基于土地利用变化的福州市生态风险评价

罗文奇 廖善刚

摘 要： 【目的/意义】福州市对“生态文明建设”工作逐步重视并采取了诸多保护城市生态环境的措施，为探讨快速城市化进程背景下土地利用变化对城市生态环境造成的风险，文章通过探究福州市不同土地利用变化带来的生态风险，为城市发展提出相应的调整建议。【方法/过程】以福州市2001-2017年土地利用变更数据为基础，通过信息熵和生态风险评价的分析方法，对福州市土地利用变化和生态风险进行定量研究。【结果/结论】结果表明：耕地、林地和建设用地面积占福州市总面积的80%以上，建设用地面积不断增加，未利用地面积递减最为明显;信息熵值呈现缓慢上升趋势，表明福州在2001-2017年间土地利用有序度表现为有序向无序的过渡;生态风险指数在2001-2017年间递减趋势明显，与信息熵值变化呈负相关，说明福州市生态建设取得了显著成果。

关键词： 土地利用变化;生态系统;信息熵;生态风险评价;生态风险指数

中图分类号：K903 文献标志码：A 文章编号：1637-5617（2019）05-0073-07

Abstract：  【Objective/Meaning】Fuzhou City has attached great importance to the construction of ecological civilization step by step and taken many protection measures for protecting the urban ecological environment. In order to study the risk brought by landuse change to the urban ecological environment under the background of rapid urbanization process， the ecological risks brought by different landuse changes in Fuzhou City were explored to put forward the corresponding adjustment suggestions for the urban development.【Methods/Procedures】Based on the data of landuse change in Fuzhou from 2001 to 2017， the quantitative research was conducted on landuse change and ecological risk of Fuzhou through the analysis methods of information entropy and ecological risk assessment.【Results/Conclusions】The results showed that the area of cultivated land， forest land and construction land accounted for more than 80% of the total area of Fuzhou， and the area of construction land kept increasing， while the area of unused land decreased most obviously. The information entropy showed a slow rising trend， indicating that the order degree of land use in Fuzhou from 2001 to 2017 was a transition from order to disorder. And the ecological risk index had an obvious decreasing trend from 2001 to 2017 and was negatively correlated with the change of information entropy， indicating that the ecological construction in Fuzhou had achieved remarkable results.

Key words：  land use change;ecosystem;information entropy;ecological risk assessment;ecological risk index

土地利用是人類活动在地球表层系统中最直接的表现形式，也是反映全球变化的重要因素之一[1]。由于城市化进程的不断发展，对有限土地资源的利用与开发已成为目前城市发展的重点，也是提高生态系统中生态服务价值的关键因素之一[2]。目前针对土地利用变化的研究主要集中于驱动力及生态效应的研究、对土地利用变化的监测、土地利用变化模拟，以及土地利用变化和碳循环、碳排放之间的关系等方面。如佟光臣等[3]从土地利用结构变化和景观格局变化等方面分析了南京市近30年的土地利用时空变化和驱动力因素，结果表明南京市土地利用发生了剧烈变化，其中人口增长、经济发展、区域政策和城市规划等共同推动了研究区的土地利用变化。于淼[4]以江苏沿海地区土地利用类型数据为基础，运用生态服务价值模型计算研究区的土地利用动态度、综合程度指数及生态服务价值量，结果表明研究区内土地利用类型转换量巨大，耕地、林地和草地面积的减少使得研究区生态服务价值降低，而水域面积的增加带来的生态效益弥补了上述用地类型减少造成的损失。兰红月[5]以大安县遥感影像为基础，分析了大安县土地利用类型和景观格局的动态变化。杨俊等[6]改进了传统土地模拟方法，侧重通过分析影响因素来构建预测模型运用元胞自动机模型，以大连经济开发区的土地利用数据为基础进行研究区1998-2009年土地利用变化模拟。王克强[7]以沂水县为研究区分析了土地利用变化的碳排放机理，测算了该区域内的碳排放量，分析了土地利用变化与碳排放的关系，并在此基础上构建了土地利用结构优化模型，从而提出合理的土地利用方案。

但是，土地利用的研究主要集中在土地本身，如土地结构转变、碳排放及土地利用效率等，结合生态来评价土地利用的研究相对较少。生态风险评價源于20世纪90年代，由Barnthouse等提出，是指不同因素导致的不利于生态影响进行的评估，用生态风险指数（ERI）来判定，由于人地矛盾的增大和土地利用类型的多变，使得面向土地资源的生态风险评价随之不断发展，受到全球变化和可持续发展的影响，现代城市土地利用需要讲求生态观，合理利用城市土地，实现城市土地资源的优化配置和可持续利用[8-10]。随着我国城市化的不断发展，我国学者通过构建生态风险指数来研究城市生态风险演化。如王玲[11]等利用生态风险指数探讨我国上海地区的生态风险演化，时宇[12]等从景观生态学的角度运用空间分析及景观指数分析法对北京地区进行风险评价。基于前人的研究，本文在土地利用变化的基础上，根据生态风险指数和信息熵，探讨福州市土地利用近20年来的生态风险指数状况。

1 区域概况

福州市位于福建省东部，是福建省省会，位于118°08′～120°31′E，25°15′～26°39′N，别称榕城，简称“榕”。全市总面积为11968 km2，包括6个市辖区（鼓楼区、台江区、仓山区、晋安区、马尾区、长乐区），1个县级市（福清市），5个县（闽侯县、连江县、罗源县、闽清县、永泰县）。该区域山地丘陵约占全市总面积的73%，地势自西向东倾斜。该区属于亚热带季风气候，气温适宜，雨量充沛，林业资源丰富，森林覆盖率为54.7%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据来源于福州市土地现状变更调查数据，针对区域土地利用的现状特点，为了本研究的需要将土地利用类型划分为耕地、林地、水域、草地、建设用地和未利用土地六大类。

为了直观地展现福州市2001-2017年土地利用类型的变化情况（图1），以及更好地将一调地类与二调地类相对应，将时间尺度划分为两个阶段，第一阶段为2001-2008年，第二阶段为2009-2017年。第一阶段，耕地减少5.70%，林地增加0.22%，草地减少12.04%，水域增加0.15%，建设用地增加19.00%，未利用地增加1.01%。林地、水域及未利用地面积基本稳定，建设用地面积增加趋势明显，草地和耕地面积呈现下降趋势。第二阶段，耕地减少4.54%，林地减少1.32%，草地增加9.89%，水域减少4.21%，建设用地增加19.27%，未利用地减少4.84%。建设用地面积在此阶段仍呈快速增长趋势，草地面积也表现为较快速增长，耕地、水域及未利用地面积均呈下降趋势，林地面积基本稳定但也呈缓慢下降趋势。

2.2 研究方法

2.2.1 信息熵

为了更好地反映研究区域土地利用的有序程度，选用信息熵作为主要的研究方法之一。信息熵主要用来衡量一个系统的复杂程度和有序程度，其数值越小，表明该系统越有序，数值越大则表明该系统越无序，表达式如下：

其中， n 为土地利用类型的数量， Ai 为研究区第 i 种土地利用类型的总面积。 A 为研究区土地利用类型总面积， Wi 为第 i 种土地利用类型所反映的综合生态风险程度[14]。综合生态风险指数是不同土地利用类型在研究区域内所反映的综合生态风险程度，本文在参考臧淑英等[15]专家学者的研究基础上，运用专家打分法及层次分析法得出不同土地利用类型的权重，耕地、林地、水域、草地、建设用地和未利用土地的权重分别是：0.2399、0.0321、0.0448、0.0676、0.0354、0.1036。

3 结果分析

3.1 福州市土地利用类型有序程度分析

土地是一切开发发展的基础，城市土地利用类型也在一定程度上反映了城市的发展水平，用信息熵值来评价土地利用类型能客观地反映各类土地利用的有序程度（表1）。研究结果显示，总的来说福州市2001-2017年的各土地利用类型有序度呈缓慢下降趋势（图2）。2001-2008年间，建设用地信息熵值增加趋势明显，耕地、林及草地的信息熵值均表现为下降趋势，水域及未利用地的信息熵值较为稳定，大致表现为缓慢上升趋势。2009-2017年间，各土地利用类型中，除耕地和未利用地外，信息熵值均为上升趋势。其中，水域和建设用地的上升趋势最为明显，林地和草地次之，耕地和未利用地则表现为缓慢下降趋势。总体来说，研究区域内土地利用类型的有序度2001-2017年表现出由有序向无序阶段的缓慢过渡。

2008-2009年出现的断崖式变化主要是由于2009年开始使用第二次全国土地调查（下文称为二调）所划分的土地利用现状分类。相较于第一次土地调查（下文称为一调）而言，部分土地利用类型之间发生了转变，例如一调中其他农用地下的农村道路转变为二调中的交通用地;一调中水利用地的土地类型在二调中的土地利用类型明显增多;一调中林地分为六大类，但二调只将林地分为三大类;一调和二调相比，园地的类型也缩减了两类;考虑到福建省草地面积小，故将一调中未利用地下的荒草地划分为草地。因此，在福州市总面积不变的情况下，由于一调和二调所划分的土地利用类型之间存在部分差异，使得2008年和2009年之间六大类土地面积有所差异，因此出现了2008-2009年福州市信息熵值的断崖式变化。

水域信息熵值变化较为稳定，增加了0.123，其面积减少了0.8%。建设用地的变化较明显，信 息熵值一直呈上升趋势，其面积约增加70%，是增加面积最多的一类土地利用类型。主要分布在市区和县城地区，一直呈现为快速增加的趋势。表现为大量未利用地和耕地等土地利用类型受到城市化进程的影响转变为建设用地[16]。耕地的信息熵变化也较为明显，主要呈现下降趋势。信息熵值减少约0.006，总面积减少了16%。同样是由于城市化进程的影响，在城市扩张过程中，会先选择原先城区周围的土地，一般来说是耕地，因此部分耕地受到城市扩张的影响，转变为城市建设用地。林地的信息熵值一直处于较为稳定的状态，林地面积在2001-2017年间，增加了2.7%，面积变化多年来趋于稳定状态。草地变化最为突出，面积减少了76%，最主要的原因是由于第二次全国土地调查将大部分一调中的荒草地划为了未利用地，导致草地面积锐减，其信息熵值也大致下降了0.087。未利用地的信息熵值变化幅度较小，总面积由2001年的12841.53 hm2增加至2017年的14031.11 hm2，大致增加了9%，同样受到二调的影响，未利用地的二级地类数量有所增加。

各区县信息熵值变化也大致相同（图3），近20年来，各区县信息熵值之和大致呈稳定趋势，2008年以后，受到第二次全国土地调查的影响，部分二级地类之间相互转换，以及受区域城市开发的影响，各区县的土地利用面积变化趋势明显，因此各区县的信息熵值也随土地利用面积的变化而不断变化。马尾区、罗源县及永泰县的信息熵值变化最为稳定，仓山区变化最大，主要原因是前者相对后者而言，城市开发程度相对较低，建设用地和未利用地面积所占比例较小，因而信息熵值变化稳定，而仓山区信息熵值变化较大。同时，福清市信息熵值最高，台江区信息熵值最小。福清市在福州范围内土地总面积排名第三，其基数偏大，且福清的水域、建设用地和耕地面积均为全市第一，因此其信息熵值最大;台江区是福州市面积最小的区（县），其基数最小，加之该区域内林地、草地及未利用地常年接近于0，土地利用程度高，因而信息熵值最小。

3.2 生态风险评价分析

结合福州市各土地利用类型信息熵值变化状况（图2），2001-2008年间，各土地利用类型生态风险指数大体上是随信息熵值的升高而降低的（图4），表明区域内的土地利用类型的有序程度与生态风险指数大致呈负相关的关系。随着信息熵值的不断增加，土地利用类型逐渐向无序状态转移，研究区的生态风险指数却不断降低。表明伴随城市化进程，各土地利用类型的面积会不断发生改变，出现相互间转移的现象。同时，各土地利用类型的相互转变，也会影响研究区的生态风险指数的变化，主要表现为建设用地面积的不断增加，对研究区的生态安全所带来的风险也随之增加。

观察福州市各区县生态风险指数变化情况（图5），福州市生态风险指数前期表现稍高，主要原因是城市内部地区土地利用达到饱和状态，修缮和改进的程度不大，加之人口增多，交通压力和环境压力增加。政府在此期间虽注重对城市的发展与完善，但由于上述原因，生态风险指数仍处于较高数值。2008年以后，福州市生态风险指数降低且下降趋势明显，部分原因是第二次土地调查对于土地利用类型分类有所修改，更主要的原因是福州市近年来受到“建设生态文明城市”的影响，对城市 的各项生态建设投入了较多的人力、物力和财力[17]。

如永泰县在2014年开展的重点生态区位商品林赎买制度改革、福州在2015年全面启动“多规合一”工作，严守生态红线及全市10个县（市）均已启动农村生活污水第三方治理等举措，为福州市的生态建设提供了重要支撑。故福州市的生态风险指数呈现下降趋势。在福州各县（市、区）中，生态风险指数也大致呈稳定下降趋势。其中，台江区生态风险指数最小，其原因是台江区面积最小，且林地、草地及未利用地常年接近于0。连江县生态风险指数最大，是由于连江县林地和水域面积广阔，且二者系数相对较大，因而生态风险指数偏高。同时，除马尾区、晋安区及连江县之外，其余各区县生态风险指数大致呈相对稳定状态。

4 结语

福州市在2001-2017年间土地利用类型存在明显变化，土地利用变化对区域生态风险产生了显著的影响。信息熵值的缓慢增加说明该区域的土地利用类型的有序度不断降低。其中建设用地的信息熵值增加比例最大，说明城市化进程仍处在快速发展阶段，土地利用类型有序度变化呈缓慢下降趋势。在福州各区县中，仓山区信息熵值由于城市化建设的快速发展而变化最大，罗源县城市建设相对缓慢因而信息熵值变化较为稳定。伴随着福州市对生态文明建设的逐步重视，积极开展各项生态建设工作，福州市近年来生态风险指数呈缓慢下降趋势;区县中除马尾区、晋安区、连江县为波动下降趋势，其余各区县的生态风险指数均大致呈稳定下降趋势，说明福州市生态建设取得了显著成果。

本文主要根据信息熵来判断研究区内土地利用类型的有序程度，进而在有序度的基础上结合生态风险指数，对研究区域进行生态风险评价。在城市发展进程中对生态系统及其各相关因素的不利影响进行分析，有利于为城市区域经济可持续发展及生态环境的保护提供一定的决策依据和因素参考[18]。在城市规划发展和区域开发中，要适度考虑土地利用类型的有序度和生态因素，以便更好地为城市建设服务。

参考文献：

[1] 刘纪远，宁佳，匡文慧，等. 2010-2015年中国土地利用变化的时空格局与新特征[J]. 地理学报，2018，73（5）：789-802.

[2]熊侣英，师学义. 黄土山丘区土地利用变化对生态系统服务价值的影响——以长河流域为例[J]. 水土保持研究，2018，25（2）：335-340，389.

[3]佟光臣，林杰，陈杭，等. 1986-2013年南京市土地利用/覆被景观格局时空变化及驱动力因素分析[J]. 水土保持研究，2017，24（2）：240-245.

[4]于淼，吕晓，廉丽姝，等. 江苏省沿海地区土地利用变化及其生态效应[J]. 水土保持通报，2017，37（3）：131-139.

[5]蘭红月，李家存，李晓燕. 吉林省大安县土地利用变化监测及景观格局分析[J]. 地理空间信息，2014，12（3）：133-135，138，9.

[6]杨俊，解鹏，席建超，等. 基于元胞自动机模型的土地利用变化模拟——以大连经济技术开发区为例[J]. 地理学报，2015，70（3）：461-475.

[7]王克强. 土地利用变化的碳排放效应研究[D]. 成都：四川农业大学，2012.

[8]虞燕娜，朱江，吴绍华，等. 多风险源驱动下的土地生态风险评价——以江苏省射阳县为例[J]. 自然资源学报，2016，31（8）：1264-1274.

[9]李荣常. 土地利用与生态环境关系文献综述研究[J]. 中国农业信息，2013（13）：213.

[10] 高雪. 天津市土地利用/覆被变化的生态环境效应评价[D]. 大连：辽宁师范大学，2012.

[11]王玲. 基于土地利用变化的上海市生态风险评价[J]. 农业科学研究，2018，39（1）：10-16.

[12]时宇，史明昌. 基于GIS的北京市水土流失生态风险评价[J]. 生态科学，2014，33（6）：1100-1105.

[13]张立峰，闫浩文，张斌才，等. 基于信息熵的城市新区土地利用动态演变研究——以兰州市新区为例[J]. 兰州交通大学学报，2016，35（4）：148-152.

[14]臧淑英，梁欣，冯仲科. 黑龙江省大庆市生态风险评价研究[J]. 北京林业大学学报，2005（S2）：58-62.

[15]孔福星，汪自胜. 基于土地利用变化的生态移民安置区生态风险评价[J]. 农业科学研究，2018，39（3）：38-43.

[16]徐煖银，郭泺，薛达元，等. 赣南地区土地利用格局及生态系统服务价值的时空演变[J]. 生态学报，2019，39（6）：1969-1978.

[17]苏海民. 基于高光谱遥感的福州市土地利用时空变化分析[D]. 福州：福建师范大学，2006.

[18]刘凤，曾永年，赵丹阳，等. 长江中游城市群土地利用生态风险分析——以长株潭城市群为例[J]. 国土与自然资源研究，2016（5）：16-22.