衡陽市主城區(qū)土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

史玲 賀秋華 肖雪

摘? 要：以衡陽市主城區(qū)為例，利用2005年、2012年和2016年3期TM遙感影像解譯圖獲取土地利用變化數(shù)據(jù)。首先，對衡陽市主城區(qū)土地利用變化特征進(jìn)行分析。然后，運用區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和區(qū)域土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率，對研究時段內(nèi)衡陽市主城區(qū)土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以及導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主導(dǎo)土地利用變化類型進(jìn)行分析。結(jié)果表明，2005—2016年間，衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先增加后下降，總體上維持著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)穩(wěn)定，但生態(tài)改善和惡化的2種趨勢并存。其中，導(dǎo)致衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要土地利用變化類型是耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要土地利用變化類型是耕地向水域用地的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：衡陽市主城區(qū);土地利用變化;生態(tài)環(huán)境效應(yīng);生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

中圖分類號 F301.24文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）（02-03）-0119-06

Abstract：This paper obtained the data of land use change based on the TM images interpreted in 1980，1995 and 2005 taking the main urban areas of Hengyang City as a case study.First，this paper analyzed the characteristics of land use change.Then，eco-environmental quality was associated with land use types according to the relative ecological service value of different land use types .The effect of land use change on the eco-environmental quality was measured and quantified by calculating the regional eco-environmental indices .The major land use transformation types causing the change of eco-environmental quality were found out by calculating the contribution proportions of land use transformation types to eco-environmental quality .The ecological environment quality of the main urban area of Hengyang increased at first and then decreased，which maintained the dynamic stability of the regional ecological environment as a whole，but the two trends of ecological improvement and deterioration coexist;and the rate w as faster and faster .In the study phases，the transformation from arable land to constructive land was the major land use transformation type deteriorating the eco-environmental quality ;the transformation from arable land to water area was the major land use transformation type improving the eco-environmental quality .

Key words：The main urban areas of Hengyang City;Land use change;Eco-environmental effect;Eco-environmental quality index

土地利用變化是指在不同時空尺度上，人類和自然相互作用引起的一種復(fù)雜變化[1-2]。土地利用變化是目前全球生態(tài)環(huán)境變化的主要原因之一[3]，它反映了人類與大自然間相互影響與相互作用最直接、最密切的關(guān)系[4]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，使城市建成區(qū)范圍逐年擴張，人類對土地的需求日益多元化，加速了各種土地利用類型在時空上的變化，由此引起的生態(tài)環(huán)境問題不斷加劇，嚴(yán)重影響到人類賴以生存的自然環(huán)境[5]。作為自然景觀變化最明顯的區(qū)域，城市土地利用變化已成為當(dāng)前土地利用研究的熱點[6]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究主要集中于土地利用變化的水環(huán)境效應(yīng)、大氣環(huán)境效應(yīng)等單一生態(tài)環(huán)境效應(yīng)上。例如，Tilman等通過分析林地和水域轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的土地利用變化情況，對淡水、陸地和海岸帶海洋生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化程度進(jìn)行了研究[7]。Solomon等研究了土地利用變化對土壤有機質(zhì)變化的影響[8]。賈宇平等研究了土地利用變化對土壤有機碳、全氮的影響[9]。劉廷祥等以嫩江流域農(nóng)林交錯帶為典型研究區(qū)，從土地利用變化分析方面系統(tǒng)地研究了農(nóng)林交錯帶土地利用格局變化及其區(qū)域氣溫變化效應(yīng)[10]。楊倩楠等采用枯季徑流分割法分析了干旱區(qū)流域基流、基流指數(shù)與景觀格局指數(shù)的相關(guān)性，研究了流域景觀格局變化對基流的作用[11]。姜雨青等用統(tǒng)計學(xué)方法分析了我國西北干旱區(qū)土地利用變化和歸一化植被指數(shù)的時空變化特征[12]。這些研究區(qū)域主要集中在生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)或經(jīng)濟落后地區(qū)[13]，研究對象主要集中在單一的生態(tài)環(huán)境要素[14-16]，而對于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展地區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究較少。

衡陽市作為中西部地區(qū)快速發(fā)展區(qū)域，具有一定的代表性，經(jīng)濟的快速發(fā)展，驅(qū)使主城區(qū)面積不斷擴張，城市土地利用格局發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致了眾多環(huán)境問題。為此，本文以衡陽市為研究區(qū)域，研究城鎮(zhèn)化快速發(fā)展背景下土地利用變化的整體生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為土地利用、城市建設(shè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，也為國內(nèi)外同類區(qū)域研究提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況 衡陽市2005—2016年城鎮(zhèn)率由31.58%上升至51.07%，全市GDP由541.23億元上升至2868.57億元。主城區(qū)（雁峰區(qū)、珠暉區(qū)、石鼓區(qū)、蒸湘區(qū)）總面積約為518.55km2，占全市土地總面積的3.39%，是衡陽市政治、經(jīng)濟、文化中心。主城區(qū)建設(shè)用地、水域、交通用地的比例和土地利用效益高于其他土地利用區(qū)。21世紀(jì)以來，主城區(qū)交通條件和產(chǎn)業(yè)布局的不斷完善，經(jīng)濟帶動作用不斷增強。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理 本研究使用空間數(shù)據(jù)選用2005、2012和2016年分辨率為30m的3期Landsat TM影像，其中，Land TM遙感影像波段組成為4、3、2（RGB），以土地利用方式和覆蓋特征為主要分類依據(jù)，采用人機交互目視解譯法，以1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)為參考，應(yīng)用相關(guān)分析并綜合影像特征判定各類地物的邊界，利用ArcGIS插件，生成現(xiàn)狀土地利用專題圖。以此為基礎(chǔ)，使用ArcGIS空間疊置分析功能，生成3個時間段的土地利用變化專題圖;最后通過對照GoogleEarth提供的高分辨率數(shù)據(jù)視圖并結(jié)合野外實地觀察及經(jīng)驗判定地物類型并驗證預(yù)判圖的精度。通過參照《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)（GBT21010-2007），研究區(qū)共分為耕地、園地、林地、建設(shè)用地、未利用地、水域6類一級類型。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠直觀地反應(yīng)出各類土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況，它不僅可以反映研究期內(nèi)各類土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化情況，還可以反映出研究期末各土地利用類型的來源與結(jié)構(gòu)。其數(shù)學(xué)形式為：

2.2 土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價

2.2.1 土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù) 不同的土地利用類型代表不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差異，根據(jù)各土地利用類型的相對生態(tài)價值，建立土地利用類型與區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)聯(lián)。通過分析土地利用變化特征，定量分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化特征[17]。土地利用類型二級分類具有較高的分辨率，且體現(xiàn)了明顯的生態(tài)差異性，在確定一級土地利用類型相對生態(tài)價值的基礎(chǔ)上，對二級土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行賦值[18]。

（1）一級土地利用類型相對生態(tài)服務(wù)價值的確定根據(jù)謝高地等對中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值評估結(jié)果，對不同土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行賦值，定義為不同土地利用類型的相對生態(tài)服務(wù)價值[19]，詳見表1。

（2）二級土地利用類型相對生態(tài)服務(wù)價值的確定：在一級土地利用類型相對生態(tài)服務(wù)價值確定的基礎(chǔ)上，對二級土地利用類型進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量賦值，詳見表2。

2.2.2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù) 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)是指綜合考慮區(qū)域內(nèi)各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及面積比例，用以定量表征某一區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況[20]，其表達(dá)式為：

2.2.3 區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)變的生態(tài)貢獻(xiàn)率 區(qū)域土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率是指某一種土地利用變化類型所導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改變[15]，其表達(dá)式為：

式中：LEIt+1，LEt—某一土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);LA--該變化類型的面積;其他指標(biāo)解釋同上。

3 結(jié)果與分析

3.1 衡陽市主城區(qū)土地利用變化特征 根據(jù)公式（1），利用GIS的空間分析功能對衡陽市主城區(qū)2005、2012和2016年3期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到2005—2016年、2005—2012年和2012—2016年衡陽市主城區(qū)土地利用類型變化幅度、空間分布圖和土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表3、表4和表5所示。

從表3、表4和表5可知，2005—2016年衡陽市主城區(qū)各土地利用類型變化總體特征如下：（1）耕地面積明顯減少。2005—2016年耕地面積減少總量為2775.31hm2，年均減少252.30hm2;相較而言，2012—2016年耕地減少幅度小于2005—2012年。2005—2016年土地利用類型轉(zhuǎn)移面積總量為52900.56hm2，耕地轉(zhuǎn)出量最大，占轉(zhuǎn)出總量的32.06%，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地和水域。其中，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地主要集中分布于主城區(qū)邊緣區(qū)及原有農(nóng)村居民點附近;耕地轉(zhuǎn)化為水域主要分布于原有河流水面周圍。（2）林地面積先增后減。2005—2016年林地面積增加了34.33hm2，2005—2012年退耕還林是林地面積增加的主要原因，轉(zhuǎn)入百分比為41.05%;2012—2016年建設(shè)用地占用林地面積增加，導(dǎo)致林地面積減少，轉(zhuǎn)出百分比為37.38%。（3）建設(shè)用地明顯增加。2005—2016年建設(shè)用地面積增加了3867.12hm2，年均增加351.56hm2;2012—2016年變化速度加快，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入量最大，占轉(zhuǎn)入總量的33.88%，其主要來源于耕地、林地和水域?？梢婋S著城市化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地擴張明顯，主要表現(xiàn)為向中心城區(qū)外圍擴張，南拓、北擴和東移。（4）水域面積先增后減，總體呈增加趨勢。12年間水域面積增加了34.63hm2，2005—2012年47.79%水域由耕地轉(zhuǎn)化而來，2012—2016年39.98%水域由耕地轉(zhuǎn)化而來。（5）園地和未利用地轉(zhuǎn)移量占比較小，其轉(zhuǎn)出方向基本一致，主要轉(zhuǎn)化為林地、耕地和建設(shè)用地。

3.2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.2.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化 根據(jù)區(qū)域環(huán)境生態(tài)質(zhì)量指數(shù)模型，計算得到衡陽市主城區(qū)2005、2012和2016年的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，詳見表6。由表6可知，2005—2012年間，衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量共下降3.75%，其中，2005—2012年衡陽市主城區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)由0.797上升至0.809，年均上升0.25%;2012—2016年下降1.24%。這表明，2005—2016年衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先增加后下降，但總體上維持著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動態(tài)穩(wěn)定。在各類土地利用類型中，林地、水田和水域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最高，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)率也最大。

3.2.2 區(qū)域土地利用類型生態(tài)貢獻(xiàn)率變化 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量維持穩(wěn)定的同時，區(qū)域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量往往同時存在著改善和惡化2種相反的趨勢。在相當(dāng)程度上，這2種趨勢在一定區(qū)域內(nèi)相互抵消，使其總體趨于穩(wěn)定。生態(tài)環(huán)境改善和惡化趨勢可從分析2級土地利用類型變化得出。表7給出了2005—2016年衡陽市主城區(qū)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善和惡化的主要土地利用變化類型的面積和貢獻(xiàn)率。

由表7可知，2005—2016年，促進(jìn)衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要土地利用變化的驅(qū)動因子有退耕還水、退耕還林和建設(shè)用地向水域轉(zhuǎn)化。2005—2012年，退耕還水、退耕還林和建設(shè)用地向水域轉(zhuǎn)化的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為23.36%、21.79%和19.52%。2005—2016年退耕還水、退耕還林和建設(shè)用地向水域轉(zhuǎn)化的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為19.67%、23.22%和20.11%。相較而言，2012—2016年退耕還水占比降低，其他基本不變。

2012—2016年，致使衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要土地利用變化的驅(qū)動因子是城鄉(xiāng)用地規(guī)模的擴大、毀林造田和圍水造田。城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模的擴大主要表現(xiàn)為耕地、林地和水域的轉(zhuǎn)化。2005—2012年土地利用類型轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地轉(zhuǎn)化為耕地和水域轉(zhuǎn)化的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為45.38%、19.04%和16.54%。2012—2016年土地利用類型轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地轉(zhuǎn)化為耕地和水域轉(zhuǎn)化的生態(tài)貢獻(xiàn)率占比分別為46.20%、19.83%和21.50%?？傮w上，衡陽市主城區(qū)盡管同時存在著改善和惡化的2種趨勢，但其總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持相對穩(wěn)定的態(tài)勢。

4 結(jié)論與討論

（1）2005—2016年衡陽市主城區(qū)土地利用變化主要表現(xiàn)為：耕地面積顯著減少，建設(shè)用地積大量增——園地、其他土地、未利用土地面積持續(xù)減少，林地、水域地面積先增加后少。其中，耕地主要轉(zhuǎn)化為林地、建設(shè)用地和水域這3種變化類型分布最為廣泛。耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地主要集中分布于主城區(qū)邊緣區(qū)及原有農(nóng)村居民點附近，耕地轉(zhuǎn)化為水域主要分布于原有河流水面周圍。發(fā)生以上轉(zhuǎn)變的原因主要是退耕還水、還林政策的實施及快速城鎮(zhèn)背景下建設(shè)用地的不斷擴張。

（2）2005—2016年衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境在一定程度上保持相對穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境變化存在著改善和惡化2種趨勢。從研究結(jié)果可以看出，衡陽市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的主要驅(qū)動因素是建設(shè)用地的擴張，生態(tài)環(huán)境改善的驅(qū)動因素是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)退耕，即生態(tài)服務(wù)價值較低的耕地向生態(tài)服務(wù)價值相對較高的水域轉(zhuǎn)化;同時對不適宜耕種的坡耕地，有步驟地實施生態(tài)退耕。

（3）在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展背景下，建設(shè)用地不斷擴張是必然趨勢，但不能只顧發(fā)展而忽視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。為維持經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的相對平衡，要在建設(shè)用地不斷擴張的同時，盡可能地對建設(shè)用地進(jìn)行內(nèi)涵挖潛，提高城市建設(shè)用地利用效率，從而滿足城市經(jīng)濟發(fā)展的需求。

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（責(zé)編：張宏民）