近30年四平市土地利用時空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

李艾玉，劉吉平，于 佳，劉家福，馬沖亞

（吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平 136000）

近30年四平市土地利用時空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

李艾玉，劉吉平*，于 佳，劉家福，馬沖亞

（吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平 136000）

以四平市為研究區(qū)域，利用1980，1995和2010年的LandsatTM遙感影像解譯數(shù)據(jù)，基于GIS空間分析功能，根據(jù)土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣對四平市土地利用動態(tài)變化進行研究。結(jié)果表明，近30年，四平市的草地、沼澤地、鹽堿地面積減少幅度最大，其次為林地和水域面積，耕地面積增加明顯。西部和東北部地區(qū)的土地利用的綜合動態(tài)度變化速率快于北部和東南部地區(qū)。西部及東北部地區(qū)的土地利用類型的空間變化最大，并逐漸向中部地區(qū)遞減，北部和東南部地區(qū)的空間變化最小。土地利用對環(huán)境變化的影響主要包括大氣環(huán)境效應(yīng)、土壤環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境效應(yīng)。

土地利用；動態(tài)變化；生態(tài)環(huán)境；四平市

土地利用和覆被是自然環(huán)境和人類活動相互作用下形成的復(fù)雜綜合體［1］，人類對地表不同的作用方式形成了不同的土地利用格局。土地利用/土地覆被變化已經(jīng)成為全球變化研究的前沿領(lǐng)域和熱點，也是當(dāng)前地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等諸多學(xué)科研究的熱點和前沿問題［2］。在地理信息技術(shù)的快速發(fā)展下，RS和GIS的廣泛應(yīng)用為土地利用的研究提供了技術(shù)支持，推動了土地利用變化研究的進展。國內(nèi)大部分地區(qū)土地利用變化研究已取得顯著成績，但四平市近年來土地利用變化研究較少。本文以四平市為例，采用1980-1995年，1995-2010年及1980-2010年3個階段的變化數(shù)據(jù)作為研究對象，利用GIS軟件，對四平市的土地利用時空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進行定量分析。通過本論文研究，可使該區(qū)域的土地利用方式更加合理，更利于優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)，提高土地生產(chǎn)力，對可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

1 概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

四平市位于東北松遼平原中部，吉林省西南部，東遼河下游，是遼寧、吉林與內(nèi)蒙古三省的交界處，125°05′-123°25′E，42°56′-44°05′N。全市總面積為1.4萬km2，總?cè)丝?40萬人，轄鐵東、鐵西2個市轄區(qū)，梨樹縣、伊通滿族自治區(qū)及雙遼、公主嶺2個縣級市。四平市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為5.9℃，≥10℃積溫平均為3078.5℃，年平均降水量為572.8mm。土地資源比較豐富，是國家重點商品糧基地，素有“松遼平原黃金玉米帶”之稱。主要支柱產(chǎn)業(yè)有換熱器、汽車改裝及紅嘴經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等。東部地區(qū)主要為林地，地勢較高，屬低山丘陵地區(qū)，主要有哈達嶺等；西部為松遼平原的一部分，地勢較低，為波狀平原地帶，草地、鹽堿地及沼澤地主要分布于西部；中部地區(qū)地勢平坦，土壤肥沃，河流較多，土地生產(chǎn)力較高，因此耕地、居民用地主要分布于此。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)由1980，1995，2010年的四平市遙感影像解譯后獲得，空間分辨率為30m，分為1980-1995年，1995-2010年及1980-2010年3個階段來分析研究。利用ArcGIS軟件處理3期土地利用類型空間分布圖及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，獲得四平市土地利用動態(tài)變化信息。根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合四平市實際情況，將土地利用類型分為水田、旱地、林地、草地、水域、居民用地、鹽堿地、沼澤地8類。

1.3 研究方法

本研究采用單一土地利用動態(tài)度指數(shù)、綜合動態(tài)度、綜合動態(tài)尺度及質(zhì)心轉(zhuǎn)移來進行分析。單一土地利用動態(tài)度反映了單一土類在某段時間內(nèi)土地利用類型數(shù)量的變化情況，對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用趨勢有重要作用［3］。

式中：Ua，Ub分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時段長。當(dāng)T設(shè)定為年時，K值即為某土地利用類型的年變化率。

綜合動態(tài)度用于表征研究區(qū)土地利用的變化速度［4］。

式中：Uai，Ubi分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時段長；n為土地利用類型數(shù)。當(dāng)T設(shè)定為年時，Ks值即為研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型面積變化的年綜合變化率。

綜合動態(tài)尺度表示研究區(qū)所有類型空間變化［4］。

式中：U0-i為研究時段T內(nèi)i類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和；Ui-i為其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈趇種類型的面積之和。當(dāng)T設(shè)定為年份時，Kss為研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型綜合動態(tài)尺度變化。

為了研究土地利用動態(tài)度的空間差異，對研究區(qū)進行網(wǎng)格化。將四平市劃分為45個網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為23km×23km，并利用ArcGIS軟件分別計算每個網(wǎng)格的綜合動態(tài)度及綜合動態(tài)尺度，最后用克里克插值法進行插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 近30年土地利用空間格局變化過程

本文通過對1980，1995和2010年的四平市遙感影像解譯，得到1980-2010年土地利用空間格局變化過程（圖1）。

圖1 四平市1980-2010年土地利用類型空間分布

由圖1可知，2010年東南部地區(qū)林地面積減少較多，但東北部有所增加，總體趨勢減少。1980-1995年水田面積明顯增加，而1995-2010年東遼河流域水田面積大幅度減少，但分散在東遼河南部地區(qū)的水田面積增加。西部地區(qū)的鹽堿地、草地及沼澤地的面積均明顯減少。1995年水域面積較1980年增加較多，可看出東遼河的河道變寬，但2010年又明顯減少。與1980年相比，1995年居民用地面積變化不大，2010年明顯增加。1980-2010年間，旱田分布較廣，總體上西北部、東南部旱田面積有所增加，東遼河南部地區(qū)旱田有所減少。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移特征

根據(jù)土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可得四平市1980-2010年土地利用動態(tài)變化（表1-3）。

表1 四平市1980-1995年各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化面積km2

表2 四平市1995-2010年各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化面積km2

表3 四平市1980-2010年各種土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化面積km2

由表1-3可知，1980-1995年林地主要轉(zhuǎn)移為草地和旱田，草地主要轉(zhuǎn)移為水田和旱田，水域主要轉(zhuǎn)移為旱田和居民用地，居民用地一部分轉(zhuǎn)移為旱田，鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為草地和旱田，水田有較大一部分面積轉(zhuǎn)移為旱田，旱田主要轉(zhuǎn)移為水田、林地、水域及居民用地等。1995-2010年，林地轉(zhuǎn)移為旱田的面積與前期相比增加較多；草地轉(zhuǎn)出面積與前期相比明顯增加，轉(zhuǎn)移為旱田、林地、鹽堿地的面積較多，轉(zhuǎn)移為水田和水域的面積較少；水域轉(zhuǎn)移為其他土地利用類型的面積較多；居民用地主要轉(zhuǎn)移為旱田、水田和林地；鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為旱田和草地；沼澤地基本上都轉(zhuǎn)移為水田和旱田；水田轉(zhuǎn)移為居民用地的面積較大，其次是林地和居民用地；旱田主要轉(zhuǎn)移為林地、居民用地和水田?？傮w看，近30年來，林地主要轉(zhuǎn)移為水田和旱田；草地主要轉(zhuǎn)移為林地、鹽堿地和旱田；水域主要轉(zhuǎn)移為水田和旱田；居民用地主要轉(zhuǎn)移為林地、水田和旱田；鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為草地和旱田；水田主要轉(zhuǎn)移為林地和旱田；旱田主要轉(zhuǎn)移為林地、居民用地和水田。

2.3 土地利用動態(tài)變化

2.3.1 單一土地利用動態(tài)度

根據(jù)表1-3及可計算出四平市近30年土地利用類型的總體變化幅度及變化速度（表4）。

從表4可知，林地持續(xù)呈減少趨勢，且后期減少速率快于前期；草地在前期面積有所減少，但變化幅度不大，但在后期面積迅速減少，變化幅度較大，近30年間草地轉(zhuǎn)入面積較少。水域在前期呈增加趨勢，年變化速率較快，但在后期轉(zhuǎn)出面積為204.2618 km2，遠大于同期轉(zhuǎn)入面積，減少速率快于前期增加速率，故水域面積總體減少，且減少趨勢越來越明顯；居民用地始終呈增加趨勢，前期增加速率較快。鹽堿地總體趨勢減少，且減少幅度較大。沼澤地面積也大幅度減少，總體看年變化速率最快，變化幅度也最大，總體轉(zhuǎn)出面積為92.0461km2，而轉(zhuǎn)入面積僅為13.94km2。由于水域面積前期增加較多，因此水田在前期增加速率最快，變化幅度最大，轉(zhuǎn)入面積達698.96km2，但后期呈減少趨勢，總體面積呈增加趨勢；旱田前期面積減少，但變化速率不大，后期呈增加趨勢，總體面積增加，由于旱田基數(shù)大，所以面積變化幅度不明顯。

2.3.2 綜合土地利用動態(tài)度

根據(jù)公式2及ArcGIS軟件可計算出四平市土地利用類型綜合動態(tài)度（圖2）。

表4 四平市1980-2010年土地利用動態(tài)變化%

圖2 四平市1980-2010年土地利用綜合動態(tài)度

由圖2可知，1980-1995年四平市西部地區(qū)綜合動態(tài)度變化速度最大，且逐漸向東部地區(qū)遞減，說明前期西部沼澤地、鹽堿地、草地及中部的水田和旱田的土地利用變化速率較快。1995-2010年西部地區(qū)和東北部地區(qū)的綜合動態(tài)度變化速率均較大，而北部和東南部地區(qū)綜合動態(tài)度變化速率最小，形成了東-西偏大、南-北偏小的馬鞍形，可見后期東北部的旱田、林地及水域的變化較快。從整體看，四平市綜合動態(tài)度變化速率仍是東北及西部地區(qū)偏大、北部及東南地區(qū)偏小的馬鞍形，西部地區(qū)和東北部地區(qū)的土地利用的變化速率快于北部和東南地區(qū)。

2.3.3 綜合動態(tài)尺度

根據(jù)公式3及ArcGIS技術(shù)可計算出四平市土地利用類型空間變化的綜合動態(tài)尺度（圖3）。

圖3 四平市1980-2010年土地利用綜合動態(tài)尺度

從圖3可知，1980-1995年，四平市西部地區(qū)土地利用類型的空間變化最大，逐漸向東部地區(qū)遞減，形成了西高東低的變化趨勢。1995-2010年，西部、東部和南部地區(qū)的土地利用類型的空間變化均較大，且空間變化程度較前期大，說明西部、東部和南部地區(qū)的土地利用類型空間變化頻繁。而中部地區(qū)和北部地區(qū)的土地利用類型的空間變化較小，尤其是北部地區(qū)空間變化最小。從整體上看，西部大部分地區(qū)及東北部少部分地區(qū)的土地利用類型的空間變化最頻繁，并逐漸向中部地區(qū)遞減，北部和東南部地區(qū)的空間變化最小。

2.4 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

土地利用的變化，影響著生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化和可持續(xù)發(fā)展，LUCC生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究日趨重要。土地利用對環(huán)境變化的影響主要有大氣環(huán)境效應(yīng)、土壤環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境效應(yīng)等。

2.4.1 大氣環(huán)境效應(yīng)

土地利用的變化通過對局地生態(tài)系統(tǒng)的影響，改變了溫室氣體的全球收支平衡［5］，四平地區(qū)林地、草地、沼澤地的大面積減少，降低了對CO2的吸收量，工業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地的增加，使化石燃料的燃燒量增多，CO2排放量增加，造成氣候變暖。下墊面的改變，如城市用地的擴展、基礎(chǔ)設(shè)施增加及人口大量涌入，也使城市氣溫高于周邊地區(qū)，從而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)。四平市1970-2011年的平均氣溫距平見圖4。

圖4 四平市1970-2011年平均氣溫距平

由圖4可知，1980-1995年氣溫低于平均值，而1995年以后氣溫距平多數(shù)＞5℃，表明1995-2010年氣溫明顯升高，且變化幅度較大；四平市氣溫升高雖受全球氣溫變暖的影響，但土地利用變化導(dǎo)致下墊面的改變及CO2排放量的增加也是影響氣溫的重要因素。

草地、林地、沼澤地及水域的大面積減少，可能對小范圍的降水造成一定的影響。四平市1970-2010年降水距平百分率見圖5。

圖5 四平市1970-2010年降水距平

由圖5可知，1980-1995年降水距平百分率普遍大于0，說明降水量呈增加趨勢，而1995-2010年降水距平百分率多數(shù)小于0，且變化幅度較1980-1995年變化明顯，降水量明顯減少，由此說明，土地利用的變化對氣溫、降水量的影響較大。

土地利用的變化還可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)上的旱澇災(zāi)害。1980-1995年間四平市只發(fā)生3次大災(zāi)害，1982年旱災(zāi)，1984和1994年2次澇災(zāi)；1995-2010年共發(fā)生5次大災(zāi)害，其中，2002年大旱，2003及2009年偏旱，2005年及2010年偏澇。后期災(zāi)害明顯多于前期，且程度大于前期災(zāi)害，說明土地利用的變化對農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害影響較大，也說明四平市近30年的土地利用變化的不合理。

2.4.2 土壤環(huán)境效應(yīng)

土地利用的變化導(dǎo)致土壤肥力下降，不同程度地降低土地持續(xù)生產(chǎn)能力和土地質(zhì)量，從而導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降。土地利用變化對土壤中的碳儲存量及碳通量的影響遠超過自然變化的速率和程度，導(dǎo)致土壤中氮、磷、鉀含量的減少，直接影響農(nóng)作物的生長需要，降低了土壤肥力。以四平市內(nèi)公主嶺為例，說明土地利用變化對土壤營養(yǎng)元素含量的影響［6］（表5）。

表5 公主嶺1988-1997年土壤養(yǎng)分含量的變化

由表5可知，1988-1997年，土壤有機碳含量減少，相比1988年建點初期下降14%；土壤中全氮含量也明顯減少，下降了21%；有效磷含量相應(yīng)增加，但基本在穩(wěn)定范圍內(nèi)變化；土壤中速效鉀含量減少較多，較1988年下降了26%?？梢姡寥乐袪I養(yǎng)元素的含量與土地利用有直接關(guān)系，土地利用的不合理，導(dǎo)致土壤肥力的下降。

此外，研究區(qū)內(nèi)土壤退化及土壤污染也較嚴重。水田和旱田面積的增加，導(dǎo)致化學(xué)農(nóng)藥大范圍使用，使土壤污染日益加重，而土壤化學(xué)污染尤為嚴重，致使土壤質(zhì)量明顯下降。林地、沼澤地、草地面積的大幅度減少，使土壤鎖水力下降，造成水土流失，導(dǎo)致土壤沙漠化嚴重，加快了土地利用類型的轉(zhuǎn)變。

2.4.3 水環(huán)境效應(yīng)

水資源已成為制約社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，土地利用方式的改變對河流徑流量的變化及水體環(huán)境造成很大影響。以四平市內(nèi)東遼河為例，說明土地利用變化對河流徑流量的影響。

圖6顯示，1980-1995年徑流量明顯增加，1995-2010年徑流量明顯減少，而1980-1995年東遼河年徑流量總和為95.47億m3，15年平均徑流量為6.365億m3；1995-2010年徑流量總和為58.14億m3，15年平均為3.876億m3，平均徑流量明顯比1980-1995年減少?？梢娝钠绞袃?nèi)東遼河近30年的徑流變化幅度較大，呈明顯下降趨勢。草地、沼澤地及鹽堿地大面積轉(zhuǎn)移為耕地，使土地覆被類型不斷發(fā)生改變，對降水的截留、阻擋、蒸騰及下滲作用產(chǎn)生不同的影響，從而影響東遼河的徑流量變化，由此可見，土地利用類型的變化會改變區(qū)域水循環(huán)的方式［7］。

圖6 四平市1980-2010年東遼河年徑流量

四平市是一個缺水的城市，而近30年的水域面積總體減少，水田、旱田面積不斷擴大，導(dǎo)致化學(xué)肥料、農(nóng)藥、殺蟲劑等化學(xué)藥劑大量使用，造成水體環(huán)境的富營養(yǎng)化。居民用地面積的增加，使工業(yè)三廢及生活污水的排放量加大，加重了水體污染。研究表明，2009年四平市二龍湖的水質(zhì)類別已達到劣Ⅴ級［8］，2010年二龍湖水庫來自工業(yè)污染源的污染物COD、氨氮的排放量分別為81.92和7.43t；來自城鎮(zhèn)居民生活污染物COD、氨氮的排放量分別為473.73和66.69t，水質(zhì)已呈病態(tài)，水體污染嚴重，水生生物多樣性減少，河岸帶侵蝕嚴重［9］。

3 小結(jié)

總體上，草地、沼澤地、鹽堿地面積減少的幅度較大，其中沼澤地變化幅度最大，基本開墾為耕地；林地面積也呈減少趨勢；水域面積前期明顯增加，后期明顯減少，總體面積減少；旱田的面積逐年增加；水田總體面積增加較多；居民用地面積后期增加較多。

四平市綜合動態(tài)度變化速率呈現(xiàn)東北-西南地區(qū)偏大、北部-東南地區(qū)偏小的馬鞍形，西部地區(qū)和東北部地區(qū)的土地利用的變化速率快于北部和東南地區(qū)。

西部大部分地區(qū)及東北部少部分地區(qū)的土地利用類型的空間變化最頻繁，并逐漸向中部地區(qū)遞減，北部和東南部地區(qū)的空間變化最小。

土地利用變化對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境有一定影響，主要表現(xiàn)為氣候變暖，降水量減少，旱澇災(zāi)害增多，土壤肥力下降，土壤退化嚴重，河流徑流量減少，水體環(huán)境污染。

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（責(zé)任編輯：張瑞麟）

F301.24文獻標(biāo)志碼：A文章編號：0528-9017（2014）07-1082-06

文獻著錄格式：李艾玉，劉吉平，于佳，等.近30年四平市土地利用時空變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（7）：1082-1087

2014-03-21

國家自然科學(xué)基金（41071037）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（NCET-12）；吉林省科技廳項目（20130101097JC，201201085，201215224）；吉林省教育廳項目（吉教科合字2013第201號）

李艾玉（1987-），吉林吉林人，碩士生，從事資源與環(huán)境信息系統(tǒng)研究工作。E-mail：liaiyujl@163.com。

劉吉平，教授，博士，主要從事資源與環(huán)境信息系統(tǒng)研究工作。E-mail：liujpjl@163.com。