基于縣域尺度的土地利用變化生態環境效應評價

余艷艷 楊鳳海 周浩 胡博 陳瑋嘉 王元

摘要：針對黑龍江省齊齊哈爾市土地利用特點及其生態環境所面臨的主要問題，分析該地區1990—2014年土地利用變化情況，從土地利用、自然狀況、人文影響3個方面出發，運用PSR模型構建評價指標體系，進而分析該地區土地利用生態環境效應。結果表明，（1）1990—2014年，齊齊哈爾市土地利用變化較強烈，耕地、林地及建設用地面積呈上升態勢，草地面積減少，且流向主要為耕地及未利用地，水域逐年縮減，未利用地大幅度減少，流向為耕地、林地和草地；（2）該地區生態環境指數先升后降，由1990年的0.58上升至2001年的0.68，生態環境狀態整體轉好，但仍處于臨界不安全狀態。至2014年，生態環境指數出現下降，變成0.45，為較不安全狀態，生態環境逐漸惡化；（3）各縣域生態環境差異明顯，24年間克東縣、拜泉縣、泰來縣生態環境指數變化較大，生態環境出現惡化，其次為齊齊哈爾市市區、富裕縣、依安縣、克山縣，基本維持在較不安全狀態，龍江縣、訥河市、甘南縣生態環境指數先增加后下降，生態環境受到破壞，生態退化。

關鍵詞：土地利用；生態環境效應；PSR；縣域；齊齊哈爾

中圖分類號： F323.211文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0242-05

土地資源是人類賴以生存的基本物質條件之一。隨著城市化、工業化進程的不斷加快，土地利用強度不斷加劇，人地矛盾日益突出，土地生態環境問題越來越嚴重，而生態環境是人類生存和發展的基礎和前提，生態環境的破壞將直接危及自然生態系統，引發一系列土地生態問題，關于土地利用變化生態效應問題的研究已越來越受到國內外學者的關注[1]。國外對土地利用變化的生態效應研究起步較早，主要針對土地利用變化對生態系統的某一方面效應而展開[2-8]，注重的是土地利用變化在全球尺度上的影響[9-10]。國內部分學者通過研究土地利用變化，分析土地利用對大氣環境、土壤環境、水環境及生物多樣性等單一生態要素的影響[11-13]；另有部分學者通過構建生態效應指標體系分析土地利用變化對生態環境的影響[14-16]，研究重點逐漸從土地利用的綜合生態環境效應轉向土地利用變化的生態環境響應方面，且注重于單環境要素的影響力，而社會經濟壓力考慮較少，研究尺度主要集中于區域和地方。作為東北地區重要的商品糧基地和以重工業、裝備制造業為主的工業城市，齊齊哈爾市是黑龍江省“生態環境脆弱帶”之一[17]。近年來，隨著齊齊哈爾市工業化和城鎮化的進程加快，人口大量增加，占用大量耕地，全市每年建設用地約占用耕地800 hm2，耕地水土流失面積占 1/2，土壤污染問題日益凸顯，這些環境問題都在以不同程度威脅齊齊哈爾市的土地生態安全及可持續發展，因此，以齊齊哈爾市為研究對象，從土地利用、自然狀況、人文影響3個方面出發，通過構建土地利用變化生態環境效應評價指標體系，對該地區1990—2014年土地利用生態環境效應進行評價，研究齊齊哈爾市土地利用變化下的生態環境效應具有一定的現實意義。

1研究區概況與數據處理

1.1研究區概況

齊齊哈爾市地處松嫩平原，為黑龍江、吉林、內蒙古3省（區）交匯地帶，位于46°13′～48°55′N、122°24′～126°41′E。該地區屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年均降水量563.1 mm，年均氣溫3.6 ℃，無霜期122～151 d，日照時數 2 714.4 h，平均海拔146 m，且土壤以暗棕壤、黑土、黑鈣土、草甸土和沼澤土為主。全市轄9個縣（市）及市區（富裕縣、拜泉縣、甘南縣、依安縣、克山縣、泰來縣、克東縣、龍江縣、訥河市和市轄區），2013年總人口556.99萬。

1.2數據來源與處理

遙感影像原始信息來自美國陸地資源衛星1990、2001、2014年3期Landsat TM/OLI影像，利用ENVI軟件進行影像波段的融合、校正、圖像增強等處理，其中校正以1 ∶[KG-*3]10萬地形圖等相關圖件資料進行輔助，以齊齊哈爾市土地利用區劃圖為底圖，考慮到該地區范圍較大，研究采用監督分類和目視解譯相結合的方法對影像進行解譯。參照全國土地利用分類體系，將該地區土地利用類型分為耕地、草地、林地、建設用地、水域和未利用地六大類。并經Google Earth選取采樣點進行精度驗證（Kappa=0.892 3），獲得齊齊哈爾市1990、2001、2014年土地利用現狀圖；自然、社會經濟數據主要來源于齊齊哈爾市及各縣域經濟統計年鑒和社會經濟統計數據。

2研究方法

2.1評價指標體系構建

生態環境效應是指人類生產與生活活動對生態系統結構與功能的影響，一般包括正負效應，并具有很強的綜合性。區域生態環境效應受氣候、植被、土地利用變化及人類活動等諸多因素的影響，同時各因素之間又相互作用、相互影響，因此評價指標體系必須要考慮多要素的綜合影響及不同要素的自身特點[18]。

PSR概念模型具有非常清晰的因果關系[19-20]，其原理為人類活動對環境施加了一定的壓力，并隨之導致環境狀態發生改變，反過來人類社會又會對環境變化所帶來的效應作出如恢復環境質量或防止環境退化等對應措施調整。PSR模型能夠清晰地反映出自然、社會經濟、生態環境因素三者之間的相互關系，能較全面地反映生態環境的過程效應。因此，本研究依據PSR概念模型，針對研究區特點和主要生態問題，同時遵循科學性、區域性、相對獨立性和可操作性等原則，從壓力、狀態、響應3個方面構建土地利用變化的生態環境效應評價指標體系。評價體系主要包括目標層、準則層和指標層。以生態環境指數為目標層，以生態環境壓力、生態環境狀態和生態環境響應為準則層，綜合考慮地區特點，共選取14個指標構成指標層（表1）。

（2）土地利用結構多樣性指數（C11）用來反映區域內各種土地的齊全程度或多樣化狀況，本研究采用吉布斯-馬丁（Gibbs-Mirtin）多樣化指數[21]進行多樣化指數的計算，其公式為

[JZ（]GM=1-∑f2i/（∑fi）2。[JZ）][JY]（2）

式中：GM表示多樣化指數；fi表示第i種土地利用類型的面積，km2。

多樣化指數越小，說明該區域的土地利用類型越少，即齊全程度越低。如果某地只有1種土地利用類型，則多樣化指數為0，如果土地均勻地分布在各種類型中，則多樣化指數為1。

土地利用程度指數體現土地利用的深度和廣度，不僅反映土地本身的自然屬性，也反映人類因素與自然因素的綜合效應。本研究參照劉紀遠等提出的土地利用程度綜合分析方法[22]，計算過程如下：首先，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為4個級別，即土地未利用級別、土地自然再生利用級別、土地人為再生利用級別、土地非再生利用級別，并對不同級別土地利用程度進行賦值（表2），得到各類型土地利用程度分級指數（Ci）；其次，在各類型土地利用程度分級指數的基礎上，計算土地利用程度綜合指數（La），計算公式如下：

[JZ（]La=100×∑[DD（]ni=1[DD）]Pi×Ci。[JZ）][JY]（3）

式中：Pi表示第i級土地面積的相對面積比例，Pi=Ai/At；Ai表示第i級土地利用面積，km2；At表示區域土地總面積，km2；Ci表示第i級土地利用程度分級指數；n表示土地利用程度分級總數。

2.2指標權重確定與標準化處理

由于各評價指標對生態環境的影響程度存在差異，其所占的比重也不盡相同。因此，根據指標的相對重要性，為增加評價指標賦權結果的客觀性和科學性，減少主觀隨意性，將層次分析法和熵權法相結合確定齊齊哈爾市土地利用變化的生態環境效應的評價指標權重（表1）。各項評價指標數據包括屬性數據和空間數據，且這些都具有自身的量綱與分布區間，無法直接進行比較與運算，為了使各數據間具有可比性，采用極差標準變換對原始數據進行標準化。

2.3生態環境指數計算

運用生態環境指數（environment index，EI），對齊齊哈爾市生態環境效應進行評價。根據評價指標和權重，計算求得生態環境指數。根據求得的生態環境指數，對齊齊哈爾市及所轄縣（市）生態環境效應進行評價，計算公式為：

式中：fi表示環境指標的標準化值；wi表示第i個指標的權重值；n表示指標個數。

2.4評價標準

根據土地生態環境狀況指數，參照《生態環境狀況評價技術規范（試行）》，借鑒參考文獻[17，23]的研究成果，結合齊齊哈爾市土地生態環境具體情況，共設定5個等級，將0～1的取值范圍共分為5個區間，依次對應5個等級，生態環境指數越大，生態環境狀況越好，反之則越差，具體劃分區間及說明見表3。

3.1土地利用變化特征分析

利用ArcGIS 9.3軟件平臺，對齊齊哈爾市1990、2001、2014年土地利用數據進行空間疊加處理，分析1990—2014年間土地利用轉移情況（表4、表5），發現24年間齊齊哈爾市土地利用變化非常強烈。耕地面積由1990年的 140.40萬hm2 上升至2014年的212.58萬hm2，其中1990—2001年間增加幅度達55.42萬hm2，變化尤其劇烈，其增加主要來源途徑為草地、林地和未利用地，其中草地面積增加貢獻率達到42.32%。林地面積增加幅度次于耕地，達到12.34萬hm2，區間內變化呈先增后減的變化趨勢，即1990—2001年齊齊哈爾市林地面積由1990年的50.77萬hm2增加至63.11萬hm2，增加幅度為12.34萬hm2，截至2014年面積減少 6.69萬hm2，變為56.42萬hm2，其流向主要為耕地，相對面積比例為58.84%；草地面積明顯減少，1990—2014年共減少46.79萬hm2，且面積減少主要集中在1990—2001年，面積共減少47.49萬hm2，去向絕大部分為耕地，相對面積比例 55.16%，之后呈現緩慢增加態勢，由2001年的55.09萬hm2增加到2014年的55.79萬hm2；水域面積緩慢減少，24年間共減少1.10萬hm2，且不同時間段變化特征不一致，1990—2001年水域面積反而增加8.4萬hm2，但伴隨著農業經濟發展，部分水域用地被開墾為耕地，其流向相對面積比例為 39.66%，其次為未利用地，達22.50%；經濟建設的發展導致建設用地的擴張，1990—2014年間建設用地增加1282萬hm2，其面積主要增加時間集中在1990—2001年，由1990年的20.70萬hm2上升至2001年的30.60萬hm2，面積增加量達9.90萬hm2，該時間段內建設用地擴張非常急劇；24年間未利用地面積減少27.78萬hm2，大部分轉化成耕地、林地和草地。說明齊齊哈爾市在“三化”治理、水土保持重大工程方面取得明顯的效果，且其主要減少時間段為2001—2014年，減少量達345.19萬hm2。

0.68下降到0.45，生態環境惡化，下降幅度達0.23。自1990年后，齊齊哈爾市實施了多項退耕還林、嫩江沙地治理、環城治沙防護林、水土流失治理等重大工程，加大了生態保護力度，生態環境狀況逐漸提高，所采取的一系列的生態恢復措施取得了明顯成效。但隨著“哈齊大”工業走廊的建立，該地區對土地利用投入明顯加強，人為干擾程度提高，生態環境質量出現下降，未來仍須加強當地生態環境的治理與恢復力度。

3.3土地利用生態環境效應空間分布特征分析

不同縣域生態環境要素存在差異，其生態環境狀況也各不相同。根據生態環境指數公式計算出齊齊哈爾市10個縣域（包括市區）1990、2001、2014年3期生態環境指數（圖1），并借助ArcGIS軟件空間化表達出各縣域的生態環境指數的分布差異特征（圖2）。

1990—2014年，齊齊哈爾市生態環境狀況整體呈惡化趨勢。其中，泰來縣、克東縣、拜泉縣生態環境指數持續下降，尤以1990—2001年的克東縣和拜泉縣下降程度最為明顯，訥河市、龍江縣、甘南縣、富裕縣、克山縣均表現為先升后降的趨勢，齊齊哈爾市市區和依安縣變化較為平緩，處于較不安全狀態。

[FL（2K2]變化特征具體表現為：1990年克東縣和拜泉縣生態環境質量處于較安全狀態，生態環境指數分別達到0.78、0.74，其次為泰來縣，生態環境指數為0.64，處于臨界不安全狀態，以上3個縣域多位于齊齊哈爾市邊遠地帶，經濟產業以農業種植為主，生態環境相對較好，訥河市、克山縣、龍江縣、依安縣、富裕縣、甘南縣和齊齊哈爾市市區生態環境質量均處于較不安全狀態，其中齊齊哈爾市市區生態環境質量指數達到最低的0.46，生態環境質量最為惡劣。

至2001年，各縣域生態環境質量格局變化較強烈，其中克東縣由1990年的較為安全變為2001年的極不安全，生態環境指數下降為0.39，土地生態系統退化嚴重，該地區坡耕地水土流失現象嚴重，且主要以水蝕為主，縣域內年降水量分布不均，自然災害頻繁發生，生態環境不斷惡化。拜泉縣、泰來縣生態環境質量也出現惡化情形，其中拜泉縣變為較不安全狀況，指數由1990年的0.74變為0.40，泰來縣生態環境指數變為0.49。泰來縣與大慶市毗鄰，大慶市外圍油氣的開采已經延伸到泰來縣，使得該地區土地利用結構變化較強烈，生態受到破壞，并出現一系列的鹽堿化、草原退化等現象。而拜泉縣植被覆被度較差，夏季干旱少雨，水土流失現象較易發生。同期訥河市、甘南縣、龍江縣生態環境由原來的較不安全轉為臨界不安全，略有好轉，生態環境指數分別增加0.15、0.09、0.11，表明該地區在防沙治沙、草原的“三化”治理和水土流失治理等方面取得了一定的成效，特別是龍江縣和甘南縣沙化耕地農田防護林的建設，使得該地區生態環境得到提升。

2014年各縣（市）生態環境指數較之前年份值均有所下降，拜泉縣和泰來縣繼續維持惡化趨勢，均由2001年的較不安全狀態變為2014年的極不安全，其中泰來縣生態環境狀況最差，生態環境指數由2001年的0.49下降到0.26。訥河縣和龍江縣由臨界不安全變為2014年的極不安全，而甘南縣生態環境質量同時出現惡化，也由臨界不安全變為較不安全。盡管克山縣、依安縣、富裕縣和齊市齊哈爾市區仍處于較不安全狀況，但生態環境指數均出現不同程度的下降，下降幅度分別為0.20、0.01、0.11、0.07。

4結論與討論

以齊齊哈爾市為研究對象，分析該地區土地利用變化特征并運用PSR模型構建土地利用變化生態環境效應評價指標體系，對1990、2001、2014年研究區的生態環境效應進行評價分析，結論如下：（1）24年間，齊齊哈爾市土地利用變化強烈，其中耕地變化主要集中在1990—2001年，林地面積先增后減，其流向主要為耕地，草地面積變化主要集中在1990—2001年，其間面積共減少47.49萬hm2，水域面積緩慢下降，建設用地增加較為強烈，24年間達到12.82萬hm2，且面積增加時間段主要集中于1990—2001年，未利用地大量減少，幅度為27.77萬hm2，大部分流向為耕地、林地和草地。（2）齊齊哈爾市生態環境質量在波動中變化，生態環境質量指數呈現先升后降的態勢。1990—2001年，生態環境質量由較不安全轉變為臨界安全，生態環境指數由0.58增加到0.68，隨后生態系統功能退化，由臨界不安全轉為較不安全，生態環境指數從0.68下降到0.45，生態環境出現惡化。（3）1990—2014年，齊齊哈爾市生態環境狀況整體呈現惡化趨勢，尤以1990—2001年的克東縣和拜泉縣下降程度最為明顯。1990年克東縣和拜泉縣生態環境質量最好，環境指數分別達到 0.78、0.74，齊齊哈爾市市區生態環境質量最差，僅0.46。2001年克東縣生態環境質量格局惡化最為嚴重，生態環境指數降為0.39，拜泉縣和泰來縣生態環境質量也出現惡化，訥河市、甘南縣、龍江縣生態環境質量有所改善。2014年各縣（市）生態環境指數較之前年份值均有所下降，其中拜泉縣和泰來縣繼續維持惡化趨勢，泰來縣生態環境狀況最差，訥河縣和龍江縣由臨界不安全變為極不安全，甘南縣由臨界不安全變為較不安全，其余縣域均保持較低的生態環境質量下降趨勢。

作為以農業和工業發展起來的齊齊哈爾市，生態環境狀況惡化的原因主要為：一是隨著經濟的發展、人口的不斷增加，特別是工業化和城市化進程的加快，對土地資源的需求逐年增加，由此導致建設用地占用大量的耕地、耕地后備資源短缺、土地的不合理利用、植被覆蓋度降低、森林面積減少等一系列土地利用問題，土地的鹽堿化和水土流失十分嚴重。同時，工業排放大量的廢氣、廢水和廢渣，也造成嚴重的土壤污染。二是在農業生產過程中，由于使用大量的農用化肥、農藥以及農用薄膜，造成土壤的嚴重污染，進而影響土壤的質量。研究表明，近20多年來齊齊哈爾市生態環境質量整體呈現下降趨勢，1990—2001年各縣域生態環境質量盡管趨于惡化，但部分縣域環境質量水平有所改善；而2001—2014年，齊齊哈爾市各縣域生態環境質量均同時維持下降趨勢，但下降速度存在差異。生態環境質量直接關系到當地未來的糧食安全和人們生活質量問題，影響到農業經濟的可持續發展，當地政府未來應致力于努力改善當地的生態環境，研究為該地區土地資源可持續利用和生態環境保護提供決策支持。

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