基于GIS 和PSR 模型的沈陽市土地利用動態(tài)變化及生態(tài)安全評價

劉 博李華蕾

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽 110866)

針對沈陽市的土地利用,國內(nèi)學(xué)者借助GIS 和RS 技術(shù)對其進行了大量的研究,如孫雁等利用不同時期的城市用地圖件資料,通過空間統(tǒng)計分析的方法研究了1910～2010年,一百年間沈陽城區(qū)土地利用空間格局變化及驅(qū)動力分析[1]。 李京忠等人以遙感影像為基礎(chǔ),從變化特征、轉(zhuǎn)移矩陣和變化指標(biāo)3個方面對沈陽市土地利用變化及其驅(qū)動力進行了分析[2]。 但目前研究的主要趨勢是借助RS 和GIS 技術(shù)對土地利用變化進行數(shù)量上的分析和研究,以及基于遙感圖像識別地類等相關(guān)技術(shù)方面的革新。 且對于沈陽市土地利用變化分析結(jié)果的研究主要為土地利用變化驅(qū)動力、景觀格局等方面的研究。 如吳曉青等基于遙感手段與土地利用變化歷史數(shù)據(jù),對SLEUTH 城市擴展模型進行校正,并對未來沈陽市城市擴展與土地利用變化進行了多情境的預(yù)測和模擬[3]。 狀態(tài)壓力響應(yīng)(PSR)模型作為20 世紀(jì)80年代發(fā)展起來的評價方法,曾廣泛用于環(huán)境方面的狀況評估。 在目前的分析和研究中,已有將PSR 模型與土地集約利用相結(jié)合的前例,如周炳中等在江西省余江縣的土地可持續(xù)利用評價中將PSR 模型概念引入,以完善土地可持續(xù)利用評價體系[4]。 但鮮有對沈陽市土地利用變化結(jié)果與PSR 模型相結(jié)合,并從生態(tài)安全角度進行的分析和研究。 因此,本研究在借助RS 和GIS 對沈陽市土地利用動態(tài)變化研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合PSR 模型對研究期內(nèi)的沈陽市土地利用動態(tài)變化進行生態(tài)安全角度的研究和分析。 借助PSR 動態(tài)性特征,并從衡量可持續(xù)性發(fā)展指標(biāo)的城市生態(tài)安全角度出發(fā),對沈陽市城市的土地利用進行動態(tài)的研究和分析,為探索科學(xué)的土地利用模式提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù),空間數(shù)據(jù)包括沈陽市2011年、2014年、2018、2021年4 期Google Earth Pro 遙感影像,空間分辨率均為7 m。 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)獲取自沈陽市統(tǒng)計局公布的《沈陽市統(tǒng)計年鑒》、《遼寧省統(tǒng)計年鑒》、國家統(tǒng)計局公布的《統(tǒng)計年鑒》等,并到政府相關(guān)部門搜集了需要的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 地物提取以及相關(guān)處理

本研究將沈陽市3 期遙感影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影并進行了空間配準(zhǔn),通過ENVI 對遙感影像進行預(yù)處理,并采用非監(jiān)督分類和人工分類相結(jié)合的方法對圖上要素進行分類。 將分類解譯結(jié)果與Google Earth 原影像進行檢查與修正,以此了解土地利用的具體現(xiàn)狀。 經(jīng)過精度驗證,各地類的Kappa 系數(shù)均大于0.80,精度滿足研究需求。

1.2.2 PSR 模型的生態(tài)安全評價分析

結(jié)合評價區(qū)的實際狀況,根據(jù)層次分析法的原理并遵循PSR 模型基本思想和原則,將評價體系分為目標(biāo)層(O)、準(zhǔn)則層(A)、指標(biāo)層(I)。 在準(zhǔn)則層下分為壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)以及響應(yīng)指標(biāo)。 通過查閱相關(guān)資料得到標(biāo)準(zhǔn)值如表1 所示。

表1 生態(tài)安全評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Standard value of ecological security evaluation

其中在PSR 模型進行生態(tài)安全評價的研究中,所采用的權(quán)重確定方法是AHP(層次分析法),并借助YAAHP 10.3 軟件進行相關(guān)運算分析。 通過統(tǒng)計年鑒、現(xiàn)存的研究文獻、沈陽市政府規(guī)劃文件等提供的數(shù)據(jù)進行處理分析,得到指標(biāo)的實際值。 在計算沈陽市城市綠地安全綜合狀況的綜合安全值所采用計算方法為:

其中ESCV為評價區(qū)的綜合安全值,p(Xi)為各個指標(biāo)的安全指數(shù),Wi為各指標(biāo)權(quán)重,n為指標(biāo)總項目數(shù)。

生態(tài)安全綜合指數(shù)是反映評價對象的狀態(tài),以及目前與理想 或者目標(biāo)狀態(tài)接近的速度。 綜合指數(shù)越接近1,代表越安全。 越接近0,越不安全。 本研究對ESCV值對應(yīng)的安全等級做如下劃分以明確評估結(jié)果(表2)。

表2 生態(tài)安全等級評判Table 2 The evaluation form of ecological security level

2 結(jié)果與分析

2.1 沈陽市土地利用動態(tài)分析

從2011～2021年,沈陽市土地利用類型的變化是以耕地減少、建設(shè)用地增加為主要變化趨勢,其他類型面積成小幅度減少。 耕地減幅為8.81%,建設(shè)用地增幅為11.20%。 其他土地利用類型如林地、草地、水體、未利用地均在研究期間有不同程度的減少。 2011、2014、2018、2021年沈陽市土地利用類型圖如圖1 所示,土地利用類別具體面積以及所占比例如表3 所示。 結(jié)合沈陽市發(fā)展現(xiàn)狀,能夠從側(cè)面反映出房地產(chǎn)業(yè)與工業(yè)地產(chǎn)共同發(fā)展,相互促進的良好發(fā)展?fàn)顩r。 這與沈陽市的發(fā)展背景和發(fā)展趨勢有著很大的關(guān)系,沈陽作為老工業(yè)基地,歷經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展以及建設(shè),打造出了一套以機械工業(yè)為主,原材料和化學(xué)工業(yè)為輔,門類齊全的綜合性工業(yè)體系[5]。但隨國際產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移新趨勢和經(jīng)濟自身的發(fā)展規(guī)律,沈陽工業(yè)存在的問題逐步顯露[6]。 于是在尋求工業(yè)轉(zhuǎn)型、城市經(jīng)濟發(fā)展模式轉(zhuǎn)型的大背景下,房地產(chǎn)行業(yè)逐漸凸顯出強勁的發(fā)展勢頭,并帶動工業(yè)地產(chǎn)的興起,為工業(yè)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型注入動力。 有關(guān)統(tǒng)計顯示,在2010～2014年,沈陽房地產(chǎn)開發(fā)投資從1 450 億元增長至1 975.8 億元,年均增長8.0%[7],后續(xù)仍在加大資金投入。 且沈陽市的房地產(chǎn)市場發(fā)展起步較晚,在研究期內(nèi)地價和房價較低的后發(fā)優(yōu)勢依然存在,這無論對開發(fā)企業(yè)還是購房百姓,都具有較強的吸引力[8],再結(jié)合教育、商業(yè)等因素對房地產(chǎn)發(fā)展的需求,都為沈陽市發(fā)展房地產(chǎn)、工業(yè)地產(chǎn)提供了強有力的支撐。

表3 2011、2014、2018、2021年沈陽市土地利用類型面積Table 3 Area table of land use types in Shenyang in 2011、2014 、2018 and 2021

圖1 2011、2014、2018、2021年沈陽市土地利用類型Figure 1 Land use type map of Shenyang city in 2011、2014、2018 and 2021

2.2 基于PSR 模型的生態(tài)安全評價

根據(jù)PSR 模型結(jié)果顯示(表4),在2011～2021年間,所評價的生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)由0.0106 降至0.0089,在這期間水土流失的面積比例由15.2 先升至15.34,而后又下降到15.30。 其中,較明顯的指標(biāo)如化肥的施用強度,呈現(xiàn)出遞減趨勢,由2011年339 kg/hm2降至2021年的310 kg/hm2,這對生態(tài)系統(tǒng)壓力的釋放做出了積極的影響。 系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)從2011年的0.0142 降至2021年的0.0131,在此期間森林覆蓋率下降了0.38%,但自然保護區(qū)占國土面積比例上升了0.11%,退化土地恢復(fù)率也上升至61.8%,空氣質(zhì)量等均有提高。 此類指標(biāo)與工業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型、城市經(jīng)濟發(fā)展模式改變有著不可忽視的關(guān)系。

表4 沈陽市城市生態(tài)安全綜合評價結(jié)果Table 4 The result of comprehensive evaluation on the safety of urban ecological security in Shenyang

綜合來看,2011～2021年,沈陽市的生態(tài)安全狀況由較不安全上升到一般安全的狀態(tài)。 在2011年,沈陽市的生態(tài)系統(tǒng)有退化的跡象,生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)均有一定程度的破壞,整體功能出現(xiàn)退化現(xiàn)象。 到2021年,沈陽市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有所恢復(fù),生態(tài)環(huán)境所受到的破壞在一定程度上得到修復(fù),生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有所還原,整體生態(tài)功能能夠正常運作。 工業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型以及經(jīng)濟發(fā)展模式的革新在一定程度上緩解甚至改善了土地利用帶來的負面效果。 綜合權(quán)衡各個指標(biāo),沈陽市的生態(tài)安全在研究期間呈現(xiàn)出趨向于良好的發(fā)展勢態(tài)。

3 結(jié)論與討論

研究期內(nèi)的沈陽市正處于城市化進程的后期,土地利用發(fā)展?fàn)顩r呈不良發(fā)展趨勢,正經(jīng)歷城市化進程中不可避免的問題[9]。 土地的利用結(jié)構(gòu)的科學(xué)性仍有上升空間,耕地面積的保持工作仍然艱巨。 從生態(tài)安全角度,并從較不安全的狀態(tài)上升到了安全的狀態(tài),總體趨于良好的發(fā)展勢態(tài),這與相關(guān)政策調(diào)控與發(fā)展模式轉(zhuǎn)型有著很大的關(guān)系。 建設(shè)用地的發(fā)展情況處于國土空間總體規(guī)劃指標(biāo)體系所設(shè)定目標(biāo)范圍,同時也有助于實現(xiàn)常住人口指標(biāo)增長的基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)定。 但森林覆蓋所呈現(xiàn)的下降趨勢與總體規(guī)劃設(shè)定目標(biāo)還存在一定距離,應(yīng)在城市發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型中更加注重綠地保護,為未來可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 在城市化高速發(fā)展的同時,如果相應(yīng)的政策以及應(yīng)對措施能夠跟的上發(fā)展的進程,沒有脫節(jié),便可以對生態(tài)安全狀態(tài)做到持續(xù)可控,土地利用可持續(xù)發(fā)展。