新型城镇化背景下大湘西地区土地生态安全时空变化分析

邓楚雄，王 莹，郑莉莉

（湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410006）

改革开放以来，在经济高速发展和城镇快速扩张背景下，人类对于土地资源的开发利用力度逐渐加大，土地低效利用、生态环境质量下降等问题日益凸显[1]，严重制约了土地资源的可持续利用[2]。党的十八大以来，党中央更是将生态文明建设纳入到“五位一体”总体布局、新时代基本方略，推动生态环境保护工作[3]。从保障生态文明建设和土地资源安全角度入手，使得土地资源实现数量、质量、生态保护三位一体的良好发展，土地生态安全方面的评估与研究愈发重要。土地生态安全与自然环境和社会经济发展紧密相关，经济发展与自然地理要素相互影响，使得它们在区位分布上呈现空间关联性。因此对区域土地生态健康的时空变化特征进行研究，对于加强区域生态保护和修复以及推进生态文明建设具有重要意义。

土地生态安全指某区域在一段时间范围内，土地系统能够提供一定的服务，包括数量和质量都能够满足人类生活发展需求，同时该土地生态系统能够使得其自身功能和结构不受威胁或减少威胁的一种状态[4-5]。土地生态安全与人类生存与发展息息相关，土地资源可持续利用的核心也在此[6]。国外对土地生态安全方面的研究起源于生态安全方面，由此可追溯到20 世纪40年代，国内相关研究起步较晚，到20 世纪90年代相关方面研究才逐步开始[7]。国外在土地生态安全评价的研究中评价指标和评价方法是侧重点，主要从土地质量评价、土地可持续评价和土地生态系统健康评价等几个方面入手[8]。国内在土地生态安全的研究重点包括进行生态安全预警评价以及相关的预警机制、土地生态安全状态评价及其制约因素[9]，还包括土地利用变化与生态安全的相关关系研究，主要涉及土地生态质量[10-11]、环 境[12]、风险[13-14]、脆弱性[15]、退化[16]等方面。研究区域方面以生态敏感区、生态脆弱区以及经济快速发展地区为主[17-18]。研究方法多以“状态- 压力- 响应”模型为基础，采用生态足迹 法、综合指数法、层次分析法[19-21]等系列方法测算区域生态安全，另外还有采用“基础-结构-效益-胁迫”框架构建评估体系。

综上所述，国内外学者在生态安全方面进行了大量研究，在经济发展人类活动加剧导致土地景观结构发生变化方面研究成熟，但是在此基础上，区域层面采取生态工程治理措施之后导致生态系统服务价值变化之后的土地生态安全方面研究不足。因此，从区域层面开展生态修复成为重要趋势，且由原来的单一修复到追求生态经济价值。因此本研究从三个维度来构建生态修复背景下的生态安全评价框架。并以典型的重要的生态脆弱和经济落后的叠加区大湘西为例，通过人类扰动指数、景观脆弱度与生态服务价值三者综合反应区域生态安全时空分布状况，以期为大湘西地区的生态建设与经济协调发展提供有益参考。

一、研究区域概况

图1 大湘西地区区位图

“大湘西”概念是在实施西部大开发战略时提出，在湖南省2014年国民经济和社会发展统计公报中，大湘西地区行政边界范围调整为邵阳、张家界、怀化、娄底和湘西自治州5 市（州），本研究的研究范围也确定为此5 市（州）（图1）。大湘西属于中国第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带的武陵山区，喀斯特地貌占比大，地貌类型复杂，是典型的生态脆弱地区。2018年GDP 总量6 020.3 亿元，占湖南省GDP 的16.52%，经济发展相对缓慢，是武陵山集中连片特困地区的主体区域。大湘西位于湖南西部，与湖北、重庆、贵州、广西四省（区、市）交界，常住人口645.95 万人，该地区少数民族有四十余个，少数民族人口占比大，是典型传统的少数民族聚居地区。大湘西地区旅游资源丰富多样，也拥有丰富多样的动植物资源,是湖南省旅游典型示范区域。随着近年来经济的发展和旅游资源的开发，建设用地、耕地和生态用地等面积不断变化，在此背景下，加强对大湘西地区土地利用变化影响下生态安全的时空演变研究十分重要。

二、研究方法及数据来源

（一）研究方法

1.人类扰动指数测度

新型城镇化的快速扩张必然导致人类活动对土地进行干扰，使得土地景观由最初的单一均质逐渐趋于复杂以及异质性程度加深，在一定程度上改变。基于土地利用变化/土地覆被变化的角度，陆地表层人类活动强度(FHAILS)[22]被解释为是人类利用与开发表层土地生态系统的程度。因此本研究通过FHAILS来表示城镇化过程中人类扰动对生态系统产生的影响程度。公式如下：

式（1）中：FHAILS表征陆地表层人类活动强度；ALk为地类k 的面积；CIk为地类k 的建设用地当量折算系数，A为区域总面积，n为地类数。参考已有研究[22]，设置耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地CI值分别为0.2、0、0.067、0.6、1、0。

2.景观脆弱度指数测度

土地利用变化不仅受到土地本身自然地理要素的影响，同时人类活动综合作用的结果，人类扰动程度越大对土地的利用程度影响就越深，会对景观类型造成一定的改变。因此脆弱度表征的是景观类型对外界人类干扰和自然地理因素影响的敏感程度。参考相关研究[23]与研究区现状，将地类脆弱度分为6 个等级，分别将土地利用类型赋值如下：草地、耕地、未利用地、林地、水域、建设用地分别赋值6、5、4、3、2、1。其中草地景观最为脆弱，建设用地最为稳定，通过对其进行标准化处理后作为景观脆弱度指数U的赋值，计算方法与人类扰动指数相似。公式如下：

式（2）中：U为景观脆弱度，A为区域总面积，n为地类数；ALk为地类k 的面积；QIk为地类k的单位脆弱度指数。

3.生态系统服务价值测度

根据相关研究，生态系统服务价值(ESV，下同)不仅与土地利用类型相关，另外与NPP、NDVI 等相关联，根据谢高地[24]研究中国陆地生态系统特征以及参照相关学者[24-25]以NPP，NDVI 为数据源对生态系统服务价值的修正，得出“中国生态系统服务价值当量因子表”，并结合其他学者对此的修订成果，进一步对大湘西地区的当量因子进行修正，得到研究区生态系统服务价值当量因子表。考虑区域不同，结合地区具体情况，采用2018年大湘西地区粮食平均单产量5 455.02 kg/hm2，2018年全国粮食平均收购价格2.88 元/kg，由此可得ESV 当量因子价值量，基于此制定大湘西地区各地类单位面积的生态系统服务价值系数表（表1），从而对研究区的ESV进行计算。公式如下：

式（3） 中：VCk为ESV 当量因子价值量（元/hm2a）；P为平均收购价格（元/kg）；Qi为大湘西地区粮食的平均单产量（kg/hm2）；n为年份数。本研究中取2000—2018年大湘西地区41 个区县多年农田作物经济价值的平均值。

表1 各地类生态系统单位面积服务价值系数 元/hm2a

ESV 的计算公式如下：

式（4）中：ESV 为生态系统服务价值；VCk为研究 区各地类单位面积服务价值系数（元/hm2a）；Ak是第K 类土地利用类型的面积（hm2）。

4.生态安全度的构建

在生态安全评价中，多生态终点之间的交互作用开始逐渐被关注。生态终点一般包括受体的多方面损失，可通过景观结构损失与生态系统服务退化二者综合反映，人类扰动加剧会导致景观结构的破坏，也由此会改变相应的生态过程并可能会引起功能丧失生态环境的区域状况。生态环境的空间分异特征可以由土地利用方式量变以及空间结构来反映，表现为生态系统服务价值的增减，生态系统服务退化则表明存在一定的风险。因此，将生态系统服务水平作为潜在生态安全损失的度量方式之一，可以为分析生态安全以及关联效应提供更加完善的手段。因此本研究拟引进人类扰动指数、景观脆弱度和生态系统服务价值作为生态安全评估的三类指标，指标均取正向且进行标准化处理。生态安全度计算公式如下：

式（5）中：Hi为地区i的生态安全指数；αi为第j 类生态安全评价指标的权重。生态安全度的三类评估指标权重以熵值法确定[24]，各类评估要素均经过极差标准化处理。j值分别为0.25，0.50，0.25。

（二）数据来源及处理

本研究采用大湘西地区2000、2005、2010、2015 和2018年 共5 期 的Landsat ETM/TM 影 像(分辨率为30m)，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。以无云或少云且植被成熟为原则，尽量选择6—9月份的遥感影像，无法满足要求的影像则选择相邻月份的遥感影像进行代替。利用ENVI5.3 中的FLAASH 工具、扩展工具Topographic Correction 和Image to Map Registration 模块对原始遥感影像分别进行大气校正、地形校正和几何校正，对研究区进行土地覆盖分类，通过ARC GIS 10.2 与土地覆盖分类训练中的数据组成精度评估区与参照数据进行交叉验证，在ENVI 5.3 中生成矩阵计算总体精度，经检验其kappa 系数均在85%以上。根据中国《土地利用现状分类标准(GB21010—2007)》，结合大湘西地区土地利用的性质与特点，将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6 大类。

三、结果与分析

（一）人类干扰程度变化特征

土地利用类型的变化主要由自然地理要素和人类活动干扰共同作用而成，人类活动的扰动对于土地利用类型的转化起重要的作用。在本节用土地利用变化来表明人类扰动对生态安全的影响程度。

1.土地利用时间变化特征

结合土地利用数据，得到各时间段土地利用类型面积及其变化情况（表2)。从土地利用结构来看，2000—2018年大湘西地区土地利用类型以耕地和林地为主，总和超过92%。从土地利用变化来看，研究期内耕地、草地不断减少，其中耕地面积减幅最大，达到3.06%。增加的土地利用类型主要为建设用地和水域，其中建设用地呈现剧烈的扩张趋势，面积增幅达90.9%。

表2 2000—2018年大湘西地区土地利用类型面积及其占比

2.土地利用空间变化特征

2000—2018年大湘西地区土地利用分布呈现空间异质性（图2，表3）。耕地的减少主要转向林地和建设用地，其中60.5%转为林地，27.8%转为建设用地。从空间分布来看，转出的耕地分布集中的区域主要有会同县东南部，鹤城区和洪江市西部地区。草地的减少主要转向林地和建设用地，其中转向林地占比达83.7%，转向建设用地为3.3%，从地域分布来看（图3），集中地区以沅陵县、桑植县为主。建设用地的增加主要是林地和耕地转入，空间分布来看主要集中于各市州的主城区，城镇化不断发展向外扩张扩大导致，耕地的转出较大且较集中的为鹤城区、会同县和洪江市。

（二）景观脆弱度变化特征

景观脆弱度时间变化方面由图4 可以看出，2000—2018年间大湘西地区各区县景观脆弱度分级明显且各研究时段趋于稳定。2000年景观脆弱度最低值到2018年最低值有减少趋势，18年间景观脆弱度有降低风险。2000—2018年最高值略有变化，景观脆弱度高值基本保持不变。

根据景观脆弱度的相关计算公式，结合处理分类的各区县土地利用数据，可得到五个时期大湘西地区41 个区县景观脆弱度值，空间分布如图4 所示，大湘西地区景观脆弱度在各区县分布中娄底市和邵阳市景观脆弱度较低，其中双清区、北塔区、大祥区景观脆弱度最低，这些区域建设用地分布较多。景观脆弱度高值区主要分布于大湘西地区北部和西南部区县，其中通道侗族自治县、绥宁县、靖州苗族侗族自治县、城步苗族自治县最高，其景观脆弱度都达到70 以上。景观脆弱度的分布与土地利用各类型在各区县分布相一致。

（三）生态系统服务价值变化特征

1.生态服务价值时间变化

从表4 可以看出，2000—2018年间大湘西地区生态系统服务总价值总体呈现增长趋势，2018年相较于2015年略微有所减少。由各地类ESV的变化量（表5），ESV 值变化率较大的依次为林地、耕地、水域和草地。林地和耕地变化较剧烈，表明人类活动干扰加剧，该地区发展旅游业以及建设用地扩张加快了草地、耕地向林地、水域用地的转变，一些生态工程如“退耕还林”等的实施，加快了耕地向林地的转变。

图2 大湘西地区土地利用变化

表3 2000—2018年大湘西地区土地利用转移矩阵

2.生态服务价值空间变化

2000—2018年5 个时期大湘西地区41 个区县生态系统服务价值分布图（图5）。从图4 可以看出生态系统服务价值的高低的空间分布情况，总体来看大湘西地区生态价值在各区县分布中沅陵县、龙山县、桑植县、慈利县等林地水域面积较多的地区生态服务价值高。生态服务价值低值区主要分布于邵阳、张家界、怀化、娄底四市建设用地为主的城区，以及耕地、草地为主的双峰县、邵东县、武岗县和吉首市等地区。根据研究[19]可知，单位面积生态服务价值最高的是水域，其次是林地、草地。大湘西地区是典型的山地生态系统，地貌类型复杂多山地，森林覆盖度高。区域景观格局的分布对生态服务价值有重要影响，由生态服务价值高低值分布区域可以看出高值区与林地水域分布基本一致，而生态服务价值的低值区则主要分布在研究区内建设用地、耕地、草地为主的区县。

图3 2000—2018年土地利用类型变化空间分布

图4 2000—2018年大湘西地区景观脆弱度分布

表4 大湘西地区2000—2018年生态服务价值变化

表5 大湘西地区各地类生态服务价值变化

（四）生态安全变化分析

1.生态安全时间变化

2000—2018年研究区不同时段生态安全度的分布情况（图6）。2000—2018年间研究区生态安全情况变化幅度较小，研究区生态情况主要以生态较安全和生态安全为主，2015年和2018年存在小面积生态安全度低于0.5 的区县达到预警值，应该加强保护。2000、2005、2010年生态安全度最低值均在0.5 以上，而2015年和2018年最低值分别为0.497 和0.493 的双清区，其余地区均高于0.5。生态安全高值2000—2018年基本保持不变，由2000年的0.803 变化为0.800。由图6 可知按照自然断点法把生态安全度分为5 级后，2018年相较于2000年第2 等级、第3 等级区县均有所增加，生态较安全区面积增加。第一等级区域面积有所减少。整体而言，大湘西地区整体生态安全水平较高。

图5 大湘西地区ESV 空间分布

2.生态安全空间变化

结合5 个时期的大湘西地区生态安全度空间分布图可看出（图6），2000—2018年研究区生态安全度指数高值区主要分布于大湘西地区东北部，生态安全度指数的高值基本分布于林地水域为主的沅陵县、龙山县、永顺县、溆浦县、新化县以及旅游业发展非常好的张家界市，这些地区生态环境较好，生态安全度指数较高。生态安全度最高值五个时期均保持0.8 以上是沅陵县，该区域内有湖南省第二大河流—沅水贯穿而过，水能资源丰富，林业用地居全省第一，被评为全国绿化模范县。土地利用格局有“八山一水一分田”的说法。生态安全度指数的低值区主要分布于以建设用地为主的娄星区、冷水江市、大祥区、北塔区、双清区和鹤城区，近年来城镇化程度不断加深，使原有城区不断向外扩张。在研究区内，生态安全度的空间分布整体变化较小，生态安全低值区和高值区重点分布位置没有发生较大改变改变，研究区生态安全度在空间上的分布趋势与生态服务价值的变化趋势保持一致。

大湘西地区是一个独特的地理单元，该区域地形多样林地占比非常大，近年来城镇区域在原有的基础上明显扩张，是经济快速发展的必然。但保护生态环境理念的推行使得政府在城镇建设大发展的同时促进土地的高效利用，充分利用闲置土地，实行“退耕还林还草”等政策保护林地和草地。平衡生态保护与修复和经济社会发展之间的问题日益重要，如何将“绿水青山变成金山银山”，使得武陵山集中连片特困地区的经济社会发展摆脱贫困的同时生态环境不发生剧烈变化，一些地区如湘西自治州生态州建设、沅陵县等打造全国绿化模范县、“八百里绿色行动”工程以及张家界市重点打造的国家森林城市等一系列生态工程的建设都为生态安全的稳定健康发展提供支持。

四、结论与讨论

（一）结论

通过对2000、2005、2010、2015、2018年大湘西地区人类扰动指数、景观脆弱度、生态系统服务价值以及由此三个指标构建的生态安全度变化特征进行分析，得到以下结论：

1）人类活动的干扰对于土地利用类型的转变有重要的作用。从土地利用结构来看，大湘西地区以林地和耕地为主，从土地利用变化来看，研究期内，耕地、草地不断减少，建设用地和水域面积不断增加，其中建设用地呈现出剧烈的扩张趋势，面积增幅达90.9%。建设用地的增加来源主要是林地和耕地。

2）2000—2018年间研究区低值自2010年有持续降低趋势幅度较小，高值基本保持不变。景观脆弱度高值区分布于大湘西地区北部和西南部区县。低值区主要分布于建设用地为主的城区。

3）2000—2018年间大湘西地区生态系统服务价值总体呈现增长趋势。生态服务价值变化率较大的为林地、耕地。研究区生态服务价值高值主要分布在林地水域面积较多的地区，低值区主要分布于建设用地为主的城区及耕地、草地为主的地区。

4）2000—2018年间研究区生态情况主要以生态较安全和生态安全为主，生态安全水平较高。研究区生态安全高值区分布于大湘西地区东北部，分布于林地为主的区县，低值区主要分布于以建设用地为主的主城区。这与研究区内土地利用类型分布情况有很大程度相关。生态安全低值区和高值区中心区位未发生明显改变，研究区生态安全度在空间上分布上与生态服务价值的变化趋势也相对一致。

（二）讨论

为优化生态脆弱地区的土地利用时空格局，更好的践行“两山”理论，基于土地利用变化视角，本研究从景观结构与生态服务价值层面为生态安全评估与生态修复提供依据：

1）大湘西地区为生态保护脆弱地区，同时又是国家集中连片贫困地区之一，是重点扶贫攻坚战场。随着国家退耕还林政策等的实施，使得与经济发展之间难以平衡，近年来随着生态扶贫的推广，越来越多的村民在保护林地草地水域用地的同时，种植油茶等经济作物经济得到提高。践行“两山”理论的同时，可以根据研究区内各区县的地形差异，采取不同的生态修复工程，如禁止陡坡垦殖，地质灾害点的查验等。在地形较为平坦经济发展较快的地区应有效减少人工建设的干扰，在结合地理环境前提下优化景观布局减少破碎化，有效提升生态安全程度。

2）旅游发展区是大湘西地区部分区县发展经济的支柱产业，如张家界市与吉首市部分区县，受自身地理因素与经济社会发展的综合影响，着重发展生态文化产业，借助自身林地水域资源优势，与脱贫攻坚相结合，因地制宜的开展一系列生态工程助力生态修复。区域生态修复重点就是因地制宜，保护动植物资源的多样性，减少不必要的人为扰动，从而减少景观破碎化，提升生态服务价值，使生态安全度维持稳定水平。

3）大湘西地区包含的五个城市的主要城市建成区，一般较少受到地形地貌的限制，人为扰动程度较大，因此应该重点加以关注。在主城区周边设置开发范围，可设置缓冲区进行有效防护，有序进行开发扩张，充分进行景观格局优化，减少人为扰动加速的生态安全度降低的趋势。

本研究通过将生态安全度从景观结构与生态服务价值变化两大方面进行考虑，从人类扰动指数、景观破碎度、生态服务价值变化三个维度进行分析，全面了解研究区生态安全的时序变化与空间分异特征，结合研究区各区县实际情况也较为符合。以期为生态脆弱地区与集中连片贫困地区更好地进行生态修复，践行“两山”理论提供参考。然而，在评估研究区生态安全进行分区并研究生态防范风险方面还需要进一步深化与 探究。