张家界市土地利用变化及生态安全评价

摘要：为揭示张家界市土地利用变化特征及其生态安全状况，推动区域生态文明建设，基于土地利用转移矩阵、土地利用单一动态度分析2010—2020年张家界市土地利用变化特征，运用PSR模型，选取17个指标建立张家界市土地生态安全评价指标体系，以评估2011—2021年张家界市土地生态安全状况。结果表明，2010—2020年，耕地、林地、草地是张家界市主要的土地利用类型，水域、建设用地占比较少；2010—2020年，张家界市土地利用变化较明显，除林地和建设用地面积增加外，耕地、草地和水域用地都有不同程度的减少。2011—2021年，张家界市土地生态安全各子系统整体呈上升趋势，土地生态安全综合指数由0.324 4上升至0.744 2，土地生态安全等级经历了不安全—临界安全—较安全的变化过程，土地生态环境问题有所改善，但距离理想安全状态仍有一定差距，在未来生态环境工作中，要针对性地处理阻碍区域生态安全的影响因子，补齐短板。

关键词：土地利用变化；生态安全评价；PSR模型；张家界市

中图分类号：F301.2 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）09-0060-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.09.011 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Land use change and ecological security evaluation in Zhangjiajie City

WANG Gao，TIAN Jian-lin，ZENG Ting，ZHANG Juan

（School of Civil Engineering and Architecture， Jishou University， Zhangjiajie 427000， Hunan， China）

Abstract： In order to reveal the characteristics of land use change and its ecological security status in Zhangjiajie City， and promote the construction of regional ecological civilization， the land use transfer matrix and single dynamic degree of land use were used to analyze the characteristics of land use change in Zhangjiajie City from 2010 to 2020 and the PSR model was used to select 17 indicators to establish the evaluation index system of land ecological security in Zhangjiajie City to evaluate the land ecological security of Zhangjiajie City from 2011 to 2021. The results showed that from 2010 to 2020， cultivated land， forest land， and grassland were the main land use types in Zhangjiajie City， while water bodies and construction land accounted for a relatively small proportion；from 2010 to 2020， there were significant changes in land use in Zhangjiajie City. In addition to an increase in forest and construction land areas， there was a varying degree of reduction in arable land， grassland， and water bodies. From 2011 to 2021， all subsystems of land ecological security in Zhangjiajie City showed an overall upward trend， with the comprehensive index of land ecological security rising from 0.324 4 to 0.744 2. The land ecological security level experienced a changing process of unsafety-critical safety-relative safety， and the land ecological environment problems were improved. However， there was still a certain gap from the ideal safe state. In future ecological environment work， targeted measures should be taken to address the factors that hinder regional ecological security and fill the gaps.

Key words： land use change； ecological security evaluation； PSR model； Zhangjiajie City

土地资源作为人类生存和发展的基石，土地资源各方面的状态与社会经济发展、生态环境质量等密不可分。土地利用变化是地球地表系统变化的重要组成部分，与自然环境和人类的社会经济活动密切相关。合理的土地利用方式能够促进社会经济的发展，提高土地资源的利用效率，而不合理的土地利用方式则会制约社会经济的发展，甚至引发一系列社会问题。土地生态安全评价是土地生态安全管理和建设的基础［1］，也是国内生态学、土地可持续利用等相关学科研究的前沿热点问题。开展土地生态安全评价［2］是目前土地生态安全研究的主要方向。土地生态安全评价有助于深入了解区域土地资源的生态状况、潜在风险及其发展趋势。将土地利用变化与生态安全结合起来，不仅为解决区域土地生态问题提供更多有益的思路，而且可以促进区域土地资源的优化配置、加速社会经济的健康发展，从而推动人类社会的可持续发展［3］。

随着国家对生态环境问题重视程度的不断提高，关于土地利用变化和土地生态安全评价方面的研究也越来越多。其中，Zhang等［4］以中国31个省份为研究对象，结合中国年鉴数据和熵法计算中国生态安全指数，并结合时空尺度对生态安全指数进行分析。刘晓恒等［5］运用改进的TOPSIS法和GM（1，1）模型对贵州省土地生态安全状况进行评价和预测。刘博等［6］以遥感影像为数据基础，对沈阳市土地利用状况进行定量分析，并借助PSR模型完成对土地利用现状的生态安全评估。吴景全等［7］分析西北诸河流域土地利用的动态变化特征，并采用PSR模型分析流域的土地生态安全状况。崔旺来等［8］以浙江大湾区为研究对象，采用CA-Markov模型预测土地利用变化，模拟2030年3种不同情景下的生态安全变化。总的来说，现有的研究大多关注国家、省域的宏观尺度层面，或重要城市、流域等一般地区，对于特殊类型地区如旅游型城市、资源型城市、工业型城市的土地利用变化（LUCC）和土地生态安全研究较少。

张家界市是中国著名的旅游城市，坐落于长江流域重要的水源涵养区，肩负着维护国家级重点生态功能区生态安全的重要使命，生态安全保障地位极为重要。同时，张家界市作为张家界地貌的发源地，石英砂岩地貌和喀斯特地貌特征突出，生态环境脆弱，其维持自身系统稳定性和抵抗外界干扰的能力也相对薄弱［9］，研究该区域的土地利用变化及其生态安全尤为重要。有学者对张家界市旅游生态安全［10］、景观生态风险［9］等方面进行了相关探索，但对于土地生态安全评价的研究相对缺乏。本研究在分析土地利用变化的基础上，构建土地生态安全评价体系，揭示张家界市土地生态安全的时间变化，以期为区域城市规划和生态环境政策制定提供一定参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

张家界市位于湖南省西北部，澧水中上游，属武陵山区腹地，下辖两区两县，地处109°40′—111°20′E、28°52′—29°48′N，是中国重要的旅游城市，也是湘鄂渝黔革命根据地的发源地和中心区域（图1）。张家界市以石英砂岩峰林地貌为主要特色，区域内地形复杂，砂岩石峰连绵起伏，奇异高耸，沟谷深切，形成了千峰万壑的复杂地形。气候类型属于亚热带山原型季风性湿润气候，光热充足，雨热充沛，但降水季节分配不均，四季分明，无霜期长，严寒期短。张家界市植被丰富多样，以常绿落叶阔叶混交林为主，其中包括长苞铁杉、珙桐树等珍贵树种，区域森林覆盖率高达71%。张家界市经济结构较单一，以第三产业为主，特别是与旅游业紧密相关的服务业部门，目前入境旅游客源地已达133个国家和地区。2021年末，张家界市全年地区生产总值580.3亿元，三大产业占比分别为14.27%、14.07%、71.66%。

1.2 数据来源

选取2010年、2015年和2020年3个时间节点探讨张家界市土地利用动态变化，土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，其空间分辨率为30 m，精度较高。根据国家GB2010—2007《土地利用现状分类》并结合张家界市土地利用特点，将土地利用分为耕地、林地、草地、水域和建设用地5类。

土地生态安全评价指标体系中的社会经济数据主要来源于《湖南省统计年鉴》，部分指标数据来源于《张家界市国民经济和社会发展统计公报》《张家界市生态环境质量状况公报》。由于2010年的较多指标数据出现统计标准不一与缺失情况，为保障研究结果的科学性和准确性，选择2011—2021年作为研究期。

2 研究方法

2.1 土地利用变化

2.1.1 土地利用单一动态度 土地利用单一动态度是指在研究区域一定时间范围内，某一土地利用类型的数量变化程度［11］。其具体的表达式如下。

[K=S2-S1S1×1T×100%] （1）

式中，K为单一土地利用动态度；[S1]和[S2]分别为研究区某一土地利用类型前、后期的面积（hm2），T为研究周期（年）。若[K>0]，表示该土地利用类型面积增加，若[K<0]，则表示该土地利用类型面积减少。

2.1.2 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵是定量分析不同土地利用类型之间转换关系的主要手段，通过该矩阵可以直接探究同一地区不同时期各土地利用类型之间的流转情况，进而准确识别地区的土地利用变化趋势与利用特征［12］。

其数学模型表达式如下。

[Sij=S11S12？S21S22？？？？S1jS2j？Si1Si2？Sij] （2）

式中，Sij为区域内第i、j种土地利用类型之间的相互转换数量；i、j分别为2种不同土地利用类型。

2.2 土地生态安全评价

2.2.1 评价模型构建 目前国内外学者多采用以PSR模型为主体的相关模型框架来进行土地生态安全评价，如经济合作发展组织（OECD）提出的PSR模型［13］、DSR模型［14］、欧洲环境署提出的DPSIR模型［15］及联合国粮食和农业组织（FOA）提出的DPSER模型［16］等。

PSR模型将指标体系划分为压力、状态、响应3个子系统，各子系统下包含不同类型的指标。其中，压力表示诱发或促使区域生态环境恶化的影响因子；状态表示在压力影响下区域生态环境的现状或变化程度；响应表示为改善区域生态环境问题而进行的努力［17］。与其他生态安全评价模型相比，PSR模型侧重于揭示人类活动对环境的影响，它能系统地考量经济、社会、生态、环境等因素对土地生态安全的影响，强调自然环境、资源与人类社会之间的耦合关系，因而评价结果具有综合性和说服力，在研究中被广泛应用。

2.2.2 评价指标选取 不同指标的选取对同一研究对象会产生不同的研究结果，对区域土地生态安全状况也会有不同的反映，因此，在指标选取过程中，必须注重区域的实际情况和指标间的关联情况。此外，数据的可获取性直接决定了后续试验能否开展，这也是在建立指标体系和选取指标时需要考虑的问题［18］。

本研究基于PSR模型，在遵循科学性、客观性、实用性、全局性和数据可获取性的基础上，结合研究区特点，选取17个评价指标，涵盖了经济、社会和生态环境等多个方面。该体系从上到下划分为目标层、准则层、指标层3个层次，目标层作为总体指导，准则层提供具体评价准则，而指标层则表示具体指标，具体评价指标体系见表1。

2.2.3 指标数据标准化处理 由于各指标属性、单位、数值都不相同，无法进行综合处理，也无实际意义，因此必须将各指标数据进行标准化处理，将指标实际值转化为指标评价值。本研究采用极差标准化法进行数据标准化处理。根据指标的不同意义将其划分为正向指标和负向指标2类。其中，正向指标的指数越大，生态环境越安全；负向指标的指数越小，生态环境越安全［19］。

正向指标计算公式如下。

[Rij=Xi-MiniMaxi-Mini×0.99+0.01] （3）

负向指标计算公式如下。

[Rij=Maxi-XiMaxi-Mini×0.99+0.01] （4）

式中，[Rij]为数据标准化后的值；[Maxi]和[Mini]分别为第i项指标中的最大值和最小值；[Xi]为观察值。

2.2.4 指标权重确定 权重不仅揭示了指标在土地生态安全中所起作用的重要程度，更直接关乎评价结果的准确性和可信度［20］。现有的指标权重确定方法主要包括主观赋权法和客观赋权法。鉴于主客观因素的综合考虑及研究需要，选择客观赋权法中的熵值法来确定指标权重，从而有效避免主观赋权过程中因主观随意性而产生的非客观性和非科学性问题，以确保科学性和准确性［15］。具体计算过程如下。

1）指标的同度量化。

[Yij=Riji=1mRij] （5）

2）计算指标的熵值。

[Ej=-ki=1mYijln（Yij）] （6）

3）计算相对信息熵的冗余度。

[Fj=1-Ej] （7）

4）计算指标权重。

[Wj=Fjj=1nFj] （8）

式中，[Yij]为指标标准化后的值；[Ej]为指标的熵值，0[≤Ej≤1]；[Fj]为冗余度；[Wj]为指标的权重，0≤[Wj≤1]；k=1/lnm；m为研究期；n为指标个数；[i]为年份；[j]为指标。

2.2.5 生态安全等级划分 根据土地利用综合指数计算结果和张家界市土地生态环境状态，在参考相关文献［21，22］的基础上，确定张家界市土地生态安全评价标准，将其划分成极不安全、不安全、临界安全、较安全和理想安全5个等级，具体评价标准如表2所示。

2.2.6 生态安全综合指数计算 本研究运用综合指数法计算张家界市土地生态安全值。综合指数法是指在科学合理的指标体系基础上，通过对每个指标进行标准化处理并赋予相应的权重，计算出各要素的综合指数，以实现对各要素的综合性评估与考核［23］。该方法已在多个领域得到广泛应用，特别是对环境污染的综合评价研究以及生态环境质量的评估方面，表现出其独特的优势和应用价值［24］。其具体评价模型如下。

[Si=j=1nWj×Rij] （9）

式中，[Si]为i年生态安全综合指数；[Wj]为第j个指标的综合权重；[Rij]为[i]年[j]指标标准化值；n为评价指标个数；[i]为年份；[j]为指标。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

3.1.1 土地利用面积变化分析 由图2、表3可知，2010—2020年，耕地、林地、草地是张家界市主要的土地利用类型，水域、建设用地占比较少。2010—2020年，张家界市土地利用变化较明显，林地与建设用地面积呈增长趋势，与2010年相比林地面积增加了478.08 hm2，且占比均超过64.000%；与2010年相比建设用地面积增加了1 969.29 hm2；耕地面积先增后减，与2010年相比减少了1 236.24 hm2；水域面积变化较小，占比均维持在1.100%左右；草地面积呈减少趋势，由2010年的94 289.49 hm2减少到2020年的93 092.22 hm2，下降了1.27%。

3.1.2 土地利用单一动态度分析 从土地利用单一动态度（表4）来看，2010—2015年，各土地类型的土地利用单一动态度呈现出了不同的变化态势。建设用地的单一动态度最高，为0.879%/年，建设用地、林地、耕地的单一动态度均为正值，表明2010—2015年这3种土地类型的面积呈增加趋势。水域和草地的单一动态度均为负值，分别为-0.009%/年和

-0.135%/年，表明这2种土地类型的面积呈减少趋势。

2015—2020年，建设用地的单一动态度最高，为5.542%/年，建设用地、林地的单一动态度均为正值。水域、耕地和草地的单一动态度均为负值，分别为-0.017%/年、-0.113%/年和-0.119%/年。结果表明，2015—2020年，建设用地和林地的面积呈增加趋势，水域、耕地和草地的面积呈减少趋势。

2010—2020年，建设用地的单一动态度最高，为6.664%/年，建设用地和林地的单一动态度均为正值，表明这2类土地的面积呈增长趋势。水域、耕地和草地的单一动态度均为负值，分别为-0.026%/年、

-0.109%/年和-0.254%/年，其中草地面积减少最明显。

综上，在不同时间维度下，各土地类型的土地利用单一动态度排名存在一定差异，反映了张家界市土地利用的多样性和动态性。建设用地面积的变化幅度较大，其他土地面积的变化幅度较小。这一结果为理解张家界市土地利用的演变规律及制定相应的土地管理政策提供了重要的参考依据。

3.1.3 土地利用转移矩阵分析 利用ArcGIS 10.6软件，将2010年和2020年2期土地利用数据进行相交操作，得出2010—2020年张家界市土地利用转移变化，具体计算结果如图3、表5所示。

2010—2020年，张家界市土地利用变化集中在中部、南部和东部地区，西部和北部地区变化较小。土地利用转移主要表现为耕地、草地和水域面积呈减少趋势，建设用地、林地面积呈增加趋势。耕地转入面积为14 368.67 hm2，主要由林地、草地转入，分别转入12 662.90、1 075.32 hm2；耕地转出面积为15 611.46 hm2，主要转向林地、建设用地和草地。草地转入面积为3 731.49 hm2，转入量由高到低依次为林地、耕地、水域和建设用地；草地转出面积为 4 927.86 hm2，转出量由高到低依次为林地、耕地、建设用地和水域。建设用地转入面积为2 430.81 hm2，主要由耕地转入，为1 658.88 hm2；建设用地转出面积为461.52 hm2，主要转向耕地和林地。

3.2 土地生态安全评价结果分析

3.2.1 土地生态安全综合评价 基于PSR模型评价指标体系，计算出2011—2021年土地生态安全综合指数。由图4可知，2011—2021年张家界市土地生态安全综合指数整体呈先减后增再减又增的“W”形变化趋势，土地生态安全等级经历了不安全—临界安全—较安全的转变过程。

由表6可知，2011—2013年，土地生态安全综合指数呈下降趋势，由0.324 4下降至0.241 1，土地生态安全为不安全等级；2013—2019年，土地生态安全综合指数呈持续上升趋势，从0.241 1上涨至0.797 2，土地生态安全等级也经历了不安全—临界安全—较安全的变化过程，0.797 2也是研究期间土地生态安全综合指数的最高值；2019—2020年，土地生态安全综合指数呈下降趋势，由0.797 2下降至0.722 8，下降了0.074 4；2020—2021年，土地生态安全综合指数呈上升趋势，2021年的生态安全综合指数为0.744 2，相较2019年下降了0.053。

3.2.2 子系统生态安全状况 由图4、表6可知，压力子系统的波动起伏较大，呈“两减两增”的变化趋势，2011年系统压力指数为0.144 2，下降至2014年的0.080 3后上升至2018年的0.294 4，之后又波动上升。2011—2014年，压力指数下降，表明系统压力上升，这一时期土地生态安全压力上升主要是因为张家界市人口自然增长率维持在较高水平、工业污染物排放量增加、农业污染物负荷严重、城市化进程加快。其主要体现在人口自然增长率从2.9%提高至7.8%；工业二氧化硫和工业废水排放量居高不下；农用化肥使用量呈波动上升的趋势；城市化率由38.98%上升至42.81%。总的来说，人口的快速增长和城市化水平的提高使得人地关系矛盾日益突出，生态环境压力加大，从而促使土地生态安全压力指数下降明显。而2014—2021年，压力指数波动上升，表明系统压力下降，这主要得益于人口自然增长率的逐渐下降、年农用化肥使用量和工业二氧化硫排放量减少，人均GDP也从2014年的27 051元上涨至2021年的38 333元。随着新增人口的逐渐减少，土地承载力和资源压力都有所降低；建议合理施用农药化肥，减少对土地资源的污染，有效改善研究区土地生态安全状况。

由图4、表6可知，状态子系统呈先下降后波动上升的趋势。生态安全状态指数由2011年的0.139 5下降到2014年的0.069 7，继而波动上升至2021年的0.242 3。状态指数的变化与整体生态环境的变化之间存在显著相关性［25］。2014年前，由于受早期产业结构的影响，第一、二产业增加值增长明显，工业污染物的排放量居高不下，张家界市空气质量优良率下降明显。2014年后，第一、二产业比重下降，第三产业比重上升，产业结构不断改善升级，经济结构更加合理；退耕还林等一系列政策的实施推动森林覆盖率不断提高，空气质量优良率从71.7%提升至97.8%，生态环境质量明显改善；农业生产技术化和农药化肥的科学合理施用，进而单位面积粮食产量增长较快。总体来看，状态子系统向良好方向发展，表明张家界市土地生态环境质量也趋向好转。

土地生态安全响应指数的提高，意味着研究区对生态风险的抵抗能力得到增强，进而反映出该区域土地生态环境的安全性也随之提高［26］。由图4、表6可知，响应子系统呈先增后减的趋势，其生态安全响应指数从2011年的0.040 7上升至2018年的0.278 4，达到极值后下降至2021年的0.236 8。响应准则层中指标均为正向指标，指标数值越大，响应指数越高。响应指数在2011—2018年持续增大，表明张家界市在土地生态安全问题上所采取的相关措施已经逐渐发挥作用，这主要体现在响应指标中建成区绿地覆盖率提升、污水处理率和生活垃圾无害化处理率大幅提升、年造林面积不断增加、第三产业GDP占比上升、科学技术支出占比稳中有升等方面。2018—2021年响应指数下降，这主要是因为建成区绿地覆盖率的下降、年造林面积减少及第三产业GDP占比下降所导致。总体来看，2011—2021年，张家界市注重产业结构升级优化，第三产业GDP占比提升明显，从2011年的61.4%提升至2021年的71.7%；建议科学合理配置科学技术和环保事业的投入，加强生态环境保护和建设的支持力度，年均造林1.88万hm2以上，生态环境朝着良性方向发展。

4 小结与讨论

1）2010—2020年，耕地、林地、草地是张家界市主要的土地利用类型，水域、建设用地占比较少。这一时期，张家界市土地利用变化较明显，除林地和建设用地面积增加外，耕地、草地和水域用地都有不同程度的减少，其中建设用地的单一动态度最大，为6.664%/年。张家界市经济社会发展变化明显，城市化进程加快，城市扩张和基础设施建设对土地需求增加，生态环境压力也随之增大，张家界市土地利用正处于发展期。

2）基于PSR模型并运用综合指数法，计算出张家界市土地生态安全综合指数并评价土地生态安全，结果表明，2011—2021年，张家界市土地生态安全各子系统整体呈上升趋势，土地生态安全综合指数由0.324 4上升至0.744 2，土地生态安全等级经历了不安全—临界安全—较安全的变化过程，土地生态环境问题有所改善，但距离理想安全状态仍有一定差距，在未来生态环境工作中，要针对性地处理阻碍区域生态安全的影响因子，补齐短板。

3）本研究对2010—2020年张家界市土地利用变化进行分析，并运用PSR模型对张家界市土地生态安全进行评价，由于受多方面因素及数据可获取性的影响，在指标选取过程中，忽视了一些在土地生态安全评价研究中较重要的指标，如石漠化面积、水土协调度等指标。但通过近10年的土地利用变化和土地生态安全评价，有望为张家界市土地资源的规划、开发利用及可持续发展提供一定参考。

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收稿日期：2024-05-23

基金项目：吉首大学2023年研究生科研创新项目（Jgy2023089）

作者简介：王 高（2000-），男，湖南岳阳人，在读硕士研究生，研究方向为生态环境与城乡规划，（电话）17872513696（电子信箱）

1478640344@qq.com；通信作者，田建林（1976-），男，湖南茶陵人，副教授，主要从事环境遥感与城乡规划研究，（电子信箱）

185363236@qq.com。

王 高，田建林，曾 婷，等. 张家界市土地利用变化及生态安全评价［J］. 湖北农业科学，2024，63（9）：60-67．