土地利用變化對景觀格局和生態環境狀況的影響

雷波，朱康文,2，李建輝，楊春華

(1.重慶市環境科學研究院，重慶　401147； 2.重慶師范大學三峽生態環境遙感研究所，重慶　401331)

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土地利用變化對景觀格局和生態環境狀況的影響

雷波1，朱康文1,2，李建輝1，楊春華1

(1.重慶市環境科學研究院，重慶401147； 2.重慶師范大學三峽生態環境遙感研究所，重慶401331)

通過分析土地利用/覆蓋時空變化與景觀格局和生態環境狀況之間的關系發現：林地和耕地轉為人工用地的面積最大；景觀層面，除CONTAG指數外，其他指數均呈增加趨勢；類型層面，耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指數、PD指數和ED指數均呈上升趨勢，耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指數呈現下降趨勢；EIB值、EIV值和EIR值表現出上升趨勢。研究期間，景觀格局趨于復雜，破碎化程度加劇，整體連通性有所增加，整體生態環境狀況呈改善趨勢。研究結果表明，區域內景觀格局和生態環境狀況變化與重慶市城市發展政策、城市擴張方式、環境污染治理情況等密切相關。

重慶市；土地利用/覆蓋變化；轉移矩陣；景觀指數；生態環境狀況指數

研究表明，土地利用變化對生態環境變化有直接影響，主要表現在氣候、土壤、水環境、土地退化等方面[1-3]。目前研究主要是針對土地利用/覆蓋變化對生態環境的影響機制，在此基礎上提出區域經濟可持續發展的建設思路[4-5]。

重慶市作為典型的山地城市，區域內高山丘陵較多、平坦土地很少，導致城市擴張空間較小。隨著城市化進程的加快不可避免地出現打破原有景觀格局、破壞生態環境等問題。重慶市土地利用/覆蓋變化與景觀格局和生態環境狀況方面的研究可以填補重慶市在此研究方面的空缺[6-7]。本研究建立最新的2010—2013年重慶市土地利用/覆蓋數據庫，在對時空變化分析的基礎上，對景觀格局的變化進行分析，并對3年間的生態環境狀況進行評價分析，對區域內土地利用開發方式提出合理建議，為區域內制定相關土地利用規劃提供參考依據，為政府在土地利用開發的合理布局方面提供數據支撐。

1　數據與方法

本研究以ArcGIS為平臺，使用的數據包括2010年和2013年Landsat TM5影像數據進行人機交互式解譯獲取的土地利用/覆蓋數據、水資源量數據、河流長度數據、土壤侵蝕面積數據、SO2排放量數據、COD排放量數據、固體廢物排放量數據和年均降雨量數據。在利用轉移矩陣對3年間土地利用/覆蓋變化時空分析的基礎上，采用Fragstats 4.2軟件對區域內的景觀格局指數進行計算分析，并采用《生態環境狀況評價技術規范(試行)》(HJ/T 192—2006)規定的生態環境狀況指數(EI)對區域內生態環境進行計算分析，探討土地利用/覆蓋變化對景觀格局和生態環境狀況的影響。

1.1土地利用覆蓋數據的獲取

采用人機交互式方法對2010年和2013年的TM影像進行遙感解譯，主要包括：(1)選取云量低于10%且人為干擾大的區域無云覆蓋的影像數據；(2)遙感影像的幾何糾正；(3)室內初步解譯；(4)野外核查及精度分析，解譯精度在0.9以上。本研究中土地利用/覆蓋分類沿用2000年土地利用/覆蓋分類系統：包括6類一級和24類二級。

1.2景觀指數

景觀指數在景觀格局分析中應用最廣泛，能夠高度濃縮景觀格局信息，反映區域景觀結構組成和空間配置等方面特征的定量指標。在選擇景觀指數時綜合考慮了總體性原則和常用性原則。分別從景觀層面和類型層面選擇了斑塊的斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、聚集度指數(CONTAG)、連通度指數(CONNECT)和香農多樣性指數(SHDI)等指數，這些指數的具體含義、生態學意義、計算方法等參見相關文獻[8]。

1.3生態環境狀況指數

EI是指反映被評價區域生態環境質量狀況的一系列指數的綜合，具體計算公式見式(1)。

EI=0.25×EIB+0.2×EIV+0.2×EIR

+0.2×(100-EIL)+0.15×EII

(1)

式中，EIB表示生物豐度指數；EIV表示植被覆蓋指數；EIR表示水網密度指數；EIL表示土地退化指數；EII表示環境質量指數[9]。具體含義、生態學意義、計算方法等參見《生態環境狀況評價技術規范(試行)》(HJ/T 192—2006)。表1為計算EIB和EIV時的各土地利用/覆蓋類型的權重表。

表1　EIB和EIV權重

根據EI值計算結果將生態環境狀況分為5級，即優、良、一般、較差和差，并對生態環境狀況變化幅度分為4級，即無明顯變化、略有變化(好或差)、明顯變化(好或差)、顯著變化(好或差)，具體見表2。

表2　EI及EI變化度分級標準

注：變化度計算公式為(EI2010-EI2013)/EI2010。

2　結果與分析

2.1土地利用/覆蓋變化

遙感解譯結果如圖1所示，表3為2010—2013年土地利用/覆蓋轉移矩陣。由圖1可知，重慶市土地利用/覆蓋類型主要以林地為主，其次是耕地。林地主要分布在渝東南生態保護發展區、渝東北生態涵養發展區及四山管制區；耕地主要分布在城市發展新區和渝東北生態涵養發展區部分區縣；人工用地主要分布在重慶市都市區、城市發展新區及“萬開云”片區；水域主要以長江、嘉陵江、烏江為主；草地和未利用土地分布較少。2010年和2013年，耕地、林地、草地、水域、人工用地和未利用土地的面積比例分別為43.42%、48.92%、3.03%、2.21%、2.40%、0.02%和42.65%、49.48%、2.29%、2.30%、3.26%、0.02%。從表3中可以看出，林地和耕地轉為人工用地的面積最大，耕地轉為林地的面積也較大，這與其他城市的發展情況基本一致，城市擴張都是以占用林地和耕地為主，而林地增加基本都是因為退耕還林政策的實施。

2.2景觀格局變化分析

表4為2010年和2013年景觀層面的景觀指數。從表4可以分析得出，2010年到2013年景觀層面的6個景觀指數除了CONTAG指數外其他指數均呈現增加的趨勢，NP指數和PD指數的增加表示景觀斑塊的平均面積減小，ED指數的增加表示景觀斑塊邊界的復雜程度增加，這3個指數的增加共同反映出區域內的景觀破碎度在加大。SHDI指數的增加反映出區域內的土地利用/覆蓋類型越來越豐富且破碎化程度越來越高，CONNECT指數的增加反映出區域內整體景觀的空間連通性越來越高。CONTAG指數由64.99減小到64.67，表明景觀中某一優勢斑塊類型的空間連接性有所下降，景觀集聚度降低，同時也間接反映出區域內的景觀破碎度增大?？傮w來說，3年間區域內景觀格局趨于復雜，破碎化程度加劇，但是整體連通性有所增加。

圖1　2010年和2013年重慶市土地利用/覆蓋圖Fig.1　Land use/cover map of Chongqing in 2010 and 2013

從表5類型層面上的景觀指數結果分析發現，3年間耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指數、PD指數和ED指數均出現上升趨勢，反映出這5種地類破碎化程度增加，草地呈現降低趨勢反映出草地的破碎化程度在降低。3年間耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指數呈現下降趨勢，表明這幾種地類的空間連通性有所降低，林地和草地的CONNECT指數呈現出升高的趨勢，反映出這兩種地類的空間連通性越來越高。

表3　土地利用/覆蓋轉移矩陣

表4　2010年和2013年景觀層面的景觀指數

表5　2010年和2013年類型層面的景觀指數

從景觀層面和類型層面的格局指數變化分析中可知，重慶市的景觀破碎度雖然越來越大，但整體景觀的空間連通度也越來越高。其中，破碎度增大的主要原因在于建設用地的快速擴張，而連通度也增大的主要貢獻來自于林地的空間連通度的增加。綜合來看，重慶市的景觀破碎度在增大表明了生態環境質量可能出現降低的趨勢，但是林地的空間連通度的增加表明了重慶市近年來出臺的關于生態保護等的措施起到了一定的作用；建設用地的NP指數和PD指數的增加將不斷增加重慶市的環境污染承載壓力，應從改善生態環境質量的角度出發，合理規劃城市擴展邊界及擴展速度，防止盲目擴展導致不同類型的土地出現破碎化加劇、連通性降低；區域生態環境的改善應以提高所有類型的CONTAG指數、SHDI指數和CONNECT指數并降低NP指數、PD指數和ED指數為目標。

2.3EI時空差異分析

土地利用/覆蓋變化在導致景觀格局變化的同時，將影響區域內生態環境狀況，景觀格局的變化也能反映出區域內生態環境狀況。本研究將從EI值的變化情況及其與景觀格局變化的關系角度進行分析。

2.3.1重慶市EI值分析

對2010年和2013年的EI值進行計算，結果見表6(由于土壤侵蝕數據僅有歷史數據，導致EIL值沒有變化)。分析發現，整體上來看，2010年和2013年的EI值都處于良好狀態，表明區域內植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富。EI值略有增加，表明研究期間重慶市生態環境狀況有轉好的趨勢，這與國家和市級層面推行生態文明政策有關。EI值變化度的結果表明3年間生態環境狀況基本沒有變化，其中EII值略有變差，其他指數基本維持不變。EII值的降低說明區域承載環境污染的壓力在加大。EIB值、EIV值和EIR值在上升，表明生物多樣性維護較好，植被覆蓋較高，水資源量未降低。

表6　2010年和2013年重慶市EI值

結合轉移矩陣和景觀格局計算結果，3年間林地整體處于轉入狀態，林地空間連通性也在增加，由此導致EIB值和EIV值略有提升；水域的轉入導致EIR值略有提升；人工用地轉入比例高達24%，人工用地的破碎度和斑塊邊界復雜程度持續增加，必然導致固廢、廢氣等排放的增加，導致EII值出現變低的趨勢；EIB、EIV和EIR的上升表明重慶市的各項生態保護政策取到了一定的成效，EII的降低表明環境承載的壓力在增大，表明在城市快速發展的同時需要注意控制污染物的排放，加大污染物的處理。

2.3.2各區縣EI值分析

圖2　EI值分布圖Fig.2　The distribution map of EI value

從圖2可以看出，EI值最高的區縣均分布在渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區，整體上以渝東南生態保護發展區最好，渝東北生態涵養發展區的云陽縣、萬州區、忠縣的EI值較低，主要是由于此區域內土壤侵蝕嚴重，且萬州區作為重慶市第二大城市，經濟發展水平高，導致對環境的破壞較嚴重。都市區和城市發展新區整體EI值較低，主要是經濟發展較快，城市擴展迅速導致林地面積變少且環境污染較嚴重，但也有部分區縣EI值較高，例如榮昌區、永川區、江津區、南川區等。圖中可以看出EI值下降比較明顯區縣主要集中在都市區和城市發展新區，但也有黔江區和酉陽縣出現了較明顯的下降。

為了表述清晰，每個功能區選取變化度的最高值和最低值作為代表進行分析，如表5所示。結果顯示，渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區的EIB值遠高于都市區和城市發展新區，其中城市發展新區、渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區3年間基本處于穩定和改善的狀態，都市區的江北區則出現較明顯的變差趨勢。EIV值呈現出與EIB值相似的趨勢，梁平縣EIV值和EIB值較渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區的其他區縣低，主要是由于梁平縣屬于重慶市的糧食生產大縣，區域內耕地較多，林地相對較少。EIR值在部分區域變化較大，不同區縣之間存在一定差異，引起EIR值產生時空差異的原因主要是因為長江和嘉陵江穿過部分區縣導致水資源空間分配不均，且重慶市的降雨也存在明顯的時空差異。分析發現渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區的EIL值遠高于都市區和城市發展新區，這與不同區域間的地形地貌及巖性關系密切，重慶市屬于石漠化和水土流失非常嚴重的區域之一，其中重慶市內以渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區最為嚴重，此區域內坡度較大，土壤侵蝕嚴重且面積較大，所以導致區域內EIL明顯高于其他功能區。EII時空差異不大，說明重慶市承載環境污染物的能力較強，但是部分區縣區域內出現一定的下滑趨勢，應注意污染物排放量的控制。

3　結論與討論

通過對重慶市土地利用/覆蓋時空變化與景觀格局和生態環境狀況之間的關系進行的研究發現：林地和耕地轉為人工用地的面積最大，耕地轉為林地的面積較大；景觀層面的6個景觀指數中，除了CONTAG指數外，其他指數均呈現增加的趨勢；類型層面，耕地、林地、水域、人工用地和未利用地的NP指數、PD指數和ED指數均呈現上升趨勢，耕地、水域、人工用地和未利用地的CONNECT指數呈現下降趨勢，景觀格局趨于復雜，破碎化程度加劇，整體連通性有所增加；3年間，重慶市整體生態環境狀況呈現改善趨勢，EIB值、EIV值和EIR值表現出上升趨勢，EI值最高的區縣均分布在渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區。

表7　2010年和2013年EI值及其變化度

注：由于都市功能核心區不是按照行政邊界劃分故將都市功能核心區、都市功能拓展區合并為都市區。

研究較好地反映了重慶市2010至2013年間的土地利用/覆蓋變化情況，以及與此緊密相關的景觀格局和生態環境狀況情況，可為相關規劃部門在制定宏觀尺度城市發展策略時提供參考。研究結果表明，區域內景觀格局和生態環境狀況變化與重慶市城市發展政策、城市擴張方式、環境污染治理情況等密切相關，生態環境狀況的改善應提高景觀層面和類型層面的CONTAG指數、SHDI指數和CONNECT指數，并降低NP指數、PD指數和ED指數。整個研究立足于遙感解譯的基礎上，對于數據精度要求較高，因此在后續研究中應進一步提高精度。

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Study on the Influence of Land Use Change on Landscape Pattern and Eco-environmental Status

LEI Bo1, ZHU Kang-wen1,2, LI Jian-hui1, YANG Chun-hua1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China; 2.Institute of Eco-Environment Remote Sensing in Three Gorges Reservoir, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

By analyzing the relationship between temporal and spatial changes of land use/cover with landscape pattern and eco-environmental status was found that: The largest area of forest-land and cultivated-land transformation to artificial-land. In addition to theCONTAGindex, and the other landscape indices of landscape level were showed an increasing trend. On the type level, theNPindex,PDindex andEDindex of cultivated land, forest land, water area, land use and unused land were showed an increasing trend, but theCONNECTindex of cultivated land, water area, land use and unused land showed a decreasing trend. TheEIBvalue,EIVvalue andEIRvalue showed the rising trend. The highestEIvalue were distributed in Ecological Conservation Development Zone in Northeast Chongqing and Ecological Protection Development Zone in Southeast Chongqing. During the study period, the landscape pattern tends to be complex, degree of fragmentation is enhanced, the whole connectivity of has increased, the overall ecological environment condition showing an improving trend. The results of the study show that, the changes of landscape pattern and ecological environment has associated with something, such as urban development policy, urban expansion mode and environmental pollution control.

Chongqing city; land use/cover change; transfer matrix; index of ecological environment condition; landscape index

2016-05-13

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07104-003)；重慶市環境保護局環?？萍柬椖?環科字2015第1號)

雷波(1978—)，男，四川人，高級工程師，碩士，主要從事生態環境研究，E-mail：leilibo@hotmail.com

10.14068/j.ceia.2016.03.023

X144

A

2095-6444(2016)03-0087-06