赵丽，陈雅倩，苏孟维，王雪燕，许皞

(河北农业大学国土资源学院，河北保定，071000)

0 引言

在国家生态文明建设和乡村振兴战略背景下，关注和重视土地利用的生态效应，对实现美丽中国目标和保障土地资源的可持续利用意义重大。随着我国城镇化的快速推进，建设用地与耕地争地矛盾日益加剧，土地的稀缺性更为凸显。未利用地作为重要的土地后备资源，将未利用地转型已成为解决土地矛盾问题的一个重要途径。但在未利用地转型过程中，人们往往偏重于土地所带来的经济效益而忽视了其生态效应。因此，探讨未利用地转型前后的生态风险变化，并剖析影响其变化的主要因素，对促进区域土地合理利用和保持生态平衡有重要意义。

生态风险评价是指综合利用环境学、生态学、地理学、数学等学科知识，分析与评价某一种或多种压力对生态系统可能带来的损害[1]。随着人类对生态环境和健康安全的重视程度提高，土地生态风险研究成为全球研究热点，受到国内外学者的广泛关注[2-3]。

学者们从不同角度展开土地生态风险的研究，包括从气候变化[4]、土地过度开垦[5]、工业化进程加快[6]等多个角度研究其对土地造成或可能造成的生态风险；研究尺度从全球尺度到国家、省、市、县甚至微观地块尺度[7-9]，其中以市(区)、县、流域尺度研究居多[10-11]；时间尺度从几年、几十年到上百年不等[12-13]；评价方法的选择上，采用物元模型[14]、CA-Markov模型[15]、PSR模型[16]、熵权-集对模型[17]等进行土地生态风险评价。

从研究对象范围来看，多是针对区域全部土地，也有专门就某一种土地类型，如单独就耕地[18]、湿地[19]、城市土地[20]、未利用地[21]等进行生态风险研究。但现有针对未利用地的生态风险研究中，多是从未利用地开发适宜性角度对其进行生态风险评价[22]，从未利用地转型视角探讨转型前后生态风险的研究较为少见。

因此，本文选取低山丘陵区唐县作为研究区域，以区域未利用地为研究对象，以2000年唐县未利用地为基数，探讨未利用转型后(2007年、2018年)与转型前(2000年)的生态风险变化情况，并分析各因素指标对生态风险的影响程度，以期为区域未来土地资源的利用与管理以及生态环境的保护提供重要参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

河北省保定市唐县地处114°27′～115°03′E，38°37′～39°09′N。唐县土地总面积为1 414.21 km2，海拔在41～1 840 m之间，县域地势西北高，东南低。唐县属暖温带大陆性季风气候，年平均降雨量为 575 mm，年平均蒸发量为1 520.90 mm。

以唐县2000年未利用地作为研究对象，研究区域面积共90 244.97 hm2，占全县面积的63.81%，是占比最大的土地利用类型。其中，未利用地包括荒草地、裸岩石砾地、田坎、沙地、沼泽地及其他未利用地，荒草地面积为60 453.45 hm2，占全县未利用地面积的73.81%，在全县大量分布，裸岩石砾、田坎、沙地、沼泽地及其他未利用地分别占21.49%、4.42%、0.12%、0.02%和 0.14%。

1.2 数据来源与处理

土地利用数据(2000年、2007年、2018年)来源于地理空间数据云中空间分辨率为30 m的Landsat系列数据产品，影像轨道编号为124/33。利用ENVI5.0软件对遥感影像数据进行解译处理，将土地利用划分为耕地、林地、草地、城镇和农村居民点用地、交通用地、水域和未利用地7种地类。分类的精度采用Kappa系数检测，各期该系数值均在0.80以上，满足分类精度要求。

为保证分类的准确性，对分类结果进行抽样实地验证，准确率在95%以上。社会经济数据来源于2000、2007和2018年中国县域统计年鉴。气象数据来源于中国气象数据网，NDVI数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的中国月度植被指数空间分布数据集。选取2000、2007和2018年3个时期数据，其中，选取2007年为中间节点，主要考虑到2007年研究区域开展了大量土地整治工程，土地利用覆被变化明显，未利用地大量减少，而本文旨在分析未利用地转型前后的风险变化，因此选取2007年作为中间节点进行研究。

土地利用主导功能的转型是土地利用转型的表现之一[23]，运用生产、生态与生活功能来涵盖不同土地利用类型，土地类型的主导功能基于主体意愿进行确定[24](表1)。

表1 “三生”空间分类

2 生态风险评价研究方法

2.1 生态风险评价模型与评价单元确定

综合考虑唐县未利用地转型情况及生态特征，从风险源、风险受体暴露度和风险效应三方面构建未利用地转型的风险评价模型，根据客观性、可行性和动态发展性等原则来确定风险评价指标体系。以网格作为评价单元，参考相关研究[25-26]，渔网采用平均斑块面积的2～5倍比较适宜，本研究中的平均斑块面积为20.1 hm2，因此本文以1 km×1 km的渔网为研究单元，共1 376个评价小区，分别获取各个评价小区的生态风险值。

2.2 未利用地转型生态风险量化与空间表达

2.2.1 风险源

风险源是指具有潜在危害因素的环境体系，反映研究区面临的可能风险压力大小，人类活动、农田施用化肥、农药、农膜以及开展建设活动等均会对区域有潜在的生态风险。因此，参照何昊[27]、孙洪波等[28]的研究，并结合研究区实际情况，选取农田面源压力、人口压力、道路密度和建设用地比例4个指标。

2.2.2 风险受体暴露度

风险受体暴露度反映可能发生风险的大小，景观的破碎化程度、形状指数等指标在一定程度上能够反映风险受体的空间耐受性。如景观破碎化会阻碍种群间的交流，改变原生境环境，降低生态系统的抗干扰能力，使生物多样性减少，从而使区域生态风险增加。参照相关研究[9, 28]选取景观破碎度、形状指数、平均最近邻体距离、聚集度指数4个指标反映风险受体暴露度。

2.2.3 风险效应

风险效应值是风险受体对各风险源所做出的响应，根据相关研究[27-29]并结合实际情况，选取可以反映风险效应的指标，本文选取植被覆盖度、多样性指数、土地利用指数、净初级生产力4个指标。不同的植被覆盖度其抵抗生态风险的能力不同；多样性指数在一定程度上反映小区条件的均质性和差异性；土地利用指数反映对土地利用的强度状况；净初级生产力反映其生产能力，能够反映出土地的本底条件。

2.2.4 生态风险评价

本文采用熵权法确定风险评价指标权重，熵值越小，代表该项指标所表达的信息越多，权重越大，重要性越强。采用极差法对指标进行标准化，运用综合指数法分别计算研究区土地风险源、风险受体暴露度和风险效应，将3项值求和确定研究区土地生态风险。权重具体计算方法如下。

1)计算第i个评价对象第j项的指标比重。

(1)

式中：pij——指标比重；

zij——指标数值；

n——评价对象个数。

2)计算第j项指标信息熵。

(2)

式中：ej——指标信息熵；

k——常数，其中k=1/lnn。

3)计算信息熵冗余度。

dj=1-ej

(3)

式中：dj——信息熵冗余度。

4)计算第j项指标的熵权。

(4)

式中：wj——指标权重；

m——指标总数。

风险指数计算公式

ERI=Sn+Xn+En

(5)

式中：Sn——第n个评价单元的风险源指数；

Xn——第n个评价单元的风险暴露度；

En——第n个评价单元的风险效应值；

Snh——第n个评价单元内h类风险源指标的标准值；

h——风险源指标的个数；

ωh——第h个风险源指标的权重；

Xnk——第n个评价单元内第k个风险受体指标的标准值；

k——风险受体指标的个数；

ωk——第k个风险受体指标的权重；

Enz——第n个评价单元内第z个风险效应指标的标准值；

z——风险效应指标的个数；

ωz——第z个风险效应指标的权重。

具体指标及算法详见唐县未利用地转型生态风险评价指标体系表(表2)。

表2 唐县未利用地转型生态风险评价指标体系

其中，S1为农田面源压力；S耕i为网格i内耕地面积(hm2)；Qj为区域农作物施用化肥、农药和农膜数量(t)；S播i为网格i内农作物播种面积(hm2)；S2为人口压力；S城i为网格i内城镇和居民点面积(hm2)；Qp为区域人口总数(人)；Sz为区域土地总面积(hm2)；S3为道路密度；L道i为网格i内道路长度(m)；Si为网格i面积(m2)；S4为建设用地比例；S建i为网格i内建设用地面积(hm2)；S土i为网格i内土地面积(hm2)；X1为景观破碎度；Nij为网格i内景观j的斑块数；Sij为网格i内景观j的面积(hm2)；X2为形状指数；E为景观中所有斑块边界的总长度(m)；A为景观总面积(hm2)；X3为平均最近邻体距离，hij为网格i内景观斑块j与最近邻体的距离，N为具有邻体的斑块总数；X4为聚集度指数；Xmax为X4的最大值；Pij为斑块类型i和j相邻的距离；n为斑块类型数；E1为多样性指数；Pik为网格i中土地利用类型k占网格内土地总面积百分比；E2为植被覆盖指数；S林i为网格i内林地面积(hm2)；S草i为网格i内草地面积(hm2)；S其他i为网格i内其他用地面积(hm2)；E3为土地利用指数；Ak为土地利用类型k土地利用程度分级指数；各土地利用程度分级指数：耕地3、林地2、草地2、城镇和农村居民点用地4、交通用地4、水域2、未利用地1；Ck表示k类型土地面积占总面积的比例；E4为植被净初级生产力。

2.3 未利用地转型的生态风险贡献率

本研究采用生态风险贡献率反映未利用地转型对唐县生态风险的影响，如式(6)所示。

(6)

式中：CR——未利用地转型的生态风险贡献率；

CRt+1——某种土地利用变化类型所反映的变化末期土地利用类型所对应的生态风险值；

CRt——某种土地利用变化类型所反映的变化初期土地利用类型所对应的生态风险值；

CA——土地利用变化类型的面积；

TA——研究区总面积；

i——土地利用类型，1～7分别表示耕地、林地、草地、城镇和农村居民点用地、交通用地、水域和未利用地。

CR值为正值，表示该类型土地末期较初期生态风险增加，反之则为负值。其中，值越大，表示该类型对生态风险的影响越大，反之则越小。

3 结果与分析

3.1 未利用地转型

2000—2018年唐县未利用地转型方向主要以草地、林地和耕地为主，从转型后的用地类型和数量来看，生产用地面积和生活用地面积显著增加，生态用地面积减少，转型后生态用地面积仍占研究区主要部分(表3)。

表3 唐县未利用地转型前(2000年)、转型后(2007年和2018年)各用地类型面积变化情况

2000—2018年，生产用地面积和生活用地面积分别增加了15 805.91 hm2和6 169.70 hm2，生态用地面积则减少了21 975.62 hm2。2000—2007年和2007—2018年均显示生产和生活用地面积增加，生态用地面积减少，表明随着城镇化的发展，开发未利用地成为当地解决土地供需矛盾的重要举措，同时也表明当地对建设用地的占用持续增加。

依托ArcGIS10.2平台，通过对研究区2000、2007和2018年3期土地利用图进行叠加分析，未利用地生态空间面积大量减少，主要转化为草地生态空间、林地生态空间和耕地生产空间(图1)。其中，2000—2007年，未利用地有54.99%保持稳定，41.76%转为草地、林地和耕地(其中转为草地、林地和耕地的比率分别为16.02%、14.32%和11.42%)，转为城镇和农村居民点用地和交通用地的面积所占比例相对较少，不足5%。2007—2018年，未利用地有46.25%保持稳定，47.44%转为草地、林地和耕地(比例分别为17.69%、12.68%和17.07%)，4.63%转为城镇和农村居民点用地、交通用地。总体来说，未利用地转型使研究区土地利用分布格局发生了较大的改变，同时也表明了近年来唐县未利用地开发利用程度较高。

3.2 生态风险评价结果分析

通过上述构建生态风险评价指标体系和根据式(5)对研究区未利用地转型前后生态风险进行评价，基于ArcGIS 10.2平台采用自然断点法将生态风险值划分为5个等级，分别为低风险区(0～0.106)、较低风险区(0.106～0.165)、中风险区(0.165～0.235)、较高风险区(0.235～0.319)和高风险区(0.319～0.624)，各等级生态风险比例及生态风险平均值见表4。结果显示，未利用地转型前后，研究区总体处于较低生态风险水平。由表4可知未利用地转型前后(2000—2018年)，生态风险值分别为0.079、0.116和0.107，综合生态风险呈先上升后下降趋势。未利用地转型前(2000年)，低风险等级比例达到88.45%。未利用地转型后，生态风险呈现上升趋势，比例明显减少，与2000年相比，2007年处于低等级生态风险的土地面积有所减少，减少为64.47%；处于较低、中、较高和高风险区的土地面积均有增加，其中较高风险区和高风险区面积比例由2000年的0.74%增加至6.67%，增加面积比例值为5.93%。2018年与2007年相比，低风险区面积比例有一定程度的增加，增加至73.21%，同时高风险区面积比例有所增加，增加至2.04%，中风险区和较高风险区面积比例有所减少。

表4 唐县未利用地转型前(2000年)、转型后(2007年和2018年)各等级生态风险比例及风险平均值

从空间角度来看(图2)，未利用地转型后，研究区南部生态风险值高于北部区域。北部的羊角乡、石门乡、川里镇、倒马关乡北部生态风险值较低，其生态风险值低于0.165，北店头乡、高昌镇、都亭乡等南部区域生态风险值相对较高。这与其地形条件以及开发后的土地利用类型直接相关，由于南部区域地势相对平坦，未利用地主要开发为城镇和农村居民点用地、交通用地和耕地，建设用地所占比重较大，居民点密集，从而加大了农田面源压力和人口压力，使得风险源指数增加。北部区域为山地丘陵区，未利用地多被利用为林地、草地，风险源指数相对较低。另外，由于未利用地的开发利用，使得原有较完整的景观变得破碎，风险暴露度有所增加，从而导致生态风险的增加。同时，土地利用类型的相互转化，导致多样性指数增加，而未利用地、草地、林地等被城镇和农村居民点用地、交通用地等占用，导致植被覆盖度降低，生态系统中的不确定因素增多，从而导致生态风险增加。总体来看，2000—2018年未利用地转型后较转型前，生态风险有一定程度的增加。

(a)转型前(2000年)

基于ArcGIS10.2平台，以各指标值和综合生态风险值的栅格图为基础，运用空间分析工具将未利用地转型生态风险评价中选取的指标与综合生态风险值进行相关性分析(图3)，从而更进一步的探讨对该地区生态风险影响较大的因素。各指标与生态风险值的相关性为：土地利用指数(0.837)>建设用地比例(0.814)>农田面源压力(0.802)>人口压力(0.791)>聚集度指数(0.682)>道路密度(0.623)>景观破碎度(0.428)>平均最近邻体距离(0.422)>植被净初级生产力NPP(0.403)>多样性指数(0.175)>植被覆盖指数(0.112)>形状指数(0.057)。由此可见，生态风险值与形状指数的相关性最小，与土地利用指数的相关性最大，土地利用程度越高，原有生态环境被破坏的就越严重；随着城镇化的发展，建设用地面积不断扩张，加剧了当地生态风险的程度；未利用地作为土地后备资源，将其开发为耕地是保证粮食产量的重要举措，但是在农作物的种植过程中，喷洒化肥、农药及地膜使用后的不妥善管理对当地农田带来严重的污染，因此加剧了生态风险；区域人口压力增大，地方通过不断加大对土地的利用来满足当地居民的生活生产需要，直接导致建设用地的扩张，人类的干扰造成原有生态环境的破坏，从而加大生态风险。因此，根据相关性分析结果，在未来的风险管控中，应合理规划开发未利用地，注重风险源头的管控，加强生态建设，从而降低生态风险。

图3 生态风险值与评价指标的相关性

3.3 未利用地转型对生态风险的影响

本文采用土地利用转型生态风险贡献率来分析未利用地转型所引起的区域生态风险的改变，对2000—2018年未利用地转化为其他土地利用类型的生态风险贡献率进行统计，结果如图4所示。结果显示，未利用地转型为其他土地利用类型中，除转为林地生态风险降低外，转为其余土地利用类型生态风险程度均较未利用地有所提高。其中，耕地生态风险贡献率最高，为61.07%；其次为城镇和农村居民点用地、草地，生态风险贡献率分别为25.41%和15.15%；交通、水域由于其所占面积比例相对较小，生态风险贡献率在5%以下。林地有助于降低生态风险，生态风险贡献率为-7.40%。从三生空间角度看，生态空间转化为生产空间和生活空间是导致研究区生态风险程度提高的主要原因。总体上看，未利用地转型带来的生态环境负向影响大于正向影响，从而使得生态风险值呈现增大趋势。

图4 2000—2018年未利用地转化为其他土地类型的生态风险贡献率

4 讨论与结论

4.1 讨论

从风险源、风险受体暴露度、风险效应方面构建未利用地转型的风险评价模型，充分考虑了风险发生的内在机理，揭示了唐县未利用地转型前后(2000—2018 年)生态风险的变化情况。研究结果显示未利用地转型后生态风险略有提高。未利用地转型后(2018年)，风险源指数、风险受体暴露度和风险效应值较转型前(2000年)都有所增加，从而导致综合生态风险值的提高。未利用地转型改变了土地利用类型空间分布格局，造成斑块的破碎化，景观破碎程度提高，景观形态更复杂，同时，随着城镇化的发展，建设用地比例增加，人口密集区也对当地生态造成压力，这与傅丽华[31]、赵越等[32]、王慧芳等[33]研究中关于生态风险提升的原因基本一致。

从生态风险概念内涵角度构建风险评价模型的研究方法已经比较成熟[10, 33]，因此本研究从生态风险的内在机制方面构建风险评价模型，但不同于以往学者对生态风险的研究角度，本文基于“三生空间”考虑土地利用主导功能的转型，分析未利用地转型前后的生态风险变化情况，有利于探究不同土地利用主导功能转换对生态造成的影响，从而为未来未利用地的转型提供参考。本文土地利用类型呈现未利用地生态空间向林地、草地生态空间和耕地生产空间转化的趋势，转型后生态空间仍然占据主要部分，然而转型后生态风险提高，主要是源于未利用地向其他土地利用类型的转变造成景观破碎，向耕地和建设用地的转变导致生态风险贡献增加，从而导致环境恶化。在土地利用转型过程中，不仅要考虑区域经济的发展，也要注重生态建设，比如，在开发为耕地的区域，虽然耕地的主导功能是生产，但是可以考虑发展生态农场，使能量和物质流动形成良性循环，这种形式的转型既利于经济的发展，也利于生态环境的改善。本文也存在不足之处，如在对生态风险评价指标的权重赋值时采用熵权法进行了确权，但由于区域生态系统存在复杂性，可咨询当地居民的意见，对指标权重进行修正，采取主客观相结合的方式进行赋权，从而提高未利用地转型生态风险评价的科学性。

4.2 结论

本研究通过构建唐县未利用地转型生态风险评价模型，分析土地利用转型、风险源、风险受体暴露度、风险效应及综合生态风险的变化情况，从而揭示了唐县未利用地转型对生态风险的影响，并提出了风险调控措施和建议，得到以下结论。

1)2000—2018年，未利用地生态空间面积显著减少，草地生态空间、林地生态空间和耕地生产空间面积显著增加，土地利用类型由生态空间向生活空间和生产空间转化。

2)未利用地转型后，研究区生态风险略有提高，转型前后的生态风险值分别为0.079(2000年)、0.116(2007年)、0.107(2018年)，总体处于较低风险水平；低风险区面积比例降低，中高风险区面积比例增加。空间分布上，研究区南部生态风险值高于北部区域，羊角乡、石门乡、川里镇、倒马关乡北部生态风险值较低，北店头乡、高昌镇、都亭乡等南部区域生态风险值相对较高。

3)2000—2018年，与生态风险值相关性较大的因素有土地利用指数、建设用地比例、农田面源压力、人口压力，应合理规划开发未利用地，注意从风险源头进行生态管控，加强生态建设，从而降低生态风险。