基于GIS 與RS 的廣東省化州市土地利用演變及生態(tài)敏感性評價

黃秋華，翁 健

（惠州學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，廣東 惠州 516007）

土地是地球上生物賴以生存的重要基礎(chǔ)，生態(tài)敏感性評價能科學(xué)合理的對其進行生態(tài)分區(qū)［1］，生態(tài)敏感性評價能為保護生物多樣性、生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。生態(tài)敏感性評價是對現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境潛在問題進行分析，并通過空間分析進一步落實的研究［2-5］，開展生態(tài)敏感性評價，有助于生態(tài)環(huán)境的保護與管理。

土地利用演變及生態(tài)敏感性研究得到了越來越多學(xué)者的重視，我國學(xué)者在土地利用研究與生態(tài)敏感性方面做了大量的研究。在基于GIS 空間分析方法以及構(gòu)建相應(yīng)評價指標體系方面，有學(xué)者選取水域緩沖區(qū)、土壤等9 類生態(tài)敏感性指標，完成河水流域的生態(tài)敏感性分析與評價［6-7］；程暢等［8］選取高程、坡度、道路等5 類影響因子作為生態(tài)敏感性評價指標，從縣域尺度出發(fā)，進行生態(tài)敏感性評價；劉昶等［9］通過選取4 個評價因子分析城鎮(zhèn)近郊區(qū)的生態(tài)敏感性，用以討論空心村的整治潛力；劉浩［10］基于土地利用數(shù)據(jù)，分析2010—2015 年洱海流域土地利用演變特征、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征以及人類活動對生態(tài)系統(tǒng)格局及服務(wù)價值變化的影響。在計算區(qū)域生態(tài)敏感性所用到的評價方法方面，包括壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型［11］，變異系數(shù)與層次分析法的綜合應(yīng)用［12］，以及主成分分析法等［13-14］。

改革開放40 年來，化州市人口快速增長、用地激增，人地矛盾日益突出，同時化州市位于廣東省茂名市中部丘陵臺地河谷城鎮(zhèn)與農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)及南部臺地平原農(nóng)業(yè)與城市生態(tài)區(qū)內(nèi)。通過化州市土地利用類型變化和生態(tài)敏感性評價結(jié)果，可為化州市生態(tài)環(huán)境功能區(qū)和生態(tài)保護紅線的劃定工作提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用與生態(tài)敏感性研究所用的數(shù)據(jù)主要由：（1）遙感衛(wèi)星影像：覆蓋化州市的2013 年及2019 年Landsat 8 OLI（Operational Land Image）影像共2 幅，影像空間分辨率為30 m，云量均低于10%；（2）30 m 數(shù)字高程數(shù)據(jù)；（3）化州市行政區(qū)劃圖等數(shù)據(jù)資料組成。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化中的應(yīng)用，其能定量地反映不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換。土地轉(zhuǎn)移矩陣的表達式：

其中，Sij表示土地類型的面積，即第i種土地類型面積向第j種土地類型轉(zhuǎn)移的面積；n表示土地利用類型數(shù)。

1.2.2 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度是研究區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型在一定時間間隔內(nèi)的數(shù)量變化情況。單一土地利用動態(tài)度公式：

其中，KT為在T 研究時段內(nèi)的某種土地利用類型變化率（動態(tài)度），Ua、Ub分別是研究開始與結(jié)束時的土地利用類型的面積，T為研究的時段。

1.2.3 綜合土地利用動態(tài)度

綜合土地利用動態(tài)度反映了研究區(qū)在一定時間間隔內(nèi)土地利用數(shù)量的總體變化情況，計算公式：

其中，LC 為綜合土地利用動態(tài)度，LUi為研究初期第i類土地的面積；LUi-j為某一時間段第i 類土地轉(zhuǎn)化為j類土地的面積絕對值，T為累計研究時長。

1.2.4 變異系數(shù)法

由于評價指標體系中的各項指標的衡量標準不同，不適合直接比較差異。根據(jù)查閱文獻，可知綜合生態(tài)敏感性的因子有許多確定權(quán)重的方法，如變異系數(shù)法［15-16］、層次分析法［17-18］、專家打分法［19］和極大值法［20］等，本文擬采用變異系數(shù)法來確定每個因子的權(quán)重。

變異系數(shù)法是直接利用各項指標所涉及到的信息，通過計算得到指標權(quán)重的方法。其可以消除單位和平均數(shù)不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響。各項指標的變異系數(shù)公式：

其中，CV 是第i 項指標的變異系數(shù)，σi是第i 項指標的標準差，Xi是第i項指標的平均值。各項指標的權(quán)重：

2 結(jié)果與分析

2.1 化州市土地利用變化特征

2.1.1 地類構(gòu)成變化分析

化州市的土地總面積約為2 355 km2，將土地利用類型分為建設(shè)用地、未利用地、耕地、林地和水域5 大類型。2013 年和2019 年不同土地利用類型分布圖如圖1。

圖1 2013年與2019年化州市土地利用類型分布圖

由2013 年和2019 年不同土地利用類型面積和所占總面積百分比（表1）可知：2019 年用地類型比例與2013年相比發(fā)生了較大變化，建設(shè)用地和林地發(fā)生變化較大，建設(shè)用地由2013 年占比14.17% 增長到28.70%，表明建設(shè)用地大幅度擴張是化州市土地利用格局變化主要特征之一；林地由2013年占比49.30%減少到39.95%，盡管林地面積總量減少，但林地仍是本區(qū)域面積占比最大的用地類型；2019年未利用地面積48.31 km2，所占比例下降了4.04%，面積顯著減少，表明土地得到有效利用；耕地面積564.54 km2，所占比例下降了1.18%，耕地面積有減少趨勢；水域面積比例與2013年相比，增長了0.04%，無太大變化。

表1 不同用地類型面積及占比分布

2.1.2 地類間相互轉(zhuǎn)化分析

土地利用類型面積變化分析不能有效反映不同類型之間的轉(zhuǎn)換，因此，還應(yīng)考慮土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換。本文運用ArcMap軟件，對化州市土地利用變化過程進行統(tǒng)計分析，最終獲得2013—2019年化州市的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表2）。

表2 2013—2019年化州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣km2

從表2中2013—2019年化州市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以得出：建設(shè)用地的增長量遠大于減少量，增長的主要來源按面積從大到小排列依次為耕地、林地、未利用地和水域，同時已有建設(shè)用地轉(zhuǎn)出為其他地類按面積從大到小排列依次為林地、耕地、水域和未利用地，凈增長量達342.15 km2，說明2013—2019 年期間處于城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展時期。

耕地與林地增長量遠小于減少量，林地與耕地之間互轉(zhuǎn)現(xiàn)象比較明顯，這與遙感影像中準確區(qū)分林地和耕地難度較大有一定的關(guān)系，另外說明整個城市耕地和林地呈現(xiàn)總面積減少趨勢，應(yīng)該引起相關(guān)部門足夠重視。未利用地總面積呈減少狀態(tài)，減少量為95.16 km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，說明該市未利用地得到集約化利用。

2.2 土地利用動態(tài)分析

2.2.1 化州市單一土地利用動態(tài)度

根據(jù)動態(tài)度公式（2）計算得出化州市單一土地利用動態(tài)度結(jié)果如表3 所示，結(jié)果表明化州市土地利用僅水域與建設(shè)用地的動態(tài)度呈正向變化，其余耕地、林地、未利用地呈現(xiàn)負向變化。其中建設(shè)用地變化幅度最大，動態(tài)度為17.09%，說明建設(shè)用地面積與其他土地利用類型相比較呈現(xiàn)大幅度增長趨勢；水域動態(tài)度為0.12%，體現(xiàn)了水域的總體面積變化不大，但有穩(wěn)步增長的發(fā)展趨勢；而耕地動態(tài)度為-0.78%，說明耕地在減少，但變化幅度不大；林地動態(tài)度為-3.16%，變化幅度較大；未利用地變化減少幅度最大，動態(tài)度為-11.05%，說明未利用土地得到有效利用。

表3 2013—2019年化州市單一土地利用動態(tài)度

2.2.2 化州市綜合土地利用動態(tài)度

根據(jù)綜合動態(tài)度公式（3）計算得出化州市綜合土地利用動態(tài)度結(jié)果為2.43%，說明化州市2013 年到2019年期間土地利用有一定程度的變化，雖然變化程度很小，但總的來說，強度不高，狀態(tài)相對穩(wěn)定。

2.3 化州市生態(tài)敏感性

2.3.1 評價因子的確定與分級

根據(jù)化州市地理特征，并結(jié)合以往的相關(guān)研究案例，對影響生態(tài)敏感性因素進行篩選并建立指標體系。首先，將化州市生態(tài)敏感性劃分為5級，分別為1、3、5、7、9 級。其次，從化州市的區(qū)域特征及具體的生態(tài)過程出發(fā)，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性，合理選取對區(qū)域生態(tài)敏感性影響較大的土地利用類型、人為因素、自然環(huán)境3個方面作為主要因素來源，進一步細分，最終篩選出6個最為重要的化州市生態(tài)敏感性因子。各因子等級指標體系見表4。

表4 單因子等級指標體系

2.3.2 評價因子權(quán)重確定

本研究采用變異系數(shù)法確定評價因子的權(quán)重，具體步驟為：使用ArcMap軟件，查看各評價指標的屬性，分別統(tǒng)計出6個因子的均值和標準差，然后通過公式1～4 計算變異系數(shù)，其中每個因子的比例決定其自身因子的權(quán)重。計算結(jié)果如表5。

表5 單因子權(quán)重結(jié)果

2.3.3 化州市單因子生態(tài)敏感性分布結(jié)果

化州市2019 年單因子生態(tài)敏感性分布結(jié)果如圖2，各單因子評價結(jié)果如表6。

圖2 化州市2019年單因子生態(tài)敏感性分布

（1）土地利用類型

土地利用生態(tài)極度敏感區(qū)占化州市總面積57.35%，超過化州市土地總面積半數(shù)，是化州市分布范圍最廣、分布面積最大的區(qū)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內(nèi)林地所占比重最高所致。植被森林資源能夠調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，有維持區(qū)域整個生態(tài)系統(tǒng)的功能，雖然林地多，但是多位于海拔較高的地區(qū)，一旦遭到破壞，自我調(diào)控能力差，需要花費昂貴的代價來進行恢復(fù)。

土地利用生態(tài)不敏感區(qū)占化州市總面積26.45%，在土地利用類型生態(tài)敏感性占比排第2，主要集中分布在化州市南部，多位于中心城區(qū)河西街道辦事處、下郭辦事處、鑒江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)及東山街道辦事處4處，在化州市中北部多呈條帶狀分布。用地類型主要是人為開發(fā)建設(shè)的環(huán)境，包括交通水利用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地等，土地利用成熟，經(jīng)濟較為發(fā)達。

（2）坡向

本研究采用8 個方向的分類方法，通過分析可得輕度敏感區(qū)面積最大，占總面積的25.41%；極度敏感區(qū)面積最小，占總面積的12.93%；高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、不敏感區(qū)分別占總面積的24.65%、22.93%、14.08%。

（3）水體緩沖區(qū)

水在人類活動、植物生長和動物生存中起著重要作用，離水域越近的區(qū)域，生態(tài)敏感性越高。其中：化州市水體緩沖區(qū)不敏感區(qū)面積最大，占總面積46.79%；極度敏感區(qū)面積最小，占總面積9.51%，廣泛分布在化州市東南部的平坦地帶；輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)分別占總面積16.68%、15.48%、11.54%。不敏感區(qū)遠大于極度敏感區(qū)與高度敏感區(qū)，水域分布相對均勻，然而，也應(yīng)加強對水體的保護和管理，以減少人類活動對水域造成的損害。

（4）植被覆蓋度

植被覆蓋度是反映生態(tài)系統(tǒng)能力的重要因子，本研究采用歸一化差值植被指數(shù)進行表征。植被覆蓋度少于30%的為輕度敏感區(qū)與不敏感區(qū)，總共占全市面積的3.57%，主要分布在中心城區(qū)河西街道辦事處東部、鑒江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)西部、東山街道辦事處北部以及沿水域區(qū)域。中度敏感區(qū)與高度敏感區(qū)分別占化州市土地面積的7.52%、18.41%。植被覆蓋度達到70%以上的為極度敏感區(qū)，由于化州市地貌類型以丘陵地為主，占全市總面積的75.5%，因此，植被覆蓋度極度敏感區(qū)分布十分廣泛以致每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有分布，占化州市總面積70.50%，超過化州市土地總面積半數(shù)，是化州市分布范圍最廣、分布面積最大的區(qū)域，也是植被覆蓋度生態(tài)敏感性中所占比重最大。

（5）坡度

坡度直接關(guān)系到土地承載力的大小，根據(jù)坡度可以得到一個區(qū)域的陡緩程度，坡度越陡，生態(tài)環(huán)境越脆弱，越容易發(fā)生自然災(zāi)害［21］?；菔械孛差愋鸵郧鹆隇橹鳎露容^緩，因此本研究將坡度劃分為5 個等級：＜5°、5°～15°、15°～20°;20°～25°、＞25°。通過分析可得：輕度敏感區(qū)面積最大，占總面積的49.87%，主要分布在中部及北部地區(qū)；不敏感區(qū)的面積也稍高，占總面積的36.55%，次于輕度敏感區(qū)，主要分布在化州市東南部，坡度敏感性不高的地方地形較平坦，利于人們社會活動；中度敏感區(qū)占總面積的8.14%，高度敏感區(qū)占總面積的3.35%，極度敏感區(qū)面積最小，占總面積的2.09%，主要分布在平定、文樓、播揚、寶圩、那務(wù)、合江6 鎮(zhèn)，其中鎮(zhèn)內(nèi)較高的山嶺有：鐵屎嶂、斑瓜嶂、五星頂、三嶂、飛鵝嶺、大氹頂?shù)取?/p>

（6）高程

地勢高低是決定研究區(qū)域生態(tài)敏感性高低的重要因子，化州市地勢由西北向東南傾斜，北高南低。其中，極度、高度、中度敏感區(qū)分別占研究區(qū)土地總面積的1.15%、3.13%、12.97%，主要分布在化州市北部文樓鎮(zhèn)、播揚鎮(zhèn)、平定鎮(zhèn)及周邊地區(qū)，如播揚鎮(zhèn)有化州第一、第二高峰鐵屎嶂（海拔579.8 m）、斑瓜嶂（海拔577.5 m），少許分布在化州市中部地區(qū)如石灣街道辦事處的中火嶂（主峰海拔348 m）。

化州市大部分地區(qū)為高程不敏感與輕度敏感區(qū)，其中面積最大的是不敏感區(qū)，占總面積的46.56%，主要分布在化州市東南部除新安鎮(zhèn)外，以及在中部合江鎮(zhèn)、中垌鎮(zhèn)、江湖鎮(zhèn)、林塵鎮(zhèn)、北部那務(wù)鎮(zhèn)并呈條帶狀分布，多為耕地與建設(shè)用地，且大部分集中在該區(qū)域的低丘平原、河流兩岸的沖積平原、丘陵谷地及緩坡地上。輕度敏感區(qū)占總面積的36.19%，主要分布在化州市中西部以及北部地區(qū)，高程在37～75 m范圍內(nèi)。

2.3.4 化州市綜合生態(tài)敏感性分布結(jié)果

通過變異系數(shù)法求得各個因子的權(quán)重后，利用軟件ArcMap空間分析模塊內(nèi)加權(quán)疊加工具，將土地利用類型、水體緩沖區(qū)、植被覆蓋度、坡度、坡向、高程6 個單因子的敏感性圖層分別按照計算得到的權(quán)重0.19、0.24、0.06、0.17、0.14、0.20 進行地圖代數(shù)運算，計算結(jié)果如圖3。

圖3 化州市綜合生態(tài)敏感性分布圖

單因子及綜合生態(tài)敏感性不同分區(qū)所占比例如表6。

表6 化州市2019年單因子及綜合生態(tài)敏感性評價結(jié)果

由表6 可知，綜合生態(tài)敏感性中極度敏感區(qū)的面積占比在所有敏感性區(qū)域中最小，占化州市土地總面積的0.02%；高度敏感區(qū)占化州市土地總面積的5.71%，這2類敏感區(qū)主要分布在坡度大、高海拔、植被覆蓋多的地區(qū)，如化州市北部鎮(zhèn)區(qū)邊界線的邊緣，多為高山峻嶺。高度敏感區(qū)通常以極度敏感區(qū)為中心向四處擴散，兩類區(qū)域生態(tài)環(huán)境受干擾反映強烈，生態(tài)環(huán)境自我恢復(fù)能力弱。

綜合生態(tài)敏感性的中度敏感區(qū)分布廣泛，占化州市土地總面積的53.31%，所有分區(qū)中排名第1，說明化州市綜合生態(tài)敏感性稍高，對于人類活動的干擾有一定程度的承受力，但一旦遭到嚴重的破壞，就會導(dǎo)致嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。中度敏感區(qū)在各個鎮(zhèn)區(qū)都有分布，在化州市北部分布最多，分布區(qū)域通常有小幅度坡度，地形多為低丘平原、河流兩岸的沖積平原、丘陵谷地等，有一定的植被覆蓋率，主要的土地利用類型為耕地與林地兩種。

綜合生態(tài)敏感性中輕度敏感區(qū)占化州市土地總面積的37.54%，不敏感區(qū)則占化州市土地總面積的3.42%，這2 類敏感區(qū)主要分布在資源環(huán)境承載力較強、經(jīng)濟人口集聚條件較好的平原地帶，如化州市南部及少數(shù)中部地區(qū)，在化州市北部也有一些零散分布，主要的土地利用類型為耕地與建設(shè)用地兩種。不敏感區(qū)與輕度敏感區(qū)的主要特征為生態(tài)系統(tǒng)簡單且穩(wěn)定、生物多樣性差、受人類活動的干擾和破壞程度弱。

3 討論與結(jié)論

化州市從2013—2019 年各土地利用類型的變化幅度不一，未利用地、耕地、林地3 個用地類型面積減少，而建設(shè)用地和水域面積增加?；菔?013—2019年期間綜合土地利用動態(tài)度結(jié)果為2.43%，說明化州市2013—2019年期間土地利用有一定程度的變化，但總體而言劇烈程度不高，狀態(tài)相對穩(wěn)定。

通過將6個單因子生態(tài)敏感性分布結(jié)果按照各自的權(quán)重值進行地圖代數(shù)運算，根據(jù)結(jié)果可知植被覆蓋度高、高程高、坡度陡的區(qū)域往往是極度敏感區(qū)、高敏感區(qū)，多位于化州市北部鎮(zhèn)區(qū)邊界線，不易受到人類活動的影響，若一旦受到影響，恢復(fù)周期較長，需要著重保護山林整體，嚴格限制人類活動的干擾。而不敏感、輕度敏感地區(qū)多分布在化州市南部及少數(shù)中部、北部地形平坦的低丘平原、河流兩岸的沖積平原、丘陵谷地等地，需要樹立人地和諧理念，防止建成區(qū)過度擴張。中度敏感區(qū)面積占比最大，分布廣泛，在化州市北部分布最多，需要加強化州市生態(tài)保育功能，盡量減少人為活動的干擾，促進化州市生態(tài)用地布局形成與生態(tài)文明建設(shè)。