呼和浩特市城市空間擴展的生態環境綜合影響

王金禮 甄江紅 查蘇娜

(內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

呼和浩特市城市空間擴展的生態環境綜合影響

王金禮 甄江紅*查蘇娜

(內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

健康的環境是城市發展和人民生活的保障，城市空間擴展是影響城市生態環境變化的重要因素之一。以呼和浩特市為例，運用呼和浩特市區1977-2014年6期遙感影像數據，結合行政規劃圖和統計年鑒等資料，獲取呼和浩特市建成區面積的變化情況。根據P-S-R模型，選取土地利用壓力、經濟發展狀態、生態環境響應為評價指標，建立環境綜合評價模型，對呼和浩特市區的環境質量進行綜合評價分析。結果顯示： 1977-1990年，生態環境質量處于波動狀態，變化不大；1990-2001年，生態環境質量開始下降，但下降速度相對較小；2001-2014年，生態環境質量開始快速下降。因此，改善生活環境是目前呼和浩特市區亟待解決的問題。

城市空間擴展；生態環境；影響；城市化；呼和浩特

城市的空間擴展是近年來地理學領域研究的熱點之一。[1-2]近年來，隨著城市化進程的不斷加快，城市擴展的速度也在飛速增長。城市空間的擴展帶來諸如生態環境污染等一系列問題，學者近年來對此進行了許多相關的研究。Meyer、Croke 等[3-4]用大氣成分、水文、氣候等數據建立指標分析了城市擴展對環境的影響。郭旭東等[5]側重研究城市擴展對土壤的影響。史培軍等[6]則將重點放在了土地利用變化與自然災害的關系上。已有的研究主要探討了城市空間的擴展與生態環境二者之間的全面關系，重點放在了二者之間的因果關系方面，而對具體的影響因素和影響過程的研究較少。

呼和浩特市位于我國西北部干旱半干旱地區，地處內蒙古中部，為內蒙古自治區的首府，是全區政治、經濟、科技、教育和文化中心。近年來,由于呼和浩特市社會經濟的快速發展,城市空間在不斷地擴大，呼和浩特市的生態環境受到了嚴重的影響，大氣和水環境都受到不同程度的污染。生態環境一方面制約著社會經濟的發展，更為重要的是影響著人們的健康生活。因此，研究城市空間的擴展對環境的影響對于生態環境的調控和治理顯得尤為重要。從已有的研究看，主要有呼和浩特市空間擴展的特征分析、呼和浩特市景觀生態安全分析、大氣環境變化與熱島效應等，而關于呼和浩特市城市空間擴展與生態環境關系的系統研究較為薄弱。鑒于此，本文以呼和浩特市區為研究對象，利用遙感影像解譯，得出呼和浩特市1977-2014年間六個時期建成區面積變化，分析城市空間擴展的特征，研究城市空間擴展對生態環境造成的影響，為改善呼和浩特市人居環境、優化城市功能分區與城市規劃管理，以及城市可持續發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源與處理

本文研究所采用的影像為1977年、1986年、1990年、2001年、2010年和2014年的Landsat MSS和TM影像(所獲取的影像盡量選擇在6-9月植被覆蓋好、無云或少云的日期，以利于更好地判斷和解譯影像圖)并以呼和浩特市行政區劃圖、呼和浩特統計年鑒、谷歌地圖等為參考。

本研究中建成區信息的提取主要采用人機交互的目視解譯法，依據呼和浩特市六期遙感圖像，以行政區劃圖、谷歌地圖和百度地圖等為輔助資料，對預處理后的待解譯影像圖在ARCGIS10.0中進行建成區的識別和邊界范圍的提取獲得建成區相關的數據。市區土地利用類型的獲取主要利用遙感影像處理軟件 ENVI4.3對原始影像數據進行波段組合、幾何校正、裁剪、圖像增強等預處理工作，獲得與研究區行政邊界相符的影像數據。結合研究目的和研究區實際情況，參考《土地利用現狀分類》國家標準(GB/T2010-2007)，得到各時期呼和浩特市區土地利用類型圖、景觀類型的斑塊個數等，再結合《呼和浩特統計年鑒》(1990-2015)來計算需要的體系數據。數據處理采用梯形模糊隸屬度函數模型。

1.2 研究方法

1.2.1 城市空間擴展指標的選取

呼和浩特市建成區空間擴展的指標有建成區面積、建成區周長、擴展面積、年均擴展速率和擴展強度等指標。

擴展強度指數指在指定時間內研究區域的城市土地利用擴展面積占其土地總面積的百分比。其計算公式為:

M=(Ub-Ua)/A×T×100%

式中:M為城市用地擴展強度，Ua、Ub分別為研究期初、研究期末城市用地的面積，A為研究區域總面積，T為研究期的時段長度。

1.2.2 生態環境質量指數的構建

1.2.2.1 評價指標

本文基于P-S-R模型建立城市空間擴展的生態環境影響評價體系。選取指標過程中遵循區域性、系統性、動態性、可獲取性和可操作性等原則，采用理論分析法、專家咨詢法和層次分析法得到呼和浩特市空間擴展的生態環境影響評價指標體系。指標體系包括土地利用壓力、經濟發展狀態、生態環境響應等3個方面共17個指標。其中土地利用壓力指標6個，社會發展狀態指標7個，生態環境響應指標5個。需要重點介紹的為以下7個指標：

(1)建設用地開發強度：反映單位建設用地面積的經濟效益。計算公式為：

建設用地開發強度=二三產業生產總值/建設用地面積

(2)人類干擾指數：區域內景觀類型的不同面積比例組合反映出人類活動或開發利用的強度，即為人類干擾指數，揭示出人類活動對區域不同土地利用類型的影響強度。公式為：

式中：HA1為人類干擾指數，n為景觀組分類型數，Ai是第i類景觀的面積，Pi是第i類景觀所反映的人類影響強度參數。陳浮等(2001)用Leopold矩陣方法和Delphi打分法分別計算了各種土地利用類型的人類影響參數，在此取均值；TA為景觀總面積。

(3)具生態功能的土地覆蓋類型的覆蓋率(RESO)：是指那些在維持人類生存的大環境——生態系統正常功能方面發揮一定作用的所有土地類型,包括林地、草地、耕地、水域等。公式為：

RESO=(林地面積+耕地面積+草地面積+水域面積)/土地總面積×100%

(4)無(極低)生態功能的土地覆蓋類型的覆蓋率(NRESO)：就目前的生態系統而言,未利用土地是目前土地中過剩的一部分，影響了生態系統的平衡，是生態系統退化的一種表現，因此，本文認為此類土地利用類型沒有生態價值。

NRESO=未利用土地面積/土地總面積×100%

(5)生態功能較高的土地覆蓋類型的覆蓋率(HFUN)：呼和浩特市對生態系統功能貢獻最大的就是林地和草地，因此，考慮當地的實際情況選擇這兩類土地類型作為生態功能較高的土地利用類型。公式為：

HFUN=(有林地面積+高覆蓋草地面積)/土地總面積×100%

(6)生態功能較高的土地覆蓋類型的重要值：重要值是衡量斑塊在生態系統中重要地位的一種指標,直接反映了各種土地覆蓋類型在生態系統中的作用。因為生態系統的功能多由生態功能較高的土地覆蓋類型來完成,所以在評價過程中,只對生態功能較高的土地覆蓋類型的重要值進行分析,主要由密度和比例決定。計算方法如下:

密度=生態功能較高的土地覆蓋類型的斑塊數/總斑塊數×100%

比例=生態功能較高的土地覆蓋類型的面積/土地總面積×100%

重要值=(密度+比例)/2

(7)生態功能較高的土地覆蓋類型的破碎度：它反映景觀空間結構的復雜性和連通性，連通性的好壞反映了生態系統功能的優劣。計算公式如下：

Ci=Ni/Ai

式中：Ci為生態功能較高的土地覆蓋類型的破碎度，Ni土地覆蓋類型為斑塊數，Ai為土地覆蓋類型的面積。

1.2.2.2 權重的確定

權重的確定本文采用層次分析法(AHP)，它是應用多目標綜合評價方法以及網絡系統理論提出的一種有關層次權重決策分析的方法。對于每個層次的指標，運用專家打分的方法進行重要性排序，然后構造判斷矩陣，運算目標層和指標層的具體權重。將最終的權重進行一致性檢驗，檢驗通過，說明計算的權重正確、客觀，可以接受。

1.2.2.3 生態環境質量指數的計算

本文采取加權合成的方法計算呼和浩特市區1977-2014年的生態環境狀況，根據上述數據可以得出每一年的生態環境質量狀況。具體計算公式如下:

式中：EEQ為呼和浩特市生態環境質量指數值，M1、M2、M3分別代土地利用壓力指數、經濟發展狀態指數和生態環境響應指數，Ei為各指標的值，Wi為各指標相對于生態環境質量指數的權重，i為所有評價指標的數,i=1,2,3…n，n為指標的總個數。采同樣的方法可以計算指標層各子系統的分指數值。

表1 呼和浩特市生態環境綜合評價指標體系結構與權重

2 結果與分析

2.1 城市空間擴展特征

表2 呼和浩特建成區五個時間段城市擴展變化情況

對遙感影像進行處理，得出呼和浩特六個時期建成區范圍的變化情況，包括建成區的擴展面積、年均擴展強度和擴展速率(表2)。從中可以看出，從1977-2014年呼和浩特建成區的面積和周長都在不斷地增大，城市空間在不斷地擴張。大致可以分為兩個階段：1977-2001年城市空間擴展速度相對緩慢，建成區面積從34.59km2增加到121.12km2，年均擴展3.61km2；2001-2014年城市的空間擴展速度加快，建成區面積從121.12km2增加到229.98km2，年均擴展8.37km2，十幾年間面積增加了將近一倍。

2.2 研究區生態環境變化分析

圖1 建成區面積與土地利用壓力指數、經濟發展狀態指數和環境響應指數分析

2.2.1 空間擴展的土地利用壓力指數變化特征分析

從歷年呼和浩特市土地利用壓力指數的變化可以看出(圖1)：1997-2014年間，呼和浩特市土地利用壓力指數雖然有波動，但整體屬于一個下降的趨勢。1977-1990年間，土地利用壓力指數先下降后上升，整體變化不大；建成區面積從1977年的34.59km2變為1990年的76.71km2，擴展面積為42.12km2，擴展面積相對較小，耕地面積從1977年的865.9km2下降為1990年的827.3km2，但草地面積從465.7上升為505.2km2；各類土地利用類型面積變化相對較小。具有較高生態功能的林地、草地面積比重大，建設用地比重小，建設用地開發強度和人類干擾指數小，使得這一時期土地利用壓力指數較高。1990年以后，隨著呼和浩特市經濟的不斷發展，土地利用壓力指數在持續快速下降。1990-2010年間，建成區面積從76.71km2擴展為180.05km2，建成區面積飛速增加；建成區面積的增加占用了大量的耕地和草地，耕地和草地面積從827.3km2和505.2km2下降為679.8km2和464.3km2；耕地和草地面積減少，建設用地增加，人類干擾指數和建設用地開發強度都在不斷地增加，使得土地利用狀態指數不斷下降。2010-2014年，四年間呼和浩特市建成區面積從180.05km2擴展到229.98km2，擴展速度比以往任何時間段都要快，年均擴展速率為12.48km2/a。由于建設用地不斷增加、人口集聚等原因，使得土地利用壓力指數在不斷下降。

2.2.2 空間擴展的經濟發展狀態指數變化特征分析

1977-2014年，呼和浩特市經濟發展狀態指數在不斷下降(圖1)：其中，1977-1990年間，下降速度相當緩慢，1990年之后下降速度加快。呼和浩特市位于我國西北內陸地區，經濟發展相對東部沿海較緩慢。1977-1990年間，GDP總量從5.4億元上升為30.7億元，第一產業所占比重相對較高，第一、二、三產業都有發展，但這一時期相對1990年以后發展較緩慢。工業發展緩慢，工業基礎薄弱，產業發展空間相對較小，城市化水平和經濟發展狀態較低，且增幅較慢。1990-2014年，建成區面積開始飛快增加，經濟發展狀態指數開始快速下降。20世紀80年代末和90年代，國家實施了一系列的政策來促進城市化的發展，呼和浩特市也相繼開發了金川、金橋、如意、金河等經濟園區，工業開始迅速地發展。1990年第一、二、三產業的產值分別為5.2、12.2和12.9億元，到了2014年分別增加為125.5、848.19、1 920.4億元，經濟發展速度越來越快，城市化水平越來越高，經濟發展狀態指數在不斷下降。

2.2.3 空間擴展的生態環境響應指數變化特征分析

1977-2014年，呼和浩特生態環境響應指數隨著城市空間的不斷擴展在不斷地下降(圖1)。隨著建設用地的不斷增加，一方面占用了大量的耕地和草地，使得生態功能在不斷下降；建設用地的斑塊個數也在飛速增加，使得林地草地等具有高生態功能的土地類型斑塊數也在增加。1977年呼和浩特市區草地、林地、耕地的面積分別為465.71、429.14、865.89km2，然而2014年三類土地利用類型的面積分別變為455.35、415.4、635.76km2，特別是耕地面積減少了230.13km2；建設用地的面積由1977年的75.39km2增加到440.48km2。草地、林地、耕地和建設用地的斑塊數1977年分別為31、31、27和303，2014年分別增加到48、81、115和641，斑塊個數的不斷增加切斷了各種土地類型之間的連通性，降低了生態系統的服務功能，使得生態環境響應指數在不斷下降。

2.2.4 空間擴展的生態環境質量指數變化特征分析

城市用地是呼和浩特市生態環境的一個重要組成部分，城市空間的擴展變化與生態環境的變化密切相關。1977-2014年，呼和浩特市建成區面積從34.59km2擴展到229.98km2，生態環境質量指數從1977年的2.23下降到2014年的0.53(圖1)。城市生態環境質量指數的變化可分為三個階段：1977-1990年，生態環境處于波動狀態，變化不大；1990-2001年，生態環境開始下降，但下降速度相對較小；2001-2014年，生態環境質量開始快速下降。呼和浩特市在快速城市化發展的過程中，人口不斷增加，經濟擴展，地域擴張。在這個過程中，城市有機體內的各種細胞不斷分裂生殖和更新發展，并通過資源利用和能源消耗不斷向區域排放廢物，進而影響區域生態環境質量的變化。

3 結論與展望

(1)對呼和浩特市不同階段城市空間擴展和生態環境變化情況進行分析可以看出：隨著城市建設用地的不斷增加，經濟在快速增長的同時，生態環境受到了破壞；城市空間擴展的速度提高引起生態環境質量下降的速度加快。

(2)研究區在1977-2014年間各種土地利用類型面積都發生了變化，其中耕地面積的減少和建設用地面積的增加尤為突出，對生態環境產生了嚴重的影響。

(3)對研究區1977- 2014年的城市生態環境質量進行評價,計算結果表明:呼和浩特市建成區在擴展過程中，環境質量整體在不斷地下降。1977-1990年，生態環境處于波動狀態，變化不大；1990-2001年，生態環境開始下降，但下降速度相對較小；2001-2014年，生態環境質量開始快速下降。城市的擴展使生態系統的功能受到嚴重影響，因此，應對呼和浩特市區生態安全問題繼續給予高度重視,積極采取措施改善生態環境，維護呼和浩特市區的生態安全,最終實現呼和浩特市區的可持續發展。

本文所構建的生態環境質量評價體系，是以城市空間擴展為基礎來評價生態環境的變化，并不具有絕對性，但城市空間的擴展勢必會引起生態環境質量的變化。對城市空間的擴展從多方面、多層次來分析生態環境的綜合變化能夠揭示呼和浩特市城市空間的擴展和生態環境變化二者之間的關系。由于自身條件的限制，評價指標選取沒有包括全部的影響因素，未來的研究應該注重對單因素對環境影響的研究，比如城市的擴展對水資源的影響等，為治理環境污染提供方向。總之，呼和浩特未來城市空間擴展必須由粗放的地域擴張轉變為精細的內部產業建設轉型，只有這樣，才能以促進社會經濟與資源、環境的均衡協調發展。

責任編輯：富春凱

The Comprehensive Influence of Hohhot Urban Spatial Expansion on the Ecological Environment

WANG Jin-li, ZHEN Jiang-hong, CHA Su-na

(Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022，China)

A healthy environment is the guarantee of urban development and people′s life, and urban spatial expansion is one of the important factors that affect the change of urban ecological environment. Taking Hohhot city as an example, use the data of the 6 remote sensing images in Hohhot city in 1977-2014, combined with the administrative plan and statistical yearbook, to get the situation of the change of built-up area. According to the P-S-R model, selected land using pressure, economy development status, and ecological environment response as the evaluation index, to establish a comprehensive evaluation model and analysis of environmental quality in Hohhot city. It can be seen that during the year of 1977-1990 , the ecological environment fluctuated, changed little ; In 1990-2001, the quality of ecological environment began to decline, but the rate is relatively small; in 2001-2014, the quality of the environment began to decline rapidly. Improving our living environment is the urgent problem to be solved in Hohhot.

Urban spatial expansion; Ecological environment; Impact; Urbanization; Hohhot

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.04.002

2017-05-03

內蒙古師范大學研究生科研創新基金(CXJJS16116)；國家自然科學基金(41261109)；內蒙古自然科學基金(2016MS0410)。

王金禮(1992—)，男，山東臨沂人，在讀研究生。研究方向：區域與城市地理。*為通訊作者

X24

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1674-6341(2017)04-0003-04