基于土地利用变化的区域生态安全评价——以鄂尔多斯市为例，本文主要内容关键词为：鄂尔多斯市论文,为例论文,土地利用论文,安全评价论文,生态论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生态安全(ecological security)是20世纪末随着生态恶化和环境问题日益严重而提出的一种安全理念，有广义和狭义两种理解。广义的生态安全以IIASA 1989年提出的定义为代表，是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态，包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全，组成一个复合人工生态安全系统。狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映[1]。一般来说生态安全包含两重含义：一方面是生态系统自身的安全，即在外界因素作用下生态系统是否处于不受或少受损害或威胁的状态，并保持功能健康和结构完整；另一方面是生态系统对于人类的安全，即生态系统提供的服务是否满足人类生存和发展的需要。生态安全为人类开发区域自然资源的规模制定了阈限，其意在于揭示一个国家或地区的生态环境与社会经济发展之间的相互关系，指出生态环境与社会经济之间是否出现不协调现象，并随时监控生态环境的变化，确保国家或地区社会经济的稳定。
区域生态安全是指在一定时空范围内，土地系统(land system)[2]能够保持其结构与功能不受威胁或少受威胁的健康状态，并能够为社会经济可持续发展提供其服务，从而维持复合生态系统的长期协调发展。近年来，区域生态安全问题已经成为了关乎区域可持续发展的核心问题[3-5]。区域生态安全状况一方面受自然因素影响，如全球气候变化、自然灾害等，另一方面受人类活动影响，如城市化、工业化、经济发展与社会转型导致的土地利用变化等，是两方面因素共同作用的结果。在人类活动导致的生态环境问题中，土地利用变化过程对区域生态安全起着决定性的作用[6-10]。土地系统分析是研究区域生态安全的有效途径。构建区域生态安全条件下土地利用格局是IGBP/IHDP土地利用/覆被计划(LUCC)与IGBP全球环境变化与陆地生态系统计划(GCTE)的重要内容[2]。随着2002年IGBPⅡ工作的展开以及明确“GCTE和LUCC研究的整合是其核心工作”[2]以来，土地利用变化对生态安全的影响得到了更大程度的关注[11-15]。近年来，国内外生态安全研究从以往集中研究基因工程生物的生态风险与生态安全、生态入侵、生态系统健康评价、生态安全评价方法和生态安全预警方面[9]，逐渐转变为从土地利用变化的角度对区域生态安全状况进行动态评价。我国1998年长江洪水后，生态安全问题开始受到了广泛关注，大量学者从可持续发展的角度，以多指标综合评价、生态系统服务功能评价、生态格局分析以及土地利用变化的效应分析等为切入点对区域生态安全问题从理论到方法作了大量的研究[16-18]。
鄂尔多斯位于我国北方农牧交错带[19]，生态系统具有脆弱性和敏感性[20]。近年来，因其丰富的资源优势，创造了举世瞩目的“鄂尔多斯经济现象”[21]。但是土地利用也发生了很大的变化[22-24]，致使生态环境问题较为突出：沙漠化急剧发展，可利用土地锐减；草地退化严重，承载力急剧下降；生态环境敏感，自然灾害频繁[25-30]。基于此，本文选择生态环境脆弱、社会经济快速发展的鄂尔多斯为研究区，探讨区域生态安全动态评价的方法，为构建生态安全条件下的景观格局、妥善解决鄂尔多斯生态环境退化和社会经济快速发展间的矛盾提供科学依据，也为西部生态环境管理决策提供借鉴。同时，将土地利用变化和生态安全评价研究这两个热点问题相结合，深化了本研究的理论深度。
1 研究区与数据来源
1.1 研究区
鄂尔多斯地区是我国半干旱地区一个相对独立的自然地理单元[31]，位于温带草原与荒漠的过渡地带、黄河与长城的环抱之中，地理坐标为106°42'～111°27'E、37°35'～40°51'N(图1)。属典型的温带大陆性气候，年降水量仅为170～350mm，年蒸发量却达2000～3000mm。地形西高东低，平均海拔在1000～1500m之间，西部为波状高原区，属典型的荒漠草原，东部为丘陵沟壑水土流失区和砒砂岩裸露区，北部为黄河冲积平原，中部为毛乌素沙地和库布其沙漠，总面积为8.74×10[4]k
[32]。境内自然资源富集，煤炭探明储量约占全国的1/6，天然气探明储量约占全国的1/3，羊绒制品产量约占全国的1/3，素有“地下煤海”、“世界羊绒产业中心”等美誉。近年来，鄂尔多斯与黄河北岸的呼和浩特市、包头市形成了内蒙古经济发展最为活跃的“金三角”。
1.2 数据来源
采用鄂尔多斯市1988、2000和2008年Landsat ETM影像数据。其中，1988、2000年数据为中国科学院资源与环境数据中心解译结果；2008年数据采用人机交互式解译。首先，对遥感影像的光谱特征进行识别，运用假彩色合成。其次，基于GPS定点信息，参考1988、2000年的土地利用图，选取“感兴趣区”，运用ENVI进行8类土地利用类型的监督分类，分别是耕地、林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、建设用地和未利用地。最后，进行人工目视解译的修正。另外，还有鄂尔多斯植被类型图(1∶100万)[32]、土壤类型分布图和土壤侵蚀类型图(1∶100万)[33]；鄂尔多斯基础地理数据来自国家基础地理信息中心；鄂尔多斯分旗区社会经济统计数据来自内蒙古统计年鉴(1988、2000、2008年)[34]；鄂尔多斯1988-2008年气象数据来自国家气象局。此外，还有来源于鄂尔多斯市统计局、林业局及农业局的相关资料。
图1 鄂尔多斯地理位置
Fig.1
Location of Ordos
2 研究方法
2.1 评价单元
本研究采用30m×30m的栅格作为基本的评价单元。运用RS和GIS工具得到每一个评价单元的相关指标数值，以每一个评价单元作为信息的空间载体。针对不同数据源的评价指标，根据不同空间精度的特点，采用了不同的量化方法：①对于以旗区为统计单元的统计指标(如人口密度、人均粮食产量等)，采用矢量化的方法进行量化，再将矢量转成栅格，经投影转换后，运用ArcGIS 9.0的Resample模块进行重采样，将其统一至30m×30m的评价单元；②对于图片格式的图形数据(如土壤侵蚀、土壤质地等)，先进行空间校正，人工数字化成矢量图层，再将矢量转成栅格，运用ArcGIS 9.0的Resample模块进行重采样，将其统一至30m×30m的评价单元；③对于观测的空间点状数据(积温、年均降水)，则采用ArcGIS 9.0空间插值的方法转换成空间面状数据，再存储为栅格数据，运用ArcGIS 9.0的Resample模块进行重采样，将其统一至30m×30m的评价单元。
2.2 评价指标和标准
(1)评价指标
区域生态安全评价涉及社会、经济和自然等各个方面，迄今还没有一个明确的、统一的标准体系。目前，多从自然、经济和社会因素进行确定，或者基于OECD和UNEP提出的“压力-状态-响应”模型来构建指标，也有按照国家环境保护总局颁布的《生态环境状况评价技术规范(试行)》[35]来确定指标[36]。本文在科学性、客观性、整体性、层次性、可比性和可操作性原则下，遵循“PSR”的框架体系，在研究区土地系统分析的基础上，构建了“资源-社会-经济”的压力指标，“自然-生态-环境”的状态指标，“人文-社会”的响应指标(见表1)。
(2)指标基准和标准
指标标准和等级划分是否科学合理直接影响到评价结果的正确与否。目前，多选取国际公认值和世界平均值作为基准值，部分指标的基准值采用了全国平均值。除国家规定的标准和行业规范与设计标准之外，生态评价的标准大多处于探索阶段[17]。考虑到不同类型数据的特点，采用以下4种方法设定安全基准值(表1)：①国际、国家、行业和地方规定的标准。国家标准是指国家已发布的生态、环境质量标准，如农药安全使用标准(GB4285-89)、粮食卫生标准(GB2715-81)等。行业标准是行业发布的环境评价规范、规定、设计要求等，如《生态环境状况评价技术规范(试行)》[35]。另外，地方政府颁布的水土流失防治要求、化肥农药使用标准等，亦可作为评价基准值的依据。②世界平均值、国家平均值、国际公认值。③生态环境相似的、更大范围的区域平均值作为背景和本底标准。④科学研究已判定的生态效应被广泛引用的分级标准。在相似的研究区内开展的同类研究中，根据当地的自然地理环境特点，设定了评价指标的基准值或分级标准(表2、3)。
(3)评价指标的量化
根据统计、遥感以及观测数据的自身特点，结合研究区特点，遵循标准设定的一般方法，对各个指标进行量化。
统计数据采用商值法。一般情况下，安全水平量度的指标可划分为正向指标和逆向指标等，正向指标的指标数值越大，越安全。相反，逆向指标的指标值数值越大，越不安全。对两种指标的规范化处理方法有所不同，具体如下：
正向指标，标准值为“安全值”：
2.3 评价方法
目前，对区域生态安全的评价还处在实践和探索阶段，比较常用的方法有：景观格局优化法[42]、综合指数法、景观指数法[43]、层次分析法、模糊评价法等。其中，综合指数法是目前应用较多的一种方法。该方法首先根据“PSR”模型建立表征各生态安全因子多层次的生态安全指标体系，用专家咨询法等对各指标因子的相对权重进行确定，然后通过数学计算得到生态安全程度的综合指数(或分数)。本文研究亦采用此法来进行评价。
(1)确定评价指标权重
空间主成分分析方法，通过主成分分析方法确定各评价因子的权重，消除了各数据之间的重叠信息，具有一定的科学性。为了使研究结果在时间上具备可比性，不同时段评价指标的权重必须一致。为此，从1988、2000和2008年三个年度选取了共1200多个栅格作为样本进行主成分分析，要求每一年的样本量尽量体现整个区域的水平，同时要兼顾随机性。具体方法：首先逐年建立点图层，手动随机采样，运用ArcGIS 9.0的Extract value to points模块，提取每个指标的信息，使每一个栅格评价单元中都具备20个指标的信息，这样，就获得了1200多个带有20个指标信息的主成分分析样本(图2)。整理成一个样本数据列表导入SPSS软件，根据主成分矩阵和各主成分的贡献率计算出各因素的权重。公式如下：
(2)生态安全指数及分级
采用综合指数法，根据式(4)将标准化后的各数据图层进行叠加计算，得出生态安全指数分布图。
为了使评价结果更直观、更有利于分析对比，从高到低将生态安全指数划分为5级。各等级的划分标准和生态安全状况特征如表4，并根据分级标准将各年的生态安全指数进行分级测算(图3)。
3 结果分析
3.1 时间特征
从1988、2000和2008年研究区生态安全指数平均值来看，1988年的生态安全平均值最高(70.78)，2000年的生态安全平均值最低(64.52)，而2008年的介于二者之间(67.29)。表明：1988年的整体生态安全状况最好，2000年恶化明显，至2008年生态安全状况又得到了明显好转，但仍比1988年的生态环境状况差。
1988-2008年间，研究区生态安全水平呈现出先恶化后改善的趋势。1988年研究区内生态安全状态良好，较为安全的土地面积最多，达43 157 k，占总面积的50.59%。临界安全的土地面积为39 908 k，占总面积的46.78%。2000年的生态安全状态急剧恶化，较不安全的土地面积达到21 019 k，占到总面积的24.69%，比1988年增加了20 246 k。同时，较为安全的土地面积仅为16 911 k，占总面积的比例下降到19.87%，比1988年减少了26 246 k。而很安全的土地面积由1988年的1 465 k急剧降至14 k，几乎消失殆尽。至2008年，生态安全状态整体明显好转，其中，临界安全等级及以上的土地面积达到88.17%，较为安全的土地面积增加了11 403 k，增至28 314 km[2]，占总面积的33.25%。
从20 a的整体变化来看，研究区生态安全水平依然呈恶化态势。2008年较1988年的较不安全土地增加了9 298 k，比例增加了10个百分点。同时，较为安全及很安全的土地面积都急剧下降，分别下降了14 843 k和1 364 k，比例下降了17个百分点和1.6个百分点，导致2008年很安全的土地仅为101 k。
3.2 空间特征
从图3可以看出，1988年，研究区的中部及西南部的鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗的生态环境处于较为安全水平，鄂托克旗的局部地区呈现很安全的生态安全水平。东北部普遍为临界安全水平，仅东胜区出现较不安全的情况。至2000年，研究区南部地区包括鄂托克前旗和乌审旗在内的大面积土地已经转为临界安全水平，主要是毛乌素沙地的生态安全退化明显，甚至在乌审旗的北部地区还出现了较不安全的土地，同时，杭锦旗较不安全的土地面积显著增加，主要在库布齐沙漠地区。至2008年，鄂托克前旗、准格尔旗和杭锦旗的生态安全水平得到了明显提高，同时达拉特旗的生态安全水平迅速下降。
3.3 土地利用与生态安全关系
从图4可以看出，高覆盖度草地的生态安全值均最高，在1988年、2000年，中覆盖度草地的生态安全指数位居第二位，而2008年下降到第三位，取而代之的是水域。低覆盖度草地的位次也呈现出先减后增的态势，2008年位居第四位，大于林地。林地的位次则呈现出先增后减的特点，2000年林地的生态安全值最高，位于当年的第三位，仅次于高、中覆盖度草地，而1988年和2008年位居第五，仅高于耕地、建设用地和未利用地。耕地的安全程度由1988年的最低转变为2000年、2008年的第6位，整体有所好转。建设用地和未利用地的整体生态安全水平最低。
图4 鄂尔多斯市1988、2000和2008年不同土地利用类型的生态安全值
Fig.4 Distribution of ESI among different kinds of land use in Ordos
4 结论与讨论
4.1 结论
土地利用变化与生态安全水平密切相关。从土地利用角度研究区域生态安全还处于起步和探索阶段，尽管目前还存在评价指标体系主观性强、缺乏系统性及多尺度的指标体系、生态安全阈值的确定缺乏定量研究以及生态安全等级划分缺乏客观性等问题，但确实为分析土地系统和研究区域生态安全提供了一个基本视角。通过研究，本文结论如下：
(1)20 a来，研究区整体生态安全状况呈现“先恶化、后改善”的趋势。与2000年后“退耕还林还草”、“禁牧和休牧”政策的开始实施直接相关，说明土地利用等经济活动和政策措施的实施对区域生态安全水平存在显著影响，尤其是政策对农牧业发展及整体的生态环境导向方面发挥着越来越重要的作用。因此，从政策制定及实施层面重视生态环境的保护是确保区域生态安全、推动区域可持续发展的重要保障，应继续对生态安全等级低的地区实施相应的政策支持。
(2)库布齐沙漠、毛乌素沙地的生态安全等级低，且恶化显著、但恢复速度也快。西部沙地的鄂托克旗生态安全等级高，东部丘陵沟壑区的生态状况在不断改善。另外，高覆盖度草地是最安全的土地利用方式，其次是中覆盖度草地；林地的生态安全水平非常稳定；水域和低覆盖度草地的生态安全多处于“临界安全”水平，且不稳定，极易受降水、盐渍化和沙化的影响。相比之下，耕地、建设用地和未利用地三种土地利用方式最不安全。表明人类活动是生态环境状态的重要影响因素，同时，如能正确地引导人类活动，如限制建设用地的无序开发，植树种草防止沙化，禁止过度放牧等也能够明显改善区域生态安全水平。
(3)遵循“压力-状态-响应”的框架体系，在LUCC驱动力分析基础上确定评价指标，且尝试将所有不同数据源的指标在空间进行统一表达；研究中根据不同数据的来源及特点，在标准设定的方法上进行了有益尝试，尽量避免了人为主观因素的影响。区域生态安全的评价结果在空间上实现了高精度表达，可为当地政府的生态发展规划提供技术支撑。
4.2 讨论
综合指数法是常用的评价方法，因子权重确定尤为重要，只依赖专家打分或是主成分分析，均不能对各因子对结果的贡献率进行准确评估，将两种方法结合起来，才能更大发挥“主观经验”和“软件工具”的优点，使权重更加科学可信。由于专家打分需要对本研究区、生态安全研究都非常熟悉的30余名专家共同参与方可有效，故研究中仅采用了主成分分析来计算权重，之后咨询个别专家确定权重。因此，在权重确定过程中的准确性和科学性方面还有待提升。
由于数据序列获取的可得性，研究中不得不放弃一些指标，或采用其他指标来代替，例如没有采用农药使用量的指标，而只采用了化肥施用量指标，没有采用“环保投入”的指标，仅用“人均GDP”的指标来替代研究区的环保投入能力。同时，由于统计数据是以旗(区)为单元的，导致最后的结果有明显的旗(区)边界，如果能够获得分镇、乡和苏木的数据，将会大大提高评价结果的空间精度，为当地的生态环境管理提供更为有效的技术支持。