圖們江地區(qū)“三生”用地變化及其生態(tài)質量影響

余 洲,李明玉,陳 高,劉心雨

(延邊大學 地理與海洋科學學院,吉林 延吉 133002)

土地利用轉型研究作為土地利用變化研究的最新前沿領域[1-2]，是指在受社會經(jīng)濟、政府政策、自然人文環(huán)境等驅動影響下，一段時間后區(qū)域內(nèi)土地利用變化達到與社會經(jīng)濟發(fā)展相對應的一個過程，其主要包括顯性和隱性兩種不同形態(tài)的轉化[3-4]。隨著該研究逐漸被中國學者所重視，涌現(xiàn)出一系列圍繞土地利用轉型理論與假說、單一用地類型的轉型分析[5-6]以及轉型過程中對城鄉(xiāng)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境影響[7-8]等內(nèi)容的研究成果。中共十八大報告中明確指出我國社會經(jīng)濟發(fā)展新目標是促進三生空間協(xié)調(diào)發(fā)展，基于“三生空間”分析土地利用主導功能的轉變過程來識別區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的不同階段，已成為土地利用轉型研究的重要切入點[9-10]。

現(xiàn)有研究表明，區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展過程中土地利用轉型及其生態(tài)質量，對制定土地利用優(yōu)化最佳方案以及生態(tài)文明建設具有現(xiàn)實意義。目前，該項研究已成為地理學、生態(tài)學和環(huán)境科學等多學科研究熱點[11-12]。但以往相關研究多集中在區(qū)域生態(tài)環(huán)境比較敏感的地區(qū)[13]，研究尺度上以流域、省域等宏觀為主[14-19]，而對市域尺度熱點地區(qū)作為對象的研究成果尚不多見。

圖們江地區(qū)作為我國對外開放的窗口，其與東亞各國間的合作關系日益緊密，同時該地區(qū)也是我國重要的生態(tài)功能區(qū)之一，其生態(tài)地位顯著。但隨著區(qū)域內(nèi)城市不斷發(fā)展、土地開發(fā)強度增加，對生態(tài)質量造成的影響日益突出。因此，本研究以圖們江核心地區(qū)延邊朝鮮族自治州為例，基于2000年、2010年、2020年土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，構建“三生”用地分類體系，定量研究2000—2020年延邊州土地利用轉型時空變化特征及其生態(tài)質量響應規(guī)律，以期為制定該地區(qū)土地資源開發(fā)和生態(tài)保護政策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

1995年聯(lián)合國開發(fā)計劃署啟動了《圖們江地區(qū)發(fā)展計劃》，此項計劃使我國同東亞各國在運輸、能源、旅游、投資和環(huán)境等產(chǎn)業(yè)方面建立了緊密合作的關系。計劃中提出將延邊朝鮮族自治州作為圖們江區(qū)域合作區(qū)的“門戶”，使其逐漸成為中國與東亞國家聯(lián)系最緊密的地區(qū)[20]。同時該地區(qū)是中國“一帶一路”戰(zhàn)略的重要門戶，也是重要的生態(tài)功能區(qū)之一。因此，要大力發(fā)展圖們江地區(qū)，首先要解決好延邊州區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的沖突。

延邊朝鮮族自治州位于北緯41°59′—44°30′，東經(jīng)127°27′—131°18′。地處吉林省東部地區(qū)，北接俄羅斯，東臨日本海，是中朝俄三國交界中心。該區(qū)總面積為4.32萬km2，其中包括延吉、敦化、和龍、汪清、龍井、安圖、圖們和琿春等縣市。整體地勢特征表現(xiàn)為西高東低，又以琿春一帶為最低。區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)保存良好，動植物具有豐富多樣性。由于常年受日本海影響，氣候特征為中溫帶濕潤季風氣候，年均降水量可達400～650 mm，年平均氣溫為2～6℃。冷熱分明的溫帶季風氣候使延邊州盛產(chǎn)水稻、玉米和大豆等農(nóng)作物。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)選取2000年、2010年、2020年Landsat TM/OLI遙感影像(http：//www.gscloud.cn)，分辨率為30 m。本研究對初始影像進行大氣校正、幾何校正、圖像增強和裁剪等影像預處理。并通過eCognition軟件進行面向對象的多尺度分割；以監(jiān)督分類、決策樹分類、目視解譯多種方法相結合，基于大量的野外驗證點，獲取研究區(qū)3期土地利用數(shù)據(jù)，并通過野外實地調(diào)查驗證分類結果，精度可達90%以上。

2 研究方法

2.1 “三生”土地利用功能分類

一種土地利用類型本身可能兼具多種用地功能，如耕地既有調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)功能，又有生產(chǎn)和倉儲糧食等生產(chǎn)功能。對于人類而言，進行耕地種植是為了生產(chǎn)糧食，最終可以根據(jù)行為主體用地意圖確定其主導功能。本研究中各土地利用類型按照國土管理行業(yè)標準，將數(shù)據(jù)與土地利用“生產(chǎn)、生態(tài)、生活”功能相結合，構建“三生”用地分類體系[10,21]。最終參考以李曉文等[22]制定的二級地類所對應的生態(tài)質量指數(shù)為主，利用面積加權法對延邊朝鮮族自治州“三生”用地的生態(tài)質量指數(shù)進行賦值[23-24](表1)。

表1 延邊州土地利用功能分類及其生態(tài)質量指數(shù)

2.2 土地利用功能結構轉型

通過土地利用轉移矩陣來揭示土地利用動態(tài)變化過程，分析出土地利用類型間轉化的結構特征及方向變化，數(shù)字表達式[25]：

(1)

式中：Sij為用地類型面積；a為土地利用類型數(shù)。

2.3 土地利用功能空間轉型

運用重心模型來表征一段時間內(nèi)各功能用地重心轉移方向及距離，分析出空間轉型過程中時空變化特征，其數(shù)字表達式為[16]：

(2)

(3)

式中：Xi，Yi為用地類型的重心坐標；m為空間單元數(shù)；Xj，Yj為第j個單元的地理中心坐標；Zj是第j個單元的用地類型面積。

2.4 生態(tài)質量效應

(1)生態(tài)質量指數(shù)。研究中為獲取最優(yōu)研究尺度，根據(jù)經(jīng)驗公式[26]選取格網(wǎng)大小，即將用地斑塊數(shù)作為采樣點，網(wǎng)格數(shù)量約為采樣點的一半。通過2000年、2010年、2020年解譯的用地斑塊數(shù)約為1.3萬個，經(jīng)過反復調(diào)試，最終采用3 km×3 km格網(wǎng)大小進行格網(wǎng)尺度研究，共計獲得近6 000個網(wǎng)格單元。根據(jù)各單元內(nèi)“三生”用地賦值的生態(tài)質量指數(shù)及其面積占比，分析延邊州不同時期的生態(tài)質量狀況。其表達式為：

(4)

式中:EVi為第i個單元的生態(tài)質量指數(shù)(i=1,2,3,…,n)；n為土地利用類型數(shù)；Sij為在第i個單元內(nèi)第j種用地類型面積；Ej為第j種用地類型生態(tài)質量指數(shù)(表1)；Di為第i個單元的土地利用總面積。

(2)地統(tǒng)計分析法。將獲得的生態(tài)質量指數(shù)賦給各個網(wǎng)格單元中心點，并通過半方差分析法進行普通克里金插值，得到延邊州地區(qū)的生態(tài)質量空間分布圖[27]。數(shù)字表達式為：

(5)

式中:r(h)為半方差；h為樣本距離；n(h)為樣本間距h的樣本對總數(shù)；i為第i個生態(tài)單元[i=1，2，…，n(h)]；Z(xi)和Z(xi+h)為在xi和xi+h處的生態(tài)質量指數(shù)值。

(3)土地利用轉型貢獻率。即某一種功能用地發(fā)生變化導致生態(tài)質量的改變[28]，能夠定量分析出影響區(qū)域生態(tài)質量變化的主導因素。表達式為[29]：

(6)

式中:CLEI為土地利用轉型生態(tài)貢獻率；CA為土地利用變化類型面積；RA為研究區(qū)面積；EVa，EVa+1為研究初期和末期該變化類型的生態(tài)質量指數(shù)。

3 結果與分析

3.1 “三生”用地面積變化及空間分布

延邊朝鮮族自治州“三生”用地格局中生態(tài)用地面積最大，占總面積比例高達85.58%，生產(chǎn)用地和生活用地面積較小，分別僅占總面積13.32%，1.10%。按照一級地類來看，生產(chǎn)用地面積先降后升，共計增加915.25 km2；生態(tài)用地面積大幅下降，由2000年的3.72萬km2下降至2020年的3.61萬km2，共計1 143.34 km2；生活用地面積持續(xù)增加了228.85 km2；表明該地區(qū)在研究期間隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化以及城鎮(zhèn)化的推進，加劇了生產(chǎn)、生態(tài)和生活用地間的土地供需矛盾。按照二級地類來看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地主要分布在延邊州的敦化市、和龍市和龍井市等周邊地區(qū)；林地生態(tài)用地廣泛分布在延邊州各個縣市；城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地呈片狀分布在敦化市、延吉市及琿春市等地區(qū)(表2，附圖6)。

表2 2000-2020年延邊州各功能用地面積變化 km2

3.2 土地利用功能轉型

3.2.1 功能結構轉型 運用ArcGIS分別獲得延邊州2000—2010年以及2010—2020年土地利用轉移矩陣，通過該矩陣分析功能用地間內(nèi)部轉換情況，明確其相互轉化的數(shù)量和方向，最終得出延邊州2000—2020年土地利用功能結構轉型特征如下：

(1)2000—2010年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地降幅最大，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地略有增加，林地和牧草生態(tài)用地顯著增加。生產(chǎn)用地中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地由林地生態(tài)用地轉入，比例為21.91%；工礦生產(chǎn)用地轉為林地生態(tài)用地，轉移比例為17.94%。生態(tài)用地中，林地生態(tài)用地轉移面積占比較?。挥?72.84 km2牧草生態(tài)用地和220.95 km2其他生態(tài)用地主要轉化為林地生態(tài)用地；水域生態(tài)用地由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉入比例為26.23%。生活用地的增加由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉入比例為47.21%(表3)。

表3 2000-2010年延邊州地區(qū)土地利用變化轉移矩陣 km2

(2)2010—2020年，林地生態(tài)用地降幅最大，生活用地持續(xù)增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地顯著增加。生產(chǎn)用地中，林地生態(tài)用地的轉入是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地增加的主要來源，比例為21.76%；工礦生產(chǎn)用地變化不明顯。生態(tài)用地中，有1 409.11 km2林地生態(tài)用地轉換為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地；林地生態(tài)用地轉入其他生態(tài)用地，其轉移比例為20.87%。生活用地的主要轉入來源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，由其轉入城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地面積分別為33.66，28.75 km2(表4)。

表4 2010-2020年延邊州地區(qū)土地利用變化轉移矩陣 km2

3.2.2 功能空間轉型 以延邊州縣級行政區(qū)為基本單元，運用ArcGIS獲取2000—2020年延邊州各功能用地重心動態(tài)轉移圖(圖1)。

圖1 2000-2020年延邊州各功能用地重心動態(tài)轉移

生產(chǎn)用地中，2000年農(nóng)業(yè)、工礦生產(chǎn)用地重心分別位于幾何重心西北部、東南部。2000—2020年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地重心持續(xù)向西北偏移13.69 km，空間分布不均衡有所加?。还さV生產(chǎn)用地重心前期向西南偏移34.04 km，后期向西北偏移26.83 km，空間分布不均衡性有所減少。

生態(tài)用地中，2000年水域和其他生態(tài)用地重心都位于幾何重心西北部，林地、牧草生態(tài)用地重心分別位于幾何重心南部和西南部。其中，林地生態(tài)用地重心偏移較小，水域生態(tài)用地重心先向東南偏移22.67 km，再向西南偏移16.05 km，兩者空間分布不均衡性均有所加??；其他生態(tài)用地重心在研究期間持續(xù)向東南偏移18.46 km，空間分布不均衡略微緩和；2010年牧草生態(tài)用地重心較2000年向東南偏移了23.08 km，2020年向東偏移7.51 km，空間分布不均衡呈現(xiàn)出先緩和后加劇趨勢。

生活用地重心均位于幾何重心東部。城鎮(zhèn)生活用地重心先向西南偏移3.62 km，再向東偏移6.61 km，其中延吉市和敦化市城鎮(zhèn)用地面積明顯高于州內(nèi)其他區(qū)域，但由于延邊州地區(qū)區(qū)域整體經(jīng)濟發(fā)展活力欠缺，城鎮(zhèn)生活用地面積增幅較小；2000—2020年農(nóng)村生活用地重心持續(xù)向東北偏移6.17 km，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地空間分布不均衡均略微增加。

3.3 生態(tài)質量響應

利用ArcGIS對延邊州地區(qū)2000年、2010年、2020年生態(tài)質量指數(shù)樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結果顯示其接近正態(tài)分布，且具有空間相關性，適用于普通克里金插值法[30-31]。通過GS+9.0進行函數(shù)擬合，得到生態(tài)質量指數(shù)擬合結果(表5)?；_值從2000年的0.029 8增加至2020年的0.034 2，顯示出該地區(qū)生態(tài)質量空間分布不均勻，且不斷加劇。2000年、2010年、2020年的塊金基臺比值在0.7～0.8浮動，總體比較穩(wěn)定，表明EV的相關性中等。可決系數(shù)R2都在0.95以上，且殘差值較小，表明該擬合結果可靠。

表5 半方差函數(shù)擬合

因此，本研究中采用普通克里金插值法，選取球形模型為半變異函數(shù)模型。并將插值結果分為5級[32]，即高質量區(qū)(EV>0.75)、較高質量區(qū)(0.6

3.3.1 生態(tài)質量結構變化特征 延邊州總體生態(tài)質量指數(shù)明顯下降，從2000年的0.789下降至2020年的0.772，表明區(qū)域內(nèi)生態(tài)質量不斷惡化。2000—2020年，隨著生活用地的不斷擴大，低和較低質量區(qū)面積不斷增加，低質量區(qū)占研究區(qū)總面積比例從2.65%增長至4.72%，年均增長面積為44.83 km2；較低質量區(qū)占研究區(qū)總面積比例從3.46%增長至5.77%，年均增長面積為50.03 km2；中質量區(qū)面積持續(xù)減少，前期變化劇烈后期變化逐漸平緩；較高質量區(qū)面積占比變化不大，整體上顯示出小幅增加；高質量區(qū)面積持續(xù)減少，且是面積變化最劇烈的區(qū)域，占研究區(qū)面積比例從72.94%下降至69.25%，年均減少面積為79.75 km2(表6)。

表6 2000-2020年延邊州生態(tài)質量等級面積變化

3.3.2 生態(tài)質量空間差異分析 從附圖7可以看出，研究期間，延邊州地區(qū)生態(tài)質量的低質量區(qū)和較低質量區(qū)主要集中分布在敦化市中部、和龍市北部、延吉市南部以及琿春市西南部地區(qū)，該區(qū)域內(nèi)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和城鎮(zhèn)生活用地為主。中質量區(qū)和較高質量區(qū)主要集中分布在敦化市、圖們市、安圖縣中部以及汪清縣西南部地區(qū)，其中較高質量區(qū)地類主要為林地生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，中質量區(qū)地類主要是其他生態(tài)用地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地。而高質量區(qū)廣泛分布在延邊州范圍內(nèi)，是分布最為廣泛的類型區(qū)，其地類主要是林地生態(tài)用地且占高質量區(qū)面積90%以上。

分析結果得出，延邊州生態(tài)質量的時空變化特征與政府政策、城市化進程、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化保持高度一致性。2000—2010年，由于國家頒布的“退耕還林”政策以及該地區(qū)城市化進程較慢，社會經(jīng)濟發(fā)展水平低，導致大量的農(nóng)業(yè)種植土地轉變?yōu)榱值厣鷳B(tài)保護用地，較高質量區(qū)面積有所增加，低質量區(qū)面積變化不顯著。2010—2020年，由于城市化進程的加快以及經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設不斷擴大，人口規(guī)模增加，需要增加農(nóng)作物的種植以滿足人們的糧食需求，最終導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和生活用地的增加，其表現(xiàn)為低和較低質量區(qū)面積增加，高質量區(qū)面積大幅減少。

3.3.3 功能用地轉型對生態(tài)質量影響分析 通過分析2000—2020年延邊州功能用地轉型生態(tài)貢獻率，獲取其生態(tài)質量響應規(guī)律，得到表7。

表7 影響生態(tài)質量的功能用地轉型及貢獻率

可以看出，2000—2010年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地被大量的林地生態(tài)用地占用是延邊州生態(tài)質量改善的主要原因，占生態(tài)貢獻率的66.01%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉換成牧草、其他和水域生態(tài)用地也對生態(tài)質量改善具有一定積極作用，三者共計占生態(tài)貢獻率的14.29%。而生態(tài)質量惡化的主要原因是林地生態(tài)用地被開發(fā)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，占生態(tài)貢獻率的66.66%。此外，林地生態(tài)用地轉化成牧草、其他和水域生態(tài)用地也加劇了生態(tài)質量的惡化，三者共計占生態(tài)貢獻率的18.30%。2010—2020年各功能用地轉型對生態(tài)質量的影響與前期基本相同。總的來說，延邊朝鮮族自治州土地利用轉型過程中同時存在生態(tài)質量改善和惡化兩種趨勢，生態(tài)質量改善小于惡化，總體上生態(tài)質量惡化趨勢加大。

4 結論與討論

(1)2000—2020年，延邊州土地利用功能結構轉型特征為：三生用地中，生產(chǎn)用地先減少后增加、生態(tài)用地持續(xù)減少和生活用地持續(xù)增加；在二級用地類型中，林地生態(tài)用地降幅最大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積先降后升，牧草、水域、其他生態(tài)用地和工礦生產(chǎn)用地變化較小，農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活用地持續(xù)增加。

(2)2000—2020年，延邊州土地利用功能空間轉型特征為：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、林地和水域生態(tài)用地以及生活用地空間分布不均衡有所加劇，工礦生產(chǎn)用地、牧草和其他生態(tài)用地空間分布不均衡明顯減少。生產(chǎn)用地重心向西北偏移，牧草、水域和其他生態(tài)用地重心向東南偏移，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用地重心分別向西南、東北偏移。

(3)2000—2020年，延邊州生態(tài)質量指數(shù)從0.789降至0.772。其中高質量區(qū)面積占比最大且明顯有所下降，低和較低質量區(qū)面積明顯增加，正是由于高質量和中質量區(qū)面積下降幅度較大，造成延邊州地區(qū)整體生態(tài)質量下降。

(4)2000—2020年，延邊州總體生態(tài)質量呈惡化趨勢。前10 a中農(nóng)業(yè)用地轉化為林地是導致生態(tài)質量改善的主要原因，占生態(tài)改善貢獻率的66.01%；后10 a大量的林地轉化為農(nóng)業(yè)用地是該地區(qū)生態(tài)質量惡化的主要原因，占生態(tài)惡化貢獻率的79.08%。

延邊朝鮮族自治州土地利用轉型及生態(tài)質量效應與政府政策、城市化進程和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等密切相關。參考其他現(xiàn)有研究成果，在經(jīng)濟發(fā)達且城市化較高的地區(qū)，其生態(tài)質量惡化的原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地轉化為生活用地，土地利用轉型特征表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地大量減少和生活用地大量增加[16,27]。由此對比出延邊朝鮮族自治州土地利用轉型及生態(tài)質量效應與發(fā)達地區(qū)有所不同，具有其現(xiàn)實研究意義。但研究中缺乏探討延邊州土地利用轉型的驅動力機制，未來需要結合該區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展階段，研究不同階段土地利用轉型驅動機制，以解決更多土地利用轉型相關問題?？紤]到延邊朝鮮族自治州與其他地區(qū)在地理位置、種植環(huán)境、政策管理、社會經(jīng)濟等方面存在明顯的差異，未來需要選取不同的地區(qū)作對比分析，進一步揭示出隨著社會經(jīng)濟等條件的改變，我國區(qū)域土地利用轉型及其生態(tài)質量效應是如何響應的。