沈陽市2000—2020年土地利用變化及其生態(tài)效應(yīng)分析

張舒涵，姜海玲，王麗遙，陳光義，于海淋

(吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著人口的急劇增長(zhǎng)和城市化的快速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到極大干擾[1]。經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展導(dǎo)致生物多樣性下降、水土流失和土地退化[2]，高密度的人類活動(dòng)迅速改變土地利用變化模式，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，威脅生態(tài)安全[3]，極大地影響了城市環(huán)境狀況。

草林地的隨意砍伐、耕地退化一直是生態(tài)平衡中的重要議題[4]。土地利用變化是各區(qū)域環(huán)境變化分析的中心內(nèi)容，土地資源的合理分配關(guān)系著生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)展，決定能否給人類生產(chǎn)生活帶來一系列正面影響[5]。土地利用變化與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是人地關(guān)系間最主要的體現(xiàn)形式[6]，具有復(fù)雜的時(shí)空變化特征，是引起生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的重要影響因素之一[7]。合理的土地規(guī)劃是區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)，不合理的土地利用甚至土地?cái)U(kuò)張將給自然環(huán)境與人類生活帶來很多不可逆的影響，如水土流失嚴(yán)重、土地的荒漠化、土地鹽堿化、建設(shè)用地與耕地、草地之間難以取舍平衡等問題，這些問題在未來的城市發(fā)展中會(huì)變得日益嚴(yán)峻，大大限制城市的生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展理念的實(shí)施。

近年來學(xué)者們從不同視角探析土地利用問題，深入分析生態(tài)效應(yīng)，開展了大量綜合性研究。國際上學(xué)者指出分析土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素過于單一，將陸續(xù)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)可持續(xù)的土地轉(zhuǎn)型[8]。Long等[9]建立了區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型的理論模型，探討了土地利用轉(zhuǎn)型與土地管理相互反饋的機(jī)制。在國內(nèi)，林柳璇等[10]結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析法、動(dòng)態(tài)度對(duì)廈門市土地變化過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析。葉晶萍等[11]借助ArcGIS和Frgstats4.2軟件，探究分析尋烏水流域的土地利用動(dòng)態(tài)變化及其引起的景觀格局演變，同時(shí)運(yùn)用遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)研究期內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。

沈陽是東北地區(qū)的核心城市，發(fā)展迅速、資源發(fā)達(dá)。本文以沈陽市為研究對(duì)象，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為落腳點(diǎn)，利用ArcGIS空間分析功能，明晰土地間轉(zhuǎn)換規(guī)模及種類，應(yīng)用土地利用動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)率等研究方法，對(duì)研究區(qū)土地變化趨勢(shì)及轉(zhuǎn)換、生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估，分析退耕還林等系列政策下的土地利用轉(zhuǎn)型及生態(tài)環(huán)境間的協(xié)調(diào)耦合關(guān)系，探索“天平兩端”的城市發(fā)展所必要的土地利用轉(zhuǎn)型和生態(tài)效應(yīng)之間的砝碼重量，使其達(dá)到平衡狀態(tài)，促進(jìn)沈陽市生態(tài)保護(hù)，為高質(zhì)量的生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

作為遼寧省省會(huì)，沈陽市地處東北地區(qū)南部，遼河平原中部，地理位置處于41°11′～43°2′N，122°25′～123°48′E，總面積約12 860 km2。東部是低山丘陵，中西部是遼闊平原，北部是遼北丘陵，主要以平原為主，市區(qū)地勢(shì)不高，相對(duì)平坦，海拔最高不過450 m。沈陽市地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度在6.4～9.8 ℃，四季分明，附近集結(jié)著許多資源豐富的功能性城市，形成了一個(gè)互通互利的城市群，是遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)，同時(shí)也是政治和文化中心。2020年底，全市常住人口約907萬人，是我國14個(gè)特大城市之一。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選取中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn) 2000，2010，2020年3期的土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件地理處理功能重新整合數(shù)據(jù)，并參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)[12]，劃分為6個(gè)一級(jí)地類，空間分辨率為30 m×30 m，具體土地利用類型分類及編碼如表1所示。此外，本文提到的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，參照李曉文等[17]的研究成果。土地利用分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)如表1所示。

表1 土地利用分類及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Tab.1 Land use classification and eco-environmental quality index of different land-use types

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

利用ArcGIS軟件對(duì)3期數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，得出各時(shí)段的轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)其分類匯總，即統(tǒng)計(jì)出不同土地利用類型的面積。土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣反映出不同土地類別間的轉(zhuǎn)變情況[13]，可實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下土地利用的功能轉(zhuǎn)型。其數(shù)學(xué)形式為：

(1)

式中，Ai為轉(zhuǎn)移前的i類土地面積；Aj為轉(zhuǎn)移后的j類土地面積；n為土地利用類型數(shù)。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可直觀地看出不同地類的變化速度與幅度，區(qū)域差異、選取時(shí)間的跨度都影響其值的變化，因此可用來預(yù)測(cè)未來土地趨勢(shì)。單一土地利用動(dòng)態(tài)度可反映該地類的變化速度[14]：

(2)

式中，K表示t1～t2時(shí)段內(nèi)某地類的動(dòng)態(tài)度；St1，St2分別為此時(shí)段內(nèi)該地類的面積。K值的變化波動(dòng)反映了轉(zhuǎn)化成其他地類的數(shù)量。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可表示總體土地變化態(tài)勢(shì)[15]：

(3)

式中，S為某時(shí)段的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；Si為研究初期第i類土地面積；ΔSij為i地類轉(zhuǎn)化為j地類的面積；T為研究時(shí)長(zhǎng)。

2.2.3 土地利用生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

(1) 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可定量評(píng)定區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境綜合狀況[16]，即：

(4)

式中，EVt為t時(shí)期的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ati為t時(shí)期第i類土地面積；Ri為第i類土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[17](見表1)；TAt為研究區(qū)總面積；n為土地利用類型數(shù)。

(2) 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率

生態(tài)貢獻(xiàn)率是指某種土地利用類型變化所引起的區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變[18]，即：

(5)

式中，LEI為生態(tài)貢獻(xiàn)率；LE0，LE1分別為變化初期、末期的土地利用類型具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LA為變化用地的面積；TA為研究區(qū)總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型分析

3.1.1 土地利用變化

根據(jù)沈陽市2000，2010，2020年3期土地利用類型圖(如圖1所示)，參照表1的土地利用類型分類，得到2000—2020年沈陽市不同土地類型的面積變化，如圖2所示，進(jìn)一步掌握沈陽市20年間的土地利用變化趨勢(shì)。

圖1 2000年，2010年和2020年沈陽市土地利用圖Fig.1 Land use maps of Shenyang in 2000,2010 and 2020

圖2 2000—2020年沈陽市不同土地利用類型面積變化Fig.2 Area variation of different land use types in Shenyang from 2000 to 2020

從圖1和圖2可以看出，耕地與建設(shè)用地作為沈陽市發(fā)展所需的重心土地利用類型，2000—2020年二者面積占比常年超過85%；未開墾的荒地范圍較少，面積最小。城市發(fā)展，建筑物數(shù)量驟增，逐漸從市區(qū)向周圍擴(kuò)建，20年間用地增加了353.99 km2，增長(zhǎng)率為21.62%；流經(jīng)沈陽市的遼河、渾河蓄水量增長(zhǎng)，人工湖泊、公園水域建立，水域面積提高了53.48 km2，增加率為24.94%。相較之下，耕地、草地的原始面積受到侵占，面積減少率為2.03%，26.24%。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

20年間土地利用變化顯著，不同土地類型間均呈現(xiàn)不同程度的空間位置轉(zhuǎn)換與數(shù)量變化，從而建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(如表2所示)，可分析土地轉(zhuǎn)換間的趨勢(shì)。整體來看，林地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出成其他地類的面積均衡，相差不大，保持了自身的生態(tài)穩(wěn)定。不同時(shí)期政策的轉(zhuǎn)變，使得耕地轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出頻繁，其中轉(zhuǎn)出頻次多、變化劇烈，轉(zhuǎn)出成其他地類的總面積為749.13 km2，占總轉(zhuǎn)出量的48.97%；草地次之，轉(zhuǎn)出面積為377.65 km2，占24.69%。政府對(duì)未利用土地的保護(hù)，使其開墾面積較少，轉(zhuǎn)出量?jī)H占2.63%。轉(zhuǎn)出面積按降序排序，可得出：耕地>草地>建設(shè)用地>林地>水域>未利用土地。

表2 2000—2020年沈陽市各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 Conversion matrix of different land use types in Shenyang from 2000 to 2020 單位：km2

20年間沈陽城市化發(fā)展迅猛，建設(shè)用地占地持續(xù)擴(kuò)大，轉(zhuǎn)入該地類的土地面積最多，為567.09 km2，它由部分荒廢草地、退耕土地和其他用地轉(zhuǎn)化集納而來；其次是耕地，轉(zhuǎn)入該地類的面積為552.51 km2，主要來自草地，說明合理的毀草造田也是一種城市為擴(kuò)大耕地面積的處理方式。轉(zhuǎn)入面積按降序排序，可得出：建設(shè)用地>耕地>草地>林地>水域>未利用土地。

3.1.3 土地利用動(dòng)態(tài)度變化

根據(jù)式(2)和式(3)得出沈陽市土地利用動(dòng)態(tài)度(如圖3所示)。數(shù)據(jù)表明，2000-2020年各地類的單一土地利用動(dòng)態(tài)度差異顯著，除建設(shè)用地始終是正值，耕地始終為負(fù)值外， 其他4種地類因不確定因素整體呈現(xiàn)不同程度的增減變化。其中：

圖3 沈陽市土地利用動(dòng)態(tài)度Fig.3 Land use dynamic degree in Shenyang

① 2000—2010年，沈陽市處于城市發(fā)展的起步階段，土地間波動(dòng)不大。其中,草地陸續(xù)被開發(fā)利用，單一土地利用動(dòng)態(tài)度最大，為0.64%。受其他地類互相轉(zhuǎn)化的影響，動(dòng)態(tài)度呈負(fù)值的是耕地、水域和未利用土地，其中面積減少最快的是耕地，這說明部分農(nóng)用地被荒廢，轉(zhuǎn)化成草地等其他地類。

② 2010—2020年，沈陽市發(fā)展迅猛，土地綜合動(dòng)態(tài)度最大，達(dá)到0.24%。這10年的土地利用變化速度比前10年提高了約一倍，土地利用類型在不斷地相互轉(zhuǎn)化。建設(shè)用地的土地動(dòng)態(tài)度最大，從0.61%提高到1.46%，城市規(guī)劃面積范圍不斷擴(kuò)大，各土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化強(qiáng)烈，城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城市重心在不斷地調(diào)整和轉(zhuǎn)移。

20年間，沈陽市人口從720.4萬人增長(zhǎng)到907.3萬人，社會(huì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，人口激增導(dǎo)致土地城市化的進(jìn)程明顯。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度達(dá)到0.16%，耕地、草地持續(xù)減少，建設(shè)用地持續(xù)增加，說明城市發(fā)展缺乏控制，城市擴(kuò)張無規(guī)劃遠(yuǎn)景，建設(shè)用地激增的同時(shí)耕地銳減，土地利用類型轉(zhuǎn)化削弱了土地生產(chǎn)能力，也降低了土地保水保土能力。

3.2 土地利用變化生態(tài)效應(yīng)分析

3.2.1 生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量演變

(1) 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分析

基于式(4)計(jì)算得出沈陽市2000,2010,2020年的土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),如表3所示，分別為0.306 0,0.307 6,0.297 4，整體上沈陽市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量比較穩(wěn)定。2000—2010年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)有所升高，說明環(huán)境得到相應(yīng)改善，2010—2020年建筑用地的擴(kuò)張可能導(dǎo)致了一定程度的生態(tài)環(huán)境破壞，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的改善與惡化共存。

表3 沈陽市各土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)Tab.3 Eco-environmental quality index of land use in Shenyang

(2) 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間格局

利用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分為4個(gè)等級(jí)，分析其空間分布特征，如圖4所示。生態(tài)等級(jí)與土地功能區(qū)劃的不同有直接或間接的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。高質(zhì)量區(qū)是研究區(qū)面積的主體，主要分布在中部地區(qū)，耕地面積占比大，沒被城市污染的土地多，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)定。低質(zhì)量區(qū)主要分布在沈陽市的東南方向，在和平區(qū)、鐵西區(qū)和大東區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)迅猛的地方，人口密集、社會(huì)設(shè)施健全，人為因素強(qiáng)烈，建設(shè)用地集中，城市發(fā)展過快，生態(tài)建設(shè)與其節(jié)奏不一致，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境較差。但研究期內(nèi)的整體生態(tài)格局變化不大，始終保持較為均衡的生態(tài)局面，整體向好。

圖4 沈陽市 2000年，2010年，2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間格局Fig.4 Spatial distribution of eco-environmental quality of Shenyang in 2000,2010 and 2020

3.2.2 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻(xiàn)率分析

為更好地探究研究區(qū)生態(tài)環(huán)境內(nèi)部的變化情況，根據(jù)式(5)計(jì)算出導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境發(fā)生改善或惡化的貢獻(xiàn)率及所占比例(如表4所示)，從而分析出不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)換對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。從表4得出結(jié)論，2000—2020年導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善的因素包括退耕還林、退耕還草、荒廢的建設(shè)用地復(fù)墾為耕地以及合理開拓未利用土地等，其中耕地向草、林用地的轉(zhuǎn)換是核心重點(diǎn)，排在前2位，貢獻(xiàn)率占比分別是37.69%，19.51%，其次是建設(shè)用地轉(zhuǎn)向耕地，貢獻(xiàn)率占比為15.64%。

表4 沈陽市2000—2020年影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要土地轉(zhuǎn)型及其貢獻(xiàn)率Tab.4 Main land transformation affecting eco-environmental quality and its contribution rate in Shenyang from 2000 to 2020

致使區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的因素不乏存在：草地耕作為肥沃農(nóng)用地、建設(shè)用地的開發(fā)與占用、林地的砍伐與消失等。前3名地類轉(zhuǎn)化：草地轉(zhuǎn)向耕地、耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地、林地轉(zhuǎn)向耕地，貢獻(xiàn)率占比分別為55.40%，22.09%，9.45%，此3類地類的貢獻(xiàn)率占比超過80%。綜上所述，沈陽市在研究期內(nèi)生態(tài)環(huán)境的改善與惡化時(shí)時(shí)并存，退耕還林的政策對(duì)改善生態(tài)環(huán)境的效果最為顯著，但惡化趨勢(shì)仍略高于改善趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

從沈陽市土地利用變化的總體趨勢(shì)看，土地利用轉(zhuǎn)型存在時(shí)空差異性，土地轉(zhuǎn)換對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。主要結(jié)論如下：

① 20年間耕地、草地面積持續(xù)地收縮減少，說明大幅增加的建設(shè)面積多由耕地、草地變更而來，部分農(nóng)用土地轉(zhuǎn)換成其他非農(nóng)用地。而城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，不僅導(dǎo)致耕地面積減少、城市無節(jié)制地?cái)U(kuò)張，還占用自然生態(tài)的生存空間。

② 20年間土地動(dòng)態(tài)度的結(jié)果表明，建設(shè)用地的土地動(dòng)態(tài)度最大。人口不斷向城市中心集中，建設(shè)用地的需求量持續(xù)增加，耕地面積變化速度略有下降，多重因素的綜合影響下，沈陽市的土地利用格局發(fā)生變化。

③ 20年間沈陽市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)穩(wěn)定在0.29～0.30，研究期內(nèi)整體略有下滑，建設(shè)用地、耕地和林地之間的互相轉(zhuǎn)化是生態(tài)改善或惡化的主要原因，局部范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境的2種態(tài)勢(shì)并存。退耕還林、退耕還草等環(huán)境保護(hù)政策的完善使城市的生態(tài)質(zhì)量整體穩(wěn)定化上升，但伴隨著城市化進(jìn)程的腳步，生態(tài)質(zhì)量上升趨勢(shì)逐漸平緩，政府需要平衡生態(tài)和城市發(fā)展之間的關(guān)系。

本文通過分析30 m分辨率的土地利用數(shù)據(jù)，利用動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣等方法，從不同的角度探究土地利用類型結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)土地利用變化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有密切關(guān)系。近20年的城市化發(fā)展導(dǎo)致沈陽市的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，自然生態(tài)環(huán)境被破壞，耕地、草地和林地的生存空間被侵占，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)未能保持時(shí)刻上升的趨勢(shì)。要優(yōu)化城市的土地利用結(jié)構(gòu)，就要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，修復(fù)自然多樣的生態(tài)要素，平衡建設(shè)用地與耕地、草地等主要地類的面積占比，及時(shí)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制建設(shè)用地面積無規(guī)劃地蔓延增長(zhǎng)，才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善生態(tài)環(huán)境。

當(dāng)土地利用格局達(dá)到“最優(yōu)解”時(shí)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好，城市發(fā)展沒有隱患。政府要重視退耕還林、退耕還草的生態(tài)政策，謹(jǐn)慎對(duì)待未利用土地的開發(fā)，權(quán)衡好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的動(dòng)態(tài)變化，找到平衡點(diǎn)，以達(dá)到“雙贏”的最終目的。

由于篇幅有限，本文未能深入研究導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善或惡化的原因、轉(zhuǎn)移地類的具體影響及后續(xù)變化，在后續(xù)研究中可以結(jié)合社會(huì)因素及當(dāng)?shù)卣叻治霾煌A段建設(shè)用地的發(fā)展與變化，對(duì)建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)功能做進(jìn)一步分析和探究，尋找基于可持續(xù)發(fā)展背景的土地最優(yōu)路徑。