近20a衡邵婁干旱走廊土地利用/覆被與生態(tài)環(huán)境狀況變化研究

張沛 陳吟 趙偉明 鄧曉雅 盛東 王燕云

摘 要：土地利用/覆被變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切，在一定程度上反映了生態(tài)環(huán)境變化，影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣。為探究土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境狀況變化的成因與驅(qū)動(dòng)因素，采用空間分析技術(shù)和生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)方法，對(duì)比分析了衡邵婁干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被變化，評(píng)估區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況并探討其變化原因。結(jié)果表明，衡邵婁干旱走廊區(qū)域土地利用/覆被類型主要以林地和耕地為主，面積占區(qū)域總面積的94.22%，但近20 a來林地與耕地面積呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)，主要原因是區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)導(dǎo)致城鎮(zhèn)化加速，造成了建設(shè)用地的面積激增，占用了大量耕地和林地。同時(shí)，干旱缺水在一定程度上促使區(qū)域耕地面積轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型。多種因素作用下，區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況等級(jí)從“優(yōu)”降為了“良”。

關(guān)鍵詞：土地利用/覆被變化；生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)；土地利用轉(zhuǎn)移；衡邵婁干旱走廊

中圖分類號(hào)：K903；X22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

土地利用/覆被變化是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要因素，也是生態(tài)環(huán)境變化的重要表征[1-2]。隨著人類活動(dòng)影響范圍不斷擴(kuò)張，土地利用/覆被受干擾程度不斷加大，其功能結(jié)構(gòu)性變化更加劇烈，引發(fā)的水文效應(yīng)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等問題日益突出[3-4]。土地利用/覆被變化對(duì)水文效應(yīng)的影響主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)大規(guī)模開墾種植，城市化過程，水土保持措施對(duì)降水徑流過程、水量平衡狀況的影響[5]。對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。一是改變了地表物理特征，從而影響太陽(yáng)輻射的吸收和反射[6]，例如，天然植被轉(zhuǎn)化為硬化建筑面積之后，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收量減少，反射量增加，導(dǎo)致區(qū)域溫度升高。二是影響大氣中的微量元素，從而改變地表生物地球化學(xué)的循環(huán)過程[7]。三是改變和影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成、生物多樣性、區(qū)域水分循環(huán)特征，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響[8]。土地利用/覆被變化對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的相關(guān)研究多而龐雜。從研究?jī)?nèi)容上看，主要涉及單一研究土地利用變化，土地利用變化對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的影響及其耦合交互內(nèi)涵與機(jī)理分析研究[9]；從研究區(qū)域看，相關(guān)研究涉及了重要城市群[10-12]、重要功能區(qū)[13-14]和生態(tài)脆弱區(qū)[15-16]等。

傳統(tǒng)意義上的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境變化是廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，而因特殊環(huán)境條件影響造成的干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化相對(duì)研究較少。衡陽(yáng)、邵陽(yáng)和婁底位于湖南省中部地區(qū)，由于四面環(huán)山、降水時(shí)空分布不均等因素的影響，在濕潤(rùn)區(qū)形成了一個(gè)相對(duì)干旱的走廊地帶[17]。衡邵婁干旱走廊是湖南省主要的產(chǎn)糧區(qū)，在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，土地利用/覆被變化在近10 a（2010—2020）較為劇烈[18]，其變化原因、變化過程需要進(jìn)一步研究?；诖?，本文對(duì)比分析衡邵婁干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被變化，評(píng)估區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，探討土地利用/覆被變化的驅(qū)動(dòng)因素與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的成因，為區(qū)域綜合治理提供決策支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

衡邵婁干旱走廊包含湖南省衡陽(yáng)市、邵陽(yáng)市、婁底市，以及永州市的新田、東安、祁陽(yáng)和冷水灘4縣區(qū)，地理位置位于湖南省中部，東低西高，東西長(zhǎng)350 km，南北寬280 km，總面積5.12×104 km2，占全省國(guó)土面積的24.2%。1961—2015年區(qū)域多年平均降雨量1 361 mm[19]，多年平均水面蒸發(fā)量為765.3 mm。受四面環(huán)山的地形影響，區(qū)域水汽被阻斷，降水量較省內(nèi)其他區(qū)域偏少，并且區(qū)域內(nèi)土壤土質(zhì)保水性差，大旱和特大旱發(fā)生概率達(dá)到30%[20]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用的遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat 8-TM影像，分辨率為30 m，獲取的三期影像成像時(shí)間均為7—9月份，年份分別為2000年、2010年和2020年。水資源數(shù)據(jù)來源于湖南省水利廳，污染物排放數(shù)據(jù)來源于湖南省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)，河道長(zhǎng)度、湖庫(kù)面積數(shù)據(jù)來源于遙感影像，土壤侵蝕數(shù)據(jù)分級(jí)根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL19—2007》中土壤侵蝕強(qiáng)度面蝕（片蝕）分級(jí)指標(biāo)（見表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用數(shù)據(jù)生成

利用ENVI 5.3和ArcGIS系統(tǒng)平臺(tái)，參照《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（HJ 192—2015）》[21]對(duì)于土地利用類型的劃分，對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類和人機(jī)交互式判讀，生成標(biāo)準(zhǔn)化矢量數(shù)據(jù)，并通過野外調(diào)研和實(shí)地驗(yàn)證對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，最終獲得研究區(qū)不同時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)。通過野外調(diào)研驗(yàn)證和對(duì)比分析，三期土地利用數(shù)據(jù)精度的Kappa系數(shù)分別為0.891、0.903和0.911。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以表征研究區(qū)內(nèi)土地利用類型流轉(zhuǎn)的方向和數(shù)量，是研究土地利用動(dòng)態(tài)變化的有力工具?；贏rcGIS空間分析功能，將得到的區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加運(yùn)算，獲取衡邵婁干旱走廊2000—2010年、2010—2020年和2000—2020年三期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)研究區(qū)各時(shí)段土地利用/覆被的流動(dòng)與轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行分析。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算方法見式（1）。

式中：Sij為土地利用類型j轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋乩妙愋蚷的面積；n表示土地利用類型的數(shù)量。

1.3.3 植被覆蓋度提取

歸一化植被指數(shù)NDVI是反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)和植被空間分布的最佳指示因子[22]，其大小綜合反映了植被覆蓋區(qū)域的植被類型和植被生長(zhǎng)狀態(tài)等，被定義為近紅外波段與紅波段的反射率之差和反射率之和的比值。本研究采用NDVI作為植被覆蓋度的重要參數(shù)，具體計(jì)算方法見公式（2）和（3）。

式中：Fc為對(duì)應(yīng)像元植被蓋度，NDVIveg是對(duì)應(yīng)純植被像元的NDVI值，NDVIsoil是對(duì)應(yīng)純土壤像元的NDVI值。

1.3.4 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（Ecological Index，EI）可分為5級(jí)（見表2）。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用組成及其變化分析

基于三期遙感影像的解譯結(jié)果，將各土地利用/覆被類型取均值進(jìn)行分析，可知衡邵婁干旱走廊地區(qū)以林地為主，占區(qū)域總面積的59.63%；其次是耕地，占區(qū)域總面積的34.59%；草地、建筑用地、水域濕地面積分別占2.55%、1.84%和1.36%，未利用地面積為0.03%。

將三期遙感解譯土地利用/覆被按時(shí)間順序縱向比較，分析其變化情況，可知耕地、林地、草地20 a來呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)，總面積減少了848 km2，其中近10 a（2010—2020年，下同）減少面積達(dá)691 km2，占整個(gè)研究時(shí)期的81.49%。減少的面積中，以耕地和林地為主，尤其是耕地面積減少336 km2，

林地面積減少275 km2。而建筑用地和水域濕地面積近20 a有所增加，尤其是建筑用地，近20 a增加了806 km2。未利用地面積從研究時(shí)段初期的15 km2減少到7 km2，面積減少了53.33%。

2.2 土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化分析

采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析區(qū)域土地利用/覆被變化的驅(qū)動(dòng)因素。2000—2010年，耕地面積凈減少97.99 km2，林地凈減少52.29 km2，主要是被建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用，其中建設(shè)用地占用耕地67.76 km2，占用林地67.70 km2。建設(shè)用地面積凈增加136.85 km2，水域濕地面積凈增加了19.26 km2。詳見表4。

2010—2020年，建設(shè)用地面積凈增加668.14 km2，水域濕地面積凈增加了30.27 km2，二者增加的主要來源是耕地和林地；耕地面積凈減少了336.47 km2，林地面積凈減少274.67 km2，草地面積凈減少80.30 km2。詳見表5。

分析研究時(shí)段內(nèi)各種土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化，可知，建設(shè)用地、水域濕地一直呈正向動(dòng)態(tài)變化，耕地、林地、草地和未利用地呈負(fù)向動(dòng)態(tài)變化，其中建設(shè)用地動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值最大，說明近20 a建設(shè)用地呈現(xiàn)大幅度擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。對(duì)比分析同一土地利用類型動(dòng)態(tài)度在2000—2010年和2010—2020年之間的差別（見表6），可知2010—2020年時(shí)段內(nèi)各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化程度較前一階段劇烈。

2.3 生態(tài)環(huán)境狀況變化

利用生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算方法，分別計(jì)算了生物豐富度指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地脅迫指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)，見表7。

近20 a，生物豐富度指數(shù)略有降低，從2000年的65.89降低到2020年的64.49，下降了1.40；植被覆蓋度指數(shù)降低幅度較大，從2000年的79.03下降到2020年的72.11，下降了6.92；水網(wǎng)密度指數(shù)從2000年的77.05增加到2020年的79.21；土地脅迫指數(shù)從2000年的4.24增加到2020年的4.76；污染負(fù)荷指數(shù)從19.86增加到26.81。在各指數(shù)的綜合作用下，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)從2000年的76.74下降到74.03，下降幅度為2.71，說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境略有變差。生態(tài)環(huán)境狀況分級(jí)則從2000年的“優(yōu)”降為了2020年的“良”。

3 討 論

從土地利用/覆被的變化情況看，對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況有促進(jìn)作用的土地利用類型中，除水域濕地面積有所增加，林地和耕地面積均呈現(xiàn)下降的過程（見表3），主要由建設(shè)用地面積擴(kuò)張導(dǎo)致。近20 a建設(shè)用地的擴(kuò)張是衡邵婁干旱走廊土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化推動(dòng)了城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城鎮(zhèn)人口的增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，推動(dòng)了建設(shè)用地面積的擴(kuò)張。由圖3可知，近20 a衡邵婁干旱走廊區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、第一、二、三次產(chǎn)業(yè)增加值分別增長(zhǎng)了948%、414%、1 028%和1 256%，增速均超過全國(guó)平均水平。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，城鎮(zhèn)化率也逐步提高，從近20 a的人口組成變化來看，人口總數(shù)逐年減少而城鎮(zhèn)人口數(shù)量逐年增加，從而促進(jìn)城鎮(zhèn)化率的不斷上升，從2001年的26%增長(zhǎng)至2020年的52%。

水域濕地面積增加主要是由降水增加所導(dǎo)致。從相關(guān)研究結(jié)果來看，雖然衡邵婁地區(qū)降水量未有明顯突變趨勢(shì)，但近10 a降水量增加的趨勢(shì)十分明顯，導(dǎo)致地表水資源量增加。根據(jù)《湖南省水資源公報(bào)》，近20 a湖南省地表水資源量較多年平均值偏多，2020年衡邵婁干旱走廊區(qū)域地表水資源量較多年平均值增加7%。

耕地面積的減少主要有兩個(gè)方面的原因：一是建設(shè)用地的就近擴(kuò)張占用。二是由于區(qū)域干旱情況較為嚴(yán)重，受氣候干旱的影響，部分農(nóng)業(yè)用地不得不荒廢，從而向其他土地利用類型進(jìn)行轉(zhuǎn)化。近10 a耕地面積減少了3.36萬hm2，但農(nóng)業(yè)用水量2020年比2010年不減反增。因此，衡邵婁干旱走廊用水壓力依然巨大。2020年7月開工建設(shè)的犬木塘水庫(kù)是國(guó)務(wù)院部署的172項(xiàng)重大水利工程項(xiàng)目之一，是解決衡邵婁干旱走廊地區(qū)干旱缺水問題的骨干水源。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積8.11萬hm2，灌區(qū)渠系包括1條總干渠、5條分干渠和13條骨干支渠[20]。項(xiàng)目建成后，可優(yōu)化區(qū)域水資源配置、解決衡邵婁干旱走廊中心區(qū)域缺水現(xiàn)狀，對(duì)保障糧食安全、保證區(qū)域居民生活用水安全以及改善灌區(qū)內(nèi)河道生態(tài)環(huán)境均具有十分重要的意義。

4 結(jié) 論

采用空間分析技術(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，對(duì)比分析了衡邵婁干旱走廊2000—2020年土地利用/覆被變化，評(píng)估了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況并探討其變化原因。主要結(jié)論如下。

（1）衡邵婁干旱走廊區(qū)域土地利用/覆被類型主要以林地為主，面積占區(qū)域總面積的59.63%，耕地面積占區(qū)域總面積的34.59%，草地、建筑用地、水域濕地面積分別占2.55%、1.84%和1.36%，未利用地面積為0.03%。

（2）林地、耕地、草地面積20 a呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)，建設(shè)用地和水域濕地面積則呈顯著增加的趨勢(shì)，尤其是建筑用地20 a增加了806 km2。近10 a土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)化的強(qiáng)度較大，主要原因是區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)導(dǎo)致城鎮(zhèn)化加速，造成建設(shè)用地的面積激增，且以占用耕地和林地為主要擴(kuò)張方式。

（3）由于建筑用地的擴(kuò)張和林草地、耕地面積的減少，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況有所下降，生態(tài)環(huán)境狀況等級(jí)從“優(yōu)”降為“良”。

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Changes of Land Use and Cover and Ecological Environment in the Arid Corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi from 2000 to 2020

ZHANG Pei1，CHEN Yin1，2，ZHAO Weiming3，DENG Xiaoya1，SHENG Dong3，WANG Yanyun1，4

（1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2. International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation，Beijing 100048，China；3. Hunan Institute of Water Conservancy and Hydropower Research，Changsha 410007，China；4. China Reinsurance （Group） Corporation，Beijing 100033，China）

Abstract：Land use/cover change （LUCC） is closely related to regional ecological environment，and，to some extent，reflects the eco-environment changes and affects regional eco-environmental quality. To investigate the causes and drivers of LUCC and eco-environmental changes，and to assess regional eco-environmental quality，we employed spatial analysis techniques and eco-environmental evaluation methods to compare the LUCC in the arid corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi between 2000 and 2020. Results indicate that forest land and cultivated land constitute the primary land use types in the Arid Corridor，accounting for 94.22% of the total area. However，over the past two decades，both forest land and cultivated land have experienced a significant decline largely due to accelerated urbanization resulting from regional economic growth，leading to a surge in construction land and encroachment upon cultivated land and forest land. Meanwhile，drought and water scarcity have contributed to the conversion of arable land to other land use types. Consequently，the regions ecological condition has downgraded from being “excellent” to “good”.

Key words：Land use/cover change；ecological index；transfer of land use；Arid Corridor of Hengyang-Shaoyang-Loudi