基于土地利用轉(zhuǎn)型的喀斯特山區(qū)流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)

劉純軍, 周國(guó)富, 黃啟芬, 周宇洋, 張迪

基于土地利用轉(zhuǎn)型的喀斯特山區(qū)流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)

劉純軍, 周國(guó)富*, 黃啟芬, 周宇洋, 張迪

貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001

基于貴州省烏江流域2000年、2010年以及2017年土地利用數(shù)據(jù), 運(yùn)用ArcGIS 10.2、ENVI 5.3、GS+9.0等工具, 通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)以及土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率定量分析貴州省烏江流域土地利用轉(zhuǎn)型以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。結(jié)果表明: (1)2000—2017年, 烏江流域的土地利用轉(zhuǎn)型表現(xiàn)為生產(chǎn)用地迅速減少, 生態(tài)用地先增加后減少, 生活用地增長(zhǎng)迅速; (2)烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從2000年的0.612增加到2010年的0.613, 2017年降至0.607, 整體質(zhì)量有所惡化, 高質(zhì)量區(qū)與較高質(zhì)量區(qū)構(gòu)成了烏江流域土地利用環(huán)境狀況的主體; (3)2000—2017年, 烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量同時(shí)存在改善與惡化兩種趨勢(shì), 生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)大于改善趨勢(shì), 林地與牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因素。

土地利用轉(zhuǎn)型; 喀斯特; 生態(tài)環(huán)境效應(yīng); 烏江流域

0 前言

流域作為完整的自然地理單元, 是人類活動(dòng)的重要場(chǎng)所之一[1]。然而, 隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快, 頻繁的人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致流域內(nèi)產(chǎn)生一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題, 包括生態(tài)系統(tǒng)荒漠化、植被退化和水土流失等, 致使生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。土地利用/覆被變化(LUCC)是流域內(nèi)人類活動(dòng)的真實(shí)反映[2], 是影響上述生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的重要因素之一, 合理的土地利用方式對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用[3-4]。因此, 開(kāi)展流域土地利用/覆被變化研究, 對(duì)解析其生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義。

土地利用轉(zhuǎn)型作為研究土地利用/覆被變化的一種新途徑[5], 最早是由英國(guó)利茲大學(xué)的學(xué)者Grainger提出[6], 21世紀(jì)初被國(guó)內(nèi)學(xué)者龍花樓引入中國(guó)[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合中國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn), 在土地利用轉(zhuǎn)型的理論與假說(shuō)、土地利用轉(zhuǎn)型與鄉(xiāng)村振興、轉(zhuǎn)型以及景觀格局變化[8-12]等方面研究取得了巨大的進(jìn)展。區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中, 土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)是全球研究的重要內(nèi)容之一[13], 研究?jī)?nèi)容包含了大氣成分以及地表生態(tài)系統(tǒng)。目前, 關(guān)于土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)影響的研究主要有3類: 一是對(duì)區(qū)域水、氣、生等單要素的影響分析[14-16]; 二是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響分析; 三是對(duì)景觀格局的影響分析[17]。而基于土地利用轉(zhuǎn)型, 探討典型喀斯特地區(qū)大尺度流域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)尚不多見(jiàn)。

烏江流域是貴州省境內(nèi)最大的流域, 是典型的喀斯特地區(qū), 是國(guó)家發(fā)改委確定的18個(gè)國(guó)土資源重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)之一, 同時(shí)也是《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》劃定的重要的水源涵養(yǎng)區(qū)與土壤保持區(qū)。流域內(nèi)由于其特殊的地形地貌特點(diǎn), 加之自然與人為因素的相互作用, 其水土流失、石漠化等問(wèn)題日益嚴(yán)重, 生態(tài)環(huán)境十分脆弱[18-20]。近年來(lái), 許多學(xué)者從土地利用變化、生態(tài)脆弱性以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等方面對(duì)烏江流域進(jìn)行了綜合探討, 并取得了豐碩的成果[21-23]。但是, 針對(duì)烏江流域土地利用/覆被變化的研究還有些許不足, 主要體現(xiàn)在從土地用途的視角研究土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。因此, 本文以貴州省烏江流域?yàn)槔? 結(jié)合生產(chǎn)—生態(tài)—生活的空間劃分方法, 定量描述喀斯特山區(qū)流域土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響, 對(duì)于響應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的生態(tài)文明建設(shè)以及為流域土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

貴州省烏江流域(以下簡(jiǎn)稱“烏江流域”)位于云貴高原的東部(26°15′N—29°21′N, 104°31′E—108° 79′E), 地勢(shì)呈西南高、東北低。烏江發(fā)源于威寧縣鹽倉(cāng)鎮(zhèn)西南, 其干流從河源至化屋基為上游, 化屋基至思南為中游, 思南至重慶涪陵為下游。烏江流域是典型的喀斯特地區(qū), 喀斯特區(qū)域約占總面積的94.34%。烏江流域?qū)賮啛釒Ц咴撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候, 植被類型以常綠針葉林以及常綠闊葉林為主[24]。流域內(nèi)近10年平均氣溫為13—18℃, 平均降雨量800— 1600 mm。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取烏江流域2000年、2010年以及2017年3期土地利用作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 其中2000年與2010年土地利用數(shù)據(jù)源于“貴州省生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010) 變化遙感調(diào)查與評(píng)估”, 2017年土地利用數(shù)據(jù)采用ENVI 5.3對(duì)Landsat 8 OLI遙感影像(來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云: http://www.gscloud.cn)進(jìn)行監(jiān)督分類以及目視解譯獲得, 空間分辨率30 m×30 m。土地利用分類參照國(guó)際IGBP的LUCC 分類并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況, 將研究區(qū)的土地利用分類系統(tǒng)分為耕地、林地、草地、水域、未利用地、建設(shè)用地6個(gè)一級(jí)分類以及18個(gè)二級(jí)分類。

基于土地利用主導(dǎo)功能視角, 按照“生產(chǎn)、生態(tài)、生活”的空間劃分方法歸并土地利用數(shù)據(jù)中各用地類型, 建立研究區(qū)“三生”土地利用主導(dǎo)功能分類方案。同時(shí), 參照學(xué)者李曉文[25]、楊清可[26]以及胡鋒[27]等的研究成果制定烏江流域不同的二級(jí)地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量值(表1)。

2.2 研究方法

2.2.1 建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

采用土地轉(zhuǎn)移矩陣模型來(lái)反映研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)功能的轉(zhuǎn)型。該方法源自于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[28], 能夠具體刻畫土地利用的結(jié)構(gòu)特征與用地功能類型變化。具體過(guò)程是將土地利用變化轉(zhuǎn)移的面積按矩陣的形式加以列出, 作為土地利用結(jié)構(gòu)與方向變化分析的基礎(chǔ), 分

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

Figure 1 Geographical location of the study area

表1 土地利用主導(dǎo)功能分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)表

析土地利用變化的原因與過(guò)程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:為面積;為研究區(qū)土地利用類型數(shù);,分別為研究初期與末期的土地利用類型。采用ArcGIS 10.2分別將不同時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析, 導(dǎo)出數(shù)據(jù)后利用Excel數(shù)據(jù)透視表處理, 得到研究區(qū)2000—2010年以及2010—2017年的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2.2 分析土地利用類型的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

(1)生態(tài)單元環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。為定量反映研究區(qū)內(nèi)生態(tài)單元環(huán)境質(zhì)量狀況以及各土地利用所具有的生態(tài)質(zhì)量及面積比例, 采用面積加權(quán)法計(jì)算研究區(qū)“三生用地”分類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 其表達(dá)式為[29]:

式中:EV為第個(gè)生態(tài)單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);R為第類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);A為第個(gè)生態(tài)單元內(nèi)用地類型的面積;A為第個(gè)生態(tài)單元的面積;為土地利用類型數(shù)目。

本文選取格網(wǎng)作為研究尺度, 以各用地圖斑作為采樣點(diǎn), 格網(wǎng)大小依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定[30], 即格網(wǎng)的數(shù)量大約是采樣點(diǎn)的1/2。研究區(qū)2000年、2010年以及2017年的土地利用數(shù)據(jù)斑塊數(shù)均為7.2萬(wàn)個(gè), 經(jīng)過(guò)多次測(cè)試, 選取大小為1.44 km×1.44 km的正方形網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)進(jìn)行等間距采樣, 生成近3.3萬(wàn)個(gè)樣區(qū)。

(2)地統(tǒng)計(jì)分析。采用半方差分析方法定量描述研究區(qū)的空間變異特征, 它可以反映隨距離而變化的空間變異程度[31], 其表達(dá)式為:

式中:為半方差;為樣本間距;z(x+h)是位于x,x+h處的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量值;是間距為的樣本對(duì)總數(shù)。

運(yùn)用ArcGIS 10.2將3.3萬(wàn)個(gè)生態(tài)單元的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦給樣區(qū)中心點(diǎn); 然后將樣區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)輸入GS+9.0中重新計(jì)算并檢驗(yàn)是否符合正態(tài)分布, 運(yùn)用半方差函數(shù)進(jìn)行擬合, 得到塊金值、基臺(tái)值和變程等參數(shù)。各參數(shù)中, 塊金值指由于存在測(cè)量誤差和空間變異而使得半變異函數(shù)值不為0, 這個(gè)不為0的值為塊金值, 塊金值越大則表示烏江流域空間異質(zhì)性變化越快; 基臺(tái)值指半變異函數(shù)r(h)從初始的塊金值隨著采樣點(diǎn)間的距離h增大而達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)常數(shù), 該常數(shù)值稱為基臺(tái)值。最后運(yùn)用克里格法對(duì)烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行空間插值, 采用自然斷點(diǎn)法將其劃分為五級(jí): 低質(zhì)量區(qū)(≤0.2)、較低質(zhì)量區(qū)(0.2<≤ 0.35)、中質(zhì)量區(qū)(0.35<≤0.5)、較高質(zhì)量區(qū)(0.5<≤0.65)、以及高質(zhì)量區(qū)(>0.65)。

(3)土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率。土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率反映的是某種土地利用類型變化而引起的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的改變, 其表達(dá)式為[29]:

式中:為土地利用功能轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率;LE、LE為某種土地利用變化類型所反映的變化初期和末期土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);為該土地利用類型變化面積;為區(qū)域總面積。

利用地圖代數(shù)與轉(zhuǎn)移矩陣獲取研究區(qū)各類三生用地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況, 并結(jié)合Excel數(shù)據(jù)透視表分離出諸多土地利用類型中影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的功能類型, 探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主導(dǎo)因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用轉(zhuǎn)型分析

3.1.1 土地利用基本情況

從一級(jí)地類來(lái)看, 烏江流域土地利用功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中, 生產(chǎn)用地面積從2000年的23223.18 km2降至2017年的22517.29 km2, 減少了3.13%; 生態(tài)用地從2000年至2017年表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì); 生活用地呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì), 2017年增長(zhǎng)至1101.83 km2, 較2000年增加了3倍之多。從二級(jí)地類來(lái)看, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與林地生態(tài)用地所占比重最大, 分布最廣, 2017年分別占總面積的33.18%、49.93%; 其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地集中分布于畢節(jié)市東南向的大方縣、金沙縣、黔西縣以及遵義市東北向的正安縣, 林地生態(tài)用地主要分布在遵義市東北至東南地區(qū), 包括湄潭縣、余慶縣等區(qū)域。牧草生態(tài)用地面積為9101.76 km2, 占總面積的13.61%, 主要分布于烏江流域北部, 其中畢節(jié)市至六盤水地區(qū)一帶分布最廣, 其次為貴陽(yáng)市。烏江流域城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活用地面積較少, 占比分別為1.0%和0.69%。而其他生態(tài)用地面積最少, 僅占總面積的0.01%, 主要分布于北部的清鎮(zhèn)市?？傮w上看, 烏江流域生態(tài)用地面積所占比重最大, 生產(chǎn)用地次之, 說(shuō)明烏江流域土地利用程度開(kāi)發(fā)較低, 后備土地資源較充裕(表2、圖2)。

2000—2017年, 烏江流域的土地景觀格局發(fā)生了明顯變化, 牧草生態(tài)用地與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地大幅減少, 分別減少了2002.04 km2和960.18 km2; 城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地、工礦生產(chǎn)用地以及水域生態(tài)用地明顯增加, 分別增加了497.90 km2、335.89 km2、254.29 km2以及515.38 km2。其中城鎮(zhèn)生活用地年均增長(zhǎng)20.25%, 增幅最大, 表明由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展, 生活用地需求增大, 導(dǎo)致土地供需矛盾逐步加劇, 但由于地形地貌、經(jīng)濟(jì)政策以及交通區(qū)位等因素的制約, 各用地類型變化差異較大。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)型模式

利用空間分析功能對(duì)烏江流域三期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析, 獲取不同時(shí)期的土地利用功能類型的轉(zhuǎn)移模式, 明確土地利用功能類型相互轉(zhuǎn)化的方向和數(shù)量(表3—4), 在此基礎(chǔ)上探討不同土地利用類型間的內(nèi)部轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明: 烏江流域2000—2017年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與牧草生態(tài)用地持續(xù)減少, 林地生態(tài)用地、水域生態(tài)用地、城鎮(zhèn)生活用地以及農(nóng)村生活用地穩(wěn)步增長(zhǎng)。其中2000—2010年, 林地生態(tài)用地主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與水域生態(tài)用地,轉(zhuǎn)移面積分別為330.15 km2和46.91 km2, 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移率分別為1.03%和0.15%; 牧草生態(tài)用地與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要轉(zhuǎn)化為林地生態(tài)用地, 轉(zhuǎn)移面積分別為861.63 km2和798.74 km2, 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移率分別為7.76%和3.45%; 其他土地利用類型之間均有不用程度的轉(zhuǎn)化, 但轉(zhuǎn)化不明顯。2010—2017年間, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為林地生態(tài)用地的面積分別為2000—2010年的7.09倍和1.91倍, 分別轉(zhuǎn)化了5661.47 km2和1641.99 km2, 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)入率分別為24.93%和16.23%。上述結(jié)論表明: 2000—2017年, 烏江流域林地生態(tài)用地轉(zhuǎn)入的地類中, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地占比最大, 主要是因?yàn)橘F州省響應(yīng)了國(guó)家的生態(tài)文明建設(shè), 實(shí)施了一系列政策, 包括退耕還林、封山育林等, 發(fā)揮了重要的作用。

圖2 2000—2017年烏江流域“三生”土地利用狀況

Figure 2 The ecological-living-industrial land use of the Wujiang River Basin

表2 2000—2017年烏江流域各地類面積及其變化(km2)

3.2 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

3.2.1 生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量時(shí)空演變

根據(jù)式(2)計(jì)算出烏江流域3.3萬(wàn)個(gè)生態(tài)單元中心點(diǎn)的質(zhì)量值, 在GS+9.0中顯示并開(kāi)展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分異研究。經(jīng)過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合可得到2000—2017年烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)半變異函數(shù)的相關(guān)參數(shù)(表5)。結(jié)果表明: 3期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的塊金值/基臺(tái)值[Co/(Co+C)]分別為8.62%、8.61%、8.56%, 總體變化不大并且比值較小, 說(shuō)明結(jié)構(gòu)性因素(地形地貌、水文等自然因素)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間異質(zhì)性程度起主要作用, 但仍存在一些非結(jié)構(gòu)性因素的制約。基臺(tái)值(Co+C)從0.01354增加至0.0188, 說(shuō)明烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布差異性逐漸擴(kuò)大。變程(Ao)從2000年的24300緩慢擴(kuò)大到2017年的26400, 說(shuō)明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性范圍呈緩慢增加的趨勢(shì)。

(1)時(shí)序變化

烏江流域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從2000年的0.612增加到2010年的0.613, 隨后降至2017年的0.607, 整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì), 說(shuō)明整體質(zhì)量水平有所惡化。各級(jí)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量值表現(xiàn)出以下差異(表6): 2000—2017年，低質(zhì)量區(qū)、較低質(zhì)量區(qū)、中質(zhì)量區(qū)以及高質(zhì)量區(qū)面積持續(xù)增加,呈不斷擴(kuò)張的趨勢(shì)。其中低質(zhì)量區(qū)占比從2000年的0.01%增至2017年的0.1%; 較低質(zhì)量區(qū)面積增至893.37 km2, 面積增長(zhǎng)了7倍, 占比為1.34%，中質(zhì)量區(qū)與高質(zhì)量區(qū)面積分別增加了3247.18 km2、2607.4 km2。此外, 較高質(zhì)量區(qū)面積所占比重持續(xù)下降, 2000—2017年下降了10個(gè)百分點(diǎn), 年均下降0.59%。

表4 2010—2017年貴州省烏江流域土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

表5 半方差函數(shù)擬合

表6 烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)面積及比重

通過(guò)分析烏江流域2000—2017年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積轉(zhuǎn)移矩陣(表7—8), 結(jié)果表明: 2000—2017年, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)增加的面積為9814.34 km2, 質(zhì)量等級(jí)降低的面積為11491.61 km2。其中, 2000—2010年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)下降的面積為3548.9 km2, 占總面積的5.3%, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)增加的面積為4542.89 km2, 占總面積的6.79%。2010—2017年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)下降的面積為7942.71 km2, 占比為11.87%, 面積擴(kuò)大了2.24倍, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)增加的面積為5271.45 km2, 占比為7.88%, 面積擴(kuò)大了1.16倍。數(shù)據(jù)表明: 2000—2010年烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)增加的面積要多于下降的面積是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)上升的主要原因, 主要由較高質(zhì)量區(qū)轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量區(qū); 2010—2017年烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)下降的面積要多于增加的面積是整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平惡化的重要因素, 主要由較高質(zhì)量區(qū)向中質(zhì)量區(qū)以及高質(zhì)量區(qū)向較高質(zhì)量區(qū)轉(zhuǎn)化?？傮w上看, 高級(jí)別的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域表現(xiàn)出下降的趨勢(shì), 是區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平惡化的主要原因。

表7 2000—2010年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

表8 2010—2017年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

(2)空間變化

烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)整體上呈現(xiàn)“東北高西南低”的空間格局(圖3)。高質(zhì)量區(qū)集中分布于遵義市的綏陽(yáng)縣、湄潭縣、余慶縣以及貴陽(yáng)市的開(kāi)陽(yáng)縣、息烽縣與修文縣, 功能類型主要為林地和牧草生態(tài)用地, 占比為38.03%。較高質(zhì)量區(qū)主要位于烏江流域的東北一帶, 包括務(wù)川縣、正安縣以及鳳岡縣等區(qū)域, 占總面積的46.36%。中質(zhì)量區(qū)與較低質(zhì)量區(qū)范圍不斷擴(kuò)大, 主要分布于畢節(jié)地區(qū)的大方縣、織金縣、黔西縣, 占比為15.51%; 低質(zhì)量區(qū)主要分布于貴陽(yáng)市轄區(qū), 占比為0.1%。

2000—2017年, 烏江流域城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活用地增長(zhǎng)較快, 但受到地形地貌的影響, 呈現(xiàn)零星分布的趨勢(shì), 導(dǎo)致低質(zhì)量區(qū)與較低質(zhì)量區(qū)擴(kuò)張緩慢, 年均增長(zhǎng)不足0.1%; 林地與水域生態(tài)用地面積不斷增加, 高質(zhì)量區(qū)空間范圍不斷擴(kuò)張, 究其原因, 得益于流域內(nèi)近年來(lái)開(kāi)展的石漠化綜合治理工程、退耕還林還草工程等生態(tài)質(zhì)量治理工程以及水庫(kù)、水塘、發(fā)電站等水利設(shè)施工程的建設(shè), 同時(shí)該區(qū)域受到地形地貌因素的制約, 限制了工礦業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)的集聚, 致使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平較高。而相比于高質(zhì)量區(qū)域面積的增加, 較高質(zhì)量區(qū)面積不斷下降, 年均下降1.01%, 主要是受區(qū)域人口密度增加、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快等人類活動(dòng)的影響, 并且近年來(lái)貴州省發(fā)展迅速, 實(shí)施了一系列政策如“縣縣通高速”等, 使得流域內(nèi)具有較高生態(tài)意義的景觀類型面積減少, 從而導(dǎo)致較高質(zhì)量區(qū)空間范圍不斷收縮。

圖3 烏江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布

Figure 3 Distribution of ecological environment quality in the Wujiang River Basin

表9 影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要用地轉(zhuǎn)型及貢獻(xiàn)率

3.2.2 主要土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

利用ArcGIS的空間疊加分析, 提取出烏江流域各土地利用類型的轉(zhuǎn)移情況, 根據(jù)公式(4)計(jì)算出各功能用地轉(zhuǎn)型對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)度(表9)。2000—2010年, 致使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善主導(dǎo)因素主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地與牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為林地生態(tài)用地, 轉(zhuǎn)化面積分別為798.74 km2和861.63 km2。2010—2017年, 導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的土地利用轉(zhuǎn)型主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為林地、牧草與水域生態(tài)用地, 轉(zhuǎn)化面積總共為7429.77 km2; 而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的因素主要是林地與牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地, 轉(zhuǎn)化面積總共為7475.74 km2。

4 討論與結(jié)論

參照前人對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的賦值, 雖然能夠綜合定量分析烏江流域土地利用變化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系, 但略帶主觀性。因此, 針對(duì)不同的區(qū)域與不同的土地利用分類系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境指數(shù)的賦值可作為下一步研究的方向, 使之更加符合喀斯特山區(qū)流域的實(shí)際情況。烏江流域位于典型的喀斯特地區(qū), 流域內(nèi)地貌以山地與丘陵為主, 加之喀斯特地區(qū)特殊的二元結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致流域內(nèi)水土流失, 地表破碎, 土地不連續(xù)等問(wèn)題[32], 同時(shí)由于人多地少, 人地矛盾突出, 使得流域內(nèi)耕地細(xì)碎化程度加深。而本文未能考慮到由于上述喀斯特地區(qū)特點(diǎn)所引起區(qū)域耕地細(xì)碎化等因素給結(jié)果帶來(lái)的影響, 存在一定的缺陷, 因此可將喀斯特山區(qū)耕地細(xì)碎化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系作為下一階段研究喀斯特山區(qū)流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的突破點(diǎn)。 2000—2017年, 烏江流域的土地利用轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)為生產(chǎn)用地面積的減少, 生態(tài)用地先增加后減少以及生活用地的增加。近17年, 烏江流域高質(zhì)量區(qū)與較高質(zhì)量區(qū)構(gòu)成了土地利用環(huán)境狀況的主體, 占比在80%以上; 低質(zhì)量區(qū)、較低質(zhì)量區(qū)與中質(zhì)量區(qū)三者占比在20%以下。研究區(qū)內(nèi)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的土地利用轉(zhuǎn)型主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化為林地、牧草與水域生態(tài)用地, 而林地與牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因素。

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Ecological environment effect on the karst mountain watershed based on land use transition

LIU Chunjun, ZHOU Guofu*, HUANG Qifen, ZHOU Yuyang, ZHANG Di

College of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China

Based on the land use data of Wujiang River Basin in Guizhou Province in 2000,2010 and 2017, a quantitative analysis of land use transformation and ecological environment effect in Wujiang River Basin of Guizhou Province was conducted through transfer matrix, eco-environmental quality index and ecological contribution rate of land use transformation, by using ArcGIS 10.2, ENVI 5.3, GS+9.0. The results showed that: (1)From 2000 to 2017, land use changes in the Wujiang River Basin showed a rapid decrease in productive land, an increase in ecological land and then a decrease, and a rapid increase in living land; (2)the index of eco-environment quality in Wujiang River Basin increased from 0.612 in 2000 to 0.613 in 2010, and decreased to 0.607 in 2017; the overall quality had been deteriorated. The high-quality area and the higher-quality area constituted the main body of the land use environment in the Wujiang River Basin; (3)from 2000 to 2017, there were two trends of ecological improvement and deterioration in the Wujiang River Basin. In the whole, the eco-environment quality of land use pattern declined slightly. The main factor causing the deterioration of the ecological environment quality was that ecological forestry and pasture land was translated into agricultural production land.

land use transition; karst; eco-environment; Wujiang basin

劉純軍, 周國(guó)富, 黃啟芬, 等. 基于土地利用轉(zhuǎn)型的喀斯特山區(qū)流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(3): 102–111.

LIU Chunjun, ZHOU Guofu, HUANG Qifen, et al. Ecological environment effect on the karst mountain watershed based on land use transition[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 102–111.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.013

X171.1

A

1008-8873(2021)03-102-08

2020-01-07;

2020-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41771115)

劉純軍(1993—), 男, 貴州鳳岡人, 碩士研究生, 主要從事水土保持與國(guó)土整治研究方向, E-mail: 1264000514@qq.com

周國(guó)富, 男, 教授, 主要從事水土保持與國(guó)土整治研究方向, E-mail: 283000395@qq.com