长江上游农业主产区耕地生态安全评价与空间特征研究

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摘要 以长江上游农业主产区为研究区域，通过构建耕地生态安全评价指标体系，运用GIS空间分析技术，对其耕地生态安全水平和空间分布特征进行定量研究。研究结果表明，长江上游农业主产区耕地生态安全整体处于较差状态，生态安全三级区及以上区域占到了长江上游农业主产区耕地总面积的83.04%；从空间分布来看，耕地生态安全较差区域在空间上呈现“集中连片”的分布态势，主要分布于四川省的成都市、德阳市、绵阳市、遂宁市、泸州市、宜宾市、乐山市、眉山市、巴中市、达州市、攀枝花市和重庆市的万州区、梁平县、长寿区，生态较安全区及生态安全区呈现“插花分布”格局。该研究以期为长江上游耕地生态安全态势的预测与预警，促进耕地资源的可持续利用提供科学依据和决策参考。

关键词耕地资源；生态安全；空间特征；长江上游

中图分类号F301文献标识码A文章编号1002-2104（2013）12-0065-05doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2013.12.010

耕地资源是最宝贵的自然资源，具有生产、空间承载以及环境保护等多种功能，经过人类长期干预，耕地生态系统逐渐演变成为具有高度耦合性的社会―经济―生态复合系统[1]。但是随着人口增长、工业化和城市化进程的加快，一方面城镇建设占用使得耕地资源的稀缺性日益增强，另一方面化肥和农药的不合理施用、各类污染导致耕地利用生态问题逐渐凸显，这些都对我国耕地资源保护、粮食安全保障提出了巨大的挑战。在此背景下，耕地资源生态安全研究逐渐成为亟待深入开展的前沿课题[2]。国内的相关研究主要集中在县域[3]、市域[4-5]和省域尺度[6]，对长江上游农业主产区这一特定功能区域进行耕地生态安全研究并不多见。

长江上游农业主产区作为我国“七区二十三带”农业战略格局的重要组成部分之一，其对于充分发挥地区的比较优势，加快农业产业结构调整，促进农业生产经营的标准化、规模化和集约化，推动现代农业示范区建设，确保国家粮食安全都具有重要的意义。而长江上游因其复杂多样的生态系统、丰富的生物多样性和特殊的自然环境，是整个长江流域生态安全的重要屏障，在长江流域以及全国有着不可忽视的生态战略地位[7]。因此，本文以长江上游农业主产区为研究区域，通过构建耕地生态安全评价指标体系，运用GIS空间分析技术，对长江上游农业主产区耕地生态安全水平和空间分布特征进行定量研究，以期为长江上游耕地生态安全态势的预测与预警，促进耕地资源的可持续利用提供科学依据和决策参考。

1研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

长江上游区域是指长江源头至干流宜昌段，长4 511 km，约占长江总长度的70%，主要支流有雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等；流域面积105.4×104 km2，占长江全流域面积的58.9%，涉及青、藏、云、贵、川、渝、陕、甘、鄂共9省、市、自治区；人口1.63亿，占全流域人口的35%[8]。由于青藏高原的高海拔特征和长江上游辽阔的地域及其过渡性，使长江上游地区成为规模宏大、具有全球意义的生态脆弱带和全球环境变化的敏感区[9]，也是我国构建“七区二十三带”为主体的农业战略格局中长江流域农产品主产区之一[10]。长江上游的耕地资源主要集中分布于四川省和重庆市，农作物以粮食作物为主，经济作物为辅，该区域既是长江上游农业最为发达的区域，也是农业生产力最有潜力的地区[11]，对我国粮食安全和农业生产具有重要战略意义。

1.2数据来源

本研究涉及的基础数据主要包括：土地利用类型数据（矢量数据），四川省和重庆市的行政区划图（矢量数据），主要来源于中国科学院地理科学与资源研究所；土壤厚度、土壤侵蚀强度指标数据（栅格数据），主要来源于中国科学院南京土壤研究所；生物多样性指标数据，主要来源于中国科学院成都山地灾害与环境研究所；以上数据主要获取于地球系统科学数据共享平台（http：///Portal/index.jsp）。另外，还涉及人口密度、城镇化率、化肥施用量等有关社会经济数据主要来源于《四川统计年鉴》、《四川省第二次全国农业普查资料汇编》、《重庆统计年鉴》和《重庆市第二次全国农业普查资料汇编》等，获取来源为中国经济社会发展统计数据库（2011）（http：///kns55/Navi/ NaviDefault.aspx）。

2研究方法

2.1评价指标体系构建与权重确定

耕地生态安全是指人类赖以生存和发展的耕地资源所处的生态环境，处于一种不受或少受威胁与破坏的健康、平衡状态[12]。耕地生态系统是一种典型的自然―人工综合系统，其生态安全主要是对自然环境变化和人类迫胁影响的响应程度。自然环境的演变具有缓慢性和长效性特征，对耕地生态安全的影响在短时期内较小，因此人类活动干扰成为耕地生态安全的重要影响因素。本研究以人类活动干扰对耕地生态系统的影响作为切入点，围绕“干扰”对耕地生态系统所带来的影响，对其“压力”、“响应”进行评价。耕地受干扰后面临的“压力”主要来自于人类活动和社会经济发展，其中人口集聚导致了城市建设的扩张和城镇化的加快，建设占用耕地导致的耕地减少和破坏，涉及指标主要有人口密度、人均耕地面积、城镇化率、化肥施用量等。“响应”则反映耕地生态系统受干扰后的具体指标变化，如生物多样性、土壤厚度、土壤侵蚀度、粮食产量等。

在以上“压力―响应”理论框架指导下，本文在参考借鉴相关研究成果的基础上[13-14]，按照科学性、代表性和可操作性等原则，同时结合研究区的实际情况，从压力和响应两方面选取了人口密度、城镇化率、土壤侵蚀强度、生物多样性指数和单位耕地面积粮食产量等8个评价指标，构建长江上游农业主产区耕地生态安全评价指标体系。指标的权重主要采用层次分析法确定，所有权重值均通过一致性检验。如表1所示。

化肥施用量土壤厚度土壤侵蚀强度生物多样性指数单位耕地面积

粮食产量3人口承载的压力城市扩张的压力人为污染的压力耕地质量状态耕地生态

环境状态耕地产出

效益状态3负向30.093正向30.437负向30.161负向30.309正向30.066负向30.523正向30.254正向30.1572.2评价指标标准化

为了使数据之间具有可比性，消除不同量纲对结果的影响，本文采用最大离差法对原始数据进行无量纲标准化处理。根据指标在耕地生态安全中的表现是正向（越大越好）还是负向（越小越好）来确定其标准化的计算方法。

Xi=xi-min（xi）3max（xi）-min（xi）（xi为正向指标）

max（xi）-xi3max（xi）-min（xi）（xi为负向指标）（1）

其中，Xi―第i指标标准化后的值；xi―第i指标的实际值；max（xi）―第i指标的最大值；min（xi）―第i指标的最小值。

2.3评价技术路线与模型

首先在四川省和重庆市的行政区划矢量图中建立人口密度、人均耕地面积、城镇化率、单位耕地面积化肥施用量和单位耕地面积粮食产量的相应字段，将标准化后的各指标值录入属性表并将其分别转为100 m×100 m的栅格；土壤厚度、土壤侵蚀强度和生物多样性指数的标准化过程则在ArcGis9.3中通过栅格计算器实现，这样便得到了各单个指标的栅格图；然后从土地利用现状图中提取耕地的栅格图层，并且与压力和响应准则层下的各指标按照权重分别进行叠加得到耕地生态安全压力和响应评价图。评价模型如下：

F=∑n3i=1wi×Xi（2）

其中，F为准则层数据值；wi为准则层包含的第i指标的权重；Xi为准则层包含的第i指标标准化后的值；n为准则层包含的指标个数。

3评价结果与分析

3.1耕地生态压力指标评价

在ArcGIS9.3软件系统中，利用栅格计算器将耕地生态压力的各指标栅格图和对应的权重进行叠加，采用ArcGIS（Natural Breaks）自然重分类法将其划分为5个生态压力区（见表2），其中生态压力一级区表示耕地生态压力最小区域，以此顺推，生态压力五级区为耕地生态压力最大区域。耕地生态压力分类结果如表2所示。

从评价数据分析可知，长江上游农业主产区耕地生态压力三级区及其以上面积占到了整个长江上游农业主产区耕地面积的69.76%，其中，耕地生态压力五级区占1105%，四级区占2354%，三级区占3517%，二级区占2596%，一级区为427%。

从空间分布特征来看，长江上游农业主产区耕地生态压力总体上处于较大的状态，其中五级区主要分布在四川省的成都市、绵阳市、攀枝花市和重庆市的渝中区、大渡口区、江北区沙坪坝区、双桥区以及永川市等；四级区主要位于四川省的巴中市、南充市、遂宁市、眉山市、内江市等；三级区主要位于四川省的泸州市、宜宾市、乐山市等以及重庆市的开县、万州区和长寿区等。

3.2耕地生态响应指标评价

同理，在ArcGIS9.3软件系统中，利用栅格计算器将耕地生态响应的各指标栅格图和对应的权重进行叠加，采用ArcGIS（Natural Breaks）自然重分类法将其划分为5个生态响应区（见表3），其中生态响应一级区表示该区域耕地生态状态最优区域，以此顺推，生态响应五级区为耕地生态状态最差区域。耕地生态响应分类结果如表3所示。

从评价数据分析可知，长江上游农业主产区耕地生态响应三级区及其以上面积占到了整个长江上游农业主产区耕地面积的91.37%，其中，耕地生态响应五级区占4889%，四级区占1846%，三级区占2402%；另外，耕地生态响应一级区所占面积最小为107%，耕地生态响应二级区占756%。

从空间分布特征来看，长江上游农业主产区耕地生态状态总体上处于较差的状态，其中五级区集中分布于四川省的眉山市、成都市、德阳市、攀枝花市、凉山彝族自治州、泸州市、广元市和巴中市以及重庆市的忠县、武陵县、江津县等县市；四级区、三级区、二级区及一级区之间呈现相互表2耕地生态压力分级评价表

Tab.2Evaluated classification of ecological pressure for cultivated land