五台山地区土地利用及其对生态环境脆弱性影响分析

　　生态系统是整个地球生命系统的基本组成单元，是社会经济可持续发展的基本保证。由于受到气候变化和人类活动破坏的双重影响，我国尤其是中西部地区的各类生态系统存在着不同程度的退化情况，严重制约了社会经济的可持续发展。研究和评价我国的典型脆弱区-五台山地区的生态脆弱性状况，从而为区域生态环境的治理与恢复提供理论基础和决策依据。

　　国内关于土地利用对全球生态环境变化响应的相关研究起步较晚，相关研究数据获取大多是通过野外实测和实地调查的方法。随着3S技术的发展，利用遥感技术的监测手段，建立地理分析模型，探究全球环境问题与土地利用变化之间的关系逐步成为本课题研究的趋势。

　　我国学者致力于生态脆弱区土地利用的研究，刘秀丽等(2015)研究了近10a来五台山土地利用动态变化[1]；郝玉娜（2018）研究了介休市土地利用变化规律及驱动力分析[2]；杨剑等（2018）以连云港海岸带为研究对象，运用遥感和GIS空间分析等技术，从土地利用的幅度变化、速度变化以及土地面积的转换方面研究了海岸带4个时期土地利用变化特点，得出土地利用类型变化的趋势[3]。

　　在确定生态脆弱性指标因子方面：廖雪琴等（2013）在研究阜新矿区生态脆弱性中，确定生态环境指数、生态敏感指数、景观结构指数中具体包含的评价因子[4]；王雪梅等（2016）在渭干河流域的具体环境，确定生态脆弱性评价指标为植被覆盖度、地形起伏度、坡度和土壤盐渍化[5]；陈金月等（2017）在岷江生态脆弱性研究中从水力侵蚀和景观破坏与污染两方面确定了其评价指标[6]；马骏等评价了三峡库区生态环境脆弱性[7]。

　　在研究土地利用对生态环境影响方面：范胜龙等(2018)分析了福州市主要城区的土地利用情况对其生态脆弱性产生的变化[8]；杨强等（2015）分析了榆林地区土地利用类型的变化与区域生态脆弱性之间的关系[9]；刘琦(2018)研究了我国土地利用规划对生态环境的影响[10]；吴娇（2018）分析了江东流域土地利用情况[11]；张龙生等分析了甘肃省生态环境脆弱性情况[12]；很多学者研究方法运用了主成分分析法，层次分析法等[13-15]。

　　本文利用研究区的土地利用类型数据，运用多因子综合评价模型，AHP层次分析法对研究区土地利用和生态脆弱性的影响分析，发现土地利用中存在的问题，进而提出解决对策。

　　华北屋脊五台山,主峰北台顶3058m,位于山西省忻州地区东北部,它的主脉是东北—西南走向,东与太行山脉相连,西至忻定盆地中段，以河为界,天然地划出了这个群山环抱、山峦叠嶂、高差悬殊、地貌多样的五台山地区，如图2.1。五台山的地理坐标大致在东经112°44′-113°57′,北纬38°25′-39°18′。全区地型复杂多样，气候属温凉半湿润区,降水量基本上是随海拔高度的增加而增多,海拔每增高100m,降水量增多20-30mm。植被类型属于(常绿)针叶(夏绿)阔叶林—草灌型生物带。土壤分异明显,由高到低依次出现亚高山草甸土—山地棕壤—淋溶褐土—(山地)褐土—粗骨土—褐土性土—石灰性褐土—潮土。全区包括五台县、定襄县、原平市、忻州市、代县、繁峙县在内的六个区域，全区农业人口占绝大部分，全区总的特点是宜林、宜牧地多,宜农地少,水土流失严重。

　　图2.1研究区概况图

　　近年来经济发展较为快速，城市化进程加快，经济总产值提高，2018年，五台山风景区生产总值达到5.7亿元；同年，定襄县地区生产总值达到51.7亿元；五台县地区生产总值达49.5亿元；代县地区生产总值75.6亿元；繁峙县地区生产总值达到69.7亿元；原平市地区生产总值达到158.2亿元，经济发展走势良好。

　　地理位置优越，临近京津唐、东北、内蒙古等经济发达或佛教信仰较浓的客源市场地，忻阜高速公路改变了五台山地区交通落后的状况，随着五台山机场的落成，其交通条件优势越发显著，拥有公路、铁路、航空三维立体的交通条件，使五台山陆航两路交通设施一举达到国内领先水平。

　　采用2005年、2010年、2015年三期Landsat TM遥感影像为原始数据，结合（2005、2010、2015）三期《忻州市统计年鉴》和忻州市人民XX官网发布的官方数据，选取了六种具有代表性的土地利用类型，具体分类见表3.1。

　　表3.1五台山地区土地利用类型

　　本文主要是分析五台山地区土地利用情况以及生态环境脆弱性，利用土地变化动态度来表示土地变化情况，然后构建多因子综合评价模型，使用AHP层次分析法计算指标因子的权重，最终反映生态脆弱性在2005-2015十年间的变化趋势。

　　3.2.1土地利用变化幅度

　　该指标可以分析研究区土地利用变化过程和趋势，评价人类对土地利用产生

　　影响的大小，可用下式来表达:

　　K1=Ub-Ua（3.1）

　　K2=（3.2）

　　式中，K1为一定时段内某种土地利用类型的总变化幅度，K2为年变化幅度，单位是km²，Ua,Ub分别为期初及期末某土地利用类型的面积，n为研究时段，单位是年。

　　3.2.2土地利用单一动态度

　　该指标可以评价区域土地利用变化的速度，以及预测未来变化的趋势，用下式来表达：

　　D=××100%（3.3）

　　式中，D为一定时段内某种土地利用类型的变化率，T为研究时段长，其他同上。

　　3.2.3生态环境脆弱性评价模型的构建

　　生态环境脆弱性是多因子综合作用的结果,其发生作用的能力取决于影响环境脆弱性的单个因子的强度、分布状况以及与各因子的结合作用。因此在进行某一区域生态脆弱性评价时,根据当地的环境概况,在选取指标时,要兼顾指标的可操作性和可比较性,并考虑本地区的具体及实际情况,最终确定生态环境脆弱性的评价指标，本文构建的是多因子综合评价模型。

　　3.2.4评价指标的标准化处理

　　参考行业标准和相关文献，首先对定性指标进行脆弱性赋值，然后将脆弱性赋值乘以系数0.1做标准化处理，计算出标准化结果。

　　正向指标:Yij=,（3.4）

　　逆向指标：Yij=1-.（3.5）

　　式中Yij表示指标j的第i栅格数据的标准化值，取值区间为0-1，Xij表示

　　指标j的第i栅格数据的原始值，Xmin、Xmax分别表示指标j的第i栅格数据的原始值的最小值和最大值。

　　3.2.5生态环境脆弱度

　　本研究根据脆弱生态环境的主要成因及结果指标来计算生态环境脆弱度，采用以下公式计算：

　　G=*10（3.6）

　　式中：Xi-个指标初始化值；Wi-个指标权重；G-生态脆弱性综合指数；n-生态环境指标的数目。为更直观显示，将评价结果扩大十倍，其值越小，越接近0，表明评价单元的生态环境稳定性越高，生态脆弱性程度越低；其值越大，越接近10，表明评价单元的生态环境稳定性越差，生态脆弱程度越高。

　　4.1.1土地利用结构

　　以2005年、2010年和2015年三个年份的土地利用数据为基础，统计得到了五台山地区土地利用结构，见表4.1。结果显示，五台山土地利用的主要结构是以草地、耕地和林地为主，草地在所有土地利用类型中面积最大，其中2005年最大为4826.34km²，其次是耕地，2005年面积最大，为3663.63km²，最后是林地，在2005年面积最大，为2685.74km²。水域、建设用地和未利用地所占面积较小，其中面积最小的是未利用地，2005年面积最小为14.09km²，其次是水域面积，2005-2015十年间变化微小，2015年面积最小为162.13km²，最后是建设用地，2005-2015变化最为显著，由340.59km²增加到402.43km²，说明了近年来城市化进程的加快。

　　表4.1 2005－2015年五台山地区土地利用结构表(公顷)

　　4.1.2土地利用数量变化特征

　　根据土地利用变化幅度公式（3.1）（3.2）计算得到五台山地区2001-2015年土地利用变化幅度情况表，见表4.2。

　　表4.2五台山地区2005-2015年土地利用变化幅度情况表（公顷）

　　4.1.3土地利用单一动态度

　　根据公式（3.3）计算得到五台山地区2005-2015年土地利用单一动态度表，见表4.3。

　　从变化幅度和速度方面来分析。总体来看，2005-2015年，建设用地和未利用地变化速度最快，而耕地、林地、草地、水域变化较慢。耕地、林地的面积变动主要受政策驱动的影响较大，而建设用地和未利用地的变化主要受社会经济发展进程的影响。2005-2015十年间建设用地变化最大，增加1.81%，主要是因为五台山地区经济的发展，近年来城市化进程加快，地均GDP提高，土地利用发生了很多变化，其次未利用地变化比较大，增加0.73%，未利用地主要包括荒草地、盐碱地、沼泽地、裸岩等，可见经济发展带来的土地脆弱性变化，生态脆弱的土地面积有所增加，但是2005-2015耕地、林地、草地、水域都是呈下降趋势，减少较多的是耕地面积，由于耕地面积所占比重最大，所以城市发展所占土地很多来源于耕地，大量的耕地变成了建设用地，林地面积下降0.05%，主要是因为人为破坏较大，很多林地受损。

　　表4.3 2005-2015年五台山土地利用变化幅度（%）

 

　　4.2.1生态脆弱性模型选择

　　目前生态脆弱性现状评价中多因素综合评价法使用比较普遍，该方案比较灵活，针对本身环境现状，从多方面科学综合选取与自身相匹配的脆弱性指标，多因素综合计算该地区的脆弱性。主要分为选取合适的评价指标、给指标因子赋予权重值、划分生态脆弱性等级等三大步骤，评价过程充分考虑专家意见和公众参与，故本文选取多因素综合评价法。

　　4.2.2生态环境脆弱性指标的选择

　　本文选择适合五台山生态环境特点的评价指标，选取林地比例、耕地比例、土壤侵蚀度、年均降水、植被覆盖度、植被净初级生产力、人口密度和地均GDP八个参考因子来评估五台山地区的生态脆弱性情况。

　　对多因子指标的研究对象进行评价时，必须考虑不同量纲对指标数据评价的影响。无量纲化处理就是对评价对象的标准化，将不同量纲下的数据进行有效转换形成标准化值，以避免评价结果的误差，根据现有数据的实际情况，本研究选取极差变换的方法对评价的正向和逆向指标进行转化，如公式(3.4)、(3.5)所示。原始数据指标标准化结果如表4.4所示。

　　表4.4原始数据指标标准化结果

 

　　4.2.3生态脆弱性评价指标权重值的确定方法

　　生态系统的脆弱性是系统在面临外界各种压力和干扰的情况下，系统出现损伤或退化特征的一个衡量。生态脆弱性指数越高说明生态破坏程度越严重，反之则生态情况良好。近年来研究表明，中国的自然生态系统破坏和退化日趋严重。根据影响环境的不同因素，选取指标分为生态敏感性、生态恢复力、生态压力。敏感指标表示的是环境破坏的程度；恢复力指标表示的是环境的恢复能力，城市的环境破坏程度指数越小，环境的恢复能力指数越大，则环境的脆弱性越小；反之，环境的脆弱性越大；压力指标表示在人口和经济等人类行为下带来的生态破坏程度。据此构建了城市环境脆弱性评价模型。由于不同的指标对生态脆弱性的影响程度不同，不同的指标在生态脆弱性评价中的贡献程度也不同，为了提高生态脆弱性评价的合理性和准确性，需要对各指标按照重要性原则分别赋予不同的权重值，目前确定指标权重的方法主要有专家打分法、ＡＨＰ层次分析法、主成分分析法，熵权法等，其中ＡＨＰ层次分析法适用于多指标体系的权重确定，对复杂指标体系的权重划定起到重要作用，由于本文选取了八个不同指标用于评价研究区生态脆弱性，指标数量以及类型符合ＡＨＰ层次分析法的要求，所以本文采用ＡＨＰ层次分析法以及相关软件对指标进行权重赋值。

　　ＡＨＰ层次分析法是把复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的指标框架层次结构，使之条理化，根据对一定客观现实的主观判断情况，把专家意见和分析者的客观判断结果直接而有效的结合起来，将同一层次两个元素的重要性进行相互比较和定量描述。而后，利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值，通过所有层次之间的总排序计算所有元素的相对权重并进行排序。ＡＨＰ层次分析方法主要包括目标层、准则层和指标层三部分。权重计算结果如表4.5。

　　表4.5五台山生态环境脆弱性评价因子

　　4.2.4生态环境脆弱性综合评价

　　生态环境脆弱综合评价是采用定量与定性分析相结合的多因素综合评价模型进行生态脆弱性的综合评价，用于研究区域生态脆弱水平和表征生态环境脆弱性程度的重要指标，本研究根据脆弱生态环境的主要成因及结果指标来计算生态环境脆弱度，采用公式（3.6）计算，结果如表4.6。根据脆弱性指数绘制的图表见图4.1。

　　表4.6五台山地区2005-2015年生态脆弱性综合评价指数

　

　　图4.1五台山地区2005-2015年生态环境脆弱性趋势图

　　4.3.1结果分析

　　（1）从土地利用总体结构来看。五台山地区的土地利用结构从总体上分析在2005-2015年间未发生重大变化，还是以草地、耕地、林地为主，水域、建设用地、未利用地占比较小。面积占比最大的草地在2005-2010面积变化最大，减少了12.43km²，其次是耕地面积减少较多，2005-2015共减少23.3km²。而建设用地和未利用地面积在不断增加，建设用地2005-2015增加了61.84km²，未利用地2010-2015面积增加最多，增加了1.03km²。可见五台山地区经济在不断发展，城市化进程在不断加快。

　　（2）从生态环境脆弱性变化趋势来看。根据生态脆弱性综合评价指数变化趋势图可以看出，五台山地区的生态脆弱性指数在2005-2015年是呈上升趋势的，由2005年的0.372增加到2015年的9.605，生态脆弱性变化幅度很大，脆弱性明显增强，结合五台山地区的土地利用方式可知2005-2015期间林地、耕地、草地面积在减少，建设用地、未利用地面积在增加，所以结合生态环境脆弱性的变化可知，林地、草地、水域的生态脆弱性较弱，建设用地与未利用地生态脆弱性较强，而目前五台山地区建设用地不断增加，草地、林地不断减少的土地利用变化趋势，将导致生态环境的不断恶化。

　　4.3.2原因分析

　　（1）草地、林地的不断减少会导致土地的涵养水源能力下降，水土保湿时间不够持久，生物量下降，功能价值减少，灾害发生频率变高，最终直接导致生态环境的破坏，脆弱性增强。

　　（2）建设用地的增加使下垫面性质发生改变，水循环、大气循环受到了相应的影响，地表变得干燥缺水，植物难以生存，造成了生态环境的破坏，导致生态环境脆弱性加强；未利用地主要为荒草地、盐碱地、裸岩等，难以利用，水土保持能力很弱，所以生态脆弱性较高，基本都呈强度脆弱性和极强度脆弱性，然而近年来一些功能性土地由于不合理利用逐渐变成了未利用地，使得生态脆弱性加强。

　　4.3.3存在问题

　　（1）生态林破坏严重。目前土地利用中存在不断破坏和占用草地、林地的现象，2005-2015年草地、林地的面积不断减少，而草地、林地的建设有利于生态环境的可持续发展，相反草地、林地的破坏将会造成土地退化、土地沙漠化、盐碱化、潜育化以及土壤污染等问题。

　　（2）建设用地不断增加。2005-2015十年间建设用地增长较为明显，而建设用地的增长不利于生态环境建设，会导致生态环境的急剧恶化，快速的城市化进程加快了农业土壤向非生产性用力转移的力度与规模，导致大面积土壤改变了地表自然的状况，地表永久封闭，自然的生态系统不复存在，使其彻底失去生产力和生产功能。

　　（3）未利用地面积的增加。未利用地一般包括荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地、裸土地等，是生态脆弱性较强的一种土地类型，而2005-2015十年间未利用地的增加，将会带来很多生态环境问题，是该地区的生态环境脆弱性增强。

　　（4）环境管控力度弱。随着经济的发展，城市建设的快速发展，没有平衡好经济发展与生态建设的关系，使生态环境遭到破坏，相关部门没有做出合理的管控与规划。

　　在进行完研究区2005-2015年期间内的土地利用变化、生态脆弱性以及研究区土地利用与生态环境脆弱性的关系之后，现对本文的相关研究成果进行整理和总结，对该区域存在的问题和未来展望进行总结归纳。

　　五台山地区当前对于生态环境重视程度的不断增加，促使了新措施、新方法在土地规划中的应用。但是在面对土地资源利用率不断提升的现状，五台山地区在土地资源规划中仍然存在着一些问题，这大大影响着我国的生态环境。为此必须在新阶段下，本着科学发展的理念，实行科学发展和可持续发展，进而提升区域经济和生态环境的协调发展。

　　（一）提高土地利用率。第一是控制用地总量，做出合理的土地规划方案，节约且高效的用地。第二是建立各种鼓励型机制、制度，激励大家提升利用土地的效率。第三是进一步整治和盘活闲置土地，对以前不合理利用、利用效率低的土地，进行整治、盘活，使土地充分利用起来。

　　（二）加强对耕地保护，提高土地综合利用的效益。耕地资源是我国宝贵的土地资源。要做好耕地资源的开发工作。在当前的土地规划过程中，要对土地资源进行整体规划，将民用耕地、居民点、商业设施用地及工业区进行严格规划。在者在原有土地规划的基础上，需要发挥更大的资源潜力，在考虑资源保护的情况下合理使用化肥来增产；提倡秸秆还田，减少焚烧的大气污染。

　　（三）提高森林的覆盖率，加大对水土流失监控力度。当前五台山土地资源开发利用过程中，存在着森林植被的开采过甚的问题，由此导致毁林开荒和水土流失等问题。因此要加强山川河流、植被林木治理力度。制定完善的预防治理机制，建立对于生态的动态监测体系。为未来五台山的生态环境奠定基础，把五台山地区建成一个天蓝、水碧、地绿、生态多样性的生态旅游胜地。

　　（四）完善生态环境监测体系，健全环境保护机制。土地利用结构的调整优化和生态环境分析监测体系的完善，对于自然资源和农田耕地的保护意义重大。在土地资源结构调整和开发建设时，利用评估报告等文件来规范土地利用规划过程。并加强对于地区林业资源的管理，采取有效的措施开辟新的资金渠道来加强水土保持和植被保护工作。提升对于建设工程的污染和能耗审核力度，并制定科学合理的土地开发方案。

　　（1）本研究的区域限定在了五台山地区，以10年为研究时段，研究时段跨越小，范围也较小，如果未来继续从事该方面的研究，把研究区域的范围扩大，时段拉长，可能会得到更全面的分析结果。

　　（2）土地利用变化以及土地利用变化下生态脆弱性分析等大多属于交叉学科，在实际操作过程中需要整合很多资源，包括技术和数据等方面，但由于现实条件的限制，很多方面都不太能满足实际操作过程中的需求，故在后期的研究过程中需要加强和其他学科的交流，实现优势互补。

　　[1]刘秀丽，吴攀升，任媛，李玫,张调风，贾艳青，罗正明.近10a来五台山地区土地利用动态变化研究[J].绵阳师范学院学报，2015：90-95.

　　[2]郝玉娜.介休市土地利用变化及驱动力分析[J].华北国土资源,2018，86（05）：81-83.

　　[3]杨剑,肖仲凯,周坤.基于GIS与RS的海岸带土地利用变化分析[J].水利水电快报,2018，39(11)：55-57，68.

　　[4]廖雪琴，李巍，侯锦湘.生态脆弱性评价在矿区规划环评中的应用研究—以阜新矿区为例[J].中国环境科学，2013，33(10)：1891-1896.

　　[5]王雪梅，席瑞.基于GIS的渭干河流域生态环境脆弱性评价[J].生态科学,2016，35(4)：166-172.

　　[6]陈金月，王石英.岷江上游生态环境脆弱性评价[J].长江流域资源与环境，2017，26（3）：471-479.

　　[7]马骏,李昌晓,魏虹,马朋,杨予静,任庆水,张雯.三峡库区生态脆弱性评价[J].生态学报,2015,v.35（21）：214-226.

　　[8]范胜龙，郭亚淑，邱凌婧，等.福州市主城区土地覆盖变化对城市生态脆弱性的影响分析[J].福建师范大学学报(自然科学版)，2018，2：92-98.

　　[9]杨强，王涛.榆林地区土地利用/覆盖时空变化及其对生态脆弱性的影响[J].南京林业大学学报:自然科学版,2015，39(2)：79-83.

　　[10]刘琦.土地利用规划对生态环境的影响[J].中国战略新兴产业，2018，No.156(24)：23.

　　[11]吴娇.东江流域土地利用及对生态环境脆弱性影响分析[D].江西理工大学，2018.

　　[12]张龙生,李萍,张建旗.甘肃省生态环境脆弱性及其主要影响因素分析[J].中国农业资源与区划,2013(03):57-61.

　　[13]钟晓娟,孙保平,赵岩,李锦荣,周湘山,王引乾,邱一丹,冯磊.基于主成分分析的云南省生态脆弱性评价[J].生态环境学报,2011(01):113-117.

　　[14]韩申山,史兴民,裴晓敏.基于主成分分析法的铜川市环境脆弱性[J].中国农学通报,2011(01):278-282.

　　[15]李贤江.天津市土地利用变化及生态脆弱性分析[D].天津工业大学，2018.

　　本篇论文的完成凝聚了很多人的心血，在此我要感谢我的指导老师和同学们对我的帮助。我的指导老师在我写论文遇到问题的时候悉心指导，为我答疑解惑，耐心指出我论文存在的问题，给出修改建议。在指导过程中事无巨细，耐心细致，为我的论文完成提供了极大的帮助。还有我的同学在我构建论文整体框架和修改格式时提供了很大的帮助，促使我完成论文。他们的帮助是我完成论文的不竭动力，我在此真诚的感谢他们!