濟源市土地利用變化及其環(huán)境效應分析

郭恒亮， 王宇飛， 赫曉慧， 田智慧， 李 穎

(1.鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001；2.中國氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點實驗室，河南 鄭州 450003)

濟源市土地利用變化及其環(huán)境效應分析

郭恒亮1， 王宇飛1， 赫曉慧1， 田智慧1， 李 穎2

(1.鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001；2.中國氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點實驗室，河南 鄭州 450003)

以位于中原城市群的濟源市為研究區(qū)，綜合運用遙感、GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計方法，結(jié)合區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)以及生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，定量分析了濟源市2000-2012年土地利用與生態(tài)環(huán)境狀況的相關性，并綜合評價了土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應.結(jié)果表明：濟源市土地利用變化劇烈，其中耕地面積減少了115.38km2，建設用地面積增加了88.67km2；與此相應，2000、2006、2012年濟源市區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)及生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，說明在土地利用變化影響下的生態(tài)環(huán)境狀況在不斷改善.土地利用格局變化中，林地、草地、水域面積增長是促進環(huán)境改善的主要原因，而因經(jīng)濟發(fā)展引起的城市建設用地范圍的擴張、耕地的開墾和工業(yè)的發(fā)展等因素則對環(huán)境改善具有抑制作用.

土地利用；環(huán)境效應；濟源市

環(huán)境變化中人的行為非常復雜，而比較能體現(xiàn)出人類活動對環(huán)境影響過程的是土地利用/覆被變化(LUCC).LUCC直接反映了當今全球變化的主導因子——人類活動，作為引起全球變化的主要原因之一，土地利用/土地覆蓋變化引起了相關學者的廣泛關注，在LUCC過程、驅(qū)動力及變化趨勢預測等方面進行了大量的研究[1].現(xiàn)階段，國內(nèi)學者對土地利用的研究側(cè)重于城市土地利用時空動態(tài)變化與驅(qū)動機制方面，如柯新利等[2]通過對已有的土地利用編碼方式進行改進，并結(jié)合土地利用動態(tài)度模型，分析了武漢城市圈1990-2005年土地利用數(shù)據(jù)，形成對武漢城市圈1990年以來土地利用變化的基本規(guī)律、階段性趨勢和空間差異的基本認識；崔曉臨等[3]利用土地利用動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣，分析了靖邊縣1990-2010年土地利用變化及其驅(qū)動因素；常春艷等[4]通過土地利用動態(tài)度分析黃河口墾利縣1989-2011年土地空間變化及其驅(qū)動因素.相對而言，對城市土地利用變化及其引起的生態(tài)環(huán)境效應研究較少[5].如張楊等[6]運用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模型分析了武漢市1996-2006年土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應；祖木拉提·伊布拉音等[7]對塔里木河干流區(qū)土地利用與土地覆被變化速度和趨勢及其生態(tài)環(huán)境效應進行了定量的分析和研究.

濟源市處于中原城市群緊密層，近幾年發(fā)展迅速，土地利用變化較大，進而引發(fā)了環(huán)境的改變.為了研究濟源市的宜居情況，探究隨著經(jīng)濟發(fā)展導致的環(huán)境效應影響，本文從濟源市土地利用現(xiàn)狀入手，通過分析土地利用變化情況以及經(jīng)濟社會行為，研究其帶來的環(huán)境效應，為解決土地利用中存在的問題，切實保護和合理利用土地資源提供依據(jù).

1 濟源市土地利用概況

1.1 研究區(qū)概況

濟源市地處河南西北部太行山南麓，與山西省毗鄰.介于北緯34°53′-35°16′，東經(jīng)112°01′-112°45′之間.濟源市土地面積為1898.71km2.是新興的旅游城市，全市總?cè)丝诔^70萬，其中城區(qū)人口30萬左右.隨著市域內(nèi)黃河小浪底水利樞紐工程建設、亞洲最大火電項目沁北電廠開工等國家重點項目的投資興建，濟源成為中國中西部發(fā)展的熱點，城市規(guī)模迅速擴大.但該區(qū)山地多平原地少，而且土地自然環(huán)境條件較差，水土流失較嚴重，城市生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和建設顯得尤為重要.

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

以2000年、2006年和2012年獲得的遙感影像作為基本信息源，經(jīng)野外實地考察后，采用人-機交互的方式解譯出3期土地利用現(xiàn)狀圖.用ArcGIS軟件分析并提取各類用地信息，并進行統(tǒng)計和計算.三期影像的解譯精度KAPPA系數(shù)均高于98%，滿足進行土地利用變化格局與動態(tài)分析的數(shù)據(jù)精度要求.自然、社會經(jīng)濟相關數(shù)據(jù)來源于濟源市2000-2012年統(tǒng)計年鑒以及濟源市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報.

解譯的指標體系沿用2000年土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)，采用全國二級分類系統(tǒng)：一級分為6類，采用土地的自然生態(tài)及利用屬性為分類依據(jù)；二級分為25類，主要根據(jù)土地經(jīng)營特點、利用方式和覆蓋特征.對二級分類體系下的土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行賦值，建立土地利用/土地覆蓋與區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關聯(lián)，從而揭示區(qū)域土地利用/覆被變化及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空特征.首先對二級分類體系下各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行模糊賦值(表1)[8].

表1 土地利用分類系統(tǒng)及其生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值

2 研究方法與模型

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移類型分析方法

在GIS環(huán)境下，對不同時期土地利用圖進行疊置分析，求出各時期土地利用類型變化的轉(zhuǎn)移矩陣，進而分析土地利用的變化過程[9].根據(jù)用地類型的不同，提取各類用地的面積等信息，得到土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關系的原始轉(zhuǎn)移矩陣.

2.2 土地利用類型單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度計算

某一研究區(qū)域的單一土地利用類型動態(tài)度可表示為[10]：

K=[(Ub-Ua)/Ua]×T1×100%

(1)

式中：Ua、Ub為研究初期、末期某種土地利用類型的面積；T為研究時段，當T的單位是年時，K值即為該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率.

某研究區(qū)域的綜合土地利用類型動態(tài)度可表示為[11]：

(2)

式中：LUi為研究階段起始時間第i類土地利用類型的面積；ΔLUij為研究期內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為監(jiān)測時間段.當T的單位為年時，LC即是該研究區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度.綜合土地利用動態(tài)度定量描述了土地利用變化的快慢，對預測未來土地利用的變化趨勢很有幫助.

2.3 區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)分析方法

2.3.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)(EV) 綜合考慮某一區(qū)域內(nèi)各用地類型所對應的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其面積比例，以定量表征區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況[12].其表達式為：

(3)

式中：LUi，Ci為該區(qū)域t時期第i種用地類型所具有的面積和生態(tài)環(huán)境指數(shù)；n為該區(qū)域內(nèi)所具有用地類型的數(shù)量；TA為該區(qū)域總面積.

2.3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)變生態(tài)貢獻率 衡量某一種土地利用類型變化而導致的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的變化，表達式為

LEi=(LEi+1-LEi)LA/TA

(4)

式中：Lei+l，Lei為某種土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有的生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；LA為該變化類型的土地面積；TA為該研究區(qū)域的總面積.

通過遙感解譯、空間分析以及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可獲得不同時期的土地利用及其變化情況，從而為深入研究土地利用變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響奠定基礎，并且也有利于探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主導因素.

2.4 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)計算方法

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(Ecological Index，EI).在《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范(試行)》中，通過對生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進行加權(quán)，得到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，以此作為生態(tài)環(huán)境評價指標[13].

EI計算方法：EI=0.25×生物豐度指數(shù)+0.2×植被覆蓋指數(shù)+0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.5×(100-土地退化指數(shù))+0.15×環(huán)境質(zhì)量指數(shù).其中：

生物豐度指數(shù)=Abio×(0.11×耕地+0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.04×建設用地+0.01×未利用地)/區(qū)域面積.

式中：Abio為生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù).

植被覆蓋指數(shù)=Aveg×(0.19×耕地+0.38×林地+0.34×草地+0.07×建設用地+0.02×未利用地)/區(qū)域面積.

式中：Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù).

水網(wǎng)密度指數(shù)=Alak×湖庫(近海)面積/區(qū)域面積+Ariv×河流長度/區(qū)域面積+Ares×水資源量/區(qū)域面積.

式中：Ariv為河流長度的歸一化系數(shù)；Alak為湖庫面積的歸一化系數(shù)；Ares為水資源量的歸一化系數(shù).

土地退化指數(shù)=Aero×(0.05×輕度侵蝕面積+0.25×中度侵蝕面積+0.7×重度侵蝕面積)/區(qū)域面積.

式中：Aero為土地退化指數(shù)的歸一化系數(shù).

(5)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)=0.4×(100-ACOD×COD排放量/區(qū)域年均降雨量)+0.4×(100-ASO2×SO2排放量/區(qū)域面積)+0.2×(100-Asol×固體廢物排放量/區(qū)域面積).

式中：ASO2為SO2的歸一化系數(shù)；ACOD為COD的歸一化系數(shù)；Asol為固體廢物的歸一化系數(shù).

3 濟源市土地利用變化總體特征

3.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

經(jīng)解譯得到濟源市2000、2006、2012年3年的土地利用類型分布圖，如圖1-3.

在完成遙感影像解譯之后，對研究區(qū)域2000、2006、2012年的土地利用數(shù)據(jù)進行分析計算，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，如表2-3所示.

轉(zhuǎn)移矩陣表明，研究區(qū)主要土地利用類型之間轉(zhuǎn)化的特點為：①12年間耕地面積變化最為活躍.耕地面積不斷減少.②林地面積在研究期前6年小幅度減少，但在2006-2012年間面積有所增大.③草地主要轉(zhuǎn)化為林地，其面積變化主要發(fā)生在2006-2012時期.④增加的水域面積主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來，而有小部分水域轉(zhuǎn)化為耕地、林地、建設用地等.⑤建設用地擴展明顯，共增加面積88.6728km2，主要由耕地(82.7953km2)轉(zhuǎn)化而來.⑥未利用地占用地總面積的比例非常小(小于萬分之一)，故變化也相對較小.總體上來看，第二個研究時期內(nèi)，濟源市土地利用變化更劇烈，不同類型土地之間的轉(zhuǎn)換面積更大.

3.2 土地利用單一/綜合動態(tài)度分析

從研究區(qū)土地利用單一動態(tài)度(表4)來看，2000-2006年間水域面積變化最為活躍，其單一土地類型動態(tài)度為7.62%，面積增加了24.85km2；其次為建設用地，單一土地類型動態(tài)度為2.63%，面積增加了10.96km2.其他類型用地面積變化程度相對較小.

表2 濟源市2000-2006年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 /km2

表3 濟源市2006-2012年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 /km2

在2006-2012年間，較之2000-2006時期土地利用變化活躍程度普遍較高.活躍程度相對最高的為未利用地和建設用地，未利用地的單一土地類型動態(tài)度為16.78%，建設用地則為16.10%.而未利用地面積只占研究區(qū)總面積的0.01%，建設用地則占8.29%(2012年).

從土地利用綜合動態(tài)度來看，濟源市12年來土地利用年變化率為0.57%，而研究期內(nèi)前6年土地利用年變化率僅為0.17%，后6年土地利用年變化率為0.87%，由此可見，土地利用在2006年至2012年期間更為活躍，這也符合中國城市發(fā)展的一般規(guī)律.

表4 2000-2006、2006-2012年濟源市土地利用類型變化情況

4 土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應

4.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化特征及主要驅(qū)動因素

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要取決于通過土地利用/覆被類型體現(xiàn)出的生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu).利用通過遙感影像解譯得到的三期土地利用類型圖，提取其中對土地利用類型進行的二級分類結(jié)果，根據(jù)表1中對各二級分類下土地類型進行的生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值，以及公式(3)，計算2000年、2006年以及2012年區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)(EV)，得到EV2000=0.442，EV2006=0.445，EV2012=0.461.根據(jù)計算結(jié)果顯示，濟源市2000年-2006年、2006年-2012年生態(tài)環(huán)境狀況變化程度逐漸增大，其環(huán)境質(zhì)量改善程度分別為0.003和0.016.說明在研究期內(nèi)濟源市各種土地類型之間的相互轉(zhuǎn)變對環(huán)境質(zhì)量狀況在總體上起到了改善的作用，并且這種作用在加強.

結(jié)合濟源市的區(qū)域特點，根據(jù)2000-2006年、2006-2012年濟源土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，能夠發(fā)現(xiàn)濟源市生態(tài)環(huán)境變化中具有改善與惡化因子并存這一特征.促使生態(tài)環(huán)境改善的驅(qū)動因子有退耕還林還草、退耕還水，其中退耕還水對濟源市生態(tài)環(huán)境改善的貢獻率較高.據(jù)統(tǒng)計，濟源市境內(nèi)產(chǎn)生的水資源量很有限，多數(shù)水資源來自上游境外產(chǎn)流，并且全市水資源因受氣候、降雨的影響，年際變化較大，所以采取合理的水資源規(guī)劃可以改善濟源市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[14].而導致生態(tài)環(huán)境惡化的驅(qū)動因子是建設占用和開墾耕地，其中建設占用的貢獻率較高.在研究期內(nèi)，建設用地的擴張對生態(tài)環(huán)境的影響力加大，對生態(tài)環(huán)境的負面作用較大.

4.2 生態(tài)環(huán)境狀況(指數(shù))狀況

利用2000、2006和2012年遙感影像解譯得到的土地利用類型圖，對用地類型進行了二級分類，根據(jù)分類結(jié)果，計算2000、2006和2012年生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù).

4.2.1 生態(tài)環(huán)境狀況分析

(1)利用2000、2006、2012年土地利用二級分類結(jié)果，根據(jù)表2計算生物豐度對各二級分類土地類型賦予的分權(quán)重，對各二級分類用地面積進行加權(quán)，得到各類用地面積結(jié)果.利用計算生物豐度指數(shù)的公式，可以計算出濟源市的生物豐度指數(shù)在2000年、2006年和2012年分別為40.34、40.89和57.60.生物豐度指數(shù)的逐漸增大反應了濟源市在研究期內(nèi)生物豐度的提高.

(2)根據(jù)計算植被覆蓋指數(shù)對各二級分類土地類型賦予的分權(quán)重，對各二級分類用地面積進行加權(quán)，得到各類用地面積結(jié)果.利用計算植被覆蓋指數(shù)的公式，可以計算出濟源市的植被覆蓋指數(shù)在2000年、2006年和2012年分別為42.50、42.07和58.42.結(jié)果顯示濟源市的植被覆蓋的程度越來越高.通過對比生物豐度指數(shù)和植被覆蓋指數(shù)可以看出，二者的差別主要在于生物豐度指數(shù)中更多地考慮了水域濕地的影響，故二者的計算結(jié)果也體現(xiàn)出了一定的相似性.

(3)根據(jù)土地利用類型圖提取出河流長度、水庫面積及水資源總量.根據(jù)相關公式，可得到水網(wǎng)密度指數(shù)在2000年、2006年和2012年分別為23.40、36.54和54.88.根據(jù)計算結(jié)果，濟源市的水資源總量有一個較大的提高，這也是環(huán)境質(zhì)量得到提高的一個重要推動力.

(4)根據(jù)濟源市山區(qū)、丘陵及平原地區(qū)的分布情況，在研究期內(nèi)輕度侵蝕、中度侵蝕以及重度侵蝕面積分別為1276.2km2、613.4km2和19.5km2.根據(jù)計算土壤退化指數(shù)的公式，可以得到這段時期濟源市的土地退化指數(shù)為17.69.

(5)研究期內(nèi)濟源市污染物排放情況見表5.

表5 研究期內(nèi)濟源市污染物排放情況

根據(jù)EV計算公式，可得到濟源市環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在2000年、2006年和2012年分別為89.41、79.15和25.92.由于環(huán)境質(zhì)量指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量負相關，可以看出環(huán)境質(zhì)量得到改善，并且由變化的幅度來看，環(huán)境質(zhì)量改善的程度越來越高.

4.2.2 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù) 與區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)(EV)不同，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)更加全面的考慮了水資源量、土壤侵蝕情況及污染物排放情況等因素對環(huán)境質(zhì)量的影響.由EI計算公式計算得知，2000、2006、2012三年的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)分別為53.14、54.28、57.41，可見濟源市的環(huán)境狀況呈不斷改善的趨勢，這一結(jié)論與區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)的評價結(jié)果相一致.

兩種評價方法從不同的角度對濟源市環(huán)境狀況進行評價，既分析了土地利用整體變化所帶來的生態(tài)環(huán)境效應，也通過結(jié)合土地利用變化情況與相關非遙感信息數(shù)據(jù)，提取出生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)5個評價指標對生態(tài)環(huán)境狀況進行綜合評價，最終得到的結(jié)果具有較強的客觀性和全局性.

5 結(jié)論

基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像解譯結(jié)果，利用對二級土地利用分類系統(tǒng)所具有生態(tài)環(huán)境質(zhì)量賦值的方法，對濟源市2000-2012年間用地變化及其區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應進行定量分析.通過揭示土地利用/土地覆蓋與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的相關性，實現(xiàn)對土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應的量化研究.

研究結(jié)果顯示2000-2012年濟源市的土地利用格局發(fā)生了明顯變化.耕地、草地面積分別減少了10.51%和13.90%，林地、水域、建設用地面積則分別增加了2.70%、57.02%和127.58%.土地利用變化所引起的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化呈現(xiàn)出改善和惡化并存的趨勢，總體上呈現(xiàn)出改善的態(tài)勢.導致生態(tài)環(huán)境狀況改變的主導因素是人類經(jīng)濟活動影響下林地、草地等用地類型與其它土地利用類型之間的快速轉(zhuǎn)換.其中對生態(tài)環(huán)境起改善作用的主要有退耕還水與防護林建設，而導致生態(tài)環(huán)境退化的主要因素有城市用地擴張、耕地開墾以及草地退化.

雖然在2000-2006年間濟源市生態(tài)環(huán)境狀況保持著總體的改善，但也需重視局部生態(tài)環(huán)境的惡化.所以在土地利用中，不僅生態(tài)環(huán)境的修復工作十分重要，還應減少人類活動對生態(tài)環(huán)境的破壞，從而依靠生態(tài)環(huán)境的自我修復能力和人類的努力來恢復和改善生態(tài)環(huán)境.

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Changes of Land Use and Its Environmental Effects in Jiyuan City

GUO Heng-liang, WANG Yu-fei, HE Xiao-hui, TIAN Zhi-hui， LI Ying2

(1.School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China；2.Henan Key Laboratory of Agrilultural Support and Applied Technique, China Meteorological Administration, Zhengzhou 450003, China)

Jiyuan City, located in Zhongyuan urban agglomeration, is taken as the study area in this paper. Combining with regional ecological environment index and the index of ecological and environmental conditions, remote sensing, GIS spatial analysis and mathematical statistics methods were all used to quantitative analysis of the correlation between land use and ecological environment in 2000-2012, and the ecological effects from the change of land use was evaluated. The results are as follows: the use of land changed greatly in Jiyuan city, the area of cropland reduced 115.38km2, however the area of construction land increased 88.67km2. Accordingly the index of regional ecological environment and ecological conditions showed an upward trend in 2000, 2006 and 2012. It indicats that the ecological environment conditions were improving. In the change of land use pattern, the growth of woodland, grassland, water area were the main reason for the improvement of environment, and some factors had prohibitive effect on the improvement of environment, such as the expansion of the urban construction land caused by the economic development, the reclamation of cropland, and the development of industry.

land use; environment effect; Jiyuan

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.05.014

2015-02-12

中國氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室開放研究基金(AMF201301)；國家自然科學基金(41101095)；河南省基礎研究計劃項目(142300410064)；河南省科技攻關計劃項目(142102310308).

郭恒亮(1971-)，男，河南商丘人，副教授，主要從事區(qū)域環(huán)境與城市規(guī)劃研究.

郭恒亮，王宇飛，赫曉慧.濟源市土地利用變化及其環(huán)境效應分析[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2015，38(5)：479-484.

X820.2

A

1001-2443(2015)05-0479-06