楊鳳海，赫軒，趙燁榮，宋佳佳，張穎，陳絲露，劉暢

齊齊哈爾市土地利用生態(tài)安全預(yù)警研究

楊鳳海，赫軒，趙燁榮，宋佳佳，張穎，陳絲露，劉暢

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030）

以黑龍江省齊齊哈爾市為研究區(qū)，基于RS和GIS技術(shù)，揭示1990～2015年土地利用變化特征及規(guī)律，運用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型構(gòu)建生態(tài)安全預(yù)警指標體系，在500 m×500 m柵格單元內(nèi)實現(xiàn)齊齊哈爾市土地利用生態(tài)安全預(yù)警測度及評價。結(jié)果表明，①研究區(qū)耕地、林地及未利用地面積持續(xù)增長，草地、建設(shè)用地面積呈波動式增長，水域面積大幅度縮減，土地利用變化過程由劇烈趨于平緩；②1990～2015年，研究區(qū)生態(tài)安全水平總體呈上升趨勢，警情級別由中警轉(zhuǎn)化為輕警，逐漸向預(yù)警區(qū)間過渡，退耕還林還草、水土流失治理等生態(tài)建設(shè)性投入取得成效；③區(qū)域生態(tài)安全警情時空分異特征顯著，市轄區(qū)安全水平較低，中部地區(qū)、主要流域及林區(qū)水平較高，25年間警情綜合指數(shù)低值分布范圍逐漸縮減，高值范圍持續(xù)擴張，輕警面積逐漸取代中警居于優(yōu)勢地位。研究結(jié)果可為區(qū)域土地生態(tài)安全監(jiān)測治理、構(gòu)建生態(tài)安全格局以及土地利用規(guī)劃提供依據(jù)。

土地利用；生態(tài)安全；預(yù)警；齊齊哈爾市

土地生態(tài)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市發(fā)展及社會經(jīng)濟活動重要基礎(chǔ)[1]。土地利用變化集中體現(xiàn)人類活動對土地生態(tài)系統(tǒng)影響，其生態(tài)效應(yīng)已成為自然與人文過程、生物化學(xué)循環(huán)、氣候乃至全球環(huán)境變化等研究切入點[2-4]。土地利用與生態(tài)環(huán)境矛盾日益突出，探索土地生態(tài)安全變化過程和規(guī)律，構(gòu)建符合區(qū)域特點預(yù)警體系，防止土地利用向無序方向發(fā)展，成為當前土地利用與管理領(lǐng)域研究重點[5]。

國外相關(guān)研究主要以土地質(zhì)量、環(huán)境變化評價及監(jiān)測預(yù)警為主，研究內(nèi)容包括耕地水土流失、土地利用動態(tài)變化、土壤結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測等[6-10]。國內(nèi)研究對預(yù)警基本理論和方法探討較為系統(tǒng)全面，展開大量實證研究[11-14]。研究方法主要運用于指標量化與確定權(quán)重、劃分警度、構(gòu)建指標體系及警情評價預(yù)測等方面[15-20]。目前，土地生態(tài)安全預(yù)警相關(guān)研究多偏重單一時間變化，將警情評價結(jié)果空間定量化并服務(wù)于土地利用格局優(yōu)化研究較少[21-22]。隨著方法和技術(shù)手段不斷成熟，空間尺度選擇已逐漸打破行政界線，區(qū)域內(nèi)部生態(tài)安全差異及生態(tài)過程研究有待擴展。

本文以黑龍江省齊齊哈爾市為研究區(qū)，在RS、GIS平臺支持下，綜合多源數(shù)據(jù)分析研究時段內(nèi)區(qū)域土地利用變化特征和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上結(jié)合關(guān)鍵影響因素選取指標，以“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）模型為框架構(gòu)建土地利用生態(tài)安全預(yù)警指標體系，在500 m×500 m柵格尺度上實現(xiàn)指標空間化表達及生態(tài)安全預(yù)警測度，分析警情變化時空分異特征，反映研究時段內(nèi)土地生態(tài)系統(tǒng)演變過程及發(fā)展水平，為區(qū)域土地生態(tài)監(jiān)測治理、構(gòu)建生態(tài)安全格局以及土地利用規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

齊齊哈爾市位于黑龍江省松嫩平原西部，地理坐標為東經(jīng)122°~126°、北緯45°~48°，地處黑、吉、蒙3省交匯地帶，東臨大慶、綏化，南接吉林省白城，向西延伸至內(nèi)蒙古呼倫貝爾，北與黑河、大興安嶺接壤，是東北地區(qū)典型重工業(yè)及商品糧基地。境內(nèi)地域遼闊，現(xiàn)轄7區(qū)8縣及1個縣級市，全市總?cè)丝?60萬人，土地總面積4.23萬km2。平均海拔146 m，地勢北高南低，較為平坦。屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，太陽輻射充足且雨熱同季，年平均氣溫3.6℃，多年平均有效積溫為2 790℃，年均無霜期為122~151 d。齊齊哈爾地屬半濕潤半干旱地區(qū)，多年平均降水量415 mm、蒸發(fā)量達1 415.6 mm，南部、中部及北部分別為溫暖干旱、溫和半干旱及溫涼半濕潤農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，在地理環(huán)境及資源經(jīng)濟等方面具有明顯地帶過渡特征，隨農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)進程不斷推進，生態(tài)環(huán)境問題日漸突出，土地退化嚴重，水土污染加劇，區(qū)域土地利用及生態(tài)安全問題較為典型。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用1990、2001及2015年三期遙感數(shù)據(jù)，分別選用空間分辨率為30 m Landsat5 TM影像、Landsat7 ETM+影像和Landsat8 OLI影像，時相選擇均在6~9月，且影像云量低于5%。在ENVI 5.3及ArcGIS 9.3軟件支持下，完成遙感影像輻射校正、投影變換、幾何校正、波段融合及裁剪；在1 ? 3萬比例尺下參照全國土地利用分類體系人工目視解譯，將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地6類；精度檢驗分類結(jié)果表明，Kappa系數(shù)均>0.82，所提取土地利用數(shù)據(jù)精確度較高。降水量數(shù)據(jù)來源于1990年以來齊齊哈爾地區(qū)各氣象站點觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)空間插值處理完善后，以500 m×500 m柵格為單位進行區(qū)域統(tǒng)計。其他人口、社會、經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來源于《黑龍江統(tǒng)計年鑒》和《齊齊哈爾市經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 土地利用變化模型

2.1.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度反映一定時間范圍內(nèi)某土地利用類型數(shù)量變化情況，計算方法如下：

式中：K表示研究時段內(nèi)某單一土地利用類型動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究期初及研究期末某一土地利用類型面積；T為研究時段長，當T單位設(shè)定為年時，K值則表示某種土地利用類型年變化率，反映研究區(qū)內(nèi)各用地類型變化速率和變化程度，為土地利用現(xiàn)狀及變化趨勢分析提供依據(jù)。

2.1.2 土地利用變化強度

土地利用變化強度指數(shù)通過計算各用地類型面積變化量占區(qū)域總面積比例，定量描述一定時間范圍內(nèi)單位面積上某土地利用類型變化情況，反映其增長或流失程度，計算公式如下：

式中：LTI表示研究時段內(nèi)某單一土地利用類型變化強度指數(shù)；Ua和Ub分別為研究期初及研究期末某一土地利用類型面積；LA為區(qū)域土地總面積，T為研究時段長，以年為單位計算。

2.2 預(yù)警指標體系構(gòu)建與權(quán)重確定

土地生態(tài)是土地生態(tài)系統(tǒng)各要素間物質(zhì)遷移、能量流動及信息交換內(nèi)外表現(xiàn)，是土地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定或波動狀態(tài)。土地利用生態(tài)安全預(yù)警則結(jié)合區(qū)域土地利用對生態(tài)環(huán)境影響，明晰引發(fā)警情變化關(guān)鍵因素，準確表達區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)及演變規(guī)律，結(jié)合土地利用特點揭示警情產(chǎn)生原因，達到監(jiān)測、排警目的[5]。因此本文所構(gòu)建預(yù)警指標體系時，在指標選取上除參考科學(xué)性、準確性及可操作性等基本原則外，還考慮：①客觀反映區(qū)域主要生態(tài)環(huán)境問題，表達土地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)；②指標具有動態(tài)性和空間可量化性，可準確測度警情時空變化及發(fā)展趨勢；③可反映土地利用情況且具備調(diào)控功能，為土地利用格局優(yōu)化、配置提供支撐和依據(jù)。

“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）模型是生態(tài)評價廣泛應(yīng)用的概念模型，可反映人類社會經(jīng)濟活動與生態(tài)環(huán)境間相互作用關(guān)系[23-24]。本文結(jié)合研究區(qū)氣候、環(huán)境及土地利用特點，基于PSR模型選取包括人口、資源、社會、經(jīng)濟等因素在內(nèi)21個指標構(gòu)建齊齊哈爾市土地利用生態(tài)安全預(yù)警指標體系。在該模型框架中，壓力表示人類活動對生態(tài)系統(tǒng)造成負荷，就本文研究區(qū)而言，主要源于人口壓力、人為擾動和環(huán)境污染等方面，分別以人口指標、人均水域面積、人類干擾指數(shù)及污染物負荷量等指標表達；狀態(tài)表示生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展水平及狀況，在指標選取上考慮研究區(qū)氣候因素及土地沙化、水土流失等主要生態(tài)問題及土地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，包括森林蓋度、生物多樣性、土地承載能力及土地利用結(jié)構(gòu)合理程度等；經(jīng)濟發(fā)展和政府調(diào)控對土地生態(tài)系統(tǒng)運行至關(guān)重要，在響應(yīng)指標層中選擇生態(tài)環(huán)境治理、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)建設(shè)投入及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等相關(guān)指標，表征針對生態(tài)環(huán)境問題采取人為應(yīng)對措施及政策取向。最后運用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣、對指標賦權(quán)，通過一致性檢驗確定權(quán)重值，如表1所示。

2.3 預(yù)警指標空間化表達

土地生態(tài)安全評價、預(yù)警評價單元主要分為面狀矢量單元和點狀柵格單元兩類[25]。面狀單元以行政區(qū)、流域和景觀等矢量面元為信息載體，數(shù)據(jù)獲取簡便直接，但評價結(jié)果難以實現(xiàn)空間位置精確表達；點狀單元則以柵格為信息載體，可最大限度提高數(shù)據(jù)空間準確性。本文結(jié)合矢量面狀與柵格點狀兩種預(yù)警單元，針對不同數(shù)據(jù)源采取不同空間量化方式。具體方法為：以500 m×500 m柵格作為空間量化最小單元，對于土地利用數(shù)據(jù)及降水量數(shù)據(jù)，分別運用空間疊加分析及空間插值等方法，經(jīng)運算后直接量化到逐個柵格單元；對人口、社會、經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以行政區(qū)為單位統(tǒng)計后賦值到矢量屬性表中，再經(jīng)柵格化處理實現(xiàn)指標數(shù)據(jù)空間化表達。

表1 齊齊哈爾市土地利用生態(tài)安全預(yù)警指標體系Table 1Index system of early warning to land-use ecology security in Qiqihar city

2.4 土地利用生態(tài)安全預(yù)警測度

2.4.1 數(shù)據(jù)標準化

為科學(xué)分析和對比各項指標，采用極差標準化法，對預(yù)警指標數(shù)據(jù)標準化處理，使各變量數(shù)值均落在0~1范圍內(nèi)，消除因量綱不同對評價結(jié)果產(chǎn)生的影響。計算公式如下：

式中：X*為標準化值，Xij為第i年第j項指標實際值，Xmax和Xmin分別為該指標時間序列內(nèi)最大值和最小值。當評價指標安全趨勢為正向時，采用公式（3）計算，安全趨勢為負向時，采用公式（4）計算。

2.4.2 生態(tài)安全警情綜合指數(shù)測算

采用綜合指數(shù)評價法計算生態(tài)安全警情綜合值，將各單項指標加權(quán)求和，反映當前土地生態(tài)系統(tǒng)整體及各子系統(tǒng)安全水平，評價其存在警情及危險程度。計算模型如下：

式中：ESI為生態(tài)安全警情綜合指數(shù)，表示區(qū)域生態(tài)安全水平，取值范圍0~1。

其值越高表示生態(tài)安全水平越好，反之則越差。Pi為第i個指標標準化值，Wi為第i個指標權(quán)重，n為指標總數(shù)。

2.4.3 警度劃分

在生態(tài)安全預(yù)警過程中，需根據(jù)研究區(qū)警情狀況劃分等級界限，判斷警情輕重程度即警度[5]。在參考文獻[26-27]基礎(chǔ)上，綜合考慮研究區(qū)域性、時間性以及警情綜合指數(shù)分布狀況，采用相對確定法將警度劃分為5個等級，如表2所示。

表2 區(qū)域生態(tài)安全警情等級劃分標準Table 2Standard for warning situation classification of regional ecology security

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用數(shù)量變化

如表3所示，1990年研究區(qū)土地利用類型以耕地為主，分布廣泛，面積比重達70.05%；地表水資源豐富，占總面積17.38%；建設(shè)用地、林地及未利用地所占比例分別為4.50%、3.94%和2.63%；草地面積僅為634.59 km2，占比最小。至2015年，耕地面積凈增長1 956.20 km2，增長主要來源于水域、林地和未利用地轉(zhuǎn)化；水域面積減少4 133.81 km2，轉(zhuǎn)出面積中67.73%開墾為耕地，27.85%轉(zhuǎn)化為草地和未利用地；草地及建設(shè)用地面積變化量均較小，前者變化特征為先增后減，后者則為先減后增，有建設(shè)用地占用耕地現(xiàn)象，但占補相對平衡；林地、未利用地面積均有所增長，其中林地增長主要源于退耕還林，2015年面積比例達5.73%，僅次于水域；未利用地增長幅度最大，90%以上源自水域及耕地退化，在自然及人為因素作用下，水土流失問題日益突顯。

表3 齊齊哈爾市土地利用類型、面積及比例Table 3Area and percentage of land use types in Qigihar city

3.1.2 土地利用變化強度及速度

1990~2001年，研究區(qū)土地利用變化較劇烈，其中水域縮減強度最大，為-0.53%；其次是未利用地和耕地，增長強度分別為0.23%和0.16%；其余各類用地變化強度相對較小，絕對值均不超過0.1%，表明在該階段土地利用過程中水域、未利用地和耕地變化占主導(dǎo)地位。在變化速度上，未利用地及草地變化速度最快，動態(tài)度分別為8.65%和6.94%；其次是水域，以平均每年223.69 km2速度持續(xù)縮減，為面積凈變化量最大一用地類型；林地和耕地增長速度相對平緩，動態(tài)度分別為1.16%和0.23%；建設(shè)用地相對于耕地，兩者變化速度相同，變化趨勢相反。

2001~2015年，土地利用變化整體趨于平穩(wěn)，除耕地、林地和建設(shè)用地外，其余用地類型變化強度及速度均有所減緩。該階段水域及耕地變化仍占主導(dǎo)，強度指數(shù)分別為-0.28%和0.20%；未利用地強度指數(shù)由0.23%降至0.03%，與建設(shè)用地基本持平；林地增加強度提升0.04%，草地則因開墾耕地而流失，流失強度為0.07%。在變化速度上，耕地、林地長期處于穩(wěn)定增長，變化速度有小幅度提升；水域面積年縮減速度較上一時段降低19.67%；草地及未利用地變化幅度較大，草地面積由上階段快速增長演變?yōu)榈退儇撛鲩L，年均減少27.62 km2，未利用地面積增長速度由8.65%降至0.59%，表明土地退化速度減緩。

圖1 齊齊哈爾市土地利用變化強度及動態(tài)度Fig.1Intensity and dynamic degree of land use change in Qigihar city

綜上所述，從生態(tài)安全角度，每種土地利用類型均有各自生態(tài)作用，適宜的土地利用方式、結(jié)構(gòu)及強度利于土地發(fā)揮生態(tài)作用，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生正面影響，不符合規(guī)律的土地利用可導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，阻滯生態(tài)安全水平提高。耕地、林地、草地增長，一方面在氣候調(diào)節(jié)、水土保持及維護生物多樣性等方面起積極作用，另一方面農(nóng)用地化肥、農(nóng)藥施用易加重污染負荷；水域面積縮減、未利用地增長和建設(shè)用地布局分散、利用低效等問題均對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面影響。因此，在預(yù)警過程中，結(jié)合以上土地利用狀況分析警情變化特征及原因，可為用地布局優(yōu)化提供對策建議，利于排除警患，促進區(qū)域土地利用生態(tài)安全水平提升。

3.2 土地利用生態(tài)安全警情評價

3.2.1 警情演變趨勢分析

根據(jù)公式（5），運用ArcGIS 9.3柵格計算器計算1990、2001和2015年各柵格單元生態(tài)安全警情綜合指數(shù)，依據(jù)研究區(qū)警情分級標準對警度劃分，結(jié)果見表4。25年間，研究區(qū)生態(tài)安全狀況總體改善，警情綜合指數(shù)由0.462提升至0.526，警情級別由中警轉(zhuǎn)化為輕警，并逐漸向預(yù)警級別過渡，土地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)向較穩(wěn)定方向演化。

從各區(qū)縣警情等級變化看，1990年富?？h、龍江縣、甘南縣警情綜合指數(shù)在0.478~0.538，處于輕警級別；克東縣、泰來縣、訥河市、克山縣、市轄區(qū)及拜泉縣警情綜合指數(shù)在0.418~0.478，處于中警級別；依安縣生態(tài)安全水平最低，警情綜合指數(shù)<0.418，處于重警狀態(tài)；研究區(qū)除富裕、龍江和甘南地區(qū)生態(tài)安全狀況相對較好外，其余各縣均存在不同程度生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定且負面干擾強烈。2001年，富?？h、龍江縣、甘南縣、克山縣、市轄區(qū)及拜泉縣警情等級保持不變；克東縣、泰來縣和訥河市警情等級由中警轉(zhuǎn)為輕警，依安縣警情等級由重警轉(zhuǎn)為中警；此時研究區(qū)內(nèi)已不存在重警級別區(qū)縣，大部分地區(qū)維持基本生態(tài)服務(wù)功能，但生態(tài)系統(tǒng)仍不穩(wěn)定。2015年，富?？h、甘南縣、泰來縣及訥河市警情綜合指數(shù)在0.538~0.618，警情等級由輕警轉(zhuǎn)化為預(yù)警；克山縣、拜泉縣和依安縣警情綜合指數(shù)均有所提升，由中警轉(zhuǎn)化為輕警；龍江縣及克東縣警情綜合指數(shù)分別為0.535和0.526，警情等級仍為輕警，但已接近預(yù)警區(qū)間下限；市轄區(qū)生態(tài)安全水平提升幅度較小，警情綜合指數(shù)始終滯留在中警區(qū)間；此時大部分區(qū)縣生態(tài)安全水平明顯好轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境壓力緩解，抗干擾能力逐步提升。

結(jié)合土地生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)（見圖2）與土地利用變化特點分析警情演變過程可知，1990~2001年，研究區(qū)警情綜合指數(shù)平均值由0.462提升至0.482，警情級別由中警轉(zhuǎn)為輕警，壓力、響應(yīng)指數(shù)提升，狀態(tài)指數(shù)下降。該階段土地利用變化相對劇烈，土地利用方式和結(jié)構(gòu)尚處于調(diào)整階段，未利用地面積增加、水域面積縮減幅度較大，土地沙化、水土流失問題突出；由人口增長及人類干擾帶來生態(tài)壓力減小，但農(nóng)用地增加導(dǎo)致農(nóng)田污染物負荷加重，生物豐度及土地生態(tài)承載能力下降；在響應(yīng)層面，農(nóng)田灌溉設(shè)施逐漸完善，水土流失治理、退耕還林還草工程實施初見成效，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，帶動生態(tài)安全整體水平提升，但提升幅度相對較小，大部分地區(qū)生態(tài)安全狀況仍不容樂觀。

2001~2015年，研究區(qū)警情綜合指數(shù)平均值由0.482升至0.526，警情級別為輕警并逐漸向預(yù)警區(qū)間過渡，壓力指數(shù)由增轉(zhuǎn)降，狀態(tài)指數(shù)及響應(yīng)指數(shù)均呈上升趨勢。該階段土地利用變化趨于平緩，用地方式及結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化調(diào)整，未利用地面積增加、水域面積縮減幅度減小，耕地、林地面積比例逐漸增大，土地利用多樣性和生物豐度逐步提升；但農(nóng)藥、化肥和農(nóng)膜大量施用不斷增加土地生態(tài)系統(tǒng)負擔，草地逐漸退化，土地生態(tài)承載力持續(xù)下降；在響應(yīng)層面，這一時期各指標持續(xù)提升對土地生態(tài)系統(tǒng)運行產(chǎn)生積極影響，區(qū)域生態(tài)建設(shè)性投入比例增大，土地沙化減緩，水土流失綜合治理效果較好，表明人為響應(yīng)及政策調(diào)控在預(yù)警體系中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，在緩解生態(tài)環(huán)境壓力同時改善生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，生態(tài)安全水平整體提高。

表4 齊齊哈爾市及各區(qū)縣警情評價結(jié)果Table 4Evaluation results of warning situation in Qigihar city and its districts and counties

圖2 齊齊哈爾市生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)Fig.2Pressure,state and response indexes of ecological security in Qiqihar city

3.2.2 警情空間變化特征

如圖3、表5所示，由警情空間分布可見，1990年中警級別占比最大，為43.01%，主要分布在研究區(qū)西部及克東、克山兩縣；其次是重警和輕警，分別占研究區(qū)總面積26.71%和22.05%，重警集中分布在市轄區(qū)及訥河市、依安縣、拜泉縣等農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)，輕警則主要分布在境內(nèi)江河流經(jīng)地區(qū)；預(yù)警區(qū)域占比不足10%，集中在富裕縣烏裕爾河流域以及森林覆蓋較高的西部和東北部地區(qū)；處于無警狀態(tài)土地面積僅為413.81 km2，表明絕大部分土地存在生態(tài)安全隱患。

2001年，大部分地區(qū)警情等級提升，重警區(qū)域面積大幅減少，占比降至8.89%，在空間分布上除市轄區(qū)基本維持原狀外，總體向東部克山縣聚集，該縣為黑土開發(fā)較早、墾殖指數(shù)較高地區(qū)，受水蝕侵害較重，坡耕地水土流失現(xiàn)象日益突出，生態(tài)環(huán)境惡化；在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)田保護作用下，訥河市、依安縣和拜泉縣重警區(qū)域逐漸向中警轉(zhuǎn)化，甘南縣和泰來縣境內(nèi)中警區(qū)域大部分轉(zhuǎn)化為輕警，輕警面積比重增加到34.19%、中警區(qū)域面積基本保持穩(wěn)定；預(yù)警及無警比例均小幅提升，分布在主要河流流域及林區(qū)，生態(tài)安全狀況整體好轉(zhuǎn)。

2015年，輕警級別取代中警原有優(yōu)勢地位，占研究區(qū)總面積54.58%；處于重警及中警級別土地面積持續(xù)縮減，其中重警所占比僅3.87%，集中分布在市轄區(qū)，中警面積比例下降到13.47%，主要分布在克山、拜泉地區(qū)，以上兩縣除水土流失和侵蝕相對較重以外，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)始終滯后于農(nóng)業(yè)發(fā)展，在研究區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)安全水平相對較差；隨中心城區(qū)東進南移城市發(fā)展戰(zhàn)略推進，市轄區(qū)東南部中警面積有所增加；預(yù)警及無警占比小幅度提升，主要分布在研究區(qū)林地相對集中及水資源充足地區(qū)，生態(tài)安全狀況改善，土地生態(tài)系統(tǒng)向穩(wěn)定方向發(fā)展。

表5 齊齊哈爾市警情等級與面積比例Table 5Warning situation grade and area ratio in Qiqihar city

圖3 齊齊哈爾市生態(tài)安全警情時空分異Fig.3Temporal and spatial distribution of ecology security warning situation in Qiqihar city

隨著退耕還林、水土流失治理、“三化”草場治理及北部引嫩等重點工程推進和實施，重警及中警級別面積大幅度減退，輕警、預(yù)警和無警范圍逐漸擴大。其中訥河、依安、泰來及甘南等地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善效果較好，大量農(nóng)林建設(shè)性投入使土地利用結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，水土流失及土地沙化治理取得成效，耕地、林地、草地比例增加對生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)作用明顯，促進生態(tài)安全整體水平提升。而市轄區(qū)、拜泉縣、克山縣等警情綜合指數(shù)偏低區(qū)域，普遍存在人口基數(shù)大、人均資源占有量低等特點。其中市轄區(qū)作為齊齊哈爾市社會經(jīng)濟發(fā)展重心，重工業(yè)、裝備制造業(yè)發(fā)達，土地生態(tài)系統(tǒng)承擔工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙重負荷，人為擾動頻繁，存在建設(shè)用地增長強度大、布局分散等問題，短時間內(nèi)難以實現(xiàn)用地結(jié)構(gòu)快速調(diào)整與優(yōu)化，生態(tài)安全狀況始終處于較低水平；克山、拜泉地區(qū)耕地面積比例大且用地結(jié)構(gòu)單一，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建相對薄弱，因而其農(nóng)藥、化肥等污染物負荷較重，生物多樣性、土地承載力以及自我調(diào)節(jié)能力不足。究其原因，土地利用結(jié)構(gòu)與方式是影響生態(tài)安全警情變化關(guān)鍵。針對以上生態(tài)脆弱區(qū)域需重點監(jiān)測并采取排警措施，合理調(diào)整用地布局，在保護基本農(nóng)田基礎(chǔ)上提高林地、草地比例，充分發(fā)揮各用地類型生態(tài)功能同時提高集約利用水平，加強農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和土地生態(tài)環(huán)境綜合治理，遏制生態(tài)環(huán)境惡化，促進生態(tài)系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展。

4 討論與結(jié)論

a.目前生態(tài)安全預(yù)警相關(guān)研究成果較多，警情綜合評價及警情預(yù)測研究普遍，其中評價類研究多側(cè)重警情時空變化規(guī)律，反映土地利用與警情變化內(nèi)在聯(lián)系方面研究較少，預(yù)警單元選擇以中尺度區(qū)域?qū)用婢佣啵臻g表達精確度略顯不足[20,38]。與同類研究相比，本文采用500 m×500 m柵格作為基礎(chǔ)評價單元，針對不同數(shù)據(jù)源特點采取相應(yīng)空間量化方式，在提高預(yù)警空間位置準確性、真實反映土地生態(tài)系統(tǒng)演變過程等方面，可為后續(xù)研究提供思路和借鑒，結(jié)合區(qū)域土地利用特點分析警情變化原因，對優(yōu)化用地布局、排警調(diào)控具有一定參考意義。而預(yù)測類研究中，徐美、陳美婷等對警情變化分析僅限于時間序列，缺乏空間分異特征探究，但運用預(yù)測模型可準確模擬未來一段時間內(nèi)生態(tài)安全演變趨勢[15,29]。在本研究基礎(chǔ)上，采用模型預(yù)測模擬空間格局，可更大程度滿足土地生態(tài)安全監(jiān)測管理需要，防止決策滯后、控制生態(tài)環(huán)境惡化。

b.25年間研究區(qū)土地利用變化過程由劇烈趨于平緩，用地結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整且利用率逐步提高，土地利用生態(tài)安全狀況總體呈改善趨勢，警情綜合指數(shù)整體由0.462提升到0.526，警情級別由中警轉(zhuǎn)化為輕警，并逐漸向預(yù)警區(qū)間過渡。齊齊哈爾市警情綜合指數(shù)提升主要得益于響應(yīng)層因子對壓力、狀態(tài)層面調(diào)控作用。退耕還林還草、水土流失治理等生態(tài)建設(shè)性投入成效良好，農(nóng)業(yè)、重工業(yè)迅速發(fā)展也帶來負面干擾，如土地承載力下降、環(huán)境污染等，應(yīng)鞏固并加強綜合治理，并針對部分生態(tài)脆弱區(qū)域重點監(jiān)測，結(jié)合區(qū)域土地利用特點制定排警對策及優(yōu)化方案，控制土地生態(tài)系統(tǒng)逆向變化，保持生態(tài)系統(tǒng)向安全、穩(wěn)定方向發(fā)展趨勢。

c.本文運用的預(yù)警體系、模型與方法可為其他區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警研究提供參考，但存在以下問題：一是為準確反映土地利用生態(tài)安全水平及非正常生態(tài)安全狀態(tài)的時空范圍和輕重程度，本文所建立預(yù)警指標體系具有區(qū)域特色，指標選擇及警度劃分存在一定相對性和主觀性。二是由于獲取數(shù)據(jù)尺度不統(tǒng)一，在指標空間化表達過程中，部分以行政區(qū)劃為單位指標難以具體量化到逐個柵格單元，對空間表達效果有一定影響，應(yīng)進一步完善。

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Study on early warning for ecological security of land use in Qiqihar city/

Land ecology security was the basis of sustainable development of human and society. Supported by RS and GIS technology,taking Qiqihar city in Heilongjiang Province as the study area,the paper analyzed characteristics of land use change in Qiqihar city from 1990 to 2015.And then early warning index system for ecological security was established on basis of"Pressure-State-Response"model.Finally, 500 m×500 m girds have been established to put the measurement and evaluation of early warning for land-use ecology security into effect in Qiqihar city.The results showed that,①The area of cultivated land, forest land and unused land kept increasing.Grassland and construction-used land area fluctuated with increasing trend.Water area reduced greatly year by year.In the process of land use change,the speed and intensity tended to be gentle;②The level of ecological security in the study area showed an upward trend during the period from 1990 to 2015.The warning grade had transformed from the medium alarm to lightalarm and approached the early alarm interval gradually.The results had been benefited from the ecological construction investment of returning cultivated land to forest and grassland,water loss and soil erosion control and so on;③The temporal and spatial variation characteristics of regional warning situation were significant.The municipal district ecological security level was low.And the ecological security level of central region,the main river basin and forest region was relatively high.In the past 25 years,the area with low values of warning situation composite indexes reduced gradually,and high value of the area continued to expand.The light alarm grade area gradually replaced the dominant position of the medium alarm grade finally.The research could provide scientific evidence for the regional land ecology security monitoring and control,the construction of ecological security pattern and the land-use planning.

land use;ecological security;early warning;Qiqihar city

X171

A

1005-9369（2017）06-0059-10

時間2017-6-26 17:28:48[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1728.016.html

楊鳳海,赫軒,趙燁榮,等.齊齊哈爾市土地利用生態(tài)安全預(yù)警研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,48(6):59-68.

Yang Fenghai,He Xuan,Zhao Yerong,et al.Study on early warning for ecological security of land use in Qiqihar city[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):59-68.(in Chinese with English abstract)

2017-04-13

黑龍江省自然科學(xué)基金（D201401）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動基金（2012RCB67）

楊鳳海（1967-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為土地利用及信息化技術(shù)。E-mail:yfhneau@163.com

YANG Fenghai,HE Xuan,ZHAO Yerong,SONG Jiajia,ZHANG Ying,CHEN Silu,LIU Chang(Shool of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin, 150030,China)