王金禮 甄江紅 查蘇娜
(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
呼和浩特市城市空間擴(kuò)展的生態(tài)環(huán)境綜合影響
王金禮 甄江紅*查蘇娜
(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
健康的環(huán)境是城市發(fā)展和人民生活的保障,城市空間擴(kuò)展是影響城市生態(tài)環(huán)境變化的重要因素之一。以呼和浩特市為例,運用呼和浩特市區(qū)1977-2014年6期遙感影像數(shù)據(jù),結(jié)合行政規(guī)劃圖和統(tǒng)計年鑒等資料,獲取呼和浩特市建成區(qū)面積的變化情況。根據(jù)P-S-R模型,選取土地利用壓力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)、生態(tài)環(huán)境響應(yīng)為評價指標(biāo),建立環(huán)境綜合評價模型,對呼和浩特市區(qū)的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價分析。結(jié)果顯示: 1977-1990年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于波動狀態(tài),變化不大;1990-2001年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開始下降,但下降速度相對較?。?001-2014年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開始快速下降。因此,改善生活環(huán)境是目前呼和浩特市區(qū)亟待解決的問題。
城市空間擴(kuò)展;生態(tài)環(huán)境;影響;城市化;呼和浩特
城市的空間擴(kuò)展是近年來地理學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。[1-2]近年來,隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,城市擴(kuò)展的速度也在飛速增長。城市空間的擴(kuò)展帶來諸如生態(tài)環(huán)境污染等一系列問題,學(xué)者近年來對此進(jìn)行了許多相關(guān)的研究。Meyer、Croke 等[3-4]用大氣成分、水文、氣候等數(shù)據(jù)建立指標(biāo)分析了城市擴(kuò)展對環(huán)境的影響。郭旭東等[5]側(cè)重研究城市擴(kuò)展對土壤的影響。史培軍等[6]則將重點放在了土地利用變化與自然災(zāi)害的關(guān)系上。已有的研究主要探討了城市空間的擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境二者之間的全面關(guān)系,重點放在了二者之間的因果關(guān)系方面,而對具體的影響因素和影響過程的研究較少。
呼和浩特市位于我國西北部干旱半干旱地區(qū),地處內(nèi)蒙古中部,為內(nèi)蒙古自治區(qū)的首府,是全區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、科技、教育和文化中心。近年來,由于呼和浩特市社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市空間在不斷地擴(kuò)大,呼和浩特市的生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的影響,大氣和水環(huán)境都受到不同程度的污染。生態(tài)環(huán)境一方面制約著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,更為重要的是影響著人們的健康生活。因此,研究城市空間的擴(kuò)展對環(huán)境的影響對于生態(tài)環(huán)境的調(diào)控和治理顯得尤為重要。從已有的研究看,主要有呼和浩特市空間擴(kuò)展的特征分析、呼和浩特市景觀生態(tài)安全分析、大氣環(huán)境變化與熱島效應(yīng)等,而關(guān)于呼和浩特市城市空間擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的系統(tǒng)研究較為薄弱。鑒于此,本文以呼和浩特市區(qū)為研究對象,利用遙感影像解譯,得出呼和浩特市1977-2014年間六個時期建成區(qū)面積變化,分析城市空間擴(kuò)展的特征,研究城市空間擴(kuò)展對生態(tài)環(huán)境造成的影響,為改善呼和浩特市人居環(huán)境、優(yōu)化城市功能分區(qū)與城市規(guī)劃管理,以及城市可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。
1.1 數(shù)據(jù)來源與處理
本文研究所采用的影像為1977年、1986年、1990年、2001年、2010年和2014年的Landsat MSS和TM影像(所獲取的影像盡量選擇在6-9月植被覆蓋好、無云或少云的日期,以利于更好地判斷和解譯影像圖)并以呼和浩特市行政區(qū)劃圖、呼和浩特統(tǒng)計年鑒、谷歌地圖等為參考。
本研究中建成區(qū)信息的提取主要采用人機(jī)交互的目視解譯法,依據(jù)呼和浩特市六期遙感圖像,以行政區(qū)劃圖、谷歌地圖和百度地圖等為輔助資料,對預(yù)處理后的待解譯影像圖在ARCGIS10.0中進(jìn)行建成區(qū)的識別和邊界范圍的提取獲得建成區(qū)相關(guān)的數(shù)據(jù)。市區(qū)土地利用類型的獲取主要利用遙感影像處理軟件 ENVI4.3對原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段組合、幾何校正、裁剪、圖像增強等預(yù)處理工作,獲得與研究區(qū)行政邊界相符的影像數(shù)據(jù)。結(jié)合研究目的和研究區(qū)實際情況,參考《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2010-2007),得到各時期呼和浩特市區(qū)土地利用類型圖、景觀類型的斑塊個數(shù)等,再結(jié)合《呼和浩特統(tǒng)計年鑒》(1990-2015)來計算需要的體系數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用梯形模糊隸屬度函數(shù)模型。
1.2 研究方法
1.2.1 城市空間擴(kuò)展指標(biāo)的選取
呼和浩特市建成區(qū)空間擴(kuò)展的指標(biāo)有建成區(qū)面積、建成區(qū)周長、擴(kuò)展面積、年均擴(kuò)展速率和擴(kuò)展強度等指標(biāo)。
擴(kuò)展強度指數(shù)指在指定時間內(nèi)研究區(qū)域的城市土地利用擴(kuò)展面積占其土地總面積的百分比。其計算公式為:
M=(Ub-Ua)/A×T×100%
式中:M為城市用地擴(kuò)展強度,Ua、Ub分別為研究期初、研究期末城市用地的面積,A為研究區(qū)域總面積,T為研究期的時段長度。
1.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的構(gòu)建
1.2.2.1 評價指標(biāo)
本文基于P-S-R模型建立城市空間擴(kuò)展的生態(tài)環(huán)境影響評價體系。選取指標(biāo)過程中遵循區(qū)域性、系統(tǒng)性、動態(tài)性、可獲取性和可操作性等原則,采用理論分析法、專家咨詢法和層次分析法得到呼和浩特市空間擴(kuò)展的生態(tài)環(huán)境影響評價指標(biāo)體系。指標(biāo)體系包括土地利用壓力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)、生態(tài)環(huán)境響應(yīng)等3個方面共17個指標(biāo)。其中土地利用壓力指標(biāo)6個,社會發(fā)展?fàn)顟B(tài)指標(biāo)7個,生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指標(biāo)5個。需要重點介紹的為以下7個指標(biāo):
(1)建設(shè)用地開發(fā)強度:反映單位建設(shè)用地面積的經(jīng)濟(jì)效益。計算公式為:
建設(shè)用地開發(fā)強度=二三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值/建設(shè)用地面積
(2)人類干擾指數(shù):區(qū)域內(nèi)景觀類型的不同面積比例組合反映出人類活動或開發(fā)利用的強度,即為人類干擾指數(shù),揭示出人類活動對區(qū)域不同土地利用類型的影響強度。公式為:
式中:HA1為人類干擾指數(shù),n為景觀組分類型數(shù),Ai是第i類景觀的面積,Pi是第i類景觀所反映的人類影響強度參數(shù)。陳浮等(2001)用Leopold矩陣方法和Delphi打分法分別計算了各種土地利用類型的人類影響參數(shù),在此取均值;TA為景觀總面積。
(3)具生態(tài)功能的土地覆蓋類型的覆蓋率(RESO):是指那些在維持人類生存的大環(huán)境——生態(tài)系統(tǒng)正常功能方面發(fā)揮一定作用的所有土地類型,包括林地、草地、耕地、水域等。公式為:
RESO=(林地面積+耕地面積+草地面積+水域面積)/土地總面積×100%
(4)無(極低)生態(tài)功能的土地覆蓋類型的覆蓋率(NRESO):就目前的生態(tài)系統(tǒng)而言,未利用土地是目前土地中過剩的一部分,影響了生態(tài)系統(tǒng)的平衡,是生態(tài)系統(tǒng)退化的一種表現(xiàn),因此,本文認(rèn)為此類土地利用類型沒有生態(tài)價值。
NRESO=未利用土地面積/土地總面積×100%
(5)生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的覆蓋率(HFUN):呼和浩特市對生態(tài)系統(tǒng)功能貢獻(xiàn)最大的就是林地和草地,因此,考慮當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況選擇這兩類土地類型作為生態(tài)功能較高的土地利用類型。公式為:
HFUN=(有林地面積+高覆蓋草地面積)/土地總面積×100%
(6)生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的重要值:重要值是衡量斑塊在生態(tài)系統(tǒng)中重要地位的一種指標(biāo),直接反映了各種土地覆蓋類型在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。因為生態(tài)系統(tǒng)的功能多由生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型來完成,所以在評價過程中,只對生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的重要值進(jìn)行分析,主要由密度和比例決定。計算方法如下:
密度=生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的斑塊數(shù)/總斑塊數(shù)×100%
比例=生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的面積/土地總面積×100%
重要值=(密度+比例)/2
(7)生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的破碎度:它反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和連通性,連通性的好壞反映了生態(tài)系統(tǒng)功能的優(yōu)劣。計算公式如下:
Ci=Ni/Ai
式中:Ci為生態(tài)功能較高的土地覆蓋類型的破碎度,Ni土地覆蓋類型為斑塊數(shù),Ai為土地覆蓋類型的面積。
1.2.2.2 權(quán)重的確定
權(quán)重的確定本文采用層次分析法(AHP),它是應(yīng)用多目標(biāo)綜合評價方法以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論提出的一種有關(guān)層次權(quán)重決策分析的方法。對于每個層次的指標(biāo),運用專家打分的方法進(jìn)行重要性排序,然后構(gòu)造判斷矩陣,運算目標(biāo)層和指標(biāo)層的具體權(quán)重。將最終的權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗,檢驗通過,說明計算的權(quán)重正確、客觀,可以接受。
1.2.2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的計算
本文采取加權(quán)合成的方法計算呼和浩特市區(qū)1977-2014年的生態(tài)環(huán)境狀況,根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得出每一年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。具體計算公式如下:
式中:EEQ為呼和浩特市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)值,M1、M2、M3分別代土地利用壓力指數(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)和生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指數(shù),Ei為各指標(biāo)的值,Wi為各指標(biāo)相對于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的權(quán)重,i為所有評價指標(biāo)的數(shù),i=1,2,3…n,n為指標(biāo)的總個數(shù)。采同樣的方法可以計算指標(biāo)層各子系統(tǒng)的分指數(shù)值。
表1 呼和浩特市生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)與權(quán)重
2.1 城市空間擴(kuò)展特征
表2 呼和浩特建成區(qū)五個時間段城市擴(kuò)展變化情況
對遙感影像進(jìn)行處理,得出呼和浩特六個時期建成區(qū)范圍的變化情況,包括建成區(qū)的擴(kuò)展面積、年均擴(kuò)展強度和擴(kuò)展速率(表2)。從中可以看出,從1977-2014年呼和浩特建成區(qū)的面積和周長都在不斷地增大,城市空間在不斷地擴(kuò)張。大致可以分為兩個階段:1977-2001年城市空間擴(kuò)展速度相對緩慢,建成區(qū)面積從34.59km2增加到121.12km2,年均擴(kuò)展3.61km2;2001-2014年城市的空間擴(kuò)展速度加快,建成區(qū)面積從121.12km2增加到229.98km2,年均擴(kuò)展8.37km2,十幾年間面積增加了將近一倍。
2.2 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化分析
圖1 建成區(qū)面積與土地利用壓力指數(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)和環(huán)境響應(yīng)指數(shù)分析
2.2.1 空間擴(kuò)展的土地利用壓力指數(shù)變化特征分析
從歷年呼和浩特市土地利用壓力指數(shù)的變化可以看出(圖1):1997-2014年間,呼和浩特市土地利用壓力指數(shù)雖然有波動,但整體屬于一個下降的趨勢。1977-1990年間,土地利用壓力指數(shù)先下降后上升,整體變化不大;建成區(qū)面積從1977年的34.59km2變?yōu)?990年的76.71km2,擴(kuò)展面積為42.12km2,擴(kuò)展面積相對較小,耕地面積從1977年的865.9km2下降為1990年的827.3km2,但草地面積從465.7上升為505.2km2;各類土地利用類型面積變化相對較小。具有較高生態(tài)功能的林地、草地面積比重大,建設(shè)用地比重小,建設(shè)用地開發(fā)強度和人類干擾指數(shù)小,使得這一時期土地利用壓力指數(shù)較高。1990年以后,隨著呼和浩特市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,土地利用壓力指數(shù)在持續(xù)快速下降。1990-2010年間,建成區(qū)面積從76.71km2擴(kuò)展為180.05km2,建成區(qū)面積飛速增加;建成區(qū)面積的增加占用了大量的耕地和草地,耕地和草地面積從827.3km2和505.2km2下降為679.8km2和464.3km2;耕地和草地面積減少,建設(shè)用地增加,人類干擾指數(shù)和建設(shè)用地開發(fā)強度都在不斷地增加,使得土地利用狀態(tài)指數(shù)不斷下降。2010-2014年,四年間呼和浩特市建成區(qū)面積從180.05km2擴(kuò)展到229.98km2,擴(kuò)展速度比以往任何時間段都要快,年均擴(kuò)展速率為12.48km2/a。由于建設(shè)用地不斷增加、人口集聚等原因,使得土地利用壓力指數(shù)在不斷下降。
2.2.2 空間擴(kuò)展的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)變化特征分析
1977-2014年,呼和浩特市經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)在不斷下降(圖1):其中,1977-1990年間,下降速度相當(dāng)緩慢,1990年之后下降速度加快。呼和浩特市位于我國西北內(nèi)陸地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對東部沿海較緩慢。1977-1990年間,GDP總量從5.4億元上升為30.7億元,第一產(chǎn)業(yè)所占比重相對較高,第一、二、三產(chǎn)業(yè)都有發(fā)展,但這一時期相對1990年以后發(fā)展較緩慢。工業(yè)發(fā)展緩慢,工業(yè)基礎(chǔ)薄弱,產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間相對較小,城市化水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)較低,且增幅較慢。1990-2014年,建成區(qū)面積開始飛快增加,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)開始快速下降。20世紀(jì)80年代末和90年代,國家實施了一系列的政策來促進(jìn)城市化的發(fā)展,呼和浩特市也相繼開發(fā)了金川、金橋、如意、金河等經(jīng)濟(jì)園區(qū),工業(yè)開始迅速地發(fā)展。1990年第一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值分別為5.2、12.2和12.9億元,到了2014年分別增加為125.5、848.19、1 920.4億元,經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度越來越快,城市化水平越來越高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)指數(shù)在不斷下降。
2.2.3 空間擴(kuò)展的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指數(shù)變化特征分析
1977-2014年,呼和浩特生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指數(shù)隨著城市空間的不斷擴(kuò)展在不斷地下降(圖1)。隨著建設(shè)用地的不斷增加,一方面占用了大量的耕地和草地,使得生態(tài)功能在不斷下降;建設(shè)用地的斑塊個數(shù)也在飛速增加,使得林地草地等具有高生態(tài)功能的土地類型斑塊數(shù)也在增加。1977年呼和浩特市區(qū)草地、林地、耕地的面積分別為465.71、429.14、865.89km2,然而2014年三類土地利用類型的面積分別變?yōu)?55.35、415.4、635.76km2,特別是耕地面積減少了230.13km2;建設(shè)用地的面積由1977年的75.39km2增加到440.48km2。草地、林地、耕地和建設(shè)用地的斑塊數(shù)1977年分別為31、31、27和303,2014年分別增加到48、81、115和641,斑塊個數(shù)的不斷增加切斷了各種土地類型之間的連通性,降低了生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,使得生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指數(shù)在不斷下降。
2.2.4 空間擴(kuò)展的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化特征分析
城市用地是呼和浩特市生態(tài)環(huán)境的一個重要組成部分,城市空間的擴(kuò)展變化與生態(tài)環(huán)境的變化密切相關(guān)。1977-2014年,呼和浩特市建成區(qū)面積從34.59km2擴(kuò)展到229.98km2,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從1977年的2.23下降到2014年的0.53(圖1)。城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的變化可分為三個階段:1977-1990年,生態(tài)環(huán)境處于波動狀態(tài),變化不大;1990-2001年,生態(tài)環(huán)境開始下降,但下降速度相對較小;2001-2014年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開始快速下降。呼和浩特市在快速城市化發(fā)展的過程中,人口不斷增加,經(jīng)濟(jì)擴(kuò)展,地域擴(kuò)張。在這個過程中,城市有機(jī)體內(nèi)的各種細(xì)胞不斷分裂生殖和更新發(fā)展,并通過資源利用和能源消耗不斷向區(qū)域排放廢物,進(jìn)而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化。
(1)對呼和浩特市不同階段城市空間擴(kuò)展和生態(tài)環(huán)境變化情況進(jìn)行分析可以看出:隨著城市建設(shè)用地的不斷增加,經(jīng)濟(jì)在快速增長的同時,生態(tài)環(huán)境受到了破壞;城市空間擴(kuò)展的速度提高引起生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的速度加快。
(2)研究區(qū)在1977-2014年間各種土地利用類型面積都發(fā)生了變化,其中耕地面積的減少和建設(shè)用地面積的增加尤為突出,對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。
(3)對研究區(qū)1977- 2014年的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價,計算結(jié)果表明:呼和浩特市建成區(qū)在擴(kuò)展過程中,環(huán)境質(zhì)量整體在不斷地下降。1977-1990年,生態(tài)環(huán)境處于波動狀態(tài),變化不大;1990-2001年,生態(tài)環(huán)境開始下降,但下降速度相對較小;2001-2014年,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開始快速下降。城市的擴(kuò)展使生態(tài)系統(tǒng)的功能受到嚴(yán)重影響,因此,應(yīng)對呼和浩特市區(qū)生態(tài)安全問題繼續(xù)給予高度重視,積極采取措施改善生態(tài)環(huán)境,維護(hù)呼和浩特市區(qū)的生態(tài)安全,最終實現(xiàn)呼和浩特市區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。
本文所構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價體系,是以城市空間擴(kuò)展為基礎(chǔ)來評價生態(tài)環(huán)境的變化,并不具有絕對性,但城市空間的擴(kuò)展勢必會引起生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化。對城市空間的擴(kuò)展從多方面、多層次來分析生態(tài)環(huán)境的綜合變化能夠揭示呼和浩特市城市空間的擴(kuò)展和生態(tài)環(huán)境變化二者之間的關(guān)系。由于自身條件的限制,評價指標(biāo)選取沒有包括全部的影響因素,未來的研究應(yīng)該注重對單因素對環(huán)境影響的研究,比如城市的擴(kuò)展對水資源的影響等,為治理環(huán)境污染提供方向??傊艉秃铺匚磥沓鞘锌臻g擴(kuò)展必須由粗放的地域擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)的內(nèi)部產(chǎn)業(yè)建設(shè)轉(zhuǎn)型,只有這樣,才能以促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)與資源、環(huán)境的均衡協(xié)調(diào)發(fā)展。
責(zé)任編輯:富春凱
The Comprehensive Influence of Hohhot Urban Spatial Expansion on the Ecological Environment
WANG Jin-li, ZHEN Jiang-hong, CHA Su-na
(Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022,China)
A healthy environment is the guarantee of urban development and people′s life, and urban spatial expansion is one of the important factors that affect the change of urban ecological environment. Taking Hohhot city as an example, use the data of the 6 remote sensing images in Hohhot city in 1977-2014, combined with the administrative plan and statistical yearbook, to get the situation of the change of built-up area. According to the P-S-R model, selected land using pressure, economy development status, and ecological environment response as the evaluation index, to establish a comprehensive evaluation model and analysis of environmental quality in Hohhot city. It can be seen that during the year of 1977-1990 , the ecological environment fluctuated, changed little ; In 1990-2001, the quality of ecological environment began to decline, but the rate is relatively small; in 2001-2014, the quality of the environment began to decline rapidly. Improving our living environment is the urgent problem to be solved in Hohhot.
Urban spatial expansion; Ecological environment; Impact; Urbanization; Hohhot
10.3969/j.issn.1674-6341.2017.04.002
2017-05-03
內(nèi)蒙古師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金(CXJJS16116);國家自然科學(xué)基金(41261109);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2016MS0410)。
王金禮(1992—),男,山東臨沂人,在讀研究生。研究方向:區(qū)域與城市地理。*為通訊作者
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1674-6341(2017)04-0003-04