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北方农牧交错带土地利用生态安全评价_马瑛_图文

DO I :10.13448/j .cnki .jal re .2007.07.011

第 21卷  第 7期 2007年 7月

干  旱  区  资  源  与  环  境 JournalofAridLandResourcesandEnvironment

Vol.2 1 No.7 July.2007

文章编号 :1003 -7578(2007)07 -053 -06

北方农牧交错带土地利用生态安全评价*

马  瑛
(北京石油化工学院人文社科学院 , 北京  102617)
  提  要 :土地利用生态安全评价是土地资源可持续利用研究的核心和基础 。根据各评价 指标对生态环境的影响程度 , 将其划分为很不安全 (Ⅰ )、较不安全 (Ⅱ )、临界安全 (Ⅲ )、较为 安全 (Ⅳ )和很安全 (Ⅴ )共 5个等级 。 在 GIS技术支持下 , 以北方农牧交错带 192个县 (旗 、县 级市 )级行政单元作为基本研究对象 , 采用灰色综合评估方法评价各县土地利用生态安全 , 得 出其综合权系数向量 , 并使用系统聚类方法将评价结果划归不同生态安全等级 。结果表明 : (1)1989年和 2000年北方农牧交错带各县土地利用生态安全水平都较低 , 1989年以 Ⅰ 级为 主 , 2000年以 Ⅱ级为主 。 (2)与 1989年相比 , 2000年各县土地利用生态安全水平普遍有所提 高 。 (3)Ⅲ级区在 1989年仅包括 4个县 , 2000年扩大为 24个县 , 并且以大兴安岭山地区和东 北冲积平原地区 、陕北黄土高原区分布最为集中 。 (4)1989年没有县达到 Ⅳ级 , 而 2000年仅 有一个 ;12年来 , 没有任何一个县的土地利用生态安全达到 Ⅴ级 。
关键词 :土地利用 ;生态安全 ;灰色综合评估方法 ;系统聚类方法 中图分类号 :X826         文献标识码 :A
生态安全是可持续发展的核心和基础 , 没有生态安全 , 系统就不可能持续发展 [ 1 -2] 。 近年来 , 随着土 地利用 /土地覆盖变化 (Landuse/landcoverchange, LUCC)领域的兴起 , 有关土地利用生态安全评价的研 究成为土地资源可持续利用研究的最新动向 [ 3] 。 土地利用与生态环境安全水平密切相关 。 合理的土地利 用活动有利于促进生态环境向良性方向发展 , 生态经济系统处于稳定 、有序 、均衡的健康状态 ;反之 , 则导 致生态环境迅速恶化 。二者有机协调 , 才可实现土地资源乃至经济和社会的可持续发展 。
目前 , 关于生态安全评价的常见方法有综合指数法 、景观指数法 、层次分析法等 [ 4 -7] 。 这些方法往往 对各项指标值直接进行累加或算数平均 , 然后排序分类 , 人为清晰化生态安全的界限 , 抹杀其界限的模糊 性 。这将损失部分有用信息 , 造成最终评价结果趋同的现象 。而区域土地利用系统是一个复杂的巨系统 , 其包含的因素众多 , 涉及自然和人文两个方面 , 而且往往存在不确定性 。由于系统包含的信息不能完全确 知 , 各因素在系统中的作用也不能完全确定 , 所以区域土地利用系统是一个典型的灰色系统 。要对区域土 地利用生态安全尽量做到客观 、准确的评价 , 深刻把握土地资源可持续利用的状况和存在的问题 , 就必须 充分考虑土地利用过程中多因素的影响以及尽可能包含较多的信息 。 研究表明 , 灰色综合评估方法在这 一方面具有明显优势 [ 8 -10] 。
中国北方农牧交错带位于半干旱地区 , 是我国生态环境的一条重要过渡地带和生态安全屏障 。其植 被类型和生态景观极具特殊性 , 经济基础薄弱 , 贫困人口集中 , 生态环境较为脆弱 , 易于受外部因素干扰且 发生不利于人类利用的变化 , 以致在土地利用过程中出现许多突出的生态问题 。 因此 , 评价北方农牧交错 带土地利用生态安全水平 , 对合理调整区域土地利用格局 , 探讨基于生态安全的土地利用模式 , 促进区域 经济和社会可持续发展具有重要的现实意义 。 因此 , 本文以北方农牧交错带 192个县 (旗 、县级市 )级行政 单元作为基本研究对象 , 采用灰色综合评估方法评价土地利用生态安全水平 , 并分析其时空变化特征 。
* 收稿日期 :2006 -5 -18。 作者简介 :马瑛 (1978 -), 女 , 回族 , 宁夏银川人, 主要从事旅游规划与生态学研究 。 E-mail:maying@bipt.edu.cn

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1 研究区概况

北方农牧交错带位于内蒙古高原东南边缘和黄土高原北部 (图 1), 包括内蒙古 、黑龙江 、吉林 、辽宁 、 河北 、山西 、陕西 、甘肃 、宁夏 、青海 10个省 (区 )共 192个县 (旗 、县级市 ), 总面积达 72.6 ×104 km2, 人口约 65.6 ×106人 。 年平均气温 2℃— 8℃, 年均降水量为 300— 450mm, 年际降水变率大 (约 25%)。 土质较粗 而疏松 , 暴雨 、大风集中 。 研究区粮食平均单产 1.91t/hm2, 人均国内生产总值 1607元 , 192个县中 80%以 上为国家贫困县 。在过去 , 由于不合理的土地利用方式 , 如滥垦 、过牧及樵采等 , 使得该区域的生态系统受 损 、土地荒漠化现象严重 、水土流失 、风沙侵袭 、盐碱化 、干旱化 、生产力降低 、虫鼠害频发等 , 造成对农牧业 生产与人民生活的严重危害和生态环境的重大威胁 。

2 数据来源

中国北方农牧交错带全样带 1989和 2000 年两期土地利用数据基于 NOAA/AVHRR影像分类而成 , 分为耕地 、林地 、草地 、水域 、城镇用地和难利用土地 6种土地覆盖类型 。图像空间分辨率为 1km×1km, 投 影方式为 Albers等积投影 。所用社会经济数据来自中国北方农牧交错带 192个县 (旗 、县级市 )1989— 2000年统计数据 (其中 , 部分数据获自中国自然资源数 据库 , 其网 址为 :http://www.date.ac.cn/index. asp)。 气象数据基于全国 726个气象站点的观测资料 , 将其在 ARC/INFO中转为矢量图层 , 然后利用克里 金插值法 (Kriging)内插算出北方农牧交错带 1989年和 2000年降水量与 ≥10℃积温 , 然后分别按县统计 出其平均值 。地貌数据参考中国地貌区划图 , 结合研究区地貌类型数据资料 , 裁剪生成研究区地貌区划 图 , 划分为松辽平原西部及大兴安岭山地 、辽河上游科尔沁风沙区 、内蒙古高原中东部及冀北山地 、吕梁太 行燕山山地 、鄂尔多斯高原风沙区 、陕北陇东黄土高原区以及青藏高原东部和陇中黄土高原区七大类型 区。

3 研究方法

3.1 构建土地利用生态安全指标体系 区域土地资源生态安全评价涉及到自然 、经济和社会
多方面 。根据指标选择的科学性 、系统性 、相对独 立性和 可比性等原则 , 以土地资源的可持续利用为目标 , 从区域 生态环境系统与人类活动之间的状态 -压力 -响应机制

方面选择 18个要素构建北方农牧交错带土地利用生态安 全评价的指标体系 。 该指标系统包括生态环境质量状态 、 资源与社会人文压力和社会人文响应 3个子系统 。 3.1.1 指标分级标准制定
土地利用生态安全评价指标的分级及阈值确 定是一

项极富探索性的工作 。本项研究在查阅相关文献 和资料 的基础上 , 结合北方农牧交错带土地利用实际特点 , 根据 各指标因素对生态环境的影响程度 , 适当将其划分为很不 安全 (Ⅰ )、较不安全 (Ⅱ )、临界安全 (Ⅲ )、较为安全 (Ⅳ )

图 1 北方农牧交错带位置及范围 Fig.1 Thelocationofthe
farming-pastoralzoneinnorthernChina

和很安全 (Ⅴ )共 5个等级 (表 1)。分级标准主要遵循以下几方面的考虑 :(1)国家 、行业和地方规定的强 制标准 ;(2)国际或国内公认值 ;(3)类比标准 , 即以全国平均水平作为参考标准等 ;(4)科学研究已判定的 生态效应 ;(5)专家经验值 。 3.1.2 权重的确定

采用层次分析法 , 请多名该领域专家对各层指标的相对重要性进行两两比较 、判断 , 在汇总各专家评 价结果的基础上 , 采用和积法 , 得到评价指标的相对重要性判断矩阵 , 并计算得出各指标的权重 (表 1)。 经检验 , 层次排序均有满意的一致性 。 3.2 建立土地利用生态安全评价模型

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该方法根据灰色系统综合评价方法的数学原理 , 首先将各评价指标分为不同的灰类型 , 然后建立隶属

于各灰类型的权函数 , 以定量地描述某一评价对象隶属于某个灰类的程度 。 对具有多层次评价指标的体

系 , 可在子系统评价的基础上再对上一层次加权综合 , 以反映系统的整个状况 。 其计算步骤具体如下 :

(1)给出白化数

设 L子系统有 k=1, 2, … , n个评价对象 , 有 i=1, 2, …, m个评价因子 , 每个因子分为 j=1, 2, …, h个

灰类 , dki为第 k个评价对象对应第 i个指标的观测值 , 则评价对象 k=1, 2, …, n对应所有指标 i=1, 2, …, m的观测值构成白化数矩阵 D:

d11 d12 … d1m

D= d21 d22 … d2m … …… …

(1 )

dn1 dn2 … dnm

(2)确定白化权函数

其数学表达式为 :

当灰类 j=1时 , k对象 i指标的白化权函数为 :

1

dki≤Xj

fL kij=

X(j+1) -dki Xj+1 -Xj

Xj<dki<X(j+1)

(2 )

0

dki≥ X(j+1)

当灰类 j=2, 3, …, (h-1)时 , k对象 i指标的白化函数为 :

0

dki≤ X(j-1)

dki -X(j-1) Xj-X(j-1)

fL kij=

1

X(j-1) <dki<Xj dki=Xj

(3 )

X(j+1) -dki X(j+1) -Xj

Xj<dki<X(j+1)

0

dki≥ X(j+1)

当灰类 j=h时 , k对象 i指标的白化函数为 :

0

dki≤ X(j-1)

fL kij=

dki -X(j-1) Xj-X(j-1)

X(j-1) <dki<Xj

(4 )

1

dki≥Xj

在 (2— 4)式中 :k=1, 2, …n;i=1, 2, …, m;fL kij为 L子系统 k对象 i指标 j灰类的白化函数 ;Xj、Xj-1 、

Xj+1分别为 j灰类 、(j-1)灰类 、(j+1)灰类的灰类值 (分级标准 )。

(3)对各子系统进行灰色评价

设 L子系统 i评价指标的权重为 WL i, 得出白化权系数矩阵 :

m

m

m

∑ ∑ ∑ AL

= i=1

fL
ki1

WL i,

i=1

fL
ki2

WL i,

…,

fL kihWL i
i=1

(5 )

k=1, 2, …, n;j=1, 2, …, h

(4)在各子系统灰色评价的基础上进行综合 设 L子系统的权重为 RL, 计算系统综合权系数矩阵 :

s
A=∑ ALRL L=1
式中 A为系统综合权系数矩阵 , S为系统所包含的子系统数 。

(6 )

3.3 确定土地利用生态安全等级

应用灰色系统综合评估方法 , 首先分别对各子系统进行评估 , 其次将各子系统的评估结果进行综合评

估 , 得到系统的综合权系数向量 。通常采用最大隶属度原则 , 从每个县 (旗 、县级市 )的综合权系数向量中

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选出最大分量作为评价结果 , 其对应的等级即为土地利用生态安全级别 。 但是 , 如果在综合权系数向量 中 , 至少有两个以上的分量相当时 , 采用最大隶属度方法可能导致评价结果不准确 。因此 , 使用系统聚类 方法来确定土地利用生态安全评价等级 。 分层聚类的步骤利用社会经济统计软件 SPSS来实现 。 在程序 运行实践中 , 经过多次分析和对 比 , 选择类 间平均链锁 (Between-groupslinkage)聚类方法 和距离平方 (SquaredEuclideandistance)距离测度方法进行了分型划类 。

4 结果分析

根据指标量化分级值所表征的生态安全意义 , 表 1中的指标可分为赋值越大生态安全程度越高的指 标和赋值越大生态安全程度越低的指标两大类 。在将 1989年和 2000年所有指标值代入 5级灰类白化函 数 (公式 (2)— (4))中进行计算时 , 对于值越大生态安全程度越低的指标 , 如景观破碎度指数 、人口相对上 年增长率 、人口密度 、 >25°坡耕地面积率和单位耕地化肥用量等 , 应取其倒数 , 相应的分级标准也取倒数 。 根据表 1中的指标体系和权重 , 应用灰色综合评估法和系统聚类方法计算得到北方农牧交错带 192个县 (旗 、县级市 )土地利用生态安全评价等级 (图 2)。

图 2 1989年和 2000年北方农牧交错带土地利用生态安全评价 Fig.2 Theecologicalsecurityassessmentoflanduseinthefarming-pastoralzoneofNorthernChinain1989 and2000
在图 2中 , “未评价区域 ”指各地级市的市辖区部分 , 这些区域没有农业生产与投入的指标 , 且均属于 社会经济发展水平较高区域中心城市 , 故未做研究 。 按各个等级区分析可知 :(1)很不安全 (Ⅰ )区 :1989 年全带绝大部分县属于 Ⅰ 级区 , 占总土地面积的 81.3%, 2000年降至 2.4%, 仅包括 5个县 。 (2)较不安全 (Ⅱ )区 :1989年主要包括 13个县 , 以内蒙古高原东部边缘和冀北 、燕山山地区交界地带最为集中 ;2000绝 大部分县属于 Ⅱ级区 , 占总土地面积的 74.5%。 (3)临界安全 (Ⅲ )区 :1989年仅有 4个县达到 Ⅲ级 , 2000 年扩大为 24个县 , 并且以大兴安岭山地区和东北冲积平原地区 、陕北黄土高原区分布最为集中 。 较为安 全 (Ⅳ)区 :1989年没有县达到 Ⅳ级 , 而 2000年仅有一个 。 总体来看 , 1989年和 2000年北方农牧交错带各 县 (旗 、县级市 )土地利用生态安全水平都较低 , 1989年以 Ⅰ 级为主 , 2000年以 Ⅱ级为主 ;与 1989年相比 , 2000年各县 (旗 、县级市 )土地利用生态安全水平普遍有所提高 。 北方农牧交错带土地利用生态安全总体 水平低下的原因可以从自然和人文两个方面来加以阐述 。 (1)自然生态基础脆弱 。 大部分地区地势起伏 大 , 山多平地少 , 地形破碎 , 季风气候异常显著 , 暴雨 、大风集中 。 (2)资源利用过度 。 长期的人口压力 , 在 落后的生产方式下 , 形成对资源的掠夺利用 , 突出的问题是过垦 、过樵和过牧 , 这是导致我国农牧交错带 生态退化极其严重的最主要的人为因素 。 (3)生态建设速度赶不上破坏速度 。 (4)经济基础薄弱 , 贫困人 口集中 , 生产力落后 , 农业耕作方式粗放 。
土地利用生态安全水平的提高是基于该区域生态 、经济和社会效益有机结合 、相互协调的基础上的 , 过分追求某个环节的利益 , 都是不可取的 。随着国家 “退耕还林 ”、森林保护等生态政策在北方农牧交错带

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的实施 , 这一区域的生态环境状况得到了一定程度的改善 。另外 , 经济建设步伐加快 , 人民生活水平有了

较大提高 。 各县土地利用生态安全程度逐步得到了加强 。 但是 , 北方农牧交错带土地利用生态安全的问 题在今后一段时间内仍然比较严重 , 部分评价指标还达不到国家的平均水平 。因此 , 对各县土地利用生态

安全状况的分析和揭示 , 为研究和探讨其生态安全条件下土地利用格局优化模式以及实现土地资源可持

续利用的目的 , 提供了一定的科学基础 。
表 1 北方农牧交错带土地利用生态安全评价指标分级 与权重 Tab.1 Thegradesandweightsofindexesforevaluatingtheecologicalsecurityoflanduse
inthefarming-pastoralzoneofNorthernChina

评价子系统 权重 生态

评价指标 森林覆盖率 ① (%)

权重 0.394

指标分级标准

很不安全  较不安全 临界安全  较为安全  很安全

10

15

25

40

50

环境 0.3
质量

≥10℃积温 ② (℃) 年降水量 ② (mm)

0.075 0.394

1000 100

1700 250

3500 400

4500

5300

800

1000

状态
资源 与
社会 人文 压力
社会 人文 响应

景观破碎度指数 ③ 人口相对上年增长率 ④ (%)

0.138 0.067

人口密度 ⑤ (人 /hm2)

0.037

城镇化水平 ⑤ (%)

0.115

人均耕地面积 ⑤ (hm2 /人 )

0.205

0.4

>25°坡耕地面积率 ⑤ (%) 水域面积率 ⑤ (%)

0.037 0.115

灌溉面积率 ⑤ (%)

0.037

单位耕地化肥用量 ⑥ (kg/hm2 ) 0.067

人均 GDP⑦ (元 /人 )

0.115

人均粮食产量 ⑧ (kg/人 )

0.205

乡村劳力农机总动力 ⑤ (千瓦 /人 ) 0.227

0.3 中小学在校学生数比例 ⑤ (%) 0.423 人均基本建设投资 ⑤ (元 /人 ) 0.227

人均财政收入 ⑤ (元 /人 )

0.123

0.10 4.0
3 10 0.1 7.0 1 15 500 2000 150 0.1
10
100
100

0.07 2.0
2 20 0.2 5.0 3 25 400 3300 300 1.0
13
300
300

0.05 1.0 1.5 30 0.3 3.0
5 35 280 6600 400 1.5
16
500
600

0.03 0.5 1.0 40 0.4 1.0
7 45 225 10000 450 2.0
19
800
1000

0.01 0.1 0.5 50 0.5 0.1 10 55 200 25000 500 2.5
22
1200
1500

注 :指标阈值来源与分级依据 :①参照目前国家森林覆盖率平均水平和小康社会森林覆盖率应在 15%以上的目 标自行分级 。 ②根 据不

同温度带 、不同气候类型以及农业状况构成的特点分级 。 ③根据北方农牧交错带土地利用程度和特点自行分级 。 ④参照目前国家人口自然

增长率平均水平及全面小康社会须低于 8‰的目标自行分级 。 ⑤根据目前国 家平均水平和北 方农牧交错带实 际状况自行 分级 。 ⑥参照 国

家目前平均水平 400 公斤 、发达国家设置的安全上限 225公斤以及发达国家目前 平均水平 200 公斤自 行分级 。 ⑦参照 温饱型 、总体小 康型

和全面小康型社会对应的 400美元 、800美元及 3000美元标准并大致换算为人民币后自行分级。 ⑧参照温饱型 、小康型 、中等型和富裕型对

应的 300 公斤 、400公斤 、 450 公斤及 500公斤标准分级 。

5 结论

灰色综合评估方法充分考虑了土地利用过程中多因素的影响以及尽可能包含较多的信息 , 使得评价 更为合理和客观 。系统聚类方法则在其评价的基础上 , 对评价结果中综合权系数向量进行分型划类 , 以确 定土地利用生态安全等级 。采用这两种方法对北方农牧交错带 192个县 (旗 、县级市 )级行政单元的土地 利用生态安全进行评价和判定 , 表明 1989年和 2000年各县土地利用生态安全水平均较低 , 且 2000年较 1989年普遍有所提高 。
在对北方农牧交错带土地利用生态安全评价指标制定分级标准时 , 尽可能参考相关行业标准 、科研标 准和国际国内平均标准 , 使得研究结果与国家及其他地区具有横纵向可比性 。这将为地方决策部门进行 规划时提供较为客观和现实的科学依据 。

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参考文献
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TheAssessmentontheEcologicalSecurity ofLandUseintheFarming-PastoralZone
ofNorthernChina
MAYing
(SchoolofHumanitiesandSocialSciences, BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology, Beijing 102617, China)
Abstract
Theassessmentoflanduseisthecoreandbaseofthestudyonsustainablelanduse.Allestimatingindices aregradedfromveryinsecurity(Ⅰ ), relativeinsecurity(Ⅱ ), criticalsecurity(Ⅲ ), relativesecurity(Ⅳ) andverysecurity(Ⅴ )bygivenquantitativecriterions.BasedonGIStechnology, theecologicalsecurityofland useof192 countiesinthefarming-pastoralzoneofNorthernChinawasevaluatedbyusingGrayComprehensive Assessmentmethod.Thencomprehensiveweightcoefficientmatrixofobjectswasacquired.Ingeneral, themaximumcomponentcanbeselectedfromthecomprehensiveweightcoefficientmatrixofobjectstodeterminetheevaluatedresult.Themeanstodetermineitfollowsmaximalsubjectiongradeprinciple.Conclusionsindicatedthat: (1)asawhole, theecologicalenvironmentsecurityoflanduseofeverycountywasinferiorin1989 and2000. MostcountiesbelongedtoⅠ -classregionsin1989, butⅠ -classcountieswereonlyfivein2000.thesecurity ofmostcountieswasuptoⅡ -classin2000.(2)Theecologicalsecurityoflanduseofmostcountieswasmore superiorin2000 thanin1989, whichindicatedtheecologicalenvironmentqualitywasimprovedin2000.(3) Only4 countiesbelongedtoⅢ -classregionin1989, however, theywereaddedupto24 in2000 andmainlylocatedinDaxinganmountainandalluvialplainareaofnortheasternChinaandLoessplateauofnorthernShaanxi. (4)NocountyreachedⅣ classin1989, andonlyonein2000.NoanycountiesreachedⅤ classin1989 orin 20 00.Theecologicalsecurityproblem oflanduseisstillseriousinalaterperiod.
Keywords:landuse;ecologicalsecurity;graycomprehensiveassessmentmethod




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