基于遙感與GIS的臨淄區(qū)土地利用變化與生態(tài)環(huán)境效應研究

齊學蕾，常 軍

(山東師范大學，山東 濟南 250300)

1 引言

土地利用和土地覆被變化可以直觀反映出一個地區(qū)土地資源的利用方式[1]。全球氣候變化和人類活動的加速導致了土地利用和土地覆被發(fā)生變化，從而引起了區(qū)域社會、經(jīng)濟和環(huán)境的變化，也引發(fā)了更多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化，如荒漠化、水環(huán)境變化以及植被覆蓋變化等。因此，雖然土地利用與覆被變化(LUCC)研究已經(jīng)過去20年，但仍然是全球環(huán)境變化研究的核心領域[2]。土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境響應是地理研究的重點，且土地利用變化和生態(tài)環(huán)境響應與我國的總體發(fā)展格局密切相關[3]。因而，對區(qū)域土地利用的外部功能隨時間變化進行研究可以從區(qū)域發(fā)展的功能角度分析土地利用變化和區(qū)域生態(tài)環(huán)境響應的關系。以山東省淄博市臨淄區(qū)為例，利用2008年、2012年以及2018年三期土地利用數(shù)據(jù)，探討了臨淄區(qū)10年間土地利用覆被變化及其生態(tài)環(huán)境效應的關系，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃提供參考。

2 研究區(qū)概況

淄博市位于魯中與魯北的交接地帶，臨淄區(qū)位于淄博市的東北部， 36°37′51″～37°00′30″N， 118°06′27″～118°29′30″E，地勢南高北低，并且向東北傾斜，最大海拔高度420 m，最低海拔高度31 m。臨淄區(qū)由南向北逐漸變緩，依次分布著丘陵、平原、平地、凹地等地貌單元，地質(zhì)特征是：古老的結晶基地上覆蓋有較新的沉積巖，是雙層結構，褶皺構造發(fā)育不完全，主要為斷裂構造。臨淄區(qū)屬于溫帶季風氣候，多年平均氣溫14.5 ℃，年極端最高氣溫39.4 ℃，出現(xiàn)在7月，年極端最低氣溫-16.6℃，出現(xiàn)在12月[4]。水資源主要以地下水為主，依靠降雨補充，多年平均降水量為650.2 mm，主要集中在夏季，全年最大日降水為50.3 mm。全區(qū)土地總面積663.68 km2，耕地面積約占70%。臨淄區(qū)境內(nèi)礦產(chǎn)資源非常豐富，主要有石灰石、鐵、鈷、黏土、煤以及各類稀有金屬等。臨淄區(qū)轄區(qū)內(nèi)有7個鎮(zhèn)、5個街道、414個行政村和66個社區(qū)，總人口約61.74萬人，共有30個民族，以漢族為主。2016年，臨淄區(qū)的GDP總值為867.2億元，產(chǎn)業(yè)結構以第二產(chǎn)業(yè)為主。并且，臨淄區(qū)的糧食播種面積呈下降趨勢，工業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)總值穩(wěn)步增長，產(chǎn)業(yè)結構在不斷調(diào)整中。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中涉及的數(shù)據(jù)主要來自于3個部分：衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要使用了2008年、2012年和2018年共三期遙感影像，影像數(shù)據(jù)獲取自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來自《臨淄區(qū)統(tǒng)計年鑒》及相關學者公開發(fā)表的研究。實地調(diào)查數(shù)據(jù)來自2008年至2018年共5次對臨淄區(qū)范圍內(nèi)實地調(diào)查。

2.2 土地利用現(xiàn)狀分類

本研究參照《中國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術規(guī)程》和中科院土地分類系統(tǒng)簡歷土地利用分類體系，并且從地理學與景觀生態(tài)學角度出發(fā)，考慮到研究的自然地理狀況和經(jīng)濟發(fā)展狀況，在本研究中將土地利用類型的分類確定為耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地六類。

2.3 研究方法

應用Erdas9.2進行波段融合和地理投影，ENVI5.3進行影響校正，用監(jiān)督分類方法進行土地利用分類，再用Arcgis分析數(shù)據(jù)，獲取2008年、2012年和2018年臨淄區(qū)的土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)并進行分析，借助Arcgis和Fragstats軟件進行生態(tài)環(huán)境效應各項指標的計算和繪圖。

生態(tài)環(huán)境效應各項指標具體計算方法為：

(1)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù):

(1)

式(1)中，LUi和Ci為研究區(qū)內(nèi)t時期第i類土地利用類型的面積及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);TA為區(qū)域總面積;n為區(qū)域內(nèi)土地利用類型數(shù)量[5]。

(2)生態(tài)敏感性：

(2)

式(2)中，Ci表示空間單元對第i項因子的敏感指數(shù)，m為第i個因子的指標個數(shù)，Sk為第k個指標的敏感性空間分布。

(3)生態(tài)貢獻率：

LEI=(LEt+1-LEt)LA/TA

(3)

式(3)中，LEt+1、LEt分別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變化類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);LA為該變化類型的面積;TA為區(qū)域總面積[6]。

(4)生態(tài)風險指數(shù)。采用景觀指數(shù)法計算土地利用/覆被變化的生態(tài)風險[7]，具體計算方法如下:

Ri=Si×Fi

(4)

式(4)中，Ri為景觀格局指數(shù)，Si為景觀干擾度指數(shù)，F(xiàn)i為景觀脆弱度指數(shù)。

Si=a×Ci+b×Ni+c×Di

(5)

式(5)中，Ci為景觀破碎度指數(shù)，Ni為景觀分離度指數(shù)，Di為景觀分維數(shù)，a、b、c為對應景觀指數(shù)的權重，分別為0.5，0.3，0.2。

(6)

式(6)中，ERIi為風險小區(qū)的景觀風險指數(shù)，Aki為第k個風險小區(qū)內(nèi)景觀類型i的面積，Ak為第k個小區(qū)的總面積，Ri為景觀類型i的景觀損失度指數(shù)。

3 結果分析

3.1 土地利用與覆被變化

3.1.1 數(shù)量和結構變化

2008年的土地利用類型為：草地面積5536827.179 m2，耕地面積478530122 m2，林地面積16072220.54 m2，水域面積2433781.045 m2，建設用地面積171883845.95 m2，其他用地8588815.77 m2，各個土地利用類型的面積大小排序依次為：耕地>建設用地>林地>其他用地>草地>水域，耕地的面積最大，水域的面積最小。

2012年的土地利用類型為：草地10931915.19 m2，耕地457257708.6 m2，林地17605514.34 m2，水域2103624.918 m2，建設用地186893904.37 m2，其他用地7853634.31 m2，各個土地利用類型的面積大小排序依次為：耕地>建設用地>林地>草地>其他用地>水域，耕地的面積最大，水域的面積最小。

2018年的土地利用類型為：草地13007616.93 m2，耕地439933796.4 m2，林地12937590.01 m2，水域1708786.1 m2，建設用地207540089.74 m2，其他用地7917890.44 m2，各個土地利用類型的面積大小排序依次為：耕地>建設用地>草地>林地>其他用地>水域，耕地的面積最大，水域的面積最小。

在2008～2012年期間，臨淄區(qū)的土地利用的數(shù)量變化表現(xiàn)為：草地增加了5395088.008 m2，耕地減少了21272413.35 m2，林地增加了1533293.799 m2，水域減少了330156.1267 m2，建設用地增加了15010058.43 m2，其他用地減少了735181.47 m2。2008～2018年期間，草地增加了7470789.75 m2，耕地減少了-3134630.5 m2，林地減少了3134630.5 m2，水域減少了724994.94 m2，建設用地增加了35656243.79 m2，其他用地減少了670925.34 m2。

綜上分析，臨淄區(qū)在2008年到2018年這期間的土地利用類型的變化規(guī)律明顯，具體表現(xiàn)為：草地面積持續(xù)增加，耕地面積持續(xù)減少，林地面積先增加后較少且減少量顯著大于增加量，水域面積持續(xù)減少，建設用地面積持續(xù)增加，其他用地面積先較少后增加且減少量大于增加量(圖1、表1)。

2008～2012年，耕地向草地轉移了529.09 m2，向建設用地轉移了1479.30 m2，向林地轉移了164.13 m2；建設用地向耕地轉移了47.51 m2；林地向草地轉移了8.64 m2，向建設用地轉移了21.6 m2；其他用地向草地轉移了12.96 m2，向建設用地轉移了53.99 m2，向林地轉移了19.44 m2；水域向草地轉移了30.23 m2。

在2012年，草地的增加面積有529.09 m2來自耕地，8.64 m2來自林地，12.96 m2來自其他用地，30.23 m2來自水域；耕地的增加面積有47.51 m2來自建設用地；建設用地的增加面積有1479.30 m2來自耕地，21.60 m2來自林地，53.99 m2來自其他用地；林地的變化面積有164.13 m2來自耕地，19.44 m2來自其他用地。

2012～2018年，草地向耕地轉移了43.19 m2，向建設用地轉移了88.54 m2，向其他用地轉移了82.06 m2；耕地向草地轉移了51.83 m2，向建設用地轉移了2019.19 m2，向其他用地轉移了241.87 m2；建設用地有269.95 m2變成了耕地；林地有302.34 m2變成了草地，114.46 m2變成了耕地，51.83 m2變成了建設用地，10.80 m2變成了其他用地；其他用地中有177.08 m2變成了耕地，155.49 m2變成了建設用地；水域的面積中有36.71變成了建設用地。

2018年，草地面積有51.83 m2來自于耕地，302.34 m2來自林地；耕地的面積中有43.19 m2來自于草地，269.95 m2來自于建設用地，114.46 m2來自于林地，177.08 m2來自于其他用地；建設用地的面積中有88.54 m2來自于草地，2019.19 m2來自于耕地，51.83 m2來自于林地，155.49 m2來自于其他用地，36.71 m2來自于水域；其他用地的面積中，82.06 m2來自于草地，241.87 m2來自于耕地，10.80 m2來自于林地(表1)。

圖1 2008～2018年臨淄區(qū)土地利用現(xiàn)狀

表1 2008～2018年臨淄區(qū)土地利用變化轉移矩陣 m2

3.1.2 重心變化

在2008年，臨淄區(qū)的草地比例為0.81%，耕地比重為70.06%，建設用地比重為23.12%，林地比重為2.35%，其他用地比重為3.30%，水域比重為0.36%。此時的土地利用類型以耕地為主，建設用地次之，草地、林地、其他用地和水域都極少。

在2012年，草地的比重為1.60%，比2008年增加了0.79%；耕地的比重為66.98%，比2008年減少了3.08%；建設用地的比重為25.35%，比2008年增加了2.23%；林地的比重為2.58%，比2008年增加了0.53%；其他用地的比重為3.18%，比2008年減少了0.12%；水域的比重為0.31%，比2008年減少了0.05%?？梢钥闯觯瑥?008年到2012年，臨淄區(qū)土地利用重心由耕地緩慢移向建設用地。

在2018年，草地的比重為1.90%，比2012年增加了0.3%，比2008年增加了1.09%；耕地的比重為64.61%，比2012年下降了2.58%，相較于2008年下降了5.65%；建設用地的比重為28.36%，比2012年增加了3.01%，比2008年增加了5.24%；林地的比重為1.89%，比2012年下降了0.68%，比2008年降低了0.46%；其他用地的比重為3.18%，和2012年相同，比2008年下降了0.12%；水域的比重為0.25%，比2012年降低了0.06%，比2008年降低了0.11%。

總體來看，從2008年到2018年，這10年間，臨淄區(qū)的土地利用類型中，耕地、林地、其他用地和水域的比重下降，草地和建設用地的比重增加，土地利用和覆被的重心由耕地、林地、水域及其他用地類型逐漸轉向建設用地和草地類型(表2)。

3.2 生態(tài)環(huán)境效應分析

3.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量

臨淄區(qū)2008年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.24713118，2012年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.242766019，2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)為0.23242998。2008年到2012年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的年變化率為-0.00109129，2012年到2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的年變化率為—0.001722672。

表2 臨淄區(qū)土地利用重心變化 %

2008年到2018年期間的土地利用變化導致臨淄區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐年下降，可能是由于耕地逐年減少、建設用地逐年增加，土地破碎化逐年程度增加而造成的(圖2)。

圖2 臨淄區(qū)2008～2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)變化情況

3.2.2 生態(tài)敏感

臨淄區(qū)草地的生態(tài)敏感指數(shù)在2008年為0.04821，敏感程度為低敏感；在2012年敏感指數(shù)降低為0.4609，敏感程度為低敏感；在2018年，敏感性指數(shù)為0.04438，敏感程度依舊為低敏感。建設用地的敏感性指數(shù)在2008年為0.01750，2012年為0.01899，2018年為0.02108，敏感在3個時間點都是不敏感。水域的生態(tài)敏感性指數(shù)在2008年為0.00024，2012年為0.00021，2018年為0.00017，敏感都是高敏感，林地的生態(tài)敏感性指數(shù)在2008年為0.00057，2012年為0.00116，2018年為0.00080，敏感程度都是中敏感。其他用地的生態(tài)敏感程度在2008年為0.00088，2012年為0.00081，2018年0.00130，敏感程度都是不敏感。耕地的生態(tài)敏感性指數(shù)在2008年為0.00164，2012年為0.00180，2018年為0.00132，敏感程度都是高敏感。

總體分析來看，雖然臨淄區(qū)的6個土地利用類型的生態(tài)敏感性指數(shù)在2008年到2018年有不同程度的變化，但是生態(tài)敏感沒有變化。其中，耕地和水域時高敏感區(qū)域，林地為中敏感，草地低敏感，建設用地和其他用地都是不敏感(圖3)。

圖3 臨淄區(qū)2008年～2018年不同土地利用類型生態(tài)敏感分布變化

3.2.3 生態(tài)貢獻率

2008～2012年，造成臨淄區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的土地利用變化驅動因子有4個：耕地轉換為建設用地、建設用地轉換為其他用地、水域轉換為草地，林地轉換為草地，其中，耕地轉換為建設用地的生態(tài)貢獻率最大，占總貢獻率的98.5392%。造成臨淄區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的驅動因子有7個，分別是：耕地轉換為林地、耕地轉換為草地、建設用地轉換為草地、建設用地轉換為耕地、其他用地轉換為建設用地、其他用地轉換為林地、林地轉換為建設用地，其中，耕地轉換為林地和耕地轉換為草地兩種土地利用變化的生態(tài)貢獻率最大，分別為25.9869%和48.7411%?？傮w來看，土地利用變化的生態(tài)環(huán)境惡化貢獻率為0.000000637，改善的生態(tài)環(huán)境貢獻率為0.0000002544 ，惡化的貢獻率大于了改善的貢獻率，所以，臨淄區(qū)2008年到2012年的土地利用變化造成臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化。

2012年到2018年，造成臨淄區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的土地利用變化的驅動因子有7個，分別為：草地轉換為耕地，占總生態(tài)貢獻率的3.4008%；草地轉換為建設用地，占總生態(tài)貢獻率的19.6078；草地轉換為其他用地，占總生態(tài)貢獻率的18.7789%；林地轉換為草地，占總生態(tài)貢獻率的17.1104%；林地轉換為耕地，占總生態(tài)貢獻率的15.4897%；林地轉換為建設用地，占總生態(tài)貢獻率的14.4110%；水域轉換為建設用地，占總生態(tài)貢獻率的11.2014%。造成臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的土地利用變化的驅動因子有4個，分別是：耕地轉換為草地，占總生態(tài)貢獻率的5.7932%；建設用地轉換為耕地，占總生態(tài)貢獻率的54.6881%；其他用地轉換為耕地，占總生態(tài)貢獻率的37.7310%；其他用地轉換為建設用地，占總生態(tài)貢獻率的1.7877%?？傮w來看，土地利用變化的生態(tài)環(huán)境惡化的貢獻率為0.0000002977，生態(tài)環(huán)境改善的貢獻率為0.0000002097，惡化的貢獻率大于了改善的貢獻率，故而2012年到2018年臨淄區(qū)的土地利用變化造成了臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化。

綜上，對臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的土地利用類型變化的驅動因子中，2008～2012年，耕地轉換為建設用地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因子，耕地轉換為草地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因子；2012～2018年，草地轉換為建設用地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因子，建設用地轉換為耕地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因子(表3)。

表3 2008～2018 年臨淄區(qū)土地利用變化的生態(tài)貢獻率

3.2.4 生態(tài)風險

2008年，臨淄區(qū)低風險的面積為16072221m2，較低風險的面積為5536827 m2，中風險的面積為480960485 m2，較高風險的面積為131224049 m2，高風險的面積為49254203 m2。各個風險等級的面積大小排序依次為：中風險>較高風險>高風險>低風險>較低風險。

2012年，臨淄區(qū)低風險的面積為17413670 m2，較低風險的面積為11331221 m2，中風險的面積為458178866 m2，較高風險的面積為124443930 m2，高風險的面積為71680011 m2，高風險的面積為75322666 m2。各個風險等級的面積大小排序依次為：中風險>較高風險>高風險>低風險>較低風險。

2018年，臨淄區(qū)低風險的面積為12937590 m2，較低風險的面積為13007617 m2，中風險的面積為441639227 m2，較高風險的面積為140141654 m2。各個風險等級的面積大小排序依次為：中風險>較高風險>高風險>較低風險>低風險。

綜合來看，從2008～2018年，中生態(tài)風險的面積不斷下降，較高生態(tài)風險的面積逐漸增加，高生態(tài)風險的面積逐漸增加，低風險的面積逐漸降低，較低風險的面積逐漸增加。2008～2018年期間的土地利用類型變化導致臨淄區(qū)中高風險、較高風險和低風險區(qū)域的面積不斷增加，而中風險和低風險的面積不斷減少，臨淄區(qū)的區(qū)域生態(tài)風險水平增加(表4)。

表4 2008～2018年臨淄區(qū)各風險等級面積 m2

4 討論與結論

臨淄區(qū)2008～2018年的主要土地利用類型為耕地和建設用地，草地和建設用地的面積增加，耕地、林地、水域和其他用地的面積減小。并且，耕地減少的面積最大，建設用地增加的面積最多。2008年到2012年，草地和建設用地增加的面積主要來自于耕地。2012年到2018年，草地增加的面積來自于耕地和林地，來自林地的部分更多；建設用地增加的面積主要來自于耕地。草地面積的增加可能與“退耕還草”的生態(tài)環(huán)境治理政策有關，建設用地的增加則是社會經(jīng)濟飛速發(fā)展和人口迅速增加的結果。

臨淄區(qū)2008年到2018年的土地利用類型中，耕地和水域為生態(tài)高敏感類型，林地為中敏感，草地低敏感，建設用地和其他用地不敏感。在這十年內(nèi)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)逐年下降，土地利用的變化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成了消極影響。對臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的土地利用類型變化的驅動因子中，2008～2012年，耕地轉換為建設用地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因子，耕地轉換為草地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因子；2012～2018年，草地轉換為建設用地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要因子，建設用地轉換為耕地是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要因子。以上的規(guī)律說明，建設用地的增加是導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因，而草地、耕地面積的增加則有助于改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

2008～2018年期間的土地利用類型變化導致臨淄區(qū)中高風險、較高風險和低風險區(qū)域的面積不斷增加，而中風險和低風險的面積不斷減少。說明臨淄區(qū)的整體區(qū)域生態(tài)風險在不斷增加，這可能與建設用地增加、耕地林地減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，生態(tài)功能穩(wěn)定性降低有關。