基于GIS的土地生态安全综合评价——以合水县为例

王娟，盖艾鸿，谢保鹏，孙林军，刘静

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州　730070)



基于GIS的土地生态安全综合评价
——以合水县为例

王娟，盖艾鸿，谢保鹏，孙林军，刘静

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070)

摘要：选取植被指数、土地生态系统服务价值、土地生态风险强度指数和环境地质综合评价指数作为评价指标，建立基于GIS的合水县土地生态安全评价系统，得到合水县土地生态安全综合指数分布及其变化图.研究表明：合水县土地生态安全程度较高的地区主要分布在城镇较少，而林地分布较多的地区，城镇密集地区土地生态安全程度较低.1990～2010年间合水县土地生态安全程度总体提高，其分布及变化情况与人类的生产活动密切相关，主要受产业布局政策、生态保护措施的影响.

关键词：土地生态系统；生态安全；3S；生态保护；合水县

随着我国生态环境压力的日益增大，生态环境保护己成为一个社会日益关注的问题，生态环境问题也逐步上升为生态安全问题[1]，其中，土地生态安全是保障生态安全的重要方面[2].土地生态安全评价是土地生态安全研究的重要内容，土地生态安全评价是设计土地利用优化方案、解决生态安全问题、建设生态安全格局的基础，能帮助人们直观地了解土地生态系统的安全状况，有利于土地资源的持续利用，进而保障人类社会经济可持续发展，直接为土地生态规划与设计提供科学依据.因此，开展土地生态安全评价的研究和实践，具有重要的理论价值和现实意义.

土地生态安全评价的方法目前也处在实践和探索阶段，曹新向等[3]从土地利用方式的改变、土地生态安全预警、土地生态安全维护与管理、土地生态恢复和重建等方面提出了区域土地资源持续利用的生态安全体系构建[3]；张虹波等[4]在系统分析土地资源生态安全影响机理的基础上,构建土地资源生态安全评价指标体系,进行土地资源生态安全评价；曲青林等[5]运用压力-状态-响应概念模型，研究了1997～2006年兰州市土地利用生态安全水平的变化情况；杨秋等[6]对甘肃省1991～2010年耕地资源的生态安全动态变化状况及空间差异进行了分析，同时对耕地资源的生态安全障碍因素进行了初步探讨.

随着GIS和遥感信息提取技术的发展，GIS和遥感信息提取技术与计算机建模技术相结合产生了数字生态安全模型，该模型具有快速、准确、时效性好、操作性强等优点，可以揭示生态安全格局和生态安全的时空变化.孙芬等[8]运用遥感数据、数字高程模型和各种调查数据，以栅格为分析单元，利用层次分析法和GIS相结合的方法，实现了对三峡库区丰都县沿江地区土地生态安全状况的分析和评价[7]；曲衍波等[8]综合应用数字高程模型(DEM)、TM遥感数据和各种调查数据,在地理信息系统(GIS)支持下,基于栅格对栖霞市土地生态安全状况进行评价与分析,完成了土地生态安全等级划分[8].土地生态安全状况受自然、社会和人文等众多因素的影响，任何单因素指标滑落到临界值以下都可能导致土地生态系统不安全，但要找出所有制约因素并确定其安全阈值，目前还有较大困难.然而，植被覆盖情况、土地生态系统服务价值、土地生态风险强度以及环境地质条件等可从侧面反映土地生态安全影响因子的综合作用效果，据此思路，本文基于GIS技术，以植被指数土地生态系统服务价值，土地风险强度指数和环境地质综合评价指数为评价指标，建立综合评价模型，把这些综合评判因子再综合为土地生态安全综合指数，对合水县1990～2010年间的土地生态安全情况进行评价，旨在探索一种较为全面的生态安全评价系统.

1研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

合水县位于甘肃省东部，地处陇东黄土高原，位于E 107°51′～ 108°42′，N 35°36′～36°37′之间.东临陕西省富县，西连庆城县，南接宁县，北靠华池县及陕西省志丹县，东西长138 km，南北宽80 km.地形以丘陵沟壑为主，山、川、塬相间，子午岭由西北向东南斜贯全境，将全县分为西南、东北两大部分，地势由东北向西南倾斜.东北部为丘陵沟壑区，海拔1 458～1 682 m，面积为2 017.4 km2，占总面积的67.53%，这里山岭重叠，沟壑纵横，人烟稀少，但植被良好，森林茂密，水草丰茂，为主要林牧区.西南部为高原沟壑区，海拔1 190～1 387 m，面积为970 km2，占总面积的32.47%，系泾河上游地带，马莲河、县川河、固城河布于境内，这里塬面平坦、川道宽阔、土地肥沃、气候湿润、人口稠密，为主要的农耕区.该县大陆性气候突出，年平均降水量为562.8 mm，东北部多于西南部.

1.2数据来源

2研究方法与结果

2.1指标的选取和获取方法

2.1.1评价指标本文选取的4项评价指标为：植被指数(NDVI)、土地生态系统服务价值(ESV)、土地生态风险强度指数(ERI)和环境地质综合评价指数(G).

2.1.2植被指数分布图的获取方法本文采用1990年、2000年、2010年的TM影像数据作为基本信息源(影像精度为30 m×30 m )，以ERDAS 9.2和ArcGIS 9.3作为数据处理平台，利用地形图对影像作几何校正，把校正后的影像转换成ALBERS等积双标准纬线圆锥投影；然后利用行政区划图裁剪出合水县影像，在ERDAS 9.2中对该影像进行NDVI处理，得到各年份的NDVI分布图(图1).

2.1.3土地生态系统服务价值分布图的获取方法本文从社会进步、经济发展和生态环境质量3方面建立生态系统服务价值修正指标体系,引入社会经济生态协调系数对该模型进行修正,采用熵权法计算研究区域的社会、经济、生态3方面的协调系数[9]，采用理论分析、经验选取和专家咨询相结合的方法,建立基于协调系数的生态系统服务价值修正指标体系(图2).

图1　合水县植被指数分布图

图2　基于协调系数的生态系统服务价值修正指标体系

使用熵权法进行协调系数的计算步骤如下：

2)计算第i年第j项指标的信息熵(ej)：

3)计算第j项指标的差异性系数(gj)：

gj=1-ej

对照组进行普通开颅手术治疗,观察组行微创穿刺引流术治疗。仰卧位,穿刺针为Y-L1型,穿刺部位为血肿底部,操作过程注意避开功能区,穿刺针向钻芯中插入,常规消毒、局麻之后将其钻入血肿中心,血肿多次缓慢抽吸,置入血肿分碎器将血凝块击碎直至血肿完全引流出,后缝合切口。

在计算区域生态系统服务价值时将社会经济发展与生态环境协调程度纳入其中,将社会、经济、生态3方面的协调系数作为区域生态系统服务价值的修正系数，修正后的区域生态系统服务价值计算公式为：

式中，ESV为生态系统服务价值(元)，Ai指研究区第i种土地利用类型的分布面积(公顷)，VCi是生态服务功能价值指数，即单位面积生态系统服务价值(元/(hm2·a))，ρ为该区域生态系统服务价值的协调系数.

以1990年、2000年、2010年的遥感影像分类结果和统计年鉴数据为基础，按照上述公式，通过地图运算得到土地生态系统服务价值分布图(精度为30m×30m)(图3).

图3　合水县土地生态系统服务价值分布图

2.1.4土地生态风险强度指数分布图的获取方法为建立景观结构与土地生态风险之间的经验联系，本文引入了生态风险强度指数[10]，用于描述一个样地内综合生态损失的相对大小，以便将景观空间结构转化为空间化的生态风险变量，其计算模型如下:

式中，ERI为土地生态风险强度指数；Si为第i种土地利用类型的面积；S为土地总面积；Xi为第i种土地利用类型所反映的生态风险强度参数.

研究区土地生态风险强度参数借用了臧淑英等[11]学者的研究成果，同时依据合水县的具体情况及专家意见进行修正，并按实际土地利用类型作归一化处理，其结果见表1.

表1　不同土地利用类型的生态风险强度参数

以1990年、2000年、2010年的遥感影像分类结果为基本信息源，以各地类面积和其对应的生态风险强度参数为数据元素，进行地图运算得到合水县土地风险强度指数分布图(精度为30 m×30 m)(图4).

图4　合水县土地风险强度指数分布图

2.1.5环境地质综合评价指数分布图的获取方法本文中合水县环境地质综合评价指数分布图直接采用了《甘肃省庆阳市1∶50万环境地质综合调查报告》成果，其评价结果将庆阳市地质环境综合评价分区分为4级，即地质环境质量好、较好、较差、差，其分级标准如下：

G=5、6为地质环境质量差区；G=3、4为地质环境质量较差区；G=2为地质环境质量较好区；G=1为地质环境质量好区.

将庆阳市环境地质综合评价结果图按照合水县行政区图裁剪，并把地质环境质量好、较好、较差、差区分别赋值为5.5、3.5、2和1，并将其转换为精度为30 m×30 m的栅格图,即得到合水县环境地质综合评价指数分布图(图5).

图5　合水县环境地质综合评价指数分布图

2.2土地生态安全综合评价

土地生态安全综合评价首先要确定各单项评价指标的权重，本文利用熵权法[12]计算各指标的权重值，然后再合成土地生态系统安全综合评价指数，具体操作步骤如下：

l)各单项评价指标归一化：为消除评价指标量纲不同的影响，本文采用极值变换法对指标数据值进行归一化处理.本文的评价指标有植被指数(NDVI)、生态系统服务价值(ESV)、土地生态风险强度指数(ERI)和环境地质综合评价指数(G)，其中，土地生态风险强度指数(ERI)和环境地质综合评价指数(G)为逆向指标，其余两项为正向指标；各指标归一化模型如下：

正向指标归一化公式：

逆向指标归一化公式：

式中，Xij为j项指标图第i个栅格值，maxXj和minXj为指标栅格图的最大值和最小值；Gij为归一化后的栅格值.

2)熵权法确定指标权重：指标权重确定的方法有主观法、客观法、综合赋权法，熵权法属客观赋权法，它是根据各评价对象的指标值来确定各指标权重的一种方法.其计算模型如下:

式中，ej为第j项评价指标的熵值，wj为第j项评价指标的权重，Gij为j项指标图第i个栅格归一化后的值，n为第j项指标图的栅格数，m为评价指标数.

3)土地生态安全综合指数计算：

式中，S指土地生态安全综合指数，Wj指第j项指标的权重，Gij指第j项指标的第i个栅格归一化后的值.

按照上述公式，分别对合水县1990年、2000年、2010年的各项指标数据进行计算得出S1990、S2000、S2010，最后取S1990、S2000、S2010的平均值作为各指标的权重，结果见表2.

表2　合水县各评价指标的权重

利用Arcgis 9.3的空间分析功能，根据上述公式，分别对1990年、2000年和2010年的植被指数分布图、单位面积生态系统服务价值分布图、土地生态风险强度指数分布图和环境地质综合评价指数分布图进行地图运算，得到合水县1990年、2000年和2010年的土地生态安全综合指数分布图(图6)，对3个年份的土地生态安全综合指数分布图做差运算，即可得到各年份间的土地生态安全变化图(图7)，采用均值法统计各乡镇区域内所有格网的生态安全综合指数平均值，结果如表3所示.

图6　合水县土地生态安全综合指数分布图

图7　合水县土地生态安全变化图

各乡镇土地生态安全指数1990年2000年2010年生态安全指数变化1990～2000年2000～2010年1990～2010年西华池镇0.4225640.4065020.409419-0.0160620.002918-0.013144老城镇0.5183000.5209100.5266160.0026100.0057060.008316吉岘乡0.4226240.4101940.410088-0.012431-0.000106-0.012536段家集乡0.4798010.4064650.480567-0.0733360.0741020.000766肖咀乡0.4797960.3765840.480303-0.1032120.1037190.000507固城乡0.5524950.5829980.6194870.0305030.0364890.066992太莪乡0.4756550.4936230.5264930.0179680.0328700.050839店子乡0.4224240.3702840.410658-0.0521400.040374-0.011766何家畔乡0.4994440.4995910.5030700.0001470.0034790.003627板桥乡0.4225380.4110750.409987-0.011463-0.001088-0.012551蒿咀铺乡0.5183330.5201390.5266160.0018060.0064770.008283太白镇0.6528420.6818530.6892690.0290120.0074160.036427

综合分析合水县土地生态安全综合评价指数分布图(图6)和土地生态安全变化图(图7)可以得出如下结果：

1)合水县土地生态安全程度最高的地区主要在东部，主要分布在太白镇的大部分地区和老城镇、蒿咀铺乡、太莪乡和固城乡的部分地区；土地生态安全程度较低的地区主要分布在老城镇、蒿咀铺乡、太莪乡、板桥乡、西华池镇和吉岘乡.

2)1990～2010年间合水县土地生态安全程度总体提高，其中2000～2010年间土地生态安全改善的程度和范围都远大于1990～2000年间.

3)1990～2000年间土地生态安全程度较差的老城镇、蒿咀铺乡、太莪乡、板桥乡、西华池镇和吉岘乡都有所改善，而生态安全程度较高的太白镇等地区却出现大范围恶化.

4)2000～2010年间全县大部分地区的土地生态安全情况都有所改善，土地生态安全恶化现象较少.

3讨论与结论

从地类分布来看，合水县东部大部分地区是林地，城镇分布较少，人类的生产活动也少，土地生态安全程度较高；而西部地区城镇密集，人类生产活动较多，土地生态安全程度较低.人类活动促使林地、草地等大面积转化为建设用地带来了整个地区生态安全的不稳定性，随着生态环境保护意识的提高及生态环境保护政策的影响，在1990～2010年间合水县积极采取生态环境保护措施，退耕还林、治理污染、疏通河道等，在生态环境保护方面取得了显著的成果.可见，人类的生产活动对土地生态安全有着至关重要的影响，土地生态安全程度分布及变化情况主要受产业布局政策、生态保护措施的影响.

保障土地生态安全可以通过控制建设用地的增长速度、合理布局城镇等人类活动区域的各类用地的比例和空间结构、加强土地生态脆弱区的保护等措施来改善；但最终还是必须控制人口规模和总的消费水平，转变人们的消费观念，增强绿色消费意识，培育人们的生态伦理观念，使人类的活动成为整个大自然许多良性小循环之一，从而达到人与自然的和谐相处.

参考文献

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[2]黄妮，刘殿伟，王宗明.辽河中下游流域生态安全评价[J].资源科学，2008，30(8):1243-1251

[3]曹新向，郭志永，雏海潮.区域土地资源持续利用的生态安全研究[J].水土保持学报，2004，18(2):192-195

[4]张虹波，刘黎明.土地资源生态安全研究进展与展望[J].地理科学进展，2006，25(5):77-85

[5]曲青林，曹爱霞，刘学录.兰州市土地利用生态安全评价[J].环境科学研究，2009，22(6):753-756

[6]杨秋，谢保鹏，蔡立群,等.甘肃省耕地资源生态安全评价[J].甘肃农业大学学报，2012,47(4)：122-126

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[8]曲衍波，齐伟，商冉，等.基于GIS的山区县域土地生态安全评价[J].中国土地科学，2008,22(4)：38-44

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[10]曾辉，刘国军.基于景观结构的区域生态风险分析[J].中国环境科学,1999,20(1):43-45

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[12]李晓倩，刘学录.土地评价指标权重赋值方法的比较分析[J].甘肃农业大学学报，2012,47(5):123-127

(责任编辑胡文忠)

Land ecological security evaluation based on 3S

technology in Heshui County

WANG Juan,GAI Ai-hong,XIE Bao-peng,SUN Lin-jun,LIU Jing

(College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：The vegetation index,land ecosystem service value,the strength of land ecological risk,the environmental and geological conditions were chosen as evaluation indexes,then the comprehensive evaluation model was established and the distribution and variation map of land ecological security indexes of Heshui County was obtained by using 3S technology.The results showed that,the region with less towns and more woodland had a higher degree of land ecological security,on the contrary,where with intensive towns had a lower degree of land ecological security.From 1990 to 2010,Heshui County had an overall increase in the degree of land ecological security,its distribution and changes were closely related to human activities,and mainly affected by the industrial layout policy and ecological protection measures.

Key words：land ecosystem;ecological security;3S;ecological protection；Heshui County

收稿日期：2012-12-13；修回日期：2013-04-08

通信作者：盖艾鸿，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事地理信息系统方面的研究.E-mail：gaiah@gsau.edu.cn

中图分类号：X 171.1

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)01-0147-07

第一作者：王娟(1988-)，女，硕士研究生，从事土地资源管理方面的研究.E-mail:juantiger@126.com