李凱 ，趙俊三，李小祥

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.智慧礦山地理空間信息集成創(chuàng)新重點實驗室，云南 昆明 650093；3.云南省高校自然資源空間信息集成與應(yīng)用科技創(chuàng)新團(tuán)隊，云南 昆明 650211)

1 引 言

土地資源是人類社會生存及發(fā)展的必要基礎(chǔ)，不同的土地利用方式和強(qiáng)度不僅對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，而且對區(qū)域生態(tài)環(huán)境也有不同的影響。在我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，分析不同時期區(qū)域土地利用類型變化并進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評估越來越具有現(xiàn)實意義和科學(xué)意義。目前，基于土地利用變化的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評估模式主要有兩種：一種是從風(fēng)險源，生境和生態(tài)受體等多方面入手建立區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評估模型[1]，如王輝等[2]通過研究改進(jìn)相對生態(tài)風(fēng)險模型，從風(fēng)險源強(qiáng)度、受體暴露程度和風(fēng)險影響效應(yīng)三個方面來構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，對三江平原地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險評價；另一種是從景觀生態(tài)學(xué)角度建立生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行風(fēng)險評價[3]，如陳心怡、田鵬等[4，5]從土地利用變化和景觀指數(shù)角度，構(gòu)建了景觀尺度上的景觀生態(tài)風(fēng)險評價模型，分別對?？谘匕逗秃贾菔羞M(jìn)行了土地利用變化分析和生態(tài)風(fēng)險評價。對比兩種生態(tài)風(fēng)險評價模式，從已有研究成果[6～8]來看，基于土地利用變化景觀格局指數(shù)建立的生態(tài)風(fēng)險評價模型，對區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價的方式是相對科學(xué)可行的。當(dāng)前在生態(tài)風(fēng)險評價方面，空間維度上主要以流域[9，10]、自然保護(hù)區(qū)[11]、城市[5，12，13]等為主，評價范圍多以區(qū)縣為評價單元，而對于在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中較為重要的縣域、城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)部尺度的生態(tài)風(fēng)險評價相對較少。因此，本文以縣域尺度為基礎(chǔ)，考慮空間異質(zhì)性，拋開傳統(tǒng)的以行政單元作為評價單元的方法，對區(qū)域進(jìn)行格網(wǎng)劃分，以格網(wǎng)作為評價單元，進(jìn)一步探究縣域城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程中土地利用的變化情況，并基于土地利用景觀指數(shù)來構(gòu)建土地生態(tài)風(fēng)險評價的模型，進(jìn)行土地生態(tài)風(fēng)險評價研究，以此進(jìn)一步了解社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，從而為姚安縣土地利用格局優(yōu)化及生態(tài)安全保護(hù)提供一定的科學(xué)參考依據(jù)。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)概況

姚安縣位于云南省楚雄州西北部，介于100°56′E～101°34′E，23°13′N～24°45′N，東鄰牟定縣、南華縣，北接大姚縣，西與大理州祥云縣隔一泡江相望，總面積 1 803 km2，轄6個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng)，縣政府駐地為棟川鎮(zhèn)。姚安氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，一年之內(nèi)，干濕二季界限分明，冬春干旱，夏秋陰雨；年平均降雨量為 767.5 mm；境內(nèi)有豐富的森林資源和生物資源，是楚雄州生態(tài)農(nóng)業(yè)示范縣。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以姚安縣2012年，2019年兩個時期的土地變更數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.2軟件對兩期土地變更數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間處理及綜合分析，消除合并了一些細(xì)小的圖斑，根據(jù)研究區(qū)土地實際用途及其地物意義，參照國家土地利用分類體系，將研究區(qū)土地利用地類分為七大類(表1)。

研究區(qū)土地利用類型分類 表1

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用變化度量指標(biāo)

(1)土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是指研究區(qū)內(nèi)某一土地類型在一定時間內(nèi)數(shù)量上的變化情況[14]?？捎萌缦鹿接嬎悖?/p>

(1)

其中，K為研究區(qū)土地類型年變化率，Ua、Ub為研究初期、末期土地類型面積，T為研究時段間隔，以年為單位。

(2)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣主要用于描述各土地類型之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，能夠具體、全面地反映不同地類的數(shù)量和方向變化[15]?？捎萌缦鹿奖硎荆?/p>

(2)

式(2)中S表示土地類面積，n為土地類型的種類，Sij表示土地類型i類轉(zhuǎn)換為j類的面積(i、j=1，2，3…n)。

2.3.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的構(gòu)建

(1)生態(tài)風(fēng)險評價單元的確定

采用GIS格網(wǎng)法，以格網(wǎng)作為評價單元，參考國家格網(wǎng)GIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《地理格網(wǎng)》(GB12409-2009)和已有研究，格網(wǎng)宜采用平均斑塊面積的2倍～5倍[4]。因此本研究選取 1 km×1 km的正方形格網(wǎng)對研究區(qū)進(jìn)行劃分(圖1)，得到 1 852個生態(tài)風(fēng)險小區(qū)，并對各個格網(wǎng)進(jìn)行編號；以各個格網(wǎng)的中心為采樣點。同時，在采用網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，對各個風(fēng)險小區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行計算，并取其值作為樣本風(fēng)險小區(qū)中心的生態(tài)風(fēng)險值。

圖1 研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險小區(qū)劃分示意圖

(2)景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)模型構(gòu)建

景觀指數(shù)法是地學(xué)中常用的定量研究方法，通過多個指數(shù)的組合分析來描述景觀格局及變化[7]。參考前人研究[16，17]，選取景觀干擾度和脆弱度建立土地類型與生態(tài)風(fēng)險的聯(lián)系，并通過指數(shù)間的疊加構(gòu)建姚安縣土地生態(tài)風(fēng)險評價體系。計算公式如下：

(3)

式中：ERIk表示第k個樣本小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；n為景觀類型的總數(shù)；Aki表示第k個樣本小區(qū)中景觀類型i的面積；Ak表示第k個樣本小區(qū)的總面積；Ri表示景觀類型i的損失度指數(shù)。

①景觀干擾度指數(shù)(Ui)

景觀干擾度指數(shù)表示景觀受外界干擾的程度，其數(shù)值表達(dá)可由相關(guān)的3種景觀指數(shù)加權(quán)相加得到，公式如下：

Ui=aCi+bNi+cDi

(4)

式中：Ui表示景觀干擾度指數(shù)；Ci表示景觀破碎度指數(shù)，Ni表示景觀分離度指數(shù)，Di表示景觀優(yōu)勢度指數(shù)，以上各指數(shù)[18]均可用Fragstats 4.2計算得到。a，b，c為各指數(shù)權(quán)重系數(shù)，a+b+c=1；結(jié)合相關(guān)研究成果[19，20]分別賦值0.5、0.4、0.1。

②景觀脆弱度指數(shù)(Fi)

景觀脆弱度指數(shù)表達(dá)與其在區(qū)域抵抗外界干擾能力的程度成反比。本文根據(jù)研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型結(jié)構(gòu)組成、穩(wěn)定性、敏感性、脆弱性等，參照已有學(xué)者相關(guān)的研究成果[21～23]，對研究區(qū)內(nèi)各土地類型的脆弱度值進(jìn)行賦值，并對其進(jìn)行歸一化處理。

③景觀損失度指數(shù)(Ri)

景觀損失度表示該類景觀在受到外界干擾時其自然屬性的損失程度，可通過景觀干擾度和脆弱度兩個相關(guān)指數(shù)構(gòu)建計算，公式描述如下：

Ri=Ui×Fi

(5)

式中：Ui表示景觀類型i的干擾度指數(shù)，F(xiàn)i表示景觀類型i的脆弱度指數(shù)。

(3)空間統(tǒng)計方法

空間自相關(guān)分析變量表示空間上的相互關(guān)系和依賴程度，包括全局和局部自相關(guān)，主要利用Moran’s I指數(shù)和LISA檢驗來分析景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的空間自相關(guān)性和集聚度，計算公式見文獻(xiàn)[5，6]。土地景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)作為一種空間變量，可以通過空間自相關(guān)分析進(jìn)一步研究該區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險分布特點?？臻g插值分析則是利用ArcGIS 10.2中地統(tǒng)計分析模塊，采用普通Kriging法得到研究區(qū)土地景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)數(shù)值的空間分布。同時，在ArcGIS 10.2中采用自然斷點法將其分為：低、較低、中、較高、高5類生態(tài)風(fēng)險區(qū)。

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

結(jié)合2012年、2019年土地變更數(shù)據(jù)，得到各地類面積及比例(表2)?？傮w來看，研究區(qū)土地類型主要以林地和耕地為主，占總體面積的85%以上。研究期內(nèi)，林地、建設(shè)用地、園地和水域面積均呈增加趨勢，其中林地面積增加最多，增加量為 9 950.82 hm2，增幅5.85%；建設(shè)用地的面積增加了 2 270.58 hm2；園地、水域增幅不大，僅占總面積的0.5%左右。耕地和草地面積不斷減少，草地面積減少最多，由2012年 12 658.64 hm2減少至2019年 3 603.26 hm2，減少了 9 055.38 hm2，占總面積的5.33%；耕地減少了 4 543.73 hm2，減幅為2.67%；未利用地面積相較于其他地類變化不大。

2012年～2019年各土地類型面積及比例 表2

3.1.2 土地利用動態(tài)度變化

從土地利用動態(tài)度(圖2)來看，研究間內(nèi)，草地類型利用變化程度最為劇烈，動態(tài)度為-10.22%；其次是建設(shè)用地和未利用地，動態(tài)度分別為9.03%、-9.51%；耕地、園地、水域用地的動態(tài)度分別為-2.17%、5.53%、4.91%。其中，值得注意的是，所有地類中林地面積增加量最多，但其總面積較大，所以它的動態(tài)度相較于其他地類是最小的，僅有1.19%。

圖2 2012年～2019年單一土地利用動態(tài)度

3.1.3 土地利用類型變化分析

在ArcGIS 10.2軟件中通過疊加分析的相交模塊，對兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行相交分析可得到研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。從總體土地類型轉(zhuǎn)移情況可以看出：2012年～2019年間姚安縣土地利用類型之間轉(zhuǎn)移變化顯著。與上述土地類型數(shù)量變化一樣，在土地轉(zhuǎn)移方面，林地類型的面積轉(zhuǎn)入量最大，主要來自草地和耕地；建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入量為 3 278.57 hm2，各地類均有轉(zhuǎn)入，但主要以耕地為主，即說明在城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展中主要是通過占用耕地來增加建設(shè)用地的規(guī)模；耕地類型在研究期內(nèi)轉(zhuǎn)出量最大，轉(zhuǎn)出量為 10 873.33 hm2，其中大部分主要轉(zhuǎn)化為林地，轉(zhuǎn)為林地的面積占轉(zhuǎn)出量的68.39%；草地類型轉(zhuǎn)出量為 10 223.52 hm2，主要轉(zhuǎn)為林地，占轉(zhuǎn)出總量的85.26%；這說明姚安縣積極響應(yīng)國家號召，落實“退耕還林、退草還林”政策效果顯著。同時，園地和水域類型也發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)移，雖然未利用地土地利用地類在整個研究區(qū)面積中占比規(guī)模較小，但其轉(zhuǎn)移趨勢變化相當(dāng)顯著，主要在耕地、林地之間相互轉(zhuǎn)移。

2012年～2019年姚安縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(hm2) 表3

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險評價

3.2.1 景觀指數(shù)變化分析

基于Fragstats 4.2和Excel軟件，根據(jù)2.3.2中的公式可計算得出2012年、2019年各土地利用類型的景觀指數(shù)(表4)，可進(jìn)一步分析其變化規(guī)律。

2012年和2019年不同土地利用類型綜合景觀格局指數(shù) 表4

從表4中可以看出：2012年～2019年期間各景觀地類斑塊數(shù)目均表現(xiàn)為不同程度的增加，對景觀破碎度指數(shù)與分離度指數(shù)變化產(chǎn)生了較大的影響。林地土地利用地類作為區(qū)域的優(yōu)勢景觀其優(yōu)勢度指數(shù)最大，優(yōu)勢度在研究期間有一定的增大；草地景觀的優(yōu)勢度則出現(xiàn)較大幅度的減弱，這主要因為近年來姚安縣“退草還林”政策的實施；其他地類優(yōu)勢度指數(shù)變化則不顯著。從地類受外界干擾程度來看，林地與耕地兩種地類在研究區(qū)內(nèi)面積所占比例較大，所以總體上干擾度指數(shù)較小，表明其受干擾程度較?。粓@地、水域、未利用地及建設(shè)用地干擾度指數(shù)數(shù)值相對較大，且隨時間遞增。從損失度方面來看，未利用地?fù)p失程度最大，主要是由于其破碎化程度和分離度增加，導(dǎo)致干擾度增大，進(jìn)而影響其損失程度。綜合來看，2012年～2019年間城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展等一系列人類活動對研究區(qū)的景觀產(chǎn)生了較大的影響，對其生態(tài)環(huán)境安全帶來了一定的風(fēng)險。

3.2.2 土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險空間自相關(guān)分析

通過對風(fēng)險小區(qū)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險值的賦值，導(dǎo)入GeoDa軟件中得到Moran’s I散點圖(圖3)和LISA聚集圖(圖4)。

圖3 土地景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Moran’s I散點圖

圖4 土地景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)LISA聚類圖

從上述圖3中可以看出，研究時間段內(nèi)兩期Moran’s I值分別為0.432、0.502，兩個數(shù)值均為正數(shù)且呈增大趨勢，表明在2009年～2019年間研究區(qū)的土地景觀生態(tài)風(fēng)險有較強(qiáng)的空間正相關(guān)性，存在聚集效應(yīng)。從局部自相關(guān)的LISA聚類圖看，土地景觀生態(tài)風(fēng)險高值主要位于中心城區(qū)及水域分布范圍較大的區(qū)域，中心城區(qū)景觀類型受外界干擾程度較大，城鎮(zhèn)化的發(fā)展破壞了原有景觀的穩(wěn)定性，使其景觀損失度、破碎度增加；低值聚集區(qū)分布較為廣泛，主要分布在周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)林地覆蓋較廣的區(qū)域。總體來看，姚安縣整體土地景觀生態(tài)風(fēng)險強(qiáng)度分異顯著，局部空間差異有減弱趨勢。

3.2.3 土地利用景觀生態(tài)風(fēng)險空間分異

根據(jù)2.3.2中構(gòu)建的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)模型(式3)，對研究期內(nèi)各樣本小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險值ERIk進(jìn)行計算，并賦給各個小區(qū)的中心，通過ArcGIS 10.2中的普通Kriging插值，選擇半變異函數(shù)對已賦值樣本小區(qū)中心的風(fēng)險值進(jìn)行球形擬合。然后根據(jù)區(qū)域插值結(jié)果，在ArcGIS 10.2中采用自然斷點法將其分為5類，并依據(jù)分類的等級進(jìn)行排序得到研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險分布圖(圖5)。

從圖5中可以看出：2012年～2019年間姚安縣景觀生態(tài)風(fēng)險空間分異顯著，局部生態(tài)風(fēng)險等級有所上升，中、高生態(tài)風(fēng)險等級區(qū)主要分布在棟川鎮(zhèn)及光祿鎮(zhèn)并逐漸向棟川鎮(zhèn)中心集中，主要是由于棟川鎮(zhèn)為姚安縣縣政府所在駐地，交通便利、人口密度相對較大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，對其內(nèi)部及周邊區(qū)域的土地利用干擾程度較大；彌興鎮(zhèn)生態(tài)風(fēng)險等級上升幅度較大存在一定的風(fēng)險。左門鄉(xiāng)、官屯鎮(zhèn)及大河口鄉(xiāng)生態(tài)風(fēng)險等級由較低、中風(fēng)險等級逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘惋L(fēng)險等級分布為主，這主要是因為上述鄉(xiāng)鎮(zhèn)的林地面積分布較廣，通過“退耕(草)還林”政策的實施，該區(qū)域建立了一定規(guī)模的生態(tài)保護(hù)區(qū)，從而減弱了人類活動對該區(qū)域干擾程度。從整個研究期來看，研究區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險主要以低、較低生態(tài)風(fēng)險為主；較高、高生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要集中在姚安中心城區(qū)，同時，此區(qū)域中生態(tài)風(fēng)險等級向較高生態(tài)風(fēng)險等級轉(zhuǎn)化較為明顯，表明該區(qū)域生態(tài)風(fēng)險升高較快，需要重點加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，以維持區(qū)域環(huán)境的穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

(1)研究期內(nèi)，姚安縣7種土地利用類型的面積均發(fā)生了不同程度的變化，各地類間轉(zhuǎn)移變化較為活躍。林地類型作為研究區(qū)的優(yōu)勢地類增加幅度最大，各土地利用類型向林地轉(zhuǎn)化也較為明顯，其轉(zhuǎn)入量主要來源于草地和耕地；建設(shè)用地面積也呈上升趨勢，主要是通過侵占周邊的耕地面積持續(xù)擴(kuò)張；水域和園地面積也有一定幅度的增長，未利用地占比較小，但土地利用動態(tài)度較大，說明其在研究期內(nèi)發(fā)生了劇烈的動態(tài)轉(zhuǎn)換，極易受到周邊環(huán)境及人類活動的影響。

(2)2012年～2019年姚安縣整體生態(tài)風(fēng)險空間分異顯著，低生態(tài)風(fēng)險區(qū)范圍面積不斷增加，并逐步向周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)蔓延，中高生態(tài)風(fēng)險區(qū)范圍則不斷向中部地區(qū)集中。這是因為研究區(qū)主要是以林地分布為主，周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)林地面積分布廣泛，同時，隨著一些重點自然保護(hù)區(qū)的建立，這些區(qū)域的景觀優(yōu)勢度相對增強(qiáng)，不易受人類活動的干擾，進(jìn)而保持自身及周邊穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)風(fēng)險等級逐漸降低。但處于姚安縣中部地區(qū)的棟川鎮(zhèn)、光祿鎮(zhèn)及太平鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，人類活動對該區(qū)域的干擾程度影響不斷加強(qiáng)，其周邊景觀的完整性遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，進(jìn)而導(dǎo)致其生態(tài)風(fēng)險不斷升高。

(3)本文僅從土地利用變化方面對研究區(qū)進(jìn)行了景觀生態(tài)風(fēng)險評價與分析，雖然利用景觀格局指數(shù)來研究土地利用生態(tài)風(fēng)險的方法具有一定的可行性，但缺乏對區(qū)域地形地貌、氣候環(huán)境等方面的綜合考慮，得到的評價結(jié)果不具有絕對性和代表性。在今后的研究中會重點探討不同因素對土地利用生態(tài)風(fēng)險變化的影響，進(jìn)一步提高土地利用生態(tài)風(fēng)險評價的結(jié)果，為區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)及土地利用規(guī)劃提供積極的參考依據(jù)。