合肥市土地利用變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

李雅晴，時 彪，涂麗麗，王慧慧

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230000)

土地利用變化的動態(tài)研究是一個涉及自然條件和社會條件的復(fù)雜過程。人與自然的和諧發(fā)展，土地是最為密切的一環(huán)。土地利用是人類與土地結(jié)合獲得物質(zhì)產(chǎn)品和經(jīng)濟服務(wù)的過程，是生態(tài)文明建設(shè)的主要空間支撐，其變化直接影響著社會的發(fā)展。土地利用變化及生態(tài)環(huán)境的相關(guān)性聯(lián)系引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)正在逐漸成為研究的熱點。呂立剛等[1]在建立“三生”土地利用主導(dǎo)功能分類方案的基礎(chǔ)上，對江蘇省土地利用的功能結(jié)構(gòu)及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)做了定量研究；萬利等[2]通過構(gòu)建生態(tài)價值指數(shù)(EVI)和土地利用變化的生態(tài)價值轉(zhuǎn)移率(TREV)，從土地利用變化所引起的各類型間生態(tài)價值轉(zhuǎn)移的方向、幅度等方面對北京郊區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)進行了定量研究；黃婧等[3]采用土地利用動態(tài)度、土地利用程度指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價法、敏感性分析等方法，揭示了“十二五”期間重慶市土地利用及生態(tài)效應(yīng)變化規(guī)律；張健[4]通過對土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的研究，分析了土地利用/覆蓋變化對生態(tài)環(huán)境的影響；李曉文等[5]對二級地類進行生態(tài)質(zhì)量指數(shù)賦值，建立用地變化和生態(tài)效應(yīng)的關(guān)聯(lián)，對西北干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行了分析。安徽省位于東經(jīng)114°54′～119°37′，北緯29°41′～34°38′之間，東連江蘇，西接河南、湖北，東南接浙江，南鄰江西，北靠山東,有400 km的沿江城市群和皖江經(jīng)濟帶，內(nèi)擁長江水道，外承沿海地區(qū)經(jīng)濟輻射，是長三角的重要組成部分。安徽省省會合肥市地處中國華東地區(qū)、安徽中部、江淮之間、環(huán)抱巢湖，承東啟西、溝通南北，是全省政治、經(jīng)濟、文化中心，也是長三角城市群副中心，“一帶一路”和長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略雙節(jié)點城市。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，土地利用類型的轉(zhuǎn)化速度加快，相應(yīng)地對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了較大的影響。本文從土地利用類型及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的角度出發(fā)，利用合肥市2005～2015年土地利用數(shù)據(jù)，分析土地利用的變化，利用生態(tài)價值指數(shù)和土地利用變化的生態(tài)價值轉(zhuǎn)移率，探討合肥市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，對區(qū)域的土地資源利用提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于2005年、2010年、2015年的Landsat TM影像解譯，利用ArcGIS和ENVI相結(jié)合的技術(shù)，對其進行解譯、裁剪、提取、統(tǒng)計，得到研究區(qū)域的現(xiàn)狀地圖。為方便土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)分析，結(jié)合我國的土地利用現(xiàn)狀分類，將土地分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個類型[6]。

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可以真實反映土地利用類型變化的程度。單一土地利用動態(tài)度可以反映特定區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地的土地利用類型的數(shù)量變化情況[7]：

(1)

式中：K為研究時段內(nèi)單一土地利用動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和研究末期某一種土地利用類型的數(shù)量；T為變化時間段。

2.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化上的實際應(yīng)用，直接反映土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)的變化，揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移速率[8]?；隈R爾科夫原理的地圖代數(shù)運算公式為

(2)

式中：Cij表示從k時期到k+1時期土地利用變化的空間分布與類型轉(zhuǎn)換。

2.2 生態(tài)效應(yīng)分析

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估法是對生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)和自然資本用經(jīng)濟法則所做的估計，由美國學(xué)者Costanza等研究提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的框架，謝高地等學(xué)者結(jié)合中國的實際情況，制定了中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表(如表1所示)[9]。

表1 中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 單位：元/hm2

根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表，運用Costanza的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值公式[10]，結(jié)合合肥市的實際情況，可認(rèn)為建設(shè)用地組成的是人工生態(tài)系統(tǒng)，對生態(tài)功能的貢獻(xiàn)幾乎為零，其表達(dá)式為

(3)

式中：ESV表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；VCi表示研究區(qū)第i種土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)功能價值系數(shù)；Ai表示第i種土地利用類型的面積。

合肥市生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值如表2所示。

表2 合肥市生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 單位：元/hm2

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值生態(tài)貢獻(xiàn)率分析

各時期生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值總量不同，各種土地類型生態(tài)值也是不斷變化的。本研究采用生態(tài)貢獻(xiàn)率，確定生態(tài)服務(wù)價值的主要貢獻(xiàn)因子[11]：

(4)

式中：ESVc表示某土地利用類型的生態(tài)貢獻(xiàn)率；ESVa、ESVb分別表示研究時間段內(nèi)初期、末期某土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

3 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)分析

3.1 土地利用變化分析

用ArcGIS提取各土地利用類型的解譯屬性數(shù)據(jù)，得到合肥市2005年、2010年、2015年土地利用類型面積如表3所示，結(jié)合公式得到合肥市土地利用面積變化動態(tài)度如表4所示。

表3 合肥市2005年、2010年、2015年土地利用類型面積統(tǒng)計 單位：km2

由表3和表4看出：耕地面積逐年減少，2005年至2010年變化率為3.76%，2010年至2015年變化率為2.50%，2005年至2015年10年間耕地面積變化率為6.17%；林地面積變化幅度較大，大量流失，2005年至2010年變化率為0.32%，2010年至2015年變化率為2.68%，2005年至2015年10年間林地面積變化率為2.99%；草地面積微弱減少，2005年至2010年變化率為0.81%，2010年至2015年小幅度上升，其變化率為0.09%，2005年至2015年10年間草地面積變化率為0.72%；水域濕地面積整體呈上升趨勢；建設(shè)用地面積，呈現(xiàn)大幅度上升趨勢，2005年至2015年10年間建設(shè)用地面積變化率為32.06%；未利用地面積微弱減少，2005年至2015年10年間變化率同草地面積變化率相同。單一土地利用類型動態(tài)度分析表明，合肥市2005年至2015年土地利用類型的變化速度依次為建設(shè)用地面積>耕地面積>水域濕地面積>林地面積>草地面積>未利用地面積。

3.2 土地利用變化的方向

通過ArcGIS空間分析模塊，對合肥市2005年、2010年和2015年空間疊加分析，并計算出2005年至2010年、2010年至2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表5和表6所示。

表5 合肥市2005～2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表6 合肥市2010～2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

由表5可知：在2005年至2010年期間，土地累計轉(zhuǎn)出面積最大的土地利用類型是耕地(329.63 km2)，其次是建設(shè)用地(18.69 km2)，然后是草地、林地、水域濕地、未利用地；轉(zhuǎn)入面積最大的土地利用類型是建設(shè)用地(317.76 km2)，其次是耕地(25.20 km2)，然后是水域濕地、林地、草地、未利用地。2005年至2010年期間，耕地累計轉(zhuǎn)出329.63 km2，累計轉(zhuǎn)入25.20 km2，轉(zhuǎn)出主要流向為建設(shè)用地和水域濕地，轉(zhuǎn)入源主要是建設(shè)用地和林地；建設(shè)用地累計轉(zhuǎn)出18.69 km2，累計轉(zhuǎn)入317.76 km2，轉(zhuǎn)出主要流向為耕地，轉(zhuǎn)入源主要是耕地。由表6可知：在2010年至2015年期間，土地累計轉(zhuǎn)出面積最大的土地利用類型是耕地(248.83 km2)，其次是建設(shè)用地(46.30 km2)，然后是林地、草地、水域濕地、未利用地；轉(zhuǎn)入面積最大的土地利用類型是建設(shè)用地(211.45 km2)，其次是耕地(54.15 km2)，然后是水域濕地、草地、林地、未利用地。2010年至2015年期間，耕地累計轉(zhuǎn)出248.83 km2，累計轉(zhuǎn)入54.15 km2，轉(zhuǎn)出主要流向為建設(shè)用地和水域濕地，轉(zhuǎn)入源主要是建設(shè)用地和水域濕地；建設(shè)用地累計轉(zhuǎn)出46.30 km2，累計轉(zhuǎn)入21.45 km2，轉(zhuǎn)出主要流向為耕地，轉(zhuǎn)入源主要是耕地。

4 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)分析

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化分析

根據(jù)表1、表3以及公式(3)，計算得出2005年至2015年期間合肥市6大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值如表7所示。

由表7可知：在2005年至2015年期間，合肥市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值共減少1.27億元，變化較小，可能是不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了相互抵消。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的構(gòu)成來看，水域濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高，占總價值的44%以上；耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少量最大，達(dá)到3.05億元；其他土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化幅度不大。從整體上看，耕地、林地、水域濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值超過總價值的97%，構(gòu)成了合肥生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的主體。

表7 合肥市2005年、2010年、2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值生態(tài)貢獻(xiàn)率分析

合肥市2005年至2015年期間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值生態(tài)貢獻(xiàn)率如表8所示。由表8可知，耕地的生態(tài)服務(wù)價值負(fù)向變化最大，2005～2010年間高達(dá)77.5%，2010～2015年間降到39.9%，主要是因為城市化進程的加快，建設(shè)用地的擴張侵占了耕地，致使耕地面積不斷減少，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也隨之減少；水域濕地的生態(tài)貢獻(xiàn)率變化幅度最大，在2010～2015年間由之前的20.4%上升到52.5%，主要是由于政府制定并實施的生態(tài)破壞補償和生態(tài)保護補償機制，部分水域濕地得以恢復(fù)；草地的生態(tài)貢獻(xiàn)率變化幅度不大，2005～2015年間為0.4%；未利用地在整個研究期的面積較小，加上本身該地類的單位面積生態(tài)服務(wù)價值微乎其微，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值生態(tài)貢獻(xiàn)率接近于零。

表8 合肥市2005年、2010年、2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值生態(tài)貢獻(xiàn)率 單位：%

5 結(jié) 語

以安徽省省會合肥市為例，對研究區(qū)域的衛(wèi)星圖片進行分析處理，提取出土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，運用相關(guān)理論知識對土地利用及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化進行分析。在2005年至2015年期間，合肥市的耕地面積、林地面積、草地面積、未利用地面積均有不同程度的減少，建設(shè)用地、水域濕地面積大幅度增加；土地利用動態(tài)度表明耕地、林地、水域濕地、建設(shè)用地變化明顯，而草地、未利用地的變化不明顯；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值共減少1.27億元，有小幅度的下降趨勢，耕地面積的減少對研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的下降影響最大，水域濕地面積的增加在一定程度上提升了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值流失的根本原因是城市的擴張，致使大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)用地。