升金湖湿地土地利用生态风险评价模型研究

1、升金湖湿地土地利用生态风险评价模型研究摘要：湿地是地球生态环境的重要组成部分，影响着人类的生存和发展，因此对湿地的土地利用进行生态风险评价具有重要的意义。本文根据安徽省升金湖湿地1986,2002和2011年三期TM 遥感影像, 利用ERDAS,ARCGIS等软件，结合升金湖湿地土地利用现状，采用人机交互法对影像进行监督分类，将升金湖湿地分成建设用地、草地、耕地、林地、水域、未利用地、交通用地和园地八个地类，并统计各土地利用类型的面积。用层次分析和模糊数学法建立土地利用生态风险评价模型，计算土地利用生态风险指数，指数越高则风险越大。结果表明，升金湖湿地土地利用生态风险等级为中级，1986-20

2、11年，土地利用生态风险增强。其中，核心区的土地利用生态风险指数相对较低，但呈逐渐增强趋势；实验区的土地利用生态风险指数较大，缓冲区的土地利用生态风险指数变化明显，土地利用生态风险较严重。关键词: 湿地，土地利用，生态风险，评价模型，升金湖 The Research on Ecological Risk Assessment in Land Use Model of Shengjin LakeAbstract：Wetland is an important part of the earth ecological environment, it influences humans surviv

3、al and development, so, the wetland ecological risk assessment is of great significance. In the paper，three periods (1986, 2002 and 2011) of TM remote sensing images of Shengjin Lake have been selected. Using ERDAS and ARCGIS software technology, combining the reality of Shengjin lake wetland land u

4、tilization and making Shengjin lake wetland into construction land, grassland, cultivated land, forest land, water and unused land, traffic land and garden plot to eight parts by adopting the method of man-machine interaction for supervised classification image, using the statistical software of lan

5、d use type area at the same time. Using the hierarchical analysis and fuzzy mathematics method of land use to build ecological risk assessment model, draw up the Shengjin lake ecological risk index of land use, the higher the index is, the higher the risk is. The results shows that the overall risk

6、of Shengjin lake wetland for intermediate, from 1986 to 2011, ecological risk index higher, Risk to enhance. Among them, The core of ecological risk is low, but it also trends to increase gradually; Experimental area of ecological risk value is bigger, Buffer ecological risk value change is obvious

7、and ecological risk is serious.Key words: Wetland; The Land Use; Ecological Risk; Evaluation Model; Shengjin Lake0引言 湿地是价值和生产力最强的生态系统之一，湿地的水资源丰富，土壤肥沃，还具有生物和矿产资源，我国湿地总面积约为3848万hm2。近年来由于人类活动的影响，大量湿地面积减少，湿地破坏严重，对湿地的保护形式严峻，因此对湿地进行生态风险评价具有重要意义。土地利用覆被变化是不同时期人类对土地利用方式的改变的反映，湿地土地利用变化反映了人类活动对湿地的利用情况，研究湿地土地利用

8、变化及其对土地生态系统产生的风险，对了解湿地的生态环境，土地资源的合理利用和恢复湿地的生态环境状况有实际的指导意义1。目前，国内外有大量的湿地土地利用生态风险的研究，国内的有: 许学工2等对黄河三角洲湿地进行的风险评价，选取黄河三角洲作为评价区域，选择相应的生态终点，再选取对生态终点影响较大的风险源，建立评价指标体系和评价模型，最后得出研究区域的生态风险强度。臧淑英3等人对大连市土地利用生态风险进行研究，根据土地利用结构特征，构造了综合性生态风险指数。宋国利4等利用层次分析法确定了温州市乐清湾不同土地类型的生态风险权重，通过生态风险指数分析了生态风险形成机理。国外也有很多湿地生态风险评价案例，

9、如美国科学家Joshua Lipton5等提出了被普遍接受的生态风险评价框架，根据问题形成、分析和风险表征三个方面来制定的生态风险评价框架。Charles R Lane6 通过选取湿地相关的风险表征，对几个湿地进行比较，评价佛罗里达某孤立的湿地的生态风险。湿地生态风险评价成为全球生态风险研究的重要课题。 升金湖湿地作为重要的国家自然保护区，其生态环境状况的好坏不仅影响到人类的生活，还影响到很多珍稀鸟类的生存，因此对升金湖湿地的土地利用生态风险状况进行评价，划分土地利用生态风险等级，研究土地利用生态风险高低的原因，并给出治理意见，为当地的土地资源管理提供科学依据，促进当地土地利用与生态环境的协调

10、发展就十分必要7。1研究区概况 升金湖国家自然保护区位于安徽省南部池州市境内，濒临长江。地处东经116°55至117°15，北纬30°15至30°30。坐落于东至县与贵池区交界处，全境以升金湖为中心，沿岸分别向外延伸2.5km左右。总面积33340 hm2，其中升金湖面积13300 hm2。升金湖功能区划分为核心区、缓冲区、实验区三个部分。其中，核心区10150hm2，位于保护区中心部位，主要由水面组成，是珍稀水鸟集中分布的区域。缓冲区10300hm2，位于核心区外围，由湿地、退耕还湖人工圩、滩涂组成，有一定数量的珍稀水鸟分布。实验区12890hm2，主

11、要由保护区内沿湖四周的陆地部分组成。保护区以升金湖为主体，由升金湖及周围的滩地组成，保护区除水域外，耕地占用面积最大，其次是林地，主要分布在保护区的东南方。园地、草地面积较小。保护区内生物资源极其丰富，生物种类繁多。升金湖是我国东部大型水禽重要的越冬地和迁徙停歇地。随着经济和社会的发展，如何在土地利用过程中既保证资源的有效利用，又能规避可能产生的生态风险，有效地保护与改善生态环境，这成为升金湖湿地土地利用生态风险研究的重点8。2研究方法2.1 数据源选择与数据预处理 本文采用的土地利用数据为升金湖湿地1986、2002、2011年三期TM遥感影像，根据地区地理特征和影像质量，结合升金湖湿地1:

12、1万地形图，升金湖湿地功能分区图，运用ERDAS软件，进行波段融合、几何校正、图像增强和裁剪等数据预处理。参考中华人民共和国土地管理行业标准县级土地利用总体规划编制规程及相关文献，结合研究区实际情况，通过监督分类将升金湖湿地的现状土地覆被类型分为8大类：建设用地、草地、耕地、林地、水域、未利用地、交通用地、园地9。分类结果经检验，kappa系数为0.91，将外业调查的210个样点与影像图进行比照，95%的样点与影像相符，分类精度较高。再运用ARCGIS软件的统计功能对各地类面积进行统计，得出各地类面积。同时参考池州市统计年鉴，经济数据公报，整理当地的社会，经济，环境数据，采用相关分析方法，筛选

13、与升金湖湿地土地利用生态风险相关的指标，将升金湖湿地三个功能区指标因子归一化，运用层次分析法确定生态风险指标权重，建立生态风险评价模型，最后计算土地利用生态风险指数。2.2 模糊数学综合评价法 层次分析方法是美国运筹学家萨蒂于20 世纪70 年代提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法10。该方法既可以把定量与定性分析有机结合起来，又能体现生态风险评价的综合性、整体性和层次性。模糊数学综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将不易定量的因素定量化，从而实现评价的一种方法11。本文在层次分析法确定各项因子权重的基础上，利用模糊数学模型综合评价升金湖湿地土地利用生态风险。2.3 评价指

14、标因子及其权重将升金湖湿地的遥感影像，运用ERDAS软件中的Classifier模块专家分类器分别提取建设用地，草地，耕地，林地，水域，未利用地，交通用地和园地，将这8 类土地利用类型合并成土地利用格局图。利用景观生态分析软件Fragstats 对斑块、类型和景观等森林景观指数分别进行计算，从而得到整个研究区域三个时期的景观指数12。土地利用生态风险评价因子的选择及其权重的确定是评价的关键。升金湖湿地土地利用生态风险评价，主要是研究土地利用对人类及社会持续发展的适宜程度，土地利用生态系统受到人口、环境和经济发展水平的压力的大小。根据研究区土地利用特点以及资料的可获取性，运用相关分析方法选取能体

15、现土地利用生态风险的评价因子，分为土地利用因子、生态、环境和社会经济因子四个类别，即4 个准则层指标，见表1。由于升金湖湿地属于池州市境内，地跨贵池区和东至县，研究区的各类指标不容易直接获取，所以，本文选取的数据是按照每个县的平均值或者单位面积进行计算，并且对所有指标进行归一化处理，以消除不同量纲的影响并进行统一建模。 土地利用生态风险评价指标体系构建的关键是权重的确定。本文运用Yaahp层次分析法软件对土地利用生态风险影响因子的权重进行确定，Yaahp层次分析软件原理主要是专家打分，根据指标之间重要性的对比，选取相关的专家，通过软件计算得出权重。生态风险评价指标包含四个指标层，分别是：土地利

16、用因子、景观生态因子、社会与经济因子和环境因子13。先对这一指标层的权重进行打分确定，其中土地利用因子和生态因子对生态风险的影响较大，社会与经济因子和环境因子的影响较小。其次确定这4个指标层下的子指标权重，总共选取了14个指标构建升金湖湿地土地利用生态风险评价指标体系。土地利用因子的子指标包括建设用地百分比，单位面积水资源总量，耕地垦殖指数；景观生态因子的子指标包括植被覆盖率，土地利用多样性指数，土地利用优势度指数；社会与经济因子的子指标包括人口密度，人均GDP，工业总产值，粮食总产量；环境因子的子指标包括年均降水量，年均气温，农村化肥施用量，农村农药使用量。运用Yaahp层次分析软件计算得出

17、各类指标权重，判断矩阵均采用群体判断的方法构造，结果分别构造A B、B C 的判断矩阵，最后进行层次总排序总一致性比例CR 的值为0. 0438，小于规定的0. 1，土地利用生态风险评价指标层次总排序具有满意的一致性，评价指标体系及权重见表1表1 土地利用生态风险评价指标权重Table 1 Index weight for evaluating ecological risk of land utilization 目标层准则层指标层总权重总排序准则名称权重指标名称权重升金湖湿地土地利用生态风险评价土地利用因子0.5638建设用百分比（)067380.37991单位面积水资源总量()0.225

18、50.12723耕地垦殖指数()0.10070.05676景观生态因子0.2634植被覆盖率()0.62670.16512土地利用多样性指数()0.27970.07374土地利用优势度指数()0.09360.02479社会与经济因子0.1178人口密度()0.56380.06645人均GDP(）0.26340.03108工业总产值（）0.11780.013910粮食总产量（）0.05500.006513环境因子0.0550年均降水量（）0.57890.03197年均气温（）0.09490.005214农村化肥施用量（）0.17070.009411农村农药使用量（)0.15550.008612从

19、表1中可以看出建设用地面积比，植被覆盖率，单位面积水资源总量，土地利用多样性指数，人口密度，耕地垦殖指数这6个指标所占权重较大，对生态风险的影响较大。2.4 评价模型的建立（1）评价集确定 按照升金湖湿地实验区，核心区，缓冲区三个功能区，将反映土地利用生态风险特征的14 个评价指标建立评价集。其中，评判对象集为Y = Yi( i = 1，2，3) ，Yi为升金湖湿地第i 个功能区; 评判指标集为X = Xj( j = 1，2，3， 14) ，Xj为第j 个评价指标。（2）数据归一化处理 上述各项指标通过层次分析法确立权重后，再把升金湖湿地3 个功能区的14个指标的实测和统计数据进行归一化处理，

20、将其值统一在0 1 范围内，以消除量纲差异的影响。由于各指标的性质不同，因此不同的指标采取的归一化方法不同。具体方法如下：（值越大风险越大的指标因子）；（值越小风险越小的指标因子）式中: x( i，j ) 为指标特征值归一化的序列，x * ( i，j) 为第i 样本的第j 个指标，( j) 为第j 个指标的最大值，( j) 为第j 个指标的最小值14。升金湖湿地土地利用生态风险指标体系的14 个指标中，值越大风险越大的指标因子有：建设用地百分比、人口密度、农村化肥施用量、农村农药使用量，其余10个指标因子都是值越大风险越小。由此组成1986、2002、2011 年三期升金湖湿地三个功能区的14

21、个评价指标的评判矩阵： 实验区 核心区 缓冲区 实验区 核心区 缓冲区由表1 可知，土地利用生态风险评价14个指标的权重矩阵A 为:A=0.3799 0.1272 0.0567 0.1651 0.0737 0.0247 0.0664 0.0310 0.0139 0.0065 0.0319 0.0052 0.0094 0.0086(3) 评价模型建立 根据升金湖湿地土地利用生态风险评价指标以及各指标的权重，由于14个指标因子都对土地利用生态风险起作用，所以采用模糊数学中的加权平均模型建立该研究区的土地利用生态风险评价模型： ERI = = （1）式中：ERI是土地利用生态风险指数，Gi是第i 个

22、土地利用生态风险评价指标的值，Ai是评价指标Gi的权重。该模型中乘以100是为了使评价结果便于运用15。3 结果与分析3.1评价结果及其动态 按照式(1)的综合评价模型分别计算了1986、2002、20011年升金湖湿地的土地利用生态风险值，见表2表2 升金湖湿地各功能区土地利用生态风险评价得分Table 2 Statistics value of ecological risk of land utilization in each functional area 实验区核心区缓冲区198668.79 38.37 33.28 200276.2648.3170.38201175.4159.66

23、79.35按照三个功能区面积比例，计算整个升金湖湿地的土地利用生态风险值，如表3表3 土地利用生态风险值Table 3 Index of land use ecological risk 地区198620022006平均值平均年变化率升金湖湿地52.87 66.4771.2163.521.39%评价分级结果 升金湖湿地的主体为升金湖水域，整个湿地生态风险区域差异较大，参考土地利用生态风险评价分级标准，结合本地实际情况，将升金湖湿地土地利用生态风险分为四个等级，分别为:低风险区、较低风险区、中风险区和高风险区，生态风险值小于35的属于低风险区。35到55属于较低风险区，55到75之间的为中风险区

24、，大于75的为高风险区16。分级标准和各功能区风险分级表见表4，表5。表4 土地利用生态风险分级标准Table 4 The ecological risk of land use classification standard 级别低较低中高指数E2535E5555E75E75表5 土地利用生态风险总体分级Table 5 The ecological risk of land use classification 198620022011总体评价实验区中高高中核心区较低较低中较低缓冲区低中高中升金湖中中中3.2 评价结果分析 升金湖湿地1986、2002和2011年的土地利用生态风险最终评价结

25、果是,升金湖湿地三期的生态风险均为中级(表5)。功能区的生态风险有所差别，实验区和缓冲区的生态风险较高，核心区的风险较低一些（图1）。从表2 可知，升金湖湿地核心区和缓冲区的生态风险指数都在上升，而且核心区的变化率较大，主要因为25a间，这两个功能区的建设用地和交通用地增加较多，水域面积减少的比较大，人类活动比较频繁，对该地区的生态风险影响较大17。实验区的生态风险指数有所下降，生态环境有所提升，这段期间实验区的林地面积增加较多，森林覆盖率增加，使实验区的生态风险指数有所降低。 1986年 2002年 2011年图1 升金湖湿地土地利用生态风险评价Figure 1 Ecological ris

26、k assessment in land use of Shengjin lake wetland 4 结论与讨论 湿地是地球的肾，具有涵养水源，净化空气的作用，湿地也是很多鸟群的栖息地，水生植物的生长地。湿地是地球不可缺少的土地类型，对人类的生存、生活有重要的作用。升金湖湿地作为重要的国家自然保护区，是很多珍稀水禽的栖息地，其生态风险的变化既影响到人类的生活，也影响到很多水禽的生活，因此对升金湖湿地进行生态风险评价很有必要16。本文运用层次分析法和模糊数学法确定了土地利用生态风险指标体系的权重，建立了土地利用生态风险评价模型，经过计算与调查，得出升金湖湿地三个功能区的生态风险值，评价不同年份

27、三个功能区的生态风险状况。(1)1986到2002年间，升金湖湿地生态风险变化较大，生态风险值上升了13.6，这段时间，国家进入快速发展时期，建设用地，交通用地数量剧增，人类对升金湖湿地的影响比较大。2002到2011年间，升金湖湿地生态风险值上升了4.71，这期间升金湖湿地生态风险变化速度有所减缓，国家强调可持续发展，实现资源的可持续利用，因此人们在进行土地利用的同时，也采取了一些保护措施，如增加林地的面积，对耕地进行保护，对农药化肥的使用有所控制，使升金湖湿地的生态风险变化有所减缓。（2）升金湖湿地核心区的风险值比较低，核心区主要土地利用类型是水域，是升金湖湿地的主体，影响着水禽的生存。2

28、5a间，水产养殖的发展对升金湖的水质有一定的影响，导致升金湖水质有所下降，湿地生态风险增大。实验区和缓冲区建设用地和耕地比重较大，人类活动比较多，对生态风险的影响较大，生态风险值较高，风险较严重。（3）25a间，人类对升金湖湿地的土地利用有较大的变化，对湿地的环境产生了一定的影响，升金湖湿地水禽的数量减少，水质变差，水面积有所减少。针对目前的状况，需要采取一定的措施保护升金湖湿地，保持湿地的涵养作用：水产养殖应该注意量的控制，防止过度捕捞：注意生活污水的排放与治理。实验区和缓冲区的发展要注重环境的保护，耕地比例比较大的实验区，农药和化肥的用量要适当。合理利用耕地资源，切实保护耕地，粮食安全是基本保证，控制建设用地的增加，土地利用要按照规划执行，使升金湖湿地土地利用达到社会，经济，生态效益的协调发展。参考文献1 曾宏达 基于DEM 和地统计的森林资源空间格局分析以武夷山山区为例J 地球信息科学，2005，7( 2) :82-88. 2 许学工, 林辉平, 付在毅, 等. 黄河三角洲湿地区域生态风险评价 J .北京大学学报.