黃河三角洲季節性干旱區土地利用變化及生態效應

李俊翰， 高明秀

(土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018)

土地利用變化既是對經濟社會發展所施加作用的映射，又是氣候和生態環境變化的重要影響因素，因而成為人類活動與生態系統相互作用機制研究的橋梁和紐帶[1-2]。土地利用變化的生態效應表現為土地生態系統服務的變化，可進行定量評估[3-6]。隨著全球氣候和環境變化日益劇烈，土地利用變化及其生態環境效應愈加引發關注，國內外學者從不同時間和空間尺度對土地利用變化及生態系統服務價值進行研究[5-8]。黃河三角洲是我國重點開發的河口三角洲之一，經濟社會快速發展，土地利用/覆蓋變化迅速[9]。黃河三角洲是典型的生態脆弱區[10]，季節性干旱特征明顯，在氣候持續干旱、黃河時常斷流等影響下，人為土地利用變化對該區生態的影響更加強烈。本研究旨在針對經濟快速發展過程中季節性干旱區土地利用變化特征及其引致的生態效應間的關系問題，以黃河三角洲山東省無棣縣為研究區，借助RS、GIS技術和生態系統服務價值測算方法，定量分析近20年來研究區土地利用變化與其生態系統服務價值演變的特征和關系，探索引致區域生態變化的土地利用根源，為協調土地利用、經濟發展和生態保護的關系提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

無棣縣地處山東省最北部，渤海西南岸，地理坐標 117°31′～118°12′E、37°41′～38°18′N，是京津冀和山東半島兩大經濟區的交匯點，國家和山東省黃河三角洲開發等多項戰略規劃疊加區，縣域土地總面積1 998.12 km2?？h域處于陸海緩沖地帶，地貌以平原為主，自西南向東北依次為黃泛平原、濱海平原和海岸、灘涂，海拔0～8 m，自然坡降 1 ∶10 000。無棣縣屬北溫帶半濕潤大陸性氣候區，年均氣溫12 ℃左右，年均降水量570.1 mm，年均蒸發量1 285.5 mm，蒸降比2.3，降水80%集中在夏季，秋冬春3季干旱。淡水資源匱乏，全縣工農業生產和居民生活主要依靠引黃供水。地下水水位淺、礦化度高，鹽堿地遍布全境，是黃河三角洲生態脆弱區的典型區域。

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1 土地利用類型劃分 參考全國遙感監測土地利用/覆蓋分類體系和土地利用現狀分類標準(GB/T 21010—2007)，結合無棣縣自然環境與土地利用特征，劃分研究區土地利用類型(表1)。

1.2.2 數據來源及處理 遙感影像(1995年8月24日和2005年5月15日TM影像、2015年4月25日OLI影像)數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)。運用ENVI 5.1軟件，參考無棣縣行政區劃圖和土地利用現狀圖，進行影像輻射定標、大氣校正、裁剪和鑲嵌，通過Kappa精度檢驗，運用監督分類、分類后處理等功能進行遙感影像信息提取，形成3期土地利用類型圖，在ArcGIS 10.1中進行數據提取和分類統計。社會經濟統計數據來源于濱州市統計年鑒(1996、2006、2016)和2015年無棣縣國民經濟和社會發展統計公報(http：//www.wudi.gov.cn)。

表1 無棣縣土地利用類型

1.2.3 研究方法

1.2.3.1 土地利用變化分析 土地利用變化，采用土地利用類型轉移矩陣分析土地利用類型結構變化，描述各種土地利用類型間的轉化關系[11]；采用土地利用轉移概率矩陣研究土地利用結構變化趨勢[12]。設Pij為土地利用轉移概率矩陣：

(1)

式中：pij是t時期的第i種土地利用類型轉變為t+1時期的第j種土地利用類型的概率。

采用土地利用動態度分析土地利用類型在時間上的變化情況[13]。其中，單項地類動態度反映某一土地利用類型在時間上的數量變化，鑒于傳統模型僅考慮轉出而忽略轉入的缺陷，本研究采用其改進的計算模型：

(2)

即以某地類的總變化量與總變化量和未變化量的和之比計量單項地類動態度。式中：LUDDi為研究期內某一土地利用類型的動態度；TCi是某一地類的總變化量；Sii為該地類未發生轉移的量。

綜合土地利用動態度反映研究期內所有土地利用類型的總體變化，其計算模型：

(3)

式中：TLUDD為綜合土地利用類型動態度；D總(I總)為研究期區域內各地類土地利用總減少量(或總增加量)；S總為區域土地總面積。

1.2.3.2 土地利用生態系統服務價值測算方法 采用Costanza等生態系統服務價值評價方法[4]測算各時期生態系統服務價值量，評價模型為：

(4)

式中：ESV為研究區年生態系統服務總價值；Ap為研究區第p種土地利用類型的面積(p=1，2，…，7，為生態類型)；VCp為第p種土地利用類型的生態系統服務價值當量。

各土地利用類型的貢獻率模型為：

(5)

式中：ESVCp為第p種土地利用類型在生態系統服務價值中的貢獻率；ESVp為第p個土地利用類型的年生態服務價值。

生態系統服務價值計算以謝高地等的研究成果[14]為基礎?？紤]到無棣縣位于冀魯交界處的特殊情況，以2省區域修正系數平均值1.20作為無棣縣價值當量修正系數[15]。同時，確定無棣縣單個生態當量的價值為476.18元/hm，適當調整無棣縣土地利用類型與陸地生態系統的對應關系[14-16]，使耕地與農田對應，林地取森林和草地的平均值，建設用地生態服務價值為零，未利用地參照荒漠計算，水域與河流湖泊對應，鹽田及養殖用地取河流湖泊和荒漠的平均值，計算出無棣縣生態系統單位面積生態服務價值(表2)。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化特征

2.1.1 土地利用結構變化 從圖1、圖2可以看出，無棣縣土地利用類型在空間上呈階梯狀分布， 耕地和林地主要分布在縣域西南部，水域和鹽田及養殖用地主要分布在東北部，未利用地和草地主要分布在二者的過渡地帶。1995—2005年，各土地利用類型變化幅度較大。其中，鹽田及養殖用地增幅最大，達37.53%，也是面積增加最大的地類；林地、建設用地和耕地也各有增加。水域減少面積和減少幅度均最大，為46.63%；草地、未利用地也有減少。說明此期間無棣縣土地利用已進入活躍期，地類結構變化明顯。2005—2015年，建設用地增幅最大，達43.35%，反映出此階段城鄉建設、工業發展占地迅速增長，農業開發、建設占用使未利用地迅速減少，減幅高達36.97%；林地減少4.76%，反映出冬棗過度發展、效益下降，部分開始還棗為耕；農業結構調整和建設占用使草地面積也大量減少，達25.84%。綜合來看，1995—2015年，無棣縣土地利用類型結構發生非常顯著的變化，呈現出“四增三減”的變化特征：建設用地、鹽田及養殖用地、林地、耕地面積增加，分別增加6 606.18、16 735.86、660.96、4 039.83 hm2，增幅分別為61.35%、51.31%、16.63%、5.11%；水域、未利用地、草地大幅減少，分別減少11 732.85、7 429.59、8 880.39 hm2，減幅分別為42.70%、38.13%、35.65%。土地利用類型結構的大幅度和頻繁變化，反映出人類活動對生態環境的干擾不斷加劇。

表2 無棣縣各土地利用類型單位面積生態服務價值

2.1.2 土地利用流轉分析 1995—2015年無棣縣土地利用類型間的相互轉化關系。從表3可以看出，各地類間流轉量較大且關系復雜。20年來，各地類間均有相互流轉關系，轉出面積從大到小排序依次為草地>耕地>水域>未利用地>建設用地>林地>鹽田及養殖用地，而轉入面積從大到小排序依次為耕地>鹽田及養殖用地>草地>未利用地>建設用地>水域>林地。

從表4可以看出，各地類間流轉變化趨勢明顯，耕地主要轉化為草地、建設用地、未利用地、林地，其轉移概率分別為7.07%、6.40%、5.18%、2.80%；林地主要轉化為耕地、建設用地，轉移概率為38.54%、11.67%；草地主要轉移為耕地、未利用地，轉移概率分別為42.15%、13.90%；水域主要轉化為鹽田及養殖用地，轉移概率為38.17%；建設用地主要轉化為耕地、草地，轉移概率分別為16.16%、4.65%；未利用地主要轉化為耕地、鹽田及養殖用地、草地，轉移概率分別為 32.61%、19.47%、15.94%。

綜合分析各地類間流轉變化的原因，耕地的減少主要是被建設占用、農業結構調整為林地、鹽堿退化為草地和未利用地，耕地增加主要來源于未利用地開發和農業結構調整轉化；林地變化主要源于農業結構調整冬棗種植的增減和城鄉綠化、植樹造林以及城鄉建設占用等；草地減少主要原因是墾為耕地、建設用地占用和鹽堿退化；建設用地增加的主要來源為占用耕地、林地、草地和開發未利用地等；水域減少的主要原因是氣候干旱部分河流干枯、建設占用、鹽田及養殖占用；鹽田及養殖用地增加主要來源于近海灘涂及淺水域利用；未利用地減少主要是因墾為耕地、草地、建設占用和鹽田及養殖利用。根據Markov預測原理，未來一段時期，無棣縣土地利用仍將面臨建設用地擴張和耕地、林地、草地及未利用地減少的風險。

2.1.3 土地利用動態度變化 從圖3-A可以看出，1995—2005年，土地利用類型動態度變化最快的是未利用地和林地，總變化率分別為87.11%、78.03%；其次是草地、水域、建設用地、耕地，總變化率分別是75.79%、65.25%、47.49%、37.48%；鹽田及養殖用地變化最小，總變化率為33.94%。

表3 1995—2015年無棣縣土地利用類型轉移矩陣

表4 1995—2015年無棣縣土地利用類型轉移概率矩陣

2005—2015年，變化最快的是未利用地、草地，總變化率分別為87.37%、80.94%；其次是林地、建設用地、水域、耕地，總變化率分別為73.58%、56.06%、45.52%、37.61%；鹽田及養殖用地變化最小，僅為17.25%。1995—2015年，無棣縣7種用地類型動態度由大到小依次為未利用地>草地>林地>水域>建設用地>耕地>鹽田及養殖用地。

從圖3-B可以看出，無棣縣綜合土地利用動態度1995—2005年、2005—2015年分別為36.34%、31.00%，反映土地利用變化劇烈程度有逐漸緩和的趨勢；1995—2015年為39.00%，說明20年來無棣縣土地利用變化較為劇烈。

2.2 土地利用的生態效應分析

2.2.1 土地生態系統服務價值總量變化 從表5可以看出，1995—2015年，無棣縣土地生態系統服務價值總量呈下降趨勢，總值從173 116.15萬元減少到161 124.26萬元，損失 11 991.89萬元，年均損失率達0.35%。從時間段來看，1995—2005年，無棣縣土地生態系統服務價值總量減少 17 172.80萬元，年均損失0.99%；2005—2015年無棣縣土地生態系統服務價值總量有所增加，10年間共增長5 180.91萬元，年均增長0.33%。說明前10年經濟發展中對生態的重視嚴重不足，后10年隨著對生態環境問題重視而有所改善。

從用地類型來分析，1995—2015年，耕地、水域和鹽田及養殖用地始終對無棣縣土地生態系統服務價值貢獻率最高，林地和未利用地貢獻率最小，建設用地貢獻為零。20年間，耕地、林地和鹽田及養殖用地的生態系統服務價值有所增加，年均增長率分別為0.26%、0.83%、2.57%，草地、水域和未利用地生態服務價值有所減少，年均變化率分別為-1.78%、-2.14%、-1.91%。依據用地類型生態價值總量變化大小排序依次為水域>鹽田及養殖用地>草地>耕地>林地>未利用地，而年均變化率大小依次為鹽田及養殖用地>水域>未利用地>草地>林地>耕地。

2.2.2 土地生態系統服務價值結構變化 1995—2015年，無棣縣土地生態系統服務價值結構也發生了明顯變化，從表6可以看出，水文調節和廢物處理對生態系統服務價值總量的貢獻度較大，原材料生產、食物生產和氣體調節貢獻度較小。1995—2005年，各單項服務功能價值都在減少，其中水文調節減少最多，原材料生產減少最少。減少量由大到小依次為水文調節>廢物處理>氣候調節>提供美學景觀>維持生物多樣性>氣候調節>保持土壤>食物生產>原材料生產。2005—2015年，各單項服務功能價值有增有減。水文調節增加最多，維持生物多樣性增加最少，增加量由大到小依次為水文調節>廢物處理>提供美學景觀>食物生產>維持生物多樣性。保持土壤減少最多，原材料生產減少最少，減少量由大到小依次為保持土壤>氣體調節>氣候調節>原材料生產。1995—2015年，各單項服務功能價值都在減少。其中水文調節減少量最多，原材料生產減少量最少；減少速度最快的是提供美學景觀，年均減少0.43%，減少速度最慢的是食物生產，年均減少0.06%。

表5 1995—2015年無棣縣生態系統服務經濟價值總量及其變化

表6 1995—2015年無棣縣土地生態系統服務價值構成及變化

2.3 土地利用變化與生態服務價值變動的關系

對比1995—2015年無棣縣土地利用變化特征與生態系統服務價值變動趨勢，可以發現，無棣縣土地利用結構變化導致生態系統服務價值變化，二者之間聯系緊密，呈現相同的步調。而生態系統服務價值的變化則影響整個區域的生態效益，對區域土地利用結構形成新的反饋。

結合無棣縣社會經濟統計數據分析(表7)發現，1995—2015年，無棣縣人口總體上呈不斷增長趨勢，人均生態價值呈現不斷減少但變化速度逐漸放緩趨勢，共減少 813.42元/人，年均負增長率為1.07%；全縣GDP保持快速增長，共增長236.12億元，年均增長率達14.45%，而萬元GDP生態價值持續減少，由1995年的10 177.32元/萬元減少至2015年的636.53元/萬元，年均負增長率達12.94%，僅低于GDP增長率1.51百分點。可見在經濟快速增長、土地利用狀態頻繁變動的同時，無棣縣付出了較高的生態代價。

3 結論與討論

1995—2015年，無棣縣土地利用類型變化較為劇烈，呈現“四增三減”的特征，即耕地、林地、建設用地、鹽田及養殖用地面積增加，草地、水域和未利用地面積減少。各地類間流轉量較大、關系復雜，且呈現較明顯的流轉變化趨勢，20年來無棣縣土地利用變化較為劇烈，綜合變動率為39.00%。

表7 1995—2015年無棣縣萬元GDP和人均生態服務價值

20年來，無棣縣土地生態系統服務價值總量呈先減少后增加、總體為減少趨勢：耕地、林地、鹽田及養殖用地生態系統服務價值增加，草地、水域和未利用地生態服務價值減少，各單項服務功能價值都在減少；萬元GDP生態價值和人均生態價值持續減少，經濟的快速增長和土地利用的頻繁變化付出了較高的生態代價。

無棣縣生態系統服務功能變動與土地利用變化密切相關，土地利用結構變化導致生態系統服務價值變化，生態系統服務價值的變化影響區域生態效益。今后應強化土地生態利用，嚴控建設用地擴張，加強農地和水域保護，推進未利用地生態開發，維護區域生態平衡。