基于压力—状态—响应模型的信阳市土地生态安全评价

 

梁晨，马桂花*，杜昕，王泗飞（信阳农林学院，河南信阳464000）

 

摘要：为了充分了解信阳市土地生态状况，为土地生态安全及可持续发展提供科学参考，利用PSR框架模型，建立一个生态安全评价指标体系，并采用熵权法，对信阳市2010－2020年的土地生态安全进行综合评价。结果表明，人口密度和土地利用类型是影响土地生态安全的主要因素，近十年来，信阳市土地生态安全水平不断提高。

 

土地作为生存和发展的基础及生产资料，不能被任意转让或交易[1-3]，然而随着经济的发展和气候变化的影响，土地生态安全问题逐渐凸显，给土地可持续利用带来了诸多挑战[4]。土地生态安全的维护与促进，对于经济和农业的发展具有重要意义。通过采取相应的措施，可以确保土地资源的可持续利用，促进农业生产稳定增长，为经济可持续发展提供有力保障[5]。在实践中，土地生态安全保护涉及多个方面。首先，应加强对土地的监测和评估，及时发现和解决土地生态系统中存在的问题。其次，需要制定和实施科学合理的土地利用政策，合理规划土地的开发和利用，避免出现过度开发和滥用土地资源的现象。最后，加强对土地的保护，重视生态修复工作，促进生态系统的恢复和土地的自然更新[6-7]。

生态安全指的是能为人们提供足够的环境资源和生活条件[8]。许多学者都高度关注全球气候极端异常、生物多样性减少、生态链脆弱、土地荒漠化、土壤盐碱化等生态安全问题，生态安全评估已成为生态研究的重要研究方向[9]。目前，随着计算机技术的发展，“3S”技术得到快速发展，被广泛应用于国内外环境科学研究中[10]，使得我国生态环境评价研究得到一定的发展。例如，王连喜等[11]依靠GIS和传统区域划分融合的方案，确立更加精细的区划，胡远东等[12]以遥感数据为基本数据源进行定量分析。本研究以信阳市为研究区，利用“压力—状态—响应”（PSR）模型框架，对土地生态安全进行定量分析。

 

1研究区概况

 

信阳市属于河南省地级市，位于我国华中地区，地处鄂、豫、皖三省交界处。豫南地区四面环山，西面与南面分别为桐柏山与大别山，国土面积约7000km2，占全省国土总面积的36.9%，豫南山脉北部属于丘陵区，一般海拔50～100m。在淮南流域内，因受到较强的切割和冲淀作用影响，具有山岗、谷地地貌组合的特点。信阳年均气温15.2～15.9℃，无霜期220～230d，年均降水量992～1295mm，空气湿润，年均相对湿度73.0%~78.2%。域内河流众多，属长江、淮河两大水系，其中，淮河流域占全市总面积的98.2%，属长江水系的流域面积占比1.8%。

 

2数据来源与研究方法

 

2.1数据来源

 

行政区划矢量数据来源于自然资源环境科学与数据中心，landsat遥感影像、信阳市的高程数据来源于地理空间数据云，土地利用数据来源于GlobeLand，社会经济数据来源于河南省统计年鉴和信阳市统计年鉴。

 

2.2研究方法

 

2.2.1评价指标体系的构建。以PSR模型框架为基础，选取地形、气候和植被3个最主要的自然因素，综合评价信阳市生态安全（见表1）。

 

2.2.2指标标准化处理。根据指标的属性特点，应用固定的尺度与标准，对各大指标的真实参数进行标准化处理[18]。指标标准化处理公式：

 

式中，Y为标准化处理后的值，X为指标的原始值，Xmax为原始指标的最大值，Xmin为原始指标的最小值，详见表2。

 

2.2.3植被覆盖度的计算。运用李苗苗等[13]设计的模型，计算NDVI。计算公式为：式中，NIR为近红外波段，R为红波段。值位于-1～1，-1可见光高反射；0代表有碎石、裸露土壤等，且NIR值与R值接近；数值为正数，表明地区有植物，并随植物覆盖率的增加而增加。采用NDVI和NDVI两种不同的方法，得到了不同的结果。计算公式为：

 

考虑到噪声问题，通常选取置信度区间的最大值和最小值作为参考，具体的置信度参数需要结合图像的实际情况来确定。

 

2.2.4熵权法。指标熵值越大，表示信息量越小，对应的权重也会更小；反之则会更高。公式初步计算出各项指标的权重。根据公式（1）标准化后的原始数据用矩阵表示，将该矩阵记为Y=（Yij）m×n：

 

式中，k=I/Inm，m为年份数，m=2，i=1，2，j=1，2，3，

…

 

确定各指标的具体权重，将指标标准化，使用层次分析法，具有操作简便、内容简单等多种特性，可一定程度上反应出思维过程。最后计算得到各项指标的权重（见表3）。

 

3结果与分析

 

3.1土地利用

 

土地在生态环境中占据着重要地位，其利用类型的改变会对环境质量产生深远影响。选取相同季节成像的遥感影像数据，数据来源为GLOBALLAND30，将信阳市土地资源分为耕地、草地、湿地、水体、人造地表五类，然后进行统计分析。由图1可知，信阳市植被覆盖区域主要是耕地和林地，其中，林地主要分布在南部海拔较高的区域。近年来，信阳市加强对河道的管理，大力推动生态河流建设，使得淮河流域面积得到增加，部分支流和湖泊水流量明显上升。

 

由图1和表4可知，2010－2020年，一是草地、耕地、裸地面积不断减少，其中耕地面积减少幅度最大，为510.57km2，其次是裸地。二是林地、人造地表、水体、湿地面积增加，人造地表面积增加最为明显，为358.61km2，增幅约1.9%。三是因信阳市经济的快速发展，人口数量的增长，建设用地类型面积有所增加。

 

3.2信阳市植被覆盖度

 

植被覆盖度是生态文明的关键数据之一，通过研究其具体的空间分布，可以反映生态文明建设效果。此外，

植被覆盖度的时空变化，还可用来评估实际生态文明的发展和环境状况。使用ENVI软件分析遥感影像，计算NDVI指数的同时，并对图像进行分类，最终得出研究区的植被覆盖分布图。

 

由图2可知，信阳市2010年平均植被覆盖度为0.350，2020年平均植被覆盖度为0.489。2020年植被覆盖度比2010年要高，10年间整体植被覆盖度呈上升趋势。从地理位置上看，受人类活动影响，导致北部地区生态环境明显恶化，造成植被覆盖度的下降。

 

4结论

 

将各个指标的权重相加，得出生态安全评估的综合指数，并分析地区生态安全状况。由图3可知，信阳市综合指数值主要介于0.3～0.6，2010年信阳市综合指数均值为0.451，2020年均值为0.562。2010年数值低的区域较多，主要原因是人类活动较少、地形复杂、山地较多且植被覆盖度低。到2020年，数值高的区域较多，因为随着社会经济的发展，人类活动不断增多，导致生态环境发生变化。由此可知，在发展经济的过程中，应更加重视对森林环境的保护，这是一个具有正向发展的趋势。

 

 

南方山地生态安全综合指数较低，生态环境相较于北方平原较差。区域以裸地、山地和林地为主，3种土地类型相互交织，尤其是裸地生态环境脆弱，自然因子对生态环境的演化产生了较大影响。2010－2020年，信阳市整体生态环境发展良好，西部、南部和东部区域生态安全综合指数均较高，植物覆盖率较高。

 

尽管区域内还存在不同程度的人为因素对区域生态环境造成破坏，但人类部分活动也对生态环境保护产生了正向作用。从总体上看，地区生态安全指标呈现出由北向南的恶化趋势；从时间分布差异上来看，2020年的生态环境比2010年要好很多，北部耕地、建设用地区域发生了显著变化，林业生态环境得到改善，植被覆盖率有所增加，河流分布区域整体生态环境维持着较好的情况。