典型石油城市土地利用變化及其生態環境效應——以大慶市為例

張小虎，孫 茜，張合兵，黃曉東，雷國平

土地利用是人與自然交叉最為緊密的環節，土地利用及其變化對生態系統的結構和功能，對區域氣候、土壤、水文、生物多樣性等產生重大影響[1]，從而對生態環境產生深刻影響。當前人類正以前所未有的速度、幅度、程度改變著土地利用和土地覆蓋，土地利用/覆蓋變化（LUCC）幾乎影響了從基因到全球的所有組織水平[2]。1995年國際地圈和生物圈計劃（IGBP）和全球變化人文項目計劃（IHDP）聯合提出“土地利用/覆蓋變化科學研究計劃”，促進土地利用/覆蓋變化研究，認識到土地利用/覆蓋變化是生態環境變化的重要起因，并將其列為全球變化4個主要問題之一[3，4]。研究區域土地利用變化及其生態環境效應變化對于深刻認識區域的生態環境、維持生態平衡、促進區域經濟與環境的協調發展具有重要意義[5，6]。國內外學者針對土地利用變化及生態環境效應進行大量探索，主要分為三類，一是LUCC對水、土、氣、生等單要素的影響效應，二是LUCC對生態系統服務功能的影響效應，三是LUCC對景觀格局的影響效應[7，8]。目前已從對氣候、水文、土壤以及生物等單一要素的研究發展到區域生態環境的綜合研究[9-12]，但是由于土地利用變化與生態環境間相互作用機制的復雜性，研究多從生態系統服務價值的角度進行[13，14]，由于未對生態服務價值進行區域修正，從而使得研究結果存在偏差，并且可比性較差。鑒于此，本研究在對相對生態價值進行區域修正的基礎上開展深入研究。

大慶是中國石油之都，石油資源開發占用大量優質草原、耕地等，導致土地利用發生劇烈變化，加之重開發輕管護，其地表植被破壞和生態環境惡化的程度遠遠超過一般城市。特別是近20年大慶市經濟社會快速發展，土地利用變化空前，直接影響經濟社會、生態環境以及國家能源安全。同時，大慶位于我國北方農牧交錯帶，具有良好的氣候、土壤、植被等環境因素以及土地利用的過渡特征，對全球變化的響應和人類活動作用極為敏感，處于IGBP和IHDP確定的陸地帶——中國東北樣帶（NECT）內。因此，以大慶市作為研究區，采用GIS與RS相結合技術，揭示其土地利用變化及生態環境效應，從而深化資源型城市人地關系認識，為大慶市經濟社會的持續健康發展提供借鑒。同時，對于保障區域生態安全，促進區域經濟社會與環境持續發展，構建良好的土地利用生態安全格局，具有重要的應用價值和典型的科學意義。

1 研究區概況

大慶地處松嫩平原中部，屬松花江流域，介于北緯45°46′-46°55′，東經 124°19′-125°12′之間，是哈大齊軸線的中心，土地總面積為510700 hm2。境內無山嶺，地勢平坦，地形發育主要受水力、風力作用，地貌表現為波狀起伏的低平原，稍高處多為平緩的漫崗，其上植被發育較差；平地多為耕地、草原，同時分布著許多面積不等的鹽堿小丘；低處多為排水不暢的季節性積水洼地和低位沼澤和堿水泡子。受季風影響，春秋氣溫變化急劇，多風沙。石油開采極大的改變了大慶市的土地利用/覆蓋，驅使土地利用呈多元化發展趨勢，形成油田、城市、耕地、草地等用地類型相互交錯的復合土地利用模式、石油開采導致地下水大量上升，造成土壤鹽漬化、沙化、土壤及水體污染、濕地萎縮等，土地利用的生態環境效應顯著。

2 數據來源與處理

文中研究數據來源于大慶市1987和2005年SPOT影像，以經過配準的大慶市1∶10萬地形圖為參照，在ERDAS8.6平臺上進行影像校正，獲取兩期不同時相標準影像。運用遙感信息與地學信息相結合，室內判讀與專家經驗、野外調查相結合方法，通過人機交互判讀得到圖形數據和屬性數據。同時，采用MAPGIS6.7軟件進行土地利用現狀信息的提取和數據庫建設。根據研究區土地利用方式、覆蓋特征等特點，同時參考中國科學院資源環境數據庫中1∶10萬土地利用分類系統，將研究區分為6大類，即耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地（圖1和圖2）。

3 大慶市土地利用變化分析

3.1 土地利用數量轉變

土地利用變化首先表現為不同土地利用類型面積變化，土地利用轉移矩陣是研究土地利用變化的重要內容。通過對不同土地利用類型的轉化研究，從而把握區域土地利用變化的趨勢和結構特征。

表1 1987-2005年土地利用變化轉移矩陣 （單位：hm2）

從表1可知，1987-2005年大慶市土地利用變化幅度：草地＞未利用地＞建設用地＞水域＞耕地＞林地，其中未利用地、建設用地、耕地和林地呈增加趨勢，草地和水域呈減少態勢。草地由45.41%下降到18.41%，減少137922.21hm2；未利用地從0.98%激增到21.83%，18年間變化率高達2 134.65%。源于大慶經濟社會快速發展，建設用地增幅較大，并且油田開發建設占用大量草地、水域等，從而導致草地、水域大幅減少。同時，說明在石油開采過程中忽視生態環境保護，導致部分土地退化、鹽堿化，致使未利用地大面積增加。為實現耕地數量動態平衡，通過開墾草地、未利用地等補充耕地。1987-2005年研究區土地利用類型轉變頻繁，共有200617.11hm2土地發生地類轉變。其中，草地凈減少137922.21hm2，水域凈減少17699.54hm2，未利用地凈增加106490.84hm2，建設用地凈增加32964.27hm2，耕地凈增加10563.24hm2，林地凈增加5603.41hm2。轉移量占主導的是草地退化為未利用地，達89252.99hm2，占總轉移量的44.49%；其次是草地開墾為耕地，達21365.34hm2；再次為油田開發及城市建設占用草地，為20718.13hm2；第四位是水域退化為未利用地，為17121.9hm2；其他主要轉移類型依次是草地轉為林地，耕地轉為建設用地，林地轉為耕地。

3.2 土地利用組合類型

通過上述分析可知大慶市土地利用變化劇烈，為分析其土地利用組合類型變化，采用Weaver-Tomas組合系數法研究其土地利用主要類型變化。Weaver-Tomas組合系數法是將土地的實際分布與假設分布相比較，從而逐步逼近實際分布，得到最接近實際分布的近似分布，該分布組合即為所求組合類型[15]。

表2 土地利用組合類型

由表2可知，1987年大慶市的土地利用組合類型數為2，組合類型為水域-耕地型；所轄五區的土地利用組合類型為草地-耕地-水域、草地-耕地、水域-草地、耕地-建設用地-水域四種類型。其中，耕地、水域在大慶市土地利用中占有絕對優勢，五個區均存在該土地利用組合類型。說明1987年研究區在土地利用上以農業為主導，農牧業占重要地位。隨著大慶市經濟社會發展特別是石油工業、城市建設加速，2005年研究區土地利用組合類型數為4，組合類型為草地-水域-建設用地-未利用地型，所轄五區的土地利用組合類型數明顯增加，組合類型數為4或5，土地利用結構呈現多樣化趨勢，但是建設用地、未利用地面積在土地利用結構中占有重要地位，表明其土地利用類型已由農業主導轉為工業主導。主要是城市建設、原油開采及其附屬設施建設，城市建設用地激增，加之研究區屬于閉流區域，排水不暢及原油不合理開采使得草地、耕地等不斷退化，導致鹽堿地劇增。

4 大慶市土地利用變化生態環境效應

4.1 生態環境質量指標構建

土地利用類型可反映不同生態環境特性，代表不同生態環境質量，體現區域生態質量差異性。因而，對各土地利用類型所具有的生態環境質量進行賦值，并與土地利用變化類型和變化過程結合起來，通過建立土地利用與生態環境質量的關聯，追蹤土地利用及變化的樣式、數量和空間特征，從而定量分析區域生態環境變化數量和空間特征[16]。采用彭建等[17]提出的相對生態價值，依據Costanza等對全球不同生態系統類型服務功能價值測算結果的比例關系，建立土地利用變化與生態環境效應的聯系，從而揭示土地利用變化的生態環境效應。由于Costanza計算的全球生態系統服務價值是全球均值[18]，并且某些數值存在偏差。因此，以謝高地制定的中國生態系統單位面積生態服務價值當量[19]為依據，同時結合大慶實際對單位面積年農田自然糧食產量的經濟價值作相應修正，即以2005年大慶糧食平均產量5406kg/hm2為基準單產，糧食單價按1.35元/kg，同時考慮沒有人力投入自然生態系統提供的經濟價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1/7[20]，從而計算大慶市單位面積農田每年自然糧食產量經濟價值為1042.6元/hm2·a，應用Costanza等提出的估算方法進行測算。鑒于謝高地研究中缺乏建設用地相關數據，參考張淑英等[21]研究成果與其他土地利用類型生態服務價值的比例關系確定。同時，結合研究區實際對各土地利用類型的生態質量在[0-1]內賦值，即為各土地利用類型的相對生態價值，反映單位面積不同土地利用類型的生態價值比例關系。

表3 大慶市不同土地利用類型的相對生態價值

（1）生態環境質量指數

生態環境質量指數綜合考慮區域各土地利用類型所具有的生態環境質量及面積比例，定量表征區域生態環境質量的總體狀況，公式為[22]：

式中：LUi為區域t時期第i種土地利用類型面積；Ci為區域t時期第i種土地利用類型的生態環境質量指數；TA為區域總面積；n為區域內所有土地利用類型數。

（2）土地利用轉變類型生態貢獻率

土地利用轉變類型生態貢獻率指某一土地利用類型變化導致區域生態質量的改變，公式為[9]：

式中：EIt+1、EIt為某土地利用變化類型變化末期和初期所具有生態質量指數；LA為該土地利用變化類型的面積；TA為區域土地總面積。

4.2 生態環境效應分析

（1）生態環境質量指數變化特征

根據公式（1）計算大慶市生態環境質量指數（表4）。由表4可知，1987-2005年大慶市生態環境質量指數總體呈下降態勢，從1987年的0.337下降到2005年的0.240，累計減少0.097。而同期大慶市GDP從110.15億元增加到1326.49億元，人均GDP增長9.3倍，說明大慶市在經濟社會發展中沒有正確處理好經濟建設與生態環境保護的關系，存在犧牲生態環境的現象，在今后的發展中加大生態環境保護力度，走資源節約與環境友好型的內涵式發展道路。在各土地利用類型中，研究期內草地、林地的生態環境指數較大，其中耕地、林地、建設用地、未利用地的生態環境質量指數呈增加趨勢，而草地、水域生態環境質量指數持續減少。主要是由于大慶的土地利用堅持“地上服務地下”的原則，油田開發建設占用大量的優質草原、耕地、林地等，并且對生態環境造成一定污染和破壞，從而使得土地利用變化產生負面生態效應。

表4 1987-2005年大慶市生態環境質量指數

表5 1987-2005土地利用轉變類型生態貢獻率

（2）土地利用轉變類型生態貢獻率特征

根據土地利用變化矩陣和公式（2）計算大慶市1987-2005年土地利用轉變類型生態貢獻率，結果見表5。

由表5可知，導致研究區生態環境質量惡化的土地利用變化驅動因子主要是草地和水域退化為未利用地、建設用地規模急劇擴張、毀林毀草造田，其中草地退化為未利用地占生態貢獻率的53.59%，建設用地占用占生態貢獻率的16.42%，水域退化為未利用地占生態貢獻率的7.61，毀林毀草造田占生態貢獻率的17.74%。驅使研究區生態環境質量改善的土地利用變化因子主要包括退草還林、退耕還林、退耕還草等，其中退草還林占生態貢獻率的62.09%，退耕還林占生態貢獻率的15.79%，退耕還草占生態貢獻率的10.58%。總體而言，1987-2005年大慶市土地利用類型轉變同時存在著生態環境改善和惡化兩種趨勢，并且改善程度小于惡化程度，導致其生態環境質量總體呈下降態勢。

5 結論及建議

5.1 結論

（1）1987-2005年大慶市土地利用數量變化幅度：草地＞未利用地＞建設用地＞水域＞耕地＞林地。同時土地利用類型轉變頻繁，共有200617.11hm2土地發生地類轉變，其中，草地退化為未利用地是主導，達89252.99hm2，占總轉移量的44.49%。主要是由于油田開采石油侵占大量草地、污染部分水域，加之不合理開發利用導致土地鹽堿化，從而致使未利用地劇增。

（2）研究區土地利用組合類型數不斷增加，1987年大慶市的土地利用組合類型數為2，組合類型為水域－耕地型；而到2005年土地利用組合類型數為4，組合類型為草地－水域－建設用地－未利用地型，各轄區土地利用組合類型數明顯增加，組合類型數為4或5。土地利用結構呈現多樣化趨勢，說明大慶的土地利用類型已由農業為主轉為工業為主。

（3）研究區生態環境質量指數總體呈下降態勢，說明大慶市在經濟社會發展中沒有正確處理好經濟建設與生態環境保護的關系，存在犧牲生態環境的現象。

（4）1987-2005年大慶市土地利用類型轉變同時存在著生態環境改善和惡化兩種趨勢，并且改善程度小于惡化程度，導致其生態環境質量總體呈下降態勢，源于草地和水域退化為未利用地、建設用地規模急劇擴張、毀林毀草造田等。

5.2 建議

針對上述分析，建議從以下幾個方面加強和改善大慶市土地利用生態環境。

（1）圍繞大慶市典型石油城市的特點，堅持“在保護中發展，在發展中保護”的方針，合理劃分土地生態功能區，建立不同類型的生態功能保護區，保護好土地資源開發利用的生態環境以及土地生態良好區域特別是物種豐富區的土地生態環境，使其土地生態系統和生態功能不受或少受破壞，走資源節約與環境友好型的內涵式發展道路。

（2）在土地開發利用中統籌協調石油開采與生態環境保護，繼續推進天然林保護工程、水土流失綜合治理工程、土地“三化”治理等工程，促進土地生態環境的持續好轉。

（3）石油開采導致研究區土地的有價值能量流不斷減少，而無價值的能量流逐年增加，最終致使土地利用的無序程度增加。因此，將已廢棄的油田生產用地以及其中受到一定影響的其他用地進行綜合整治、置換等，恢復其生產力，進而提高土地生態、經濟、社會價值。

（4）加快資源型城市轉型，立足于“大油田、大農田、大草原”地域特色，充分發揮土地生態資源優勢和土地潛力，因地制宜地確定主導產業和優勢產品，促進產業結構優化升級。依托油氣資源，延伸產業鏈條。以高新技術為先導，發揮比較優勢，發展其他非油經濟，加快資源主導型向科技主導型經濟轉變，建設經濟社會快速發展與生態環境良好的生態宜居城市。

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