133.16 hm2，這與香格里拉市山地分布廣泛、森林覆蓋度高的實際情況相符。香格里拉市第二優勢土地利用類型為草地，其余用地類型占比相近且較小。詳細數據見表3。

表3 1990—2020年香格里拉土地利用類型面積及比例

2.1.1 土地利用轉移特征分析

由表4可知，1990—2000年間草地向耕地的轉移最為明顯，少部分草地、耕地、林地轉移為建設用地，但建設用地未向其他用地轉出。這與1990—2000年間香格里拉市城市建設進程加快的實際情況相符。冰川雪地與其他類型都有轉化，說明因為氣候原因冰雪對其他地類有所遮蓋。

表4 香格里拉1990—2000年土地利用類型轉移矩陣

由表5可知， 2000—2010年時期內草地、林地的總體轉入量較高。冰川雪地主要表現為向草地、林地方向轉化。其他用地向各類土地利用類型轉化量都較少。林地在這一階段主要轉化為草地、其次為耕地，較少部分轉化為建設用地和其他用地。說明在這一時期地方對土地開發程度加大。水域在這一階段主要轉化為其他用地和草地，有少量轉化為冰川雪地，這一變化與數據采集季節有關，但也體現了冰川雪地土地利用類型不穩定。

表5 香格里拉2000—2010年土地利用類型轉移矩陣

由表6可知，2010—2020年間草地、林地的轉移流最為明顯，其次是建設用地、耕地，水域、其他用地轉移流最不顯著。其中冰川雪地主要由草地轉換得到，草地主要由林地轉換得到。

表6 香格里拉2010—2020年土地利用類型轉移矩陣

土地利用轉移桑基圖對香格里拉市1990—2020年的土地利用轉移進行可視化呈現。林地在3個階段的變化中始終是香格里拉市覆蓋最廣的土地利用類型，且30年間各土地利用類型之間的土地轉移持續增加(圖1)。

圖1 香格里拉市土地利用的轉移桑基

2.1.2 香格里拉單一土地利用動態度

分析1990—2020年香格里拉市單一土地利用動態度，結果表明香格里拉土地利用僅2000—2010年水域動態度大于1%，說明這一階段水域面積變化較大，與其他階段相比較呈現大幅度增長趨勢。1990—2000年、2010—2020年草地動態度最小，說明這2個階段草地總體面積變化較小。3個時期林地動態度體現了林地的總體面積變化小，但持續穩步增加的發展趨勢，結合2010—2020年耕地負向動態度變化加大，判斷主要由于云南省將80%退耕還林還草任務傾斜給貧困區縣有關，香格里拉市屬于項目中“三區三州”重點區域(表7)。

表7 香格里拉1990—2020年單一土地利用動態度

2.1.3 香格里拉綜合土地利用動態度

根據綜合土地利用動態度模型計算得出香格里拉各階段綜合土地利用動態度。1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年香格里拉市綜合土地利用動態度分別為0.04%、0.07%、0.08%，呈上升趨勢。1990—2020年越往后期土地利用變化強度越劇烈，主要受人口增加、經濟發展的影響。

2.2 生態敏感性評價結果

由香格里拉市2020年高程各敏感區占比情況(圖2a)可知:受高程影響，極度敏感區分布集中，且主要分布于香格里拉北部及個別南部高海拔雪山;高度敏感區面積最大;中度敏感區廣泛分布在香格里拉中部地區;一般敏感區分布少、占比最小，僅為8.09%。結果體現了香格里拉市高海拔的特征。

圖2 香格里拉市2020年單因子生態敏感性分布

2020年香格里拉市坡度因子影響下的生態敏感性評價中，高度敏感區面積最大，其次是中度敏感區和極度敏感區，一般敏感區域面積最小且集中于研究區中部(圖2b)。說明香格里拉中部坡度較低，四周地形坡度普遍高于中部。以坡向為因子進行生態敏感性評價時，各敏感度級別所占比例數據差距較大(圖2c)。體現了坡向變化對高原山地生態敏感性有顯著影響。

香格里拉市水域單因子生態敏感性評價中，一般敏感區域面積占比較大，其它敏感等級區域面積所占比重較小且數值接近(圖2d)。植被覆蓋度單因子生態敏感性分析結果中，極度敏感區域面積最大，其他敏感區大多均勻分布于研究區，輕度敏感區相對集中分布于研究區北部，一般敏感地區分布分散(圖2e)。

研究區林地面積較大，林地屬于極度敏感地區。研究區極度敏感區是一般敏感與輕度敏感區面積之和的7倍(圖2f)。說明香格里拉市土地利用類型單因子生態敏感性高。

通過變異系數法求得單因子權重值，使用ArcGis疊加分析功能，得到香格里拉市生態敏感性綜合評價結果(圖3)。在6個生態敏感性單因子的綜合影響下，香格里拉市中部地區整體生態敏感性較低，中部向外圍擴散為中度敏感。以香格里拉市主城區為中心以圈層形式向周圍擴散，生態敏感性逐漸增高。

圖3 香格里拉市2020年綜合生態敏感性分布

從綜合生態敏感性分析結果來看，香格里拉市高度敏感以上區域占研究區面積51.87%以上，輕度生態敏感性以上區域占研究區面積91.38%以上，說明香格里拉市綜合生態敏感性高，生態環境受外界干擾反映強烈，生態環境自我恢復能力弱(表8)。

表8 香格里拉市2020年單因子及綜合生態敏感性評價結果

本研究對香格里拉市土地利用類型變化和生態敏感性進行分析評價，研究結果主要為保護生態環境修復生態系統服務。香格里拉市整體土地利用動態度持續提高，在各個研究階段林地都在數量上占據明顯優勢地位。研究區整體生態敏感性較高，以輕度敏感以上區域為主。香格里拉市的生態敏感性分布受高程、坡度、植被覆蓋度等自然因素影響大，高度生態敏感以上區域大多分布在自然資源豐富、植被覆蓋率高、坡度大且生態環境受到破壞后難以短時間恢復的高山地帶，主要集中在香格里拉市東北部三江并流國家自然保護區的高海拔山地區域。一般敏感區分布在城市建成區并以此為中心向四周輕度敏感區擴散。

3 結論與討論

作為對地方部署的重要銜接，云南省“十四·五”規劃中強調“三屏兩帶”為重點的生態保護紅線。說明在中觀層級的生態戰略中，嚴守滇西北高山峽谷生態屏障，是云南省推進重要生態系統保護和修復、提升生態系統質量和穩定性的重要保障。

作為全球34個生物多樣性熱點地區之一，香格里拉市在“十三·五”期間生態環境保護成效顯著。根據本研究結果，應繼續不斷加大生物多樣性保護、生態保護和修復力度，結合香格里拉市土地利用演變和生態敏感性評價結果研判生態環境保護形勢，明確規劃目標，構建指標體系，對地方生態可持續發展提供精準目標和科學思路。

落實到香格里拉市地方實踐中，林地、冰川雪地、水域等高敏感性土地利用類型分布區應以生態保護和修復為主，著重保護山林整體和金沙江沿線生態脆弱區，嚴格限制高敏感區內人為活動干擾，從動植物、景觀、水源多維度進行有效保護；中度生態敏感區域以加強生態保育為主，在保證生態穩定的前提下，提高生物多樣性，減少人為活動干擾；城市建成區及其周邊應以人地和諧為主。城鄉建設應基于城市容量研究，嚴格執行土地分類，控制過度開發，進行政策性管控的同時，強調生態環境補償。增強公眾參與和自然保護意識。積極發展高原特色產業，科學選取藏區旅游線路，在實現生態可持續的前提下，探索高原山地生態敏感地區的高質量發展之路。