楊成波， 劉秀華

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400700)

土地利用是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié)，土地利用變化將帶來景觀格局的改變，直接影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，因而土地利用變化被認為是對生態(tài)環(huán)境影響最為重要的變化之一[1]，合理的土地利用方式可以實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置，不合理的土地利用方式將給生態(tài)環(huán)境帶來風險。所謂生態(tài)風險是指環(huán)境自然變化，尤其是人類活動導(dǎo)致的自然環(huán)境物理破壞引起的不良生態(tài)效應(yīng)的或然性、可能危險性[2]，具有復(fù)雜性、客觀性、不確定性等特征。生態(tài)風險評價是指在一種或多種外界因素的影響下，對發(fā)生或正在發(fā)生的不利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和良性循環(huán)的生態(tài)后果進行評估。

目前，針對土地利用變化，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者將研究重點放在土地利用變化及其驅(qū)動因素分析[3]、土地利用變化特征與趨勢預(yù)測[4]以及土地利用變化與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系等方面，如曹銀貴等根據(jù)遙感影像圖，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對三峽庫區(qū)近30年土地利用類型的數(shù)量、空間分布及變化趨勢進行研究，總結(jié)出了三峽庫區(qū)土地利用的時空變化特性，其研究對庫區(qū)的土地利用規(guī)劃具有指導(dǎo)意義[5]。胡明等通過對陜西省安塞縣土地利用變化和當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展進行研究，總結(jié)出當?shù)氐母孛娣e雖然呈減少趨勢，但高技術(shù)、高產(chǎn)量農(nóng)產(chǎn)品的增加促進了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，加上以林地為代表的具有良好生態(tài)效益的土地利用面積的擴大促進了第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而加快了當?shù)氐某擎?zhèn)化水平[6]。而國內(nèi)外對土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)研究還較為薄弱。我國的風險評價工作起步較晚，雖然在化工項目與易燃、易爆、有毒化學(xué)品等方面做過大量的工作，但針對由土地利用變化所引起的生態(tài)風險評價等方面的研究還較少。隨著人口增加以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進，土地利用格局會隨著人類對土地與日俱增的需求而發(fā)生變化，從而引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變，進而產(chǎn)生一定的生態(tài)風險，如何量化這些風險并進行科學(xué)的評價是本研究的重點以及創(chuàng)新點。

研究區(qū)域土地利用變化和隨之帶來的生態(tài)風險，對于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和合理利用有限的土地資源、治理和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境具有極其重要的現(xiàn)實意義，也能為在生態(tài)安全條件下制定土地利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[7-8]。本研究以重慶市江津區(qū)2009、2014年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析2009—2014年江津區(qū)各地類的變化情況，并從土地利用變化及景觀格局變化2方面入手，構(gòu)建基于土地利用指標和景觀生態(tài)指標的綜合生態(tài)風險指數(shù)模型，進而計算出江津區(qū)的生態(tài)風險變化情況，以探明隨著江津區(qū)土地利用格局變化所造成的區(qū)域生態(tài)風險的變化趨勢，為相關(guān)部門制定土地利用規(guī)劃和進行生態(tài)安全治理提供科學(xué)依據(jù)，以期促進江津區(qū)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)和健康發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

江津區(qū)位于重慶市西南部，地處105°49′～106°38′E、28°28′～29°28′N之間，東鄰巴南、綦江，南靠貴州習(xí)水，西依永川，北接壁山。四面高山環(huán)抱，境內(nèi)丘陵起伏，地貌以丘陵兼具低山為主，其中丘陵占78.2%，低中山占21.8%，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對土地的需求不斷增大，也愈發(fā)多樣化。面對有限的土地資源，各土地利用主體都在為滿足自身的土地需求而相互爭奪。由此引發(fā)的土地利用沖突問題較為突出[9]，不合理的土地利用造成的水土流失、土地退化、環(huán)境污染、自然災(zāi)害等生態(tài)問題較為嚴峻。

2 數(shù)據(jù)來源及分類系統(tǒng)

本研究的數(shù)據(jù)來源：重慶市江津區(qū)2009、2014年2期的土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)；《重慶市國土資源和房地產(chǎn)年鑒》(2010—2012年)、《重慶市江津區(qū)統(tǒng)計年鑒》(2010—2014年)。

本研究根據(jù)中國常用土地分類標準及相關(guān)文獻[10-11]，將江津區(qū)地類分為8大類，分別為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他農(nóng)用地、未利用地。

3 研究方法

3.1 土地利用變化研究

本研究根據(jù)重慶市江津區(qū)2009、2014年2期的土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS將2期矢量數(shù)據(jù)進行疊加分析，得到2009—2014年6年間江津區(qū)各地類的變化情況，計算出2009—2014年各地類的變化量、變化率及平均年變化率。

3.2 綜合生態(tài)風險指數(shù)模型的構(gòu)建

3.2.1 生態(tài)風險評價指標的選取 本研究在參考相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上[12-14]，將江津區(qū)生態(tài)風險評價指標體系分為土地利用指標和景觀生態(tài)指標，具體的指標選取及各指標意義如下：

3.2.1.1 土地利用指標 (1)土地利用程度指數(shù)。土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，其變化是多種土地利用類型綜合變化的結(jié)果，可定量地揭示區(qū)域土地利用的綜合水平和變化趨勢。土地利用程度與生態(tài)風險程度呈負相關(guān)，屬于逆向指標，表達式：

(1)

式中：L為研究區(qū)內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度分級指數(shù)(表1)；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度分級面積百分比。

土地利用程度分級指數(shù)是指將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分等定級，本研究將土地利用程度劃分為4級[15-16](表1)。

表1 土地利用程度分級賦值

(2)耕地墾殖指數(shù)。耕地墾殖指數(shù)指研究區(qū)耕地面積占土地總面積的比例，它是衡量一個地區(qū)土地資源開發(fā)利用程度的重要指標。耕地墾殖指數(shù)與生態(tài)風險程度呈負相關(guān)，屬于逆向指標，通常以百分數(shù)表示：

(2)

式中：K為研究區(qū)的耕地墾殖率，%；P為研究區(qū)耕地面積，hm2；A為研究區(qū)土地總面積，hm2。

(3)植被覆蓋率指數(shù)。植被覆蓋率通常是指森林面積占土地總面積的比例，是反映森林資源和綠化水平的重要指標。植被覆蓋率與生態(tài)風險程度呈負相關(guān)，屬于逆向指標，一般用百分數(shù)表示：

(3)

式中：M為植被覆蓋指數(shù)，%；F為林地面積，hm2；G為草地面積，hm2；A為研究區(qū)土地總面積，hm2。

3.2.1.2 景觀生態(tài)指標 (1)景觀多樣性指數(shù)。景觀多樣性指數(shù)指不同類型的景觀在空間結(jié)構(gòu)、功能機制和時間動態(tài)方面的多樣化和變異性，反映景觀類型的多少和所占比例的變化，揭示景觀的復(fù)雜程度。該指數(shù)與生態(tài)風險程度呈正相關(guān)，屬于正向指標，計算公式如下：

(4)

式中：H為研究區(qū)景觀多樣性指數(shù)；Pi為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型占土地總面積的比例；m為研究區(qū)土地利用類型的總數(shù)。

(2)景觀優(yōu)勢度指數(shù)。景觀優(yōu)勢度指數(shù)用于測定景觀結(jié)構(gòu)組成中斑塊類型支配景觀的程度，表示一種或幾種類型斑塊在一個景觀中的優(yōu)勢或程度。該指數(shù)與生態(tài)風險程度呈負相關(guān)，屬于逆向指標，計算公式如下：

(5)

式中：I為研究區(qū)景觀優(yōu)勢度；Hmax為最大多樣性指數(shù)，Hmax=lnm，m表示斑塊類型數(shù)。其中I值越大，表明組成景觀各類型所占比例差異大；I值小，表明景觀是由多個比例大致相等的類型組成的；當I=0時，則表示組成景觀各種類型所占比例相等。

(3)景觀破碎度指數(shù)。景觀破碎度指數(shù)指景觀被分割的破碎程度，景觀的破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一，可以反映人類活動對景觀格局的影響。該指數(shù)與生態(tài)風險程度呈正相關(guān)，屬于正向指標，計算公式如下：

(6)

式中：F為研究區(qū)綜合景觀破碎度指數(shù)；N為景觀的總斑塊數(shù)，個；A為研究區(qū)景觀總面積，hm2。

3.2.2 生態(tài)風險評價指標的標準化處理 閾值是指一個領(lǐng)域或一個系統(tǒng)的界限值，屬于臨界值，即當某一指標低于或超過某一系統(tǒng)的閾值后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，不再穩(wěn)定。因此，閾值是反映系統(tǒng)是否維持穩(wěn)定的一個重要指標。指標閾值的確定目前還處在實踐和探索階段，本研究根據(jù)以下原則確定各個指標的閾值：(1)針對目前國家和行業(yè)已有標準的指標，采用國家規(guī)定的閾值；(2)國家無明文規(guī)定，相關(guān)權(quán)威專家經(jīng)過科學(xué)研究已判定的標準指標，可作為該指標的閾值；(3)對于既無明文規(guī)定又沒有相關(guān)科學(xué)研究結(jié)論的指標，則從研究區(qū)的實際情況出發(fā)，分析比較經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得出相對準確的閾值；(4)對于正向指標，取指標上限為安全閾值，對于逆向指標，取指標下限為安全閾值。

以上所選取的各指標間由于類型和量綱的不同，不便于研究分析，因此本研究采用歸一化方法，依據(jù)各個指標的閾值，通過數(shù)學(xué)變換把量綱不同的指標統(tǒng)一轉(zhuǎn)化到[0，1]區(qū)間內(nèi)，以便消除差異，使各指標具有可比性[17]。將指標無量綱化的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式如下：

(7)

(8)

式中：xi為第i個指標的實際值；zi為第i個指標的安全閾值；ri為無量綱化后的各指標值，即標準值。

3.2.3 生態(tài)風險評價指標權(quán)重的確定 熵權(quán)法是一種在綜合考慮所有因素和提供的信息量的基礎(chǔ)上客觀賦權(quán)的數(shù)學(xué)方法，其優(yōu)點是精度較高、客觀性較強[18]。用熵權(quán)法計算各指標權(quán)重的過程如下：

(1)第j個指標下第i個項目指標值的比重Pij：

(9)

式中：Tij為各個指標的標準值。

(2)第j個指標的熵值ej：

(10)

(3)第i個指標的權(quán)重Wj：

(11)

3.2.4 基于土地利用指標和景觀生態(tài)指標的綜合生態(tài)風險指數(shù)模型 江津區(qū)的綜合生態(tài)風險指數(shù)模型[19]如下：

(12)

式中：E表示綜合生態(tài)風險指數(shù)；Wi表示各個指標所占權(quán)重；bi表示各個指標的值。

4 結(jié)果與分析

4.1 重慶市江津區(qū)2009—2014年土地利用變化

通過ArcGIS軟件對重慶市江津區(qū)2009、2014年的土地利用現(xiàn)狀矢量圖進行空間分析并分別制作2009、2014年江津區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖(圖1、圖2)以及2009—2014年江津區(qū)土地利用面積變化表(表2)。

結(jié)合圖1、圖2和表2可以分析得出2009—2014年6年間江津區(qū)土地利用類型變化情況，表現(xiàn)在以下4個方面。

4.1.1 耕地面積減少 耕地面積平均每年減少1.901 8%，6年共減少2 686.52 hm2。一方面，2014年江津區(qū)固定資產(chǎn)投資為575.0億元，約是2009年197.0億元的3倍。這表明江津區(qū)基本建設(shè)項目增加，農(nóng)村興起“建房熱”，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)日益發(fā)展，房地產(chǎn)開發(fā)投資力度加大，城市規(guī)模逐漸擴張，這些變化是導(dǎo)致耕地減少的直接原因；另一方面，2009—2014年間，江津區(qū)大力加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)技術(shù)水平，推動農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，2014年江津區(qū)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值突破100億元，居全市第一，而2009年僅為28.5億元。這與江津區(qū)區(qū)委、區(qū)政府提出的“積極發(fā)展特色效益農(nóng)業(yè)，加快構(gòu)建‘1+5+1’的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展新格局”的發(fā)展思路密不可分。近年來，農(nóng)業(yè)比較效益使農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸改變，耕地不斷向其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致耕地面積減少；而政策的導(dǎo)向作用，使得生產(chǎn)效益差、坡度較大的地區(qū)實施退耕還林政策，這是導(dǎo)致耕地減少的又一主要原因。

4.1.2 園地、林地、草地和未利用地面積均下降，建設(shè)用地面積大幅度上升 園地、林地、未利用地面積減少幅度較大，草地面積基本保持不變。2011年，重慶市市委、市政府作出了戰(zhàn)略性決定，支持江津、合川、永川三區(qū)打造“雙百”城市。截至2020 年，江津區(qū)將形成100 km2 城區(qū)和100 萬城市人口。2009—2014年，江津區(qū)一系列的規(guī)劃和發(fā)展與占用園地、砍伐林木和開發(fā)未利用地是分不開的，是導(dǎo)致3種地類面積減少和建設(shè)用地面積增加的直接原因。

4.1.3 其他農(nóng)用地面積增加 2009年8月，江津現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)啟動建設(shè)，這直接促進了農(nóng)業(yè)附屬配套設(shè)施的增加和完善，到2014年江津區(qū)第一產(chǎn)業(yè)投資額已達到4.1億元，而2009年僅為3.7億元，從2009年到2014年，園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)改善，僅2014年1年江津區(qū)就新建農(nóng)村農(nóng)路21 km、山坪塘4口、提灌站4個、蓄水池5個、石河堰1處，新增灌溉面積175.27 hm2，并相繼開工35 km天然氣管線，新架10 kV高壓輸電電網(wǎng)。江津區(qū)一系列的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)促進了其他農(nóng)用地面積的增加。

4.1.4 水域面積增加 水域是指陸地水域和水利設(shè)施用地，2009—2014年，江津區(qū)水域面積共增加了25.63 hm2。江津區(qū)境內(nèi)有127 km長江岸線，占重慶市長江岸線的1/5。為了利用這一得天獨厚的資源優(yōu)勢，江津區(qū)于2009年提出了以長江黃金水道為依托的思路，在沿線布局建設(shè)了德感工業(yè)園、珞璜工業(yè)園、白沙工業(yè)園和雙福工業(yè)園四大工業(yè)園區(qū)。在各大工業(yè)園內(nèi)均布局了重要的港口碼頭，現(xiàn)代化的港口和通暢的航道，使得江津各大工業(yè)園區(qū)的經(jīng)濟得到了極快發(fā)展，到2014年，江津工業(yè)園區(qū)的規(guī)模工業(yè)企業(yè)總數(shù)達262戶，工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)規(guī)模工業(yè)產(chǎn)值突破 1 000億元。各大園區(qū)的快速發(fā)展和水利設(shè)施的不斷完善是江津區(qū)水域面積增加的主要原因。

表2 2009—2014年重慶市江津區(qū)土地利用面積變化

4.2 江津區(qū)2009—2014年生態(tài)風險指標分析

根據(jù)式(1)～式(6)計算得出江津區(qū)2009年和2014年的生態(tài)風險指標值(表3)，將各生態(tài)風險指標值帶入式(7)、式(8)得到各指標歸一化后的標準值(表4)，根據(jù)歸一化后的標準值，利用式(9)～式(11)可計算出各指標權(quán)重(表4)，最后依據(jù)式(12)計算出江津區(qū)2009年的生態(tài)風險指數(shù)為-0.371 5，2014年的生態(tài)風險指數(shù)為-0.360 3，可見風險指數(shù)有明顯增大。

表3 重慶市江津區(qū)2009年及2014年生態(tài)風險指標值

由表3可知，江津區(qū)土地利用程度指數(shù)由269.60增加到270.84，表明隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展、城鎮(zhèn)化的推進以及城市規(guī)模的擴張，使得江津區(qū)的建設(shè)用地增加，未利用地減少，使全區(qū)土地利用程度明顯加大。耕地墾殖指數(shù)由43.88%減少到43.05%，植被覆蓋指數(shù)由31.00%減少到30.92%，在這6年間隨著“1+5+1”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新格局的提出，使得部分耕地、林地和草地向能夠獲取更高收益的農(nóng)用地類型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致耕地、林地和草地的面積減少，進而使得耕地墾殖指數(shù)和植被覆蓋指數(shù)減小。

景觀多樣性指數(shù)由1.389 55增加到1.402 56，表明6年間各種地類間的相互轉(zhuǎn)化增大了各景觀在空間結(jié)構(gòu)和功能方面的多樣性，使江津區(qū)整體景觀的復(fù)雜程度增加。優(yōu)勢度指數(shù)由2009年的0.689 89減少到2014年的0.676 88，表明從2009年到2014年， 江津區(qū)占優(yōu)勢地位的景觀所占比例減小，耕地在整個景觀類型中占有明顯的優(yōu)勢地位，耕地所占比例的減少使得耕地優(yōu)勢度降低，進而使得全區(qū)景觀優(yōu)勢度降低。景觀破碎度指數(shù)由2009年的0.794 82增加到2014年的 0.819 61，表明景觀被分割的程度加大，部分開發(fā)商不顧后果建樓的情況屢見不鮮，農(nóng)民也頻頻將房屋蓋在農(nóng)地里，這些都導(dǎo)致土地被無規(guī)則破壞，使得全區(qū)趨向于形成復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊。

表4 重慶市江津區(qū)生態(tài)風險評價指標體系、閾值、標準值及權(quán)重

江津區(qū)的生態(tài)風險指數(shù)由2009年的-0.371 5提高到2014年的-0.360 3，表明2009—2014年，隨著土地利用格局的變化，江津區(qū)的生態(tài)風險變大。一方面，2009—2014年，隨著土地利用變化，江津區(qū)景觀的復(fù)雜程度增加，景觀被無規(guī)則分割的程度加大，導(dǎo)致景觀多樣性指數(shù)和景觀破碎度指數(shù)增大；另一方面，2009—2014年，由于全區(qū)耕地、林地的減少和建設(shè)用地的增加，江津區(qū)的耕地墾殖指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)和景觀優(yōu)勢度指數(shù)變小，土地利用程度這一逆向指標雖然是變大的，但其相對變化幅度小于其余3個指標。因此，2009—2014年，江津區(qū)的生態(tài)風險呈增大的趨勢。

5 結(jié)論

2009—2014年，重慶市江津區(qū)土地利用變化顯著。主要表現(xiàn)為耕地、園地、林地、草地和未利用地面積減少，而水域、建設(shè)用地和其他農(nóng)用地面積增加。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展、城市規(guī)模的擴張、“雙百”城市的打造、江津現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)以及江津區(qū)樞紐港的建設(shè)，耕地、園地、林地、草地、未利用地等非建設(shè)用地向建設(shè)用地、水域和其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)化，這8種地類之間的相互轉(zhuǎn)化是江津區(qū)土地利用變化的最主要形式。

2009—2014年，江津區(qū)生態(tài)風險指數(shù)增大。隨著江津區(qū)建設(shè)用地面積的增加和未利用地面積的減少，區(qū)域內(nèi)的土地被大量地利用，但在土地利用的過程中還存在諸多不足，不合理的土地利用使得景觀被無規(guī)則分割的現(xiàn)象比較明顯，耕地墾殖指數(shù)和植被覆蓋指數(shù)的減小是導(dǎo)致生態(tài)風險增大的主要原因，應(yīng)通過相應(yīng)的措施控制其變化。江津區(qū)生態(tài)風險指數(shù)的增大應(yīng)引起相關(guān)部門和人員的高度重視，可以通過合理布局和規(guī)劃將全區(qū)土地利用的變化程度和變化方向控制在合理范圍內(nèi)，以降低整個區(qū)域的生態(tài)風險程度。在今后的發(fā)展中也要重視生態(tài)安全問題，不能只顧追求經(jīng)濟上的發(fā)展而忽略生態(tài)上的安全。