基于土地利用变化的粮食主产区土地生态安全研究

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摘要：通过RS和GIS平台，综合运用遥感影像、统计报表及抽样调查数据，研究粮食主产区县域土地利用变化及其生态安全状况。模型分析表明，在当前快速城镇化的背景下，近6年来河南省新郑市高景观生态功能性用地内部转移加剧、单一功能基础设施用地增加明显，达82.89%，高通道、高增长区域结构演变相对剧烈，平均幅度超过5.56%，整体呈现“Y”型支撑、交错散布土地利用变化空间格局。相对应，土地利用结构变动引致土地生态安全性降低，且表现出各区域同向退化、整体均衡趋势。进一步研究发现，城镇化速度与土地利用结构变动呈正相关，切实影响生态环境，贡献率超过45%，远大于工业化及其他因素，而指向性土地制度因素对生态安全影响较小。

关键词：土地利用变化；生态安全；粮食主产区；新郑市；河南省

中图分类号：X821 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）14-3451-05

生态安全和粮食安全是国家安全的重要组成部分，土地资源作为其重要的支撑载体，其生态安全事关经济社会的可持续发展。20世纪以来，人类经济活动的加剧和对土地资源的不合理开发利用，导致自然土地覆被格局剧烈改变，对区域及全球生态环境都产生了重大影响[1-6]。中国随着工业化、城镇化进程的加快，越来越普遍地面临着生态问题。土地生态安全已逐渐成为当前生态学、地理学以及资源与环境科学研究领域的前沿任务和重要课题，引起了学者们的重视并投入力量研究，已取得了许多很有价值的研究成果[2-4，7-10]。国内张军以等[3]探讨了PSR框架评价体系及权重的确定方法；李明月等[7]借鉴历史数据运用BP神经网络方法评价城市土地生态安全；陈彩虹等[8]基于PSR模型利用层次分析和模糊数学方法对湖南省长沙市生态安全进行评价分析；蒙吉军等[9]以GIS和计量手段研究典型区域生态安全状况；杨志等[10]探讨基于PSR模型土地生态状况评价的问题及思路；许联芳[11]将3S和计量技术匹配，测算县域生态资产并分析了区域生态状况及其驱动因素。

上述研究者近年来的关注焦点主要在土地生态安全的指标体系构建和对生态安全阈值的确定上，这对于揭示土地生态环境演变及其内在影响机制作出了贡献。但结合LUCC来评价的研究还相对较少[12]，且仅有的研究对象多集中在指定区域。由于中国国土面积广袤，各地经济发展水平和发展环境迥异。在某一类型区域的研究成果应用于其他区域则不尽适合。如山东省栖霞市山区的生态安全整体变化幅度较小，生态环境的主要影响因素是土壤养分与水土流失等[13]。而在北京市近郊区生态安全变化加剧且与中心城区距离呈逆向变化，土地利用结构变化等人文社会因素则为生态安全构成的主要来源[14]。在经济发展水平较低的农村地区，地理环境因素、土地利用类型与结构在土地生态安全中发挥着较大作用[15，16]。因此，从土地利用变化的视角研究特殊类型区域的土地生态环境及其影响因素具有重要意义。

河南省作为中国的农业大省，粮食优势突出（2011年粮食产量占全国粮食总产量的9.7%，仅次于黑龙江省的9.75%），生态保障功能全面，在国内占有重要地位[15]。而新郑市是郑州市的远郊型县级市，位于河南省中部，属粮食主产区，境内地貌类型多样，为豫西山区的向东过渡地带，山地、丘陵、岗地和平原兼有，土地的利用形式多种多样，有“河南缩影”之称。近年来，新郑市的城镇化、工业化进程加快，土地生态安全格局面临着较大挑战。发展中的经济增长阶段、快速城镇化背景、特殊的政策区域和有代表性的土地利用结构，使其在研究土地利用变化对生态安全的影响中具有典型意义。

1 数据来源与处理

本研究采用的原始数据为2005年和2011年两个时段的遥感影像、土地利用现状图、实地调查与采样数据以及研究时段内各年度的统计年鉴报表等。遥感影像的行政界线、地貌资料和几何纠正参照2005年的新郑市1∶10万土地利用现状图；土地利用数据按照中国通用的土地利用现状分类标准，运用ERDAS IMAGE 9.2，进行人机交互影像解译，结合实地调查数据，在Arcmap中进行属性数据与空间数据的关联，形成基础数据库。由于新郑市部分统计数据经数量检验后发现异常，经与相关部门协调并结合实地调查进行了核实修正。

2 研究方法

3 结果分析

3.1 土地利用变化分析

3.1.1 土地利用数量变化分析 2005～2011年，河南省新郑市土地利用变化规模整体较大、类型差异明显，基础设施用地扩张显著，功能性景观用地增减不均，其他类型用地略有增加。具体看，草地面积变化最大，无论是绝对量还是相对值，减少量均居第一，分别达4 091.98 hm2、87.46%，而同具景观功能的园地亦趋减，达2 268.77 hm2。随着退耕还林及基本农田保护制度等政策的实施，林地及耕地面积稳增，同样连续性的政策支持使得水域及水利设施的用地量攀升。随着县域经济发展和城镇建设加快，建设用地渐增，其中城镇村及工矿用地微增237.15 hm2，远小于交通运输用地增加的1 146.81 hm2，这也体现了新郑市作为河南航空港区的特殊地位和区位优势，见表1。

3.1.3 土地利用结构变化空间分析 2005～2011年新郑市土地利用结构温和变化，土地利用结构变化综合动态度年均为6.10%。从空间变化看，无论是总体或是局部差异均不明显，由快速城镇化区域引领结构演变，高通道、高增长区域相对剧烈，平均幅度超过5.56%，整体呈现点状引导、“Y”型支撑、交错散布土地利用变化空间格局。与全市的平均值相比，15个（乡镇街）道土地利用结构变化高低参半。土地利用结构变化最大的为龙湖镇，达8.08%，主因为近年大学城在龙湖镇集聚发展，新村镇则因经济快速增长以7.54%的动态度紧随其后，二者以中心—特征点状散布。孟庄镇、薛店镇、和庄镇、新烟街道办事处属高通道、高增长区域，土地利用结构变化居第二梯队，以新郑市中心城区为支点呈现“Y”字型空间分布。动态度最小的是新建街道办事处为3.18%，主要因其是老城区，建设用地比重较大，逆转困难。

3.2 土地生态安全评价

3.2.1 建立评价指标体系 通过查阅文献、咨询专家，并借鉴已有的研究成果，结合新郑市土地生态现状、社会经济发展水平及数据的可获取性，从生态环境因素、社会经济因素和环境污染因素三个方面构建新郑市的土地生态安全评价指标体系，运用层次分析法（AHP）确定指标权重，详见表2。为了消除评价指标量纲不同带来不可评价性[9]，采用极差标准化法进行无量纲化处理[10]。

参考已有的研究成果将新郑市的土地生态安全评价标准分为5个等级[3，14，18]（表3），土地生态综合指数值的取值范围为[0，1]，越接近于1，生态安全度越高。

3.2.2 新郑市生态安全演变 利用ArcGIS软件将新郑市经处理过的两期土地利用矢量图各自与当年的土地生态安全等级图进行叠置分析，得出新郑市各地类在不同土地生态安全等级分布情况。从整体上来看，新郑市土地生态状况较好，但2011年较2005年稍有减弱，不过没有处于不安全状态的区域，主要是安全状态和较安全状态区域。变化的区域是郭店镇、城关乡、观音寺镇、梨河镇和八千乡，由安全状态退化为较安全状态。

从土地安全等级类别演变看，2005年Ⅳ较安全状态的区域略大于安全状态的区域，2011年Ⅳ较安全状态明显高于其他各种状态。Ⅲ临界安全状态和Ⅱ较不安全状态的面积在这两年中大体不变，变化主要集中在Ⅴ安全状态向Ⅳ较安全状态的转变上，在这两种状态中，正向维持生态功能的地类中草地和园地均有所减少，耕地和林地均有所增加；负向维持生态功能的地类中，交通运输用地的增加较为明显。

3.3 土地利用变化与生态安全的叠加分析

从土地利用结构变化空间分布与土地生态安全的拟合看出，新郑市位于交通要道沿线、毗邻郑州市区、经济高增长等特点使类型区土地利用调整显著影响着土地生态安全状况。相关分析表明，在α=0.05显著水平，土地利用结构综合变化动态度与生态安全变化率的Spearman相关系数为-0.37，表明土地利用幅度与生态安全呈反向关系，土地利用变化实质影响生态安全。

作为驱动土地利用变化的主导因素，城镇化、工业化对新郑市而言，其对土地生态环境的作用有所不同。利用上述数据，对土地生态安全综合指数与城镇化水平、工业化率分别作相关分析检验得知，在α=0.01显著水平，Spearman的相关系数分别为-0.81、-0.196，说明城镇化水平与土地生态安全呈强负相关关系，而工业化的负面影响远低于城镇化。进一步研究发现，新郑市整体处于城镇化快速增长阶段（2006年以来年均城镇化速度高达1.72%），工业化率高达65.57%，为典型的二元经济结构，也就是说对于地区发展而言，在快速城镇化、工业化成熟的阶段，城镇化是驱动土地生态安全减弱的主因，工业化的负面作用则相对弱化。

4 结论和讨论

基于河南省新郑市土地利用及生态变化的数据分析表明，土地利用与生态安全水平密切相关，区域类型、经济发展阶段影响区域生态安全。通过研究得出如下结论：①2005～2011年，新郑市土地利用变化规模整体较大、类型差异明显，各地类均出现增、减双向转移，基础设施用地扩张显著，高景观生态用地内部转移加剧，达82.89%，热点地类占流动主导地位；②远郊型县域与市辖区相比[14]，土地利用结构的变化较为温和，仅为6.1%。快速城镇化区域引领着结构演变，高通道、高增长区域的变化相对剧烈，平均幅度超过5.56%，整体呈现点状引导、“Y”型支撑、交错散布土地利用变化的空间格局；③土地生态安全水平处于微弱退化中。临界安全状态和较不安全状态面积大体平衡，变化主要集中在安全状态向较安全状态的转变上。沿交通要道、“涓滴效应”显著、高增长等类型区土地利用变化对生态安全影响更显著；④土地利用变化实质影响着生态安全，土地利用的变化幅度与生态安全呈反向关系，相关系数达-0.37。且表现出各区域同向退化、整体均衡趋势；⑤发展中区域，城镇化、工业化主导土地利用变化，进而影响生态环境，城镇化水平与土地生态安全呈强负相关的关系，而工业化的负面影响远低于城镇化，二者与生态安全水平的相关系数分别为-0.81、-0.196。

与现有的土地生态评价的相关讨论相联系，本研究结果有以下启迪：①保护性政策或制度因素，尽管短期会引致土地利用格局变化，但对生态环境的影响微弱；②区位条件中经济社会因素如经济增长阶段、城镇化背景、特殊区域政策，正缓步替代地理环境因素影响力，城镇化与工业化对中部粮食主产区土地生态状况差异正是例证之一；③在快速城镇化、工业化成熟阶段，城镇化是驱动土地生态安全减弱的主因，工业化对土地生态安全的负面作用已大大弱化；④土地利用变化对生态安全的影响力度与研究尺度、研究对象相关联，如对大尺度区域的年际影响更为平稳，县域比市辖区更易保持生态平衡。

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