新沂市土地利用變化及其生態環境效應分析

陳昆鵬,胡召玲

(江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇 徐州 221116)

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新沂市土地利用變化及其生態環境效應分析

陳昆鵬,胡召玲*

(江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇 徐州 221116)

基于新沂市2006、2014年兩期土地利用數據，得到該市在2006～2014年間土地利用動態度、區域生態環境質量指數及生態貢獻率等指標，并根據生態貢獻率制作主導土地利用變化類型的空間分布圖，對該市土地利用變化空間分布特征及其生態環境效應進行分析與評價.結果表明：(1)2006～2014年間，新沂市的土地利用類型發生了顯著變化，但土地利用類型依然以耕地為主，約占研究區總面積的51%.耕地、園地、林地、草地、其它土地的面積減少，而交通運輸用地、水域及水利設施用地、城村鎮及工礦用地面積增加.(2)2006～2014年新沂市的區域生態環境質量指數由0.3765下降到0.3549，呈現出下降趨勢.退耕還水、退耕還園是促使生態環境改善的主導因素，其占生態貢獻率比率分別達到28.75%、15.65%.而毀園造田是導致生態環境惡化的主導因素，其占生態貢獻率比率達到-20.34%.該文為研究區土地利用動態優化配置和生態環境建設提供了參考依據.

土地利用變化；生態環境效應；生態環境質量指數；新沂市

土地利用變化，作為人類活動對區域及全球變化驅動的重要組成部分，在全球變化的研究領域中已經成為一個熱點話題[1,2].目前對全球環境變化的研究主要集中在土地利用/土地覆蓋變化方面，人類也以此為媒介進而分析解決全球變化問題[3,4].土地為人們提供了基本的生產資料，這也增加了人類對土地的依賴程度[5].而人類的活動，如物質和能源的運輸、存儲、轉換、消耗以及廢棄物處理，都和土地利用有著密切的聯系[6].土地利用變化和生態環境演化之間也存在互動的關系，自然現象和生態過程會隨著土地利用的變化而改變[7]，因此，探究土地利用變化及其對生態環境的影響機制，對認識研究區域乃至全球的生態環境變化都具有非常重要的現實意義[8].因土地利用類型與其生態環境效應間的關系十分復雜，目前國內外學術界對由土地利用變化引起的生態環境效應的客觀、綜合的定量分析與評價方法仍在探索中[9,10].近年來，有學者基于景觀指數研究土地利用變化的綜合生態效應[11-13]，羅彥芳等采用景觀格局指數法對淳安縣的土地利用景觀格局變化及其引起的生態環境效應進行了研究[14].也有學者通過對土地利用類型的生態環境質量指數進行定量賦值，評價由土地利用類型變化引起的生態環境效應[15].張揚等以武漢市土地利用數據為數據源，運用生態環境質量指數和生態貢獻率指數對武漢市的生態環境效應進行了分析與評價[2].然而國內外學術界對土地利用變化環境效應的研究，仍集中在生態脆弱區、經濟發達熱點地區，而對于縣域尺度的經濟欠發達區進行土地利用變化的生態效應分析研究尚不多見.

南水北調東線工程于2013年實施后，新沂市境內的京杭運河和西南部的駱馬湖是南水北調東線重要的兩個調水線路和調蓄水庫.近年來新沂市城市化和工業化發展迅速，新沂市的城區面積已拓展到26170 hm2.新沂市面臨著生態環境建設和社會經濟發展的雙重考驗.本文以新沂市2006、2014年兩期土地利用數據為主要數據源，應用GIS技術分別提取出這兩年的土地利用類型變化信息，對新沂市8年間的土地利用變化特征進行了分析，并采用生態環境質量指數及生態貢獻率指數的方法，根據生態貢獻率指數制作新沂市主導土地利用變化類型的空間分布圖，定量分析、評價了新沂市2006～2014年間土地利用變化的空間分布特征及其生態環境效應，以期更加客觀、全面地對新沂市土地利用類型變化的生態環境效應進行分析與評價，為縣域尺度經濟欠發達地區土地資源的可持續利用及管理提供參考依據.

1 研究區概況

本文以江蘇省新沂市為研究區域，該市位于蘇、魯兩省交界，是江蘇省徐州市的一個下轄縣級市，位于東經117°59′～118°40′，北緯34°05′～34°26′，總面積約159200 hm2，下轄13個鎮，4個街道，1個省級開發區，總人口約111.89萬(圖1).新沂市地處魯南丘陵與蘇北平原的過渡地帶，境內缺少高大山脈，主要以平原地形為主，但有剝蝕崗地和湖蕩洼地分布.新沂市境內屬淮河流域沂、沭、運水系，河流流向主要是自北向南或自西向東，境內流域性河湖主要有“四河一湖”，即：中運河、沂河、沭河、新沂河、駱馬湖，水庫主要有：高塘水庫、沙墩水庫、新莊水庫、大周水庫、黃巢關水庫、龍潭水庫等.土地利用類型主要為：耕地、水域及水利設施用地、城鎮村及工礦用地等.

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area.

2 數據來源與處理

本研究所使用的數據為：新沂市2006年和2014年土地利用矢量數據.在ArcGIS 10.1軟件平臺上，以2014年土地利用數據為參考，對2006年土地利用數據進行投影變換與坐標校正，使校正后的2幅土地利用數據的地理空間參考一致.2014年土地利用數據以《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2007)為分類依據，而2006年土地利用數據則以國土資源部頒布并于2002年開始實施的土地利用現狀分類標準為分類依據，本文按照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2007)，以2014年土地利用數據為參考，對2006年的土地利用類型進行轉換，建立2個年份相同的土地利用分類體系.將新沂市土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、城鎮村及工礦用地、其它土地8個一級類和水田、水澆地、旱地等25個二級類，并制作出新沂市2006、2014年土地利用現狀圖(圖2).

圖2 新沂市2006年(a)和2014年(b)土地利用現狀圖Fig.2 The land use maps in Xinyi City in 2006(a)and 2014(b)

一級類二級類編碼名稱編碼名稱生態環境質量指數賦值一級類二級類編碼名稱編碼名稱生態環境質量指數賦值1耕地011水田0．40113水庫水面0．55012水澆地0．30114坑塘水面0．55013旱地0．25116內陸灘涂0．452園地021果園0．70117溝渠0．55023其它園地0．60118水工建筑用地0．253林地031有林地0．957城鎮村及201城市0．20033其它林地0．40工礦用地202建制鎮0．204草地043其它草地0．30203村莊0．205交通運輸101鐵路0．20204獨立工礦0．20用地102公路0．20205風景名勝及0．20104農村道路0．20特殊用地6水域及水利111河流水面0．558其它土地122設施農用地0．25設施用地112湖泊水面0．75127裸地0．05

新沂市土地利用類型二級分類系統具有比較高的精度，參照崔佳、張楊等人的研究成果，根據各土地利用類型的相對生態價值，并結合新沂市地域特征，建立土地利用類型與區域生態環境質量的關聯，對不同土地利用類型的生態環境質量在[0-1]內賦值，以此來反映單位面積上不同土地利用類型的生態環境質量的差異[1,2].首先，以林地的生態環境質量指數最高，有林地為0.95、其他林地為0.40.由于研究區水體主要為河流與湖泊，內部物種構成較為單一，生態系統結構相對簡單，其賦值相應降低，湖泊水面為0.75，其它水體賦值相應降低.水田的生態價值明顯高于旱地，二者的賦值在全球耕地平均比例的基礎上，依研究區現狀有所調整，水田為0.40，水澆地和旱地分別為0.30、0.25.交通用地、城鎮建設用地參照當地實際及與其他土地利用類型生態環境效應的比例關系而定，均賦值0.20.最終建立研究區生態環境質量指數表(表1).

3 研究方法

基于新沂市2006、2014年兩期土地利用數據，計算出該市土地利用動態度、區域生態環境質量指數及其生態貢獻率指數等指標，并根據生態貢獻率指數制作新沂市主導土地利用變化類型的空間分布圖，對新沂市土地利用變化空間分布特征及其生態環境效應進行分析與評價.

3.1 土地利用動態度

土地利用動態度綜合考慮了研究時段內土地利用類型間的轉移，并且可以定量描述研究區土地利用變化的速度和差異[16-19].土地利用動態度包括單一土地利用動態度和綜合土地利用動態度[16].

單一土地利用動態度對某一土地利用類型的數量變化特征進行了描述[17].其表達式為：

(1)

式中：Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一土地利用類型的面積；T為研究時段長.

綜合土地利用動態度反映研究區土地利用變化的強度[18].其表達式為：

(2)

式中：LUi為研究期初第i類土地利用類型面積，△LUij為研究時段內第i類土地利用類型轉為第j類(j≠i，i，j=1，2…n)土地利用類型的面積，T為研究時段長.

3.2 區域生態環境質量指數

對研究區內各土地利用類型所具有的生態質量及其面積所占比例進行綜合考慮，該指數可以定量地描述研究區內生態環境質量的情況[2].其表達式為：

(3)

式中：LUi和Ci為研究區內t時期第i類土地利用類型的面積及其生態環境質量指數；TA為區域總面積；n為區域內土地利用類型數量.

3.3 土地利用變化類型生態貢獻率

定量分析某種土地利用類型變化方向對研究區生態環境質量變化的生態質量指數,構建研究區土地利用變化的生態貢獻率[2].其表達式為：

(4)

式中：LEt+1、LEt分別為某種土地利用變化類型所反映的變化末期和初期土地利用變化類型所具有的生態環境質量指數；LA為該變化類型的面積；TA為區域總面積.

4 結果與分析

4.1 土地利用變化分析

基于ArcGIS 10.1軟件對新沂市2006、2014年兩期土地利用數據進行統計，獲得各土地利用類型的面積和所占比例以及2006～2014年間的變化面積(表2)，為對新沂市土地利用變化狀況有更直觀的認識，本文以各土地利用一級類型為基本單元，應用式(1)、(2)分別計算出新沂市2006～2014年間的8種土地利用類型的單一土地利用動態度(表2)和綜合土地利用動態度.

表2 新沂市2006～2014單一土地利用動態度

由表(2)可知：新沂市土地利用類型變化的速度比較快，但土地利用類型依然為耕地為主，面積比重最大，2014年占新沂市總面積的51.07%.從單一土地利用類型動態度來看，耕地、園地、林地、草地、其它土地的面積有所減少.2006～2014年間，草地的減速最快，單一土地利用動態度為-8.22%，減少552.93 hm2.其次為林地，單一土地利用動態度為-7.34%，減少2305.31 hm2.其它土地的單一土地利用動態度為-5.87%，減少1777.07 hm2.園地的單一土地利用動態度為-2.02%，減少1709.98 hm2.耕地的單一土地利用動態度為-0.90%，減少量最大，減少6336.96 hm2.交通運輸用地、水域及水利設施用地、城村鎮及工礦用地面積有所增加.交通運輸用地的增速最快,單一土地利用動態度為30.72%，增加5125.04 hm2.其次為水域及水利設施用地，單一土地利用動態度為2.12%，增加5133.88 hm2，面積增加量最大.城村鎮及工礦用地，單一土地利用動態度為1.51%，增加2423.32 hm2.從新沂市的綜合土地利用動態度來看，2006～2014年間新沂市土地利用類型年綜合變化率為15.29%，說明新沂市土地利用變化十分明顯.

4.2 土地利用變化的生態環境效應分析

根據式(3)和表1，計算出新沂市2006年和2014年的區域生態環境質量指數分別為0.3765、0.3549，由此可知，新沂市近8年來土地利用變化引起該地區生態環境質量惡化.盡管新沂市生態質量總體呈下降趨勢，但也存在著局部改善和局部惡化的兩種趨勢，生態環境改善和惡化的趨勢可從分析二級土地利用類型變化得出.基于ArcGIS 10.1軟件對新沂市2006、2014年土地利用現狀圖進行空間疊置分析，依據二級土地利用類型所具有的生態環境質量指數(表1)和式(4),可得出不同土地利用變化類型的面積、對研究區生態環境質量變化的生態貢獻率及占生態貢獻率比率(表3).結合土地利用變化類型的生態貢獻率可得到主導土地利用變化類型空間分布圖(圖4)，圖中紅色表示導致生態環境質量惡化的土地利用變化類型，綠色表示促使生態環境質量改善的土地利用變化類型，顏色越深表示該土地利用變化類型的生態貢獻率越高.

表3 主導土地利用變化類型及生態貢獻率

圖4 主導土地利用變化類型空間分布圖Fig.4 The spatial distribution map of the major type of land use change

由表3和圖4可知，2006～2014年間促使新沂市生態環境質量改善的主要土地利用變化的驅動因子為：退耕還水，退耕還園，水澆地和旱地轉化為水田，內陸灘涂和水工建筑用地轉化為河流水面.其中退耕還水轉化的部分生態貢獻率最大，占生態貢獻率比率為28.75%，變化面積達7276.13 hm2，在研究區中的轉化類型分布較廣，主要土地利用變化類型為水田、旱地轉化為河流水面、坑塘水面、湖泊水面和溝渠，一方面由于農田基本水利設施的建設，使一部分旱地轉化為用于引排水的溝渠，另一方面由于新沂市西南部的駱馬湖和京杭運河是南水北調東線重要的兩個調蓄水庫和調水線路，2013年南水北調東線通水后，水位升高，使湖泊和河道周圍的部分耕地轉化為水域.退耕還園轉化的部分占生態貢獻率比率為15.65%，變化面積為3016.53 hm2，主要土地利用變化類型為水田、旱地轉化為其它園地.水澆地和旱地轉化為水田的部分占生態貢獻率比率為9.29%，變化面積為3972.29 hm2.內陸灘涂和水工建筑用地轉化為河流水面的部分占生態貢獻率比率為7.22%，變化面積為1962.41 hm2.

2006～2014年間促使新沂市生態環境質量惡化的主要土地利用變化的驅動因子為：毀園造田，城鎮村及工礦用地的擴展，圍水造田，湖泊水面轉化為坑塘水面和內陸灘涂，河流水面轉化為水工建筑用地，水田轉化為旱地.其中毀園造田所對應的土地利用變化類型為果園、其它園地轉化為旱地，其生態貢獻率最大，占生態貢獻率比率為-20.34%，變化面積達4974.45 hm2.湖泊水面轉化為坑塘水面和內陸灘涂，河流水面轉化為水工建筑用地這兩種轉化的部分占生態貢獻率比率為-11.19%，變化面積為4847.05 hm2，主要分布在新沂市西南部的駱馬湖周圍區域.水田轉化為旱地的部分占生態貢獻率比率為-10.69%，變化面積為6717.13 hm2，集中分布在新沂市東部邊緣鄉鎮.城鎮村及工礦用地的擴展轉化的部分占生態貢獻率比率為-9.46%，變化面積為2018.61 hm2，主要土地利用變化類型為水田、果園、有林地轉化為建制鎮、村莊，主要分布在新沂市區西南部環城西路附近以及建制鎮和農村居民點附近.圍水造田轉化的部分占生態貢獻率比率為-9.27%，變化面積為3236.96 hm2，主要土地利用變化類型為河流水面、湖泊水面、坑塘水面、溝渠轉化為旱地.

5 結 論

2006～2014年間，新沂市的土地利用類型發生了顯著變化，從而引發了該市生態環境質量發生相應的變化.本文通過對新沂市土地利用類型及其生態環境質量變化的研究，得到以下結論：

(1)2006～2014年，新沂市的土地利用類型發生了較大的變化，但土地利用類型依然為耕地為主，面積比重最大，2014年占新沂市總面積的51.07%.耕地、園地、林地、草地、其它土地的面積有所減少，其中耕地的面積減少量最大，8年間減少了6336.96 hm2，草地的減速最快，單一土地利用動態度為-8.22%，減少552.93 hm2.而交通運輸用地、水域及水利設施用地、城村鎮及工礦用地面積有所增加，其中水域及水利設施用地的增加量最大，增加了5133.88 hm2，交通運輸用地的增速最快,單一土地利用動態度為30.72%，增加5125.04 hm2.

(2)2006～2014年，新沂市生態環境質量呈現出一種下降趨勢.研究區內生態環境質量也存在著局部好轉和局部惡化的兩種趨勢，其中促使新沂市生態環境質量改善的主要驅動因子為：退耕還水，退耕還園，水澆地和旱地轉化為水田，內陸灘涂和水工建筑用地轉化為河流水面.退耕還水的生態貢獻率占生態貢獻率比率最大，占生態貢獻率比率為28.75%，變化面積達7276.13 hm2，是促使生態環境改善的主導因素.促使新沂市生態環境質量惡化的主要驅動因子為：毀園造田，城鎮村及工礦用地的擴展，圍水造田，湖泊水面轉化為坑塘水面和內陸灘涂，河流水面轉化為水工建筑用地，水田轉化為旱地.毀園造田的生態貢獻率占生態貢獻率比率最大，占生態貢獻率比率為-20.34%，變化面積達4974.45 hm2，是導致生態環境惡化的主導因素.

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[責任編輯：徐明忠]

Analysis on the changes of land use and its ecological environmental effects in Xinyi city

CHEN Kunpeng，HU Zhaoling*

(School of Geography，Geomatics & Planing，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China)

Based on the land use data in Xinyi city in 2006 and 2014，the paper figured out the land use dynamics，the regional ecological environment quality index and ecological contribution rate from 2006 to 2014.Then，the spatial distribution map of the major type of land use change has been made according to ecological contribution rate.The characteristics of spatial distribution of land use change and its ecological environmental effects was analyzed and evaluated.The results showed that：(1) The local land use types were greatly changed from 2006 to 2014 in Xinyi city.The main type of land use was farmland and it accounted for 51% in the total study area.The areas of farmland，garden land，forestland，grassland and other land declined.On the contrary，the transportation land，water body and water facilities land，urban，village and industrial land expanded.(2)The regional ecological environment quality index dropped from 0.3765 in 2006 to 0.3549 in 2014 in Xinyi city，indicating a downward trend.The main driving factors of the ecological environment improvement were converting farmland into water，converting farmland into garden land，converting irrigable farmland and dry farmland into paddy field，converting inland beach land and water conservancy construction land into river.On the other hand，the main driving factors of the ecological environment degradation were destroying garden land to farmland，the expansion of urban，village and industrial land，converting water into farmland，converting lake into pond and inland beach land，converting river into water conservancy construction land and converting paddy field into dry farmland,.This paper provides a reference for the study of dynamic optimal allocation of land use and ecological environment construction.

land use change；ecological environmental effect；ecological environment quality index；Xinyi city

2017-04-07

國家自然科學基金資助項目(41101428，41401438)

陳昆鵬(1991—)，男，河南商丘人，江蘇師范大學碩士研究生，主要從事遙感與地理信息系統應用的研究.

胡召玲(1973—)，女，山東萊州人，江蘇師范大學教授，博士，主要從事遙感與GIS理論及應用等方面的教學與研究.

F301.24

A

1672-3600(2017)09-0047-08