霍林河流域中下游土地利用变化及生态安全响应

李 闯，刘吉平

（吉林师范大学 旅游与地理科学学院，吉林 四平136000）

生态安全是指生态系统的健康和完整情况，是人类在生产、生活和健康等方面不受生态破坏与环境污染等影响的保障程度，包括饮用水与食物安全、空气质量与绿色环境等基本要素。国外对生态安全的研究始于20世纪70年代末，现已取得了不少成果，主要集中在生态安全定义的扩展、环境变化与安全的经验性研究、环境变化与安全的综合性研究及环境变化与安全内在关系研究等方面，除此之外，国内外部分学者还对生态安全的概念、特点和内涵等方面做了论述[1－4]，但是这些研究探讨的多是在全球或是国家层面上的问题，而对地方或区域层面上的生态安全研究尚显薄弱，对一些地方或区域特别的环境压力与安全的关系有所忽略[5－6]。因此，开展区域生态安全评价研究具有十分重要的科学意义和实践意义。而土地利用变化（LUCC）影响着能量交换、水分循环、土壤侵蚀与堆积、作物生产等陆地主要生态过程的结构和功能，最终造成生态系统的变化[7]。近几年来已有学者开始探讨LUCC的景观生态效应，对土地利用类型的变化进行量化处理[8]，但是目前的研究还不够深入，缺乏对区域土地利用变化生态安全响应的研究。

本文以GIS和RS技术为平台，运用FRAGSTATS软件，采用景观生态学的空间格局分析方法，计算和分析不同土地利用类型的总体变化趋势，在此基础上分析霍林河流域中下游生态安全在时间、空间格局上的变化特征，以期为霍林河流域的生态整治、维护物种多样性及促进生态环境、经济与社会的协调发展提供重要的理论依据。

1 研究区概况

霍林河是松花江流域嫩江水系的一级支流，发源于内蒙古扎鲁特旗德鲁特勒罕山北麓，海拔1 439 m，全长约590km，流域总面积36 623km2，流域西部为大兴安岭南端东麓的低山丘陵区，向东过渡为松辽平原地带。受新构造运动影响，上游山区持续抬升，中下游平原以沉降为主，形成隆状沙丘与垄间洼地交错相间排列的微地貌格局，从而发育了面积广泛的沼泽和湖泊，有科尔沁、向海和查干湖湿地，其中向海湿地为国家重要湿地。气候上属北温带大陆性季风气候，年均气温4.6～5.6℃；年降水量一般低于400mm，远小于蒸发量，水资源较为缺乏，一般年份霍林河为内陆无尾河。土壤类型主要有黑钙土、淡黑钙土、风沙土、盐渍土、草甸土和沼泽土沙土。植被包括草甸植被、草原植被、沼泽植被、盐生植被、碱生植被和沙地植被。选择霍林河流域中下游沿岸地区作为研究区，地理坐标为44°02′—45°38′N，122°02′—124°43′E，在行政区划上主要包括吉林省的通榆县、乾安县、洮南市、大安市、前郭县和长岭县，面积23 090km2，约占全流域面积的63.04%。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与处理

霍林河流域1970年土地利用现状是以70年代出版的1∶10万地形图为基础资料数据提取而来，首先在ArcGIS 9.2中对扫描地图进行校正，再对其添加投影，之后对校正好的地图进行数字化；2005年遥感数据集 Landsat7／ETM＋由美国 USGS（http：∥glovis.usgs.gov／）提供，空间分辨率为30m，统一采用西安1980坐标系统、Albers投影以及2005年霍林河流域行政区划图；气象数据来源于中国气象局气象共享中心；社会经济数据来源于2006年吉林省统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用类型划分及转移分析 土地利用／覆盖变化是人类利用土地各种活动的综合反映，其变化在很大程度上记录了人与自然相互作用的过程[9]，以霍林河流域中下游各县的1970年和2005年两期土地利用数据为基础，采用土地利用的一级与二级相结合，以耕地、林地、草地、河渠、湖泊、城镇建设用地、农村居民点、沙地、盐碱地和沼泽地10大类作为生态安全研究的类型。

土地利用结构的变化程度可以用转移概率来描述，利用GIS的空间分析方法，在ArcGIS 9.2的支持下，对研究区两期的土地利用图执行tabulate area操作[10]，获得1970—2005年的土地利用转移矩阵，并在此基础上建立土地利用转移概率矩阵。为避免某些时段可能与其它时段有逆转的现象，这里引入累计转换率，本文采用总土地面积，而不用各个土地利用类型面积是为了使各土地利用类型之间在数量上更有可比性[11]。其计算公式如下：

式中：Pij——i类土地利用覆被类型向j类土地利用覆被类型的累计转换率；i，j——研究区内土地利用覆被类型；Sij——某一时段i土地利用覆被类型向j土地利用覆被类型转换的面积；n——时段；S总——研究区土地总面积。

2.2.2 土地利用综合指数构建 土地利用结构及其变化是自然和人文等多种因素作用于一定区域生态环境体系的综合反映，因此，对某区域景观空间格局的研究是揭示该区域生态状况的有效手段。景观生态学注重空间异质性和空间格局的研究，提出了景观多样性指数及景观均匀度、优势度、分离度、生境破碎化指数等不同的定量指标，为景观空间格局分析奠定了基础[12]。国内一些学者在此基础上，通过构建综合性的土地利用指数，如干扰度指数、脆弱度指数、生态环境风险指数等[13－17]，本文引用该方法，利用以下评价指数对区域土地利用变化及生态安全进行研究。

首先，计算斑块面积（CA）指数，然后，选取斑块数（NP）、斑块密度（PD）、面积加权平均分维数（FRAC—AM）和香农多样性（SHDI）等指数，研究类型和景观水平上各等级斑块的空间格局，由于文章篇幅有限，相应类型级别上的指标不予给出，所有指数的计算均在Fragstats 3.3下完成。

（1）干扰度指数（Ei）。以破碎度、分离度和优势度为基础构建土地利用干扰度指数，其公式为：

式中：Ei——干扰度指数；Ci——破碎度；Si——分离度；Ki——优势度；a，b，c——它们的权重，且a＋b＋c＝1。以上三个指标由于量纲不同，须进行归一化处理，其计算过程见文献[12]。权重反映了各指数对景观所表征的生态环境不同的影响程度，借鉴前人的相关研究成果[12－13，17]并结合研究区的实际情况，本文对3个指数权重的赋值分别为0.3，0.2，0.5。

（2）脆弱度指数（Fi）。对研究区内各种土地利用类型的脆弱度采用专家咨询法予以确定，其结果为人居地脆弱度最低，其次是湿地，而盐碱地最为脆弱。分别对每种土地类型脆弱度进行赋值，盐碱地10、沙地9、耕地8、草地7、林地6、河渠5、沼泽地4、湖泊3、城镇用地2、农村居民点1，并由此进行归一化后作为这种土地类型的脆弱度指数[14]，详见表1。

表1 土地利用／覆盖要素的脆弱性指数

（3）风险指数（Ri）。风险指数Ri表示在遭遇干扰或自然条件改变时，各土地利用／覆盖类型所受到生态损失的差别，即其自然属性损失的程度，是某一土地利用类型的干扰度指数和脆弱度指数（Fi）的综合，用下式表示。

2.2.3 生态安全综合指数测算 利用所建立的土地利用综合指数，引入生态安全指数，将土地利用格局与区域生态环境状况相联系，把土地利用类型的空间结构变化转化为生态安全的空间变量。

根据研究区内景观斑块的面积情况，确定网格的面积为100km2。利用10km×10km的正方形栅格对景观稳定性指数进行空间化，采样方式为等间距系统采样法，共有样区266个。计算每一样区内各类土地利用类型的景观稳定性指数，以此作为样区中心点的生态安全水平。用于描述一个样区内生态安全的相对大小，以便通过采样方法将景观空间结构转化成空间化的生态环境变量[18]，其计算公式为：

3 结果与分析

式中：ESIk——第k小区生态安全指数；k——从1至266个采样区；m——景观类型的数量；AKi——第k个小区i类景观类型的面积；AK——第k个小区的总面积。ESIk越大，表明该小区的生态安全程度越高，反之生态安全程度越低。

根据上述生态安全评价方法，对研究区1970年、2005年各土地利用类型的生态安全状况进行评价，利用ArcGIS软件的地统计分析功能，选用普通克吕格插值法将研究区各样地生态安全数值分为5个级别，绘制土地利用生态安全空间分布图。

3.1 土地利用结构变化分析

根据公式（1）计算出霍林河流域中下游土地利用转换概率矩阵，由表2可知，各土地利用类型相互转化较复杂，研究区生态系统既有正向演替又有逆向演替，如草地→林地、耕地→林地、耕地→草地、沙地→林地、盐碱地→草地等转化为生态系统的正向演替，而林地→草地、林地→耕地、草地→盐碱地、耕地→盐碱地等转化为生态系统的逆向演替[13]。但随着研究区人口的增长和经济的发展以及过度放牧使草地大面积转化为耕地和盐碱化；同时，农村居民点和城镇用地面积持续增加，其主要来源于耕地，其次为草地和林地的转化，表明人类对研究区的自然生态系统干扰频繁。

对霍林河流域中下游1970年和2005年的土地利用类型进行统计与分析，研究区在35a期间各土地利用类型的结构发生了变化。从表3可知，1970年耕地是研究区的主要类型，几乎占全区的一半，其次是草地，占24.6%，而到2005年，耕地仍是研究区的主要土地利用类型，但盐碱地达到23.36%，取代了草地的面积，土地盐碱化较严重，耕地、草地、盐碱地三者之和在两个时期都达到全区的80%以上。35 a间，研究区各土地利用类型的面积呈现耕地、林地、湖泊、城镇用地、农村居民点、盐碱地增加，而草地、河渠、沙地、沼泽地减少的变化趋势。林地是所有土地利用类型中年变化率最快的，其次是农村居民点增加显著，主要由耕地转化而来，而草地减少了近一半，主要转化为耕地和盐碱地，使盐碱地增加了5个百分点，说明人类活动对生态环境具有较强的扰动。

表2 霍林河流域中下游1970－2005年各时段土地利用转换概率矩阵 %

表3 霍林河流域各年土地利用类型面积及其变化

3.2 生态安全的动态变化

根据公式（2）—（4）计算霍林河流域中下游266个样区的1970年和2005年的土地利用变化生态安全指数，并对生态安全指数进行克吕格插值，结果表明，35a间，土地利用结构变化导致生态安全指数的时空变化较强，生态安全程度总体呈下降趋势，平均生态安全指数由1970年的0.707 6下降到2005年的0.681 8，且破碎化严重。较高的生态安全指数（ESI＞0.7）主要分布于该区域的西北部，向西南逐渐降低，并达到最低值；由于东南地区人口密度大，人类对自然环境的开发强度大，因此较低的生态安全指数（ESI＜0.5）分布于流域的东南部。西北部ESI相对较高，尤其是1970年，其ESI多大于0.8，大安市境内有的地方甚至达到了0.9以上，主要是因为当时该地区以草地为主，景观稳定性强；到了2005年，由于不合理的灌溉、超强度的开发，加上气候的影响，大面积草地转化为盐碱地；在生态安全总体下降的趋势下也存在个别地方ESI升高的现象，通榆县境内西北部的向海湿地自然保护区ESI已由1970年的0.7达到了0.8以上，说明一些人为的保护政策已经发挥了作用；另外南部和东部地区也有部分地方由于退耕还林、还草，其ESI由0.6达到了0.7以上，0.6以下的区域也逐渐变小；但东南角ESI变化较小，仍是最低区域。

3.3 生态安全动态变化的驱动力分析

分析其生态环境退化的主要原因可以从自然要素和人文要素两方面进行。自然方面通过图1可以看出，1970—2005年，研究区气温升高，而降水则整体呈现下降趋势。表明35a来霍林河流域中下游地区经历了一个干旱化过程（虽然仅利用气温和降水两个因子来分析区域气候的变化趋势存在一定的不确定性，但仍能在一定程度上反映区域气候变化的宏观特征），加速了土地沙化和盐碱化，从而对土地利用结构变化产生重大影响，同时35a间，该地区又经历了严重的自然灾害，这些因素对区域生态环境质量在大的自然地理背景上造成了一定的压力，也就加大了生态安全退化的速度。

图1 1970－2005年研究区气温与降水的变化趋势

自然因素为生态安全的退化提供了内在原因，而人为因素则加速了这种变化，即人为影响叠加在自然因素之上，对生态环境的退化产生放大作用。一方面，干旱的气候使生态环境退化日益严重，另一方面，强烈的人为活动是影响霍林河流域中下游生态安全指数降低和空间分布变化的主要原因。图2是1970—2005年的人均收入和人口密度分布图，从图中可以看出，两者呈正向增长，由于人口的增加，相应地对土地的需求加大，促使耕地、城镇用地、农村居民点的比例在土地利用结构中的比例不断扩大，这种不合理的土地开垦都大大的加速了土地生态安全的退化，加之改革开放之后，经济增长迅速，从而对资源的需求量也大量增加，这在一定程度上对生态环境造成了干扰；另外，霍林河流域地处吉林省西部和内蒙古沙漠边缘，其特殊的地理位置也对其生态安全退化有重要影响。因此，在自然和人为因素的综合作用下，区域生态安全表现出下降趋势。

图2 1970－2005年研究区人均收入与人口密度的变化趋势

4 结论与讨论

本文以吉林省西部的霍林河流域中下游为研究区域，基于土地利用数据和GIS软件的空间分析功能，以景观生态学的空间格局分析方法，通过构建干扰度指数、脆弱度指数、风险指数等一系列指数计算和分析了不同土地利用类型的总体变化趋势，结果表明，1970—2005年期间，该流域各土地利用类型呈不同的变化趋势，研究区土地利用类型受人类活动扰动强；通过土地利用转移分析，各土地利用类型相互转化较复杂，其中耕地、林地、草地之间相互转化较频繁，表明研究区生态系统在外界因素的影响下既有正向演替又有逆向演替。

通过分析可以看出，在自然与人为因素双重作用下，霍林河流域中下游地区由于土地利用结构变化而导致的生态安全指数在时空分布上差异性较强。另外，霍林河流域地处吉林省西部和内蒙古沙漠边缘，其特殊的地理位置也对其生态安全退化有重要影响，因此在这35a期间，流域土地利用生态安全指数整体呈下降趋势，并由西北向东南降低，达最小值0.5以下。

综上所述，通过运用景观生态学的空间格局分析方法对霍林河流域中下游地区的生态安全在时空特征上进行了分析，由于侧重从自然因子进行分析，对其它地貌、地形、灾害及人文因素没有考虑，因此并不具有绝对性。但所用的分析方法和模型对分析区域土地利用变化和生态安全是可行的，许多学者已运用此方法进行了研究[13－19]。通过本文的分析，为霍林河流域的生态整治、维护物种多样性及促进生态环境、经济与社会的协调发展提供了重要的理论依据，从而避免由决策失误而带来的重大生态、经济损失。

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