方國華， 周磊， 聞昕， 薛劉宇， 嚴春華

(1.河海大學水利水電學院，南京 210098； 2.江蘇省南水北調工程建設領導小組辦公室，南京 210098)

南水北調東線江蘇受水區(qū)土地利用變化模擬及生態(tài)安全評價

方國華1， 周磊1， 聞昕1， 薛劉宇2， 嚴春華1

(1.河海大學水利水電學院，南京 210098； 2.江蘇省南水北調工程建設領導小組辦公室，南京 210098)

利用多期土地利用遙感數(shù)據(jù)，分析南水北調東線江蘇受水區(qū)2000—2010年間土地利用變化情況； 采用CA-Markov模型對2010—2020年間該區(qū)土地利用情況的演變規(guī)律進行模擬； 同時構建基于“壓力-狀態(tài)-響應”(pressure-state- response，PSR)模型的土地利用生態(tài)安全評價指標體系，綜合評價受水區(qū)不同時期土地利用生態(tài)安全狀況。結果表明： 1)受水區(qū)土地利用類型以耕地為主，研究期間林地和水域面積有所擴大，大量耕地轉變?yōu)槌青l(xiāng)建設用地； 2)基于CA-Markov模型對研究區(qū)2010年土地利用格局的模擬結果與實際進行對比分析，模擬正確的柵格數(shù)達到了99.1%，Kappa系數(shù)達到0.99，能夠較好地反映受水區(qū)土地利用格局變化趨勢； 3)土地利用生態(tài)安全評價結果顯示2000年、2010年和2020年土地生態(tài)安全指數(shù)分別為0.51，0.68和0.73，分別達到預警、敏感和良好等級，受水區(qū)的人口、資源環(huán)境及社會經濟開始協(xié)調發(fā)展，整體呈現(xiàn)好轉趨勢。

南水北調； 土地利用； CA-Markov； PSR模型； 生態(tài)安全

0 引言

土地資源為人類社會的生存與發(fā)展提供物質基礎，土地利用/土地覆被變化(land-use and land-cover change，LUCC)是人類社會與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式[1]。20世紀80年代興起的全球環(huán)境變化研究對LUCC在內的一系列課題做了比較充分的探討[2-5]，涉及土地利用的過程、LUCC的人類響應以及綜合的全球和區(qū)域模型等方面?；谶b感信息源的LUCC模擬模型研究更為普遍，如SLEUTH模型[6]、Logistic模型[7-8]和CA-Markov模型[9]等。土地生態(tài)安全作為“生態(tài)安全”的一部分，關系到人類社會的可持續(xù)發(fā)展[10]，對其研究具有重要意義。

南水北調東線工程是為解決蘇、魯、冀和津等省市缺水問題的大型調水工程，以京杭大運河為輸水干線，串聯(lián)調蓄湖泊，逐級提水北送，并于2013年12月實現(xiàn)南水北調東線一期工程正式通水。近年來，圍繞南水北調受水區(qū)土地利用變化及生態(tài)安全方面的研究主要集中在中線地區(qū)并取得了豐富的成果[11-12]，而對東線工程沿線土地利用及其生態(tài)環(huán)境方面的研究相對欠缺[13]。由于工程路線長、涉及范圍廣，在促進沿線經濟社會發(fā)展的同時帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[14-17]，因而總結南水北調東線受水區(qū)土地利用變化特點，分析區(qū)域生態(tài)安全水平的演變規(guī)律與發(fā)展趨勢，可以為南水北調受水區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供有益參考，對保障沿線用水安全具有重大的現(xiàn)實意義。

本文以南水北調東線江蘇受水區(qū)為研究區(qū)，利用多期遙感影像數(shù)據(jù)，采用CA-Markov模型模擬分析該區(qū)域2000—2010年間的土地利用變化特點及2010—2020年間的土地利用情況演變規(guī)律，并利用“壓力-狀態(tài)-響應”(pressure-state-response，PSR)模型構建土地利用生態(tài)安全評價指標體系，綜合評價研究區(qū)不同時期的生態(tài)安全狀況，為確保江蘇受水區(qū)生態(tài)安全以及南水北調東線工程調水安全提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南水北調東線工程江蘇受水區(qū)位于E116.22°～119.47°，N32.24°～34.57°之間，該區(qū)是在原江水北調工程基礎上擴大規(guī)模、向北延伸而成，南起江都水利樞紐，北至南四湖，總面積為44 019 km2。研究區(qū)包括淮安市、宿遷市、徐州市、連云港市、鹽城市阜寧縣，以及揚州市江都區(qū)、高郵市和寶應縣，總面積約占全省面積的42.7%。區(qū)內地勢西北高東南低，大部分高程在10 m以下，以平原為主； 淮河以南為亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，以北為暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，都有明顯的季風氣候特征。區(qū)內人口密集，工農業(yè)發(fā)達，是江蘇省經濟發(fā)展最具活力的地區(qū)之一。目前，該區(qū)總人口為2 631.58萬人，占全省總人口的37%； 耕地面積約1.956×104km2，占全省耕地面積的40.9%； 糧食產量為1 275.43×107kg，占全省產量的43.4%； 國內生產總值和工農業(yè)總產值分別為2 766.2億元和1 589.0億元，分別占全省的15.2%和15.0%。研究區(qū)具體位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)和經濟社會數(shù)據(jù)。其中土地利用數(shù)據(jù)是2000年、2005年和2010年3期的中國1∶10萬比例尺土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http: //www.resdc.cn)。該數(shù)據(jù)是在各期Landsat TM/ETM遙感影像的基礎上，通過人工目視解譯生成，綜合制圖準確率達95%[18]。經濟社會數(shù)據(jù)主要來自于江蘇省統(tǒng)計年鑒(2001年、2006年及2011年)、《江蘇省新型城鎮(zhèn)化與城鄉(xiāng)發(fā)展一體化規(guī)劃(2014—2020年)》以及各市近中期城市總體規(guī)劃報告。

2.2 土地利用格局模擬及生態(tài)安全模型構建

2.2.1 CA-Markov土地利用格局模擬模型

2.2.1.1 元胞自動機(cellular automaton，CA)模型

CA模型在時間、空間和狀態(tài)上都是離散的，每個變量對應有限個狀態(tài)。該模型實質上是一種建?？蚣?，由離散的元胞、有限的狀態(tài)、鄰域和規(guī)則等4個基本要素構成。模型可表示為

(1)

2.2.1.2 Markov模型

Markov過程體現(xiàn)了“無后效性”的特點，Markov模型是在Markov過程理論基礎上形成的一種方法。土地利用變化研究過程中，各土地利用類型之間相互轉換的面積或比例表示為狀態(tài)轉移概率，可用公式(2)對土地利用結構變化狀態(tài)進行預測，其表達式為

St=St-1Pij,

(2)

式中：St和St-1分別為t和t-1時刻的狀態(tài)；Pij表示狀態(tài)轉移矩陣。

2.2.1.3 CA-Markov模型

CA-Markov模型汲取了CA 模型空間模擬和Markov 模型數(shù)量預測的優(yōu)勢，使2個模型優(yōu)勢互補，既能夠有效提高各土地類型轉換的模擬準確性，又能有效模擬土地格局的空間分布，因而得到了廣泛的探討和應用[19-20]。

2.2.2 土地利用生態(tài)安全評價指標體系模型

2.2.2.1 基于PSR模型的評價指標體系

土地利用生態(tài)安全包括土地自身生態(tài)系統(tǒng)的完整性、可持續(xù)性以及為人類提供可持續(xù)的生態(tài)服務，具有系統(tǒng)性和復雜性等特點，是一個融合人口、資源環(huán)境和社會經濟等方面的復合系統(tǒng)[21-22]。土地生態(tài)安全對土地系統(tǒng)服務功能滿足人類活動及社會經濟可持續(xù)發(fā)展提出了更高要求，對土地生態(tài)安全評價要遵循系統(tǒng)性、科學性和綜合性等原則及安全評價的結果，是國家和社會對土地資源合理規(guī)劃和有序開發(fā)的預警和依據(jù)。

PSR模型可綜合考慮人類的活動對資源環(huán)境和社會經濟造成的壓力以及資源環(huán)境和社會經濟所做出的反應，并通過壓力指標、狀態(tài)指標和響應指標予以表征。本文建立了基于PSR模型的土地利用生態(tài)安全評價指標體系，指標體系由目標層、準則層、因素層和指標層4個層次構成。目標層即土地利用生態(tài)安全為總目標，準則層由壓力指標(P)、狀態(tài)指標(S)和響應指標(R)組成。在指標層中，按各項指標對土地生態(tài)安全的影響和作用，采用正向和逆向指標予以區(qū)分，詳見表1。

表1 土地生態(tài)安全評價指標體系

① 注： 括號中數(shù)值為各層級指標權重。

指標權重是指各指標因子對土地生態(tài)安全貢獻度的高低，計算方法主要有模糊層次分析法、熵權法和主成分分析法等。本文采用模糊層次分析法對指標體系中各指標權重進行計算。該方法可有效克服層次分析法在構造判斷矩陣時沒有考慮到人為判斷模糊性、在一致性檢驗時過于復雜及實用程度不高等不足[23-25]。

指標權重計算的具體步驟為： 首先構造模糊判斷矩陣，然后確定初始權重，并去模糊化，再計算得到最終權重，結果如表1所示。

土地生態(tài)安全評價標準值是評價土地生態(tài)安全評價指標優(yōu)劣的依據(jù)，代表該地區(qū)土地利用生態(tài)安全良好狀態(tài)下各指標的理想值。本文以地區(qū)經濟社會發(fā)展規(guī)劃、國內相關技術標準等為主，參考國內外較為先進地區(qū)的相關指標水平，結合江蘇省土地生態(tài)環(huán)境狀況實際，綜合確定各土地生態(tài)安全評價指標的標準值。

2.2.2.2 指標數(shù)據(jù)標準化

土地利用生態(tài)安全指標體系由正、逆2種類型指標構成，且各指標量綱均不相同，難以進行統(tǒng)一比較研究。本文對各指標相關評價數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算方法為

(3)

(4)

式中:Xi為指標的原始值；Ci為指標i的標準值；Ri為標準化后的安全指標。

2.2.2.3 生態(tài)安全綜合指數(shù)

生態(tài)安全綜合指數(shù)是各指標及地區(qū)綜合生態(tài)安全水平的量化反映。在通過模糊層次分析法得到各指標的權重后，可計算各個指標的生態(tài)安全指數(shù)(Ei)與區(qū)域生態(tài)安全綜合指數(shù)(E)，即

Ei=RiWi,

(5)

(6)

式中:Ei為指標i的生態(tài)安全指數(shù)；E為生態(tài)安全綜合指數(shù)；Wi為指標i的權重。

利用上述公式計算得到的生態(tài)安全指數(shù)E處于0～1之間，但僅憑E難以對其生態(tài)安全狀態(tài)進行直觀評價。

由于目前土地利用生態(tài)安全評價尚未形成統(tǒng)一的評價標準，本文在參照相關研究[26-27]的基礎上，采用非等間距的方法，結合南水北調東線江蘇受水區(qū)的特點，同時考慮到標準的先進型和實用性要求，針對本研究區(qū)設立Ⅰ—Ⅴ共5級評價等級，如表2所示。

表2 土地利用生態(tài)安全分類等級

3 結果與分析

通過分析比較2000—2010年間研究區(qū)土地利用遙感資料，計算其轉移面積矩陣，分析該區(qū)土地利用變化情況。同時，構建CA-Markov模型，對2010年該區(qū)土地利用情況進行模擬與驗證，并分別預測 2015和 2020 年該區(qū)土地利用空間變化情況。在此基礎上，構建基于PSR模型的土地生態(tài)安全評價指標體系模型，對2000—2020年間研究區(qū)土地利用生態(tài)安全狀況及其發(fā)展變化進行綜合評估。

3.1 2000—2010年間土地利用變化情況分析

2000—2010年間耕地是該區(qū)主要土地利用類型，占總面積的66.0%～67.1%，居主導地位； 其次為城鄉(xiāng)建設用地和水域，分別約占17.5%和12.2%； 林地和草地為次要土地利用類型，所占比例均不足3%。在此期間，區(qū)內耕地和草地面積分別減少了452 km2和11 km2，而林地增加了10 km2，水域增加36 km2，城鄉(xiāng)建設用地增加417 km2，2000—2010年間研究區(qū)土地利用變化情況如圖2所示。

(a) 2000年 (b) 2005年 (c) 2010年

圖22000年、2005年和2010年研究區(qū)土地利用格局

Fig.2Landusepatternsofthestudyareain2000,2005and2010

2000—2005年間該區(qū)各土地類型轉移矩陣如表3所示。

表3 2000—2005年間各土地利用類型轉移矩陣

研究區(qū)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展導致耕地被大量占用，而南水北調東線工程的建設極大改善了輸水沿線的水環(huán)境，各調蓄湖泊水位普遍上升，湖泊面積擴大，期間該地區(qū)耕地面積的凈減少量和水域、城鄉(xiāng)建設用地面積的凈增加量之和相當。

2005—2010年間該地區(qū)各土地類型轉移矩陣如表4所示。

表4 2005—2010年間各土地利用類型轉移矩陣

土地利用的顯著變化是耕地面積明顯減少和城鄉(xiāng)建設用地面積明顯增加，呈基本持平狀態(tài)，變化面積分別為2000—2005年期間的3.7和6.4倍，顯示研究區(qū)內城鎮(zhèn)化進程加快，經濟社會發(fā)展迅猛。

3.2 2010年土地利用模擬與驗證

在2000年、2005年2期土地利用數(shù)據(jù)基礎上，建立CA-Markov模型，對研究區(qū)2010年土地利用情況進行模擬預測(圖3(b))，并與當年實際土地利用格局(圖3(a))進行對比。結果顯示，42 955個柵格單元得到正確模擬，占總柵格數(shù)的 99.1%，且該區(qū)土地利用預測的總體 Kappa系數(shù)達0.99，表明預測準確率較高，模擬結果真實可信。

(a) 2010年實際土地利用格局 (b) 2010年模擬土地利用格局 (c) 模擬誤差

圖3基于CA-Markov模型的土地利用格局模擬與驗證

Fig.3SimulationandverificationoflandusepatternbasedonCA-Markovmodel

3.3 2015年和2020年土地利用變化情況預測

基于2010年研究區(qū)實際土地利用格局，利用CA-Markov模型對2015年和2020年該區(qū)土地利用格局進行預測，結果見圖4。

(a) 2015年 (b) 2020年

圖42015年和2020年研究區(qū)土地利用格局預測

Fig.4Landusepredictionofthestudyareain2015and2020

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，到2020年，該區(qū)城鄉(xiāng)建設用地面積預計達到8 011 km2，較2010年增加70 km2； 耕地將減少到28 330 km2，減幅達74 km2； 林地、草地面積沒有變化，水域面積增加到5 340 km2，較2010年增加4 km2。預測結果表明，研究區(qū)的城鄉(xiāng)建設用地需求進一步增加，在人多地少、耕地后備資源不足的情況下，城鎮(zhèn)建設用地擴增與保護耕地的矛盾會進一步加劇，對研究區(qū)土地利用生態(tài)安全會構成新的壓力。

3.4 2000—2020年間土地利用生態(tài)安全評估

南水北調東線工程的順利實施有效提高了研究區(qū)用水水平和供水保證率，為推進研究區(qū)經濟社會穩(wěn)定發(fā)展和城市化進程提供了可靠的水源保證，是該區(qū)土地利用變化最主要的驅動因素。而該區(qū)農業(yè)種植結構的調整、工業(yè)投資環(huán)境的改善以及城鎮(zhèn)化進程的加快，反過來又深刻影響著研究區(qū)的社會穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。因此，全面評估研究區(qū)土地利用生態(tài)安全的變化具有重要意義。

在對研究區(qū)土地利用格局分析的基礎上，計算該區(qū)土地利用生態(tài)安全綜合指數(shù)，評估2000—2020年間土地利用生態(tài)安全狀態(tài)的變化趨勢，評價結果見表5。

表5 研究區(qū)土地利用生態(tài)安全評估

從表5中可以看到，2000—2005年間，研究區(qū)的安全等級均為預警等級，到2010年提升為敏感等級，2015年以后達到良好等級，表明研究區(qū)土地利用的生態(tài)安全狀況得到逐步好轉，土地生態(tài)安全問題得到妥善處理。各指標生態(tài)安全狀態(tài)見圖5。

圖5 2000—2020年間各指標土地利用生態(tài)安全綜合指數(shù)

圖5也表明，2000—2020年間，研究區(qū)域人口壓力以及資源環(huán)境狀態(tài)將不會發(fā)生顯著變化，保持相對穩(wěn)定的水平； 資源環(huán)境壓力呈現(xiàn)減小趨勢，主要得益于化肥施用強度的降低； 2000—2010年間，社會經濟壓力、資源環(huán)境響應以及社會經濟響應有了較大增長，得益于近10 a經濟社會的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，生活污水排放及工業(yè)廢水處理能力不斷提升。

2000—2020年間研究區(qū)各城市的土地利用生態(tài)安全狀態(tài)總體呈現(xiàn)逐步好轉的趨勢。2000年，研究范圍內6個城市均處于“預警”等級狀態(tài)，2010年全部轉變?yōu)椤懊舾小钡燃壱陨希貏e揚州市已達到“良好”等級； 2020年，預計研究區(qū)內各城市均將達到良好等級，表明該區(qū)域的人口、資源環(huán)境和社會經濟開始協(xié)調發(fā)展。具體如圖6所示。

(a) 2000年 (b) 2005年 (c) 2010年

(d) 2015年 (e) 2020年

圖6研究區(qū)土地利用生態(tài)安全格局

Fig.6Ecologicalsecuritypatternoflanduseinthestudyarea

4 結論

1) 2000—2010年間研究區(qū)土地利用情況分析結果顯示，耕地是研究區(qū)主要土地利用類型，占各類型土地總面積的66.0%～67.1%； 城鄉(xiāng)建設用地和水域面積分別約占17.5%和12.2%。近10 a來研究區(qū)內林地和水域面積有所擴大，大量耕地轉變?yōu)槌青l(xiāng)建設用地，區(qū)域內經濟社會快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平加快。

2) 基于CA-Markov模型對研究區(qū)2010年土地利用格局的模擬結果與實際進行對比分析，模擬正確的柵格達到了99.1%，Kappa系數(shù)達到0.99，表明CA-Markov模型能夠較好地反映研究區(qū)土地利用格局變化的趨勢。2015年和2020年土地利用格局模擬結果表明，2020年耕地面積較2010年將減少74 km2，城鄉(xiāng)建設用地將增加70 km2。

3)結合PSR模型構建土地利用生態(tài)安全評價指標體系，采用模糊層次分析法求解各指標權重，并對研究區(qū)生態(tài)安全做出定量評價： 2000年、2010年和2020年研究區(qū)土地利用生態(tài)安全綜合指數(shù)分別為0.51，0.68和0.73，分別達到預警、敏感和良好等級。未來研究區(qū)的土地生態(tài)安全狀況將逐步好轉，社會經濟與資源環(huán)境也將逐步協(xié)調發(fā)展。

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(責任編輯：陳理)

LandusechangeandecologicalsecurityevaluationofJiangsuProvinceintheeasternrouteoftheSouth-to-NorthWaterTransferProject

FANG Guohua1， ZHOU Lei1， WEN Xin1， XUE Liuyu2， YAN Chunhua1

(1.CollegeofWaterResourcesandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098，China; 2.JiangsuLeadingGroupOfficefortheSouthtoNorthWaterDiversionProject,Nanjing210098,China)

In this paper, the authors studied land use changes of the eastern route of the South to North Water Transfer Project in Jiangsu Province based on land use data from 2000 to 2010, and simulated and predicted land use patterns from 2010 to 2020 based on CA -Markov model. “Pressure-State-Response” (PSR) model was used to establish the evaluation index system of land ecological security in the hope of evaluating the ecological security of land use in different periods. Some conclusions have been reached: 1) The main land use type in the area was cultivated land and the area of forest land, water was enlarged, and a large amount of cultivated land was changed into urban and rural areas. 2) The simulation results of land use pattern in 2010 based on CA-Markov model indicated that the correct grid number reached 99.1% compared with the actual one and the Kappa coefficient reached 0.99, which could reflect change trend of land use pattern in the area. 3) The ecological safety of the region showed gradually improvement and, for the year 2000, 2010, 2020, the land ecological security index was 0.51, 0.68 and 0.73, respectively achieving the early warning, sensitivity and good grades, which indicated coordinate development of population, resources, environment and society.

South-to-North Water Transfer Project; LUCC; CA-Markov; PSR model; ecological security

10.6046/gtzyyg.2017.03.24

方國華,周磊,聞昕,等.南水北調東線江蘇受水區(qū)土地利用變化模擬及生態(tài)安全評價[J].國土資源遙感,2017,29(3)：163-170.(Fang G H,Zhou L,Wen X,et al.Land use change and ecological security evaluation of Jiangsu Province in the eastern route of the South-to-North Water Transfer Project[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：163-170.)

2016-02-29；

2016-04-08

江蘇省水利科技項目“南水北調東線工程調蓄湖泊聯(lián)合優(yōu)化調度研究”(編號： 2014012)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(編號： 2015B28614)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目“江蘇省河道管理評價指標體系及管理標準的研究”(編號： SJZZ15_0059)共同資助。

方國華(1964-),女,教授,博士生導師,主要從事水資源規(guī)劃、水利經濟和工程管理等方面的研究。Email： hhufgh@126.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0163-08