基于变异系数法的土地生态敏感性定量分析

绪论1.1研究目的土地资源是人类生存和发展的基础，是人类赖以生存和发展的重要物质基础[1]。土地的健康生态功能是维护经济安全和社会稳定的关键因素，对政治安全、经济安全、国防和人类生存都有影响[2]。土地的保护和管理需要全社会的共同努力，包括政府、企业和个人。土地生态敏感性评价的研究目标是为了保护和改善土地生态系统的健康状况，确保土地的可持续利用，研究成果将为我国生态环境保护与可持续发展的政策制定提供科学依据。本文将会从以下几个方面做出阐述：评估生态系统的脆弱性：通过分析土地的生态敏感性，目标是量化和评估土地生态系统对外界压力和干扰的脆弱性。这有助于认识到生态系统对干扰的敏感程度，预测生态系统的稳定性以及面临的潜在风险。确定敏感生态区域：通过敏感性分析，目标是确定土地上的敏感生态区域。敏感生态区域是指在自然和人为干扰下，生态系统更容易受到破坏或出现不可逆转的变化的区域。通过明确敏感生态区域，可制订有针对性的养护和管理战略，提高土地的可持续利用和保护水平。优化土地利用规划：土地生态敏感性分析还可以为土地利用规划提供科学依据。通过评估土地的生态敏感性，可以识别出适合特定类型的土地利用的区域，并避免在具有较高生态敏感性的区域过度干扰和开发土地。指导生态环境保护和恢复：基于土地生态敏感性分析的结果，可以为生态环境保护和生态系统的恢复提供指导。确定了敏感区域后，可以采取相应的措施来改善和保护生态系统，包括植被恢复、土地整治、水资源保护等。土地生态敏感性评估研究可为政府决策机构制定土地生态管理政策和计划提供了科学依据。它还为决策者提供了土地利用和生态保护方面的建议，有效促进土地的可持续发展。1.2研究意义迅速发展的工业化和城市化，以及对资源的不合理开发给生态环境造成了环境污染、土地退化、能源枯竭等一系列问题。中国目前正处于经济、社会和生态的高质量发展阶段。在此背景下，如何保护生态环境、提高人民生活质量日益受到关注。土地生态安全被视为合理分配土地资源、建设环境友好型社会、实现可持续健康发展的重要因素。随着经济社会的快速发展，我国土壤环境问题日益突出，土壤污染不断加剧，较大影响了我国经济社会的长远健康发展。土壤资源作为一种最基础的生产资料，在粮食增产、改善人民生活品质等方面发挥着极其重要的作用。土壤生态安全也与国家粮食安全密切相关，在土壤、人口和粮食系统中发挥着核心作用,涉及国家的长治久安[3]。了解土地的生态敏感性，可以为合理的土地开发和利用提供指导，避免在敏感生态环境中过度干扰或引发环境问题，这对提高土地利用率和提高土地利用效率有着十分重要的现实意义。同时可以帮助确定生态系统恢复和保护的重点区域。基于敏感性分析的结果，可以有针对性地开展生态修复工作，包括土地退化治理、植被恢复、水资源保护等，以提升土地生态系统的健康状况。土地生态敏感性分析可以帮助确定生态脆弱区域和敏感生态系统，有助于制定土地规划、生态修复和保护政策，以避免因为人类活动对生态环境造成不可修复的破坏。通过对土地生态敏感性的研究，可以提高对生态系统的保护意识，促进生态环境的可持续发展。2研究综述2.1国外现状关于土地生态敏感性的研究已经引起了国内外的关注。海外的生态系统敏感性研究可以追溯到1967年，当时美国的McHarg教授提出了基于适应性分析和评估的生态系统敏感性分析模型，并对纽约斯塔顿岛的环境进行了评估和研究[5]。此项研究是对生态系统敏感度的首次尝试，也是后续研究的重要内容。2.2国内现状国内生态敏感性研究始于20世纪下半叶，土地生态敏感性研究逐渐受到重视，在理论和应用方面都取得了重要进步。国内生态敏感性评估主要涉及生态环境问题、土地利用、水流域、城市建设、风景区和公园湿地等。所使用的评估方法和工具取决于评估的目的、范围和内容。通过对土地生态系统的研究和评估，中国科学家研究了土地生态系统对人类活动和自然干扰的响应，以及土地利用变化对生态环境的影响。他们通过建立模型和指标体系，评估了土地的生态敏感性，为环境保护和可持续发展提供了科学依据。2.3GIS技术发展我国地理信息系统方面的工作从80年代初到21世纪开始经历了四个阶段，即起步、准备、发展、以及最终产业化。GIS已在很多方面得到应用，引起广大重视。GIS在资源开发、交通规划、能源勘探等方面有着不可替代的作用。计算机技术逐渐得到的快速发展GIS技术也日趋成熟，近年来各国越来越多关注其核心技术GIS系统软件和应用软件渐渐得到了完善。ArcGIS作为全球领先的GIS平台，自20世纪90年代进入国内，已在地图、测绘、林业、农业、规划、城市管理、能源、智慧城市、智慧交通和商业等40多给领域得到了深入而广泛的应用。该产品一系列软件在中国已经发展成用户群体最大、应用领域最广的专业GIS技术平台处理软件。2.4常用确权指标体系近年来，随着世界人口的爆炸式增长，可利用的土地资源日益稀缺，而我国人口占世界人口的四分之一，人均土地资源少，可利用的土地都已经开发，还有很多环境不利、不适合土地开发利用的地区，所以可利用的土地资源极其匮乏。极大的土地安全问题引来了许多研究人员的关注，例如，张建新等对湖南省可持续发展与土地利用的生态安全评估进行了研究[6]，邓楚雄对欠发达地区土地资源的生态安全评估进行了研究[7]。此外，许多科学家在理论研究领域也做了重要工作：如吴子芳、包海军的《土地安全研究理论与方法》首次对土壤生态安全进行了系统分析。对土壤生态评价、环境评价、可持续性评价和风险评价进行了评价[8]。曹新向也研究了土地可持续利用中生态安全的含义、内涵、内容、评价方法及指标体系[9]。郭凤芝从数量、质量、容量和安全等方面建立了土壤安全评价指标体系[10]。评估土地生态安全的关键是建立科学的指标体系。指标体系有两种类型：自然经济-社会-模型[11-13]，压力状态响应模型[14],但评估的准确性受指标代表性的影响。不同国家的研究人员在不同尺度、从不同角度使用不同的模型来研究生态用地安全。例如，李旭霞在吉林省进行了实证研究，利用模型构建了基于人口、土地利用和产业结构变化的指标体系[15]。类淑霞构建了基于生态环境、人类社会和环境污染因素的指标体系，对某一区域环境安全进行动态评估[16]。生态环境复杂，影响土地生态安全的因素较多，国内尚无统一的土地生态安全指标。目前常用的国土生态安全指标体系有：生态安全动态评价系统[17]、“压力状态响应”指标体系[18]。陈华丽等选择了地貌因子、自然因子等评估因子，对南华山国家森林公园的生态敏感性进行了分析与评估[19]、杨永峰等应用综合指数方法评价山东省土壤侵蚀的生态敏感性[20]、徐晓等将都市型生态公园划分为不同的生态功能区域，评价了它们的生态敏感性[21]。郭小鸿通过对巫阁山森林公园的实证研究，对其进行了评估[22]。刘振举在此基础上，建立了以水土流失压力为核心的东北黑土区生态环境安全评价指标体系[23]。3研究区概况3.1自然地理概况毕节市威宁彝族苗族自治县，贵州省最大的民族自治县。在贵州省的西北面，见图3.1。东至东经103度36分到104度45分，北至北纬26度36分到27度26分。西，南，北三面和云南交界，是云南、贵州、四川三省的重要交通枢纽，面积6298平方公里[26]。2022年末，威宁彝族苗族自治县人口为126.46万人[28]。威宁彝族苗族自治州地处丘陵地带中心，境内低山峡谷环绕，河流纵横交错，有"四江之源"之称。气候为亚热带季风湿润气候，一年的日照时数有1812小时，180天为无霜期，一年降水量可达926毫米，年温差较小，日温差较大幅度波动，冬暖夏凉，夏季平均气温18°C。3.2社会经济概况威宁县第一产业主要有农林牧渔业、农作物种植（玉米、马铃薯、蔬菜等），第二产业有制造业、新能源发电（风力发电、光伏发电等），第三产业为旅游业。威宁自治县在2020年实现了经济总量287.83亿元的目标，5年平均增长率为10.04%，经济总量从全市第六位跃居全市第二位，在全省排名第十五位[29]。3.2生态问题概况威宁县土地生态问题主要包括土地沙漠化、水土流失、生态破坏等方面的挑战。这些问题严重影响了当地的生态环境和可持续发展。以往草海北坡地质破碎，岩石裸露，土壤侵蚀严重，植被覆盖率不足10%，对草海的生态安全构成了极大的威胁，还曾遭遇严峻的人鸟争地，水污染等。草海的水域面积大幅缩减，草海湖及其水系遭到了严重破坏，导致了一些不良后果，如难以为人类和动物提供饮用水，候鸟也纷纷离去。为保护候鸟栖息地，保护好国家级自然保护区留住候鸟，护好中国著名的高原淡水湖泊-草海，深人推进草海生态文明综合治理，加强整治力度，减少水体污染、围湖造田等。图3.1威宁彝族回族苗族自治县位置示意图4数据来源与研究方法4.1数据来源路网数据:来自于OpenStreetMap，2020年；坡度、水环境、高程：均由地理数据空间云获取的30米数字高程模型数据提取得到，2020年；人口密度：威宁县统计年鉴，威宁县政府官网（用每个乡镇的统计人口做空间插值-反距离权重法）2021年；土壤类型：中科院资源与环境国家数据中心，1:1km土地利用类型:全球地表覆盖平台获得（）10米，2020年；植被覆盖度：利用哨兵-2号10米分辨率影像进行提取，2020年。4.2研究方法近年来生态安全问题日益突出，社会对生态环境的关注与重视程度不断增加。如今，学者们对土地生态环境安全问题的研究内容越来越丰富，国内国外的研究者们都从不同研究角度出发，为解决土地生态问题提供了许多好的建议与指导。但是，在建立评估指标体系方面，却并未形成一个完整的体系，确权方法存在一定的缺陷。本研究分别采用AHP及变异系数法，变异系数法它能充分利用各项指标本身包含的信息来确定权重，并以GIS、ENVI5.3软件为主要的辅助工具，充分利用GIS工具中的空间分析功能以及ENVI对遥感影像的处理提取单因子。4.3.1层次分析法首先，运用YAAHP10.0对构建的决策目标、考虑因素和目标进行了分层，并对决策目标、考虑因素和目标进行了上、中、下三个层次的划分。重建判断矩阵，判断矩阵中不是对所有因素进行单一比较，而是进行两两比较。在这一阶段，使用相对指标，以尽量减少比较不同类型因素的复杂性，并提高准确性4.3.2变异系数法求权重变异系数法属于客观的赋权技术，用于分析单因素的内部和横向结构规律。在一个评价指标系统中，如果某指标的取值变异较大，则表明它在反映评价对象间差异上的能力更强，因此应赋予更高的权重。这种方法更有效地消弱了层次分析法中的主观性影响[25]。查阅了解到以往的环境敏感性研究常采用模糊综合评判法，它是一种模糊的评价方法，它带有很大的主观性。为了解决这个问题，更好地确定各个因素的权重，文章通过运用层次分析法，获得了一个加权，并与变异系数法相结合，最终得出了各个因素的变异系数的权重[24]。利用每个因子重新分类后得到的分类图，使用ArcGIS的统计功能以确定八个因子的平均值和标准偏差计算变异系数，变异系数是各因素的变异比例，决定了各因素的权重。计算公式如下：（1）公式（1）中，W为评价因子权重；V为变异系数；S为标准差；为均值；i因子数[24]。4.3.3GIS空间分析法缓冲区分析：在输入要素周围的特定距离创建多个缓冲区，利用缓冲区距离值，这些缓冲区会被随机组合和合并，以创建不重叠的缓冲区。统计分析：统计分析工具包括对属性数据进行标准统计分析（平均值、最小值、最大值、标准偏差等）的工具，以及对重叠和相邻地物进行面积、长度和计数统计的工具。叠加分析：利用栅格计算器把重分类后的单因子生态敏感性分级图按其对应的权重值进行加权计算。4.3评价因子指标的选取与分级根据研究区的地理要素的特征选取以下8个因子生成威宁县的土地生态敏感性评价体系，不同研究内容选取数值不同，要根据其研究区来确定选取数值生成敏感分级，下表4.3.3为威宁县2020年的土地敏感性指标选取。表4.3.3土地生态环境敏感性评价因子生态因子引用来源级别不敏感轻度敏感中度敏感重度敏感极敏感地貌因子坡度/°严军王婷秦珏[24]<66~1515~2525~35>35高程/m<18001800~21002100~23002300~2500>2500人口密度（km/人）严军王婷秦珏[24]>7030070300~6000060000~50000050000~40000<30000人类活动因子道路缓冲（缓冲）/m>1000500~1000300~500300~100<100土地利用建筑用地裸地耕地河流、草地、湿地林地、灌木自然因子NDVI吴昆彭红霞李江风陈万旭[27]<0.30.3~0.50.5~0.70.7~0.90.9~1水环境（缓冲）/m>1000500~1000300~500100~3000~100土壤类型初育土半水成土水成土钙质土湖泊水面分级指数135795评价结果与分析5.1单因子生态敏感性评价5.1.1地貌因子敏感性分析利用ArcGIS10.0软件的空间分析模块重分类功能，使用自然断点法将8项单因子指数分级。在地貌因子分析中，坡度因子极敏感和重度敏感区分布在研究区北部、西部和东南部，占到全县的总面积11.80%，如图5.1.1-1。坡度越大，水土流失越容易，受损的生态系统和植被恢复也就越困难。在坡度较缓的地方，可以进行更多的填海和施工等活动。它们具有很强的稳定性和良好的抗干扰能力。生态保护措施的选择也受到坡度的影响。海拔差异影响着温度、风、湿度等相应数值等各种自然因素，间接影响当地的生态条件和植物生长条件。高程因子重度敏感和中度敏感区分布于中部，占到全县的总面积61.15%，如图5.1.1-2。图5.1.1-1坡度因子图5.1.1-2高程因子5.1.2人类活动因子敏感性分析不同的土地利用模式对生态系统结构、功能及服务功能的影响是不同的，会影响到生物多样性、土壤质量、水资源和空气质量，不合理的土地使用造成了水土流失、水土流失等问题。该区的土地利用类型有:建设用地、耕地、水体、草地、裸露地、林地,其中该区林地为极敏感区占到全县的总面积42.57%，重度敏感区为水域和草地，占到全县的总面积30.81%，耕地为中度敏感区占地全县的总面积25.60%，裸地为轻度敏感区占地全县的总面积0.02%，不敏感区为建设用地占地全县的总面积0.59%，如图5.1.2-1。通过分析该地区硬质路面的数据，图像的环境敏感性变得更加清晰，并以距离道路100米、300米、500米和1000米作为缓冲区划分的标准，获得了道路因素的环境敏感性分析，极敏感区和重度敏感区占到全县的总面积23.07%，如图5.1.2-2。人口密度方面极敏感和重度敏感区分布在炉山镇、龙场镇、小海镇、金钟镇、龙街镇、黑石头镇、雪山镇。占到全县的总面积9.96%，如图5.1.2-3。图5.1.2-1土地利用因子图5.1.2-2道路因子图5.1.2-3人口密度因子图5.1.3-1水环境因子5.1.3自然因子敏感性分析研究区包含河流、坑塘、滩涂和沟渠等多种水域类型，研究选取100米,300米,500米和1000米作为缓冲距离，对水域缓冲区进行分析分级，并获得水体因子生态敏感性结果,极敏感区和重度敏感区占到全县的总面积33.72%，如图5.1.3-1。土壤类型有初育土、半成水土、水成土、钙质土、湖泊水面，极敏感区和重度敏感区分别为湖泊水面和钙质土占到全县的总面积53.20%,如图5.1.3-2。植被覆盖度是影响生态系统水土保持和调节气候功能的重要因子，通过对植被覆盖度指数分析可见该区极敏感区和重度敏感区，占全县的总面积33.41%，如图5.1.3-3。图6.1.3-2土壤因子图6.1.3-3植被覆盖度因子5.2结合变异系数法确定权重在使用ArcGIS软件对栅格数据地图进行重新分类后，对单一因素进行敏感性分析，可以在表5.2-1中看到各因素分值类型的统计数据。利用ArcGIS的统计功能，可以确定八个因素的平均值和标准偏差以计算变异系数，见表5.2-2。通过对变异系数数据分析可知，人口密度因子和土壤类型因子的变异系数高，可能对生态系统的稳定性产生更大的影响。这可能意味着该指标对生态系统的敏感性较高，需要特别关注和保护。人口增多导致能源资源开采力度大，土地利用发生变化使部分森林和草原被退化或消亡，植被生态系统受到影响。产生工业污染、垃圾污染、废水污染等环境污染，采取有效的土地利用管理和规划措施，这对维持生态平衡，实现可持续发展，有着十分重要的作用。虽然流域内部结构稳定，对生态环境影响较小，但仍需持续监测，以确保生态系统的健康。生态系统作为一个整体的敏感性可以通过各项环境指标的变异系数来评估。通过比较不同指标的变异系数，可以确定哪些指标对生态系统的稳定性影响最大，从而制定适当的保护和管理措施。。表5.2-1因子各项分值统计表因子各项分值统计表等级坡度/°高程/m人口密度/km、人道路缓冲/m土地利用NDVI水域缓冲/m土壤类型1125841991105666030811004165318506714631871710618133449778175415834251441267166722906151252888115661171521819052995353210827882921819813216900801751267110250773067217937551200697755321551701984681217036113558240191986344263983563615412297930341965697087451786260表5.2-2变异系数法确定权重结果表变异系数法确定权重结果表评价因子平均值标准差变异系数地貌因子坡度1563881.61148042.230.73高程1576144878345.680.56人类活动因子人口密度8147.27504.290.92道路缓冲1380724.8893775.030.65土地利用1399521.21186689.790.85自然因子NDVI14098056.69124773.370.65水域1431138.27537300.53土壤类型14049252.612808562.40.91在本研究中，通过在Yaahp10.0软件中对单个因子进行层次分析，确定AHP权重，再乘以变异系数权重，归一化得出该区每个因子的土地生态敏感值。计算公式如下：（2）公式（2）中，变异系数Vi为标准差占平均值的比重,Pi为AHP得到的各因子指标权重,Fi为归一化处理后的土地生态敏感性综合权重[24]，见表5.2-3。表5.2-3综合权重表综合权重评价因子平均值标准差变异系数AHP权重归一化权重地貌因子坡度1563881.61148042.230.730.070.07高程1576144878345.680.560.040.03人类活动因子人口密度8147.27504.290.920.030.04道路缓冲1380724.8893775.030.650.030.03土地利用1399521.21186689.790.850.130.15自然因子NDVI14098056.69124773.370.650.420.38水域1431138.27537300.530.110.08土壤类型14049252.612808562.40.9生态敏感性综合分析本文基于生态因子数据和ArcGIS为基础,分析影响威宁县生态环境的主要因子,在确定了变异系数及层次分析法的权重之后，应用栅格计算器函数对8个单一因素的生态敏感度等级图进行了加权计算，即坡度因子*0.07+高程因子*0.03+人口密度因子*0.04+道路缓冲*0.03+土地利用因子*0.15+植被覆盖度因子*0.38+水环境因子*0.08+土壤因子*0.22。得出威宁县土地生态敏感性综合评分析图，见图5.3。本文将研究区划分为5个级别，分别有生态极敏感区、重度敏感区、中度敏感区、轻度敏感区、不敏感区，统计面积占比见表5.3。威宁县中部宽阔平缓，具有更好的生存条件、交通便利、经济发展等为该区人类活动主要聚集地，不敏感区呈西北往东南走向，受到人为较大干扰，不敏感区占到全县的总面积12.43%。极敏感区和重度敏感区主要为林地，占到全县的总面积40.68%。该地区很容易受到外来干涉，是该区生态结构的重要组成部分，因此必须将其作为重要的保护区，确保保护区的边界清晰，严格控制外来干扰和开发活动，禁止在保护区内进行乱搭乱建和砍伐树木的行为。轻度敏感区占到全县的总面积20.09%，中度敏感区占到全县的总面积26.79%。在轻度敏感和不敏感片区，应以经济发展为主、生态保护为辅，做到经济生态一手抓，创建人与自然和谐共处，经济与环境统筹发展。表5.3威宁县土地生态敏感区面积等级面积/km2占比面积/%不敏感768376828.112.43轻度敏感124172159220.09中度敏感165578277226.79重度敏感148794094024.08极敏感102614492616.60图5.3威宁县土地生态敏感性分布6结论与讨论6.1结论首先，以8个评价因子确定了评价指标并收集了相关数据及方法，然后建立了评价模型，计算出土地生态敏感性指数。通过分析结果，发现威宁县土地生态系统存在一定的问题，对照不同因子的变异系数值评价中，人类活动因子最高达到2.42，足见该区内部生态结构受到人类活动的影响较大。（1）：城市化、农业扩张、森林砍伐等土地利用变化会破坏原有生态系统的结构和功能，过度捕捞、过度放牧、过度开发旅游资源等过度开发和利用行为会削弱生态系统的抗干扰能力；：工业排放、交通尾气、农业化肥农药等污染物的排放会污染土壤、水体和空气，不合理的水资源管理导致水资源过度开发和污染，影响生态系统的水文循环和生物多样性；：以温室气体等人为因素引起的全球变暖，将对生态系统的稳定与适应产生重要影响。研究结果显示，人为因素对生态系统的脆弱性有直接或间接的作用。因此，需要采取有效的对策和措施，（1）减少人类活动对生态系统的负面影响，保护和维护生态系统的健康和稳定性。（2）强化生态环境保护与生物多样性保护，恢复生态系统功能，实现生态系统的健康和稳定。（3）推动低碳经济，减少排放，解决气候变化，推动绿色发展。（4）建设生态友好型城市，优化城市规划和建设，提高城市生态环境质量。（5）加强生态环境监测和评估技术研究，推动环保科技创新，提升生态系统管理水平。6.2讨论空间规划包括为国民经济的可持续、稳定与和谐发展创造适当的条件。土地构成了生产活动、各种建设项目以及人民日常生活所必需的核心物质环境。尽管中国的人口数量庞大，但是人均的土地和农作物数量却显著低于全球平均水准，这无疑导致了我们在农业后备资源方面的紧张。随人口逐渐增多、经济飞速增长以及人们生活质量的逐步提升，城乡土地使用将会不可避免地不断扩张，有限的土地难以得到长远的综合利用。如果土地遭到随机占用和扩张，这肯定会妨碍国民经济的健康成长以及人们生活品质的持续提升。未来的研究可以从以下几个方面展开：首先，可以进一步深入挖掘土地生态系统的影响因素，探讨不同因素之间的相互关系；其次，可以结合地理信息系统（GIS）和遥感技术，进行更精细化的土地生态安全性评估；此外，可以开展多区域比较研究，探讨不同地区土地生态系统的异同；最后，可以结合生态经济学理论，探讨土地生态系统与经济发展的协调发展之路。本文研究需要大量的数据支撑，尤其是关于生态系统结构、功能和生物多样性的数据。然而，目前对该区这方面的数据收集还不完整，生态脆弱性研究往往没有考虑到气候、气象和地质灾害，而在这项研究中必须综合考虑多种因素的影响。生态敏感性研究须是跨学科的，包括生态学、地理学、社会学等，由于笔者能力有限致研究结果的综合性和全面性不足，希望更多的研究者在今后的研究中探索出更多的科学方法。参考文献[1]刘彦随.保障我国土地资源安全的若干战略思考[J].中国科学院院刊,2006(05):379-384.DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.2006.05.010.[2]李智国,杨子生.中国土地生态安全研究进展[J].中国安全科学学报,2007(12):5-12+197.DOI: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