近30年四平市土地利用時空變化及生態環境效應

李艾玉，劉吉平，于 佳，劉家福，馬沖亞

（吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林四平 136000）

近30年四平市土地利用時空變化及生態環境效應

李艾玉，劉吉平*，于 佳，劉家福，馬沖亞

（吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林四平 136000）

以四平市為研究區域，利用1980，1995和2010年的LandsatTM遙感影像解譯數據，基于GIS空間分析功能，根據土地利用狀態轉移矩陣對四平市土地利用動態變化進行研究。結果表明，近30年，四平市的草地、沼澤地、鹽堿地面積減少幅度最大，其次為林地和水域面積，耕地面積增加明顯。西部和東北部地區的土地利用的綜合動態度變化速率快于北部和東南部地區。西部及東北部地區的土地利用類型的空間變化最大，并逐漸向中部地區遞減，北部和東南部地區的空間變化最小。土地利用對環境變化的影響主要包括大氣環境效應、土壤環境效應、水環境效應。

土地利用；動態變化；生態環境；四平市

土地利用和覆被是自然環境和人類活動相互作用下形成的復雜綜合體［1］，人類對地表不同的作用方式形成了不同的土地利用格局。土地利用/土地覆被變化已經成為全球變化研究的前沿領域和熱點，也是當前地理學、生態學等諸多學科研究的熱點和前沿問題［2］。在地理信息技術的快速發展下，RS和GIS的廣泛應用為土地利用的研究提供了技術支持，推動了土地利用變化研究的進展。國內大部分地區土地利用變化研究已取得顯著成績，但四平市近年來土地利用變化研究較少。本文以四平市為例，采用1980-1995年，1995-2010年及1980-2010年3個階段的變化數據作為研究對象，利用GIS軟件，對四平市的土地利用時空變化及生態環境效應進行定量分析。通過本論文研究，可使該區域的土地利用方式更加合理，更利于優化土地結構，提高土地生產力，對可持續發展有重要意義。

1 概況及方法

1.1 研究區概況

四平市位于東北松遼平原中部，吉林省西南部，東遼河下游，是遼寧、吉林與內蒙古三省的交界處，125°05′-123°25′E，42°56′-44°05′N。全市總面積為1.4萬km2，總人口340萬人，轄鐵東、鐵西2個市轄區，梨樹縣、伊通滿族自治區及雙遼、公主嶺2個縣級市。四平市屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為5.9℃，≥10℃積溫平均為3078.5℃，年平均降水量為572.8mm。土地資源比較豐富，是國家重點商品糧基地，素有“松遼平原黃金玉米帶”之稱。主要支柱產業有換熱器、汽車改裝及紅嘴經濟開發區等。東部地區主要為林地，地勢較高，屬低山丘陵地區，主要有哈達嶺等；西部為松遼平原的一部分，地勢較低，為波狀平原地帶，草地、鹽堿地及沼澤地主要分布于西部；中部地區地勢平坦，土壤肥沃，河流較多，土地生產力較高，因此耕地、居民用地主要分布于此。

1.2 數據來源

數據由1980，1995，2010年的四平市遙感影像解譯后獲得，空間分辨率為30m，分為1980-1995年，1995-2010年及1980-2010年3個階段來分析研究。利用ArcGIS軟件處理3期土地利用類型空間分布圖及相應的屬性數據，獲得四平市土地利用動態變化信息。根據土地利用分類標準，并結合四平市實際情況，將土地利用類型分為水田、旱地、林地、草地、水域、居民用地、鹽堿地、沼澤地8類。

1.3 研究方法

本研究采用單一土地利用動態度指數、綜合動態度、綜合動態尺度及質心轉移來進行分析。單一土地利用動態度反映了單一土類在某段時間內土地利用類型數量的變化情況，對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用趨勢有重要作用［3］。

式中：Ua，Ub分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時段長。當T設定為年時，K值即為某土地利用類型的年變化率。

綜合動態度用于表征研究區土地利用的變化速度［4］。

式中：Uai，Ubi分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時段長；n為土地利用類型數。當T設定為年時，Ks值即為研究區內所有土地利用類型面積變化的年綜合變化率。

綜合動態尺度表示研究區所有類型空間變化［4］。

式中：U0-i為研究時段T內i類型轉變為其他類型的面積之和；Ui-i為其他類型轉變為第i種類型的面積之和。當T設定為年份時，Kss為研究區內所有土地利用類型綜合動態尺度變化。

為了研究土地利用動態度的空間差異，對研究區進行網格化。將四平市劃分為45個網格，網格大小為23km×23km，并利用ArcGIS軟件分別計算每個網格的綜合動態度及綜合動態尺度，最后用克里克插值法進行插值。

2 結果與分析

2.1 近30年土地利用空間格局變化過程

本文通過對1980，1995和2010年的四平市遙感影像解譯，得到1980-2010年土地利用空間格局變化過程（圖1）。

圖1 四平市1980-2010年土地利用類型空間分布

由圖1可知，2010年東南部地區林地面積減少較多，但東北部有所增加，總體趨勢減少。1980-1995年水田面積明顯增加，而1995-2010年東遼河流域水田面積大幅度減少，但分散在東遼河南部地區的水田面積增加。西部地區的鹽堿地、草地及沼澤地的面積均明顯減少。1995年水域面積較1980年增加較多，可看出東遼河的河道變寬，但2010年又明顯減少。與1980年相比，1995年居民用地面積變化不大，2010年明顯增加。1980-2010年間，旱田分布較廣，總體上西北部、東南部旱田面積有所增加，東遼河南部地區旱田有所減少。

2.2 土地利用轉移特征

根據土地利用狀態轉移矩陣可得四平市1980-2010年土地利用動態變化（表1-3）。

表1 四平市1980-1995年各種土地利用類型的相互轉化面積km2

表2 四平市1995-2010年各種土地利用類型的相互轉化面積km2

表3 四平市1980-2010年各種土地利用類型的相互轉化面積km2

由表1-3可知，1980-1995年林地主要轉移為草地和旱田，草地主要轉移為水田和旱田，水域主要轉移為旱田和居民用地，居民用地一部分轉移為旱田，鹽堿地主要轉移為草地和旱田，水田有較大一部分面積轉移為旱田，旱田主要轉移為水田、林地、水域及居民用地等。1995-2010年，林地轉移為旱田的面積與前期相比增加較多；草地轉出面積與前期相比明顯增加，轉移為旱田、林地、鹽堿地的面積較多，轉移為水田和水域的面積較少；水域轉移為其他土地利用類型的面積較多；居民用地主要轉移為旱田、水田和林地；鹽堿地主要轉移為旱田和草地；沼澤地基本上都轉移為水田和旱田；水田轉移為居民用地的面積較大，其次是林地和居民用地；旱田主要轉移為林地、居民用地和水田。總體看，近30年來，林地主要轉移為水田和旱田；草地主要轉移為林地、鹽堿地和旱田；水域主要轉移為水田和旱田；居民用地主要轉移為林地、水田和旱田；鹽堿地主要轉移為草地和旱田；水田主要轉移為林地和旱田；旱田主要轉移為林地、居民用地和水田。

2.3 土地利用動態變化

2.3.1 單一土地利用動態度

根據表1-3及可計算出四平市近30年土地利用類型的總體變化幅度及變化速度（表4）。

從表4可知，林地持續呈減少趨勢，且后期減少速率快于前期；草地在前期面積有所減少，但變化幅度不大，但在后期面積迅速減少，變化幅度較大，近30年間草地轉入面積較少。水域在前期呈增加趨勢，年變化速率較快，但在后期轉出面積為204.2618 km2，遠大于同期轉入面積，減少速率快于前期增加速率，故水域面積總體減少，且減少趨勢越來越明顯；居民用地始終呈增加趨勢，前期增加速率較快。鹽堿地總體趨勢減少，且減少幅度較大。沼澤地面積也大幅度減少，總體看年變化速率最快，變化幅度也最大，總體轉出面積為92.0461km2，而轉入面積僅為13.94km2。由于水域面積前期增加較多，因此水田在前期增加速率最快，變化幅度最大，轉入面積達698.96km2，但后期呈減少趨勢，總體面積呈增加趨勢；旱田前期面積減少，但變化速率不大，后期呈增加趨勢，總體面積增加，由于旱田基數大，所以面積變化幅度不明顯。

2.3.2 綜合土地利用動態度

根據公式2及ArcGIS軟件可計算出四平市土地利用類型綜合動態度（圖2）。

表4 四平市1980-2010年土地利用動態變化%

圖2 四平市1980-2010年土地利用綜合動態度

由圖2可知，1980-1995年四平市西部地區綜合動態度變化速度最大，且逐漸向東部地區遞減，說明前期西部沼澤地、鹽堿地、草地及中部的水田和旱田的土地利用變化速率較快。1995-2010年西部地區和東北部地區的綜合動態度變化速率均較大，而北部和東南部地區綜合動態度變化速率最小，形成了東-西偏大、南-北偏小的馬鞍形，可見后期東北部的旱田、林地及水域的變化較快。從整體看，四平市綜合動態度變化速率仍是東北及西部地區偏大、北部及東南地區偏小的馬鞍形，西部地區和東北部地區的土地利用的變化速率快于北部和東南地區。

2.3.3 綜合動態尺度

根據公式3及ArcGIS技術可計算出四平市土地利用類型空間變化的綜合動態尺度（圖3）。

圖3 四平市1980-2010年土地利用綜合動態尺度

從圖3可知，1980-1995年，四平市西部地區土地利用類型的空間變化最大，逐漸向東部地區遞減，形成了西高東低的變化趨勢。1995-2010年，西部、東部和南部地區的土地利用類型的空間變化均較大，且空間變化程度較前期大，說明西部、東部和南部地區的土地利用類型空間變化頻繁。而中部地區和北部地區的土地利用類型的空間變化較小，尤其是北部地區空間變化最小。從整體上看，西部大部分地區及東北部少部分地區的土地利用類型的空間變化最頻繁，并逐漸向中部地區遞減，北部和東南部地區的空間變化最小。

2.4 生態環境效應

土地利用的變化，影響著生態環境質量的變化和可持續發展，LUCC生態環境效應研究日趨重要。土地利用對環境變化的影響主要有大氣環境效應、土壤環境效應、水環境效應等。

2.4.1 大氣環境效應

土地利用的變化通過對局地生態系統的影響，改變了溫室氣體的全球收支平衡［5］，四平地區林地、草地、沼澤地的大面積減少，降低了對CO2的吸收量，工業用地、城鎮用地的增加，使化石燃料的燃燒量增多，CO2排放量增加，造成氣候變暖。下墊面的改變，如城市用地的擴展、基礎設施增加及人口大量涌入，也使城市氣溫高于周邊地區，從而導致城市熱島效應。四平市1970-2011年的平均氣溫距平見圖4。

圖4 四平市1970-2011年平均氣溫距平

由圖4可知，1980-1995年氣溫低于平均值，而1995年以后氣溫距平多數＞5℃，表明1995-2010年氣溫明顯升高，且變化幅度較大；四平市氣溫升高雖受全球氣溫變暖的影響，但土地利用變化導致下墊面的改變及CO2排放量的增加也是影響氣溫的重要因素。

草地、林地、沼澤地及水域的大面積減少，可能對小范圍的降水造成一定的影響。四平市1970-2010年降水距平百分率見圖5。

圖5 四平市1970-2010年降水距平

由圖5可知，1980-1995年降水距平百分率普遍大于0，說明降水量呈增加趨勢，而1995-2010年降水距平百分率多數小于0，且變化幅度較1980-1995年變化明顯，降水量明顯減少，由此說明，土地利用的變化對氣溫、降水量的影響較大。

土地利用的變化還可能導致農業上的旱澇災害。1980-1995年間四平市只發生3次大災害，1982年旱災，1984和1994年2次澇災；1995-2010年共發生5次大災害，其中，2002年大旱，2003及2009年偏旱，2005年及2010年偏澇。后期災害明顯多于前期，且程度大于前期災害，說明土地利用的變化對農業旱澇災害影響較大，也說明四平市近30年的土地利用變化的不合理。

2.4.2 土壤環境效應

土地利用的變化導致土壤肥力下降，不同程度地降低土地持續生產能力和土地質量，從而導致糧食產量下降。土地利用變化對土壤中的碳儲存量及碳通量的影響遠超過自然變化的速率和程度，導致土壤中氮、磷、鉀含量的減少，直接影響農作物的生長需要，降低了土壤肥力。以四平市內公主嶺為例，說明土地利用變化對土壤營養元素含量的影響［6］（表5）。

表5 公主嶺1988-1997年土壤養分含量的變化

由表5可知，1988-1997年，土壤有機碳含量減少，相比1988年建點初期下降14%；土壤中全氮含量也明顯減少，下降了21%；有效磷含量相應增加，但基本在穩定范圍內變化；土壤中速效鉀含量減少較多，較1988年下降了26%。可見，土壤中營養元素的含量與土地利用有直接關系，土地利用的不合理，導致土壤肥力的下降。

此外，研究區內土壤退化及土壤污染也較嚴重。水田和旱田面積的增加，導致化學農藥大范圍使用，使土壤污染日益加重，而土壤化學污染尤為嚴重，致使土壤質量明顯下降。林地、沼澤地、草地面積的大幅度減少，使土壤鎖水力下降，造成水土流失，導致土壤沙漠化嚴重，加快了土地利用類型的轉變。

2.4.3 水環境效應

水資源已成為制約社會和經濟發展的重要因素，土地利用方式的改變對河流徑流量的變化及水體環境造成很大影響。以四平市內東遼河為例，說明土地利用變化對河流徑流量的影響。

圖6顯示，1980-1995年徑流量明顯增加，1995-2010年徑流量明顯減少，而1980-1995年東遼河年徑流量總和為95.47億m3，15年平均徑流量為6.365億m3；1995-2010年徑流量總和為58.14億m3，15年平均為3.876億m3，平均徑流量明顯比1980-1995年減少。可見四平市內東遼河近30年的徑流變化幅度較大，呈明顯下降趨勢。草地、沼澤地及鹽堿地大面積轉移為耕地，使土地覆被類型不斷發生改變，對降水的截留、阻擋、蒸騰及下滲作用產生不同的影響，從而影響東遼河的徑流量變化，由此可見，土地利用類型的變化會改變區域水循環的方式［7］。

圖6 四平市1980-2010年東遼河年徑流量

四平市是一個缺水的城市，而近30年的水域面積總體減少，水田、旱田面積不斷擴大，導致化學肥料、農藥、殺蟲劑等化學藥劑大量使用，造成水體環境的富營養化。居民用地面積的增加，使工業三廢及生活污水的排放量加大，加重了水體污染。研究表明，2009年四平市二龍湖的水質類別已達到劣Ⅴ級［8］，2010年二龍湖水庫來自工業污染源的污染物COD、氨氮的排放量分別為81.92和7.43t；來自城鎮居民生活污染物COD、氨氮的排放量分別為473.73和66.69t，水質已呈病態，水體污染嚴重，水生生物多樣性減少，河岸帶侵蝕嚴重［9］。

3 小結

總體上，草地、沼澤地、鹽堿地面積減少的幅度較大，其中沼澤地變化幅度最大，基本開墾為耕地；林地面積也呈減少趨勢；水域面積前期明顯增加，后期明顯減少，總體面積減少；旱田的面積逐年增加；水田總體面積增加較多；居民用地面積后期增加較多。

四平市綜合動態度變化速率呈現東北-西南地區偏大、北部-東南地區偏小的馬鞍形，西部地區和東北部地區的土地利用的變化速率快于北部和東南地區。

西部大部分地區及東北部少部分地區的土地利用類型的空間變化最頻繁，并逐漸向中部地區遞減，北部和東南部地區的空間變化最小。

土地利用變化對區域的生態環境有一定影響，主要表現為氣候變暖，降水量減少，旱澇災害增多，土壤肥力下降，土壤退化嚴重，河流徑流量減少，水體環境污染。

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（責任編輯：張瑞麟）

F301.24文獻標志碼：A文章編號：0528-9017（2014）07-1082-06

文獻著錄格式：李艾玉，劉吉平，于佳，等.近30年四平市土地利用時空變化及生態環境效應［J］.浙江農業科學，2014（7）：1082-1087

2014-03-21

國家自然科學基金（41071037）；教育部新世紀優秀人才支持計劃項目（NCET-12）；吉林省科技廳項目（20130101097JC，201201085，201215224）；吉林省教育廳項目（吉教科合字2013第201號）

李艾玉（1987-），吉林吉林人，碩士生，從事資源與環境信息系統研究工作。E-mail：liaiyujl@163.com。

劉吉平，教授，博士，主要從事資源與環境信息系統研究工作。E-mail：liujpjl@163.com。