基于GIS 与RS 的广东省化州市土地利用演变及生态敏感性评价

黄秋华，翁 健

（惠州学院 地理与旅游学院，广东 惠州 516007）

土地是地球上生物赖以生存的重要基础，生态敏感性评价能科学合理的对其进行生态分区［1］，生态敏感性评价能为保护生物多样性、生态环境和生态系统服务。生态敏感性评价是对现有生态环境潜在问题进行分析，并通过空间分析进一步落实的研究［2-5］，开展生态敏感性评价，有助于生态环境的保护与管理。

土地利用演变及生态敏感性研究得到了越来越多学者的重视，我国学者在土地利用研究与生态敏感性方面做了大量的研究。在基于GIS 空间分析方法以及构建相应评价指标体系方面，有学者选取水域缓冲区、土壤等9 类生态敏感性指标，完成河水流域的生态敏感性分析与评价［6-7］；程畅等［8］选取高程、坡度、道路等5 类影响因子作为生态敏感性评价指标，从县域尺度出发，进行生态敏感性评价；刘昶等［9］通过选取4 个评价因子分析城镇近郊区的生态敏感性，用以讨论空心村的整治潜力；刘浩［10］基于土地利用数据，分析2010—2015 年洱海流域土地利用演变特征、生态系统服务价值变化特征以及人类活动对生态系统格局及服务价值变化的影响。在计算区域生态敏感性所用到的评价方法方面，包括压力—状态—响应模型［11］，变异系数与层次分析法的综合应用［12］，以及主成分分析法等［13-14］。

改革开放40 年来，化州市人口快速增长、用地激增，人地矛盾日益突出，同时化州市位于广东省茂名市中部丘陵台地河谷城镇与农业生态区及南部台地平原农业与城市生态区内。通过化州市土地利用类型变化和生态敏感性评价结果，可为化州市生态环境功能区和生态保护红线的划定工作提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

土地利用与生态敏感性研究所用的数据主要由：（1）遥感卫星影像：覆盖化州市的2013 年及2019 年Landsat 8 OLI（Operational Land Image）影像共2 幅，影像空间分辨率为30 m，云量均低于10%；（2）30 m 数字高程数据；（3）化州市行政区划图等数据资料组成。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用变化中的应用，其能定量地反映不同土地利用类型之间的转换。土地转移矩阵的表达式：

其中，Sij表示土地类型的面积，即第i种土地类型面积向第j种土地类型转移的面积；n表示土地利用类型数。

1.2.2 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度是研究区域内某种土地利用类型在一定时间间隔内的数量变化情况。单一土地利用动态度公式：

其中，KT为在T 研究时段内的某种土地利用类型变化率（动态度），Ua、Ub分别是研究开始与结束时的土地利用类型的面积，T为研究的时段。

1.2.3 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度反映了研究区在一定时间间隔内土地利用数量的总体变化情况，计算公式：

其中，LC 为综合土地利用动态度，LUi为研究初期第i类土地的面积；LUi-j为某一时间段第i 类土地转化为j类土地的面积绝对值，T为累计研究时长。

1.2.4 变异系数法

由于评价指标体系中的各项指标的衡量标准不同，不适合直接比较差异。根据查阅文献，可知综合生态敏感性的因子有许多确定权重的方法，如变异系数法［15-16］、层次分析法［17-18］、专家打分法［19］和极大值法［20］等，本文拟采用变异系数法来确定每个因子的权重。

变异系数法是直接利用各项指标所涉及到的信息，通过计算得到指标权重的方法。其可以消除单位和平均数不同对两个或多个资料变异程度比较的影响。各项指标的变异系数公式：

其中，CV 是第i 项指标的变异系数，σi是第i 项指标的标准差，Xi是第i项指标的平均值。各项指标的权重：

2 结果与分析

2.1 化州市土地利用变化特征

2.1.1 地类构成变化分析

化州市的土地总面积约为2 355 km2，将土地利用类型分为建设用地、未利用地、耕地、林地和水域5 大类型。2013 年和2019 年不同土地利用类型分布图如图1。

图1 2013年与2019年化州市土地利用类型分布图

由2013 年和2019 年不同土地利用类型面积和所占总面积百分比（表1）可知：2019 年用地类型比例与2013年相比发生了较大变化，建设用地和林地发生变化较大，建设用地由2013 年占比14.17% 增长到28.70%，表明建设用地大幅度扩张是化州市土地利用格局变化主要特征之一；林地由2013年占比49.30%减少到39.95%，尽管林地面积总量减少，但林地仍是本区域面积占比最大的用地类型；2019年未利用地面积48.31 km2，所占比例下降了4.04%，面积显著减少，表明土地得到有效利用；耕地面积564.54 km2，所占比例下降了1.18%，耕地面积有减少趋势；水域面积比例与2013年相比，增长了0.04%，无太大变化。

表1 不同用地类型面积及占比分布

2.1.2 地类间相互转化分析

土地利用类型面积变化分析不能有效反映不同类型之间的转换，因此，还应考虑土地利用类型之间的相互转换。本文运用ArcMap软件，对化州市土地利用变化过程进行统计分析，最终获得2013—2019年化州市的土地利用转移矩阵（表2）。

表2 2013—2019年化州市土地利用转移矩阵km2

从表2中2013—2019年化州市土地利用转移矩阵可以得出：建设用地的增长量远大于减少量，增长的主要来源按面积从大到小排列依次为耕地、林地、未利用地和水域，同时已有建设用地转出为其他地类按面积从大到小排列依次为林地、耕地、水域和未利用地，净增长量达342.15 km2，说明2013—2019 年期间处于城镇化建设发展时期。

耕地与林地增长量远小于减少量，林地与耕地之间互转现象比较明显，这与遥感影像中准确区分林地和耕地难度较大有一定的关系，另外说明整个城市耕地和林地呈现总面积减少趋势，应该引起相关部门足够重视。未利用地总面积呈减少状态，减少量为95.16 km2，主要转化为建设用地，说明该市未利用地得到集约化利用。

2.2 土地利用动态分析

2.2.1 化州市单一土地利用动态度

根据动态度公式（2）计算得出化州市单一土地利用动态度结果如表3 所示，结果表明化州市土地利用仅水域与建设用地的动态度呈正向变化，其余耕地、林地、未利用地呈现负向变化。其中建设用地变化幅度最大，动态度为17.09%，说明建设用地面积与其他土地利用类型相比较呈现大幅度增长趋势；水域动态度为0.12%，体现了水域的总体面积变化不大，但有稳步增长的发展趋势；而耕地动态度为-0.78%，说明耕地在减少，但变化幅度不大；林地动态度为-3.16%，变化幅度较大；未利用地变化减少幅度最大，动态度为-11.05%，说明未利用土地得到有效利用。

表3 2013—2019年化州市单一土地利用动态度

2.2.2 化州市综合土地利用动态度

根据综合动态度公式（3）计算得出化州市综合土地利用动态度结果为2.43%，说明化州市2013 年到2019年期间土地利用有一定程度的变化，虽然变化程度很小，但总的来说，强度不高，状态相对稳定。

2.3 化州市生态敏感性

2.3.1 评价因子的确定与分级

根据化州市地理特征，并结合以往的相关研究案例，对影响生态敏感性因素进行筛选并建立指标体系。首先，将化州市生态敏感性划分为5级，分别为1、3、5、7、9 级。其次，从化州市的区域特征及具体的生态过程出发，结合数据的可获得性，合理选取对区域生态敏感性影响较大的土地利用类型、人为因素、自然环境3个方面作为主要因素来源，进一步细分，最终筛选出6个最为重要的化州市生态敏感性因子。各因子等级指标体系见表4。

表4 单因子等级指标体系

2.3.2 评价因子权重确定

本研究采用变异系数法确定评价因子的权重，具体步骤为：使用ArcMap软件，查看各评价指标的属性，分别统计出6个因子的均值和标准差，然后通过公式1～4 计算变异系数，其中每个因子的比例决定其自身因子的权重。计算结果如表5。

表5 单因子权重结果

2.3.3 化州市单因子生态敏感性分布结果

化州市2019 年单因子生态敏感性分布结果如图2，各单因子评价结果如表6。

图2 化州市2019年单因子生态敏感性分布

（1）土地利用类型

土地利用生态极度敏感区占化州市总面积57.35%，超过化州市土地总面积半数，是化州市分布范围最广、分布面积最大的区域，主要分布在化州市北部及中部地，究其原因主要是由于化州市内林地所占比重最高所致。植被森林资源能够调节区域气候，有维持区域整个生态系统的功能，虽然林地多，但是多位于海拔较高的地区，一旦遭到破坏，自我调控能力差，需要花费昂贵的代价来进行恢复。

土地利用生态不敏感区占化州市总面积26.45%，在土地利用类型生态敏感性占比排第2，主要集中分布在化州市南部，多位于中心城区河西街道办事处、下郭办事处、鉴江经济开发区及东山街道办事处4处，在化州市中北部多呈条带状分布。用地类型主要是人为开发建设的环境，包括交通水利用地、城乡建设用地等，土地利用成熟，经济较为发达。

（2）坡向

本研究采用8 个方向的分类方法，通过分析可得轻度敏感区面积最大，占总面积的25.41%；极度敏感区面积最小，占总面积的12.93%；高敏感区、中敏感区、不敏感区分别占总面积的24.65%、22.93%、14.08%。

（3）水体缓冲区

水在人类活动、植物生长和动物生存中起着重要作用，离水域越近的区域，生态敏感性越高。其中：化州市水体缓冲区不敏感区面积最大，占总面积46.79%；极度敏感区面积最小，占总面积9.51%，广泛分布在化州市东南部的平坦地带；轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区分别占总面积16.68%、15.48%、11.54%。不敏感区远大于极度敏感区与高度敏感区，水域分布相对均匀，然而，也应加强对水体的保护和管理，以减少人类活动对水域造成的损害。

（4）植被覆盖度

植被覆盖度是反映生态系统能力的重要因子，本研究采用归一化差值植被指数进行表征。植被覆盖度少于30%的为轻度敏感区与不敏感区，总共占全市面积的3.57%，主要分布在中心城区河西街道办事处东部、鉴江经济开发区西部、东山街道办事处北部以及沿水域区域。中度敏感区与高度敏感区分别占化州市土地面积的7.52%、18.41%。植被覆盖度达到70%以上的为极度敏感区，由于化州市地貌类型以丘陵地为主，占全市总面积的75.5%，因此，植被覆盖度极度敏感区分布十分广泛以致每个乡镇都有分布，占化州市总面积70.50%，超过化州市土地总面积半数，是化州市分布范围最广、分布面积最大的区域，也是植被覆盖度生态敏感性中所占比重最大。

（5）坡度

坡度直接关系到土地承载力的大小，根据坡度可以得到一个区域的陡缓程度，坡度越陡，生态环境越脆弱，越容易发生自然灾害［21］。化州市地貌类型以丘陵为主，坡度较缓，因此本研究将坡度划分为5 个等级：＜5°、5°～15°、15°～20°;20°～25°、＞25°。通过分析可得：轻度敏感区面积最大，占总面积的49.87%，主要分布在中部及北部地区；不敏感区的面积也稍高，占总面积的36.55%，次于轻度敏感区，主要分布在化州市东南部，坡度敏感性不高的地方地形较平坦，利于人们社会活动；中度敏感区占总面积的8.14%，高度敏感区占总面积的3.35%，极度敏感区面积最小，占总面积的2.09%，主要分布在平定、文楼、播扬、宝圩、那务、合江6 镇，其中镇内较高的山岭有：铁屎嶂、斑瓜嶂、五星顶、三嶂、飞鹅岭、大氹顶等。

（6）高程

地势高低是决定研究区域生态敏感性高低的重要因子，化州市地势由西北向东南倾斜，北高南低。其中，极度、高度、中度敏感区分别占研究区土地总面积的1.15%、3.13%、12.97%，主要分布在化州市北部文楼镇、播扬镇、平定镇及周边地区，如播扬镇有化州第一、第二高峰铁屎嶂（海拔579.8 m）、斑瓜嶂（海拔577.5 m），少许分布在化州市中部地区如石湾街道办事处的中火嶂（主峰海拔348 m）。

化州市大部分地区为高程不敏感与轻度敏感区，其中面积最大的是不敏感区，占总面积的46.56%，主要分布在化州市东南部除新安镇外，以及在中部合江镇、中垌镇、江湖镇、林尘镇、北部那务镇并呈条带状分布，多为耕地与建设用地，且大部分集中在该区域的低丘平原、河流两岸的冲积平原、丘陵谷地及缓坡地上。轻度敏感区占总面积的36.19%，主要分布在化州市中西部以及北部地区，高程在37～75 m范围内。

2.3.4 化州市综合生态敏感性分布结果

通过变异系数法求得各个因子的权重后，利用软件ArcMap空间分析模块内加权叠加工具，将土地利用类型、水体缓冲区、植被覆盖度、坡度、坡向、高程6 个单因子的敏感性图层分别按照计算得到的权重0.19、0.24、0.06、0.17、0.14、0.20 进行地图代数运算，计算结果如图3。

图3 化州市综合生态敏感性分布图

单因子及综合生态敏感性不同分区所占比例如表6。

表6 化州市2019年单因子及综合生态敏感性评价结果

由表6 可知，综合生态敏感性中极度敏感区的面积占比在所有敏感性区域中最小，占化州市土地总面积的0.02%；高度敏感区占化州市土地总面积的5.71%，这2类敏感区主要分布在坡度大、高海拔、植被覆盖多的地区，如化州市北部镇区边界线的边缘，多为高山峻岭。高度敏感区通常以极度敏感区为中心向四处扩散，两类区域生态环境受干扰反映强烈，生态环境自我恢复能力弱。

综合生态敏感性的中度敏感区分布广泛，占化州市土地总面积的53.31%，所有分区中排名第1，说明化州市综合生态敏感性稍高，对于人类活动的干扰有一定程度的承受力，但一旦遭到严重的破坏，就会导致严重的生态环境问题。中度敏感区在各个镇区都有分布，在化州市北部分布最多，分布区域通常有小幅度坡度，地形多为低丘平原、河流两岸的冲积平原、丘陵谷地等，有一定的植被覆盖率，主要的土地利用类型为耕地与林地两种。

综合生态敏感性中轻度敏感区占化州市土地总面积的37.54%，不敏感区则占化州市土地总面积的3.42%，这2 类敏感区主要分布在资源环境承载力较强、经济人口集聚条件较好的平原地带，如化州市南部及少数中部地区，在化州市北部也有一些零散分布，主要的土地利用类型为耕地与建设用地两种。不敏感区与轻度敏感区的主要特征为生态系统简单且稳定、生物多样性差、受人类活动的干扰和破坏程度弱。

3 讨论与结论

化州市从2013—2019 年各土地利用类型的变化幅度不一，未利用地、耕地、林地3 个用地类型面积减少，而建设用地和水域面积增加。化州市2013—2019年期间综合土地利用动态度结果为2.43%，说明化州市2013—2019年期间土地利用有一定程度的变化，但总体而言剧烈程度不高，状态相对稳定。

通过将6个单因子生态敏感性分布结果按照各自的权重值进行地图代数运算，根据结果可知植被覆盖度高、高程高、坡度陡的区域往往是极度敏感区、高敏感区，多位于化州市北部镇区边界线，不易受到人类活动的影响，若一旦受到影响，恢复周期较长，需要着重保护山林整体，严格限制人类活动的干扰。而不敏感、轻度敏感地区多分布在化州市南部及少数中部、北部地形平坦的低丘平原、河流两岸的冲积平原、丘陵谷地等地，需要树立人地和谐理念，防止建成区过度扩张。中度敏感区面积占比最大，分布广泛，在化州市北部分布最多，需要加强化州市生态保育功能，尽量减少人为活动的干扰，促进化州市生态用地布局形成与生态文明建设。