区域土地利用生态风险评价——以贵港市辖区为例

黄馨乐，周 兴

(广西师范学院 国土资源与测绘学院，广西 南宁 530001)

0　引言

土地利用是人类劳动与土地进行物质、能量和价值、信息的交流、转换，从而获得物质产品和服务的经济活动[1]。土地利用是当前全球变化研究的重要内容之一，在人为活动抑或是自然条件发生变化对土地造成干扰时，能够反映对土地生态系统造成多方面的影响[2]。生态风险是指生态系统内区域生态系统及其组分对具有可变性的事故或灾难产生的作用，从而可能会对生态系统的结构和功能造成伤害，从而对此区域内生态系统的健康和安全构成威胁[2-3]。综上所述,区域生态风险评价是指把特定范围作为研究区，对各类生态系统所面临的多类风险源(自然灾害、人为活动、环境污染等)对评价目标多风险效应造成的消极影响与伤害程度所进行的风险评估[4]，其关键是调查区域生态系统的风险源，估测风险出现的几率和可能产生的不良后果，并给出有效的应对措施。众多研究证明[5-6]，土地利用变化与区域生态风险有着极为紧密的联系，在一定区域内的土地利用所引起的生态风险具有一定的积累性，并且在该区域内会直接得以反映。针对不同的研究区，国内外研究学者构建了多类型评价方法、评价指标体系及模型[7-9]，但依旧未形成统一的适合区域生态风险评价的表征体系。本文在3S技术的支持下，利用遥感影像数据作为基本信息源，从多风险源、多风险受体、多风险效应3个方面构建了区域综合生态风险评价模型，对贵港市辖区2015年土地利用生态风险变化进行了分析评价，为该地区规避生态风险及制定土地利用规划提供了依据。

1　研究区概况

贵港市辖3个市辖区，包括港北区、港南区、覃塘区，一个县级市即桂平市，一个县即平南县。本文研究区域为贵港市辖三区。贵港市位于广西东南部，北接来宾市，东壤玉林市，西接南宁市，西江贯穿市内，是西江流域重要的物流集散地，处于区内最大的冲积平原——浔郁平原的中部，靠近广东、香港、澳门等繁华地区，拥有华南内河第一大港口，坐标北纬22°39′～24°2′、东经109°11′～110°39′，北回归线横贯中部。贵港市属亚热带季风气候区，冬季偏暖，降水偏少；春季气温温暖，降水量稍偏少；夏季温度偏高，降水正常；秋季偏暖，降水偏少。

贵港市区经济实力较强、产业逐步发展壮大、城乡建设成效显著、社会事业全面进步、人民生活不断改善、生态建设成效明显。近年来国家大力推进内陆江河交通物流业发展，高度重视西江流域的发展，贵港作为郁江、黔江汇合地，作为西江流域极为重要的物流集散地、水运中心，应牢牢抓住这一发展机遇期，加快经济社会的全面发展。与此同时，各种土地利用类型和景观格局受人类活动的干扰也发生了变化，造成水土流失、森林面积锐减、环境污染等区域环境问题越发严重，严重束缚了区域土地的可持续性利用，制约了人与自然的可持续发展。

2　数据来源及研究方法

2.1　数据来源与处理

本文所需数据收集与遥感影像预处理收集的数据均来源于贵港市辖区2015年Landsat 8 OLI多光谱遥感影像以及《贵港统计年鉴(2016)》。对贵港市辖区2015年遥感影像图进行了影像预处理工作，步骤如下：(1)辐射校正，减弱遥感器灵敏特性、散射、地形、大气吸收等影响；(2)大气校正，消除大气散射、吸收、反射引起的误差；(3)几何校正，对影像进行扭曲、拉伸和偏移等操作，得到配准影像；(4)最后进行裁剪、拼接等操作。据此进行人机配合目视解译方法得到贵港市研究区2015年土地利用数据。结合研究区情况，将贵港市辖区土地分为建设用地、耕地、林地、水域、滩涂、未利用地六大类，以贵港市辖区27个乡镇(街道办)作为基本评价单元。

2.2　评价指标体系与构建

鉴于国内外学者对于生态风险评价的研究尚未形成科学统一的评价模型，本文从风险三要素出发，即对评价区域可能构成负面影响的多风险源(如由自然灾害损害、人为活动干扰、环境污染等因子产生的对区域生态环境构成的可能的不利影响)、由多风险源引起的对评价区域形成负面效果组成部分的多风险受体、评价区域内多风险源对多风险受体产生效应的多风险效应，构建了区域生态综合评价模型。

本文中，多风险源强可从人为活动对区域生态环境的干扰着手，选取建设用地比例、人均建设用地、土地利用综合指数、人口密度等压力性指标；而风险受体暴露度指标则主要选取了与风险受体空间承载力有关的景观格局指标，包括斑块密度、景观形状指数、周长面积分维数、平均最近邻体距离、SHDI多样性指数；多风险效应可选取反映人类—自然复合生态系统功能性的植被覆盖度、生物丰度指数和生态系统服务价值等指标。具体指标如表1所示，各指标含义及计算方法如表2所示。

2.3　评价方法

2.3.1风险源强利用SPSS 18.0软件，对风险源各个指标进行主成分分析，得到KMO值为0.539>0.5,由此说明，选取的变量适合做因子分析；Bartlett球形检验的相伴概率为0.000，而当此概率小于0.05时，说明选取的各变量适合因子分析，其分析结果可以接受；总方差分解中前2个特征值大于1的主成分累积贡献率为93.084%,大于85%，达到主成分提取原则，表明可提取前2个主成分来进行分析。再用因子分析结果中的各主成分载荷向量除以各对应的主成分特征值的算术平方根，得出2个主成分中各因子所对应的主成分系数，再得到风险源各指标2个表达式：

Fl=0.677S1+0.754S2+0.369S3+0.951S4

(1)

F2=0.022S1+0.146S2-0.249S3+0.959S4

(2)

接着用各主成分特征值除以所提取主成分特征值总和，得到风险源强的主成分综合表达式相应的权重系数：

F=0.713F1+0.287F2

(3)

把公式(1)、公式(2)分别代入公式(3)，得到风险源的主成分综合表达式：

F=0.444S1+0.448S2+0.352S3+0.261S4

(4)

表1　贵港市辖区土地利用生态风险评价指标体系

表2　各指标的含义及计算方法

2.3.2风险受体利用SPSS 18.0软件，对风险受体各指标进行主成分分析，得到KMO值为0.547>0.5,Bartlett球形检验的相伴概率为0.000，说明其适合做因子分析，其分析结果可以接受；总方差分解中前2个特征值大于1的主成分累积贡献率为85.19%,大于85%，达到主成分提取原则，表明可提取前2个主成分来进行分析。然后用分析结果里的各主成分载荷向量除以各对应的主成分特征值的算术平方根，得出2个主成分中各因子所对应的主成分系数，再得到风险受体各指标2个表达式：

F1=0.479R1+0.453R2+0.438R3-0.623R4-1.457R5

(5)

F2=0.441R1+0.313R2+0.408R3-0.115R4-0.727R5

(6)

接着用各主成分特征值除以所提取主成分特征值总和，得到风险受体主成分综合表达式相应的权重系数：

F=0.672F1+0.328F2

(7)

把式(5)、(6)代入式(7)，得出风险受体暴露度最终的主成分综合表达式：

F=0.466R1+0.407R2+0.160R3-0.381R4-0.741R5

(8)

2.3.3风险效应利用SPSS 18.0软件，对风险效应各指标进行主成分分析，得到KMO值为0.741>0.5,Bartlett球形检验的相伴概率为0.000，说明各变量适合做因子分析，其分析结果可以接受；总方差分解中特征值大于1的第一个主成分累积贡献率为96.012%,大于85%，达到主成分提取原则，表明可提取第一个主成分来进行分析。然后将分析结果里的各主成分载荷向量除以各对应的主成分特征值的算术平方根，得出所对应的主成分权重系数，最后得到评价终点风险效应的主成分综合表达式：

F=-0.582E1+0.583E2+0.567E3

(9)

2.3.4综合生态风险值基于SPSS 18.0软件，利用主成分分析法对风险源强、风险受体、风险效应的生态风险三要素进行计算,得到各评价单元生态风险三要素值。再根据风险三要素主成分值加和计算的原理,获得每个评价单元的风险值：

Vi=Si+Ei+Ri

(10)

式中：Si、Ei、Ri分别表示第i个乡镇所对应的生态风险三要素各主成分值。

3　结果与分析

基于SPSS 18.0软件，利用主成分分析法得出的各评价单元风险三要素值以及综合生态风险值，在ARCGIS 12.0软件中，输入贵港市辖区各乡镇风险源强、风险受体暴露度、风险效应的结果,再利用自然断点法，对各乡镇风险要素结果进行空间等级划分,分别得到贵港市辖区风险源强、风险受体暴露度以及评价终点风险效应空间分级图(图1)。

图1　贵港市辖区土地利用生态风险三要素空间分级图

3.1　风险源强

由式(4)可知，建设用地比例(S1)、人均建设用地(S2)、土地利用综合指数(S3)、人口密度(S4)的系数比例为：0.444、0.448、0.352、0.261，因此贵港市辖区各乡镇风险源强影响的主要因子为建设用地比例(S1)、人均建设用地(S2)、土地利用综合指数(S3)。由图1-a中风险源强空间分异图可知，高风险源强区主要分布在贵港市辖区贵城街道办、江南街道办(即贵港市辖区的中心城区)及城区周边区域，如八塘镇、桥圩镇、东津镇、湛江镇和覃塘镇，这些区域都为社会经济发展较快、人口分布众多、城市扩张迅速、土地利用率高的区域，而此区域内建设用地比例、人均建设用地、土地利用综合指数都较高，因此相应的生态风险源强较高。而一些偏离中心城区的乡镇，各项风险源强指标都很低，导致其风险源强值也较低。

3.2　风险受体暴露度

风险受体暴露度是指在一定区域内，评价单元对于该区域内风险源强产生负面效应的空间暴露程度。受体暴露度越大，它在面对风险源压力时,发生潜在生态风险的可能性也越大。由式(8)可知，斑块密度(R1)、景观形状指数(R2)、周长面积分维数(R3)、平均最近邻体距离(R4)、SHDI多样性指数(R5)的系数比例为：0.466、0.407、0.160、-0.381、-0.741，只有平均最近邻体距离(R4)、SHDI多样性指数(R5)对受体暴露度的影响呈现负效应，尤其是SHDI多样性指数(R5)影响更强，其他3个指标对风险受体的影响皆为正效应。由图1-b中风险受体暴露度空间分异图可知，在贵港市辖区的27个评价单元中，受体暴露度高的区域主要集中在中心城区外围的几个乡镇，反映出这些区域在风险源的压力下发生潜在生态风险的可能性更大。而具有低暴露度的区域主要集中在贵港市辖区西北部的几个乡镇。

3.3　风险效应

根据公式(9)可以看出植被覆盖度(E1)；生物丰度指数(E2)；生态系统服务价值(E3)对风险效应影响力比较均衡，除生物丰度指数外，其他2个因子对评价生态风险效应都呈现负效应。森林有着调节气候、保持水土、维持生物多样性等作用，对保障生态安全具有重要意义，因此植被覆盖度对生态风险效应呈现负效应是可以理解的；而生态系统服务价值反映当地的环境状态和调节能力，生态系统服务价值越高，对当地环境的调节能力越强，因此，该因子呈现负效应是合理的。风险效应强的区域在生态风险发生时，风险受体可能受到的影响较大。由图1-c中风险效应空间分异图可看出，风险受体对当前风险源强的、响应强的区域集中在中心城区贵城办、樟木镇以及中心城区周边乡镇，风险效应弱的区域集中在奇石乡、中里乡以及瓦塘乡。

3.4　综合生态风险

将贵港市辖区各乡镇的生态风险三要素主成分值加和，得出各评价单元的综合生态风险值。利用ARCGIS软件的自然断点法将其分成5个风险区，即低风险、较低风险、中等风险、较高风险、高风险区，最后得到贵港市辖区土地利用综合生态风险空间分级图，如图2所示。

图2　贵港市辖区土地利用综合生态风险空间分级图

综合以上可知，生态风险三要素各值共同决定了贵港市辖区土地利用生态风险值的大小。从图2可以看出：土地利用生态风险高的区域主要位于贵城办、江南办、覃塘镇、八塘镇、东津镇、桥圩镇、湛江镇；低风险区位于樟木镇、蒙公乡、黄练镇和根竹乡等。除中心城区和城区周边的几个乡镇外，贵港市辖区有20个乡镇都位于中等风险区及以下。高生态风险区的几个区域同时也具有较高的风险源强和风险效应，而低风险区的樟木镇、蒙公乡等具有较低的风险源强和风险受体暴露度。位于中低风险区的20个乡镇，生态风险三要素中有2个要素或以上都为较低值。

4　结论与建议

本文从多风险源、多风险受体、多风险效应3个方面构建了贵港市辖区土地利用生态风险评价指标体系及模型，利用贵港市辖区2015年遥感数据影像图及2016年贵港市统计年鉴数据，通过ARCGIS、FRAGSTATS软件，计算了风险源强、风险受体暴露度及风险效应指标。基于SPSS18.0软件，利用主成分分析法，计算了各指标权重，得出生态风险三要素的主成分综合模型，然后计算了贵港市辖区各乡镇的风险源强、风险受体暴露度、风险效应值，最后根据风险值的计算原理，得到贵港市辖区各乡镇的综合生态风险值。结果显示，受人类活动、自然条件、环境污染等因素的影响，贵港市辖区土地利用生态风险值呈现一定的空间分布规律。综合生态风险值高的区域分布在人口密度大，人类活动频繁，建设用地集中的区域，如贵港市辖区中心城区主城区以及中心城区周边范围的各乡镇。综合生态风险值低的区域主要分布在人口密度较小、人类活动罕至、土地利用程度不高的区域。人口密度大、城市化进程快、土地利用程度高、工业聚集的区域，人类活动的干扰与各种污染的力度也必然加大，再加上土地利用程度的加大，土地利用结构的不合理也不可避免，这就在一定程度上导致了景观聚集度的降低，影响了区域生态系统的稳定性，削弱了自然—人类复合生态系统的自身调节能力，从而表现出较高的综合生态风险值。由此可见，各乡镇的综合生态风险值与该区域的人类活动程度、土地利用程度以及人口密度有密切关系，生态风险越高，人类活动越强烈、土地利用强度越大、人口密度越高，对生态系统的干扰能力就越大，生态风险值必然越高。

针对贵港市辖区土地利用综合生态风险高的中心城区及城区周边的几个乡镇，应重点实施环境治理，在城市化发展、土地利用程度加深的同时，应注重土地利用结构的合理性，实施退耕还林、植树造林的生态治理措施，不仅要行之有效地降低和规避生态风险，避免生态环境遭受不良影响及恶化，还应适当改善生态环境。对于贵港市辖区较低风险的其他乡镇，不仅要保持其生态环境，也要注重其经济发展，通过适度开发，做到经济发展的同时，能够保持良好的生态环境，努力实现可持续发展。

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