寧夏“三生”用地功能轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

蔣忙舟

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降是制約當(dāng)前社會發(fā)展的重要因素之一，其直接影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展［1］。自20世紀(jì)90年代以來，我國城市化的快速推進(jìn)加劇了土地利用的轉(zhuǎn)型，由此導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題［2］，如大氣污染、水質(zhì)惡化、森林資源減少、生物多樣性降低等，這些問題嚴(yán)重制約了生態(tài)系統(tǒng)功能和國土資源的可持續(xù)利用［3-4］。土地利用轉(zhuǎn)型的表現(xiàn)形式之一為其主導(dǎo)功能發(fā)生了變化，如土地的調(diào)節(jié)功能、供給功能、支持功能、承載功能等［5-6］，簡單地來說，即“三生”（生產(chǎn)-生態(tài)-生活）用地主體功能之間的相互轉(zhuǎn)換，最終造成了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量朝著正向或負(fù)向發(fā)生演變［7］。因此，準(zhǔn)確掌握區(qū)域土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化和空間分布是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要途徑。

近年來，隨著3S等空間可視化技術(shù)的發(fā)展，土地利用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的度量有了新的發(fā)展。如植被凈初級生產(chǎn)力［8-10］（NPP）、植被覆蓋指數(shù)［11-12］（NDVI）、生態(tài)容量［13-14］（ESC）等指標(biāo)被用來通過監(jiān)測植被生物量而反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化。另外，還有基于遙感解譯的LUCC數(shù)據(jù)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行測度，如改進(jìn)的遙感生態(tài)指數(shù)［15-16］（MRSEI）、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值［17-18］（ESV）、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)［19］（EQI）等。高精度的遙感影像為科學(xué)劃分不同土地利用提供了有效手段，在一定程度上反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的差異。以往的研究針對不同地域單元基于一級土地分類進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量賦值［20］。本研究采用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法（EV）來描述區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的空間演化特征，其基于二級土地利用進(jìn)行賦值，能夠更加精細(xì)地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；采用李曉文等［21］針對西北地區(qū)提出的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法，并結(jié)合面積加權(quán)法來測度寧夏區(qū)域“三生”用地生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和“三生”用地轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率，明確了不同發(fā)展時期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間演變特征，可以為緩解寧夏生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化和國土資源規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

寧夏位于我國西北地區(qū)，地處黃河中上游，總面積6.64萬km2。屬溫帶大陸性氣候，年降雨量300～677 mm。地勢從北向南遞增，平均海拔在1100～2000 m之間。寧夏全區(qū)共有自然保護(hù)地125個，主要涉及自然保護(hù)區(qū)、森林公園、國家級沙化土地封禁區(qū)等［22］；與此同時，作為西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障，寧夏全區(qū)資源環(huán)境承載力有限、三面環(huán)沙、干旱少雨、生態(tài)環(huán)境本底脆弱，因此，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響我國西北地區(qū)的生態(tài)安全。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用寧夏土地利用數(shù)據(jù)來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫（http：//www.resdc.cn），選取年份為1990、2000、2010、2018年共4期。在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合寧夏的實際情況，從經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)空間、生態(tài)環(huán)境空間、宜居生活空間的視角，基于“自上而下，功能分級”的原則，利用現(xiàn)有的土地分類體系進(jìn)行生產(chǎn)、生態(tài)、生活空間的劃分［23］（表1）。根據(jù)劃分的“三生”用地，采用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)建立不同地類與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間的“橋梁”關(guān)系，對不同土地利用進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的賦值。

表1 土地利用分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

將“三生”用地下的二級地類分別用阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編碼，在ArcGis 10.2軟件中進(jìn)行圖譜單元代數(shù)疊加，計算公式如下：

式（1）中：T為土地利用圖譜碼；A、B分別為研究初期、末期土地利用單元編碼值。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

2.3.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù) 通過漁網(wǎng)模型進(jìn)行等距離采樣來建立土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。其計算公式如下：

式（2）中：Evi、Ri分別為第i個單元的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和第i類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Aki、Ak、N分別為第k個生態(tài)單元內(nèi)土類i的面積、第k個單元的總面積、土地利用類型數(shù)量。

計算得到單元格的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)后，采用克里金插值法得到了寧夏整個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)空間分布圖（圖1），并對其進(jìn)行分級［24-25］（表2）。

表2 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的分級

2.3.2 土地利用功能轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率（LEI） 其計算公式如下：

式（3）中：LEt+1、LEt分別為不同土地利用類型在研究初期、末期具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LA為研究初期、末期同一土地利用變化面積；TA為區(qū)域總面積。找出制約區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的土地利用轉(zhuǎn)型方式，有助于探尋影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的主要因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 “三生”用地轉(zhuǎn)型模式

為了明確寧夏不同年份土地利用間的相互轉(zhuǎn)型關(guān)系，運用ArcGis 10.2軟件獲得了寧夏不同時期土地利用功能轉(zhuǎn)化的方向和面積（表3），表3中僅列出轉(zhuǎn)化比率較大的土地利用類型。

表3 1990～2018年寧夏主要“三生”用地轉(zhuǎn)型排序

1990～2000年，寧夏“三生”用地共發(fā)生了33類功能之間的轉(zhuǎn)型，總轉(zhuǎn)型面積4510.18 km2，主要由生態(tài)用地向其他功能用地轉(zhuǎn)型。其中牧草生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)化面積最大，累計比率達(dá)到60.45%，主要轉(zhuǎn)型發(fā)生在黃河和清水河水源較豐富的地帶；而生產(chǎn)用地僅向生態(tài)用地轉(zhuǎn)移181.01 km2，累計變化比率為4.01%。

2000～2010年寧夏地區(qū)有53類土地利用類型發(fā)生功能轉(zhuǎn)型，累計轉(zhuǎn)換面積達(dá)5935.26 km2，較上一階段增加了1425.08 km2。其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地向牧草生態(tài)用地轉(zhuǎn)型1377.69 km2；與此同時，牧草生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)型1020.45 km2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積增加了357.24 km2。這一階段農(nóng)村生活用地面積開始增加，主要由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)入277.12 km2，變化比率達(dá)到4.67%；林地生態(tài)用地的面積也得到增加，由生產(chǎn)用地和生態(tài)用地分別轉(zhuǎn)入189.57和343.31 km2。

2010～2018年寧夏地區(qū)有56類土地利用類型發(fā)生功能轉(zhuǎn)型，總轉(zhuǎn)型面積達(dá)3910.43 km2，較上一階段減少了2024.83 km2。8年間以生產(chǎn)和生態(tài)用地功能轉(zhuǎn)型為主。牧草生態(tài)用地進(jìn)一步減少，減少面積達(dá)1614.51 km2，主要受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工礦生產(chǎn)用地的擠占。生產(chǎn)用地主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地的形式向牧草生態(tài)用地和農(nóng)村生活用地分別轉(zhuǎn)出663.61和117.08 km2。與此同時，整個研究階段生活用地向外轉(zhuǎn)出面積未排入轉(zhuǎn)型圖譜前10位。

3.2 “三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)時空演變

總體來看，寧夏地區(qū)1990、2000、2010、2018年的平均生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別為0.455、0.443、0.444、0.438，中質(zhì)量區(qū)和較高質(zhì)量區(qū)面積占比超過80%，但較低質(zhì)量區(qū)面積逐年增大，較高質(zhì)量區(qū)面積逐年減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降。

從時間上來看（表4），1990～2000年，寧夏生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)小幅度減少，其中較低質(zhì)量區(qū)面積增加1575.59 km2，增加2.38個百分點；中質(zhì)量區(qū)面積10年間增加5.74個百分點；但較高質(zhì)量區(qū)面積由1990年的19200.71 km2減少至2000年的13787.69 km2，年均減少541.302 km2；高質(zhì)量區(qū)面積保持穩(wěn)定。2000～2010年，低質(zhì)量區(qū)面積減少0.18個百分點；高質(zhì)量區(qū)面積比例下降0.05個百分點，減少面積36.07 km2；其他類型質(zhì)量區(qū)面積在這10年間基本保持穩(wěn)定。2010～2018年，生態(tài)環(huán)境低質(zhì)量區(qū)和較低質(zhì)量區(qū)面積小幅度增加，中質(zhì)量區(qū)和較高質(zhì)量區(qū)面積輕微減少，高質(zhì)量區(qū)面積則增加74.04 km2。

表4 寧夏生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級區(qū)的面積和比重

總體來看，1990～2018年，較高質(zhì)量區(qū)面積減少達(dá)6731.44 km2，較低質(zhì)量區(qū)面積反而增加3385.52 km2，與此同時，較高質(zhì)量區(qū)僅增加39.6 km2。

從空間角度來看（圖1），寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)具有明顯的空間差異性，自北向南生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)向好發(fā)展，呈現(xiàn)“北低南高”的空間差異性。低質(zhì)量區(qū)集中分布在寧夏西北部的中衛(wèi)市，由于地處騰格里沙漠，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)較差，占比由1990年的0.95%增長至2018年的1.06%。較低質(zhì)量區(qū)連片分布在寧夏北部中衛(wèi)市騰格里沙漠地帶、石嘴山市和銀川市交界處，以及吳忠市和銀川市的部分地區(qū)，面積比重逐年小幅度上升，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)一方面受制于城市的擴(kuò)張較快，另一方面受制于當(dāng)?shù)夭傻V業(yè)的不斷擴(kuò)大。中質(zhì)量區(qū)在寧夏區(qū)域分布最為廣泛，面積占比達(dá)60%以上。較高質(zhì)量區(qū)在各個市均有分布，南部占比高于北部，總體面積逐年減少，受城市擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響連片程度不斷降低。高質(zhì)量區(qū)較為分散，集中在賀蘭山和六盤山地帶，面積小幅上升。

圖1 1990～2018年寧夏生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的空間分布

3.3 土地利用轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

當(dāng)土地利用類型發(fā)生功能轉(zhuǎn)型后，往往會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的改善或者惡化，因此，明確影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的用地類型轉(zhuǎn)換對于緩解寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化局面具有重要意義。

由表5可知，寧夏地區(qū)1990～2000年導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善的主要因素是其他生態(tài)用地（荒漠、鹽堿地、裸土地等）轉(zhuǎn)為牧草生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，貢獻(xiàn)比重分別為30.43%和21.28%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)為林地、牧草生態(tài)用地為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善分別貢獻(xiàn)了16.15%和11.40%。而寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化主要是由于牧草生態(tài)用地向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和其他生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化，貢獻(xiàn)比重合計達(dá)到86.09%。

表5 影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要用地轉(zhuǎn)型指數(shù)變化及其貢獻(xiàn)率

2000～2010年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和其他生態(tài)用地轉(zhuǎn)為牧草生態(tài)用地對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)達(dá)62.93%；所列的6種主要土地利用轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的比重累計達(dá)92.8%。這一期間生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因是農(nóng)業(yè)、工礦生產(chǎn)用地、其他生態(tài)用地擠占了牧草生態(tài)用地，貢獻(xiàn)率達(dá)到65.26%。

2010～2018年與上一階段類似，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和其他生態(tài)用地轉(zhuǎn)為牧草生態(tài)用地對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)比重達(dá)62.61%；同時工礦生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)型為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，在一定程度上也改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，貢獻(xiàn)達(dá)8.73%。而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主導(dǎo)因素仍然是牧草生態(tài)用地面積的持續(xù)減少，被農(nóng)業(yè)、工礦生產(chǎn)用地等擠占，貢獻(xiàn)率達(dá)75.31%，呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢。

總體而言，寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在1990～2018年存在惡化和改善兩種趨勢，但惡化的趨勢在持續(xù)上升。

4 結(jié)論與建議

本文基于寧夏地區(qū)1990～2018年土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建“三生”用地分類體系，采用地理信息圖譜法揭示土地利用結(jié)構(gòu)變化，基于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評估寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空演變，并采用生態(tài)貢獻(xiàn)率衡量土地利用轉(zhuǎn)型對寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)大小，結(jié)論如下。

（1）寧夏區(qū)域1990～2018年土地利用轉(zhuǎn)型主要為生產(chǎn)用地面積在寧夏中上部不斷擴(kuò)張，生態(tài)用地面積在中下部不斷縮減，生活用地的不斷增加。按二級地類來看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和工礦生產(chǎn)用地面積不斷擴(kuò)大，分別集中在引黃灌區(qū)和銀川市東部、吳忠市東北部；牧草生態(tài)用地面積年均減少138.04 km2；隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地逐年增加。

（2）研究期寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降，中質(zhì)量區(qū)的面積占整個區(qū)域的65%左右，構(gòu)成研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主體，但較低質(zhì)量區(qū)面積存在增大現(xiàn)象，較高質(zhì)量區(qū)面積則逐年減少。

（3）1990～2018年間，寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的趨勢在不斷加大。研究期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主導(dǎo)因素為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和其他生態(tài)用地向林地與牧草生態(tài)用地功能的轉(zhuǎn)型；與此同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地擠占牧草生態(tài)用地是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的主要因素。

土地利用變化是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的根本原因，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法可以用來揭示土地利用過程中土地結(jié)構(gòu)和功能轉(zhuǎn)型變化所帶來的生態(tài)環(huán)境影響。針對寧夏生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀問題，應(yīng)該加強(qiáng)綠色生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，守牢生態(tài)紅線，以寧夏“一河三山”為主體，推進(jìn)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程，不斷增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的平衡性、安全性和穩(wěn)定性，從而提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，構(gòu)建綠色和諧生態(tài)空間。本文雖然通過土地利用功能轉(zhuǎn)型找到了影響寧夏區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和惡化的主要用地變化，但并未進(jìn)一步研究導(dǎo)致土地利用功能轉(zhuǎn)型的驅(qū)動力，例如社會發(fā)展過程中的經(jīng)濟(jì)因素、人口因素等。在未來的研究中，需要進(jìn)一步結(jié)合自然因素、社會經(jīng)濟(jì)因素和政策調(diào)控因素，揭示各個階段土地利用功能轉(zhuǎn)型的驅(qū)動機(jī)制，提升區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。