生态安全问题的提出, 最早源于20世纪80年代, 我国生态安全问题的提出基本始于20世纪90年代后期, 主要强调生态系统的可持续性^[1]。国外生态安全研究主要集中在生态健康、基因工程生物的生态安全、生态入侵风险、环境污染风险、食品安全等方面, 侧重从不同角度探讨生态安全问题, 关注的研究尺度多为全球或国家层面^[2-5]。国内则更多地关注生态健康诊断、生态风险评价等生态安全状态的评价研究^{[1, 6]}, 评价方法趋于多元化, 主要包括压力-状态-响应 (P-S-R, press-s tate-response) 模型评价、属性识别模型、景观分析等方法^{[4, 7-10]}。P-S-R模型从社会经济与环境有机统一的观点出发, 表明了人与自然的相互影响, 为生态安全指标构造提供了一种逻辑基础^[11], 是应用较广泛的评价模型^{[4, 8-9, 12]}。

土地系统作为人类生存生活的必要栖息场所, 近年来土地利用结构不合理、土地生态环境恶化等问题日益凸显, 随着GLP (global land project) 工作的开展, 土地系统的生态安全问题已经引起了国内外学者的极大关注。孙奇奇等^[13]运用主成分分析法对哈尔滨市土地生态安全状况进行分析, 并设定安全阈值。杨赛明等^[14]构建“自然-社会-经济”指标体系并运用数学模型评价济南市土地资源生态安全。鉴于P-S-R模型能够表明人类活动与环境相互影响的特点, 更多学者选用P-S-R或改进的P-S-R模型展开土地生态安全的评价工作^[15-17]。

土地系统的基本构成因素包括土地利用结构与功能, 土地利用结构决定了土地功能, 而土地利用结构又与人类活动息息相关, 因此, 整合土地利用与土地生态安全, 分析区域土地生态安全变化, 探讨土地利用变化对区域生态安全的影响, 可以深入了解区域土地安全状态及驱动机制。我国已有学者在此方面进行了研究, 喻锋等^[18]评价了像元水平尺度的皇甫川流域生态安全, 并在此基础上分析了土地利用变化与生态安全的关系; 吕建树等^[5]在土地利用时空变化分析的基础上, 构建“隐患-状态-免疫”生态安全评价指标体系, 应用改进TOPSI模型展开济宁市生态安全综合评价分析; 南颖等^[19]将土地利用类型作为指标之一, 运用P-S-R模型评价了图们江地区的生态安全。

河北东部滨海地区处水陆交接地带, 地下水埋深浅, 土壤盐渍化严重, 地上植被类型单一, 水产养殖业对本区水环境造成一定的危害, 为生态脆弱区, 其土地生态安全问题尤其值得关注。本研究以河北滨海区的黄骅市为例, 设计了基于土地利用类型的黄骅市土地利用生态安全 (LUES) 分级标准, 计算得出研究时间段内的LUES值, 并将其作为评价指标带入P-S-R模型展开黄骅市土地生态安全状态的评价, 以期得到黄骅市土地生态安全动态变化, 为滨海盐碱区域的生态安全治理提供可靠依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

黄骅市位于河北省东南部, 渤海湾西岸 (117°05′~117°40′E, 38°09′~38°39′N), 总面积22.19万hm², 属于海积平原, 平均海拔高度1~7.5 m, 地形平坦。海岸地貌是海侵又转化为海退以后逐渐形成的, 属于淤泥型泥质海岸。区内地下水水质较差, 大部分地区矿化度超过3 g·L^-1, 水化学类型为Cl-Na型或Cl-Na·Mg型, 土壤贫瘠, 盐渍化程度高, 部分地区超过3%。土壤类型主要有黏质潮土、壤质潮土、砂壤质潮土、氯化物盐化潮土、滨海盐土和盐化沼泽土6种类型, 潮土类分布面积最大, 为8.88万hm², 是黄骅市农业用地的主要土壤类型。

1.2 数据来源与处理 1.2.1 数据来源

本研究所用数据为2000年、2005年与2010年3期遥感数据与统计数据 (表 1)。统计数据主要为社会经济统计数据, 来自《沧州年鉴》。遥感数据来自于Landsat影像 (空间分辨率为30 m)。遥感影像预处理在ERDAS IMAGINE 9.2软件平台支持下完成, 取样方法为三次卷积 (CC), 地图投影采用UTM, 大地基准与椭球体为WGS84。

1.2.2 遥感影像数据处理

1) 遥感影像解译

根据我国《土地利用现状分类标准》与大量的野外实地调研, 结合黄骅市土地地表覆盖特征, 将黄骅市土地利用类型初步分为建设用地、沼泽地、盐场、养殖水面、水域及农用地六大类。黄骅市为滨海冲积海积平原, 土地多具盐渍化特征, 而盐渍化程度也是土地生态安全极其重要的指标, 因此, 本研究将农用地分为轻度盐碱地、中度盐碱地及重度盐碱地, 黄骅市盐碱化分级及TM解译标志参考高会等^[20]的解译标志。综上, 本研究将黄骅市土地利用类型共分为建设用地、盐场、养殖水面、水域、轻度盐碱地、中度盐碱地、重度盐碱地及其他用地八大类。其中, 养殖水面与水域的解译特征区别在影像结构性, 具有规整方形格网状结构的水域解译为养殖水面, 其他纯色部分为水域。

2) 遥感数据处理

借助ArcGIS 10.2软件平台, 利用黄骅市行政区边界矢量图对解译完成的遥感影像进行裁剪得到黄骅市土地利用类型图, 并对各地类进行面积统计。

1.3 黄骅市土地生态安全评价模型构建

本研究采用应用较广泛的P-S-R模型展开研究区土地生态安全评价。

1.3.1 评价指标体系建立

1) 评价指标的选取

P-S-R模型从系统压力、系统状态与系统响应3个方面构建指标体系。压力指标指人类活动给系统造成的负荷; 状态指标指生态系统及资源环境的状态; 响应指标指人类应对环境问题所采取的对策与措施^[19]。借鉴已有区域土地生态安全评价研究的指标体系^{[17, 21-22]}, 考虑数据的可获取性, 本文筛选出具有代表性的16个指标, 构建黄骅市土地生态安全指标体系。景观指标能完整、客观地反映土地系统的安全状况^[16], 因此, 选取了能代表系统稳定性与连通性的边缘密度与聚集度指数作为状态指标中的2个指标。边缘密度是景观破碎化程度的直接反应, 边缘密度值越高, 系统景观破碎度越大; 聚集度指数说明同类型斑块的邻近程度, 聚集度指数越高, 此类型用地连通性越好。土地利用生态安全 (LUES) 从土地利用用途的广适性及对环境的破坏程度说明了研究区在土地利用方面的安全状态, 因此也作为状态指标中的1个指标。体系分为目标层、准则层、指标层3个层次, 具体见表 2。

2) 黄骅市土地利用生态安全评价

本文参考相关研究^{[8, 16-17]}及滨海盐碱地区特点, 从土地用途广适性与可变更性及对土地环境破坏程度的视角出发, 设计了基于土地利用类型分类的黄骅市土地利用生态安全分级标准 (表 3)。为定量化研究黄骅市土地利用生态安全状态, 参考南颖等^[19]的分级标准, 安全级别从高到低分别赋予相应的土地利用生态安全标准值 (LUES₀)(表 3)。

土地利用生态安全值 (X₁₁) 计算公式为:

${X_{11}} = \sum\nolimits_i^n {{\rm{LUE}}{{\rm{S}}_{0i}}} \times {W_i}$

(1)

式中: LUES_0i为i安全等级的土地利用生态安全标准值, 具体数值见表 3; W_i为i安全等级土地面积所占权重, 计算公式^[23]见公式 (2)。

${W_i} = \frac{{{A_i}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{A_i}} }}$

(2)

式中: A_i为i安全等级土地面积, hm²。

1.3.2 评价指标标准化处理

采用极值法对指标进行标准化处理, 转化到[0, 1]之间, 具体公式如下:

$\begin{array}{l} {Z_{ij}} = ({X_{ij}} - {\rm{mi}}{{\rm{n}}_j}\{ {X_{ij}}\} )/({\rm{ma}}{{\rm{x}}_j}\{ {X_{ij}}\} - {\rm{mi}}{{\rm{n}}_j}\{ {X_{ij}}\} )\\ \left( {{X_{ij}}为正向指标} \right) \end{array}$

(3)

$\begin{array}{l} {Z_{ij}} = ({\rm{ma}}{{\rm{x}}_j}\{ {X_{ij}}\} - {X_{ij}})/({\rm{ma}}{{\rm{x}}_j}\{ {X_{ij}}\} - {\rm{mi}}{{\rm{n}}_j}\{ {X_{ij}}\} )\\ \left( {{X_{ij}}为负向指标} \right) \end{array}$

(4)

式中: Z_ij表示归一化值, 即标准值; X_ij为i年j指标的实际值。

1.3.3 利用均方差赋权法确定指标权重

均方差赋权法的权重是由各指标在评价指标体系中的实际数据形成的, 客观性较强。也就是说, 各指标相对权重的大小取决于在该指标下各样本数据值的相对离散程度, 若各样本在某指标下数据值的离散程度越大, 该指标的权重也越大, 反之该指标权重应越小。

j指标权重W_j计算公式为:

${{W}_{j}}={{{\sigma }_{j}}}/{\sum\limits_{j=1}^{p}{{{\sigma }_{j}}}}\;$

(5)

式中:为j指标均方差, 其计算公式为:

${\sigma _j} = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{Z_{ij}} - {{\bar Z}_j}} \right)}^2}} } $

(6)

式中: Z_ij表示i年j指标的标准值; 为j指标标准值的均值, 其计算公式为:

${{\bar Z}_j} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{Z_{ij}}} $

(7)

计算结果见表 2“权重”列。

1.3.4 土地生态安全指数计算与分级标准

本文利用综合指数评价法^[17]计算土地生态安全指数LESI (land ecological security index), 即将筛选出来的每一个单项参与评价的指标自身权重值与评价指标值相乘, 然后求和, 从而计算出研究区的土地生态安全指数。

其计算公式如下:

${\rm{LES}}{{\rm{I}}_i} = \sum\limits_{j = 1}^n {{Z_i}_j} \times {W_j}$

(8)

式中: LESI_i代表i年土地生态安全指数, Z_ij为评价指标的标准值, W_j为j指标权重值。

在LESI计算基础上, 借鉴已有研究结果^{[5, 17, 24]}, 将LESI由高到低分为5个等级, 具体等级划分及意义见表 4。

2 结果与分析 2.1 基于土地利用类型的黄骅市土地利用生态安全评价

表 5显示2000年、2005年、2010年黄骅市土地利用生态安全值分别为0.458、0.459、0.466, 均处于临界安全状态, 说明当前土地利用结构存在一定问题, 应控制土地用途可变更性差的Ⅳ、Ⅴ等级区域面积。2000年与2005年LUES (土地利用生态安全) 值变化不大, 2010年LUES值略有增加。5个安全等级中, 安全等级Ⅱ所占面积较大 (面积比重为32.23%~38.52%), LUES值也最高, 对综合LUES值的贡献率超过50%, 高达57.9%, Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等级LUES值依次减小, 等级Ⅰ与Ⅴ贡献率均不超过10%。时间尺度上看, 等级Ⅰ与Ⅴ的LUES值逐年增大, 等级Ⅱ与Ⅳ的LUES值呈先减小后增大趋势, 等级Ⅲ呈先增大后减小趋势且其变化率最高可达47.8%。

2.2 黄骅市土地利用动态变化

土地利用生态安全评价的基础是土地利用类型, 本节分析了研究时段内黄骅市的土地利用动态变化 (图 1), 找出对土地利用生态安全变化贡献较大的几种土地利用类型, 从而进行针对性的调控使其向更安全的方向发展。

1) 2000—2005年间, 建设用地面积增加量大于其他用地减少量从而导致不安全等级土地的面积增加; 重度盐碱地面积的减少量远大于盐场的增加量, 因此这5年间较不安全等级面积是减少的; 养殖水面面积与中度盐碱地面积均有所增加导致临界安全面积的增加; 隶属较安全等级的轻度盐碱地面积是减少的; 隶属安全等级的水域面积是增加的。总体来讲, 虽然建设用地面积增加 (1.12万hm²), 但总LUES值因重度盐碱地面积减少 (1.35万hm²) 的抵消作用变化不大。

2) 2005—2010年间, 建设用地与其他用地面积均增加, 因而不安全等级面积增加; 重度盐碱地面积与盐场面积略有增加导致较不安全等级面积的小幅增加; 中度盐碱地面积的大幅减少是临界安全等级土地面积减少的主要原因; 轻度盐碱地、水域面积增加, 因此较安全、安全等级面积是增加的。总的来看, 轻度盐碱地面积增加 (1.37万hm²) 缓冲了不安全与较不安全等级面积增加 (0.99万hm²) 带来的生态安全风险, 而中度盐碱地面积的大幅减少 (3.05万hm²) 更在一定程度上提升了黄骅市的土地利用生态安全。

3) 从2000—2010年10年的时间尺度来看, 除因重度盐碱地大面积减少带来的较不安全等级面积减少外, 其他土地利用变化规律与2006—2010年基本一致。10年间, 建设用地面积一直处于增加态势, 而中、重度盐碱地面积的减少是黄骅市土地利用生态安全提升的关键因素。

2000—2010年期间, 随着我国经济的发展与城市化规模的扩大, 黄骅市建设用地面积在逐年增加, 这不利于土地的多用途利用, 会减小土地的利用潜力, 因此, 未来应控制建设用地面积。盐碱地作为重要的后备耕地资源, 通过科学的技术手段进行治理后, 沧州滨海地区的盐渍化得到很大程度地降低, 大大提高了土地的生态利用性。总体而言, 土壤盐渍化降低带来的生态正效应超过了建设用地增加带来的生态负效应, 黄骅市土地利用生态安全逐年增加。

2.3 基于P-S-R模型的黄骅市土地生态安全综合评价

基于P-S-R模型的黄骅市土地生态安全综合评价结果见表 6。总体上看, 2000—2010年间黄骅市土地生态安全指数是逐年上升的, 安全等级由2000年的等级Ⅳ(较不安全) 提高至2010年的等级Ⅱ(较安全)。P-S-R模型中, “压力”(P) 表征人类活动对土地系统可持续发展产生的负面影响, “状态”(S) 表征可持续发展过程中土地系统存在的状态, “响应”(R) 表征人类为促进土地可持续发展所采取的措施。2000年3个准则层的安全指数依次为P > S > R, 2005年依次为P > R > S, 2010年依次为R > S > P, 可以看出, 压力在逐年减小, 响应在逐年增加, 到2010年响应指数已超过压力指数, 说明人类已意识到人为活动对生态环境的破坏并采取积极措施去减轻、恢复或预防人类活动对环境的负面影响, 从而减小土地生态风险。

3 结论与讨论 3.1 结论

1) 总体上2000—2010年间黄骅市土地利用生态安全处于临界安全状态, 应控制土地用途可变更性差的Ⅳ和Ⅴ等级区域面积; 安全等级Ⅱ土地面积超过30%, 其对土地利用生态安全 (LUES) 贡献率超过50%, 是研究区土地利用为临界安全状态的关键, 其他等级贡献率依次为Ⅲ > Ⅳ > Ⅴ≈Ⅰ。

2) 黄骅市土地利用生态安全提升主要得益于土壤盐渍化的降低, 中、重度盐碱地面积减少及轻度盐碱地面积增加带来的生态正效应超过了建设用地面积增加带来的生态负效应。2000—2005年间, 虽建设用地面积增加, 但总LUES因重度盐碱地面积减少的抵消作用变化不大; 2006—2010年间, 轻度盐碱地面积增加缓冲了建设用地及重度盐碱地面积增加带来的生态安全风险, 而中度盐碱地面积的大幅减少在一定程度上提升了黄骅市的土地利用生态安全。

3) 黄骅市土地生态安全指数 (LESI) 呈逐年上升趋势, 安全等级由2000年的等级Ⅳ(较不安全) 提高至2010年的等级Ⅱ(较安全)。时间尺度上看, 压力指数P在逐年减小, 响应指数R在逐年增加, 2010年响应指数对ESI贡献最大, 其贡献率为45.3%, 说明人为措施减小了土地生态风险。

3.2 问题与展望 3.2.1 未来可引入生态系统服务价值量, 进一步完善P-S-R评价指标体系

本文依据黄骅市盐渍化重的特点将盐碱地按照盐渍化程度细分为轻度、中度及重度盐碱地, 结合建设用地等5种常见土地利用类型, 将黄骅市土地利用分为8种类型, 并赋予不同土地利用类型以相应的生态安全级别, 量化得到土地利用生态安全值 (LUES), 并将此作为评价指标带入P-S-R模型, 完善了P-S-R模型的指标体系。但因本文意在突出盐碱土地生态安全状况, 文中农用地总体划分为轻度、中度及重度盐碱地, 没有细化为耕地、园地、林地等基本农用地类型。而耕地、园地、林地的植被覆盖率与持水量等生态功能是有差异的, 从土地生态系统服务角度来讲, 这3类土地利用类型的生态安全性是不一致的。生态系统服务价值是表征生态系统为人类提供生态福祉的指标, 因此, 可以尝试从生态系统服务层面展开土地生态安全的分析。国内外也有相关方面的研究, 何玲等^[25]已通过计算生态系统服务价值核算黄骅市生态安全底线, 认为2081年黄骅生态安全将会达到底线42.44亿元, 但仅考虑土地生态系统服务, 仅能说明土地为人类提供的福祉, 不能定量分析人类活动对土地系统的生态负效应及人类对修复生态系统所做工作的正向效应。因此, 本研究接下来将把生态系统服务价值作为表征生态状态的指标, 以期进一步完善P-S-R模型的指标体系, 得到更加科学合理的土地生态安全评估结果。

3.2.2 基于土地利用格局优化的土地生态安全提升

通过本文的分析, 认为黄骅市土地利用生态安全的提升主要得益于中、重度盐碱地面积的降低, 即黄骅市土壤盐渍化程度的降低。黄骅市因濒临渤海湾, 地下水含盐量高且埋深浅导致较严重的土壤盐渍化, 通过明沟排水、暗管改碱等水利工程措施降低地下水位、延长毛细管上升路径从而减轻了土壤盐渍化^[26], 但黄骅市濒临渤海的位置特点决定了其土壤很难达到非盐渍化的状态^[27], 因此, 未来要从减轻土壤盐渍化状态的角度提升黄骅市土地生态安全是很难实现的。在这一前提下, 结合研究区水资源与土地资源特点, 高效利用地下咸水资源与降水资源提升植被覆盖度与土地利用率及农作物产量将是提升黄骅市土地生态安全的较好途径。牛君仿等^[28]从优化农田管理农艺措施、生物措施、水利工程措施等方面总结了咸水安全利用农田调控的技术措施; 张喜英等^[29]研究了环渤海低平原农田多水源高效利用的机理与技术, 综述了挖掘咸水利用潜力、提高水资源高效利用的一些具体措施, 并针对冬小麦夏玉米水分利用做了较细致的研究; 孔晓乐等^[30]研究认为采用外来调水和浅层地下水、坑糖水混合灌溉可以显著提高咸淡水的利用率。以上研究可为黄骅市水资源的高效合理利用提供技术参考, 在此基础上可开展基于水土耦合的黄骅市土地利用格局优化研究, 从优化土地利用格局的角度提高其土地生态安全。