PSR模型下土地利用變化的生態環境響應評價★

賈 策 王世東*

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

土地利用變化是指人類與自然系統不同尺度上不斷發生交互作用與影響所產生的變化[1,2]。對土地利用/覆被變化演變過程的研究和分析生態環境在土地利用變化的基礎上產生的響應有助于掌握土地利用現狀設計合理的土地利用規劃方案[3,4]。

近年來,全球土地利用變化的研究己加入國際地圈生物圈計劃(IGBP)、人與環境計劃(HDP)和世界氣候研究計劃(WCRP)三大國際組織核心計劃，并在全球化的研究中占有重要位置[5]；呂立剛等[6]對江蘇省1985年—2005年的土地利用轉型定量分析給出其生態環境的響應結果；史培軍等[7]通過評價計算土地利用程度指數和植被指數來反映土地利用變化及生態環境的響應；唐志強等[8]通過對城市化與生態環境相互作用的研究來揭示生態環境對土地利用變化的響應機理；殷格蘭等[9]以生態環境質量模型對南水北調中線工程核心水源地淅川縣的生態環境對其土地利用變換的響應程度進行了評估。王少華[10]利用綜合評價方法對鄭州黃河旅游區的土地利用變化及其生態環境效應進行了評價；劉旭[11]討論了北京市近30年土地利用變化及其生態環境響應的演變機理；馮異星等[12]分析了對干旱區典型流域近50年的土地利用格局變化進而討論起生態環境效應。

1 研究區概況及資料來源

1.1 研究區概況

丹江流域在河南省內貫穿7個縣，研究區位于漢江上游，河南、湖北、陜西三省交界處，流域匯水面積9.52萬km2。研究區位于河南省西南部，伏牛山南麓，向南接壤湖北省，偏西比鄰陜西省，包含三門峽盧氏縣、洛陽市欒川縣部分鄉鎮，南陽市的西峽縣和淅川縣以及內鄉縣和鄧州市的部分鄉鎮，區域總面積為293 256.3 hm2。地理坐標界定與東經110°52′～112°，北緯33°30′之間。

1.2 數據預處理

研究選取丹江流域(河南段)2005年、2010年landsat ETM+和2015年landsat OLI遙感影像，以及2010年土地利用現狀圖。利用遙感軟件ENVI5.1，采用以非監督分類為主目視解譯為輔的方法將研究區分為六類：耕地、林地、草地、建設用地、水域、裸地。然后依據同期野外采集到的數據，隨機抽取若干樣本，在ENVI5.1軟件中計算出分類混淆矩陣和Kappa系數。最終得到結果：土地利用分類總體精度86.2%，Kappa系數為0.86，達到較好效果。

1.3 土地利用變化

利用ENVI5.1軟件對丹江流域(河南段)2005年、2010年和2015年的landsat ETM+和landsat-8 OLI遙感影像做最大似然法分類處理。將研究區分為林地、耕地、建設用地、水域、草地、裸地六種用地類型。分類結果如表1所示。

由表1可以看出丹江流域2005年、2010年和2015年的土地利用面積變化：2005年—2010年間研究區各用地類型除水域面積基本保持不變外其他用地類型面積均有少量變化，其中以草地和林地變化最大，變化率分別達到前一年的26.5%和18.9%。2010年—2015年間各用地類型均有較大變化，其中林地變化率為30.8%、耕地為24.7%、建設用地為21.9%、水域為11.3%、裸地為71.2%。

表1 研究區分類結果

2 基于PSR模型的生態環境響應評價

2.1 模型建立

PSR結構模型常用來作為資源利用評估和持續發展模式的模型框架。本文以研究區在PSR框架的基礎上建立綜合評價模型，由原模型基礎上賦予自然環境變化，分析研究區土地利用變化賦予土地利用狀態壓力進而探討生態環境對其響應。

以加權綜合函數法構建響應的綜合評價模型，計算土地利用變化的生態環境響應綜合評價指數的年份結果。評價模型如公式所示：

2.2 評價單元的劃分

本文根據現有土地利用類型的數據和研究區特性以研究區內7個縣區作為評價單元劃分，并且根據得到土地利用數據在各個縣區的屬性將7個縣區劃分為四個等級。且區域內水域面積越大其等級越高，見表2。

表2 評價單元等級劃分

2.3 結果與分析

利用ArcGIS10.1的空間表達功能，得到研究區綜合評價指數的歷年結果進行空間表達，研究其時空變化特征。對研究區生態環境響應綜合指數評價得到歷年各縣區得分值，見表3。

表3 綜合評價計算結果

研究區綜合評價指數結果可以反映出流域內社會與自然壓力—土地利用變化狀態—生態環境響應的綜合水平，在一定程度上也反映了流域內人類活動與自然環境交互作用與土地利用狀態及生態環境響應等人文地理和自然地理環境的綜合發展水平。

從時空變化可以看出，內鄉縣、淅川縣和鄧州市的綜合評價結果呈現下降趨勢，說明其生態環境對土地利用變化的響應表現為負影響。其他縣市結果呈現上升趨勢，其中西峽縣變化量較小說明其生態環境的響應表現為正向影響但影響不大，嵩縣和盧氏縣變化量較大說明其生態環境質量呈上升趨勢且受土地利用變化的正向影響。多年平均結果偏高的縣市為欒川縣說明欒川在其土地利用變化及其生態環境的響應中一直呈正向趨勢；多年結果較低的區縣為盧氏和嵩縣說明其綜合評價結果一直呈現負趨勢。

3 結語

從2005年到2015年，研究區主要用地類型為水域、建設用地和耕地；根據當地實際狀況多表現南水北調中線工程限制了當地生態環境的可持續發展。從土地利用類型轉移來看，轉出面積多為耕地和林地，但隨著南水北調中線工程的竣工與當地的因地制宜轉出轉入面積逐漸平衡；轉入面積多為建設用地，其原因在于人口的變遷和當地城市化的發展；且可以看出減少的耕地與林地面積多轉為建設用地。

在2005年—2015年間，研究區綜合評價結果可以反映出：丹江流域(河南段)的土地利用變化及其生態環境響應的時間變遷和空間異質性特征明顯；其變化特征與各土地利用類型的地形、土地利用方式和其與南水北調工程沿線淹沒程度有關。

在研究區土地總面積、用地類型和土地結構變化等內在變量中，建設用地面積的增加對生態環境的響應結果呈現負向變化；在各類生態用地中，耕地和林地減少是生態環境對其土地利用變化呈負向趨勢的主要原因；各用地類型的結構中，水域面積擴張給研究區帶來正向的生態環境發展趨勢。研究表明：維持研究區各生態用地的平衡對當地生態環境可持續發展具有重要意義。

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