广西石漠化地区土地利用空间变化的生态风险研究*

谢 玲，邓晓军，卢月燕，严土强，李孝坤

(1.广西师范大学环境与资源学院，桂林 541004； 2.广西师范大学，岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室，桂林 541004； 3.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046； 4.浙江财经大学经济学院，杭州 310018； 5.重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 401331)

0 引言

土地资源生态安全是指在一定的时空范围内，土地生态系统能保持其结构与功能的健康、平衡、可持续状态，并为社会经济与农业可持续发展提供稳定保障[1]。因此，土地生态安全是土地生态系统可持续发展的核心和基石。人类对土地利用的方式和变化，直接影响着土地生态系统的健康[2]，尤其岩溶强烈发育的喀斯特地区，生态环境极其脆弱，石漠化便是其土地生态系统破坏的表现形式之一[3-4]。研究土地利用变化对土地生态安全的影响，为进一步实现土地生态系统的平衡、土地资源的合理利用具有重要意义[5]。广西区位于我国西南喀斯特地区，属于世界三大连片岩溶发育区之一的东亚片区中心，是世界上面积分布最大、发育最为强烈的一片[6]。该区石漠化(轻度石漠化及其以上)土地面积多达2.729 457万km2，占广西区总国土面积的11.5%[7]。石漠化对该区的土地生态系统健康造成了严重的威胁，出现了可耕地面积减少，水源涵养能力下降，洪涝灾害加剧，土地生产能力降低，岩溶区生态系统植被结构简单化等问题，这也严重阻碍了该区社会经济的可持续发展。石漠化的产生与发展有自然因素的影响也受人为因素影响[8]，因此，在双重因素作用下石漠化地区的土地利用，直接关系着石漠化地区土地生态系统的安全与健康程度。石漠化地区的土地利用生态安全问题的研究，是在当前土地资源过度开发和利用、土地生态系统协调失衡背景下产生的，文章从分析土地利用的时空变化角度，探索土地空间转移变化与土地生态风险之间的关系，以揭示2000—2015年广西石漠化地区土地生态风险演变趋势，通过采取相应措施，实现土地生态环境的动态平衡。

随着人类对土地资源开发强度的增加，尤其是石漠化地区土地资源的生态风险与土地利用方式及其变化之间的关系如何，及其生态风险的量化已成为学术界的研究热点。前人就土地生态安全的研究在方法上多采用生态足迹模型[9]、SD[10]和CLUE-S模型[11]、景观生态模型[12]、土地利用变化测度模型[13]，构建生态安全评价指标体系[14]，采用主成分分析[15]、多元线性回归和主成分分析[16]、地学统计分析及空间自相关分析方法[17]。研究涉及区域干旱区、沿海海岸、黄土台塬、流域、城市等，但针对石漠化地区的土地利用空间变化及土地生态风险的研究却极少，在为数不多的相关研究中，研究尺度以石漠化地区中的县域为单位，并不能代表石漠化地区土地利用空间变化下的土地生态风险演变趋势，因此该文选取广西轻度石漠化以上的区域(包括轻度、中度、重度)作为研究区，以下简称石漠化地区，对其土地利用变化和土地生态风险进行时空分析，为研究区的土地利用生态安全保护、土地资源的可持续利用提供决策依据。

1 研究区概况

广西是喀斯特地貌发育的典型地区，是我国石漠化最为严重的省份之一。广西喀斯特地貌主要分布在桂西、桂西北的左江、右江流域，桂中的红水河、柳江流域及桂东北的漓江流域中下游，以河池、百色、崇左、桂林、南宁发育最为普遍，轻度及以上石漠化地区面积各市分别占8 277.34km2、5 574.46km2、2 791.55km2、2 742.79km2、2 410.2km2。该文所选研究区域为广西轻度及以上石漠化区域，共涉及10地市69个区县占地18.3km2。地理位置北纬23°22 ′～26°24′，东经104°26′ ～112°04′，年均气温16 ～23℃，年平均降水1 500mm，气候属亚热带季风气候区。研究区地表受红水河、郁江、柳江及其支流的强烈切割，属于黔桂溶洼、粤桂溶原侵蚀山区，岩溶发育典型，石漠化程度较深，地表出现干旱缺水，岩石裸露，植被覆盖较少，伴随水土流失、土地生产能力衰退或丧失。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

该研究数据来源于中科院资源环境数据中心的广西1∶10万土地利用现状遥感监测数据库。从中共获取4期(2000年、2005年、2010年、2015年)1km×1km土地利用栅格数据，并以中科院资源环境数据中心配套数据的土地利用类型分类系统为基准，参照GB/T21010-2007《土地利用现状分类》，将广西轻度及以上石漠化地区的69个区/县的土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类。2000—2015年分类后生成的广西石漠化地区4期土地利用现状见图1。

图1 2000—2015年土地利用现状

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用的相对变化度用以刻画广西石漠化地区在研究期内各地类的变化速度。该文利用综合土地利用动态度指数(K)表征研究区土地利用年变化率，即各土地类型在研究期内变化的剧烈程度。K值越大，表示在研究期间土地利用变化程度越活跃，反之，土地利用变化程度越缓慢[14-15]。

(1)

式(1)中，K为综合土地利用动态度；U(i，t0)为研究区i种土地利用类型初期面积，U(i-，t1)为研究区第i种土地利用类型的面积从初期至末期向其他用地类型转移的面积，T为研究初期和末期的间隔年限。

2.2.2 土地利用转移流

利用ArcToolbox中的Dissolve和Intersect工具，得出广西石漠化区/县各种类型土地转移互换的面积(表1)。该文引入“土地利用转移流”[18-19]用来表示该土地利用类型中所有参与土地利用变化的总量，并借助ArcGIS10.1用可视化的方式实现土地利用转移的方向及强度表达，该方法更能直观显示研究区所有土地利用类型在时间上的演化过程。

ΔL=L(in)+L(out)

(2)

式(2)中，ΔL为某种土地利用的变化量，L(in)代表其他类型的土地转换为该土地利用类型的面积数量，L(out)代表该土地利用类型转变为其他类型的土地面积数量。土地转移流净值为土地转入流与转出流之差。

2.2.3 土地生态风险指数

为探寻土地利用转移面积的大小类型变化对区域生态环境的影响程度，该文根据研究区的实际情况对区域生态安全指数[20-21](Ecological Risk Index，ERI)进行修正，用以表征石漠化地区各土地利用类型数量转换对区域生态安全影响的大小。通过研究区各地级市不同类型的土地转移面积，计算不同地区土地生态风险综合指数，用以比较各地区土地综合生态损失风险的大小及全区土地利用生态风险空间演化，从而建立土利用类型与区域生态风险的经验联系。

生态风险指数计算为：

(3)

式(3)中，ERI为土地生态风险指数，n为土地利用类型数，ΔAi为i种土地利用类型转入—转出量(变化量)的面积，A为研究区总面积，Wi为i种土地利用类型的生态风险强度系数，参考相关文献，不同土地利用类型的生态风险强度指数系数为[19-20]：耕地0.32，林地0.14，草地0.16，水域0.45，建设用地0.72，未利用地0.82。其中ERI值越高，则生态安全指数则越低，区域生态风险指数同生态安全指数呈相反的变化趋势。

3 结果分析

3.1 土地利用动态度分析

根据式(1)计算出广西石漠化区/县综合土地利用动态度指数，结果表明： 2000—2005年，广西石漠化地区综合土地利用动态度为0.42%； 2005—2010年研究区综合土地利用动态度为0.44%； 2010—2015年研究区综合土地利用动态度为0.88%。从研究区土地利用动态度的变化来看，第三阶段的相较于前两阶段土地利用变化频繁，且2010—2015年研究区综合土地利用动态度是前两阶段的两倍，总体来说研究区土地利用的变化情况较为剧烈。另从广西石漠化地区土地利用转移面积表1也可看出，单方向的转移量在前后5年的时间内均未超过500km2，其中以建设用地和耕地两种地类的转移变化最为剧烈。

3.2 土地利用转移流变化分析

基于ArcGIS10.1的Generalization-Dissolve工具分别融合4期(2000年、2005年、2010年、2015年)广西石漠化地区土地利用矢量数据，再利用ArcGIS10.1的Overlay-Intersect工具，进而得出广西石漠化地区4个时间点、期间3次的土地利用转移数据，根据各类用地的转移量，得出研究区15年间各类土地的转移状况如表1。

表1 2000—2015年广西石漠化地区土地利用转移面积 km2

15年广西石漠化地区土地利用中共存在24种土地转移关系，并且各年份间土地转移关系数量及类型均有差异，其中2000—2005年19种， 2005—2010年20种， 2010—2015年24种。做出不同时期土地系统关键转移流贡献率，见图2，在各类土地利用转移流中，其中以耕地、林地、建设用地、草地4种用地类型的转移占绝对优势。由研究区4期各土地利用类型转移数据可得，3个时段的耕地面积呈现持续减少的态势，耕地表现出逐年向建设用地转移显著增多； 林地表现出先增大后略有减小； 草地表现出先减小后增大，林、草地向建设用地持续增多的趋势； 水域和建设用地面积都强烈的表现为增加， 15年分别增加了117.25km2、722.73km2，两个主要流入方向为耕地与林地，其中建设用地的逐年增加也与城市化进程相关。

其中， 2000—2005年耕地、林地、草地、建设用地，4种土地利用类型间的转移流占该期土地利用类型总转移流的85.5%，研究区土地类型间的转换表现出：草地向林地的转换，耕地向建设用地的转换，耕地向林地的转换，面积共达292.876km2，其中以河池、百色、柳州、崇左、南宁5地的转化最为明显。

2005—2010年草地向林地的转移、耕地向建设用地的转移仍然是该阶段的主要转移流，高达113.18km2和91.95km2，以上两种流向作为当期土地利用转移的最大流向，分别占当期土地利用转移流的26.1%和21.2%。该期以南宁、来宾、柳州、桂林4市土地利用的转换较为剧烈，武鸣、南宁市辖区、柳江县等地最为典型。其次，耕地、林地、草地、建设用地之间的转移流占当期土地系统总转移流的83.1%，较前一阶段有所下降，说明该阶段土地利用类型的转移较前一阶段更多样化。同时，在此阶段，其他用地类型向林地的转移面积可达183km2，这也是2000年以来研究区林地面积逐年持续增大的原因。

2010—2015年研究区土地类型间的转换表现出：各类用地向建设用地的转化最为剧烈，达537.619km2之多，除此之外，林地向草地的转入，林地向耕地的转入数量也超过100km2，且林地在上两个阶段转入累积量小于该阶段的转出量，因此该期林地面积出现锐减。与前两期不同的是， 2010—2015年各用地类型出现了向未利用地的转入，突出地表现为林地向未利用地的转入的3.565km2。究其原因，可能与人工薪炭林大面积的采收相关。其次，耕地、林地、草地、建设用地之间的转移流占整个土地系统转移流的91.5%，较前两期4类用地转换数量更大，因此，以上4类用地变化是当期土地转移的主要形式。其中桂林、南宁两地草地向建设用地类型的转入，贺州市林地向草地的转入较为剧烈。

2000—2015年来看土地利用转入转出的方向更加多样化、复杂化，从变化量上来说，变化幅度也越来越大，越来越剧烈，同时，不同时期土地转移流在数量上也表现出差异性。因此由上述，耕地、林地、草地、建设用地的转移数量与方向决定着广西石漠化地区土地利用变化的特征。

3.3 土地生态风险空间异质性分析

土地利用生态风险指数，主要用以表征在土地利用过程中可能发生或者面临生态问题的概率大小，该指数的计算旨在为广西石漠化地区生态环境的保护提供决策依据[22]。根据各地区土地利用类型和面积，利用式(3)以各地级市为单位，计算出广西石漠化地区2000年、2005年、2010年、2015年土地生态风险指数表2和生态风险空间分布图3，鉴于2000—2010年研究区土地利用生态风险指数变化不大，在此，只做出首(2000年)、末(2015年)两期土地利用生态风险空间分布图。结果表明研究区生态风险指数介于0.165～0.255之间，借鉴相关文献[23]，利用Natural breaks将研究区生态风险指数划分成5个级别，依次为： 0.165

表2 2000—2015年广西石漠化地区各地级市土地利用生态风险指数

年份梧州来宾南宁百色崇左贵港桂林河池贺州柳州均值20000.1680.2150.2290.1700.2020.2530.1890.1650.1810.1900.19620050.1680.2150.2300.1700.2020.2530.1900.1650.1810.1900.19620100.1680.2160.2310.1710.2020.2530.1900.1650.1810.1900.19720150.1720.2170.2330.1710.2030.2550.1920.1650.1830.1920.198

图3 2000年、2015年广西石漠化地区土地生态风险空间分级

由表2数据可知，总体来说，近15年来广西石漠化各区/县土地生态风险程度略微增大， 2000—2015年研究区土地生态风险值仅上升0.002，土地生态风险指数保持在较稳定水平，研究区土地生态风险指数地区平均水平处于中等生态风险级，从土地生态风险值的略微增大，说明研究区在整体上土地生态风险可能发生的综合性概率略有所上升，这也是值得关注的一个问题。

由图3可知广西石漠化地区土地生态风险以贵港、南宁、来宾3地最高，到2015年研究区低生态风险指数的地区仅有河池一市，生态风险指数的变化表明广西石漠化地区土地利用变化视角下的生态环境整体上有恶化的趋势。研究区南部属于生态风险重警区，且面积逐渐扩大，较高生态风险区也围绕高生态风险区向周边蔓延。

其次，研究区的土地生态安全风险也具有明显的区域性，西南和东北的区/县形成对称，贵港、南宁两地土地利用生态风险处于高风险状态，可能与城市化、工业化建设、城市建成区范围的不断扩展有关； 在对高生态风险区土地利用特点充分认识的基础上，加强土地利用管理，合理规划城市发展空间，提高土地利用效率，尽量避免不合理的土地利用方式，减少土地利用格局的破碎度和分离度，通过建设城市绿道，构建城乡之间的生态走廊，将会是提高该区土地用安全的有效措施。河池、百色两地轻度石漠化面积虽高居我区石漠化面积的榜首，但其土地利用生态风险指数却处于较低水平，可能其因社会经济发展相对缓慢，人类活动对土地利用干预程度较低。因此生态风险指数相对较低，而且在整个研究时段内变化较小，在以后土地利用中，应加强林地、草地等生态用地的保护，避免人为因素造成的石漠化加剧，发挥其区域生态屏障作用。

但总体来说，随着人类对生态环境的干扰强度的增强，致使研究区整体生态环境趋于退化、林草耕地的不断减少，建设用地的增加，土地生态系统恶化的风险略有增高，也说明广西石漠化地区土地的生态安全状况有待进一步提高。鉴于此，今后应避免城市无序扩张的影响，积极增加耕地、园地和林地总量，加强建设用地的有效利用和整理，应在适度开发的基础上保护生态环境，同时加强生态环境保护意识，平衡经济价值与生态价值，避免生态高风险区域的扩展。

3.4 土地生态风险与土地转移流分析

图4 2000—2015年土地系统关键转移流空间分布

通过分析土地类型的转移方向和数量，做出2000—2015年土地系统关键转移流空间分布图4所示，以探讨土地转移流与土地生态风险之间的关系，通过对比图3和图4，体现出区域内土地利用空间结构变化对区域土地利用生态风险带来的明显变化。其中贵港、南宁、来宾、崇左、桂林、贺州等地的土地利用空间结构变化较为明显，同时这些地区的土地利用生态风险指数也较高。由图4可知， 2000—2005年土地利用转移流中，贵港、南宁两地的林地向建设用地的转移数量较多，随着城镇化、工业化的快速发展，促使原有土地利用空间结构的变化，其土地生态风险指数上升，这也可能是导致研究区土地生态风险提高的主要原因[24]。相对来说，处于低土地利用生态风险区的百色、河池两地，不难发现其土地利用转移流中以林地向耕地、林地向草地的转移为数较多，因建设用地的生态脆弱度较林地、草地高[25]，故河池、百色两地的生态风险仍处于较低等级。2010—2015年研究区土地利用转移流的流向和流量都比2000—2005年更为剧烈，仅有河池一地属于低土地利用生态风险级，土地利用转移流的数量也较其他地区小，随着土地利用转移量的增大，土地利用生态风险等级也转向更高等级。

因此，土地利用生态风险值的高低，在一定程度上与土地利用转移流流向地类的数量与流向地类的生态脆弱度决定的。同时，处于低土地利用生态风险等级的地区往往土地利用变化不是非常活跃，即土地利用类型变化的活跃程度与土地生态风险指数呈正相关。

4 结论

该文基于ArcGIS平台，以遥感数据为基础，探讨了广西石漠化区域土地利用空间结构变化规律，并利用土地生态风险指数，将人类干扰下的土地利用与区域生态风险组成有机联系体，得出如下结论。

(1)2000—2015年广西石漠化地区土地利用动态度呈逐渐增大趋势，由2000年0.42%增大到2015年的0.84%。15年增长1倍之多，可见，研究区土地利用的变化较为活跃。

(2)不同时期土地转移流在数量上也表现出差异性。随着时间的推近，广西石漠化地区各类土地利用转入转出量越来越大，转入转出方向也更加多样化。15年突出的表现为耕地向建设用地的转化最为明显，且累计转移量最大，同时，耕地、林地、草地、建设用地的转移数量与方向决定着广西石漠化地区土地利用变化。

(3)2000—2015年广西石漠化各区/县土地生态风险程度略有增大，土地生态风险值仅上升0.002，说明研究区土地生态系统恶化的风险略有增高，也说明广西石漠化地区土地的生态安全状况有待进一步提高。土地生态安全风险也具有明显的区域性，南部的贵港、南宁两地土地利用生态风险处于高风险状态，西北的河池、百色两地处于低土地利用生态风险级。

(4)土地生态风险指数与土地利用类型变化的活跃程度呈正相关，同时也与转移流流向地类的数量与生态脆弱性相关。

该项目研究不仅为区域土地生态环境管理提供了理论基础和可量化的决策支持，还为广西石漠化地区土地生态安全提供了一定的参考。

5 讨论

土地生态安全问题具有系统性和复杂性，土地生态安全也是一项系统工程，影响因素涉及较多方面，该文在借鉴国内外学者对土地生态安全研究的基础上，以广西石漠化地区为研究区，结合生态风险强度指数与土地利用转移矩阵，客观从土地利用转移流的方向及数量计算出土地生态风险指数(RSI)，以反映出研究区、研究期内土地生态风险变化趋势，实现了土地生态风险的空间化和可视化，因此，该研究的研究结论能够较好地定量评价研究区土地生态系统健康风险状况。后续的研究中，将通过构建土地生态安全指标体系，采用熵权权法确定权重，运用生态安全综合模型的方法对研究区土地生态安全进行评估，其评价结果因所选指标及评价分级阈值的差异不近完全一致，但两种结果同时表明研究区土地生态安全差异空间分布的一致性，这将有利为研究区制定不同土地生态风险值的分级分区预防及治理措施，为土地生态建设提供决策支持。