2014-2020大運(yùn)河滄州段沿線4km土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)分析

霍 飛，萬(wàn)虹麟，張?zhí)炫d，張 薇,4，張麗軍,5

(1.河北省滄州市自然資源和規(guī)劃局經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)分局，河北，滄州 061007；2.河北水利電力學(xué)院水利工程系，滄州市黃河西路49號(hào) 061001；3.滄州市遙感與智慧水利技術(shù)創(chuàng)新中心，滄州市黃河西路49號(hào) 061001；4.河北省數(shù)據(jù)中心相變熱管理技術(shù)創(chuàng)新中心，滄州市黃河西路49號(hào) 061001；5.河北省高校水利自動(dòng)化與信息化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，滄州市黃河西路49號(hào) 061001)

大運(yùn)河是滄州特色景觀，大運(yùn)河滄州段(南運(yùn)河)總長(zhǎng)215km，占京杭大運(yùn)河的1/8，目前面臨土地利用不合理，生態(tài)監(jiān)測(cè)不全面，生態(tài)保護(hù)不到位等問(wèn)題。而土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量存在一定關(guān)聯(lián)，眾多學(xué)者從土地利用狀況和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量著手，尋求二者的交互關(guān)系[1-3]，文獻(xiàn)[3-5]表明土地利用將顯著影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境，文獻(xiàn)[6-8]構(gòu)建土地利用和生態(tài)環(huán)境兩個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)兩者的耦合協(xié)調(diào)性進(jìn)行了分析研究。近年來(lái)，在大運(yùn)河文化帶建設(shè)背景下，有學(xué)者對(duì)大運(yùn)河沿線的土地利用變化[9]、土地生態(tài)空間差異及響應(yīng)[10]、地表覆蓋變化下景觀格局演變特征[11]、不同土地利用類型面源污染特征[12]進(jìn)行了分析，針對(duì)大運(yùn)河滄州段的研究有：植被覆蓋度的時(shí)空變化[13]、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系[14]、大數(shù)據(jù)時(shí)代大運(yùn)河生態(tài)文化發(fā)展策略[15]等等。鑒于此，厘清大運(yùn)河滄州段土地利用系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，無(wú)疑是一個(gè)新的研究切入點(diǎn)，研究結(jié)果可為區(qū)域土地合理利用，生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，綠色海綿低碳城市建設(shè)、國(guó)家生態(tài)園林城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

大運(yùn)河滄州段集景觀、生態(tài)與體育文化為一體，南起吳橋大興莊村，北至青縣李又屯村，由南至北貫穿滄州市域，流經(jīng)吳橋、南皮、東光、泊頭、青縣、滄縣和運(yùn)河新華8個(gè)縣(市、區(qū))。大運(yùn)河滄州段處平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，為明顯的暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期。文中選取大運(yùn)河滄州段主河道分別向外擴(kuò)展4km范圍內(nèi)的區(qū)域作為研究區(qū)，總面積約1053km2，區(qū)位圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location map of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

用于建立RSEI模型的6景Landsat系列影像數(shù)據(jù)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn/)，影像選取要兼顧云量和時(shí)相，影像數(shù)據(jù)信息參見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接和裁剪等預(yù)處理之后建立RSEI模型，模型的建立過(guò)程、步驟和方法參照文獻(xiàn)[16]。RSEI的取值范圍為0～1，值越大生態(tài)越好。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)Tab.1 Remote sensing image data

研究所用土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，利用Arcgis10.7軟件提取2014年、2018年和2020年大運(yùn)河沿線滄州段4km范圍土地利用類型數(shù)據(jù)，需要說(shuō)明的是：由于相近兩年土地利用變化不大，以2015年土地利用數(shù)據(jù)代替2014年，參照《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T 21010-2007)》分類體系，將研究區(qū)土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地5類，具體參見(jiàn)表2。

表2 土地利用分類Tab.2 Land use classification

2 研究方法

2.1 指標(biāo)體系的建立

基于2014，2018和2020年3期的土地利用數(shù)據(jù)和RSEI模型評(píng)價(jià)的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，建立大運(yùn)河沿線滄州段4km范圍土地利用分類與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系如表3所示。需要說(shuō)明的是，由于所選影像為4月份，影像中耕地植被覆蓋較低，所以將耕地按負(fù)向指標(biāo)計(jì)算。

表3 土地利用分類與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系Tab.3 Land use classification and eco-environmental quality index system

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及指標(biāo)權(quán)重確定

由于指標(biāo)體系中各指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱不統(tǒng)一，采用公式(1)和(2)(極值法)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除由于數(shù)據(jù)量綱不統(tǒng)一帶來(lái)的影響，達(dá)到綜合評(píng)價(jià)的目的。依據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)和影響，將指標(biāo)分為正向指標(biāo)(指標(biāo)值越大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)越有利)和負(fù)向指標(biāo)(指標(biāo)值越大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)越不利)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化公式如下所示：

正向指標(biāo)：

(1)

負(fù)向指標(biāo)：

(2)

指標(biāo)權(quán)重的確定采用熵權(quán)法，該方法較為客觀，具體步驟如下：

(1)計(jì)算第i年的第j個(gè)指標(biāo)值的比重。

(3)

式中，Pij代表第i年的第j個(gè)指標(biāo)值所占比重。

(2)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的信息熵。

(4)

式中，Hj表示第j個(gè)指標(biāo)的信息熵，其中，K=1/lnm，m為研究年份的個(gè)數(shù)。

(3)計(jì)算信息熵冗余度ηj。

ηj=1-Hj

(5)

(4)確定各指標(biāo)權(quán)重。

(6)

式中,ωj為第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重；j為評(píng)價(jià)指標(biāo)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)。

文中計(jì)算所得各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)詳見(jiàn)表3所示。

2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值和利用熵權(quán)法計(jì)算出的權(quán)重值，采用綜合指數(shù)法構(gòu)建土地利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)f(x)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)g(y)，對(duì)應(yīng)公式為

(7)

根據(jù)土地利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)f(x)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)g(y)，分別計(jì)算土地利用與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的耦合度C、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)T以及耦合協(xié)調(diào)度D，計(jì)算公式如式(8)。

C={(f(x)×g(y))/[(f(x)+g(y)/2]2}2

T=αF(X)+βg(y)

(8)

式中,C為耦合度，其值介于0～1之間，C值越大，表明土地利用與生態(tài)環(huán)境兩者之間的依賴程度越高；D為耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度，簡(jiǎn)稱耦合發(fā)展度，D值越大，表明兩者協(xié)調(diào)發(fā)展度越高；T為土地利用-生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；α和β為權(quán)重系數(shù)，此處取α=β=0.5。

依據(jù)耦合協(xié)調(diào)分析的相關(guān)研究成果[4,8-9]，將研究區(qū)土地利用和生態(tài)環(huán)境耦合發(fā)展類型劃分為6類，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為18種，詳見(jiàn)表4所示。

表4 土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合發(fā)展分類Tab.4 Classification of coupled development of land use and ecological environment

3 結(jié)論與分析

3.1 土地利用變化分析

利用ARCGIS10.7軟件統(tǒng)計(jì)2014年、2018年、2020年大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍內(nèi)土地利用類型面積，主要成果有：土地利用類型面積和占比如表5所示、土地利用類型分布圖如圖2所示。

表5 2014、2018、2020年土地利用類型面積和百分比Tab.5 Area and percentage of land use types in 2014， 2018 and 2020

圖2 2014年、2018年、2020年土地利用類型分布圖Fig.2 Distribution map of land use types in 2014, 2018 and 2020

結(jié)合表5及圖2可以看出，2014-2020年間大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍內(nèi)主要土地利用類型是耕地，占比為72%以上，其次是建設(shè)用地，占比23%以上，林、草、水域占比很少，三者總占比不超過(guò)5%，相較2014年和2020年，2018年林、草、水域占比較多，約2.6%，大運(yùn)河沿線生態(tài)空間擠占嚴(yán)重。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

構(gòu)建RSEI模型分析大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍生態(tài)質(zhì)量情況，主要成果有：2014年、2018年、2020年五指標(biāo)均值(圖3)和生態(tài)質(zhì)量圖(圖4)。

圖3 4指標(biāo)和RSEI的均值Fig.3 Mean values of four indicators and RSEI

圖4 2014年、2018年、2020年生態(tài)質(zhì)量圖Fig.4 Ecological quality map in 2014, 2018 and 2020

表6 土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系Tab.6 Coupling relationship between land use and ecological environment

由圖3可得，2014-2020年間，綠度指數(shù)NDVI與濕度指數(shù)WET整體呈降低趨勢(shì)，降幅分別為14.4%和1.7%，干度指數(shù)NDBSI和熱度指數(shù)LST整體呈升高趨勢(shì)，增幅分別為5.5%和17.5%，表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指數(shù)RSEI整體呈降低趨勢(shì)，降幅達(dá)9.5%，在2018年較為特殊，表征綠度的NDVI值較高，表征熱度的LST值較低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI在研究期達(dá)到最高，為0.539，結(jié)合圖4可以直觀的看到，2018年研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量較2014年和2020年要好，這一結(jié)果與土地利用分析結(jié)果相符，也進(jìn)一步說(shuō)明林地、草地等綠地對(duì)生態(tài)環(huán)境有積極的貢獻(xiàn)，而建設(shè)用地對(duì)生態(tài)環(huán)境有消極貢獻(xiàn)。

3.3 土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)分析

為了進(jìn)一步分析土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系，借助構(gòu)建的指標(biāo)體系，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到2014-2020年間大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍土地利用與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系結(jié)果(表6)，可以看到，研究期間土地利用綜合指數(shù)和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)整體均有所下降，說(shuō)明還是存在土地資源利用不合理，生態(tài)環(huán)境待改善的問(wèn)題；耦合度C值均超過(guò)0.5，說(shuō)明土地利用與生態(tài)環(huán)境之間有較強(qiáng)的依賴；2014年、2018年、2020年土地利用與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度分別為0.417，0.796，0.299，至2020年，土地利用與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系表現(xiàn)為極不耦合發(fā)展土地利用滯后型，說(shuō)明土地開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾進(jìn)一步加劇，且土地的不合理利用對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了消極影響。

4 結(jié)論

2014-2020年間，大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍，主要土地利用類型是耕地和建設(shè)用地，兩者占比達(dá)95%以上，大運(yùn)河沿線生態(tài)空間擠占嚴(yán)重。

2014-2020年間，大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍，綠度(NDVI)與濕度(WET)整體呈降低趨勢(shì)，降幅分別為14.4%和1.7%，干度(NDBSI)和熱度(LST)整體呈升高趨勢(shì)，增幅分別為5.5%和17.5%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)RSEI整體呈降低趨勢(shì)，降幅達(dá)9.5%，林地、草地等綠地對(duì)生態(tài)環(huán)境有積極的貢獻(xiàn)，建設(shè)用地對(duì)生態(tài)環(huán)境有消極貢獻(xiàn)。

2014-2020年間，大運(yùn)河滄州段沿線4km范圍，土地利用與生態(tài)環(huán)境之間有較強(qiáng)的依賴，研究期間土地利用綜合指數(shù)和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)整體均有所下降，存在土地資源利用不合理，生態(tài)環(huán)境待改善的問(wèn)題，且土地開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾進(jìn)一步加劇，土地的不合理利用對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了消極影響。

不足之處：(1)土地利用成果解譯的精度一定程度影響了評(píng)價(jià)結(jié)果；(2)指標(biāo)體系的構(gòu)建具有一定片面性，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定局限性，在后續(xù)的研究中，將從指標(biāo)體系的構(gòu)建著手，進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)土地利用系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的交互耦合關(guān)系。