長春市土地利用時空轉(zhuǎn)型及其生態(tài)環(huán)境響應

范銘軒，姜海玲，張舒涵，呂增淼，王麗遙

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平136099)

0 引言

在對全球變化的研究中,社會經(jīng)濟飛速發(fā)展,導致了土地利用類型的轉(zhuǎn)變和空間重構(gòu),對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響,甚至威脅區(qū)域生態(tài)安全[1-2]。臭氧層破壞、生態(tài)系統(tǒng)受損加劇、海平面上升等眾多生態(tài)環(huán)境問題嚴重影響人類活動,全球變化科學已受到廣泛重視[3-4]。

研究表明,土地利用轉(zhuǎn)型是造成生態(tài)環(huán)境變化的主要原因[5-6],它是人地關(guān)系間最主要的體現(xiàn)形式[7],其改變不僅對區(qū)域氣候、水資源和碳排放等[8]環(huán)境因素產(chǎn)生變化,還會影響景觀生態(tài)格局[9]、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其服務價值[10-11],從而產(chǎn)生復雜多變的生態(tài)環(huán)境效應。區(qū)域生態(tài)文明建設離不開規(guī)范化、合理化的土地利用空間布局[12],反之,隨意變更土地利用格局將會帶來諸多生態(tài)環(huán)境問題,如土地荒漠化、河流泛濫和生物多樣性減弱等問題,嚴重侵害人類健康與發(fā)展,此類生態(tài)問題將在以后的城市發(fā)展體現(xiàn)得更為突出,嚴重干擾城市生態(tài)文明建設。

目前國內(nèi)外學者已對土地利用轉(zhuǎn)型及其區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(生境質(zhì)量)變化獲得了大量研究成果。國外學者認為,土地利用分析的影響因子過于單一,將逐步向可持續(xù)發(fā)展的土地轉(zhuǎn)變[13]。Du等[14]利用遙感影像探究了快速城市化進程中杭州市土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)效應。Li等[15]利用生態(tài)系統(tǒng)服務模型和地理加權(quán)模型分析了中國南四湖的空間格局與生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化關(guān)系。在國內(nèi),任涵等[16]利用西安市景觀格局變化分析,結(jié)合同心緩沖區(qū)分析城鄉(xiāng)梯度內(nèi)景觀指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)服務價值的特征及其相互關(guān)系。王成等[17]通過建立評價指標體系探究重慶市榮昌區(qū)村鎮(zhèn)城市化進程與生態(tài)環(huán)境效應協(xié)調(diào)發(fā)展的時空格局。

長春是吉林省的重要發(fā)展城市,經(jīng)濟發(fā)展迅速,城市化和工業(yè)化水平較高。本文以長春市為研究對象,基于2001年、2011年和2021年3期高分辨率遙感解譯數(shù)據(jù),分析2001—2021年間長春市土地利用格局與空間轉(zhuǎn)型特征,并對生態(tài)效應進行綜合評估,旨在揭示長春市環(huán)境改善與惡化的影響因素,為規(guī)范長春市土地利用格局,解決人類活動導致的生態(tài)環(huán)境問題提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長春市(包括公主嶺市)總面積約為25 000 km2,位于120°30′E～127°51′E,43°13′N～45°17′N。長春市包括3個縣級市、1個縣和7個區(qū),與松原市、四平市、吉林市和哈爾濱市相鄰,是吉林省的政治、經(jīng)濟和文化中心。長春市位于松嫩平原東部,地勢由東南向西北降低,相對高度平緩,土地類型以耕地為主,屬于溫帶季風氣候,年均降雨量約為600 mm,主要集中在夏季,冬季寒冷干燥。長春市是全國的重要交通樞紐城市,境內(nèi)有京哈線、長大線等多條鐵路線,并有東北地區(qū)四大國際機場之一——長春龍嘉國際機場,社會經(jīng)濟發(fā)展前景向好。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于武漢大學Yang J和Huang X教授團隊發(fā)布的CLCD全國土地利用數(shù)據(jù)[18],空間分辨率為30 m×30 m,總體精度高于80%。本文選取2001、2011、2021年3期長春市高分辨率土地利用遙感解譯數(shù)據(jù),參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)[19],利用ArcGIS軟件將遙感解譯結(jié)果重新劃分成6個一級地類,與之對應的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來源于文獻[20]的研究結(jié)果,如表1所示。

表1 土地利用分類與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來自于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[21],指將各地類土地利用轉(zhuǎn)移的面積,按照矩陣的形式進行排列,直觀反映不同地類間面積的轉(zhuǎn)變情況[22-24],從而實現(xiàn)土地利用功能在不同情景下轉(zhuǎn)型。通過GIS軟件對土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析,得出各時段的轉(zhuǎn)移矩陣,表達式為:

(1)

式中:Aij為i類土地利用類型變化為j類土地利用類型的面積,n為區(qū)域土地利用類型數(shù)量。

2.2.2 土地利用動態(tài)度

區(qū)域研究初期到末期各土地利用類型前后的面積變化強度,通常采用土地利用動態(tài)度來計算,可直觀看出不同用地類型的動態(tài)強度特征[25],也可用來預測未來土地趨勢。計算公式為:

(2)

式中:K表示t1、t2時段前后某種土地類型的動態(tài)度,St1、St2表示此時段前后該地類的面積。K值的變化波動,反映了轉(zhuǎn)化成其他地類的數(shù)量。

2.2.3 土地利用生態(tài)效應評價

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)可定量評定區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境綜合狀況[26],表達式為:

(3)

式中:EVt為t時期環(huán)境質(zhì)量指數(shù),Ati為t時期第i種地類面積,Ri為第i種地類的生態(tài)質(zhì)量指數(shù),TAt為區(qū)域總面積,n為土地利用類型數(shù)。

② 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率

為便于量化區(qū)域內(nèi)土地利用功能轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量貢獻情況,通常使用土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率方法,可直觀表達生態(tài)環(huán)境的改善與惡化效應[27],表達式為:

(4)

式中:LEI為土地利用功能變化的生態(tài)貢獻率,LE0、LE1分別為變化前后的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),LA為變化面積,TA為區(qū)域總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用轉(zhuǎn)型分析

3.1.1 土地利用時空變化

根據(jù)長春市2001年、2011年和2021年3期土地利用類型圖(如圖1所示),總體來看2001—2021年間長春市耕地面積占比最大,幾乎遍布全市;草地和未利用土地面積較少,主要位于農(nóng)安縣;林地大部分位于長春東部地區(qū),在九臺區(qū)、雙陽區(qū)和二道區(qū)分布最廣泛,少量分布在榆樹市和公主嶺市;水域集中在長春市中部地區(qū),主要分布在南關(guān)區(qū)、二道區(qū)和九臺區(qū)南部,農(nóng)安縣也存在部分水域;建設用地主要位于長春市中南部(寬城區(qū)、綠園區(qū)、朝陽區(qū)、南關(guān)區(qū)和二道區(qū)),分布集中且規(guī)模較大。結(jié)合圖2可更直觀探析長春市近20年間的土地利用變化趨勢,可看出: 2001—2021年耕地面積占比常年超過75%,其次是建設用地和林地,未利用土地范圍較小,面積最小。耕地、建設用地是長春市發(fā)展所需的重心土地利用類型,隨著城市的擴張,建筑物急劇增加,由城區(qū)逐步擴大到郊區(qū),20年間建設用地共增加了759.91 km2,增長率為39.01%。相較之下,林地、水域、草地和耕地的原有面積遭到破壞,分別減少了37.51、68.41、246.58、282.94 km2,面積減少率分別為2.35%、9.21%、35.58%、1.46%。

圖1 2001年、2011年和2021年長春市土地利用圖Fig.1 Land use maps in Changchun in 2001, 2011 and 2021

圖2 2001—2021年長春市不同土地利用類型面積變化Fig.2 Area change of different land use types in Changchun from 2001 to 2021

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

長春市在2001—2021年地類間轉(zhuǎn)換較為明顯,各種土地類型間都存在空間轉(zhuǎn)移與面積變化情況,基于轉(zhuǎn)移矩陣直觀表達出地類間的相互轉(zhuǎn)換,如表2所示。整體來看,林地面積并未發(fā)生太大變化,主要與耕地相互轉(zhuǎn)換,面積的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出基本持平,即維持自身的生態(tài)平衡。近20年間由于政策的變化,導致耕地面積變化劇烈,與其他地類間轉(zhuǎn)換頻率較高,其中轉(zhuǎn)入耕地面積較多的是林地和草地,分別為187.47、295.99 km2,同時耕地向外轉(zhuǎn)出的地類面積主要以建設用地和林地為主,分別為614.18、157.09 km2。草地的轉(zhuǎn)出量約占總轉(zhuǎn)出量的21%,轉(zhuǎn)型成其他面積為425.91 km2。由于政府對水域和未利用土地的保護,使其開墾面積較少。

表2 2001—2021年長春市各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

20年間長春市經(jīng)濟建設不斷完善,城市化進程加快,建設用地不斷擴張,致使其他土地利用類型轉(zhuǎn)入建設用地面積最多,為784.62 km2,其中絕大部分來源于耕地,小部分源自水域、荒廢草地;轉(zhuǎn)入耕地的面積,主要來自草地、林地和水域,其中草地約占40%,可以看出適當?shù)臍Р菰焯锟梢詾槌鞘性黾硬糠指孛娣e。

3.1.3 土地利用動態(tài)度變化

根據(jù)式(2)得出長春市土地利用動態(tài)度,如圖3所示。結(jié)果顯示,在2001—2021年間,前10年草地的土地動態(tài)度最為明顯,后10年建設用地的土地利用動態(tài)度最為顯著;建設用地動態(tài)度始終為正值,面積不斷擴張;草地、水域和未利用土地動態(tài)度始終為負值,面積持續(xù)減少;耕地和林地因不確定因素動態(tài)度在20年間出現(xiàn)正負值交替情況。具體體現(xiàn)在:

圖3 2001—2021年長春市土地利用動態(tài)度Fig.3 Land use dynamic degree in Changchunfrom 2001 to 2021

① 2001—2011年,長春市正處于城市發(fā)展初級階段,土地利用類型間轉(zhuǎn)化緩慢。其中建設用地開發(fā)迅速,土地利用動態(tài)度最大,為1.25%;林地陸續(xù)被開發(fā)利用,為0.13%;耕地變化較小,為0.03%。由于各地類間的相互轉(zhuǎn)型,導致草地、水域和未利用土地面積減少,動態(tài)度表現(xiàn)為負值,其中草地面積減少最快?？梢钥闯霾糠植莸?、水域被破壞和未利用土地被破壞,轉(zhuǎn)型為建設用地等其他地類。

② 2011—2021年,長春市發(fā)展迅猛,建設用地面積范圍不斷向外擴展,土地動態(tài)度最大,從1.25%升高至2.36%。相比之下,其他地類均呈現(xiàn)負值,面積減少由快到慢排序為:未利用土地>草地>水域>林地>耕地。各土地利用動態(tài)度變化明顯,長春市的發(fā)展重心與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在持續(xù)變化和改革。

同時,20年間長春市人口從705.7萬快速增長至851.7萬,加上經(jīng)濟高速發(fā)展,直接導致了土地城市化進程加快。耕地出現(xiàn)大面積減少,草地、未利用土地面積部分被開墾,而建設用地面積不斷擴張。

可以看出城市發(fā)展不協(xié)調(diào),耕地—建設用地的轉(zhuǎn)型使土地生產(chǎn)能力遭到破壞,同時土地水土保持能力也受到不同程度的影響。

3.2 生態(tài)環(huán)境對土地利用轉(zhuǎn)型的響應

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

通過區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計算得出長春市2001、2011、2021年各土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(如表3所示),建設用地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)逐漸增大,草地、水域和未利用土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)不斷減小,綜合指數(shù)分別為0.312 1、0.308 1和0.304 3,整體上長春市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)微下降趨勢,說明地類變化的最終結(jié)果對生態(tài)環(huán)境存在消極影響,建設用地的開發(fā)可能對生態(tài)環(huán)境造成一定損害。

表3 長春市各土地利用類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

② 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間格局

通過自然斷點法將長春市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分成4個級別,如圖4所示,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級和土地利用類型的分類差異有一定的空間對應關(guān)系。耕地類型是高質(zhì)量區(qū),幾乎未被城市污染,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)定,主要分布在中部地區(qū);低質(zhì)量區(qū)主要以建設用地和水域為主,主要位于長春市中北部,在寬城區(qū)、綠園區(qū)、南關(guān)區(qū)和朝陽區(qū),這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較快、社會設施完善以及人文因素較強,生態(tài)環(huán)境和城市發(fā)展節(jié)奏不一致。綜上所述,2001—2021年生態(tài)格局整體較為穩(wěn)定,一直維持相對平衡的生態(tài)環(huán)境,總體向好。

圖4 長春市 2001年、2011年和2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布格局Fig.4 Spatial distribution pattern of eco-environmental quality in Changchun in 2001, 2011 and 2021

③ 各縣區(qū)功能定位及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化

近20年來,長春市以中心城區(qū)(朝陽區(qū)、南關(guān)區(qū)、寬城區(qū)、二道區(qū)和綠園區(qū))發(fā)展為重心,促進新型產(chǎn)業(yè)向中心城區(qū)及周邊組團集聚,引導傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向外圍地區(qū)轉(zhuǎn)移,其中朝陽區(qū)大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)且加強水庫匯水區(qū)保護;南關(guān)區(qū)重點發(fā)展現(xiàn)代服務業(yè);寬城區(qū)加快老工業(yè)基地改造;二道區(qū)大力推進舊城改造;綠園區(qū)發(fā)展軌道客車產(chǎn)業(yè)。以上城區(qū)的功能定位致使長春市中心城區(qū)建設用地范圍不斷向外圍擴張,中心水域面積得到保護,而耕地等其他用地面積則減少,導致中心城區(qū)的低質(zhì)量區(qū)范圍逐漸擴大。另外,次中心城區(qū)中雙陽區(qū)接納中心城區(qū)轉(zhuǎn)移的教育產(chǎn)業(yè),九臺區(qū)和農(nóng)安縣等地大力發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)和旅游休閑產(chǎn)業(yè)等。次中心城區(qū)長期以耕地和林地為主且沒有明顯變化,建設用地面積未出現(xiàn)大幅度增加,以致次中心城區(qū)中農(nóng)安縣的較低質(zhì)量區(qū)范圍略有減少,其他地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率分析

為深入探討影響長春市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的原因,通過土地利用轉(zhuǎn)型生態(tài)貢獻率計算出長春市土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)指數(shù)貢獻率(如表4所示),進而分析各地類間的轉(zhuǎn)化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。通過對比分析可知,長春市大面積的土地利用轉(zhuǎn)型主要集中在耕地與草地、林地和水域之間的相互轉(zhuǎn)變,大量生態(tài)價值較低的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、林地和水?是生態(tài)環(huán)境改善的主要原因,貢獻率占比分別為20.21%、56.70%和17.75%。造成部分耕地退耕還林還草的主要原因是九臺區(qū)、農(nóng)安縣等地大力發(fā)展旅游業(yè),需擴大林地草地面積,優(yōu)化當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,從而加強旅游資源的培育與養(yǎng)護。

表4 長春市2001—2021年土地利用轉(zhuǎn)型及其生態(tài)指數(shù)貢獻率

與此同時,造成長春市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因是草地和林地轉(zhuǎn)化為生態(tài)價值較低的耕地以及大面積耕地被建設用地占用,貢獻率占比分別為37.58%、27.12%和16.32%,此3種地類轉(zhuǎn)型占總惡化貢獻率達80%以上?？煽闯?長春市在2001—2021年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善和惡化同時存在,耕地向林地轉(zhuǎn)型大大加強了長春市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善,但惡化程度總體依舊高于改善趨勢。因此,應綜合考慮長春市產(chǎn)業(yè)布局與其貢獻效率,對土地利用格局進行合理規(guī)劃,在確保經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的同時,注重保護生態(tài),改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文以高空間分辨率土地利用數(shù)據(jù)為基礎,通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方法,從多角度分析土地利用空間格局,可以看出土地利用轉(zhuǎn)型和生態(tài)效應的聯(lián)系。2001—2021年間城市化發(fā)展造成長春市土地利用格局發(fā)生改變,部分自然生態(tài)環(huán)境受到污染,雖然有些地類間的轉(zhuǎn)型對生態(tài)環(huán)境有所改善,但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未能出現(xiàn)上升趨勢。土地利用空間格局優(yōu)化,需要協(xié)調(diào)各地類間面積占比,適時調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加強生態(tài)文明建設,推動土地利用的可持續(xù)發(fā)展等工作。因此,政府需重視退耕還林還草的生態(tài)政策,落實耕地保護政策,同時合理節(jié)約利用建設用地,尋找平衡點以協(xié)調(diào)城市建設和生態(tài)安全之間的關(guān)系。

由于篇幅有限,本文沒有深度探究造成影響土地利用轉(zhuǎn)型的具體因素以及未來變化,在今后研究中將對地類間轉(zhuǎn)型的驅(qū)動力進行探析,結(jié)合自然因素、人文因素和國家政策等因素分析不同時期長春市土地利用轉(zhuǎn)型,權(quán)衡經(jīng)濟建設和生態(tài)環(huán)境保護關(guān)系,旨在為長春市構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的土地利用格局。