許月卿, 趙菲菲, 孫丕苓

(中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院 土地資源管理系, 北京 100193)

綜合治理

生態(tài)脆弱區(qū)土地生態(tài)安全動態(tài)評價
——以河北省張家口市為例

許月卿, 趙菲菲, 孫丕苓

(中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院 土地資源管理系, 北京 100193)

[目的] 通過研究河北省張家口市土地生態(tài)安全的演變趨勢及時空差異特征,旨在為張家口市土地資源管理及可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。[方法] 從土地自然基礎狀況、土地利用狀況、土地污染、退化狀況、土地景觀格局狀況、土地生態(tài)建設狀況及土地社會經濟狀況6個方面構建張家口市土地生態(tài)安全評價指標體系,運用綜合指數(shù)法對張家口市2000和2010年土地生態(tài)安全狀況進行動態(tài)評價,分析其土地生態(tài)安全動態(tài)變化趨勢及其空間異質性特征。[結果] 2000—2010年張家口市多數(shù)區(qū)縣的土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)呈增長趨勢,且土地生態(tài)安全狀況多處于安全、較安全及敏感態(tài),土地生態(tài)安全狀況處于風險態(tài)和惡劣態(tài)的區(qū)縣主要集中在中部市區(qū)及其周邊地區(qū)。[結論] 近10 a來,張家口市土地生態(tài)安全狀況總體變好,這與退耕還林還草工程及其他生態(tài)建設工程的實施具有密切關系。

土地生態(tài)安全評價; 指標體系; 生態(tài)脆弱區(qū); 張家口市

人口的快速增長，城鎮(zhèn)化速度的加快以及人類對自然環(huán)境不合理開發(fā)利用等引起了各種土地生態(tài)環(huán)境問題。土地荒漠化、土地鹽堿化、水土流失及土地污染等土地生態(tài)環(huán)境問題使土地生態(tài)系統(tǒng)功能下降，破壞了土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，因此土地生態(tài)安全問題受到全球范圍內的高度重視，土地生態(tài)安全研究成為地球科學、生態(tài)學以及環(huán)境科學研究的重要前沿領域[1-5]。

生態(tài)脆弱區(qū)是指生態(tài)條件已經成為社會經濟發(fā)展的限制因素或社會經濟按照目前的模式繼續(xù)發(fā)展下去將會威脅到生態(tài)安全的區(qū)域[6]。生態(tài)脆弱區(qū)的地表組成物質相對不穩(wěn)定，對外界干擾因素反映敏感，在特征上主要表現(xiàn)為對外界反映比較敏感、生態(tài)演變過程不穩(wěn)定、容易導致環(huán)境退化、水土流失、土地生產力下降等[7]。因此生態(tài)脆弱區(qū)土地生態(tài)安全問題研究成為土地科學研究的重要內容。

張家口市位于河北省西北部，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。同時，張家口市地處北京市上風上水地帶，是北京市主要的水資源來源區(qū)和生態(tài)屏障之一[8]，特別是隨著京津冀的一體化發(fā)展，該地區(qū)更擔負著保護京津地區(qū)生態(tài)安全的重要任務。但長期以來，由于人類對土地的過渡開墾和超強開發(fā)，超出了環(huán)境承載力，土地沙化、水土流失、土地污染等土地生態(tài)環(huán)境問題日益突出，嚴重制約了社會經濟的發(fā)展。因此，本文從可持續(xù)發(fā)展的角度系統(tǒng)研究張家口市土地生態(tài)安全狀況，剖析其土地生態(tài)安全的演變趨勢及時空差異特征，以期為實現(xiàn)張家口市土地可持續(xù)利用以及京津冀區(qū)域協(xié)同發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

張家口市地處京、冀、晉、蒙4省市交界處，地勢西北高、東南低，分為壩上、壩下兩大部分，總面積3.70×104km2。壩上高原區(qū)包括沽源、康保、尚義和張北4縣，占張家口總面積的1/3，海拔一般在1 400 m左右，地勢南高北低。壩下低中山盆地區(qū)，地勢西北高，東南低，海拔在1 000～2 000 m之間。張家口市屬半干旱大陸性季風氣候，年降水量300～500 mm。2012年，全市總人口468.41萬人，其中農業(yè)人口311.51萬人，非農業(yè)人口156.44萬人，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入18 441元，農民人均純收入5 564元。土地利用類型主要為耕地、林地、草地和未利用地，4類土地利用類型占張家口地區(qū)總面積的92%左右。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要有空間數(shù)據(jù)和社會經濟數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)包括張家口市2000和2010年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，由國家自然科學基金“環(huán)京津冀北貧困帶土地利用變化與優(yōu)化利用調控”課題組對張家口市2000和2010年Landsat TM影像進行遙感解譯得到，其解譯精度分別為88.92%和90.46%，各地類的kappa系數(shù)均超過0.80，解譯結果符合研究要求。結合研究區(qū)土地利用特點，參照國家基本資源與環(huán)境本底動態(tài)遙感調查數(shù)據(jù)庫的分類體系，將土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、居民點與工礦用地、交通用地、水域和未利用地八大類。1∶250 000DEM數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心，并由此生成研究區(qū)坡度數(shù)據(jù)。地貌來自中國1∶1 000 000數(shù)字地貌數(shù)據(jù)庫。人口，GDP，育林面積等社會經濟數(shù)據(jù)來源于張家口市統(tǒng)計年鑒(2000—2010年)。景觀格局指數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖和景觀指數(shù)模型計算得到。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

土地生態(tài)安全是指土地生態(tài)系統(tǒng)結構合理，生態(tài)系統(tǒng)服務功能完善，具有穩(wěn)定、均衡、充裕的自然資源，土地生態(tài)環(huán)境沒有或少有污染、退化的健康狀態(tài)，涉及到自然、經濟和社會等多方面[9]。土地生態(tài)系統(tǒng)的自然條件和自身結構狀態(tài)如地形、地貌、土壤、水文、植被及景觀結構與格局等是構成土地生態(tài)安全的基礎，人類活動如土地利用方式、強度、經濟建設、農業(yè)生產以及生態(tài)環(huán)境建設和治理等是影響土地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和完整性的外在壓力和響應。在綜合考慮土地生態(tài)安全評價影響因素及張家口市土地生態(tài)系統(tǒng)特征的基礎上，參考相關研究[3-5,9-11]，根據(jù)科學性、全面性、數(shù)據(jù)可獲取性、動態(tài)性等原則，從土地自然基礎狀況、土地利用狀況、土地污染和土地退化狀況、土地景觀格局狀況、土地生態(tài)建設狀況及土地社會經濟狀況6個方面構建張家口市的土地生態(tài)安全評價指標體系(表1)，并采用層次分析法和特爾菲法進行指標權重的賦值(表1)。土地生態(tài)安全評價各指標含義、計算方法見表1。

(1) 土地生態(tài)恢復力指數(shù)是指土地生態(tài)系統(tǒng)在受到壓力威脅后，恢復和保持結構穩(wěn)定性的能力[12]，根據(jù)不同土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)恢復的貢獻和作用，分別賦以不同的恢復力值，進而計算得到土地生態(tài)恢復力指數(shù)公式(1)。

F=(∑Ai×Fi)/A

(1)

式中：F——土地生態(tài)系統(tǒng)的恢復力；Ai——第i種地類的面積；Fi——第i種地類的恢復力系數(shù)；A——研究區(qū)總面積。

(2) 耕地、林地、草地、水域的生態(tài)系統(tǒng)結構和功能顯著好于沙地、鹽堿地、裸地等未利用地。因此，耕地、林地、草地、水域和未利用地(包括沙地、沼澤地、鹽堿地、裸地等)間的轉化可影響到土地的生態(tài)安全狀況。本文分別采用土地退化率和未利用地再開發(fā)利用率兩個指標來表征這種與土地生態(tài)安全密切相關的地類轉化公式(2)、(3)。

Ki=(S1i+S2i+S3i+S4i+S5i)/Sj

(2)

式中：Ki——土地退化面積比例，i=2 000,2 010；S1，S2，S3，S4，S5——耕地—未利用地面積，園地—未利用地面積，林地—未利用地面積，草地—未利用地面積，水域—未利用地面積；Sj——各評價單元土地總面積。

Ki=(S1i+S2i+S3i+S4i+S5i)/Sj

(3)

式中：Ki——未利用地再開發(fā)利用率；i=2 000,2 010；S1，S2，S3，S4，S5——未利用地—耕地面積，未利用地—園地面積，未利用地—林地面積，未利用地—草地面積，未利用地—水域面積；Sj——各評價單元土地總面積。

(3) 水土流失敏感性是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水土流失生態(tài)過程發(fā)生的潛在可能性及其程度，用來反映產生生態(tài)失衡與水土流失的可能性大小[13-14]，是影響土地生態(tài)安全的重要因素公式(4)。

(4)

式中：SSj——第j個單元的水土流失敏感性指數(shù)；Ci——第i個因子(降雨侵蝕力、地形因子、植被覆蓋率)敏感性等級[13-14]。降水侵蝕力因子計算見參考文獻[15]。根據(jù)張家口市坡度數(shù)據(jù)，進行坡度劃分并賦值。將各評價單元中林地與草地所占的比例作為植被覆蓋率。

(4) 選取香農多樣性指數(shù)、面積—周長分維數(shù)、聚合度指數(shù)表征景觀格局狀況公式(5)(6)(7)。

SHDI=∑PilnPi

(5)

式中：SHDI——香農多樣性指數(shù)；Pi——景觀類型i所占比例。

PAFRAC=-2ln(P/K)/ln(A)

(6)

式中：PAFRAC——面積—周長分維數(shù)；P——斑塊周長；A——斑塊面積；K——常數(shù)。

(7)

式中：COHESION——聚合度指數(shù)； Pi——斑塊類型i的總周長(m)； aij——斑塊類型i的總面積(m2)；A——總面積(m2)。

表1 張家口市土地生態(tài)安全評價指標體系及其權重

2.2 指標標準化

由于評價指標原始數(shù)據(jù)量綱不同，需對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。本文采用極差標準化法方法對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理，即對土地生態(tài)狀況中屬于正向指標采用升梯形函數(shù)，負向指標采用降梯形函數(shù)進行標準化處理[16]。

升梯形函數(shù)：

(8)

降梯形函數(shù)：

(9)

式中：x——指標實際值；b1,b2——指標的上下限。

對景觀格局指數(shù)香濃多樣性指數(shù)(SHDI)和聚合度指數(shù)(COHESION)采用極差法進行標準化處理，而周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)的標準化處理遵循鄔建國[17]的生態(tài)設定，即值越接近1.5，景觀越不穩(wěn)定。具體周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)的標準化公式見參考文獻[17]。

2.3 綜合指數(shù)與評價標準的確定

采用綜合指數(shù)法對張家口市的土地生態(tài)安全進行評價，計算公式為：

(10)

式中：Ti——土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)；Wi——指標的權重；Ci——指標數(shù)據(jù)標準化值；m—指標數(shù)目。Ti值介于0～1之間，其值越大，生態(tài)安全狀況越好，反之越差。評價結果見表2—3。

我國外籍員工招聘主要集中在東部沿海的發(fā)達地區(qū)，其中北京招聘崗位為1 054個；廣東有899個；上海為894個，江蘇595個，浙江500個，排名前五的省市招聘數(shù)量約占全國總量的60%。其中廣東省招聘外籍員工的需求主要聚集在深圳和廣州這兩個國際化都市，兩市占全省招聘數(shù)量的70%。

借鑒已有相關研究成果[3,5,9-10]，結合張家口市實際情況，將土地生態(tài)安全評價值劃分為5個等級(表4—5)。

表2 張家口市各評價單元2000年土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)

表3 張家口市各評價單元2010年土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)

表4 土地生態(tài)安全等級劃分

表5 張家口市2010和2000年土地生態(tài)安全評價等級

3 結果與分析

3.1 指標權重分析

由表1可見，土地退化率、水土流失敏感性、植被覆蓋率、人均生態(tài)用地面積和土地恢復力指數(shù)對土地生態(tài)安全影響較大，其權重均大于0.05。萬元產值能源消耗、人口自然增長率對土地生態(tài)安全影響相對較弱，其權重值均小于0.02。從準則層來看，土地污染、退化和土地自然基礎狀況對土地生態(tài)安全影響較大，其次是土地利用狀況和土地社會經濟，土地景觀格局和土地生態(tài)建設狀況對土地生態(tài)安全影響相對較弱。張家口市地處內蒙古高原向華北平原過度的農牧交錯帶，水土流失嚴重，風沙肆虐，干旱頻發(fā)，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。長期以來由于歷史和自然原因，張家口市植被嚴重破壞，土地沙化、荒漠化、草場退化問題十分突出，嚴重限制了研究區(qū)社會經濟的發(fā)展，成為環(huán)京津貧困帶中的重要組成[18]。在人口和經濟發(fā)展的壓力下，長期的超強開發(fā)和墾殖，加上脆弱的生態(tài)環(huán)境，導致嚴重的土地退化，使得生存環(huán)境更為惡劣，從而陷入“生態(tài)脆弱—貧困—掠奪式土地利用-資源環(huán)境退化—進一步貧困”的惡性循環(huán)。因此，土地污染、退化和脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng)是影響其土地生態(tài)安全的重要因素。今后若進一步增加植被覆蓋率，提高生態(tài)用地面積比例，增強土地恢復力，降低水土流失敏感性和土地退化率，將會使土地生態(tài)安全向良性方向發(fā)展。

3.2 土地生態(tài)安全評價綜合分析

張家口市2000年土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)平均值為0.582，處于敏感態(tài)，各區(qū)縣的土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)范圍為0.314 3～0.773 3，而到2010年土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)平均值為0.609，處于較安全態(tài)，各區(qū)縣土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)范圍為0.415 6～0.768 1。市區(qū)及其周邊的宣化縣和萬全縣的土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)均較小，而地處北部壩上高原的沽源縣、張北縣、康保縣、尚義縣綜合指數(shù)均較大。從評價等級劃分看，2000年和2010年張家口市多數(shù)區(qū)縣土地生態(tài)安全處于較安全態(tài)和敏感態(tài)，位于壩上高原的沽源縣處于安全態(tài)，市區(qū)處于惡劣態(tài)，市區(qū)周邊的萬全縣和宣化縣處于風險態(tài)。相比于2000，2010年張家口市處于安全態(tài)的除了沽源縣外，還有張北縣，沒有區(qū)縣處于惡劣態(tài)，市區(qū)的土地生態(tài)狀況由2000年的惡劣態(tài)變?yōu)?010年的風險態(tài)?？梢姡瑥埣铱谑型恋厣鷳B(tài)安全狀況總體變好，體現(xiàn)了近年來張家口市退耕還林還草以及各項生態(tài)建設工程實施的效果。

從土地生態(tài)安全評價等級空間分布圖(圖1)可見，張家口市土地生態(tài)安全狀況表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異特征。張家口市北部和南部地區(qū)的土地生態(tài)安全狀況較好，特別是北部壩上高原的部分區(qū)域如張北縣和沽源縣的土地生態(tài)安全狀況處于安全態(tài)，中部市區(qū)及其周邊縣域如萬全縣、宣化縣的土地生態(tài)安全狀況較差，處于敏感態(tài)、風險態(tài)和惡劣態(tài)。

圖1 2000和2010年張家口市土地生態(tài)安全評價等級表6 2010市區(qū)及其周邊縣域與張家口壩上4縣土地生態(tài)安全相關指標對比

指標名稱 市區(qū)及周邊縣域市區(qū)宣化縣萬全縣懷來縣壩上高原縣域張北縣沽源縣尚義縣康?？h有效灌溉率/%44.6863.9158.6189.8725.1321.1619.4816.24旱澇保收率/%75.7849.4659.8765.7335.2931.2224.8835.98人口密度/(人·km-2)1250112519719791647583經濟密度/(萬元·km-2)3115.8264.4315.1485.111860.884.680.2人均GDP(元/人)28654.516965.915988.524660.812959.19568.711284.49665.2植被覆蓋率/%49.0743.0348.9852.5948.6158.2265.8655.69人均生態(tài)用地面積(hm2/人)0.140.550.470.461.081.531.281.14建設用地比例/%20.825.037.286.762.733.052.722.58單位面積化肥使用量/(kg·hm-2)— 206.37126.16554.968.262.0759.4634.79單位面積農藥使用量/(kg·hm-2)— 1.694.2817.981.061.941.491.87

4 結 論

(1) 土地退化率、水土流失敏感性、植被覆蓋率、人均生態(tài)用地面積和土地恢復力指數(shù)是影響土地生態(tài)安全的主要因素；土地污染、退化狀況和土地自然狀況是影響土地生態(tài)安全的重要方面，增加植被覆蓋率，提高生態(tài)用地面積比例，降低水土流失敏感性和土地退化率，將會使土地生態(tài)安全向良性方向發(fā)展。

(2) 2010年絕大多數(shù)區(qū)縣的土地生態(tài)安全評價綜合指數(shù)高于2000，2010年張家口市土地生態(tài)安全狀況明顯好于2000年。這與張家口市近年來退耕還林還草工程以及相關生態(tài)建設工程的實施密切相關。

(3) 張家口市各區(qū)縣土地生態(tài)安全狀況多集中在安全、較安全和敏感態(tài)，其中市區(qū)生態(tài)安全狀況最差，壩上沽源縣和張北縣土地生態(tài)安全狀況最好，其空間分布格局大體是北部壩上和南部地區(qū)土地生態(tài)安全狀況好于中部市區(qū)及其周邊縣域，其原因是市區(qū)及其周邊地區(qū)人口稠密，植被覆蓋率較低，土地污染較嚴重，土地利用強度大，抵消了其在自然環(huán)境和社會經濟上的優(yōu)勢。

(4) 張家口市是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，同時又處于地處北京市上風上水地帶，其土地生態(tài)安全直接影響到下游的北京及其周圍地區(qū)。隨著京津冀一體化進程的推進，張家口市在大力發(fā)展社會經濟的同時，要密切加強其土地生態(tài)建設，特別是中部市區(qū)及其周圍毗鄰地區(qū)，增加植被覆蓋率，減少土地污染、退化，優(yōu)化土地利用結構和景觀格局，減小土地生態(tài)系統(tǒng)壓力，發(fā)展生態(tài)農業(yè)，提高土地生態(tài)恢復能力，以維持土地生態(tài)系統(tǒng)安全，確保張家口市及北京與周邊地區(qū)的健康發(fā)展。

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Evaluation of Land Ecological Security in Ecologically Fragile Area-A Case Study of Zhangjiakou City, Hebei Province

XU Yueqing, ZHAO Feifei, SUN Piling

(DepartmentofLandResourcesandManagement,CollegeofResouresandEnviromentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

[Objective] This paper aims to provide scientific support for land resource management and its sustainable use in Zhangjiakou City of Hebei Province through studying the evolution of land ecological security and its spatial variation. [Methods] This paper developed an index system for the evaluation of land ecological security according to land natural attributes, land use condition, land pollution and degradation, landscape pattern, land ecological construction and land social-economic condition. The paper also evaluated the land ecological security condition in 2000 and 2010 of Zhangjiakou City using the comprehensive index method, and analyzed the changes of land ecological security and its spatial heterogeneity. [Results] The land ecological security value in most counties of Zhangjiakou City increased from 2000 to 2010, and the land ecological security in most counties were in secure situation, less secure situation, and sensitive situation. The counties with land ecological security condition in risk and deteriorating situation mainly located in Zhangjiakou urban center and its surrounding areas. [Conclusion] The land ecological security situation in Zhangjiakou City has become better in the past 10 years, which may be attributed to the “grain for green project” and other ecological restoration projects.

land ecological security evaluation; index system; ecologically fragile area; Zhangjiakou City

2014-10-24

2014-12-24

國家自然科學基金項目“環(huán)京津冀北貧困帶土地利用變化及其優(yōu)化利用調控研究”(41171088)， “基于多源數(shù)據(jù)融合的冀北貧困帶土地利用多功能演變研究”(41571087)

許月卿(1972—),女(漢族),河北省定州市人,博士,副教授,博導,主要從事土地利用變化與可持續(xù)利用、土地資源利用與評價等方面研究。 E-mail:xmoonq@sina.com。

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1000-288X(2015)05-0232-07

F301.24