喀斯特城市新區(qū)土地利用時空演變及生態(tài)效應(yīng)分析*
——以貴陽市觀山湖區(qū)為例

魏 媛 朱玉丹

(1.貴州財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州財經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

土地資源的利用對生態(tài)環(huán)境有著高度影響,其生態(tài)效應(yīng)研究也愈加成為各學(xué)者的聚焦熱點[1]。近年來,國內(nèi)學(xué)者基于“三生”空間研究發(fā)達(dá)或生態(tài)脆弱區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)效應(yīng)。如莫宏偉等[2]基于生態(tài)價值測算模型得出風(fēng)沙過渡區(qū)土地利用變化生態(tài)效益明顯。張楊等[3]通過測算武漢市生態(tài)貢獻(xiàn)率,總結(jié)出生態(tài)環(huán)境改善和惡化趨于平衡。韓美等[4]分析1998-2018年黃河三角洲“三生”用地轉(zhuǎn)型的生態(tài)效應(yīng)。對于喀斯特地區(qū),許俐俐等[5]采用MATLAB軟件對廣西某縣生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行研究。胡鋒等[6]從“三生”視角定量剖析黔中“亞喀斯特”區(qū)域生態(tài)效應(yīng)。焦露等[7]則以貴州省為研究對象進(jìn)行綜合分析。但對喀斯特城市新區(qū)土地利用生態(tài)效應(yīng)鮮有研究。觀山湖區(qū)作為喀斯特城市中心區(qū)和生態(tài)區(qū),在脆弱地貌生境影響下,過度開發(fā)利用土地資源易造成生態(tài)環(huán)境惡化。

故本研究運用空間分析技術(shù),基于研究區(qū)土地利用時空動態(tài)變化特征深入挖掘其生態(tài)效應(yīng),以期為貴州省推動土地低碳綠色利用,降低土地利用負(fù)外部性,促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

觀山湖區(qū)坐落于貴州省貴陽市西北部,地處106°25′E～106°41′E、26°31′N～25°45′N,是貴陽市2000年規(guī)劃建設(shè)的城市新區(qū),地理位置見圖1。觀山湖區(qū)總面積307 km2,截至2021年底,常住人口約642 634人,區(qū)內(nèi)巖溶地貌廣布,以溶丘洼地和峰叢洼地為主,喀斯特地貌突出。

圖1 觀山湖區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of Guanshanhu District

1.2 數(shù)據(jù)來源

基于地理空間數(shù)據(jù)云獲取2010—2020年共3期Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI_TRIS衛(wèi)星遙感影像,按照6個一級土地利用類型(簡稱地類)和18個二級地類進(jìn)行目視解譯和監(jiān)督分類,精度達(dá)到研究需要。根據(jù)研究區(qū)實際狀況,借鑒李曉文等[8]和楊述河等[9]研究成果,對二級地類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行賦值,結(jié)果見表1。

2 研究方法

2.1 土地利用時空演變分析

國內(nèi)學(xué)者主要基于土地利用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣、重心轉(zhuǎn)移等模型進(jìn)行土地利用時空演變研究。張佩芳等[10]結(jié)合動態(tài)度模型與土地利用破碎度研究云南基諾山土地利用動態(tài)演變和人地關(guān)系。徐麗華等[11]利用重心轉(zhuǎn)移模型計算杭州市1995—2010年地類空間重心偏移程度。田立鑫等[12]在構(gòu)建土地利用漲落勢圖譜基礎(chǔ)上分析海岸帶地類轉(zhuǎn)移。本研究主要剖析研究區(qū)時空序列下用地變化強(qiáng)度、趨勢及轉(zhuǎn)移狀況。

2.1.1 土地利用動態(tài)度模型

土地利用動態(tài)度分為單一和綜合動態(tài)度。單一動態(tài)度表示區(qū)域內(nèi)一定時期某地類數(shù)量結(jié)構(gòu)的演變狀況及速率;綜合動態(tài)度表示一定時期內(nèi)研究區(qū)整體地類轉(zhuǎn)移及變化強(qiáng)度。兩者計算公式參考王秀蘭等[13]、呂建華等[14]的相關(guān)研究。

2.1.2 地類轉(zhuǎn)移矩陣模型

地類轉(zhuǎn)移矩陣主要利用ArcGIS軟件的疊加分析對同一時期不同地類間的相互轉(zhuǎn)移狀況進(jìn)行描述,其表達(dá)式參考吳琳娜等[15]的相關(guān)研究。

2.2 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)分析

國內(nèi)學(xué)者聚焦于典型區(qū)域、流域和城市研究。楊風(fēng)亭等[16]、宋翔等[17]、楊清可等[18]97-106利用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、生態(tài)貢獻(xiàn)率、景觀生態(tài)學(xué)方法分別對中國東南紅壤丘陵區(qū)、黃河源區(qū)、長江三角洲核心區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行綜合分析。本研究通過計算土地覆被狀況指數(shù)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率,定量表征研究區(qū)各地類動態(tài)變化對生態(tài)環(huán)境狀況的影響。

2.2.1 土地覆被狀況指數(shù)

土地覆被狀況指數(shù)能定量表示研究區(qū)土地覆被所反映的總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平,數(shù)值愈接近1說明生態(tài)狀況和服務(wù)功能越好[19],其計算公式為：

Z=(S1+S2+S3)/A×100%

(1)

式中：Z為區(qū)域土地覆被狀況指數(shù),%;S1、S2、S3分別為林地、水域及高覆蓋度草地面積,km2;A為研究區(qū)總面積,km2。

2.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可表示研究區(qū)一定時期地類變化下生態(tài)環(huán)境的宏觀狀況。結(jié)合研究區(qū)各地類面積可得性,其計算公式參考王家慧等[20]的相關(guān)研究。

2.2.3 土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率

土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率用于定量反映地類轉(zhuǎn)移對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響程度和貢獻(xiàn)狀況,一般有導(dǎo)致環(huán)境改善和惡化兩種趨勢相互制約,其計算公式參考楊清可等[18]99的相關(guān)研究。

表1 觀山湖區(qū)2010—2020年地類面積變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值Table 1 Land use types area change from 2010 to 2020 and assignment of ecological environmental quality index in Guanshanhu District

3 結(jié)果與分析

3.1 觀山湖區(qū)土地利用時空變化

3.1.1 不同地類面積變化特征

為了解研究區(qū)土地利用時序上的面積變化狀況和特征,統(tǒng)計觀山湖區(qū)2010-2020年不同地類面積,結(jié)果見表1。觀山湖區(qū)耕地總體呈現(xiàn)減少趨勢,水田和旱地10年來分別減少19.46、27.00 km2。林地總體呈增長趨勢,有林地面積雖小幅減少,但灌木林地面積受退耕還林還草政策積極影響,由2010年的0.05 km2增至2020年的30.28 km2。建設(shè)用地中城鎮(zhèn)用地10年來增長27.33 km2,同時因推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)工程,農(nóng)村居民點用地持續(xù)增加。草地、水域及水利設(shè)施用地和未利用地面積總體呈小幅度減少狀態(tài)?？傮w看,觀山湖區(qū)林地、耕地和建設(shè)用地為主要地類,各地類在研究期內(nèi)面積變化較明顯,與城市新區(qū)開發(fā)建設(shè)特征吻合。

3.1.2 地類空間格局變化特征

利用ArcGIS軟件處理得到觀山湖區(qū)2010—2020年地類空間格局分布變化情況,結(jié)果見圖2。經(jīng)分析,水田和旱地相間分布,2010—2015年較密集,以中部縱向布局為顯著特征。2020年中部水田和旱地受城鎮(zhèn)化和水土流失影響減少,有林地和灌木林地顯著增加,生態(tài)文明建設(shè)和城市建設(shè)成效顯著。東部原金陽新區(qū)為建設(shè)核心區(qū),城鎮(zhèn)用地分布廣泛,并逐年向西南方向擴(kuò)張,使南部金華鎮(zhèn)在2020年成第二發(fā)展中心,符合城市新區(qū)快速發(fā)展期變化特征。西部有林地集中連片,森林覆蓋率較高,百花湖水域10年來無明顯空間變化。

3.1.3 地類轉(zhuǎn)移矩陣分析

根據(jù)相關(guān)模型計算得出觀山湖區(qū)2010-2020年地類轉(zhuǎn)移矩陣,見表2至表4。整體上,觀山湖區(qū)2010—2020年各地類轉(zhuǎn)型強(qiáng)度劇烈,耕地轉(zhuǎn)為林地(29.55 km2)和建設(shè)用地(25.76 km2)的面積最大;草地由12.38 km2減至3.57 km2,其中約7.43 km2轉(zhuǎn)為林地,說明10年來土地資源在退耕還林還草、生態(tài)文明建設(shè)和快速城鎮(zhèn)化三者制約下開發(fā)利用強(qiáng)度和轉(zhuǎn)型趨勢明顯。分時段看,2010—2015年,地類轉(zhuǎn)移集中在建設(shè)用地、林地和耕地,林地和耕地是建設(shè)用地主要來源地類,表明短期城市擴(kuò)張占用部分耕地和林地資源。草地向其他地類轉(zhuǎn)移整體低于1 km2。2015—2020年建設(shè)用地轉(zhuǎn)移幅度小于2010—2015年。向林地轉(zhuǎn)入總面積大于向建設(shè)用地轉(zhuǎn)入總面積,其中林地最大轉(zhuǎn)移類型來源于耕地,該時期觀山湖區(qū)退耕還林還草工程取得顯著生態(tài)成效。

圖2 觀山湖區(qū)2010—2020年地類空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use types in Guanshanhu District from 2010 to 2020

表2 觀山湖區(qū)2010—2020年地類轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transition matrix of land use types in Guanshanhu District from 2010 to 2020 km2

表3 觀山湖區(qū)2010—2015年地類轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transition matrix of land use types in Guanshanhu District from 2010 to 2015 km2

表4 觀山湖區(qū)2015—2020年地類轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Transition matrix of land use types in Guanshanhu District from 2015 to 2020 km2

3.1.4 土地利用動態(tài)度分析

計算研究區(qū)土地利用單一和綜合動態(tài)度,結(jié)果見圖3。觀山湖區(qū)2010—2020年耕地、草地動態(tài)度均在0以下,即利用速率較高且面積持續(xù)減少;林地動態(tài)度在2010—2015年為負(fù)數(shù),2015—2020年上升為0.004%,面積小幅增長;建設(shè)用地動態(tài)度2010—2015、2015—2020、2010—2020年均呈正數(shù),分別為0.114%、0.031%、0.081%,2010—2015年利用強(qiáng)度最大;水域及水利設(shè)施用地動態(tài)度趨于平穩(wěn),

圖3 觀山湖區(qū)2010—2020年各時段土地利用動態(tài)度變化Fig.3 Land use dynamic changes in each period in Guanshanhu District from 2010 to 2020

基本不受人類活動影響;未利用地2015—2020年轉(zhuǎn)換強(qiáng)度較大,動態(tài)度高達(dá)-0.150%。綜合動態(tài)度起伏較大,各地類利用強(qiáng)度劇烈且轉(zhuǎn)換頻繁,2015—2020年達(dá)到峰值(0.546%),即近5年土地資源總體利用強(qiáng)度高漲。

3.2 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)

3.2.1 土地覆被狀況及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

經(jīng)計算,觀山湖區(qū)土地覆被狀況指數(shù)由2010年的50.69%大幅上升至2020年的57.63%,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能因林地增加不斷增強(qiáng),表明生態(tài)用地增減變化與生態(tài)狀況密切相關(guān)。2010—2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)隨有林地和中覆蓋度草地大幅減少而降低;2010—2020年由0.555 2上升至0.555 7,生態(tài)環(huán)境有所改善?？傮w看,土地覆被狀況指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)呈正比關(guān)系。

3.2.2 土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率分析

根據(jù)二級地類轉(zhuǎn)移矩陣和相關(guān)公式計算,2010—2020年導(dǎo)致觀山湖區(qū)生態(tài)環(huán)境改善和惡化兩種情形的主要土地利用變化轉(zhuǎn)移類型的生態(tài)貢獻(xiàn)率見表5和表6。由表5可知,旱地向有林地轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)最突出,即由生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值低的旱地向賦值高的有林地轉(zhuǎn)換;旱地和其他林地向有林地轉(zhuǎn)移是改善生態(tài)環(huán)境的主要原因。根據(jù)表6,有林地向旱地、城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的主要驅(qū)動因素;轉(zhuǎn)移面積最突出的是旱地向城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)換,貢獻(xiàn)率最大的為有林地轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)用地,即觀山湖區(qū)近10年占用部分有林地和耕地進(jìn)行擴(kuò)張導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低下。觀山湖區(qū)在研究期內(nèi)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善和退化的地類轉(zhuǎn)移數(shù)量相近,但前者貢獻(xiàn)率略高于后者,因此近10年整體生態(tài)效應(yīng)屬良性發(fā)展。

表5 生態(tài)環(huán)境改善的主要土地利用轉(zhuǎn)型指標(biāo)Table 5 Major land use transformation indices to improved ecological environment

表6 生態(tài)環(huán)境惡化的主要土地利用轉(zhuǎn)型指標(biāo)Table 6 Major land use transformation indices to deteriorated ecological environment

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 數(shù)量結(jié)構(gòu)上,耕地、林地和建設(shè)用地為主要地類,近10年水田和旱地面積呈減少趨勢,灌木林地和城鎮(zhèn)用地面積增大最大。

(2) 空間布局上,2010—2015年水田和旱地較密集,2020年中部水田和旱地減少,有林地和灌木林地顯著增加;東部城鎮(zhèn)用地逐年向西南方向擴(kuò)張。

(3) 地類轉(zhuǎn)移上,總體轉(zhuǎn)型強(qiáng)度劇烈,其中耕地轉(zhuǎn)為林地和建設(shè)用地面積最大;2015—2020年建設(shè)用地轉(zhuǎn)移幅度小于2010—2015年。

(4) 土地利用動態(tài)度上,2010—2020年耕地、草地動態(tài)度均呈負(fù)數(shù),建設(shè)用地利用強(qiáng)度較大;2015—2020年綜合土地利用動態(tài)度達(dá)到峰值(0.546%)。

(5) 生態(tài)效應(yīng)上,觀山湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能因林地增加不斷增強(qiáng),近10年土地覆被狀況指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈正比關(guān)系;旱地和其他林地向有林地轉(zhuǎn)移是改善生態(tài)環(huán)境的主要原因,有林地向旱地、城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的主要驅(qū)動因素,整體生態(tài)效應(yīng)呈良性發(fā)展。

4.2 建 議

(1) 合理規(guī)劃用地結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)布局和引導(dǎo)各地類健康轉(zhuǎn)型,嚴(yán)控建設(shè)用地亂占耕地和林地,系統(tǒng)開展占補(bǔ)平衡和生態(tài)補(bǔ)償,堅持底線約束。

(2) 加大綜合治理力度。高覆蓋度草地退化區(qū)域?qū)嵭蟹庥┓屎退赏粮牧?為植被恢復(fù)提供營養(yǎng)支持,統(tǒng)籌推進(jìn)綜合生態(tài)治理。

(3) 加強(qiáng)國土空間開發(fā)管制。健全國土空間用途管制制度,根據(jù)分區(qū)管理合理分解開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo),降低土地利用生態(tài)效應(yīng)的負(fù)外部性。

(4) 培育新型綠色產(chǎn)業(yè)模式。基于資源環(huán)境承載力評價和區(qū)域生態(tài)要素稟賦,培育茶葉等適宜喀斯特生境的新型綠色產(chǎn)業(yè)模式。

(5) 健全問責(zé)機(jī)制建設(shè)。完善并加強(qiáng)破壞生態(tài)環(huán)境問責(zé)機(jī)制建設(shè),積極推行“林長制”和“湖長制”等,構(gòu)建生態(tài)空間綜合治理體系。