延安市土地利用變化及生態(tài)效應(yīng)研究

賀炳彥 高婷

摘要：借助地理信息平臺，對陜西省延安市2010—2018年各地類的變化情況作時空分析，計算出各地類間的相互轉(zhuǎn)移情況及動態(tài)變化，并且計算分析各地類的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)環(huán)境貢獻指數(shù)。結(jié)果表明，研究期內(nèi)陜西省延安市建設(shè)用地、其他土地和耕地的增加量最大，林地和園地的減少量最大;除草地和水域外，延安市的其他地類在2010—2014年間的變化率均高于2014—2018年間的變化率;建設(shè)用地面積的增加速率最大，水域面積的減少速率最小。延安市的土地利用變化逐步趨于平穩(wěn)，南部的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略高于北部，林地向其他地類的轉(zhuǎn)化是導(dǎo)致延安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因，其他地類向林地轉(zhuǎn)化是改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

關(guān)鍵詞：土地利用變化;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);生態(tài)貢獻率;延安市;土地利用動態(tài)度

中圖分類號： F301.24 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0286-07

土地利用/覆被變化（LUCC）可以直接反映人類活動對自然環(huán)境的影響，通過分析土地類型（地類）變化趨勢，也可以間接分析預(yù)測出區(qū)域的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢[1]。自LUCC被提出以來，在土地利用/覆被變化動態(tài)監(jiān)測與模擬的基礎(chǔ)上綜合分析人類活動與社會環(huán)境的相互作用逐漸成為研究的熱點[2-5]。研究者針對土地利用變化的研究趨于2個方向，一是通過研究驅(qū)動因素對土地利用動態(tài)變化的幅度和速度的影響，對一定時期內(nèi)土地利用變化進行動態(tài)監(jiān)測，預(yù)測其變化趨勢[6-9];另一方面是對土地利用變化所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以及對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究[10-13]。但對于政策引導(dǎo)后地類變化所造成的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究較少。

自2011年以來，陜西省延安市提出建設(shè) “延安新區(qū)”的設(shè)想，隨后又啟動了以治溝造地為主的生態(tài)修復(fù)工程，這些舉措雖然緩解了建設(shè)用地緊張以及農(nóng)民耕地不足的問題，但是大規(guī)模的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)是當(dāng)下研究的重點問題。

1 研究區(qū)概況

延安市位于陜西省北部，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地處黃河中游，黃土高原的中南地區(qū)，總面積為 37 037 km2（圖1）。延安市屬于暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，年均降水量為605.53 mm，多集中在夏季，且多暴雨，強度大，冬季干旱多西北風(fēng)。延安市的植被覆蓋主要包括耕地、園地、草地、林地等，面積約為 35 466 km2，占總面積的95.76%，其中林地為主要植被覆蓋形式，面積為21 295 km2，占總面積的57.50%，草地面積為8 950 km2，占總面積的24.17%;耕地面積為3 717 km2，占總面積的10.04%，園地面積為1 504 km2，占總面積的4.06%。延安市建設(shè)用地的面積為1 036 km2，占延安市總面積的2.80%。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究依托陜西省延安市歷年土地利用變更調(diào)查及遙感監(jiān)測項目，選取延安市2010年、2014年和2018年3期的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及延安市 1 m 分辨率的數(shù)字正射影像圖和社會經(jīng)濟統(tǒng)計的數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是表達研究區(qū)不同時段的任意2期的土地利用類型間的變化數(shù)量及互相轉(zhuǎn)移的狀態(tài)進行定量的描述，其形式如表1所示。

表1中：Cn表示土地類型;Bn和En分別表示期初和期末各地類的面積;S11、S21、…、Sn1分別表示土地類型C1、C2、…、Cn在B～E期間轉(zhuǎn)換為地類C1的面積;S11、S21、…、S1n分別表示土地類型C1在B～E期間變換為地類C1、C2、…、Cn的面積;Inn為B～E期間土地類型Cn增加的面積;Dnn為B～E期間土地類型Cn減少的面積。

2.2.2 單一土地利用動態(tài)度 某一土地利用類型在一個時間段內(nèi)的變化速度和幅度可以用單一土地利用動態(tài)度來表征[14]。其表達式如下：

式中：K為單一土地利用動態(tài)度，若K值為正值，表示該地類的面積增加，K值越大，增加速率越快;若K值為負值;表示該地類的面積減少，K值越小，減少速率越快;K值絕對值越小，表明該類土地轉(zhuǎn)化為其他類型土地的面積越小，在研究期內(nèi)相對穩(wěn)定;St1、St2分別表示t1、t2時某一土地利用類型的面積。

2.2.3 綜合土地利用動態(tài)度 一定時期內(nèi)土地利用類型間轉(zhuǎn)移的整體情況以及土地利用類型變化的劇烈程度可以用綜合土地利用動態(tài)度表征，其表達式如下：

式中：LC為t時段研究區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度，其值越大，表明區(qū)域土地利用變化越劇烈;ΔSij為研究期初至研究期末第i類土地轉(zhuǎn)化為j類型土地的總面積;Si為研究期初第i類土地的面積總和;n表示區(qū)域內(nèi)所具有的土地利用類型數(shù)量。

2.2.4 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù) 參考李曉文等對西北干旱區(qū)土地利用變化及生態(tài)效應(yīng)的研究[15]，確定了延安市不同地類的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)（表2）。

在考慮研究區(qū)各地類面積的情況下，某一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況（EQ）可用下式來描述：

式中：Si、Di分別表示該區(qū)域內(nèi)t時期第i種土地利用類型所具有的面積、生態(tài)環(huán)境指數(shù);TA表示區(qū)域總面積;n表示區(qū)域內(nèi)所具有的土地利用類型數(shù)量。

2.2.5 生態(tài)環(huán)境貢獻指數(shù) 生態(tài)環(huán)境貢獻指數(shù)可以反映區(qū)域地類之間的轉(zhuǎn)變對生態(tài)環(huán)境的影響程度，土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的作用有2種情況：惡化（貢獻率為負）、改善（貢獻率為正）。具體公式如下：

式中：ECR 表示生態(tài)貢獻率;LA 表示發(fā)生該變化的土地利用面積;LEn+1和LE1分別表示某種土地利用類型期末和期初的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空動態(tài)變化特征

土地利用類型的空間和時間分布特征可以反映一定時期內(nèi)的地類變化趨勢及總體結(jié)構(gòu)特征。本研究對延安市3個時間段土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。由圖2可以看出，（1）延安市南北地域分異明顯，南部多林地，北部林草均衡。通過分析延安市2018年數(shù)據(jù)可得，吳起縣、志丹縣、安塞區(qū)、子長縣、延川縣、延長縣、寶塔區(qū)的草地面積占全市總面積的19.61%，林地面積占全市總面積的23.58%;甘泉縣、富縣、宜川縣、黃陵縣、洛川縣、黃龍縣的草地面積占全市總面積的4.55%，林地面積占全市總面積的32.85%。（2）建設(shè)用地逐步擴張。建設(shè)用地呈現(xiàn)逐步擴張的趨勢，集中在延安中部，主要分布在城區(qū)。2014年、2018年擴張尤為明顯，以市轄區(qū)為中心，沿著河兩邊擴張，最主要的擴張來自于新城區(qū)的開發(fā)。各縣區(qū)用地呈現(xiàn)零星變化，沒有較大幅度的用地結(jié)構(gòu)調(diào)整。

由圖3可知，延安市2010—2018年間土地利用變化呈現(xiàn)以下特點：（1）從總體數(shù)量來看，林地、草地、耕地等土地利用類型的面積相對較多，園地、建設(shè)用地、水域和其他土地土地利用類型的面積相對較少。（2）從變化幅度上看，建設(shè)用地變化率增幅最為明顯，其次是其他土地、耕地;與2010年相比，2018年建設(shè)用地的增幅達到10.75%，其他土地的增幅為3.69%，耕地的增幅為2.89%。草地的變化幅度最不明顯，2010—2018年間，整體的增加變化率只有0.04%。園地面積的減小幅度最大，其次是水域和林地，與2010年相比，2018年園地面積減少了4.76%、水域面積減少了2.34%，林地面積減少了0.63%。（3）除草地和水域外，其他地類在2010—2014年間的變化率高于2014—2018年間的變化率，草地的變化率由負變?yōu)檎?，說明2014—2018年間，草地的退化正在被有效改善，而水域的退化卻日趨嚴(yán)重。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

如表3所示，2010—2018年延安市耕地共增加 13 218.23 hm2，其中，54.19%的新增耕地由林地轉(zhuǎn)化而來，27.19%的新增耕地由園地轉(zhuǎn)化而來。而耕地減少的主要去向是轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，共有 1 721.49 hm2 的耕地被建設(shè)用地占用，占耕地減少面積的61.91%。延安市園地整體呈現(xiàn)減少趨勢，減少的園地有38.06%被恢復(fù)為耕地，45.74%被建設(shè)占用。延安市林地的變化最為明顯，林地增加量僅為1 578.05 hm2，減少量達到了 15 180.21 hm2。林地的增加面積主要來源于草地以及荒廢的園地。轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐牧值卣剂值販p少量的47.19%;轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的林地占林地減少量的38.10%。草地的增加面積主要來源于林地和園地，分別占草地增加量的57.27%、16.30%;減少的草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾推渌恋?，分別占草地減少量的38.23%、15.57%。建設(shè)用地面積增加了 12 241.23 hm2，增加的建設(shè)用地主要來源于林地、園地和耕地，分別占建設(shè)用地增加面積的47.25%、35.29%、14.06%;減少的建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，占建設(shè)用地減少量的83.09%。水域面積增加了 202.84 hm2，增加的水域主要來源于園地和草地，分別占建設(shè)用地增加量的37.76%、23.92%。減少的水域主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地，分別占水域減少量的45.79%、23.22%。其他土地面積增加了 1 199.87 hm2，增加的土地主要來源于園地和耕地，分別占其他土地增減加量的51.08%、14.96%;減少的其他土地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地，分別占其他土地減少量的35.77%、27.57%。

如表4所示，延安市不同時間段不同土地利用類型的動態(tài)度有著明顯差異。從整體來看，建設(shè)用地動態(tài)度最大，其次是其他土地和耕地，草地的動態(tài)度最小。園地、林地、水域的動態(tài)度一直為負值，說明從2010年開始，這3種地類面積在持續(xù)減少。分時段來看，與2010—2014年相比，2014—2018年，耕地、建設(shè)用地、其他土地的單一土地利用動態(tài)度均偏小，說明這幾種地類的變化速率在減緩。2014—2018年，水域的單一土地利用變化度的絕對值高于2010—2014年間，且均為負值，說明水域面積的減少速度在不斷加劇。土地利用綜合動態(tài)度（LC）整體呈現(xiàn)下降趨勢，從 0.001 5% 下降到0.000 6%;說明2010—2014年，延安市整體的土地利用變化相對劇烈。整個研究時段的土地利用綜合動態(tài)度相對于2010—2014年間較小，相對于2014—2018年間較大。說明整個研究時段的土地利用變化狀態(tài)正在逐步趨向于穩(wěn)定。

3.3 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

由公式（3）計算延安市2010年、2014年、2018年各縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，根據(jù)計算的指數(shù)特征，按照等間距法將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分為5個等級。級別越高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)越大，對應(yīng)區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量越高。由圖4可知，在選取的3年中，甘泉縣、富縣、黃龍縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級均最高;延長縣和延川縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級最低;志丹縣和洛川縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級在3年內(nèi)一直保持為3等，吳起縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為2等;寶塔區(qū)和子長縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級呈現(xiàn)波動趨勢，寶塔區(qū)由3等升為4等后又降為3等，子長縣由1等升為2等后又降為1等，安塞縣、黃陵縣、宜川縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級呈現(xiàn)下滑趨勢，安塞縣在2014年下降為3等，2018年保持不變，宜川縣在2018年由4等下降為3等，黃陵縣在2018年由5等下降為4等。

如表5所示，使研究區(qū)生態(tài)惡化最主要的原因是林地轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地，其次是園地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。耕地向園地和林地、草地向林地、建設(shè)用地向耕地的轉(zhuǎn)化是改善研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要的地類轉(zhuǎn)化方式。導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的土地利用轉(zhuǎn)變類型貢獻率的絕對值大于導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的土地利用轉(zhuǎn)變類型貢獻率的絕對值，說明近10年來，延安市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)下滑趨勢。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本研究運用土地轉(zhuǎn)移矩陣和土地動態(tài)度來反映延安市的土地利用變化情況，參考了李曉文等確定的不同地類的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)[15]，計算分析了延安市的生態(tài)變化特征。前人對土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地動態(tài)度的研究利用已經(jīng)非常成熟，通過研究地類之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，進而深入分析影響其發(fā)生變化的原因以及發(fā)生變化后所產(chǎn)生的影響[16-17]。喬偉峰等對轉(zhuǎn)移矩陣做了創(chuàng)新，提出了改進地類變化量和地類動態(tài)度計算模型，提出了地類轉(zhuǎn)移無序度的概念、含義并構(gòu)建了計算模型[18]，為土地利用變化分析提供了新的思路和手段。對于生態(tài)環(huán)境的研究，其著手點也不盡相同，彭建等采用空間格局指數(shù)以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衡量云南省永勝縣土地利用類型的相對生態(tài)價值，并評價其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)，其結(jié)果表明林地對生態(tài)環(huán)境的影響程度最大[19]，本研究利用生態(tài)質(zhì)量指數(shù)計算的結(jié)果與之吻合。本研究只從土地利用類型的變化現(xiàn)狀對生態(tài)環(huán)境進行分析，而造成土地利用類型和生態(tài)環(huán)境變化的因素是復(fù)雜的，使得本研究結(jié)果較為單一，但本研究實現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境變化的快速分析計算，研究方法有待進一步完善，須充分考慮氣候、人類活動等多種因素對生態(tài)環(huán)境的影響，為延安市未來的生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展提供支撐。