資源型城市土地利用變化及生態環境效應研究——以白銀市區為例

張萬萍，雒占福，孟越男，張 劍，何 珊

（西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州730070）

20世紀90年代中期以來，我國城市化進程加快，2011年我國的城市化率為51．27%，城市土地利用變化成為當前土地利用研究的熱點［1］。目前，國內學者對土地利用的研究主要集中在城市土地利用時空動態變化與驅動機制方面，如孫雁等［2］以多時相歷史數據為基礎，研究了沈陽市100a來土地利用空間結構的演變特征和規律；賈文臣等［3］應用土地利用空間形態分形模型研究了威海市土地利用分形特征時空格局變化特點；謝葉偉等［4］在RS與GIS技術支持下，研究了沿海城市土地利用變化及其驅動力；鐘春棋等［5］運用主成分分析法確定了福州市土地利用變化的主要驅動因子。相對而言，對城市土地利用變化及其引起的生態環境效應研究較少［6－9］，張楊 等［6］運用生態環境質量評價模型對武漢市土地利用變化的生態環境效應作了分析；李鵬山等［9］采用生態環境效應評價模型，對海口市濱海旅游區生態環境效應進行了研究。且研究的對象多為東部城市，對西部城市特別是資源型城市的土地利用變化及其生態效應研究十分薄弱［10－13］。鑒于此，本文以白銀市區為例，研究1980年代后期西北干旱區資源型城市轉型下的土地利用變化及其對生態環境的影響，以期為解決資源型城市轉型過程中產生的問題和實現城市可持續發展提供依據和借鑒。

1 研究區概況

白銀市區（郝家川）位于白銀區中部，是典型的黃土高原礦農交錯區，土地總面積為5．01×104hm2。市區地勢較為平坦，平均海拔1 709．2m，屬中溫帶大陸性干旱、半荒漠氣候，年均氣溫8℃，年均降雨量198mm，植被覆蓋度低，土壤類型以灰鈣土為主［14］。白銀市區是白銀市的政治、經濟和文化中心，也是我國重要的有色金屬基地和甘肅省能源化工基地，素以“銅城”聞名。白銀市區交通便利，距蘭州中川機場僅70km，包蘭鐵路、白寶支線鐵路，G6白蘭高速、109國道穿境而過。從1988年開始，白銀市區實施了資源型城市的轉型戰略，城市職能和產業布局發生了重大變化，產業轉型下土地利用變化及其生態環境變化劇烈，因而對其土地利用變化和生態環境效應的整體研究具有重要的現實意義。研究區內地物種類多，影像解譯時考慮到不同土地利用程度的差異，將一些附屬或是難以區分的類型予以歸并，將研究區的土地利用類型劃分為水體、草地、耕地、林地、建設用地、未利用地六種［15］。

圖1 遙感影像圖處理流程

2 數據來源與研究方法

2．1 數據來源及處理

本文以1990年8月18日、2000年11月1日和2011年9月29日的3期30m分辨率，軌道號為130／35的陸地衛星（Landsat TM）影像作為基礎數據，以白銀區統計年鑒（2011年）、白銀市統計年鑒（2011年）等為社會經濟數據源。基于ENVI 4．7軟件對3期遙感影像進行解譯（圖1），分類圖的總體分類精度和Kappa系數在85%以上，Kappa系數均高于最低允判精度（0．7），滿足土地利用變化監測的精度需要；再利用ENVI中的分類統計、分類結果比較后，獲得各時相土地利用圖 （圖2）。

圖2 1990－2011年白銀市區土地利用

2．2 研究方法

2．2．1 土地利用類型動態度［2］單一土地利用動態度可以定量地描述區域土地利用變化的速度。其計算公式如下：

式中：K——研究時段內某一土地利用動態度；Ua、Ub——研究期初和研究期末某一土地類型數量；T——研究時段長，當T設定為年時，K為研究時段內某一土地利用類型的年變化率。

2．2．2 區域生態環境指數 為了定量表征研究區域（縣級行政單元）內生態環境質量的總體狀況，引入區域生態環境指數模型［12］，其表達式為：

式中：LUi、Ci——該區域內t時期第i種土地利用類型的面積和生態環境數；TA——該區域總面積；N——區域內的土地利用類型數量。

2．2．3 區域生態環境質量貢獻指數 區域土地利用變化類型生態貢獻率是指某一種土地利用變化類型所導致的區域生態環境質量的改變，其表達式為［13］：

式中：LEt＋1，LEt——某一土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用類型所具有生態質量指數；LA——該變化類型的面積；TA——該研究單元（如縣級行政單元）的總面積。

3 土地利用變化特征及區域生態環境變化分析

3．1 土地利用結構變化

分析土地利用結構變化有助于認識土地利用變化趨勢。1990—2011年白銀市區的主要用地類型是未利用地、建設用地和耕地（圖3），其所占比例分別由1990年的83．04%，8．43%和5．80%變化為2000年的65．66%，15．88%和16．49%，到2011年則分別達到63．8%，16．98%和14．13%。21a間，未利用地所占比例最大，但一直處于減少態勢，建設用地處于增長態勢，這與白銀市1988年開始實施資源型城市轉型戰略在老城西郊發展新區（又稱西區）占用荒灘地相吻合。耕地面積表現為先增后減，其中先增與新區建設相伴隨的周邊宜農荒地開墾為耕地，發展城郊農業有關，后期減少與原市區邊緣區的開發占用相一致。水體和林草地所占比重小，但略有增加，是建設城市公園，改變城市環境的結果。

圖3 1990－2011年不同土地利用類型的面積

3．2 土地利用強度變化

1990—2000年白銀市“移山造地”，西區工業園的建設加速了城市用地擴張，帶動了培育新農業品種的市場需求，加快了切邊地緣的農田林業和以道路水系綠化為主的綠色通道林業發展，使得市區耕地和林地面積變化最快，年變化率分別達到18．44%和10．15%（圖4）。2000—2011年，擴建的白銀新區內土地的集約利用使用地種類趨于多樣化，各地類變化趨于平緩，面積增加緩慢；其中水體和草地變化相對較快，年增長率分別達到10．63%和9．41%，這種現狀是市區用地結構調整（退耕還湖、開發未利用地為生態草坪）的結果。21a白銀市區用地經歷了“急劇變化—緩慢變化”的過程。

圖4 白銀市區土地利用的年變化率

3．3 白銀市區土地利用變化空間轉化

基于ENVI 4．7軟件平臺，對不同時相遙感圖像的分類結果進行疊加運算，得到研究區各土地利用類型的相互轉移情況（表1、表2）。

表1 1990－2000年白銀市區土地利用轉移矩陣hm2

表2 2000－2011年白銀市區土地利用轉移矩陣 hm2

1990年后白銀新區開發建設使得耕地（生態農業用地）、建設用地增加，這與未利用地大量轉化為耕地（3 209．23hm2）、建設用地（2 454．90hm2）的現狀吻合，其中少量耕地轉化為建設用地211．23hm2，分布于原市區邊緣區以及交通建設區域，未利用地和耕地轉化為建設用地的面積表現為：未利用地＞耕地。表明，生態質量低劣的土地覆蓋類型（西郊荒漠地）轉變為生態質量略高的城市用地類型（耕地和城市用地等）對白銀市區改善生態環境有很大益處。為達到用地占補平衡，建設用地轉化為耕地199．98hm2分布于白銀市區偏南，主要是居民點用地復墾為生態農業用地。表明這些地區伴隨著生態建設（如經濟林、地膜蔬菜等）的城市化過程也能使生態環境質量有所改善。2000年以后，耕地面積下降，主要轉化為建設用地（570．85hm2）和林地（171．72hm2），主要分布在金魚公園的動物園、中科院白銀高技術產業園等建筑用地，林地主要是大型防護林建設；建設用地轉化為生態質量較高的水體面積為126．09hm2，主要分布在西區水庫和金魚公園人工湖，對生態環境有促進作用。林草地和水體轉化過程中所占比例較小，屬于比較穩定的地類。

3．4 區域生態環境質量變化

由不同土地利用類型的生態環境指數［12］計算得到各土地利用類型生態環境質量指數（表3）。

表3 白銀市區1990－2011年生態環境質量指數

表3表明，1990—2011年間，耕地、建設用地和林地生態環境質量指數變化幅度最大，說明這三種地類的區域生態環境變化最明顯，未利用地生態環境質量指數呈負向變化，說明未利用地生態環境質量降低。總體而言，白銀市區1990年和2011年的區域生態環境質量指數分別為0．087和0．126，年均上升0．19%，這種現象與白銀市區利用區位優勢和土地資源優勢，引進投資，加快城市擴張力度，加強城市生態建設政策相符，表明城市生態環境朝好的方向發展。

3．5 區域土地利用類型生態貢獻率變化

土地利用類型間相互轉化面積直觀反映了區域生態環境是趨于改善還是退化，生態貢獻指數高低可以看出哪種地類間轉化對生態環境變化影響最顯著（表4）。1990—2011年間，使得白銀市區生態環境質量改善的因素中，退耕還林、未利用地轉化為耕地兩個因素的貢獻指數最高，分別為0．29%和1．87%。導致白銀市區生態環境質量惡化的因素中，林地轉化為未利用地和耕地的貢獻指數最高，分別為－0．13%和－0．19%。說明耕地、未利用地、林地之間的轉化是生態環境變化的主要影響因子，未利用地向耕地轉化對生態環境好轉起著促進作用，耕地轉化為建設用地、未利用地加快了生態環境退化程度，耕地變化是影響生態環境變化的主導因子。白銀市區生態環境變化同時存在好轉和惡化兩種趨勢，但是生態環境質量改善的土地面積遠高于生態環境質量退化的土地面積，說明總體上白銀市區生態環境質量呈現改善趨向。

4 結論與展望

本文基于已建立的三期白銀市區遙感數據庫，定量分析了1990—2011年間白銀市區土地利用時空變化特點及區域生態環境效應，研究表明：

（1）白銀市區1990—2011年間，土地利用變化劇烈，并且生態環境雙向演進的過程顯著，同時存在著生態環境改善和惡化兩種相反的趨勢。在大尺度范圍內，研究區域生態環境質量朝著健康的方向發展，但是與1990年相比，局部工礦地區2011年生態環境惡化顯著。這些變化受到白銀市區推行開發未利用地為生態農業用地、退耕還林等政策的影響。白銀市區產業轉型引起的產業結構調整使得土地朝著集約利用的方向發展。

表4 1990－2011年土地利用／覆蓋轉變類型及生態貢獻指數

（2）利用生態環境質量指數模型建立土地利用與生態環境的數量關系，不僅可以了解區域整體生態環境狀況，也可以通過土地利用類型轉移矩陣了解影響區域生態環境質量的主要驅動力。但是生態環境質量指數模型僅對生態環境進行綜合評價，未能對土地利用類型生態效應的具體內容進行分析。如何把土地利用類型的生態效應定量化，為區域土地可持續發展和生態環境保護提供依據仍需要進一步的研究。

（3）白銀市區銅礦資源枯竭使得城市發展緩慢，建議白銀市區在產業轉型下向西區擴張建設中，加強土地集約利用，在大量侵占耕地生態環境狀況差的區域，應該適當控制土地利用變化速度，引導土地利用向減少環境污染的方向發展，使土地利用趨于有序化；市區邊緣居民點區域，生態環境狀況好，經濟發展相對落后，應該優化土地利用結構，轉變低效用地的利用方式，提高土地利用的綜合效益。

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