武汉市土地利用生态风险评价

武汉市土地利用生态风险评价
摘要：利用武汉市土地生态环境及社会经济资料，分析了武汉市土地利用变化情况，在此基础上，综合运用主成分分析、K均值聚类等方法，建立了土地利用生态风险评价模型，分析和评价了武汉市土地利用生态风险。

结果表明2003-2010年武汉市土地利用的生态风险呈逐年扩大趋势，风险值从2003年的-1.003 3（Ⅴ）上升为0.557 5（Ⅱ），即由安全级降为风险级。

根据此评价结果，提出了协调武汉市城市土地利用与生态环境的对策。

关键词：土地利用；生态风险；PCA模型；K均值聚类；武汉市
土地利用变化在很大程度上反映了人类活动与自然生态条件变化的综合影响。

随着社会经济快速发展，城市化进程加快，人类对土地的需求越来越大，这种强烈需求使得人地关系矛盾步步升级，随之而来的土地生态问题也日益突出，如土地利用结构不合理，水土流失、土地荒漠化、土壤污染、土地生态破坏性加剧等。

面对严峻的现实，人们开始意识到生态环境的重要性，并有意调控土地利用方式，改善生态环境，促使二者关系趋于协调。

武汉市地处我国中部腹地，位于江汉平原东部，该区域土地类型多样，适宜性广泛，水资源优势突出，为全市的经济社会发展提供了重要的物质基础。

但由于武汉市社会经济的发展、城市化建设的扩张、人口的增加和土地利用方式不当等原因，大量的土地在城市化、工业化过程中丧失，土地生态功能下降，人地矛盾突出。

本研究以武汉市2003-2010年土地利用现状为对象，建立主成分分析（PCA）和K均值聚类的生态风险评价模型，对武汉市土地利用生态风险进行评价，旨在把握武汉市土地利用与生态环境协调发展程度的变化规律，以期能充分认识武汉市土地资源利用和两型社会建设所面临的问题，为城市区域社会经济和生态环境建设发展战略的制定提供参考依据。

1 武汉市土地利用变化情况
1.1 土地利用数量变化
武汉市地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备，全市土地总面积849 400 hm2，占全省土地总面积的4.57%。

表1选取了武汉市2003年和2010年两个时段土地资源利用状况，统计出了各地类的面积及其变化情况。

由表1可以看出，8年间武汉市农用地和未利用地总量减少，城市建设用地迅速增加。

在农用地类型中，耕地、牧草地显著流失，其中牧草地减少最快，8年共减少6 604.97 hm2，减幅为95.93%；耕地面积由2003年所占总土地面积的44.16%减少到2010年的39.57%。

林地、园地面积增加最多，8年共增加了22 767.71 hm2，两者增幅共计38.79%。

在建设用地类型中，交通水利用地面积增速快于居民点及工矿用地的速度，增幅比例达33.77%。

在未利用地类型中，未利用土地和其他土地共减少了6 111.91 hm2。

值得注意的是，大部分未利用地是难以开发的山丘区荒草地和裸岩地，可垦地较少，耕地后备资源相对贫乏。

1.2 土地利用结构变化
由于土地利用类型分类较多，影响程度判断难度较大，因此引入土地利用结构生态风险指数[1-3]，计算各种类型土地面积比重，来衡量8年间武汉市各类型土地生态风险变化情况：
借鉴已有的研究方法[3，4]，结合区域经济快速发展特点，本研究利用层次分析法确定了不同土地利用类型的生态风险参数（耕地0.311 5；园地0.109 6；林地0.158 7；牧草地0.035 5；其他农用地0.034；居民点及工矿用地0.018 1；交通运输用地0.225 9；水利设施用地0.055 2；未利用地0.051 5）与生态风险指数。

结合公式（1）与武汉市土地利用类型面积变化数据，计算得出武汉市土地利用结构风险指数（表2）。

由表2可知，武汉市9种土地利用类型中，耕地生态风险指数的平均值最大为0.126 8；其次是林地，为0.015 8；牧草地生态风险指数最小，为0.000 1。

这说明耕地变化对生态环境和社会经济发展潜在影响最大，其次是林地，牧草地潜在生态影响最小。

8年间，不同土地类型平均生态风险指数大小顺序为耕地>林地>未利用地>其他农用地>交通运输用地>居民点及工矿用地>园地>水利设施用地>牧草地。

由图1可以看出，8年间武汉市土地利用结构生态风险指数的变化趋势大致可分为2个阶段：2003-2005年生态风险指数急剧下降，2006-2010年生态风险指下降趋势变缓且趋近平稳，这与武汉市土地利用结构变化的趋势一致。

2003-2005年虽然园地、林地面积以每年1%的速度递增，但牧草地面积急剧缩减，从2003年的6 884.97 hm2减少到2005年的4 248 hm2，加之耕地数量进一步减少，导致了这3年土地生态风险的加大。

2 武汉市土地利用生态风险评价
2.1 指标体系建立
土地利用生态风险是指不合理的开发利用土地导致某些自然异常因素、生态环境恶化，给人类社会带来损失的可能。

土地利用生态风险评价是从城市土地利用的角度描述和评估城市的环境污染、人为活动或自然灾害对生态系统及其组成成分产生不利作用的可能性和大小的过程[5]。

由于土地生态系统是一个复杂系统，涉及的风险源、暴露体和终点比较多[4]，因此需要构建一套完整的评价指标体系。

本研究在综合考虑生态风险指标的可得性与可操作性基础上，对指标进行筛选，保留重要指标，从自然、社会经济环境状况出发，根据武汉市实际情况最终形成了以下评价指标体系（表3）。

由于不同变量之间具有不同的单位和不同的变异程度，这会导致数据在分析过程中因单位不统一而造成结果的差异。

因此，在进行主成分分析前，首先进行数据的标准化，也称为无量纲化，即将异度量的各指标值分别转化为无量纲的相
对指标值。

本研究采用统计学软件SPSS 20.0中的Z-score法对数据进行标准化变换[6]（表3）。

2.2 建立主成分分析法与K均值聚类的武汉市土地生态风险评价模型
主成分分析法（PCA）是去掉重复信息、简化数据结构的一种多元统计方法[5]。

利用PCA可以把多个相关的指标变换成少数几个互相无关的综合变量（主成分），通过选择适当的主成分价值函数模型，可以把多维系统降成一维系统。

K均值聚类是最常用的聚类算法之一，它通过寻找一组聚类中心把对象集合划分成一组聚类[6]。

通过SPSS软件，利用主成分分析方法，最终确定m个特征值，m即为因子变量个数，其数值确定见SPSS输出结果（表4）。

由表4的第1列至第4列可以看出因子分析的初始解对原有变量总体的刻画情况，第1列为23个初始解的序号，第2列为因子变量的特征值，它是衡量因子变量重要程度的指标[5]，第4列则是各因子变量的累积方差贡献率。

由主成分分析得出有5个特征值大于1[7]，分别是12.429、4.955、1.807、1.469和1.361。

这5个成分累计方差贡献率达到95.74%，当提取前5个公因子时，特征值变化明显，当提取第5个之后的公因子时，特征值变化很小，基本趋于平缓。

说明前5个因子基本反映了原指标变量的绝大部分信息，即m=5符合分析要求。

2.3 因子得分函数
计算因子得分的方法有回归法、Bartlette法、Anderson-Rubin法等[8]。

根据上述计算公式，将因子变量表示为原有变量的线性组合，并代入样本数据，计算出相应的因子得分。

2.4 风险等级划分
在上述因子分析的基础上，应用5个因子的方差贡献率作为各自权重，计算土地利用生态风险度。

公式如下：
按此公式，得到武汉市8年来土地利用生态风险度。

为了对所研究时段的土地利用生态风险特征进行分析，参照谭三清等[5]和宋志鲲等[8]关于生态风险等级划分标准相关研究，结合K均值聚类的方法对土地利用的生态风险进行了等级划分。

其计算结果是：恶劣级（T>1.2）、风险级（0.17<T≤1.2）、敏感级（-0.22<T≤0.17）、良好级（-0.62<T≤-0.22）和安全级（T≤-0.62）。

结合城市土地利用不同级别风险的特点[5，9，10]，将每种等级的土地利用系统特征表述为表7。

3 结果分析
根据各年度计算的城市土地风险值，结合每个等级的城市土地利用分析的土地系统特征，评定了武汉市2003-2010年的土地利用风险状况（表8）。

从表8中可以发现，在所考察时段，武汉市土地利用的生态风险总体上趋于恶化。

2003-2004年武汉市土地生态风险处于安全级别，但此后6年生态风险值呈逐年扩大趋势，说明土地利用的生态状况受到了破坏，生态环境问题较为严重。

通过分析8年间武汉市土地利用生态风险等级，结合每个等级的土地利用特征，可将生态风险状态划分为3个时间段。

1）2003-2004年，生态风险指数缓慢增长阶段，但土地生态风险总体处于安全级别，说明此阶段武汉市土地生态环境良好，系统服务功能基本完善，受干扰后可自行恢复。

2）2005-2006年，生态风险指数进一步上升，风险等级由安全级逐步降为良好级、敏感级，这一变化反映了当地政府对土地利用的投入强度逐步增强，导致生态环境受到了一定程度的破坏。

3）2007-2010年，武汉市土地利用生态风险等级进一步恶化，尽管2010年武汉市土地生态风险指数较上一年有所减少，但仍处于风险级，这一数据的测算与实际情况相符。

其原因在于2005年以后武汉市开始了大规模的市政建设，建设步伐加快使得城市周边土地不断被蚕食，农用地持续减少，闲置土地增多，土壤遭受城市建设破坏和城市垃圾等污染而退化，土地生态环境质量下降，系统服务功能受到破坏并且退化。

4 结语
本研究引入土地利用生态风险指数，测算武汉市各地类结构年际变化情况，建立PCA和K均值聚类的土地生态风险模型，利用土地生态风险度来评价武汉市土地利用的相对生态风险，有一定的全面性。

因为土地利用类型的改变势必会引起区域生态功能的变化，故通过研究不同土地利用类型间的迁移变化特征来识别区域生态环境的变化趋势及其内在因素是可行的、有效的。

通过对武汉市土地利用的生态风险评价，可为区域生态环境管理提供数量化的决策依据和理论支持。

根据土地利用生态风险年际间的高低程度，应在高生态风险时段进行生态建设与环境保护，以提高该城市区域的土地生产功能和环境功能，但是也不能忽视中、低生态风险时段的生态建设，才能实现武汉市的生态环境、社会经济建设协调发展。

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