生态移民安置区土地利用生态风险评价
——以宁夏红寺堡区为例

李伟华

（宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021）

一、引言

生态风险是指生态系统的结构、功能等所承受的风险，即自然灾害和人为灾害对生态系统结构和功能的损害，从而在目前和将来减少该系统内部某些要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值的可能性［1－3］。区域生态风险评价作为生态风险评价的重要分支，目前学术界对其研究的类型从污染物生态风险评价、生态事件类生态风险评价发展到人类活动对生态环境的影响，并从单一地点的某一风险源研究逐渐发展到区域尺度的综合多风险源的研究［4－6］。人类活动对陆地生态系统造成深远的影响，这种活动主要是土地利用［7］。土地利用是人类利用生物和技术手段，有目的的对土地进行使用和改造的社会经济活动。它是把自然生态系统变为人工生态系统的过程［8－10］。研究表明，生态风险和土地利用之间具有紧密的联系［11－13］。基于土地利用的生态风险评价能综合评价不同潜在风险影响以及它们的累积特征［14］。近些年，基于土地利用变化的区域生态风险评价，已成为环境学领域的研究重点，学者使用了不同的方法研究土地利用生态风险。生态风险指数是利用土地利用结构和生态风险强度参数来定量评估生态风险，已得到广泛运用［15］。林媚珍［16］运用土地利用生态风险指数研究了中山市城市化水平与生态风险之间的关系。周汝佳［17］利用景观干扰度指数和景观脆弱度指数来研究盐城海岸带的生态风险。徐羽［18］借助空间自相关和半变异函数等方法研究了鄱阳湖流域土地利用生态风险的时空演变规律。

生态移民是指将居住在重要生态功能区、生态环境恶劣无法生存地区、生态环境严重破坏等地方的人迁移到环境承载力好的地方，从而实现可持续发展的一种重要手段［19］。生态移民过程也是将迁出区生态压力向迁入区空间转移的过程，理论上会对迁入区生态系统产生不同程度扰动或破坏。红寺堡区自1998年开始安置来自宁夏贫困地区的群众，已经成为全国最大的生态移民安置区，移民的不断迁入，使该地土地利用结构在十几年内发生翻天覆地的变化［20］。目前国内外学者对生态移民安置区土地生态安全问题以及土地利用模式进行了研究，但是全面和系统地开展生态移民安置区生态风险评价与管理研究仍然是一个薄弱的研究领域［21］。移民规模愈大，对安置区生态环境的扰动愈大，而且其产生的影响将是长期的、多方面的。目前，生态移民安置区生态风险管理体系尚不完善，系统开展生态移民安置区生态风险及其空间异质性研究，将为生态移民安置区生态环境管理提供强有力的理论依据。

二、研究区概况与数据来源

（一）研究区概况

红寺堡区位于毛乌素沙漠边缘，是宁夏中部干旱带的核心区，它由盐池县、同心县、青铜峡市、中宁县、利通区等周边县（市）行政面积调整组合而成。介于东经 105°43′45″～106°42′50″，北纬 37°28′08″～37°37′23″之间，现辖 2 镇 3 乡，62个行政村，总面积2767平方千米，红寺堡区地形以坡丘陵为主，平均海拔1345米，属中温带干旱气候区，年平均气温在8.4℃，昼夜温差大，降雨量为277毫米，且集中在7－9月，相对湿度达到52%。红寺堡区是宁夏唯一全县域生态移民安置区，也是国内最大的异地生态移民安置区。截至2015年底，全区总人口达197350人。

（二）数据来源与处理

以红寺堡区 1995年、2005年、2015年的landsat TM遥感影像（6－10月份）为数据源，空间分辨率为30米。经辐射校正、波段合成、几何精矫正等综合，利用ENVI5.1人工目视解译得到三期的分类数据，各期Kappa系数都达到0.8，符合精度要求。参考国家标准出台的《土地利用现状分类》体系，结合研究区土地利用特点，划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6种地类。其他统计数据来源于《见证——红寺堡开发建设之路》（2014年）。

三、研究方法

（一）土地利用生态风险模型

为了表现生态空间的空间分异，文章利用等间距系统采样法，对研究区构建1.5x1.5千米的单元网格，得到1362个样地。网格采样法可以利用网格内各种地类占网格内研究区面积比重来计算每个网格综合生态风险的大小，并将其作为网格中心点的生态风险值。其表达式为：

式中，ERI为生态风险指数；i为土地利用类型；Ai为网格内第i种地类的面积；A为网格内土地总面积；Wi为第i种土地利用类型的生态风险强度参数。通过专家打分法，并参考前人［12］［16］［18］［22］的研究成果，采用层次分析法得出各种地类的权重。耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地的土地生态风险强度参数分别取：0.32、0.12、0.16、0.53、0.85、0.82。生态风险强度参数的原理是：土地利用类型越脆弱，对外界抵抗力越差，生态风险强度越大。相对于耕地、林地和草地来说，水体抗外界干扰能力比较弱，因此其风险强度较大。

（二）生态风险指数的空间分析方法

1.空间自相关分析。当数据在空间分布表现出一定的规律，即不是随机分布，则存在着空间自相关。空间自相关研究在一定区域中某个位置上的变量与其邻近位置变量的相互关系［23］。空间自相关用全局和局部两种指标来度量。全局自相关用单一的值来表示该区域的自相关程度，局部自相关计算每一个空间单元与邻近单元在某个属性的相关程度，可用于分析数据的“热点区域”以及空间异质性［24］。Moran＇s I是最常用的全局自相关系数，它的数值范围为－1到1之间，正值表示该空间的事物属性取值分布具有正相关性，负值表示该空间事物属性取值分布具有负相关性，数值为0时表示事物的属性取值范围不存在空间自相关。数值越大，表示空间分布的相关性越大，即空间聚集较明显，值越小代表空间分布相关性越小。每个网格的土地利用生态风险值作为一种空间数据，因此可以用空间统计学方法进行空间分析。

2.半变异函数。半变异函数（又称半方差分析或变异距分析）是地统计学中的一种分析方法，它是关于数据点的变异值和数据点距离的函数，经常用来分析地理现象空间分布规律［25－27］。计算公式为：

式中为半变异函数，h为样本间隔距离，即步长；N（h）为抽样间距为h时的样点总数，和分别为景观生态风险指数在空间位置和的观测值。

四、实证分析

（一）土地利用变化分析

一个地区土地利用变化主要表现为土地利用类型面积变化和相对变化率。通过分析研究区在一段时间内的土地利用类型的变化，可以了解研究区土地利用变化的总体态势。红寺堡区各土地利用类型所占比及变化率如表1所示，结合表1和各年面积统计数据可知：

1995年红寺堡区土地利用类型主要以草地为主，占研究区总面积62.476%，耕地和未利用地次之，分别达到 27.674%和 8.27%。2005 年土地利用类型还是以草地为主，占比为74.247%，草地有一定幅度的增加，来源为耕地。耕地和未利用地次之，所占比分别为9.607%和9.661%，耕地大幅度减少，林地有一定幅度的增加。2015年土地利用类型依旧以草地为主，耕地和林地大幅度增加，所占比分别为14.51%和7.024%。建设用地小幅上升，所占比为3.844%，与未利用地比例相当。从变化率来看，在1995－2005年期间，红寺堡区林地和建设用地上升最为显著，变化率分别达到637.186%和313.927%。草地和未利用地也有所上升，分别达到18.841%和16.820%。耕地减少最多，面积减少了497.009平方公里，其次是水域，变化率为4.1667%。2005－2015年间，建设用地和林地，增幅减慢，但还属于上升趋势。草地面积减少了106.758平方公里，变化率为5.215%。耕地和水域有小幅增加，变化率分别为47.299%和36.957%，未利用地减少，变化率为 60.801%。

总体来看，在这20年内林地增加幅度最大，变化率为1076.549%，面积增加了176.496平方公里。建设用地也增加了970.752%，面积增加了95.698平方公里。草地和水域都有一定程度的增加，耕地和未利用地小幅度下降。

（二）生态风险指数的空间自相关分析

1.全局自相关。利用 Geoda 1.4.1 计算出红寺堡区生态风险指数在1995年、2005年、2015年 的 Moran＇s I 值 分 别 为 0.543276、0.602595、0.532877。全局 Moran＇s I的值都大于 0，说明红寺堡区生态风险值在空间分布上存在着正相关性，存在聚集效应。Moran＇s I先增加后减小，说明生态风险值在空间上的聚集程度随时间段先聚集后分散。

表1 1995－2015年红寺堡区土地利用类型及变化率 单位：%

2.局部自相关。全局自相关只是用单一的值来表示区域的自相关程度，而局部自相关则可以识别出“热点区域”“冷点区域”以及数据的空间异质性。利用Geoda 1.4.1得出红寺堡区1995－2015年三期数据的局部空间自相关图（见图1），三期数据主要以高—高聚集和低—低聚集为主，而高—低聚集和低—高聚集很少，零星分布。生态风险的高值（H－H）主要集中在红寺堡镇以及柳泉乡和太阳山镇的交界处等经济发达的地区，并不断向南部延伸。红寺堡镇聚集特征最明显，与周边的差距不断拉大。说明经济的快速发展，使得建设用地和耕地面积大量增加，生态风险加大。生态风险的低值（L－L）主要分布在新庄集乡和刘泉乡东侧。说明罗山被设立为自然保护区后，林地覆盖率明显增加，生态环境变好，生态风险明显降低。

（三）生态风险的空间分异特征

1.生态风险指数的半变异函数分析。利用GS＋9.0（美国 Gamma Design Software）对三期数据的生态风险值进行半变异函数拟合，并利用回归系数和残差得到最优拟合模型。数据如表2所示，从中可知，三期数据最优拟合模型并不一样，分别为 Gaussian、Spherical、Exponential。决定系数分别为 0.973、0.983、0.961。从 1995－2015 年块金与基台的比值逐步减小，说明随机因素引起的空间异质性占总空间异质性的比重逐渐减小，空间自相关引起的空间异质性占总空间异质性的比重增加。表明土地利用生态风险具有高度的空间自相关性。变程分别为4470米、14160米、4370米，先增大后减小，说明生态风险指数的相关性范围先增大后减小。

2.生态风险指数的空间分布特征。通过检验后发现，生态风险指数值在空间上存在相关性，因此运用普通克里金（Ordinary Kriging）对生态风险指数进行空间插值，并对插值结果进行重分类，划分为 5 个等级：低风险等级（ERI＜0.222）、较低风险等级 （0.222≤ERI＜0.324）、中风险等级（0.324≤ERI＜0.426）、较高风险等级（0.426≤ERI＜0.528）、高风险等级（ERI≥0.528），得出红寺堡区三期土地利用生态风险等级空间分布图（见图2）。

由图2可知土地利用生态风险呈圈层分布，并由红寺堡镇中部向外扩散。1995年，红寺堡区的生态风险主要以低风险和较低风险为主，两者面积达到2352.920平方公里，比例达到85.7%。较低风险区比较连续，低风险区呈散点状分布在大河乡、太阳山镇中部、刘泉乡北部。高风险分布在红寺堡镇中部并延伸至红寺堡镇和刘泉乡交界处以及柳泉乡和太阳山镇的交界处。2005年，主要以低风险区为主，低风险区基本连成一片，并在新庄集乡境内大幅度扩张。低风险区面积达到1557.082平方公里，比例达到56.50%。较低风险区范围急剧减小，面积减少了783.568平方公里，比例减少了28.40%。高风险区较1995年稍有扩张，面积增加了27.673平方公里。2015年和2005年相比低风险区稍微减小，高风险区和较高风险区大幅度缩小，面积减少了184.684平方公里，比例减少了6.70%。中等生态风险在三个时间段内逐步增加，在2015年面积达到300.167平方公里，比例为 10.90%。

图1 红寺堡区生态风险指数的局部空间自相关

表2 土地利用生态风险指数的局部空间半变异函数

图2 土地利用生态风险等级空间分布图

红寺堡作为生态移民安置区，在研究期内土地利用类型发生巨大的变化。1995－2015年间生态风险先增大而后减小。红寺堡在开发初期生态环境十分恶劣，植被很少、黄沙遍布。未利用地主要以沙地为主，主要分布在红寺堡镇北部以及太阳山镇北部。因此1995－2005年期间，红寺堡境内生态风险较大。在研究期内红寺堡区在1998年陆续进行的生态移民，罗山自然保护区境内的居民搬迁到红寺堡中部的灌区，红寺堡西南部的居民也进行了旱改水移民。生态移民使得迁出区土地利用类型发生了剧烈变化，耕地被草地和林地取代。因此到了2005年，红寺堡西南部和东部地区生态风险减小，生态环境逐步转好。然而，迁入区内建设用地和耕地增加，风险加大。从1999年开始，红寺堡先后实行三北防护林工程、退耕还林工程、天然林保护工程、绿色通道绿化工程等大型环境保护工程。到2015年，红寺堡镇中部沙地得到控制并大面积减小，生态风险减小。

（四）生态风险等级分布与地形的关系

为了研究地形因子和生态风险之间的关系，本文以2015年的生态风险数据为例，研究2015年生态风险在不同高程和坡度的分布情况。2015年的DEM数据为30米（来自地理空间数据云）。参考相关研究，并结合红寺堡区实际情况，将高程重分类为：小于1200米、1200～1400米、1400～1600米、1600～1800米、1800～2000米、大于 2000米等6个高程带。利用DEM数据提取坡度，将坡度重分类为6个坡度带：小于。

将重分类后的高程图和坡度图分别与重分类后的生态风险等级图进行叠加分析，然后统计在不同坡度或高程上的各等级生态风险面积所占比（见图3）。从生态风险与高程的关系来看，随着高度的增加，风险在各高程的分布比例先增大后减小。低风险在各个高程上均有分布，在1200～1400米和1400～1600米上，比例最大，分别达到22.95%和13.32%。较低风险和中等风险主要集中在1200～1400米和1400～1600米的高程上，在其他高程上比例都很小。较高风险和高风险的分布更加集中，主要分布在1200～1400米。在1200～1400米的高程带上，研究区面积分布最广，这个高程带是红寺堡人口的经济密集区，高风险区主要集中在此带。生态风险与坡度关系的折线走向与生态风险与高程的走向比较相似。生态风险与坡度关系中，前四种风险等级在坡度带时面积比例达到最大值。第五种风险等级在小于坡度带达到最大值。随着坡度的上升，各风险等级先增大后减小。低风险区在和坡度带上比例最大，两者比例占全区36.275%。较低风险区和中等风险区在小于坡度带上占比最大；较高风险在坡度带上占比最大；而高风险等级在小于的坡度带上占比最大。

图3 生态风险等级与高程和坡度的关系

五、结论与讨论

（一）结论

本文以1995年，2005年和2015年3期的Landsat TM／ETM＋遥感影像为基础，根据景观生态学的原理，构建了综合生态风险指数，较客观地反映了研究区不同时期的生态风险状况。对研究区生态风险指数结果进行了分析，得出以下几点结论。

1.1995年红寺堡区土地利用类型主要以草地和耕地为主，两者所占比之和达到90%以上，土地利用结构比较单一。2005年耕地面积大幅度缩小。草地小幅增加，主要来源为耕地。2015年，建设用地持续增加，比例达到3.844%。主要分布在红寺堡镇中部和新庄集北部、柳泉乡中部和东部。从1995－2015年，随着生态环境的好转，沙地减少，未利用地持续减少。耕地先减少后增加，林地持续增加。红寺堡区土地利用结构趋于稳定，但是土地利用强度加大，土地利用类型趋于复杂。

2.1995－2005年，红寺堡区生态风险增强。低风险区增加，较低风险区缩减，中等、较高、高风险区增加。这一时期，罗山和西南部的居民已经搬到了红寺堡灌区，因此中部地区生态风险加大，而迁出区进行了生态恢复，生态环境好转。2005－2015年，红寺堡区整体风险减弱。低、较低风险增加，中等、较高、高风险减小。这一时期，研究区耕地和建设用地不断膨胀，但是一系列大型的环境保护工程的实施，使得以沙地为主的未利用地面积不断缩减，植被覆盖率大大提高，红寺堡区生态环境整体好转。

3.生态风险在空间上呈圈层分布，呈现出较高的正相关性和空间集聚性，高—高聚集和低—低聚集分布较广。在空间上高风险区主要分布在红寺堡镇中部、红寺堡镇和柳泉乡交界处、柳泉乡东北部地区。低风险主要分布在新庄集乡南部、太阳山镇中部以及罗山附近地区。总体来说海拔低、坡度小的地方，生态风险较大，而海拔较高、坡度大的地方风险较小，高风险区集中在1200～1400米高程带和 2o～5o坡度带上。

（二）讨论

总之，生态移民是生态压力空间转移的一种特殊人口迁移类型，相比较正常的区域土地利用演变来说，生态移民安置区土地利用格局变化较大。红寺堡区作为全国最大的生态移民安置区，城市化快速发展，人口不断增加。大量草地转为耕地和建设用地，对生态环境造成了巨大的扰动。因此，当地在提高人民生活水平，努力发展经济的同时，应该适当控制建设用地以及耕地的面积，加强生态环境保护，实现生态脆弱地区的可持续发展。在施行鼓励安置区开发利用的同时，应积极构建一系列保护措施，避免盲目扩张，从而有效维护安置区的生态安全水平。文章只是对红寺堡土地利用生态风险进行评价，还需进一步对土地利用生态风险进行预测预警研究，通过动态监测，保护红寺堡区的生态环境。

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