土地利用變化對(duì)景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況的影響

雷波，朱康文,2，李建輝，楊春華

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶　401147； 2.重慶師范大學(xué)三峽生態(tài)環(huán)境遙感研究所，重慶　401331)

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土地利用變化對(duì)景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況的影響

雷波1，朱康文1,2，李建輝1，楊春華1

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401147； 2.重慶師范大學(xué)三峽生態(tài)環(huán)境遙感研究所，重慶401331)

通過分析土地利用/覆蓋時(shí)空變化與景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：林地和耕地轉(zhuǎn)為人工用地的面積最大；景觀層面，除CONTAG指數(shù)外，其他指數(shù)均呈增加趨勢(shì)；類型層面，耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指數(shù)、PD指數(shù)和ED指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；EIB值、EIV值和EIR值表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。研究期間，景觀格局趨于復(fù)雜，破碎化程度加劇，整體連通性有所增加，整體生態(tài)環(huán)境狀況呈改善趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況變化與重慶市城市發(fā)展政策、城市擴(kuò)張方式、環(huán)境污染治理情況等密切相關(guān)。

重慶市；土地利用/覆蓋變化；轉(zhuǎn)移矩陣；景觀指數(shù)；生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)

研究表明，土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境變化有直接影響，主要表現(xiàn)在氣候、土壤、水環(huán)境、土地退化等方面[1-3]。目前研究主要是針對(duì)土地利用/覆蓋變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提出區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)思路[4-5]。

重慶市作為典型的山地城市，區(qū)域內(nèi)高山丘陵較多、平坦土地很少，導(dǎo)致城市擴(kuò)張空間較小。隨著城市化進(jìn)程的加快不可避免地出現(xiàn)打破原有景觀格局、破壞生態(tài)環(huán)境等問題。重慶市土地利用/覆蓋變化與景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況方面的研究可以填補(bǔ)重慶市在此研究方面的空缺[6-7]。本研究建立最新的2010—2013年重慶市土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)，在對(duì)時(shí)空變化分析的基礎(chǔ)上，對(duì)景觀格局的變化進(jìn)行分析，并對(duì)3年間的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，對(duì)區(qū)域內(nèi)土地利用開發(fā)方式提出合理建議，為區(qū)域內(nèi)制定相關(guān)土地利用規(guī)劃提供參考依據(jù)，為政府在土地利用開發(fā)的合理布局方面提供數(shù)據(jù)支撐。

1　數(shù)據(jù)與方法

本研究以ArcGIS為平臺(tái)，使用的數(shù)據(jù)包括2010年和2013年Landsat TM5影像數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互式解譯獲取的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)、水資源量數(shù)據(jù)、河流長(zhǎng)度數(shù)據(jù)、土壤侵蝕面積數(shù)據(jù)、SO2排放量數(shù)據(jù)、COD排放量數(shù)據(jù)、固體廢物排放量數(shù)據(jù)和年均降雨量數(shù)據(jù)。在利用轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)3年間土地利用/覆蓋變化時(shí)空分析的基礎(chǔ)上，采用Fragstats 4.2軟件對(duì)區(qū)域內(nèi)的景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并采用《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)規(guī)定的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算分析，探討土地利用/覆蓋變化對(duì)景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況的影響。

1.1土地利用覆蓋數(shù)據(jù)的獲取

采用人機(jī)交互式方法對(duì)2010年和2013年的TM影像進(jìn)行遙感解譯，主要包括：(1)選取云量低于10%且人為干擾大的區(qū)域無云覆蓋的影像數(shù)據(jù)；(2)遙感影像的幾何糾正；(3)室內(nèi)初步解譯；(4)野外核查及精度分析，解譯精度在0.9以上。本研究中土地利用/覆蓋分類沿用2000年土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)：包括6類一級(jí)和24類二級(jí)。

1.2景觀指數(shù)

景觀指數(shù)在景觀格局分析中應(yīng)用最廣泛，能夠高度濃縮景觀格局信息，反映區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的定量指標(biāo)。在選擇景觀指數(shù)時(shí)綜合考慮了總體性原則和常用性原則。分別從景觀層面和類型層面選擇了斑塊的斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、聚集度指數(shù)(CONTAG)、連通度指數(shù)(CONNECT)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)等指數(shù)，這些指數(shù)的具體含義、生態(tài)學(xué)意義、計(jì)算方法等參見相關(guān)文獻(xiàn)[8]。

1.3生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)

EI是指反映被評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的一系列指數(shù)的綜合，具體計(jì)算公式見式(1)。

EI=0.25×EIB+0.2×EIV+0.2×EIR

+0.2×(100-EIL)+0.15×EII

(1)

式中，EIB表示生物豐度指數(shù)；EIV表示植被覆蓋指數(shù)；EIR表示水網(wǎng)密度指數(shù)；EIL表示土地退化指數(shù)；EII表示環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[9]。具體含義、生態(tài)學(xué)意義、計(jì)算方法等參見《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)。表1為計(jì)算EIB和EIV時(shí)的各土地利用/覆蓋類型的權(quán)重表。

表1　EIB和EIV權(quán)重

根據(jù)EI值計(jì)算結(jié)果將生態(tài)環(huán)境狀況分為5級(jí)，即優(yōu)、良、一般、較差和差，并對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況變化幅度分為4級(jí)，即無明顯變化、略有變化(好或差)、明顯變化(好或差)、顯著變化(好或差)，具體見表2。

表2　EI及EI變化度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

注：變化度計(jì)算公式為(EI2010-EI2013)/EI2010。

2　結(jié)果與分析

2.1土地利用/覆蓋變化

遙感解譯結(jié)果如圖1所示，表3為2010—2013年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣。由圖1可知，重慶市土地利用/覆蓋類型主要以林地為主，其次是耕地。林地主要分布在渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)、渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)及四山管制區(qū)；耕地主要分布在城市發(fā)展新區(qū)和渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)部分區(qū)縣；人工用地主要分布在重慶市都市區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)及“萬開云”片區(qū)；水域主要以長(zhǎng)江、嘉陵江、烏江為主；草地和未利用土地分布較少。2010年和2013年，耕地、林地、草地、水域、人工用地和未利用土地的面積比例分別為43.42%、48.92%、3.03%、2.21%、2.40%、0.02%和42.65%、49.48%、2.29%、2.30%、3.26%、0.02%。從表3中可以看出，林地和耕地轉(zhuǎn)為人工用地的面積最大，耕地轉(zhuǎn)為林地的面積也較大，這與其他城市的發(fā)展情況基本一致，城市擴(kuò)張都是以占用林地和耕地為主，而林地增加基本都是因?yàn)橥烁€林政策的實(shí)施。

2.2景觀格局變化分析

表4為2010年和2013年景觀層面的景觀指數(shù)。從表4可以分析得出，2010年到2013年景觀層面的6個(gè)景觀指數(shù)除了CONTAG指數(shù)外其他指數(shù)均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，NP指數(shù)和PD指數(shù)的增加表示景觀斑塊的平均面積減小，ED指數(shù)的增加表示景觀斑塊邊界的復(fù)雜程度增加，這3個(gè)指數(shù)的增加共同反映出區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度在加大。SHDI指數(shù)的增加反映出區(qū)域內(nèi)的土地利用/覆蓋類型越來越豐富且破碎化程度越來越高，CONNECT指數(shù)的增加反映出區(qū)域內(nèi)整體景觀的空間連通性越來越高。CONTAG指數(shù)由64.99減小到64.67，表明景觀中某一優(yōu)勢(shì)斑塊類型的空間連接性有所下降，景觀集聚度降低，同時(shí)也間接反映出區(qū)域內(nèi)的景觀破碎度增大?？傮w來說，3年間區(qū)域內(nèi)景觀格局趨于復(fù)雜，破碎化程度加劇，但是整體連通性有所增加。

圖1　2010年和2013年重慶市土地利用/覆蓋圖Fig.1　Land use/cover map of Chongqing in 2010 and 2013

從表5類型層面上的景觀指數(shù)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，3年間耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指數(shù)、PD指數(shù)和ED指數(shù)均出現(xiàn)上升趨勢(shì)，反映出這5種地類破碎化程度增加，草地呈現(xiàn)降低趨勢(shì)反映出草地的破碎化程度在降低。3年間耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明這幾種地類的空間連通性有所降低，林地和草地的CONNECT指數(shù)呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，反映出這兩種地類的空間連通性越來越高。

表3　土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表4　2010年和2013年景觀層面的景觀指數(shù)

表5　2010年和2013年類型層面的景觀指數(shù)

從景觀層面和類型層面的格局指數(shù)變化分析中可知，重慶市的景觀破碎度雖然越來越大，但整體景觀的空間連通度也越來越高。其中，破碎度增大的主要原因在于建設(shè)用地的快速擴(kuò)張，而連通度也增大的主要貢獻(xiàn)來自于林地的空間連通度的增加。綜合來看，重慶市的景觀破碎度在增大表明了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量可能出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但是林地的空間連通度的增加表明了重慶市近年來出臺(tái)的關(guān)于生態(tài)保護(hù)等的措施起到了一定的作用；建設(shè)用地的NP指數(shù)和PD指數(shù)的增加將不斷增加重慶市的環(huán)境污染承載壓力，應(yīng)從改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的角度出發(fā)，合理規(guī)劃城市擴(kuò)展邊界及擴(kuò)展速度，防止盲目擴(kuò)展導(dǎo)致不同類型的土地出現(xiàn)破碎化加劇、連通性降低；區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善應(yīng)以提高所有類型的CONTAG指數(shù)、SHDI指數(shù)和CONNECT指數(shù)并降低NP指數(shù)、PD指數(shù)和ED指數(shù)為目標(biāo)。

2.3EI時(shí)空差異分析

土地利用/覆蓋變化在導(dǎo)致景觀格局變化的同時(shí)，將影響區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況，景觀格局的變化也能反映出區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況。本研究將從EI值的變化情況及其與景觀格局變化的關(guān)系角度進(jìn)行分析。

2.3.1重慶市EI值分析

對(duì)2010年和2013年的EI值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6(由于土壤侵蝕數(shù)據(jù)僅有歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)致EIL值沒有變化)。分析發(fā)現(xiàn)，整體上來看，2010年和2013年的EI值都處于良好狀態(tài)，表明區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富。EI值略有增加，表明研究期間重慶市生態(tài)環(huán)境狀況有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，這與國(guó)家和市級(jí)層面推行生態(tài)文明政策有關(guān)。EI值變化度的結(jié)果表明3年間生態(tài)環(huán)境狀況基本沒有變化，其中EII值略有變差，其他指數(shù)基本維持不變。EII值的降低說明區(qū)域承載環(huán)境污染的壓力在加大。EIB值、EIV值和EIR值在上升，表明生物多樣性維護(hù)較好，植被覆蓋較高，水資源量未降低。

表6　2010年和2013年重慶市EI值

結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局計(jì)算結(jié)果，3年間林地整體處于轉(zhuǎn)入狀態(tài)，林地空間連通性也在增加，由此導(dǎo)致EIB值和EIV值略有提升；水域的轉(zhuǎn)入導(dǎo)致EIR值略有提升；人工用地轉(zhuǎn)入比例高達(dá)24%，人工用地的破碎度和斑塊邊界復(fù)雜程度持續(xù)增加，必然導(dǎo)致固廢、廢氣等排放的增加，導(dǎo)致EII值出現(xiàn)變低的趨勢(shì)；EIB、EIV和EIR的上升表明重慶市的各項(xiàng)生態(tài)保護(hù)政策取到了一定的成效，EII的降低表明環(huán)境承載的壓力在增大，表明在城市快速發(fā)展的同時(shí)需要注意控制污染物的排放，加大污染物的處理。

2.3.2各區(qū)縣EI值分析

圖2　EI值分布圖Fig.2　The distribution map of EI value

從圖2可以看出，EI值最高的區(qū)縣均分布在渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)，整體上以渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)最好，渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的云陽(yáng)縣、萬州區(qū)、忠縣的EI值較低，主要是由于此區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重，且萬州區(qū)作為重慶市第二大城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的破壞較嚴(yán)重。都市區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)整體EI值較低，主要是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，城市擴(kuò)展迅速導(dǎo)致林地面積變少且環(huán)境污染較嚴(yán)重，但也有部分區(qū)縣EI值較高，例如榮昌區(qū)、永川區(qū)、江津區(qū)、南川區(qū)等。圖中可以看出EI值下降比較明顯區(qū)縣主要集中在都市區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)，但也有黔江區(qū)和酉陽(yáng)縣出現(xiàn)了較明顯的下降。

為了表述清晰，每個(gè)功能區(qū)選取變化度的最高值和最低值作為代表進(jìn)行分析，如表5所示。結(jié)果顯示，渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)的EIB值遠(yuǎn)高于都市區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)，其中城市發(fā)展新區(qū)、渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)3年間基本處于穩(wěn)定和改善的狀態(tài)，都市區(qū)的江北區(qū)則出現(xiàn)較明顯的變差趨勢(shì)。EIV值呈現(xiàn)出與EIB值相似的趨勢(shì)，梁平縣EIV值和EIB值較渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)的其他區(qū)縣低，主要是由于梁平縣屬于重慶市的糧食生產(chǎn)大縣，區(qū)域內(nèi)耕地較多，林地相對(duì)較少。EIR值在部分區(qū)域變化較大，不同區(qū)縣之間存在一定差異，引起EIR值產(chǎn)生時(shí)空差異的原因主要是因?yàn)殚L(zhǎng)江和嘉陵江穿過部分區(qū)縣導(dǎo)致水資源空間分配不均，且重慶市的降雨也存在明顯的時(shí)空差異。分析發(fā)現(xiàn)渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)的EIL值遠(yuǎn)高于都市區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)，這與不同區(qū)域間的地形地貌及巖性關(guān)系密切，重慶市屬于石漠化和水土流失非常嚴(yán)重的區(qū)域之一，其中重慶市內(nèi)以渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)最為嚴(yán)重，此區(qū)域內(nèi)坡度較大，土壤侵蝕嚴(yán)重且面積較大，所以導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)EIL明顯高于其他功能區(qū)。EII時(shí)空差異不大，說明重慶市承載環(huán)境污染物的能力較強(qiáng)，但是部分區(qū)縣區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)一定的下滑趨勢(shì)，應(yīng)注意污染物排放量的控制。

3　結(jié)論與討論

通過對(duì)重慶市土地利用/覆蓋時(shí)空變化與景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況之間的關(guān)系進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)：林地和耕地轉(zhuǎn)為人工用地的面積最大，耕地轉(zhuǎn)為林地的面積較大；景觀層面的6個(gè)景觀指數(shù)中，除了CONTAG指數(shù)外，其他指數(shù)均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；類型層面，耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指數(shù)、PD指數(shù)和ED指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，景觀格局趨于復(fù)雜，破碎化程度加劇，整體連通性有所增加；3年間，重慶市整體生態(tài)環(huán)境狀況呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，EIB值、EIV值和EIR值表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，EI值最高的區(qū)縣均分布在渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)。

表7　2010年和2013年EI值及其變化度

注：由于都市功能核心區(qū)不是按照行政邊界劃分故將都市功能核心區(qū)、都市功能拓展區(qū)合并為都市區(qū)。

研究較好地反映了重慶市2010至2013年間的土地利用/覆蓋變化情況，以及與此緊密相關(guān)的景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況情況，可為相關(guān)規(guī)劃部門在制定宏觀尺度城市發(fā)展策略時(shí)提供參考。研究結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)景觀格局和生態(tài)環(huán)境狀況變化與重慶市城市發(fā)展政策、城市擴(kuò)張方式、環(huán)境污染治理情況等密切相關(guān)，生態(tài)環(huán)境狀況的改善應(yīng)提高景觀層面和類型層面的CONTAG指數(shù)、SHDI指數(shù)和CONNECT指數(shù)，并降低NP指數(shù)、PD指數(shù)和ED指數(shù)。整個(gè)研究立足于遙感解譯的基礎(chǔ)上，對(duì)于數(shù)據(jù)精度要求較高，因此在后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步提高精度。

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Study on the Influence of Land Use Change on Landscape Pattern and Eco-environmental Status

LEI Bo1, ZHU Kang-wen1,2, LI Jian-hui1, YANG Chun-hua1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China; 2.Institute of Eco-Environment Remote Sensing in Three Gorges Reservoir, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

By analyzing the relationship between temporal and spatial changes of land use/cover with landscape pattern and eco-environmental status was found that: The largest area of forest-land and cultivated-land transformation to artificial-land. In addition to theCONTAGindex, and the other landscape indices of landscape level were showed an increasing trend. On the type level, theNPindex,PDindex andEDindex of cultivated land, forest land, water area, land use and unused land were showed an increasing trend, but theCONNECTindex of cultivated land, water area, land use and unused land showed a decreasing trend. TheEIBvalue,EIVvalue andEIRvalue showed the rising trend. The highestEIvalue were distributed in Ecological Conservation Development Zone in Northeast Chongqing and Ecological Protection Development Zone in Southeast Chongqing. During the study period, the landscape pattern tends to be complex, degree of fragmentation is enhanced, the whole connectivity of has increased, the overall ecological environment condition showing an improving trend. The results of the study show that, the changes of landscape pattern and ecological environment has associated with something, such as urban development policy, urban expansion mode and environmental pollution control.

Chongqing city; land use/cover change; transfer matrix; index of ecological environment condition; landscape index

2016-05-13

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07104-003)；重慶市環(huán)境保護(hù)局環(huán)?？萍柬?xiàng)目(環(huán)科字2015第1號(hào))

雷波(1978—)，男，四川人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境研究，E-mail：leilibo@hotmail.com

10.14068/j.ceia.2016.03.023

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2095-6444(2016)03-0087-06