潘繼亞, 王金亮,* , 高帆

滇西北高山峽谷典型區(qū)土地利用變化與生態(tài)安全評價研究

潘繼亞1,2,3, 王金亮1,2,3,*, 高帆4

1. 云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室, 云南 昆明 650500 2. 云南省地理空間信息工程技術(shù)研究中心, 云南 昆明 650500 3. 云南師范大學(xué)地理學(xué)部, 云南 昆明 650500 4. 云南民族大學(xué), 云南 昆明 650500

以滇西北高山峽谷典型區(qū)香格里拉市為研究對象, 對該區(qū)域1974—2017年土地利用變化和土地生態(tài)安全狀況進行分析。結(jié)果表明: 1974—2017年間, 研究區(qū)耕地、灌草地、建設(shè)用地、未利用地都有增加, 林地和水域有不同程度的減少,建設(shè)用地變化幅度是最大的, 林地變化幅度是最小的, 1999—2003年間土地利用變化是最劇烈的, 2013—2017年間土地利用變化是最小的; 1974—2017年間, 研究區(qū)土地生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)先降后升的趨勢, 生態(tài)安全狀況轉(zhuǎn)變情況為“中度預(yù)警—輕度預(yù)警—安全—較安全”; 通過線性回歸模型趨勢擬合分析發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈增長趨勢; 研究區(qū)生態(tài)安全等級為南部、海拔較低的五境鄉(xiāng)、上江鄉(xiāng)、金江鎮(zhèn)、虎跳峽鎮(zhèn)、三壩納西族鄉(xiāng)、洛吉鄉(xiāng)等區(qū)域較高, 北部海拔較高的東旺鄉(xiāng)、尼西鄉(xiāng)、格咱鄉(xiāng)等區(qū)域較低。

生態(tài)安全; 土地利用空間格局; PSR模型; DPSIR模型; 香格里拉市

0 前言

滇西北高山峽谷典型區(qū)香格里拉市位于“三江并流區(qū)”這個我國生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)之一[1-2], 研究該區(qū)域土地利用變化對生態(tài)安全的影響尤為重要。土地生態(tài)安全評價主要從生態(tài)入侵風(fēng)險、生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)風(fēng)險與安全、水資源安全等方面開展[3-5]。從方法上看, 有物元模型、層次分析法、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、生態(tài)足跡法和主成分分析法等[6-15]; 從評價模型上看, 主要有“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”(PSR)模型, “驅(qū)動力—狀態(tài)—響應(yīng)”(DSR)模型和“驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應(yīng)”(DPSIR)模型等[16-19]; 從生態(tài)安全格局的框架構(gòu)建看, 主要從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究、指標(biāo)體系選擇等方面考慮; 從生態(tài)安全空間格局分析看, 主要從空間分異特征、空間分布格局、空間變異程度等方面開展。崔馨月等人以長三角城市群為研究對象, 建立DPSIR模型, 利用熵權(quán)法與均方差決策法確定權(quán)重, 采用主成分分析法和綜合指數(shù)法得到長三角城市群生態(tài)安全綜合指數(shù)YDESI與生態(tài)安全等級[20]; 徐治明等人用熵權(quán)法確定各項指標(biāo)權(quán)重, 利用PSR模型構(gòu)建評價指標(biāo)體系, 開展了衡陽市土地安全評估, 并采用灰色預(yù)測模型開展了土地生態(tài)安全的前景分析[21]; 陳廣運用DPSIR模型, 通過層次分析法、熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重, 建立評價模型, 并運用GM(1,1)預(yù)測模型, 預(yù)測三峽庫區(qū)水生態(tài)安全狀況的發(fā)展趨勢[22]; 李莉鴻等人構(gòu)建PSR耕地生態(tài)安全評價模型, 結(jié)果表明, 耕地生態(tài)安全主要體現(xiàn)在人口增加和工業(yè)迅速發(fā)展兩個方面[23]; 齊鵬等人采用DPSIR模型和層次分析法構(gòu)建嘉峪關(guān)市生態(tài)安全評價體系,通過物元分析法對嘉峪關(guān)市生態(tài)安全狀況進行了綜合評價[24]; SALVATI L等人建立由人口增長、氣候變化、土地利用等構(gòu)成的指標(biāo)體系, 對意大利拉丁姆地區(qū)生態(tài)環(huán)境進行評價研究[25]; 李玉平等人通過對傳統(tǒng)層次分析法的改進,采用構(gòu)建三標(biāo)度(0,1,2)矩陣的方法,構(gòu)建3個層次、24個指標(biāo)的水環(huán)境生態(tài)安全評價體系,對邢臺市水環(huán)境生態(tài)安全影響因素進行分析和判別,對水環(huán)境生態(tài)安全狀況進行評價[26]; 盧慧婷等人提出了一個城市生態(tài)安全保障的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究框架, 將維持城市生態(tài)安全的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求分為3個層次[27]; 劉曉陽等人以閩三角城市群為例, 基于景觀安全格局原理和ArcGIS空間分析法, 從綜合水安全、生物保護安全、地質(zhì)災(zāi)害安全以及游憩安全四個方面疊加構(gòu)建三種不同水平的綜合生態(tài)安全格局[28]; 王兆峰等人基于DPSIR模型, 構(gòu)建長江經(jīng)濟帶旅游生態(tài)安全評價指標(biāo)體系, 綜合采用熵權(quán)TOPSIS法、空間變差模型、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型、灰色動態(tài)模型等方法分析研究區(qū)生態(tài)安全水平時空動態(tài)演變特征, 并對其未來空間分布格局進行合理預(yù)測[29]。對于研究區(qū), 前人進行了關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算、生態(tài)資產(chǎn)估算等大量研究, 但鮮見對生態(tài)安全進行研究。本文在分析土地利用動態(tài)變化基礎(chǔ)上, 構(gòu)建了土地生態(tài)安全評價體系, 運用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重, 揭示香格里拉市土地生態(tài)安全的空間格局, 探討土地生態(tài)安全變化原因, 為香格里拉市經(jīng)濟與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展、土地利用規(guī)劃提供依據(jù)[30]。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

滇西北高山峽谷典型區(qū)香格里拉市地處青藏高原東南緣橫斷山脈三江縱谷區(qū)東部, 是三江并流區(qū)的一部分(26°52′—28°52′N, 99°22′—100°19′E), 全境東西寬88 km, 南北長218 km, 形成柳葉狀的狹長形地帶(圖1)。全縣土地面積11613 km2, 是云南省總土地面積最大的一個縣份。

從區(qū)域大背景看, 滇西北地區(qū)處于青藏高原、東亞季風(fēng)、南亞和中南半島熱帶季風(fēng)三大自然地理區(qū)域的交接地帶, 擁有獨特的自然資源及生態(tài)環(huán)境; 從香格里拉境內(nèi)看, 該區(qū)域擁有南北縱貫、東西并列的地貌景觀和復(fù)雜多樣的地貌類型, 典型的高山峽谷地貌使得水分和光熱在這里重新分配, 形成“一山有四季, 十里不同天”的立體氣候, 同時, 該區(qū)域位于三江并流區(qū)這個我國生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一、中國三大生態(tài)物種中心之一的東部, 境內(nèi)保存有較為完整的自然生態(tài)系統(tǒng), 生態(tài)環(huán)境類型豐富。從1974年—2017年, 香格里拉市年末總?cè)丝趶募s8 萬人, 增長到約17 萬人, 城鎮(zhèn)化水平從約17%, 上升到約20%。從土地利用狀況來看, 2017年, 香格里拉市建筑用地面積約為1974年的70倍, 林地面積相比1974年減少了約4 萬公頃, 研究區(qū)大部分地區(qū)逐漸受到人類活動干擾, 生態(tài)功能出現(xiàn)退化的情況, 在這種情況下, 通過對其土地利用變化情況進行分析, 并研究土地生態(tài)安全空間特征, 來尋求合理的土地利用方式, 對促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展, 改善自然生態(tài)環(huán)境有重要作用[1-2]。

圖1 研究區(qū)位置圖

Figure 1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù): 選取覆蓋香格里拉市的Landsat衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源, 其中1974年為MSS影像, 1989年為TM影像, 1999年、2003年和2013年為ETM+影像, 2017年為OLI影像(表1)。1974年、1989年、1999年、2003年數(shù)據(jù)為TNC項目(AP/YNU090104)解譯結(jié)果; 2013年、2017年數(shù)據(jù)參考1974年、1989年、1999年、2003年的土地利用圖, 選取“感興趣區(qū)”, 使用ArcGIS和ENVI軟件, 采用人機交互式解譯獲取, 并參照我國土地用途規(guī)劃分類及土地利用現(xiàn)狀分類國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010- 2017)、TNC項目(AP/YNU090104)等分類系統(tǒng), 確定了耕地、林地、灌草地、建設(shè)用地、水域以及未利用地六大類土地利用類型[31]。

統(tǒng)計數(shù)據(jù): 主要來源于1974—2017年間, 云南統(tǒng)計年鑒、迪慶統(tǒng)計年鑒、香格里拉統(tǒng)計年鑒、中甸統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料、政府工作報告等相關(guān)資料。

其他數(shù)據(jù): 從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www. gscloud.cn)下載獲取DEM數(shù)據(jù); 1:20萬迪慶藏族自治州土壤類型圖, 經(jīng)掃描數(shù)字化后獲得香格里拉市土壤類型圖; 從《中甸縣農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃》中獲得香格里拉市年平均氣溫等值線圖和年降水量等值線圖, 通過克里金插值法來獲取像元大小與NDVI數(shù)據(jù)一致、投影方式也相同的氣象要素柵格數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

土地利用變化分析包括土地利用類型數(shù)量變化及土地利用空間變化。

表1 遙感影像信息

研究區(qū)土地利用類型數(shù)量變化包括幅度變化和速率變化, 其中, 幅度變化是通過分析一定時間段內(nèi)研究區(qū)各地類面積的數(shù)值變化及其占土地總面積的比例變化情況, 從而掌握各土地利用類型的總量變化趨勢進而揭示其變化特征。速率變化是通過土地利用動態(tài)度模型進行計算, 主要有單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度[32-37]。

2.2 土地生態(tài)安全評價

2.2.1 評價模型的選擇

DPSIR模型是一種概念模型, 包括驅(qū)動力(Driving forces)、壓力(Pressure)、狀態(tài)(State)、影響(Impact)和響應(yīng)(Responses)五個指數(shù), 各個指數(shù)又包含一系列的指標(biāo)體系, 整個模型可用來反映區(qū)域生態(tài)安全狀況。其中, 驅(qū)動力指數(shù)主要表述城市發(fā)展水平、人口增長情況以及隨著人們生活方式發(fā)生改變而產(chǎn)生的消費情況, 因此包含城市化水平、人口自然增長率、人均GDP等3個指標(biāo); 壓力指數(shù)是驅(qū)動力指數(shù)的表現(xiàn)形式, 主要表述的是隨著生活方式改變帶來的農(nóng)村用電量的改變, 人口密度、化肥施用量的改變, 以及隨著工業(yè)總產(chǎn)值的改變給環(huán)境帶來的壓力, 因此包含農(nóng)村用電量、工業(yè)總產(chǎn)值、人口密度、化肥施用量4個指標(biāo); 狀態(tài)指數(shù)主要表述在受到驅(qū)動力和壓力共同作用下, 海拔、年降水、年均溫、土壤質(zhì)地、有效灌溉面積這5個指標(biāo)呈現(xiàn)的狀態(tài); 影響指數(shù)是描述由于驅(qū)動力、壓力而改變的環(huán)境狀態(tài), 反映給自然和社會的影響狀況, 因此包含耕地面積、單位面積糧食單產(chǎn)、人口死亡率、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)林牧漁產(chǎn)值5個指標(biāo); 響應(yīng)描述的是人們?yōu)榱烁淖兩鷳B(tài)環(huán)境狀況而采取的積極應(yīng)對措施, 因此包含農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒壤?、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例、建成區(qū)綠化覆蓋率、工業(yè)廢水排放達標(biāo)率和土地利用類型5個指標(biāo)[38]。

2.2.2 評價指標(biāo)的確立

在土地生態(tài)安全研究中, 評價指標(biāo)的選擇是至關(guān)重要, 它決定了研究區(qū)土地生態(tài)狀況是否得到真實反映[39], 必須考慮指標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián), 使其能涵蓋自然、經(jīng)濟、生態(tài)及社會等各個要素的特點與狀況。與此同時, 指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲取性也必須考慮, 否則的話, 就算構(gòu)建了再完善的指標(biāo)體系都因沒有數(shù)據(jù)而無法獲得區(qū)域生態(tài)安全狀況。本文在遵循數(shù)據(jù)可獲取性、實驗科學(xué)性、指標(biāo)整體性的基礎(chǔ)上, 選取了22項指標(biāo)[40-42]。

2.2.3 評價指標(biāo)的量化

評價指標(biāo)的空間化有利于研究其內(nèi)部的特征及差異性, 而有一些指標(biāo)的空間化, 需要通過量化分級賦值才能實現(xiàn)。如年降水量, 可將800—400—300—200—100 mm分別賦值1—0.9—0.7—0.5—0.2; 如海拔, 可按照分級分別賦值為0.9—0.7—0.5—0.3—0.1[43]。

2.2.4 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

通過標(biāo)準(zhǔn)化處理, 可以消除各指標(biāo)間因度量標(biāo)準(zhǔn)不同而存在的差異, 正向指標(biāo)和負向指標(biāo)計算公式如下:

式中,x表示的是第年的第項指標(biāo)值;x表示第項指標(biāo)的最大值;x表示第項指標(biāo)的最小值;x表示標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.2.5 熵權(quán)法確定權(quán)重

在整個評價體系中, 各指標(biāo)的重要程度用指標(biāo)權(quán)重來表達, 本文采用熵權(quán)法賦權(quán), 計算公式如下:

式中,x表示標(biāo)準(zhǔn)化值;P表示第項指標(biāo)中第個樣本的數(shù)值比重;e表示第項指標(biāo)的熵值;g表示第項指標(biāo)的差異系數(shù);w表示第項指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.6 生態(tài)安全綜合評價指數(shù)的計算

式中,是生態(tài)安全指數(shù), 它的值越大, 代表生態(tài)環(huán)境越安全; 值越小, 代表生態(tài)環(huán)境越不安全;x為標(biāo)準(zhǔn)化值;W為指標(biāo)的權(quán)重;為評價指標(biāo)的個數(shù)。

2.2.7 評價指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

為了客觀地反映香格里拉市土地生態(tài)安全狀況, 本文參考和閱讀了相關(guān)研究, 將生態(tài)安全等級定義為表2[44-47]。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用空間格局分析

通過對研究區(qū)各土地利用類型分類情況(圖2)、面積統(tǒng)計情況(表3)、面積變化情況(表4)以及動態(tài)度(表5—6)分析可知: 研究區(qū)主要土地利用類型為灌草地和林地, 林地面積占比最大, 約占全市總面積的67%, 這是因為研究區(qū)森林資源較豐富; 其次為灌草地, 占市域總面積的近24%, 這是因為研究區(qū)畜牧業(yè)資源豐富, 高海拔地區(qū)分布有大量灌草地; 建設(shè)用地面積所占比重最小, 這是因為研究區(qū)平均海拔約為3200 m, 地形復(fù)雜, 特別是高海拔地區(qū), 年均溫度低, 氣候較惡劣, 整體來說, 人口密度較小, 建設(shè)用地相對也較少。

表2 生態(tài)安全評價指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

耕地面積在研究期內(nèi)總體是增加的, 其中, 1974—2013年間耕地數(shù)量一直上升, 2013—2017年間耕地數(shù)量有所減少, 可見, 政府對合理有效的規(guī)劃土地做了大量工作。林地面積總體來說是減少的, 結(jié)合研究期內(nèi)香格里拉市建設(shè)用地持續(xù)增加這一信息來看, 主要原因是近年來香格里拉市城市化進程較快, 城市擴張占用了大量林地, 導(dǎo)致林地面積有所減少。灌草地面積在研究期內(nèi)總量增加了38768.80 hm2, 結(jié)合近年來, 香格里拉市第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重日益增大, 居民生產(chǎn)生活方式有了較大轉(zhuǎn)變的情況來看, 放牧對灌草地土壤植被空間格局有重要影響, 放牧的減少對灌草地起到了一定保護作用。建設(shè)用地面積在研究期內(nèi)共增加了7395.03 hm2, 可見香格里拉市城鎮(zhèn)化進程發(fā)展迅猛。在分類系統(tǒng)中, 香格里拉市永久雪地冰川屬于水域, 研究期內(nèi), 香格里拉市水域面積總量是減少的, 這可能與因氣候變暖導(dǎo)致高山積雪面積減少有關(guān)。未利用地1974- 1989年間增加是最多的, 增加了15510.42 hm2, 而1989—1999年間減少是最多的, 減少了9052.93 hm2, 這個時間段建設(shè)用地和灌草地增加較多, 說明未利用地在該期間大量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和灌草地。

表3 研究區(qū)各土地利用類型面積統(tǒng)計

圖2 研究區(qū)土地利用分類圖

Figure 2 Land use classification of study area

林地面積變化幅度1999—2003年間最大, 而該時段水域面積變化幅度也最大, 林地是變多, 水域是變少, 這個變化情況說明林地大幅增加與水域的大幅減少有一定關(guān)系, 這是因為自2000年開始的退耕還林政策, 香格里拉市自然環(huán)境得到保護, 湖泊周邊的植被得到良好的生長環(huán)境, 覆蓋了原本水域的邊界范圍。建設(shè)用地面積一直呈上升趨勢, 其中, 1974—1989年間上升最快, 年上升達50.48%, 一是因為1974年研究區(qū)建設(shè)用地面積基數(shù)較小, 二是說明這個時期香格里拉市經(jīng)濟發(fā)展較快, 人們生活水平了得到提高; 耕地面積1989—2013年間數(shù)量一直在增加, 2013—2017年間數(shù)量有所減少, 結(jié)合這兩個時期的人口密度, 1989年人口密度約為10 人·km-2, 2013年約為15 人·km-2, 2017年約為15 人·km-2, 說明耕地面積的增加, 與人口密度有一定關(guān)系。研究區(qū)綜合土地利用動態(tài)度1999—2003年間是整個43年的近3.5倍, 說明1999—2003年間香格里拉市土地利用變化最劇烈, 主要原因是這個期間香格里拉市林地、水域和灌草地面積都在快速變化。

表4 研究區(qū)各土地利用類型面積變化表

表5 研究區(qū)土地利用單一動態(tài)度

表6 研究區(qū)土地利用綜合動態(tài)度

從1974年—2017年香格里拉市土地利用變化空間分布圖(圖3)可以看出, 43年間, 香格里拉市土地利用狀況全境基本都有變化, 主要變化區(qū)域為建塘鎮(zhèn)、小中甸鎮(zhèn)、虎跳峽鎮(zhèn)、格咱鄉(xiāng)和東旺鄉(xiāng), 而這些區(qū)域變化的主要土地利用類型為建設(shè)用地、水域和灌草地。

3.2 研究區(qū)土地生態(tài)安全評價指標(biāo)及權(quán)重

在整個評價體系中(表7), “狀態(tài)”的比重是最大的, 占26%, 說明其指標(biāo)在生態(tài)安全評價中起到了重要作用; “響應(yīng)”和“驅(qū)動力”所占比重排在第二, 均為19%, 其中, 第三產(chǎn)業(yè)占GDP比例、建成區(qū)綠化覆蓋率、工業(yè)廢水排放達標(biāo)率都在提高, 且均為正向指標(biāo); “壓力”和“影響”權(quán)重相對較小。從各指標(biāo)的權(quán)重排序可以看出, 人均GDP、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)村用電量、耕地面積、農(nóng)林牧漁產(chǎn)值、人口密度、有效灌溉面積對研究區(qū)生態(tài)安全的影響較大, 其權(quán)重均大于0.05; 單位面積糧食單產(chǎn)和農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒壤龑ρ芯繀^(qū)生態(tài)安全影響相對較弱, 其權(quán)重均小于0.03。這與研究區(qū)的實際相符, 自2001年12月17日, 經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)中甸縣更名為香格里拉縣以來, 該區(qū)域旅游產(chǎn)業(yè)得到突破性進展, 人均收入得到較大提高, 耕地得到有效保護。從而, 在香格里拉市土地生態(tài)安全評價體系中, 這些指標(biāo)起到重要的作用。

圖3 研究區(qū)土地利用變化空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution map of land use change of study area

表7 研究區(qū)土地生態(tài)安全指標(biāo)體系

3.3 研究區(qū)土地生態(tài)安全綜合評價

基于DPSIR評價指標(biāo)體系, 利用公式(7)計算得出香格里拉市1974年、1989年、1999年、2003年、2013年和2017年土地生態(tài)安全指數(shù)(表8)。

表8 基于DPSIR模型的研究區(qū)生態(tài)安全狀況

在運用DPSIR模型進行香格里拉市生態(tài)安全指數(shù)計算的同時, 本文選取人口密度、人口自然增長率、人均耕地面積、單位面積廢水排放量、單位面積化肥負荷、單位面積固體廢物排放量、地均GDP、萬元GDP能耗、糧食單產(chǎn)、旱澇保收面積比、單位面積農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)值、萬元GDP廢水排放量、萬元GDP固體廢物產(chǎn)生量、單位耕地面積用電量、農(nóng)業(yè)機械化水平、有效灌溉面積比、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)居民人均純收入、工業(yè)廢水排放達標(biāo)率、工業(yè)固體廢物綜合利用率等23個指標(biāo), 通過PSR模型, 計算了香格里拉市生態(tài)安全指數(shù)(表9)。

通過表8、表9及圖4可知, 不同的模型和指標(biāo)體系, 計算得到的生態(tài)安全指數(shù)也是不同的, 但是, 無論是DPSIR模型還是PSR模型, 香格里拉市1989年及1999年生態(tài)安全指數(shù)均低于1974年, 2003—2017年間的生態(tài)安全指數(shù)均高于1974—1999年間, 可見, 香格里拉市生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)了一個“減少—遞增”的過程, 生態(tài)安全等級都是往安全的方向發(fā)展。同時, 基于DPSIR模型測算出的香格里拉市土地生態(tài)安全評價等級有一個比較明顯的遞進過程, 即“中度預(yù)警—輕度預(yù)警—安全—較安全”, 而基于PSR模型的香格里拉市土地生態(tài)安全評價等級從“中度預(yù)警”直接轉(zhuǎn)變?yōu)椤拜^安全”, 按照安全等級發(fā)展的角度看, 基于DPSIR模型計算得到的香格里拉市土地生態(tài)安全評價結(jié)果更符合現(xiàn)實。

表9 基于PSR模型的研究區(qū)生態(tài)安全狀況

圖4 基于DPSIR模型和PSR模型的土地生態(tài)安全指數(shù)比較

Figure 4 Comparison of DPSIR model and PSR model

分析可知, 1974—1999年間, 香格里拉市生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢, 從0.40下降到0.37, 表明在這個期間, 香格里拉市生態(tài)安全由于經(jīng)濟社會發(fā)展影響, 生態(tài)安全受到威脅, 生態(tài)指數(shù)一直在下降, 工農(nóng)業(yè)污染負荷越來越大, 人口數(shù)目的增加, 以及土地的不合理利用等可能是造成這一變化的主要原因。1999—2017年間, 生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)上升, 由0.37上升到0.67, 安全等級從中度預(yù)警狀態(tài)變?yōu)檩^安全狀態(tài), 2003年生態(tài)安全指數(shù)為0.43, 處于中度預(yù)警與輕度預(yù)警的臨界值, 相隔10年, 2013年的生態(tài)安全指數(shù)變?yōu)?.52, 處于輕度預(yù)警與安全的臨界值, 2013-2017年的4年期間, 生態(tài)安全指數(shù)由0.52變?yōu)?.67, 達到了43年間香格里拉市生態(tài)安全指數(shù)最高值, 表明香格里拉市生態(tài)安全得到重視, 在發(fā)展經(jīng)濟的同時開始重視生態(tài)環(huán)境保護。

由圖5分析可知, 1974—2017年間驅(qū)動力指數(shù)整體呈上升趨勢, 由0.039上升至0.184, 漲幅為78%,說明香格里拉市土地生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力在整體上向著好的方向發(fā)展, 尤其是1989-2017年, 驅(qū)動力指數(shù)從0.007上升至0.184, 這一時期人口自然增長率呈下降趨勢, 城市化水平和人均GDP呈上升趨勢, 說明隨著城市化水平的提高, 人們生活水平提高的同時, 生態(tài)需求也在逐漸加大。壓力指數(shù)1974—2017年間呈明顯下降趨勢, 到2017年, 壓力指數(shù)已經(jīng)接近為0, 這主要是由于近年來, 香格里拉市加大對耕地質(zhì)量的管理, 提高了化肥使用率。狀態(tài)指數(shù)1974—2017年間整體呈現(xiàn)先降低后上升趨勢, 這說明香格里拉市土地生態(tài)安全狀態(tài)子系統(tǒng)在評價期內(nèi), 變化趨勢整體良好, 這是因為有效灌溉面積的增加, 對整體的土地生態(tài)安全產(chǎn)生正影響。影響指數(shù)1974—2017年間呈持續(xù)增長趨勢, 這與研究區(qū)糧食產(chǎn)量以及農(nóng)林牧漁產(chǎn)值增加有重要關(guān)系。響應(yīng)指數(shù)1974—2017年間呈波動式增長趨勢, 響應(yīng)指數(shù)的增加表明研究區(qū)不斷重視環(huán)境保護工作, 主要表現(xiàn)在綠化覆蓋率以及工業(yè)廢水排放達標(biāo)率持續(xù)提高, 且第三產(chǎn)業(yè)占比也在不斷提高[48-50]。

圖5 基于DPSIR模型的研究區(qū)土地生態(tài)安全評價結(jié)果

Figure 5 Ecological safety evaluation results of study area based on DPSIR model

采用線性回歸模型進行趨勢擬合分析, 得到研究區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)變化趨勢(圖6)。從該方程的走勢可知, 研究區(qū)土地生態(tài)安全總體呈現(xiàn)增長趨勢。

從區(qū)域分布(圖7)上看, 香格里拉市生態(tài)安全等級呈南部, 海拔較低的五境鄉(xiāng)、上江鄉(xiāng)、金江鎮(zhèn)、虎跳峽鎮(zhèn)、三壩納西族鄉(xiāng)、洛吉鄉(xiāng)等部分地區(qū)較高, 北部海拔較高東旺鄉(xiāng)、尼西鄉(xiāng)、格咱鄉(xiāng)等區(qū)域較低的空間特點, 其主要差異主要體現(xiàn)在南部地區(qū)自然條件優(yōu)于北部地區(qū), 植被覆蓋度高, 地形平坦, 人類社會與自然環(huán)境和諧發(fā)展。北部地區(qū)海拔較高, 年降水量不如南部地區(qū)多, 水資源不夠豐富, 氣候較惡劣, 使得該區(qū)域的土地生態(tài)安全等級較低。

圖6 研究區(qū)土地生態(tài)安全綜合指數(shù)變化趨勢

Figure 6 Trend of ecological security index in study area

圖7 研究區(qū)土地生態(tài)安全空間分布圖

Figure 7 Spatialization of ecological security index in study area

4 討論與結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn), 隨著人們生活方式的改變和國家政策的傾向, 香格里拉市近年來生態(tài)環(huán)境得到了一定保護, 生態(tài)安全狀況朝著較安全的方向發(fā)展, 這對研究區(qū)社會經(jīng)濟的和諧、穩(wěn)定和發(fā)展有重要作用, 然而, 研究期間, 香格里拉市建設(shè)用地規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)擴張的情況, 不可否認, 這是經(jīng)濟和社會發(fā)展的一個重要表現(xiàn), 但是如果不嚴格控制建設(shè)用地數(shù)量, 也同樣會造成經(jīng)濟社會不能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的情況。因此, 結(jié)合土地利用變化情況和生態(tài)安全評價結(jié)果進行分析可知, 要香格里拉市維持在生態(tài)安全“較好”的狀態(tài), 實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及土地生態(tài)安全, 就必須嚴格執(zhí)行生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界, 樹立科學(xué)的用地觀念, 保護林地和灌草地, 使香格里拉市能保持良好的自然生態(tài)環(huán)境[51]。

生態(tài)安全評價是比較復(fù)雜和系統(tǒng)的過程, 評價工作中的各個環(huán)節(jié)都會影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性, 從指標(biāo)體系建立到數(shù)據(jù)量化, 再到權(quán)重確定, 每一步都需要進行多種方法的嘗試和比較, 然而, 在研究過程中, 由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的局限性, 生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建也受到了一定限制, 本文選取了22個指標(biāo)建立香格里拉市土地生態(tài)安全研究指標(biāo)體系, 不能完全代表香格里拉市土地生態(tài)安全狀況, 且在指標(biāo)體系的選擇時, 多以經(jīng)濟和社會方面為主, 偏重自然和生態(tài)的指標(biāo)較少, 在土地生態(tài)安全指數(shù)計算過程中, 鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲取困難, 僅從研究區(qū)南北部分析了土地生態(tài)安全整體狀況, 對鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面的研究還不夠細致[52], 從空間角度分析香格里拉市土地生態(tài)安全整體情況還需進一步改進; 對生態(tài)安全評價指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)的確定, 雖然也參考了前人很多的研究, 但相關(guān)研究確實還不太完善, 不同的學(xué)者選擇的劃分標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同[51]; 在評價模型的構(gòu)建過程中, 如何建立客觀的標(biāo)準(zhǔn), 減少評判中的人為因素[53], 這些都會對最終的評價結(jié)果產(chǎn)生一定的影響, 在以后的研究中, 應(yīng)該進一步考慮, 才能使評價結(jié)果更加嚴謹。

在對評價結(jié)果驗證時, 如何判斷評價方法和模型的適用性, 如何通過不斷的探索和實踐, 結(jié)合微觀樣本信息和宏觀檢測數(shù)據(jù), 構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全監(jiān)測、評價、預(yù)警以及決策支持模型[53], 如何將土地生態(tài)安全評價研究與3S技術(shù)聯(lián)合起來, 為研究中數(shù)據(jù)獲取、模型建立、可視化表達、空間分析等方面提供便利[54], 仍需進一步提升。

研究發(fā)現(xiàn), 1974年到2017年間, 香格里拉市耕地、灌草地、建設(shè)用地、未利用地都有增加, 林地和水域有不同程度的減少, 建設(shè)用地變化幅度是最大的, 林地變化幅度是最小的; 與PSR模型相比, DPSIR模型更適合用于開展香格里拉市土地生態(tài)安全評價; 通過線性回歸模型趨勢擬合分析發(fā)現(xiàn), 香格里拉市土地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈增長趨勢。從土地利用結(jié)構(gòu)來看, 香格里拉市1974年到2017年間, 主要土地利用類型為灌草地和林地。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展, 研究期間, 建設(shè)用地規(guī)模持續(xù)擴大, 說明房屋建筑和交通用地需求日益變多, 土地利用的開發(fā)受到城鎮(zhèn)化建設(shè)和交通建設(shè)的影響[52]。從土地利用數(shù)量變化情況來看, 1989年到1999年及2003年到2013年期間, 建設(shè)用地因香格里拉市處于城鎮(zhèn)和交通建設(shè)關(guān)鍵時期而面積變化幅度最大; 耕地面積從1974年到2017年間, 增加了16703.86 hm2, 與香格里拉市積極進行耕地保護有重要聯(lián)系; 林地和水域在研究期間呈負增長的情況, 意味著在森林資源保護、水土治理方面, 香格里拉市仍需加大力度, 未利用地面積在研究期間總體來說是增加的, 但在1989年到1999年及2003年到2013年這兩個時間段, 有明顯的減少情況, 而這兩個時期, 建設(shè)用地增加較為明顯, 說明未利用地在這些時間段大量轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地; 1999年到2003年間, 土地利用變化是最劇烈的, 綜合動態(tài)度高達48%, 主要由于該期間各土地利用類型相互間轉(zhuǎn)變數(shù)量較大; 2013年至2017年間, 土地利用變化是最小的, 因為該期間香格里拉市建設(shè)逐漸趨于完善, 各土地利用類型間相互轉(zhuǎn)移數(shù)量相對較少; 從土地利用變化空間分布情況來看, 香格里拉市土地利用狀況全境基本都有變化, 主要變化區(qū)域為建塘鎮(zhèn)、小中甸鎮(zhèn)、虎跳峽鎮(zhèn)、格咱鄉(xiāng)和東旺鄉(xiāng), 而這些區(qū)域的主要土地利用類型為建設(shè)用地、水域和灌草地。

從研究區(qū)整體來看, 香格里拉市土地生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢, 土地生態(tài)安全由“中度預(yù)警—輕度預(yù)警—安全—較安全”轉(zhuǎn)變, 土地生態(tài)安全各子系統(tǒng)整體趨于好轉(zhuǎn), 說明生態(tài)環(huán)境保護以及人與土地資源和諧共處的觀念在人們心中日益加強, 香格里拉市采取的生態(tài)安全保護措施也取得了一定的成效。從空間分布上看, 香格里拉市南北部土地生態(tài)安全狀況呈南部, 海拔較低的五境鄉(xiāng)、上江鄉(xiāng)、金江鎮(zhèn)、虎跳峽鎮(zhèn)、三壩納西族鄉(xiāng)、洛吉鄉(xiāng)等區(qū)域較高, 北部海拔較高的東旺鄉(xiāng)、尼西鄉(xiāng)、格咱鄉(xiāng)等區(qū)域較低的空間特點, 說明對于香格里拉市這樣的高海拔地區(qū), 除了經(jīng)濟和社會因素, 海拔高度等自然因素對其生態(tài)安全狀況也有較明顯的作用。

香格里拉市林地、灌草地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地等土地利用類型與生態(tài)環(huán)境間有明顯的相互作用, 土地利用變化對土地生態(tài)安全產(chǎn)生了一系列影響, 尤其是在人類活動的干擾下, 土地利用變化間接對研究區(qū)土壤、氣候、水文、生物多樣性等產(chǎn)生一定消極作用, 如由于人口密度增加導(dǎo)致建設(shè)用地的增多、由于人類活動干擾導(dǎo)致林地和灌草地的減少, 間接作用于地表和大氣的轉(zhuǎn)換, 對氣候的變化產(chǎn)生影響; 隨著林地、灌草地等土地利用方式轉(zhuǎn)換為耕地、建設(shè)用地, 破壞了地表結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分, 會對土壤因子產(chǎn)生影響; 隨著土地利用方式的變化, 水資源的利用方式也發(fā)生了改變, 導(dǎo)致出現(xiàn)水污染、水資源浪費等情況; 土地利用方式的轉(zhuǎn)變也會對動物棲息地產(chǎn)生破壞, 從而對生物多樣性產(chǎn)生影響, 可見, 土地利用方式的轉(zhuǎn)變, 對土地生態(tài)安全產(chǎn)生的影響需要重視[55-57]。

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Research of land use change and ecological security of typical area of alpine canyon in Northwest Yunnan

PAN Jiya1,2,3, WANG Jinliang1,2,3,*, GAO Fan4

1.,, 650500,, 6505003,,,,, 650500,Yunnan Minzu UniversityKunmingYunnanChina

We took Shangri-La, a typical alpine canyon area in Northwest Yunnan, as the research area to analyze the land use changes from 1974 to 2017, to construct a land ecological security evaluation system, and to reveal the overall change of land ecological security in Shangri-La. The results showed that between 1974 to 2017, the cultivated land, shrub-grass land, construction land, and unused land in the study area all increased, forest and waters were decreased, the change in construction land was the largest, and the change in forest was the smallest. Between 1999 to 2003, the land use change was the most dramatic, and the land use change was the smallest between 2013 to 2017. From 1974 to 2017, the land ecological safety index of the study area showed a trend of decreasing first and then increasing, and the change in the ecological security situation was "moderate warning-mild warning-safety-safer". Through linear regression model trend fitting analysis, it was found that the comprehensive index of land ecological security in the study area showed an increasing trend. The ecological security level of the study area was higher in the southern towns as Wujing, Shangjiang, Jinjiang, Hutiaoxia, Sanba Naxi and Luoji, but that of the towns as Dongwang, Nixi and Geza with higher elevation in the north was lower.

ecological security; spatial pattern of land use; PSR model; DPSIR model; Shangri-La

2020-09-24;

2020-11-20

國家自然基金項目(41961060); 國家重點研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項(2018YFE0184300); 云南省高校創(chuàng)新團隊(云南省高校高原山地資源環(huán)境遙感監(jiān)測與評估科技創(chuàng)新團隊)

潘繼亞(1990—), 女, 云南保山人, 博士研究生, 主要從事資源環(huán)境遙感, E-mail: jypan@user.ynnu.edu.cn

X826

A

1008-8873(2022)02-029-12

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.004

潘繼亞, 王金亮, 高帆. 滇西北高山峽谷典型區(qū)土地利用變化與生態(tài)安全評價研究[J]. 生態(tài)科學(xué),2022, 41(2): 29–40.

PAN Jiya, WANG Jinliang, GAO Fan. Research of land use change and ecological security of typical area of alpine canyon in Northwest Yunnan[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 29–40.

通信作者:王金亮, 男, 博士, 教授, 主要從事資源環(huán)境遙感研究, E-mail: jlwang@ynnu.edu.cn