PSR模型下土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)評價(jià)★

賈 策 王世東*

(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

土地利用變化是指人類與自然系統(tǒng)不同尺度上不斷發(fā)生交互作用與影響所產(chǎn)生的變化[1,2]。對土地利用/覆被變化演變過程的研究和分析生態(tài)環(huán)境在土地利用變化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的響應(yīng)有助于掌握土地利用現(xiàn)狀設(shè)計(jì)合理的土地利用規(guī)劃方案[3,4]。

近年來,全球土地利用變化的研究己加入國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)、人與環(huán)境計(jì)劃(HDP)和世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)三大國際組織核心計(jì)劃，并在全球化的研究中占有重要位置[5]；呂立剛等[6]對江蘇省1985年—2005年的土地利用轉(zhuǎn)型定量分析給出其生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)結(jié)果；史培軍等[7]通過評價(jià)計(jì)算土地利用程度指數(shù)和植被指數(shù)來反映土地利用變化及生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)；唐志強(qiáng)等[8]通過對城市化與生態(tài)環(huán)境相互作用的研究來揭示生態(tài)環(huán)境對土地利用變化的響應(yīng)機(jī)理；殷格蘭等[9]以生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型對南水北調(diào)中線工程核心水源地淅川縣的生態(tài)環(huán)境對其土地利用變換的響應(yīng)程度進(jìn)行了評估。王少華[10]利用綜合評價(jià)方法對鄭州黃河旅游區(qū)的土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了評價(jià)；劉旭[11]討論了北京市近30年土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境響應(yīng)的演變機(jī)理；馮異星等[12]分析了對干旱區(qū)典型流域近50年的土地利用格局變化進(jìn)而討論起生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況及資料來源

1.1 研究區(qū)概況

丹江流域在河南省內(nèi)貫穿7個(gè)縣，研究區(qū)位于漢江上游，河南、湖北、陜西三省交界處，流域匯水面積9.52萬km2。研究區(qū)位于河南省西南部，伏牛山南麓，向南接壤湖北省，偏西比鄰陜西省，包含三門峽盧氏縣、洛陽市欒川縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南陽市的西峽縣和淅川縣以及內(nèi)鄉(xiāng)縣和鄧州市的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域總面積為293 256.3 hm2。地理坐標(biāo)界定與東經(jīng)110°52′～112°，北緯33°30′之間。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究選取丹江流域(河南段)2005年、2010年landsat ETM+和2015年landsat OLI遙感影像，以及2010年土地利用現(xiàn)狀圖。利用遙感軟件ENVI5.1，采用以非監(jiān)督分類為主目視解譯為輔的方法將研究區(qū)分為六類：耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、裸地。然后依據(jù)同期野外采集到的數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取若干樣本，在ENVI5.1軟件中計(jì)算出分類混淆矩陣和Kappa系數(shù)。最終得到結(jié)果：土地利用分類總體精度86.2%，Kappa系數(shù)為0.86，達(dá)到較好效果。

1.3 土地利用變化

利用ENVI5.1軟件對丹江流域(河南段)2005年、2010年和2015年的landsat ETM+和landsat-8 OLI遙感影像做最大似然法分類處理。將研究區(qū)分為林地、耕地、建設(shè)用地、水域、草地、裸地六種用地類型。分類結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出丹江流域2005年、2010年和2015年的土地利用面積變化：2005年—2010年間研究區(qū)各用地類型除水域面積基本保持不變外其他用地類型面積均有少量變化，其中以草地和林地變化最大，變化率分別達(dá)到前一年的26.5%和18.9%。2010年—2015年間各用地類型均有較大變化，其中林地變化率為30.8%、耕地為24.7%、建設(shè)用地為21.9%、水域?yàn)?1.3%、裸地為71.2%。

表1 研究區(qū)分類結(jié)果

2 基于PSR模型的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)評價(jià)

2.1 模型建立

PSR結(jié)構(gòu)模型常用來作為資源利用評估和持續(xù)發(fā)展模式的模型框架。本文以研究區(qū)在PSR框架的基礎(chǔ)上建立綜合評價(jià)模型，由原模型基礎(chǔ)上賦予自然環(huán)境變化，分析研究區(qū)土地利用變化賦予土地利用狀態(tài)壓力進(jìn)而探討生態(tài)環(huán)境對其響應(yīng)。

以加權(quán)綜合函數(shù)法構(gòu)建響應(yīng)的綜合評價(jià)模型，計(jì)算土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)綜合評價(jià)指數(shù)的年份結(jié)果。評價(jià)模型如公式所示：

2.2 評價(jià)單元的劃分

本文根據(jù)現(xiàn)有土地利用類型的數(shù)據(jù)和研究區(qū)特性以研究區(qū)內(nèi)7個(gè)縣區(qū)作為評價(jià)單元?jiǎng)澐郑⑶腋鶕?jù)得到土地利用數(shù)據(jù)在各個(gè)縣區(qū)的屬性將7個(gè)縣區(qū)劃分為四個(gè)等級。且區(qū)域內(nèi)水域面積越大其等級越高，見表2。

表2 評價(jià)單元等級劃分

2.3 結(jié)果與分析

利用ArcGIS10.1的空間表達(dá)功能，得到研究區(qū)綜合評價(jià)指數(shù)的歷年結(jié)果進(jìn)行空間表達(dá)，研究其時(shí)空變化特征。對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境響應(yīng)綜合指數(shù)評價(jià)得到歷年各縣區(qū)得分值，見表3。

表3 綜合評價(jià)計(jì)算結(jié)果

研究區(qū)綜合評價(jià)指數(shù)結(jié)果可以反映出流域內(nèi)社會(huì)與自然壓力—土地利用變化狀態(tài)—生態(tài)環(huán)境響應(yīng)的綜合水平，在一定程度上也反映了流域內(nèi)人類活動(dòng)與自然環(huán)境交互作用與土地利用狀態(tài)及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)等人文地理和自然地理環(huán)境的綜合發(fā)展水平。

從時(shí)空變化可以看出，內(nèi)鄉(xiāng)縣、淅川縣和鄧州市的綜合評價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)下降趨勢，說明其生態(tài)環(huán)境對土地利用變化的響應(yīng)表現(xiàn)為負(fù)影響。其他縣市結(jié)果呈現(xiàn)上升趨勢，其中西峽縣變化量較小說明其生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)表現(xiàn)為正向影響但影響不大，嵩縣和盧氏縣變化量較大說明其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈上升趨勢且受土地利用變化的正向影響。多年平均結(jié)果偏高的縣市為欒川縣說明欒川在其土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)中一直呈正向趨勢；多年結(jié)果較低的區(qū)縣為盧氏和嵩縣說明其綜合評價(jià)結(jié)果一直呈現(xiàn)負(fù)趨勢。

3 結(jié)語

從2005年到2015年，研究區(qū)主要用地類型為水域、建設(shè)用地和耕地；根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況多表現(xiàn)南水北調(diào)中線工程限制了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。從土地利用類型轉(zhuǎn)移來看，轉(zhuǎn)出面積多為耕地和林地，但隨著南水北調(diào)中線工程的竣工與當(dāng)?shù)氐囊虻刂埔宿D(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入面積逐漸平衡；轉(zhuǎn)入面積多為建設(shè)用地，其原因在于人口的變遷和當(dāng)?shù)爻鞘谢陌l(fā)展；且可以看出減少的耕地與林地面積多轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

在2005年—2015年間，研究區(qū)綜合評價(jià)結(jié)果可以反映出：丹江流域(河南段)的土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境響應(yīng)的時(shí)間變遷和空間異質(zhì)性特征明顯；其變化特征與各土地利用類型的地形、土地利用方式和其與南水北調(diào)工程沿線淹沒程度有關(guān)。

在研究區(qū)土地總面積、用地類型和土地結(jié)構(gòu)變化等內(nèi)在變量中，建設(shè)用地面積的增加對生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)結(jié)果呈現(xiàn)負(fù)向變化；在各類生態(tài)用地中，耕地和林地減少是生態(tài)環(huán)境對其土地利用變化呈負(fù)向趨勢的主要原因；各用地類型的結(jié)構(gòu)中，水域面積擴(kuò)張給研究區(qū)帶來正向的生態(tài)環(huán)境發(fā)展趨勢。研究表明：維持研究區(qū)各生態(tài)用地的平衡對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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