鄭州市土地利用變化及生態環境效應分析

摘要：運用RS和GIS技術，對鄭州市1992、2001、2013年3期Landsat TM影像進行監督分類，提取其土地利用信息，在此基礎上分析計算了1992～2013年間鄭州市土地利用變化的轉移矩陣和土地利用動態度，進而對21年土地利用動態變化及其生態環境效應進行分析。結果顯示，21年來，鄭州市土地利用變化顯著，耕地面積減少228.72 km2，建設用地面積增加197.24 km2，導致生態環境效應總體呈惡化趨勢，但下降的趨勢有所減緩。

關鍵詞：土地利用變化；生態環境效應；鄭州市

中圖分類號：F301.24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5519-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.019

Analysis on Land Use Change and Its Eco-environmental Effects in Zhengzhou City

PAN Fang-jie1，SHU Nan-nan2

（1.Key Laboratory for Geographical Process Analysis Simulation， Central China Normal University，Wuhan 430079，China；

2.School of Urban Management and Resources Environment，Yunnan University of Finance and Economics，Kunming 650221，China）

Abstract： By using RS and GIS technology，the information of land use in Zhengzhou city was extracted through the supervised classification to Landsat TM images of 1992，2001 and 2013. On this basis，the change conversion matrix and dynamic degree of land use from 1992 to 2013 were analyzed and calculated，and then the dynamic change of land use and its eco-environmental effect in Zhengzhou city during the 21 years were analyzed. The results showed that，land use in Zhengzhou city have changed significantly for the 21 years，the cultivated land area decreased by 228.72 km2 and the construction land area increased by 197.24 km2，which led to an overall deteriorative tendency of ecological environmental effect in Zhengzhou city， but the deteriorative trend was becoming weaker.

Key words： land use change；eco-environmental effect；Zhengzhou city

土地利用是人類勞動與土地結合獲得物質產品和服務的經濟活動，這一活動表現為人類與土地之間進行的物質、能量以及信息、價值的交流和轉換[1]。人類通過具體的生產生活方式影響著土地利用的特點和變化，同時土地利用也引起許多自然現象和生態過程的變化。土地利用的直接結果是土地覆被的改變，土地利用/覆被變化是全球環境變化的重要環節和主要原因，也一直是國內外研究的重要內容之一[2，3]。土地利用/覆被變化過程對維持生態系統服務功能起著決定性的作用，隨著經濟發展和城市化進程的加快，土地利用變化愈演愈烈，引起的環境問題也日漸突出[4，5]。

近年來，專家學者對土地利用變化進行了大量研究。主要在以下幾個方面：某一特定研究區域的土地利用變化特征及其驅動機制的分析與評價[6-12]；以特定模型為基礎的土地利用變化及土地利用變化趨勢預測研究[13-16]；關于土地利用變化及其生態環境效應的分析等[17-19]。鄭州市作為河南省中原城市群的引領者，其土地資源儲量和變化對中原城市群的發展至關重要，然而關于鄭州市土地利用變化的研究較少[20-22]，關于土地利用變化對生態環境效應的分析更是鮮見報道。本研究運用RS和GIS技術，對鄭州市1992～2013年土地利用變化及其生態環境效應進行分析和研究，以期為鄭州市的土地利用和城市可持續發展提供參考。

1 研究區概況

鄭州市地處華北平原南部，河南省中部偏北，處于京廣、隴海兩大鐵路交匯處，是全國重要交通樞紐，也是新亞歐大陸橋上的重要城市，2010年底總面積7 446 km2，其中市區面積1 010 km2；其北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，西部多山地丘陵，東部為平原；其屬北溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.7～15.6 ℃，冷暖適中、四季分明，年平均降水量618～878 mm，年無霜期190～200 d，年日照時數2 400 h。近年來，隨著經濟的快速發展，鄭州市土地利用發生了較為顯著的變化。

2 數據來源及預處理

參考《土地利用現狀分類（GB/T21010—2007）》，將鄭州市土地利用分為耕地、林地、建設用地、水域和未利用地5種類型。

本研究使用經過輻射、幾何校正和去云處理的鄭州市3期Landsat TM遙感影像為主要數據源，成像時間分別為1992年10月、2001年10月、2013年10月，空間分辨率均為30 m。此外，還包括1∶10萬行政邊界圖、地形圖及相關統計資料等。

本研究先在ENVI5.0軟件中對地形圖進行校正拼接，依據具體研究范圍對圖像進行裁剪，配準時采用高斯克呂格投影；以配準好的地形圖為參考基準，對1992年的遙感影像進行坐標校正，糾正后誤差小于0.5個像元，再以1992年的遙感影像作為參考，分別校正2001年和2013年的遙感影像。采用監督分類的方法分別對不同年份的3期遙感影像進行分類處理，提取土地利用類型，然后在ArcGIS10.0軟件中運用分類疊加、聚類統計、分類重編碼等方法，修正土地利用類型，并且與以前該區土地利用類型相比較，分析得出鄭州市土地利用變化情況。

3 研究方法

采用RS圖像解譯分析、統計分析、對比分析以及GIS的空間疊加分析，土地利用動態度模型、區域生態環境質量指數等方法對鄭州市土地利用動態變化及其對生態環境效應的影響進行分析。

3.1 土地利用動態度模型

土地資源數量變化可以用土地利用動態度來表示，包括單一土地利用類型動態度和綜合土地利用類型動態度；前者表達某一研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，后者表示研究區內土地利用類型的整體速度變化情況[23]。結合本地實際及研究需要，采用單一土地利用類型動態度模型對研究區土地利用類型變化過程的數量進行動態描述。計算公式為：

K=××100% （1）

式中，Ua——研究初期某種土地利用類型的面積；Ub——研究末期某種土地利用類型的面積；T——研究時段長；K——研究時段內某一土地利用類型的變化率。

3.2 區域生態環境質量指數

區域生態環境質量指數（EV）是綜合考慮區域內各土地利用類型所具有的生態環境質量及面積比例，能定量評價研究區域內生態環境質量的總體狀況，為定量描述某一區域土地利用變化對生態環境質量的影響提供了方法[24，25]，其變化反應了區域生態環境質量的變化。計算公式為：

EVt=LUiCi/TA （2）

式中LUi——該區域某一時期第i種土地利用類型的面積；Ci——該區域某一時期第i種土地利用類型的生態環境指數賦值；TA——該區域土地總面積；n——該區域土地利用類型數。

不同的土地利用類型所代表的生態環境質量有所差異，通過分析土地利用變化特點，可以定量分析區域生態環境變化特點。在對土地利用類型生態環境指數賦值上，本研究參考了祝鳳霞等[19]、謝高地等[26]、張淑英等[27]測算的生態系統服務價值，結合鄭州市具體情況，對各種土地利用類型的生態環境指數在區間[0～1]內進行賦值，定義為每種土地利用類型的相對生態環境指數，分別是耕地0.3、建設用地0.2、林地0.95、水域0.5、未利用地0.1。

4 鄭州市土地利用變化

4.1 土地利用結構變化分析

通過ENVI軟件的統計分析，運用ArcGIS的數據轉換和空間數據庫等功能，對土地利用數據進行統計，從土地利用分類圖匯總得到3個時期的土地利用面積數據，結果見表1。

從表1中可以看出，鄭州市土地利用類型主要由耕地、建設用地和水域組成，占總面積的90%以上。21年間發生巨大變化的土地利用類型是耕地和建設用地，呈現“一減一增”的趨勢，耕地在鄭州市土地總面積中所占比例從1992年的66.36%下降到2013年的43.72%；建設用地從1992年的21.45%上升到2013年的40.97%。在土地總面積基本保持不變的情況下，耕地和建設用地兩大主要土地利用類型呈現出此消彼長的態勢，這就要求我們處理好耕地與建設的關系。水域面積由1992年的8.15%增加到2013年的11.90%；林地和未利用土地所占比例均呈現減少趨勢。從1992～2001年和2001～2013年兩個時期的對比不難看出，耕地減少速率和建設用地增長速率都在降低；同一時期耕地的減少速率大于建設用地的增長速率。各土地利用類型面積在3個時期所占土地總面積比例的變化趨勢如圖1所示。

4.2 土地利用時間變化分析

根據公式（1）和表1，計算出鄭州市土地利用類型的動態度如表2。從表2可以看出，耕地面積急劇減少，21年間減少了228.72 km2，其動態度由1992～2001年的-2.05%變為2001～2013年的-1.60%，動態度的降低表明耕地減少趨勢有所緩和，耕地保護的成果在一定程度上得以體現；同期，建設用地面積迅速增加197.24 km2，動態度由5.98%減少到2.02%，表明建設用地增加的趨勢也有所減慢，城市“攤大餅”式的無序擴張速度得到一定程度的控制；林地面積在減少，動態度由-0.53%到-0.37%；水域呈增加趨勢，動態度由1.44%上升到2.43%，呈加速增長狀態；未利用地呈減少的狀態，動態度由 -1.29%到-0.90%，表明減少速度減慢。鄭州市土地利用變化速度總體上逐漸趨于減慢，一方面表明城市建設發展迅速，導致各類土地利用面積發生較大變化，另一方面也表明在快速發展的同時城市空間布局基本穩定，發展逐漸趨于合理。

4.3 土地利用空間變化分析

利用ArcGIS10.0軟件對獲取的3期土地利用解譯圖進行疊加分析，得到鄭州市1992～2001年、2001～2013年土地利用類型面積轉移矩陣如表3、表4、表5。由表3和表4可知，兩個時期耕地均主要呈轉出的趨勢，按轉出數量大小依次為建設用地、水域、林地和未利用地。其中，主要轉化為建設用地，兩個時期的轉化量分別為107.71 km2和105.67 km2。1992～2001年間，建設用地轉出量不大，僅有少量轉變為水域和林地，分別為1.36 km2和1.10 km2；此間林地轉為耕地6.36 km2。2001～2013年間，建設用地對每種地類均有轉出，轉出數量大小依次為水域、耕地、林地和未利用地；林地轉為建設用地4.61 km2，轉為其他地類均較小。

由表5可知，建設用地在研究期內主要呈轉入的特征，從耕地、水域、林地和未利用地分別轉入213.38、10.47、6.70、1.48 km2，從耕地轉入的面積占總轉入面積的91.96%，城市的擴張是建設用地增加、耕地減少的直接原因。鄭州市1992～2001年間建設用地的擴張方向是沿主城區向四周擴散，2001～2013年間主要向東擴展，在建成區以外沿交通干道周圍也出現不少建設用地。1992～2013年間，林地變化不大，轉出方向為耕地、建設用地、水域和未利用地，分別為8.42、6.70、3.40和0.13 km2；水域轉為建設用地10.47 km2、耕地8.85 km2、未利用地3.78 km2、林地2.41 km2。

通過表3、表4和表5以及綜合分析可知，鄭州市土地利用變化主要發生在主城區周圍，距離主城區越近，土地變化越劇烈，距離主城區較遠的區域，土地變化相對較小，由近至遠形成農用地到建設用地的轉變，包括居民住宅用地、交通用地、工礦用地等，未利用地的變化主要發生在黃河流域沿岸，鄭州市的快速發展占用了很多黃河流域灘涂，同時大片草地被開發成為耕地。

5 土地利用變化的生態環境效應分析

根據公式（2）和土地利用轉移矩陣計算出鄭州市1992、2001、2013年3個時期的土地利用生態環境質量指數分別為0.302 6、0.293 1、0.290 4（表6、圖2）。結果表明，21年間鄭州市生態環境質量指數總體呈下降的趨勢，1992～2001年間下降了0.009 5，下降速率為3.14%；2001～2013年間下降了0.002 7，下降速率為0.92%。在各土地利用類型中，耕地的生態環境質量指數最高，未利用地的生態環境質量指數最小。1992～2013年研究區各土地利用類型的生態環境質量指數上升最大的是建設用地，上升了0.039 0；下降最多的是耕地，下降了0.057 9。

從表6及圖2可以看出，1992～2013年間，鄭州市土地利用生態環境變化同時存在好轉與惡化的狀況，總體上生態環境質量呈惡化趨勢，但速度有所減緩。導致生態環境質量下降的主要驅動因子是建設用地面積的增加、土地開墾、林地面積的減少，土地利用變化的主要類型為未利用地、林地開墾為耕地及建設用地、水域轉化為建設用地以及水域退化為未利用地；導致生態環境質量改善的主要驅動因子是退耕還林、未利用地開墾，土地利用變化的主要類型耕地及建設用地轉化為林地和水域。林地和水域對生態系統的調節功能有著非常重要的作用。可見，21年來鄭州市在改善生態環境效應方面取得了一定的效益，生態環境質量指數總體下降趨勢減緩，但也不容忽視。

6 小結

運用RS和GIS對鄭州市1992、2001、2013年3個時期土地利用類型變化、土地利用類型轉移數據的計算，結合生態環境質量指數模型，得出鄭州市土地利用類型與生態環境的數量關系。分析結果表明：

1）1992～2013年研究區土地利用類型轉移中，占主導地位的是耕地和建設用地。耕地減少228.72 km2，建設用地增加197.24 km2；林地和未利用地分別減少1.69 km2和4.66 km2；水域增加37.83 km2。這些特征表明人類活動對土地利用的影響較大，占據主導地位。

2）研究區內建設用地和水域的生態環境質量指數上升，耕地、林地和未利用地均在下降。耕地、林地和水域面積是影響區域生態環境質量的重要因素，三者生態環境質量指數的變化特征也說明隨著鄭州市經濟的發展，在當地人口增長對糧食的需求增加以及城市化快速發展的情況下，未利用地不斷開墾，同時大量耕地轉為建設用地，其環境效應指數下降。

3）從土地利用變化環境質量指數模型分析結果得出，1992、2001、2013年EV值分別為0.302 6、0.293 1、0.290 4，表明由土地利用變化引起的生態環境效應總體呈惡化的趨勢，但惡化的速度有所減緩。導致生態環境退化的主導因素是人類經濟活動影響下的林地、水域、耕地與建設用地之間的快速轉換，其中建設占用耕地和林地對城市生態環境惡化的影響最為明顯。

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